Ứng dụng công nghệ thông tin trong xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển môi trường nhà kính tự động

Nguyễn Văn Hải (2020)
(20): 70 - 75

TẠP CHÍ KHOA HỌC – ĐẠI HỌC TÂY BẮC
Khoa học Tự nhiên và Công nghệ

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG
GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MƠI TRƯỜNG NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG
Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Thị Thanh Hà, Lường Nguyệt Hương
Trường Đại học Tây Bắc
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và xây dựng phần mềm hệ thống tự động giám sát và
điều khiển thông số mơi trường nhà kính (gồm nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất). Mơ hình nhà kính tạo lập
mơi trường sinh thái theo ý muốn thuận lợi nhất có thể giúp cây trồng sinh trưởng phát triển, kiểm soát mơi trường
tiểu khí hậu trong nhà kính thơng qua hệ thống cảm biến, điều khiển mơi trường nhà kính thơng qua cơ cấu chấp
hành và phần mềm điểu khiển trên điện thoại thơng minh.
Từ khóa: IoT, Arduino, nơng nghiệp cơng nghệ cao, DHT22, BH1750.

1. Đặt vấn đề
Trong những năm gần đây, việc ứng dụng
cảm biến kết nối vạn vật IoT (Internet of Things)
đã khơng cịn xa lạ trong nhiều lĩnh vực, trong
đó có sản xuất nơng nghiệp vốn là ngành kinh
tế quan trọng tại Việt Nam. Việc sử dụng các bộ
cảm biến kết hợp với hệ thống điều khiển vào
sản xuất trong các nhà lưới, nhà kính làm cho
quy trình sản xuất được đồng bộ, giám sát và
điều khiển một cách tự động, hạn chế tối đa các
tác động của mơi trường. Ở Việt Nam, hiện có
các tập đồn Hồng Anh Gia Lai, Vingroup, Hịa
Phát… sử dụng cơng nghệ của Isarel trong việc
canh tác nông nghiệp mang lại hiệu quả cao [1].

Mơi trường trong nhà kính nơng nghiệp cơng
nghệ cao thường địi hỏi rất khắt khe việc duy
trì nhiệt độ và độ ẩm cho sinh trưởng của cây
trồng theo từng loại cây cũng như thời gian sinh
trưởng của chúng. Điều này đòi hỏi cần phải
giám sát và thu thập số liệu về nhiệt độ và độ ẩm
tại nhiều vị trí khác nhau trong nhà kính. Biết
được độ ẩm của đất, độ ẩm - nhiệt độ của khơng
khí sẽ cho phép nhà nơng điều chỉnh hoạt động
canh tác của mình một cách thích hợp để đạt
được tối ưu năng suất cây trồng. Như vậy, có thể
thấy việc đo lường nhiệt độ - độ ẩm là điều rất
quan trọng đối với phát triển nông nghiệp xanh.
Tuy nhiên, một số vấn đề phát sinh liên quan
đến việc áp dụng các cảm biến độ ẩm - nhiệt độ
vào hệ thống nhà kính nơng nghiệp cơng nghệ
cao quy mơ rộng đó là giá thành cao, số lượng
cảm biến nhiều, vấn đề tiêu thụ điện năng, sự

70

ăn mòn của cảm biến…, là các thách thức đặt ra
trong hệ thống nhà kính [2].
Từ yêu cầu thực tế nhận thấy để có thể phát
triển các mơ hình này là hạ giá thành đầu tư và
cải tiến các đặc tính kỹ thuật phù hợp với yêu
cầu canh tác và điều kiện khí hậu ở Việt Nam.
Trên cơ sở đó, nhóm tác giả tập trung nghiên
cứu, thiết kế mơ hình ứng dụng công nghệ
thông tin trong xây dựng hệ thống giám sát và

điều khiển mơi trường nhà kính tự động.
2. Vật liệu và phương pháp
Nhà kính tự động là mơ hình nhà kính áp
dụng những cơng nghệ mới, tiên tiến vào sản
xuất bao gồm: cơng nghiệp hóa nơng nghiệp, tự
động hóa, cơng nghệ thơng tin, cơng nghệ sinh
học và các giống cây trồng có năng suất, chất
lượng cao, các quy trình canh tác tiên tiến, canh
tác hữu cơ, cho hiệu quả kinh tế cao trên một
đơn vị sản xuất [3].
Cấu tạo nhà kính tự động gồm hệ thống
khung nhà kính, hệ thống các cơ cấu chấp hành,
hệ thống các cảm biến và mạch điều khiển trung
tâm Arduino UNO R3 kết hợp với mơ – đun
truyền/nhận wifi ESP 8266 [4]. Trong đó hệ
thống cơ cấu chấp hành bao gồm bơm tưới phun
sương và tưới nhỏ giọt, hệ thống đèn Led quang
hợp và đèn sưởi, hệ thống quạt thơng thống, hệ
thống mái che (điều khiển theo cường độ ánh
sáng); Hệ thống cảm biến DHT22 đo nhiệt độ
và độ ẩm và BH1750 đo cường độ ánh sáng, với
mức ổn định cao và sai số thấp [5].


Hệ thống hoạt động theo nguyên lý (hình
1): Cảm biến cập nhật thông số môi trường
theo thời gian thực. Dữ liệu sẽ được gửi đến
bộ điều khiển trung tâm; dựa trên các giải thuật
điều khiển, bộ điều khiển trung tâm sẽ gửi lệnh

điều khiển lên các cơ cấu chấp hành nhằm ổn
định lại thông số môi trường theo cài đặt. Hệ
thống có thể hoạt động ở chế độ tự động và thủ
cơng thơng qua màn hình LCD hoặc điện thoại
thơng minh.

Hình 1. Ngun lý hoạt động mơ hình nhà kính tự động.
Nhóm tác giả sử dụng phương pháp
nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở vận dụng
các kết quả nghiên cứu của các cơng trình
trong và ngồi nước để xây dựng hệ thống
giám sát và điều khiển mơi trường trong nhà
kính. Kích thước mơ hình được lựa chọn là
dài*rộng*cao=1(m)*1(m)*1(m).

Dựa trên quy trình cơng nghệ sản xuất rau
an tồn trong nhà kính và các số liệu thống
kê, từ đó xây dựng giải thuật điều khiển (hình
2). Các thơng số mơi trường thu nhận từ cảm
biến sẽ được ưu tiên xử lý theo các mức giảm
dần như sau: nhiệt độ - độ ẩm - ánh sáng - độ
ẩm đất.

71


Bắt đầu

Ti, Hi, Li, hi

T_min
S

Ti>T_max, Pps(on), F(on), M(close)
Ti
Đ

H_min
S

Hi>H_max, Pps(off), F(on)
Hi
Đ

L_min
S

Li>L_max, M(close)
Li
Đ

h_min
S

hi>h_max, P (nhỏ giọt) (off)
hi
Đ

Kết thúc

Hình 2. Giải thuật điều khiển, T: nhiệt độ, H: độ ẩm khơng khí, L: ánh sáng, h: độ ẩm đất,
Pps: Bơm phun sương, P (nhỏ giọt): Bơm nhỏ giọt, F: Quạt thơng khí, M: mái che nắng
3. Kết quả và thảo luận
Nhóm tác giả đã thiết kế, chế tạo thành
công phần cứng và xây dựng phần mềm cho hệ
thống giám sát và điều khiển các thơng số mơi

72

trường (hình 3). Tiến hành thống kê, đánh giá
hoạt động của hệ thống về các thông số mơi
trường bên trong và ngồi nhà kính, độ ổn định
hệ thống.


1

2

3

7

6

5
4

Hình 3. Mơ hình nhà kính tự động
1. Màng polyme; 2. Tưới phun sương; 3. Tưới nhỏ giọt; 4. Bảng điều khiển; 5. Quạt thơng gió;
6. Tấm pin Năng lượng mặt trời; 7. Hệ thống lưới che nắng di động
Với giải thuật điều khiển, kết quả thí nghiệm
cho thấy nhiệt độ trong nhà kính nhờ hệ thống
phun sương, quạt thơng gió kết hợp mái che
nắng làm giảm đáng kể từ 30C đến 50C tùy theo
thời gian trong ngày (hình 4). Các kết quả thử

nghiệm cho thấy, ngoài hạn chế nhiễm bệnh cho
cây, vấn đề quan trọng nhất là duy trì được nhiệt
độ tiểu khí hậu trong nhà kính thấp hơn 300C và
giữ được độ ẩm ở mức từ 70% đến 90%, phù
hợp cho nhiều loại cây trồng phát triển.

Hình 4. Biểu đồ so sánh nhiệt độ và độ ẩm môi trường bên ngồi và bên trong nhà kính
Ngồi ra, người sử dụng có thể theo dõi các
thơng tin mơi trường và điều khiển các cơ cấu
chấp hành từ xa bằng điện thoại thông minh qua
kết nối 4G/Wifi. Ứng dụng di động có thể cài
đặt trên cả hai nền tảng iOS và Android, dễ sử

dụng, có khả năng giao tiếp với phần cứng theo
thời gian thực và có độ tin cậy cao. Giao diện

ứng dụng trên điện thoại cho người sử dụng
được minh họa trên hình 5.

73


Hình 5. Giao diện ứng dụng trên điện thoại thơng minh
4. Kết luận
Nhà kính tự động trực tiếp góp phần giải quyết
các vấn đề giám sát và điều khiển môi trường
trong sản xuất nơng nghiệp. Nhà kính cho phép
chúng ta có thể khống chế các yếu tố mơi trường
tác động trực tiếp lên cây trồng để thu được sản
phẩm nông sản có chất lượng, nâng cao năng
suất thậm chí có thể trồng được những loại cây
trồng trái mùa là những yêu cầu cấp thiết đang
đặt ra với nền nông nghiệp Việt Nam hiện nay.
Kết quả nghiên cứu đã phần nào đáp ứng được
các yêu cầu đặt ra. Trong thời gian tới, nhóm tác
giả tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng trí tuệ nhân
tạo và xử lý ảnh vào giám sát các giai đoạn tăng
trưởng khác nhau của cây trồng, cảnh báo những
bất thường xảy ra, để sớm đưa vào thực tế góp
phần phát triển nền nơng nghiệp cơng nghệ cao.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1.

74

Đ.X. Quy, L. Q. Hoàng, N. D. X. Bách,

T. T. Đạt and V. T. Cường (2017). Nhà

kính tự động giám sát và điều khiển môi
trường nông nghiệp bằng thiết bị khơng
dây. Tạp chí Thơng tin khoa học & cơng
nghệ Quảng Bình, vol 1, pp.73–77.
2.

FAO
(2012),
Trade,
Exports,
Commodities by Country, Ecuador, Food
and Agricultural Organization of the
United Nations.

3.

Xô, D. H., & Nhượng, P. H. (2006).
Phát triển nông nghiệp theo hướng
công nghệ cao tại Việt Nam. Diễn đàn
Khuyến nông@ Công nghệ, Đà Lạt,
Lâm Đồng.

4.

Hadwan, H. H., & Reddy, Y. P. (2016).
Smart home control by using raspberry pi
and arduino uno. Int. J. Adv. Res. Comput.
Commun. Eng, 5(4), 283-288.

5.

Sánchez Torrecilla, J. R. (2015). Sistema
de
monitorización
y
telegestión
remota basado en Arduino para Smart
Buildings (Doctoral dissertation).


APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGY IN THE
CONSTRUCTION OF AUTOMATIC GREENHOUSE MONITORING
AND CONTROL SYSTEMS
Nguyen Van Hai, Nguyen Thi Thanh Ha, Luong Nguyet Huong
Tay Bac University
Abstract: The paper presents the results of researching, designing and building software
system to automatically monitor and control greenhouse environment parameters (including
temperature, humidity, light, soil moisture). Greenhouse models create the most favorable ecological
environment that can help plants grow and control, controlling the microclimate environment in
greenhouses through sensor systems, control the greenhouse environment via the actuator and
control software on the smartphone.
Keywords: IoT, Arduino, hi-tech agriculture, DHT22, BH1750.
_____________________________________________
Ngày nhận bài: 23/3/2020. Ngày nhận đăng: 6/5/2020
Liên lạc:

75