›

Luận văn Thiết kế hệ thống giám sát điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng của vườn rau thủy canh

pdf 136 trang thiennha21 14/04/2022 8592
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Thiết kế hệ thống giám sát điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng của vườn rau thủy canh", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_van_thiet_ke_he_thong_giam_sat_dieu_kien_tu_nhien_va_di.pdf

Nội dung text: Luận văn Thiết kế hệ thống giám sát điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng của vườn rau thủy canh

  1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGUYỄN XUÂN VINH 1600154 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 7510203 LUẬN VĂN ĐẠI HỌC TP. CẦN THƠ, tháng 07 năm 2020
  2. TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGUYỄN XUÂN VINH 1600154 THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 7510203 LUẬN VĂN ĐẠI HỌC TP. CẦN THƠ, tháng 07 năm 2020
  3. CÔNG TRÌNH LUẬN VĂN CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ Cán bộ hướng dẫn: Ths. ĐƯỜNG KHÁNH SƠN Luận văn đại học được bảo vệ tại Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ ngày 22 tháng 7 năm 2020. Thành phần Ban chấm đánh giá luận văn đại học gồm: 1. Trưởng ban: Ths. PHÓ HOÀNG LINH 2. Ủy viên phản biện: Ths. PHẠM THÀNH CÔNG 3. Thư ký ban chấm: Ths. ĐƯỜNG KHÁNH SƠN Xác nhận của Ban chấm đánh giá sau khi luận văn đã được sửa chữa. TRƯỞNG BAN ỦY VIÊN PHẢN BIỆN THƯ KÝ Ths. Phó Hoàng Linh Ths. Phạm Thành Công Ths. Đường Khánh Sơn SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH I
  4. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KỸ THUẬT - CÔNG NGHỆ CẦN THƠ Độc lập – Tự do – Hạnh phúc KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ĐẠI HỌC Họ và tên sinh viên: Nguyễn Xuân Vinh MSSV: 1600154 Ngày, tháng, năm sinh: 28/02/1998 Nơi sinh: Cần Thơ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 7510203 TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH. Nhiệm vụ: Thiết kế hệ thống giám sát thông số môi trường và điều khiển thiết bị chấp hành trong vườn rau thủy canh qua Internet. Nội dung: Xây dựng hệ thống tủ điều khiển để theo dõi thông số điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng lắp tại vườn rau thủy canh Minh Hòa (Quận Bình Thủy – TP Cần Thơ) phục vụ cho quá trình sản xuất rau. Xây dựng Server, Web: thu thập thông tin từ môi trường không khí và môi trường dung dịch dinh dưỡng gửi lên web để giám sát và điều khiển thiết bị. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Ths. ĐƯỜNG KHÁNH SƠN THỜI GIAN GIAO ĐỀ TÀI: 21/1/2020 THỜI GIAN HOÀN THÀNH: 17/7/2020 Cần Thơ, ngày 29 tháng 07 năm 2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ KHOA KỸ THUẬT CƠ KHÍ SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH II
  5. LỜI CẢM ƠN LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy, cô giảng viên Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Trường Đại học Kỹ thuật - Công nghệ Cần Thơ, đã giúp đỡ cung cấp các tài liệu cần thiết và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi có thể hoàn thành tốt đề tài luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Đường Khánh Sơn – Giảng viên hướng dẫn đề tài, thầy đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cơ sở vật chất cũng như các tài liệu tham khảo đồng thời cũng là người định hướng, góp ý các ưu khuyết điểm của đề tài để luận văn đạt mức hoàn chỉnh nhất có thể. Tôi xin chân thành cảm ơn chú Nguyễn Cửu Long – giám đốc kỹ thuật, cô Lâm Việt Hòa – giám đốc tài chính công ty TNHH ĐẦU TƯ VÀ PHÁT TRIỂN MINH HÒA đã tài trợ kinh phí và cho phép tôi lắp đặt hệ thống chạy thử nghiệm tại công ty. Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến người thân, gia đình, cha mẹ đã tạo mọi điều kiện về mặt kinh tế cũng như động viên tinh thần để tôi có một quá trình nghiên cứu tập trung và đạt kết quả tốt. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè cũng như các anh chị đi trước đã hỗ trợ và chia sẻ kiến thức, kinh nghiệm của mình cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Cần Thơ, ngày 29 tháng 07 năm 2020. Sinh viên thực hiện Nguyễn Xuân Vinh SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH III
  6. LỜI CAM ĐOAN LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu sử dụng phân tích và số liệu thu thập được trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố đúng theo qui định. Những nội dung trình bày trong luận văn là những kiến thức của tôi tích lũy trong quá trình học tập, nghiên cứu là trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn, những phần tôi nghiên cứu, trích dẫn đều được nêu trong phần các tài liệu tham khảo. Nếu những phần nêu trên không đúng sự thật, tôi xin cam đoan chịu hoàn toàn trách nhiệm. Cần Thơ, ngày 29 tháng 07 năm 2020. Sinh viên thực hiện Nguyễn Xuân Vinh SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH IV
  7. TÓM TẮT LUẬN VĂN TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH Mục tiêu nghiên cứu: Theo dõi các yếu tố tự nhiên bên trong nhà lưới vườn rau thủy canh như: Nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng, nhiệt độ dung dịch, nồng độ hòa tan chất rắn trong dung dịch dinh dưỡng. Thiết kế hệ thống điều khiển các thiết bị: máy bơm dung dịch, đèn, quạt, phun sương, máy che. Áp dụng tổng hợp các kiến thức đã học trong chuyên ngành Cơ điện tử vào thực tế, tìm hiểu và nghiên cứu thêm các kiến thức về IoT. Kết quả nghiên cứu đạt được: Ứng dụng được kiến thức tổng hợp vào đề tài. Tìm hiểu, làm quen và nghiên cứu về các linh kiện và cảm biến: Arduino, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí DHT21, cảm biến cường độ ánh sáng BH1705, cảm biến nhiệt độ , cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS. Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống tủ điện cũng như hệ thống trang web theo dõi Realtime. Có thể vận hành hệ thống theo 2 cách: tự động (Auto) hoặc tay (Manual). SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH V
  8. MỤC LỤC MỤC LỤC CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI I NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ĐẠI HỌC II LỜI CẢM ƠN III LỜI CAM ĐOAN IV TÓM TẮT LUẬN VĂN V MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG x DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT xiii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4 1.1. Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước. 4 1.1.1. Công nghệ tưới nhỏ giọt Israel. 4 1.1.2. Công nghệ trồng rau thủy canh 6 1.1.2.1 . Hệ thống thủy canh dạng bấc 7 1.1.2.2 . Hệ thống thủy canh tĩnh 8 1.1.2.3 Hệ thống thủy canh hồi lưu 8 1.1.2.4 Giá thể trồng rau thủy canh 9 1.1.3. Công nghệ trồng rau khí canh 10 1.2. Hệ thống IoT 11 1.2.1. Khái niệm 11 1.2.2. Ứng dụng 13 1.2.2.1. Nhà thông minh 13 1.2.2.2. Sản phẩm có thể đeo được 14 1.2.2.3. Thành phố thông minh 14 1.2.2.4. Mạng lưới thông minh 15 1.2.2.5. Internet công nghiệp 15 1.2.2.6. Xe được kết nối 16 1.2.2.7. Sức khỏe được kết nối 16 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH i
  9. MỤC LỤC 1.2.2.8. Bán lẻ thông minh 17 1.2.2.9. Chuỗi cung ứng thông minh 18 1.2.2.10. Canh tác thông minh 18 1.3. Các mô hình trồng rau công nghệ cao 19 1.3.1. Nhà kính 19 1.3.1.1 Khái niệm 19 1.3.1.2 Ưu điểm 19 1.3.1.3 Nhược điểm 20 1.3.2. Nhà lưới 20 1.3.2.1 Khái niệm 20 1.3.2.2 Ưu điểm 21 1.3.2.3 Nhược điểm 21 1.4. Giới thiệu về công ty TNHH đầu tư và phát triển Minh Hòa 22 1.5. Hiệu quả của công nghệ trồng rau thủy canh 22 1.6. Vấn đề tập trung nghiên cứu của đề tài 23 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1. Cải Kale lá xoăn 24 2.1.1. Đặc tính sinh học 24 2.1.2. Điều kiện phát triển 24 2.1.3. Giá trị dinh dưỡng và kinh tế 24 2.1.4. Quy trình trồng, chăm sóc và thu hoạch cải Kale 25 2.1.4.1 Chuẩn bị hạt giống và giá thể 25 2.1.4.2 Công đoạn ươm hạt 26 2.1.4.3 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thứ cấp 26 2.1.4.4 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thường xuyên 27 2.1.4.5 Thu hoạch 27 2.2. Phương pháp nghiên cứu 28 2.3. Các thành phần cơ bản của vườn rau thủy canh. 28 2.3.1. Nhà lưới 28 2.3.1.1 Thép hộp chuyên dụng 28 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH ii
  10. MỤC LỤC 2.3.1.2 Màng nhựa PE 29 2.3.1.3 Màng lưới chuyên dụng 30 2.3.2. Hệ thống chiếu sáng 31 2.3.2.1. Đèn ươm 31 2.3.2.2. Đèn hỗ trợ tăng trưởng 32 2.3.3. Hệ thống phun sương, làm mát 33 2.3.3.1. Lọc nước và bơm cao áp 33 2.3.3.2. Quạt làm mát 34 2.3.4. Hệ thống chạy dinh dưỡng 35 2.3.4.1. Ống nhựa thủy canh 35 2.3.4.2. Ống dẫn dinh dưỡng 36 2.4. Thành phần hệ thống điều khiển 37 2.4.1. Arduino 37 2.4.2. NODE MCU ESP8266 39 2.4.3. Cảm biến DHT21 41 2.4.4. Cảm biến ánh sáng BH1750 42 2.4.5. Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS 43 2.4.6. Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20 45 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây 45 Cảm biến nhiệt độ 45 2.4.7. Module 4 relay với Opto cách ly 46 2.4.8. Công tắc tơ 47 Công tắc tơ 47 2.4.9. Công tắc hành trình 49 2.4.10. Bàn phím mềm 1x4 50 2.4.11. Màn hình Grove -16x2 LCD 51 2.4.12. Đèn báo hiển thị điện áp 52 2.5. Phần mềm và ngôn ngữ lập trình 52 2.5.1. Arduino IDE 52 2.5.2. Sublime Text 3 54 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH iii
  11. MỤC LỤC 2.5.3. Node js 55 2.5.4. Angular JS 56 2.5.5. Git 59 2.5.6. Firebase 60 2.5.7. Heroku 63 2.5.8. Ngôn ngữ lập trình 64 2.5.8.1. C, C++ 64 2.5.8.2. JavaScript 65 2.5.8.3. HTML 67 2.5.8.4. CSS 69 2.5.8.5. Visual Studio Code 70 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 72 3.1. Bản vẽ bố trí, mặt bằng 72 3.1.1. Mặt bằng tổng thể. 72 3.1.2. Bố trí mô phỏng 72 3.2. Bố trí cảm biến 73 3.3. Tủ điện 74 3.4. Sơ đồ vận hành thiết bị 75 3.4.1. Sơ đồ điều khiển quạt và mái che 75 3.4.2. Sơ đồ điều khiển phun sương 77 3.5. Thiết lập kết nối linh kiện 77 3.5.1. Danh sách linh kiện 77 3.5.2. Đấu nối cảm biến và các module 78 3.5.3. Bảng kết nối tổng hợp 79 3.5.4. Mạch in kết nối linh kiện 80 3.6. Hệ thống giám sát và điều khiển 81 3.6.1. WebSocket – giao tiếp hai chiều giữa client và server 81 3.6.2. Tạo dự án Node JS 85 3.6.3. Tạo Socket Server và Socket Client 86 3.6.3.1 Socket Server 86 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH iv
  12. MỤC LỤC 3.6.3.2 Socket Client 87 3.6.3.3 Package cần thiết cho dự án. 88 3.6.4. Lập trình giao diện HTML 89 3.6.4.1 Giao diện đăng nhập 89 3.6.4.2 Giao diện trang chủ 90 3.6.4.3 Giao diện tab “Công ty” 91 3.6.4.4 Giao diện tab “Điều khiển” 92 3.6.4.5 Giao diện tab Biểu đồ 94 3.6.4.6 Lập trình Webapp 95 3.6.5. Đăng kí dự án trên Heroku 96 3.6.6. Đưa dự án lên Heroku 98 3.6.7. Đăng kí Firebase và kết nối dữ liệu 99 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 102 4.1. Kết quả 102 4.2. Hướng dẫn sử dụng với bàn phím 105 4.2.1. Chuyển chế độ 105 4.2.2. Cài đặt thông số 108 4.3. So sánh hệ thống 111 4.4. Lợi ích mang lại của hệ thống 114 4.5. Kiến nghị 114 TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 PHỤ LỤC 116 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH v
  13. DANH MỤC HÌNH DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Hệ thống tưới nhỏ giọt 4 Hình 1.2: Ống nhỏ giọt thực tế 5 Hình 1.3: Hệ thống giàn rau thủy canh tại Minh Hòa 6 Hình 1.4: Các loại rau đa dạng tại Minh Hòa 7 Hình 1.5: Mô hình thủy canh dạng bấc 7 Hình 1.6: Hệ thống thủy canh tĩnh 8 Hình 1.7: Hệ thống thủy canh hồi lưu 8 Hình 1.8: Giá thể sơ dừa 9 Hình 1.9: Mô hình trồng rau khí canh 10 Hình 1.10: Internet of things 12 Hình 1.11: Ứng dụng nhà thông minh 13 Hình 1.12: Phụ kiện thông minh 14 Hình 1.13: Thành phố thông minh 15 Hình 1. 14: Mạng lưới thông minh 15 Hình 1.15: Xe hơi tự lái 16 Hình 1.16: Kết nối hệ thống y tế 17 Hình 1.17: Bán hàng trực tuyến 17 Hình 1.18: Chuỗi cung ứng thông minh 18 Hình 1.19:Canh tác thông minh 18 Hình 1.20: Chăm sóc rau trong nhà kính 20 Hình 2. 1: Cải Kale tại công ty Minh Hòa 24 Hình 2.2: Giá thể xơ dừa 25 Hình 2.3: Cải Kale trên giàn ươm 26 Hình 2.4: Cải Kale trên giàn ươm thứ cấp 26 Hình 2.5: Cải Kale 12 ngày tuổi 27 Hình 2. 6: Cải Kale 2,5 tháng tuổi 27 Hình 2.7: Thép hộp các loại 28 Hình 2.8: Màng nhựa PE phủ nhà lưới 29 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH vi
  14. DANH MỤC HÌNH Hình 2.9: Màng lưới chống cồn trùng 30 Hình 2.10: Dãi ánh sáng quang phổ của đèn 31 Hình 2.11: Đèn ươm tại công ty Minh Hòa 32 Hình 2.12: Đèn pha led SMD 200W 33 Hình 2.13: Hệ thống lọc thô 34 Hình 2.14: Hệ thống lọc tinh 34 Hình 2.15:Quạt làm mát 35 Hình 2.16: Ống thủy canh lục giác 35 Hình 2. 17: Ống cấp dinh dưỡng 36 Hình 2. 18: Đường ống hồi lưu dinh dưỡng 37 Hình 2.19: Arduino Mega 2560 38 Hình 2.20: Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 39 Hình 2. 21: Node MCU 0.9 (ESP-12 Module) 39 Hình 2.22: Một số Module ESP8266 40 Hình 2.23: Sơ đồ chân của Node MCU ESP-12 V1.0 41 Hình 2. 24: Sơ đồ chân DHT21 42 Hình 2.25: Sơ đồ kết nối vi xử lý 42 Hình 2.26: Cảm biến ánh sáng BH1750 42 Hình 2.27: Chỉ số TDS của nước 44 Hình 2.28: Sơ đồ mạch chuyển tín hiệu 44 Hình 2.29: Sơ đồ kết nối mẫu 45 Hình 2. 30: Cảm biến DS18B20 và sơ đồ đấu nối 45 Hình 2.31: Module 4 relay opto cách ly 5VDC 46 Hình 2.32: Công tắc tơ 47 Hình 2.33: Cấu tạo công tắc tơ 48 Hình 2. 34: Nguyên lý hoạt đông của công tắc tơ 48 Hình 2.35: Công tắc hành trình 50 Hình 2. 36: Sơ đồ kết nối bàn phím mềm 1x4 keypad 51 Hình 2.37: Mặt trước và sau của Grove-16x2 LCD (White on Blue) 52 Hình 2.38: Đèn báo pha hiển thị điện áp 52 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH vii
  15. DANH MỤC HÌNH Hình 2.39: Icon Arduino IDE 53 Hình 2.40: Giao diện soạn thảo 53 Hình 2.41: Icon Sublime Text 3 54 Hình 2.42: Giao diện soạn thảo của Sublime Text 55 Hình 2.43: Logo Nodejs 56 Hình 2.44: Angularjs 56 Hình 2.45: Tính năng cơ bản của AngularJS 58 Hình 2.46: Logo biểu trưng của Git 60 Hình 2.47: Firebase. 61 Hình 2.48: Firebase xây dựng hành động tự động đăng nhập 62 Hình 2.49: Firebase cung cấp các hosting được phân phối theo tiêu chuẩn SSL 62 Hình 2.50: Giao diện Firebase 63 Hình 2.51: Đăng nhập Heroku 63 Hình 2.52: Đoạn code arduino đơn giản về điều khiển led 64 Hình 2.53: Logo JavaScript 65 Hình 2.54: Code JavaScript khi ấn F12 66 Hình 2. 55: Một đoạn code đơn giản HTML 67 Hình 2.56: Giao diện thể hiện của code khi mở bằng trình duyệt Chrome 67 Hình 2.57: Cấu trúc cơ bản của trang HTML 68 Hình 2.58: Cấu trúc mở rộng của một trang web 69 Hình 2.59: Biểu trưng CSS 70 Hình 2.60: Logo Visual Studio Code 71 Hình 3.1: Mô phỏng nhà màng 72 Hình 3.2: Bố trí giàn thủy canh 72 Hình 3.3: Khoảng cách bố trí rau 73 Hình 3.4: Bố trí cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm 73 Hình 3.5: Cảm biến TDS và nhiệt độ dung dịch 74 Hình 3.6: Tủ điện thực tế 74 Hình 3.7: Mạch điện bên trong tủ 75 Hình 3.8: Bàn phím điều khiển 75 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH viii
  16. DANH MỤC HÌNH Hình 3. 9: Sơ đồ điều khiển quạt và mái che tự động. 76 Hình 3. 10: Quạt làm mát 76 Hình 3.11: Sơ đồ điều khiển phun sương tự động 77 Hình 3.12: Arduino kết nối với BH1750 78 Hình 3. 14: Arduino kết nối cảm biến TDS 78 Hình 3.15: Mạch in của hệ thống 80 Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí của toàn hệ thống 81 Hình 3.17: Mô hình liên kết giữa Socket Server và Socket Client 83 Hình 3.18: Cấu trúc hoạt động của Server – Client 83 Hình 3.19: Hộp thoại Run 85 Hình 3.20: Cửa sổ Command line 85 Hình 3.21: Tiến trình khởi tạo project 86 Hình 3.22: Code tạo Socket Server 86 Hình 3.23: Chọn Git Bash Here 87 Hình 3.24: Chạy Socket Server 87 Hình 3.25: Một đoạn code tạo socket client 88 Hình 3.26: Các package sử dụng trong dự án 89 Hình 3.27: Giao diện đăng nhập vào trang web 89 Hình 3.28: Code Webapp cho phần thông báo đăng nhập 90 Hình 3.29: Giao diện tab Trang chủ 90 Hình 3.30: Code CSS định dạng style 91 Hình 3.31: Code HTML cho tab Trang chủ 91 Hình 3.32: Giao diện tab Công ty 92 Hình 3.33: Code HTML cho tab Công ty 92 Hình 3.34: Giao diện tab Điều khiển 93 Hình 3.35: Code HTML kết hợp Angular của tab “Điều khiển” 93 Hình 3.36: Biểu đồ nhiệt độ không khí 94 Hình 3.37: Biểu đồ độ ẩm không khí 94 Hình 3.38: Biểu đồ cường độ ánh sáng 95 Hình 3.39: Biểu đồ nhiệt độ dung dịch 95 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH ix
  17. DANH MỤC HÌNH Hình 3.40: Biểu đồ nồng độ hòa tan chất rắn (TDS) 95 Hình 3.41: Code Webapp 96 Hình 3.42: Đoạn code Webapp chọn chế độ “Auto” 96 Hình 3.43: Giao diện đăng ký tài khoản Heroku 97 Hình 3.44: Mail xác nhận kích hoạt từ Heroku 97 Hình 3.45: Dự án sau khi đăng ký 98 Hình 3.46: Đăng nhập Heroku từ Command Prompt 98 Hình 3.47: Các lệnh upload dự án 99 Hình 3.48: Thêm dự án trên Firebase 99 Hình 3.49: Giao diện khi tạo dự án thành công 100 Hình 3.50: Thông số dự án 100 Hình 3.51: Các thông số của Firebase trên Webapp 101 Hình 4. 1: Hệ thống được lắp đặt thực tế 102 Hình 4. 2: Sơ đồ hoạt động của hệ thống 103 Hình 4. 3: Tủ điện nhìn từ bên ngoài 103 Hình 4. 4: Bộ phận bên trong tủ điện 104 Hình 4. 5: Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm 104 Hình 4. 6: Thông số hiển thị trên web 105 Hình 4. 7: Màn hình cài đặt 106 Hình 4. 8: Chọn chế độ 106 Hình 4. 9: Chế độ Manual 107 Hình 4. 10: Điều khiển quạt 107 Hình 4. 11: Quạt đang hoạt động 108 Hình 4. 12: Cài đặt thông số 108 Hình 4. 13:Thông số ban đầu 109 Hình 4. 14: Thông số đã được thay đổi 109 Hình 4. 15: Giao diện biểu đồ xem từ điện thoại 110 Hình 4. 16: Giao diện đăng nhập từ điện thoại 110 Hình 4. 17: Giao diện đăng nhập từ máy tính 111 Hình 4. 18: Cảm biến SmartLogic 111 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH x
  18. DANH MỤC HÌNH Hình 4. 19: SmartLogic nhìn gần 112 Hình 4. 20: Biểu đồ dữ liệu trong 12 tiếng của SmartLogic 112 Hình 4. 21: Biểu đồ dữ liệu trong 1 tuần của SmartLogic 113 Hình 4. 22:Giao diện biểu đồ của đề tài 113 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH xi
  19. DANH MỤC BẢNG DANH MỤC BẢNG Bảng 3. 1: Danh sách linh kiện 77 Bảng 3. 2: Kết nối linh kiện 79 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH xii
  20. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT Chữ viết tắt Chữ đầy đủ TDS Total Dissolved Solids LCD Liquid Crystal Display HTML Hypertext Markup Language CSS Internet of Things IoT Machin To Machine M2M Polyethylene PE Normal Close NC Normal Open NO Integrated Development Environment IDE Integrated Development Environment API Application Programming Interface DOM Document Object Model URL Uniform Resource Locator SSL Secure Sockets Layer CDN Content Delivery Network W3C World Wide Web Consortium SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH xiii
  21. MỞ ĐẦU MỞ ĐẦU Lí do chọn đề tài: Hiện nay, nông nghiệp công nghệ cao đang được thực hiện và áp dụng rộng khắp tại nước ta. Đặc biệt là các hệ thống nhà kín, nhà lưới mọc lên ngày càng nhiều. Từ các máy móc gieo hạt tự động, công nghệ tưới tự động, tưới nhỏ giọt đến các hệ thống giám sát, điều khiển thông số môi trường và kể cả những máy móc thu hoạch ngày càng được áp dụng rộng rãi. Nhà lưới là mô hình được áp dụng nhiều nhất hiện nay và trồng rau thủy canh là một hướng đi mới đang được rất nhiều người thực hiện. Trong hệ thống nhà lưới trồng rau thủy canh sẽ cần có sự theo dõi xuyên suốt các thông số môi trường không khí cũng như là môi trường dung dịch dinh dưỡng. Trồng rau thủy canh là một hướng đi mới trong thời đại hiện nay, người dân tại Cần Thơ đã dần bắt kịp hướng đi đó và đầu tư vào hệ thống này. Việc vận hành hệ thống hiện nay còn thủ công, tốn chi phí và bất tiện. Người trồng rau không thể lúc nào cũng ở nhà lưới để theo dõi các thông số thay đổi thường xuyên của môi trường dẫn đến việc năng suất rau không cao khi các thông số thay đổi mà không được điều chỉnh. Việc vận hành các thiết bị chấp hành như quạt, máy bơm, phun sương một cách thủ công dẫn đến việc tiêu tốn năng lượng không cần thiết, ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của rau. Nếu trồng rau thủy canh mà không nắm được các thông số và sự thay đổi của các thông số này thì đó là cách trồng không khoa học. Ở những thời điểm nhất định, người nông dân không biết được cây đang cần hoặc thiếu dưỡng chất hay điều kiện gì. Để bắt kịp, đáp ứng xu hướng hiện nay và áp dụng kiến thức đã học vào thực tế nhằm giải quyết các vấn đề hiện nay, tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế hệ thống giám sát điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng của vườn rau thủy canh”. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu  Mục tiêu nghiên cứu SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 1
  22. MỞ ĐẦU Thiết kế hệ thống tủ điện giám sát các chỉ số điều kiện môi trường qua màn hình LCD, điều khiển thiết bị bằng nút ấn vật lí và hệ thống trang web giám sát trực tuyến Realtime, điều khiển thiết bị bằng các thao tác trên trên web. Áp dụng kiến thức đã học từ chuyên ngành và kết hợp các kiến thức lập trình, thiết kế web vào thực tiễn. Đưa đề tài vào sử dụng trong môi trường thực tế. Theo dõi các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của rau: Nhiệt độ, độ ẩm trong không khí. Cường độ ánh sáng. Nhiệt độ dung dịch dinh dưỡng. Nồng độ hòa tan chất rắn trong dung dịch. Điều khiển các thiết bị chấp hành như: Máy bơm, quạt thông gió, đèn, phun sương, máy che. Hệ thống có thể chạy ở chế độ tự động để thực hiện điều chỉnh các thông số môi trường phù hợp với sự phát triển của rau.  Phạm vi nghiên cứu Đề tài áp dụng tổng hợp các kiến thức chuyên ngành Cơ điện tử và đại diện ở các môn Kỹ thuật lập trình, Vi điều khiển, Kỹ thuật cảm biến, Kỹ thuật số ngoài ra các kiến thức tự học và bổ sung bao gồm thiết kế và lập trình web, học các ngôn ngữ như C, CSS, HTML Đối tượng nghiên cứu chính là loại cải Kale lá xoăn, giàu dinh dưỡng, có giá trị kinh tế cao được trồng tại công ty Minh Hòa. Đề tài làm việc với các cảm biến và đảm bảo thu thập được các thông số như mục tiêu đề ra: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí DHT21 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20 Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS Xây dựng hệ thống IoT theo dõi thông số và quản lí các thiết bị: SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 2
  23. MỞ ĐẦU Xây dựng hệ thống Web server Realtime giám sát và điều khiển từ xa Thông số thu thập được biểu diễn dưới dạng số và dạng biểu đồ, thể hiện trực quan các thông số thay đổi theo thời gian thực. Có thể sử dụng điện thoại thông minh hoặc máy tính để vận hành hệ thống. Các cảm biến cho giá trị tương đối chính xác, hệ thống điều khiển thiết bị chấp hành tốt và hoạt động ổn định. Dữ liệu hiển thị rõ ràng trên LCD và cả trên Web. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài. Đề tài là sự kết hợp giữa kiến thức của khoa học kỹ thuật tiên tiến và kiến thức canh tác hiện đại. Bằng cách kết hợp các cảm biến để theo dõi thông số của môi trường, các thiết bị chấp hành và kỹ thuật canh tác rau thủy canh hiện đại để đảm bảo các thông số đó được giữ ở mức ổn định nhằm giúp các loại rau phát triển tốt. Và từ đó sẽ giảm được sức lao động của con người ở khâu quản lí và chăm sóc vườn rau của mình, đồng thời sẽ làm tăng sản lượng thu hoạch, tăng năng suất. Canh tác rau thủy canh kết hợp với hệ thống quản lí và chăm sóc tự động sẽ giúp tiết kiệm lượng nước, lượng dinh dưỡng cung cấp cho cây. Kiểm soát tốt, không để trong rau tồn tại trữ lượng các nguyên tố đa, vi lượng vượt mức cho phép, đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng. Bên cạnh đó đề tài còn mang ý nghĩa bảo vệ môi trường, đây là giải pháp lâu dài khi đồng bằng Sông Cửu Long ngày càng phải đối mặt và chịu nhiều ảnh hưởng rõ rệt của biến đổi khí hậu toàn cầu, việc khô hạn, thiếu nước ngọt sinh hoạt và tưới tiêu cho cây trồng. Bố cục đề tài. Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI. Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG. Chương 4: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 3
  24. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1. Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước. 1.1.1. Công nghệ tưới nhỏ giọt Israel. Hệ thống tưới nhỏ giọt Isreael được mệnh danh là đột phá nhất cho nền nông nghiệp, giúp giải quyết các vấn đề về trồng trọt mà đất nước này đang gặp phải. Hiện nay đã được chuyển nhượng và chuyển giao cho nhiều quốc gia trên thế giới giúp mang lại hiệu quả to lớn. Công nghệ tưới nhỏ giọt của Israel tuy không phải là sáng kiến to lớn, nhưng lại góp công rất lớn vào xử lí hiện trạng nông nghiệp của họ và đang được nhiều nước trên thế giới áp dụng học tập theo. Tại Israel, nước luôn là thứ tài nguyên khan hiếm, vô cùng quý có thể sánh ngang vàng. Cho nên, bài toán đặt lên hàng đầu là phải sử dụng nguồn nước hợp lý, triệt để và mang lại hiệu quả cao nhất khi mang vào sử dụng trong cuộc sống. Mục tiêu ra đời của hệ thống tưới nhỏ giọt theo công nghệ Israel là tiết kiệm nước. Nhưng với sự sáng tạo, đã tích hợp thêm nhiều tiện ích như vòi phun áp lực thấp để phun mưa loại nhỏ, lọc nhiều tầng, van điều khiển tự động. Nhờ hệ thống tưới nhỏ giọt, người dân Israel đã tiết kiệm được 60% lượng nước dùng trong nông nghiệp. Các cánh đồng của Israel đều được lắp đặt mạng lưới dẫn nước này, bao gồm nhiều ống nhỏ như các mao mạch trong cơ thể để vận chuyển nước tới từng gốc cây. Hình 1.1: Hệ thống tưới nhỏ giọt Hệ thống thông minh này được điều khiển qua máy tính kết hợp cảm biến tự động đóng mở van tưới khi phát hiện độ ẩm của rễ cây đạt mức thích hợp. Hệ thống SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 4
  25. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI này còn đảm nhận luôn nhiệm vụ bón phân cung cấp dinh dưỡng tới rễ cây bằng cách hòa phân bón vào bể chứa nước rồi vận chuyển theo đường ống đến từng cây. Nhận thấy lợi ích lớn lao và hiệu quả mang lại, các nhà nghiên cứu và người dân Việt Nam đã học hỏi và áp dụng công nghệ tưới nhỏ giọt này cho nền nông nghiệp nước nhà với những vật liệu hoàn toàn địa phương và đã đạt được những thành công bước đầu như: Giảm chi phí xăng dầu, điện cho tưới tiêu. Giảm đáng kể lượng nước tưới. Giảm công sức và thời gian vận chuyển nước. Kiểm soát và tiết kiệm lượng phân bón. Và rất nhiều lợi ích khác mà hệ thống này mang lại. Hình 1.2:Ống nhỏ giọt thực tế Một số khó khăn tại Việt Nam: Chưa hoàn thành được hệ thống dẫn mao mạch thật sự, vì hệ thống lọc còn kém thường gây ra tình trạng tắc, phát sinh nhiều chi phí bảo trì. Kể cả những ống lớn đều có hiện tượng tắc nghẽn theo thời gian gây cản trở việc tưới tiêu đồng đều. Điều khiển hệ thống vẫn còn thủ công. Vật liệu chưa đáp ứng tốt nhất cho hệ thống tưới. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 5
  26. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1.2. Công nghệ trồng rau thủy canh Thủy canh là một kỹ thuật trồng cây trong môi trường dung dịch dinh dưỡng, đơn giản bạn có thể hiểu là việc trồng cây trong nước. Nguyên lý của phương pháp này chính là dùng nước làm môi trường cung cấp đầy đủ cho cây các nguyên tố, dinh dưỡng cần thiết đúng lúc để cây phát triển. Vẫn đảm bảo đầy đủ ánh sáng cho quá trình quang hợp, hô hấp của cây để cây có thể phát triển mạnh với năng suất cao. Hình 1.3:Hệ thống giàn rau thủy canh tại Minh Hòa Ở môi trường đất, cây chỉ lấy và khả năng hấp thụ khoảng 5% dinh dưỡng từ môi trường đất, 95% dinh dưỡng còn lại là do cây tự tổng hợp trong quá trình quang hợp và sử dụng. Môi trường đất ở đây chỉ đóng vai trò làm nơi lưu trữ dinh dưỡng cho quá trình phát triển của cây, cây sẽ sử dụng từ từ lượng dinh dưỡng này trong quá trình phát triển và lớn lên. Với thủy canh, dinh dưỡng được chuyển hóa dưới dạng lỏng ( dạng dễ hấp thụ nhất cho cây) để cây dễ dàng hấp thụ trong quá trình phát triển nên ta hoàn toàn không cần dùng đất làm môi trường sống cho cây. Với phương pháp này, bạn đã tạo ra một môi trường sống khá sạch cho cây trồng, không có những ảnh hưởng ô nhiễm từ môi trường đất gây ra cho cây như nấm, sâu bệnh, . SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 6
  27. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Hình 1.4: Các loại rau đa dạng tại Minh Hòa Thủy canh được nghiên cứu là phương pháp cho ra năng suất cao hơn so với phương pháp trồng rau thổ canh, không chỉ vậy mà thủy canh còn tận dụng diện tích trồng khá tốt vì có thể chia không gian thành nhiều tầng để mở rộng diện tích. 1.1.2.1 . Hệ thống thủy canh dạng bấc Đây là hệ thống thủy canh đơn giản nhất. Nguyên lý hoạt động của hệ thống như nguyên tắc của đèn dầu sử dụng sợi bấc để cung cấp dinh dưỡng cho cây. Đặt một đầu sợi dây bấc chìm trong dung dịch dinh dưỡng, đầu còn lại chạm vào rễ của cây. Sợ bấc sẽ có nhiệm vụ hút nước và dinh dưỡng lên để nuôi cây, như vậy cây vẫn có đủ dinh dưỡng để phát triển. Hình 1.5: Mô hình thủy canh dạng bấc SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 7
  28. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1.2.2 . Hệ thống thủy canh tĩnh Hệ thống này sử dụng một bể, thùng chứa dung dịch thủy canh phía dưới. Phần giữ cầy thường làm bằng chất liệu nhẹ phía trên miệng. Rễ cây sẽ được ngập trong dung dịch thủy canh. Hình 1.6: Hệ thống thủy canh tĩnh Môi trường thủy canh tĩnh có một nhược điểm là thiếu khí oxy nên phải có máy tạo khối sủi bọt để cung cấp oxi cho cây. Hệ thống này chỉ phù hợp với một số loại cây và thông thường chỉ được sử dụng trong giảng dạy vì chi phí khá ít vì có thể tận dụng những bình chứa không sử dụng. 1.1.2.3 Hệ thống thủy canh hồi lưu Khác với thủy canh tĩnh phần rễ cây luôn chìm trong dung dịch thì mô hình này có thêm một máy bơm để điều khiển lượng dung dịch vào khay rồi rút ra theo một chù kỳ nhất định. Như vậy bộ rễ của cây không phải lúc nào cũng ngập trong nước, tránh được ngập úng và tạo được khoảng không để cây có thể thở tự nhiên. Mô hình này khá tối ưu và hiện tại đang được ứng dụng vào sản xuất ở rất nhiều trang trại tại Việt Nam. Hình 1.7: Hệ thống thủy canh hồi lưu SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 8
  29. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1.2.4 Giá thể trồng rau thủy canh Trong việc trồng rau thủy canh thì giá thể khá quan trọng, đặc biệt trong giai đoạn hạt giống nảy mầm và khi mang cây con để trồng vào các rọ thủy canh. Lượng giá thể trong mỗi rọ thủy canh cũng vừa phải để tiết kiệm và tiện cho việc xử lý. Giá thể được sử dụng trong phương pháp thủy canh phải đảm bảo được khả năng giữ ẩm và thoáng khí cho cây trồng. Giá thể trồng rau thủy canh phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến độ PH ổn đinh của dung dịch, khả năng sinh trưởng của rau. Giá thể phải có khả năng thấm nước để cây có thể dễ dàng sử dụng. Có thể dễ dàng phân hủy và tái sự dụng. Hiện nay, có 3 loại giá thể được sử dụng trong thủy canh là xơ dừa, perlite, đất sét nung đang được sử dụng phổ biến. Xơ dừa có khả năng giữ nước tốt, giá rẻ, dễ dàng kiếm. Perlite là đá núi lửa, rỗng ruốt, khá nhẹ, giữ ẩm tốt, tạo môi trường thông thoáng khí cho bộ rễ phát triển. Giá thể này khá được ưa chuộng trong quá trình ươm giống, giâm cành. Đất sét nung là từng viên nhỏ được nung ở nhiệt độ cao, hút nước tốt, giữ ẩm cao, được ưa chuộng sử dụng trong hệ thống thủy canh ngập xả định kỳ. Hình 1.8: Giá thể sơ dừa Mô hình không chỉ áp dụng tại các trang trại lớn với quy mô sản xuất thương mại mà ngày nay còn được sử dụng phổ biến trong các hộ gia đình cho việc trồng SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 9
  30. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI rau tại nhà. Phương pháp này đang là một trong những xu hướng mới trên thị trường hiện nay. 1.1.3. Công nghệ trồng rau khí canh Khí canh là một dạng mô hình của thủy canh. Mô hình này chứa nhiều ưu điểm và có thể sử dụng để tự tạo ra các nguồn rau sạch cho chính ngôi nhà của bạn. Hiểu một cách đơn giản nhất, khí canh là hệ thống trồng cây không cần đất, nước mà trồng trong môi trường không khí có chứa các giọt dinh dưỡng dưới dạng sương mù. Hình 1.9: Mô hình trồng rau khí canh Để có thể áp dụng thành công phương pháp này, người trồng cần nắm rõ các kiến thức cơ bản về thủy canh cũng như có kinh nghiệm sâu trong lĩnh vực này. Cấu trúc cơ bản của hệ thống khí canh Hệ thống khí canh được tạo thành từ 5 bộ phận cơ bản, bao gồm: giá đỡ, hệ thống cung cấp dinh dưỡng, hệ thống chiếu sáng, hệ thống cảm biến và hệ thống module sim. Giá đỡ: bộ phận này thường được khoan trên bề mặt, có tác dụng giữ rễ ở dưới kệ. Hệ thống cung cấp dinh dưỡng: bao gồm bình chứa dinh dưỡng, hệ thống ống dẫn và đầu phun dinh dưỡng và máy bơm. Hệ thống cảm biến: có tác dụng đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và siêu âm mức nước. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 10
  31. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Ưu điểm của hệ thống: Kỹ thuật khí canh là phương áp ứng dụng công nghệ hiện đại, có sự tích hợp của công nghệ sinh học, tin học, tự động hóa và công nghệ vật liệu mới. Giúp tiết kiệm tối đa lượng nước cung cấp để trồng rau (90%). Không cần đến đất vẫn có thể trồng rau để cung cấp nguồn rau sạch cho người tiêu dùng. Cho phép nhân nhiều loại giống với chu kỳ nhân giống nhanh, có thể trồng vụ quanh năm. Giúp cây sinh trưởng và phát triển nhanh, cho năng suất cao gấp 1.5 lần so với kỹ thuật trồng cây truyền thống hạn chế được sự phụ thuộc vào yếu tố tự nhiên. Tạo môi trường sống hoàn toàn sạch bệnh cho cây nên không cần phải có sự can thiệp của thuốc trừ sâu bệnh có chất hóa chất độc hại. Vi khuẩn rất khó tiếp cận để làm hại bộ rễ của cây. Nhược điểm: Chi phí dùng để đầu tư, vận hành, sửa chữa khá lớn. Cần phải áp dụng công nghệ cao mới có thể thực hiện thành công kỹ thuật này. Vì mô hình cần hoạt động 24/24 giờ nên tiêu thụ lượng điện năng khá lớn. Cần kiểm tra sâu bệnh cho cây hằng ngày để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường. 1.2. Hệ thống IoT 1.2.1. Khái niệm Internet vạn vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 11
  32. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Năm 2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things (IoT- GSI) định nghĩa IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp" và với mục đích ấy một "vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng lưới truyền thông". Hệ thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người. Khi IoT được gia tố cảm biến và cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảo- thực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như điện lưới thông minh, nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải thông minh và thành phố thông minh. Mỗi vật được nhận dạng riêng biệt trong hệ thống điện toán nhúng và có khả năng phối hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu. Các chuyên gia dự báo rằng Internet Vạn Vật sẽ ôm trọn chừng 30 tỉ vật trước năm 2020. Về cơ bản, Internet Vạn Vật cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ thống và dịch vụ, kết nối này mang hiệu quả vượt trội so với kiểu truyền tải máy- máy (M2M), đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, miền (domain), và ứng dụng. Kết nối các thiết bị nhúng này (luôn cả các vật dụng thông minh), được kỳ vọng sẽ mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu như điện lưới thông minh, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thông minh. Hình 1.10: Internet of things SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 12
  33. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Khi tự động hóa có kết nối internet được triển khai đại trà ra nhiều lãnh vực, IoT được dự báo sẽ tạo ra lượng dữ liệu lớn từ đa dạng nguồn, kéo theo sự cần thiết cho việc kết tập dữ liệu nhanh, gia tăng nhu cầu đánh chỉ mục, lưu trữ, và xử lý các dữ liệu này hiệu quả hơn. Internet Vạn Vật hiện nay là một trong các nền tảng của Thành phố Thông minh, và các Hệ thống Quản lý Năng lượng Thông minh. Khái niệm "the Internet of Things" do Kevin Ashton làm việc tại Procter & Gamble, sau này là MIT's Auto-ID Center, giới thiệu vào năm 1999. 1.2.2. Ứng dụng 1.2.2.1. Nhà thông minh Bất cứ khi nào chúng ta nghĩ về các hệ thống IoT, ứng dụng quan trọng, hiệu quả và nổi bật nhất được nhắc đến chính là Smart Home - ứng dụng IOT xếp hạng cao nhất trên tất cả các kênh. Số người tìm kiếm nhà thông minh tăng mỗi tháng với khoảng 60.000 người và con số chưa hề có dấu hiệu dừng lại. Hình 1.11: Ứng dụng nhà thông minh Một điều thú vị nữa là cơ sở dữ liệu về nhà thông minh cho IoT Analytics bao gồm 256 công ty và công ty khởi nghiệp. Nhiều công ty hiện đang tích cực SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 13
  34. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI tham gia vào các ngôi nhà thông minh hơn là các ứng dụng tương tự khác trong lĩnh vực IoT. Số tiền tài trợ ước tính cho các phần khởi động Smart Home đã vượt quá 2,5 tỷ đô la và ngày càng tăng. Danh sách các công ty khởi nghiệp bao gồm các tên công ty khởi nghiệp nổi bật như AlertMe hoặc Nest cũng như một số tập đoàn đa quốc gia như Philips, Haier hoặc Belkin, v.v. 1.2.2.2. Sản phẩm có thể đeo được Cũng giống như nhà thông minh, wearables (thiết bị đeo được) vẫn là một chủ đề nóng trong số các ứng dụng IoT tiềm năng. Hàng năm, người tiêu dùng trên toàn cầu đang chờ đợi việc phát hành đồng hồ thông minh của Apple. Ngoài ra, có rất nhiều thiết bị đeo được khác làm cho cuộc sống của chúng ta dễ dàng như Sony Smart B Trainer, hoặc vòng đeo tay LookSee, điều khiển cử chỉ Myo. Hình 1.12: Phụ kiện thông minh 1.2.2.3. Thành phố thông minh Thành phố thông minh như tên gọi là một sự đổi mới rất lớn và mở rộng nhiều trường hợp sử dụng, từ phân phối nước đến quản lý giao thông, quản lý chất thải, giám sát môi trường và an ninh đô thị. Lý do tại sao nó rất phổ biến là nó cố gắng để loại bỏ sự khó chịu và vấn đề của những người dân sống ở thành phố. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 14
  35. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Hình 1.13: Thành phố thông minh Các giải pháp IoT được cung cấp trong khu vực Smart City giải quyết các vấn đề liên quan đến thành phố bao gồm giao thông, giảm ô nhiễm không khí và tiếng ồn và giúp các thành phố an toàn hơn. 1.2.2.4. Mạng lưới thông minh Lưới thông minh là một lĩnh vực ứng dụng khác cũng khá nổi bật. Lưới thông minh về cơ bản hứa hẹn sẽ trích xuất thông tin về hành vi của người tiêu dùng và nhà cung cấp điện theo cách tự động nhằm nâng cao hiệu quả, kinh tế và độ tin cậy của phân phối điện. 41.000 tìm kiếm trên Google hàng tháng là minh chứng cho tính phổ biến của khái niệm này. Hình 1. 14: Mạng lưới thông minh 1.2.2.5. Internet công nghiệp Một cách để nghĩ về Internet công nghiệp là kết nối các máy móc và thiết bị trong các ngành như phát điện, dầu, khí đốt và chăm sóc sức khỏe. Nó cũng được sử dụng trong các tình huống mà thời gian ngừng hoạt động không mong muốn và lỗi hệ thống có thể dẫn đến các tình huống đe dọa tính mạng. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 15
  36. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Một hệ thống được nhúng với IoT có xu hướng bao gồm các thiết bị như bang đeo khi tập thể dục để theo dõi nhịp tim hoặc các thiết bị gia dụng thông minh. Các hệ thống này có chức năng và có thể cung cấp rất dễ sử dụng nhưng không đáng tin cậy vì chúng thường không tạo ra các tình huống khẩn cấp nếu xảy ra thời gian chết. 1.2.2.6. Xe được kết nối Công nghệ xe được kết nối là một mạng lưới rộng lớn và rộng lớn gồm nhiều cảm biến, ăng-ten, phần mềm nhúng và công nghệ hỗ trợ giao tiếp để điều hướng trong thế giới phức tạp của chúng tôi. Nó có trách nhiệm đưa ra quyết định với sự nhất quán, chính xác và tốc độ. Hình 1.15: Xe hơi tự lái Nó cũng phải đáng tin cậy. Những yêu cầu này sẽ trở nên quan trọng hơn khi con người từ bỏ hoàn toàn việc kiểm soát tay lái và phanh cho các phương tiện tự động hoặc tự động đang được thử nghiệm thành công trên đường cao tốc của chúng ta hiện tại. 1.2.2.7. Sức khỏe được kết nối IoT có các ứng dụng khác nhau trong chăm sóc sức khỏe, từ các thiết bị giám sát từ xa đến các bộ cảm ứng tiên tiến và thông minh để tích hợp thiết bị. Nó có tiềm năng để cải thiện cách thức các bác sĩ chăm sóc và giữ cho bệnh nhân an toàn và khỏe mạnh. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 16
  37. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Hình 1.16: Kết nối hệ thống y tế Chăm sóc sức khỏe IoT có thể cho phép bệnh nhân dành nhiều thời gian hơn để tương tác với bác sĩ của họ nhờ đó nó có thể thúc đẩy sự tham gia của bệnh nhân và sự hài lòng. Từ cảm biến thể dục cá nhân đến robot phẫu thuật, IoT trong chăm sóc sức khỏe. mang đến những công cụ mới được cập nhật với công nghệ mới nhất trong hệ sinh thái giúp phát triển chăm sóc sức khỏe tốt hơn. IoT giúp cách mạng hóa chăm sóc sức khỏe và cung cấp các giải pháp thân thiện với túi tiền cho bệnh nhân và chuyên gia chăm sóc sức khỏe. 1.2.2.8. Bán lẻ thông minh Các nhà bán lẻ đã bắt đầu áp dụng các giải pháp IoT và sử dụng hệ thống nhúng IoT trên một số ứng dụng cải thiện hoạt động lưu trữ như tăng mua hàng, giảm hành vi trộm cắp, cho phép quản lý khoảng không quảng cáo và nâng cao trải nghiệm mua sắm của người tiêu dùng. Hình 1.17: Bán hàng trực tuyến Thông qua các nhà bán lẻ vật lý IoT có thể cạnh tranh với những người thách thức trực tuyến mạnh mẽ hơn. Họ có thể lấy lại thị phần bị mất của họ và thu hút người tiêu dùng vào cửa hàng, do đó làm cho nó dễ dàng hơn cho họ để mua nhiều hơn trong khi tiết kiệm tiền. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 17
  38. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.2.2.9. Chuỗi cung ứng thông minh Chuỗi cung ứng đã trở nên thông minh hơn trong vài năm. Cung cấp giải pháp cho các vấn đề như theo dõi hàng hóa trong khi họ đang đi trên đường, khi quá cảnh hoặc giúp nhà cung cấp trao đổi thông tin khoảng không quảng cáo là một số dịch vụ phổ biến. Với một hệ thống được kích hoạt IoT, thiết bị nhà máy có chứa các cảm biến nhúng truyền dữ liệu về các thông số khác nhau như áp suất, nhiệt độ và sử dụng máy. Hệ thống IoT cũng có thể xử lý quy trình làm việc và thay đổi cài đặt thiết bị để tối ưu hóa hiệu suất. Hình 1.18: Chuỗi cung ứng thông minh 1.2.2.10. Canh tác thông minh Canh tác thông minh là một ứng dụng IoT thường bị bỏ qua. Tuy nhiên, do số lượng các hoạt động canh tác thường là từ xa và số lượng lớn chăn nuôi mà nông dân làm việc, tất cả điều này có thể được theo dõi bởi Internet of Things và cũng có thể cách mạng hóa cách thức nông dân làm việc. Nhưng ý tưởng này vẫn chưa đạt được sự chú ý quy mô lớn. Tuy nhiên, nó vẫn còn là một trong những ứng dụng IoT không nên được đánh giá thấp. Chăn nuôi thông minh có tiềm năng trở thành một lĩnh vực ứng dụng quan trọng đặc thù ở các nước xuất khẩu nông sản. Hình 1.19:Canh tác thông minh SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 18
  39. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.3. Các mô hình trồng rau công nghệ cao 1.3.1. Nhà kính 1.3.1.1 Khái niệm Nhà kính là công trình thường có tường và mái làm bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh. Vì nhà kính có mái và tường bằng kính hoặc nhựa nên chúng có khả năng tự nóng lên do bức xạ nhìn thấy được của mặt trời khi đi qua lớp kính trong suốt bị hấp thụ bởi thực vật, đất đai và những thứ khác bên trong nhà kính. Không khí được làm ấm bởi nhiệt từ những bề mặt nóng bên trong được giữ lại bởi mái nhà và những bức tường. Thêm vào đó, những cây cối và cấu trúc bên trong nhà kính sau khi được làm ấm lại bức xạ lần nữa nhiệt năng của chúng trong dải quang phổ hồng ngoại. Do có thể điều chỉnh được nhiệt độ, cũng như việc tưới nước duy trì độ ẩm nhất định nên có thể quy định được khí hậu trong nhà kính. Khu vườn ngoài trời và trong nhà kính có lợi thế và bất lợi khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và yêu cầu cụ thể của người làm vườn. Cũng có những lợi thế và bất lợi cho các loại nhà kính được sử dụng. 1.3.1.2 Ưu điểm Hệ thống nhà kính trồng rau có ưu điểm lớn nhất là rau không bị ảnh hưởng bởi thời tiết của môi trường bên ngoài. Vào mùa hè, rau không bị ảnh hưởng bởi khí hậu nóng nực và những trận mưa lớn gây dập nát rau. Mùa đông hệ thống nhà kính che sương xuống rau. Do đó, người canh tác có thể hoàn toàn chủ động trong việc chăm sóc và nuôi trồng những luống rau của mình. Ngoài ra, nhà kính trồng rau còn giúp che chắn khỏi những loài sâu bọ phá hoại lá cây, các loại mối, mọt, ruồi, phá hoại mùa màng. Như vậy, người nông dân sẽ không còn phải dùng quá nhiểu thuốc trừ sâu cho rau. Sản phẩm thu được sẽ chất lượng, sạch sẽ và an toàn hơn rất nhiều. Thiết kế kiểu nhà vòm khi lắp đặt hệ thống nhà kính trồng rau giúp cung cấp đủ ánh sáng cho vườn rau nhà bạn. Nhìn chung, ưu điểm khi trồng rau trong nhà kính là sản phẩm thu được rất an toàn, tiết kiệm chi phí thuốc trừ sâu mà vẫn đảm bảo quá trình phát triển của vườn rau. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 19
  40. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Hình 1.20: Chăm sóc rau trong nhà kính 1.3.1.3 Nhược điểm Nhược điểm lớn nhất của hệ thống nhà kính là thường được xây dựng ở diện tích khá nhỏ, chỉ khoảng từ 500 – 1000m2. Do đó khó có thể trồng nhiều loại rau cùng một lúc mà phải luân canh. Hơn nữa xây dựng nhà kính tốn khá nhiều chi phí, nhất là các chi tiết nhỏ như tấm kính khung sắt, lắp đặt hệ thống tưới tiêu. Vì thế đầu tư vào hệ thống nhà kính cần có nguồn vốn lớn. Noài ra, khi đầu tư xây dựng nhà kính, chủ đầu tư cần tính toán thật kỹ lựa chọn các vật liệu sao cho sử dụng trong khoảng thời gian dài nhất để tiết kiệm chi phí sửa chữa. 1.3.2. Nhà lưới 1.3.2.1 Khái niệm Nhà lưới kín Toàn bộ mái, xung quanh nhà được phủ bằng lưới, cửa ra vào được căng phủ bằng lưới. Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt. Mái được thiết kế theo kiểu mái bằng hoặc mái nghiêng hai bên; có độ cao chỉ từ 2,0 - 3,9 m. Diện tích mỗi nhà lưới có thể từ 500 - 1.000 m2 theo từng điều kiện canh tác. Nhà lưới kín ngăn ngừa được côn trùng phá hoại và đẻ trứng, giảm tối đa lượng thuốc trừ sâu sử dụng, tăng độ an toàn cho nông sản, tăng thời vụ sản xuất, giảm xói mòn đất, giảm cường độ ánh sáng, trồng được rau trái vụ. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 20
  41. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Do thông gió kém, nếu không có thiết bị thông gió, về mùa nắng, nhiệt độ trong nhà lưới cao hơn ở ngoài 1- 2oC sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây. Nhà lưới hở Nhà lưới chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc một phần bao xung quanh. Nhà thiết kế rất đơn giản với kiểu mái bằng, mái nghiêng hai bên.; khung nhà có thể làm bằng cột bê tông, khung sắt, khung gỗ, cây gỗ chống và căng dây kẽm, dây cáp để giữ lưới. Sử dụng nhà lưới hở giúp giảm ánh sáng, hạn chế mưa xối trực tiếp, giảm sâu bệnh hại. Tuy nhiêm, không có tác dụng ngăn ngừa côn trùng. 1.3.2.2 Ưu điểm Mô hình nhà lưới trồng rau có rất nhiều lợi ích đối với nông nghiệp. Nó giúp bảo vệ rau khỏi côn trùng phá họai, từ đó giảm được tối đa việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật. Từ đó, rau dễ đạt được tiêu chuẩn an toàn và giá trị cao. Nhà lưới trồng rau còn tạo môi trường tốt cho rau sinh trưởng và phát triển. Kết hợp với việc chăm sóc và bón phân đầy đủ sẽ làm tăng năng suất rau trồng dẫn đến người nông dân được thu lợi nhuận cao. Nhà lưới sẽ giúp bảo vệ rau trồng khỏi tác động của thời tiết, tránh mưa làm dập nát lá rau. Nhà lưới còn có hệ thống tưới phun tự động nên giảm được công lao động đáng kể. 1.3.2.3 Nhược điểm Ngoài những lợi ích của nhà lưới trồng rau, mô hình này cũng có một số hạn chế cơ bản như: Đó là vào mùa nóng, nhiệt độ nhà lưới sẽ cao hơn nhiệt độ bên ngoài từ 1-2 độ C nếu không được thông gió tốt. Đây là yếu tố có thể ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của rau trồng. Tuy nhiên, bạn vẫn có thể khắc phục hạn chế này bằng cách sử dụng hệ thống phun mưa trong nhà lưới để giảm bớt nhiệt độ lúc nhiệt độ cao. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 21
  42. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Mô hình nhà lưới còn hạn chế ở diện tích. Nếu bạn không tính toán chính xác diện tích nhà lưới và diện tích cây trồng thì sẽ rất dễ phát sinh nấm bệnh. Giá nhà lưới trồng rau cũng khá cao cho nên bà con nông dân vẫn còn rất ngần ngại chưa dám đầu tư. Mặc dù vẫn còn nhiều hạn chế, tuy nhiên, nhà lưới trồng rau vẫn là mô hình đang được khuyến khích sử dụng ở Việt Nam để nâng cao chất lượng nông nghiệp. Nếu mạnh dạn đầu tư thì trong tương lai sẽ thấy được hiệu quả cao mà chúng mang lại và gia đình bạn và cộng đồng sẽ được sử dụng rau sạch hoàn toàn. 1.4. Giới thiệu về công ty TNHH đầu tư và phát triển Minh Hòa Loại hình hoạt động: Công ty TNHH Một Thành Viên Địa chỉ: 273 đường Nguyễn Văn Linh, Khu vực Bình Phó B, Phường Long Tuyền, Quận Bình Thủy, Thành phố Cần Thơ Đại diện pháp luật: Lâm Việt Hòa Ngành nghề kinh doanh: Trồng rau, đậu các loại và trồng hoa, cây cảnh (chính), Dịch vụ ăn uống  Vài nét về công ty Minh Hòa là một công ty kinh doanh đa ngành nghề, nhưng sản phẩm chính của công ty là rau thủy canh và cung cấp dịch vụ lẫu chay sử dụng rau tại vườn. Với diện tích gần 8000 mét vuông đất được chia thành 3 khu: Khu 1: Khu vực trưng bày sản phẩm và phục vụ ăn uống. Khu 2: Sử dụng hệ thống trồng rau thủy canh hồi lưu, trồng các loại rau ăn lá phổ biến như xà lách, rau muống Khu 3: Sử dụng hệ thống trồng hữu cơ kết hợp công nghệ tưới nhỏ giọt của Israel, trồng các loại rau màu thân thảo như bí ngòi, dưa leo, cà chua 1.5. Hiệu quả của công nghệ trồng rau thủy canh Với một hệ thống trồng rau thủy canh cơ bản, chủ vườn sẽ tiết kiệm được rất nhiều công chăm sóc, nước tưới và cả quỹ đất. Do được cung cấp đầy đủ lượng nước cũng như dinh dưỡng nên các loại rau được trồng sẽ phát triển rất tốt, hàm lượng dinh dưỡng cao và kiểm soát được lượng phân bón cũng như các nguyên tố đa, vi lượng có trong rau đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 22
  43. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Với cùng một diện tích canh tác, giữa người trồng rau truyền thống và người sử dụng công nghệ thủy canh thì người trồng rau thủy canh sẽ có những lợi thế như: rút ngắn thời gian thu hoạch, giá bán cao, tiết kiệm công chăm sóc, sản phẩm đạt chất lượng, hiệu quả và năng suất cao. Không những mang lại lợi ích kinh tế mà trồng rau thủy canh còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường, hạn chế tuyệt đối việc phun thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật. 1.6. Vấn đề tập trung nghiên cứu của đề tài Qua các phân tích về sự cần thiết của một hệ thống theo dõi, giám sát và tự động cân bằng thông số môi trường cho thấy đây là một hệ thống rất cần thiết với người trồng rau thủy canh. Ngoài việc cho các thông số trực quan, hệ thống sẽ giúp tăng năng suất cho vườn rau và giúp người trồng có được một quy trình trồng rau khép kín, hoàn thiện. Để đáp ứng những yêu cầu đó, vấn đề tập trung nghiên cứu của đề tài sẽ là: Hoàn thiện tủ điều khiển thông qua hệ thống IoT. Hệ thống vận hành ở 2 chế độ: Tự động (Auto) và Tay (Manual). Giám sát thông số và hỗ trợ điều khiển thiết bị từ xa thông qua Web server. Hoàn thiện quy trình trồng và chăm sóc cải Kale. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 23
  44. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Cải Kale lá xoăn 2.1.1. Đặc tính sinh học Cải Kale là loại cây thân thảo, lá có màu xanh hoặc tím dùng để ăn hoặc chế biến thành sinh tố. Là một loại rau họ cải xanh, rất giàu dinh dưỡng. 2.1.2. Điều kiện phát triển Khí hậu: nhiệt độ thích hợp cho cải Kale sinh trưởng và phát triển tốt là từ 20 – 27℃, độ ẩm từ 75-90%. Do là cây ưa nắng nên năng suất sẽ tăng vào các mùa có ngày dài hơn đêm. Thổ nhưỡng: Rễ cây sẽ phát triển tốt trong môi trường có pH từ 5.5-6.8. Sau khi trồng từ 75-90 ngày có thể thu hoạch. Thời gian thu hoạch kéo dài từ 4-6 tháng. Hình 2. 1: Cải Kale tại công ty Minh Hòa (Nguồn tổng hợp từ: và kinh nghiệm trồng thực tế tại công ty Minh Hòa) 2.1.3. Giá trị dinh dưỡng và kinh tế  Dinh dưỡng (Nguồn: USDA Food Data Central) Cải Kale lá xoăn chứa chất xơ, chất chống oxi hóa, canxi, vitamin C, K và rất nhiều các nguyên tố dinh dưỡng khác giúp ngăn ngừa các vấn đề sức khỏe khác nhau. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 24
  45. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chất chống oxi hóa: giúp cơ thể loại bỏ các độc tố không mong muốn trong quá trình trao đổi chất của cơ thể. Cải Kale có tác dụng tốt với một số bệnh như: tim mạch, tiểu đường, ung thư, tiêu hóa, các bệnh về da và tóc  Kinh tế (Nguồn tham khảo: Nongsandungha.com và Cty Minh Hòa) Với những giá trị dinh dưỡng cao thì mức giá của loại rau này được bán tại vườn vào khoảng 100.000 đồng/ký và thị trường giao động từ 70.000 đến 130.000 đồng/ký. 2.1.4. Quy trình trồng, chăm sóc và thu hoạch cải Kale 2.1.4.1 Chuẩn bị hạt giống và giá thể  Hạt giống: Hạt cải Kale được nhập khẩu hoàn toàn từ nước ngoài, ở tại Minh Hòa thì hạt cải được nhập khẩu từ Đức. Hạt đã được qua xử lí nảy mầm, đảm bảo kích thước hạt đồng đều và tỷ lệ nảy mầm trên 90%.  Giá thể: Xơ dừa là loại giá thể phù hợp được lựa chọn trong việc trồng các loại ràu thủy canh vì giá thành hợp lí, bảo vệ môi trường và có thể tái sử dụng làm phân hữu cơ cho các loại cây trồng khác sau khi thu hoạch rau. Hình 2.2:Giá thể xơ dừa Xơ dừa được xoay nhuyễn và sau đó xử lí thanh trùng để đảm bảo không có vi sinh vật và nấm bệnh gây hại cho rau trong quá trình phát triển. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 25
  46. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.4.2 Công đoạn ươm hạt Giai đoạn này, giá thể xơ dừa được xử lí để có độ ẩm phù hợp cho hạt này mầm. Khi đạt độ ẩm phù hợp, giá thể được cho vào ¾ chiều cao của rọ và tiếp theo là cho hạt vào và thêm giá thể để lắp đầy rọ. Tiếp theo là tiếp hành đưa rọ giá thể chứa hạt lên giàn ươm. Hàng ngày, chăm sóc các rọ này bằng cách phun sương để cung cấp độ ẩm lên bề mặt các rọ ươm. Chăm sóc liên tiếp như thế từ 7-8 ngày đến khi cây được 3 lá mầm. Hình 2.3: Cải Kale trên giàn ươm 2.1.4.3 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thứ cấp Sau khi cây được 3 lá mầm sẽ được chuyển sang giàn chạy dinh dưỡng thứ cấp. Ở giai đoạn này, cây sẽ được cho chạy dinh dưỡng 2 lần/ngày vào buổi sáng và buổi chiều, mỗi lần chạy dinh dưỡng như thế kéo dài trong 1-2 giờ. Hình 2.4: Cải Kale trên giàn ươm thứ cấp SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 26
  47. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.4.4 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thường xuyên Cây con từ 10 đến 15 ngày tuổi sẽ được chuyển từ giàn thứ cấp sang giàn chạy dinh dưỡng thường xuyên. Ở giai đoạn này, cây sẽ được cung cấp dinh dưỡng liên tục 24/24 để đảm bảo đủ nước và dinh dưỡng cho sự phát triển của cây. Hình 2.5: Cải Kale 12 ngày tuổi 2.1.4.5 Thu hoạch Tính từ ngày gieo hạt đến ngày có thể thu hoạch đầu tiên là từ 35-40 ngày, thời gian này cây sẽ có thể cho thu hoạch lá gốc. Thời gian thu hoạch kéo dài 2,5-3 tháng vào mùa nắng (thời tiết oi bức) và 4-6 tháng vào mùa mưa (thời tiết mát mẻ). Hình 2. 6: Cải Kale 2,5 tháng tuổi SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 27
  48. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.2. Phương pháp nghiên cứu Đề tài này được thực hiện bằng nhiều phương pháp kết hợp với nhau để hướng tới các kết quả, số liệu chính xác và trực quan nhất.  Phương pháp chọn mẫu: Chọn loại hình canh tác, loại rau  Phương pháp thu thập và tổng hợp thông tin: Bằng cách giao tiếp với các cô chú làm việc chăm sóc rau tại đây, tôi đã biết được quy trình cụ thể từ lúc trồng cho tới khi thu hoạch rau. Ngoài ra, các số liệu và thông số môi trường được ghi lại trực tiếp trên sổ tay và đối chiếu với số liệu trên hệ thống.  Phương pháp thực nghiệm khoa học: Các thiết bị được đưa vào vận hành trực tiếp thông qua hệ thống điều khiển tác động trực tiếp đến môi trường.  Phương pháp mô hình hóa: Thiết kế được mô hình mô phỏng trực quan hoạt động của hệ thống. 2.3. Các thành phần cơ bản của vườn rau thủy canh. 2.3.1. Nhà lưới 2.3.1.1 Thép hộp chuyên dụng Thép hộp là loại nguyện liệu được sử dụng khá nhiều và phổ biến trong các công trình xây dựng cũng như các ngành chế tạo cơ khí. Thép hộp được sản xuất theo quy trình chung ban đầu là: Xử lý nguyên liệu, tạo dòng thép nóng chảy, đúc tiếp nhiên liệu, phôi và cán. Sau khi hoàn thành xong quá trình cán, phôi thép sẽ được đưa đến nhà máy sản xuất thép hộp. Hình 2.7: Thép hộp các loại SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 28
  49. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thép hộp được ứng dụng trong rất nhiều ngành nghề và lĩnh vực khác nhau như: làm kết cấu dầm thép, làm khung sường mái nhà, tháp ăng ten, tháp truyền thanh. Ưu điểm của thép hộp: Giá thành thấp, tuổi thọ dài, ít tốn chi phí bảo trì, dễ dàng kiểm tra và đánh giá. 2.3.1.2 Màng nhựa PE Màng PE là một loại màng nhựa plastic mỏng có độ co dãn cao và có tính bám dính nhưng không cần dùng keo được sử dụng rất phổ biến hiện nay. Màng PE hay còn gọi là màng Chit hoặc màng quấn Pallet. Đây là loại màng được sản xuất từ hạt nhựa PE (Polyethylene) nguyên sinh với cấu tạo phân tử của hạt là 1 loại hợp chất hữa cơ được với các nhóm etylen liên kết với nhau bằng các liên kết Hydro no. Hình 2.8: Màng nhựa PE phủ nhà lưới Màng PE lợp nhà kính khổ lớn được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp thổi nhiệt từ hạt nhựa pe sau đó cuộn vào lõi với độ mỏng đồng đều và đạt độ co dãn tốt, Có đặc tính như không thấm nước, chống bụi và côn trùng. Màng pe nhà kính hiện tại chủ yếu sử dụng tại việt nam có độ dày 120 -150 Micromet, Phù hợp với khí hậu và điều kiện thời tiết ở Việt Nam. Tính chất của màng PE: Màng pe có màu trắng trong suốt (không màu), không mùi. Không dẫn nhiệt, không dẫn điện, không cho không khí đi qua, bụi bẩn và vi khuẩn đi qua. Độ bền cao, khả năng co dãn tốt (300%), chống thấm nước/dầu mỡ. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 29
  50. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nhiệt độ nóng chảy cao (120 °C), nhiệt độ hóa thủy tinh thấp (-100 °C). Ưu điểm nổi bật của màng PE phủ nhà lưới: Bảo vệ cây trồng sinh học tránh khỏi các tác động của thời tiết khí hậu, Tạo môi trường có nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng ổn định cho cây phat triển tốt có thể trồng quanh năm. Các loại hoa, rau, quả trồng trong nhà nilon công nghệ cao cho năng suất, chất lượng cao hơn và mẫu mã hàng hoá đẹp mặt hơn. Tránh được sử xâm hại từ các loại nấm mốc, côn trùng gây bệnh từ bên ngoài đảm bảo yếu tố an toàn thực phẩm, các tiêu chuẩn xuất khẩu. Ngoài việc thi công lắp đặt nhà kính trồng cây nông nghiệp thì màng PE phủ nhà kính còn được sử dụng để làm nhà kính chăn nuôi; Lợp mái lấy sáng hay nhà kính nuôi tôm thủy sản. Vì thế mà mỗi nguyên lý lợp nhà kính sẽ khác nhau tùy theo khung lợp thực tế. 2.3.1.3 Màng lưới chuyên dụng Lưới chắn côn trùng được đan (dệt) bằng 4 phương pháp chính: dệt kiếm, dệt kim (tròn, bằng), dệt móc xà, dệt bao tròn Hình 2.9: Màng lưới chống cồn trùng Từ những sợi cước, chất lượng của lưới chống côn trùng được quyết định bởi chất lượng nhựa (keo) tạo nên sợi chỉ, hiện tại trên thị trường có 3 loại chính: Nhựa đã qua xử lý (pha tạp chất, pha bột đá, pha thêm nhựa phế liệu ) nhằm giảm giá thành. Loại lưới chắn côn trùng làm từ loại nhựa này thường nặng ký, cứng, tuổi thọ thấp (từ 6 – 12 tháng). SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 30
  51. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nhựa nguyên sinh (nhựa nhựa nguyên bản, nguyên chất) lưới chắn côn trùng làm từ loại nhựa này chất lượng khá cao, dai, bóng và tương đối ổn định về chất lượng. Tuy nhiên khả năng bền với thời tiết và khí hậu không cao lắm. Nhựa nguyên sinh được phủ chất chống UV làm chất ổn định. Đây là loại nhựa cao cấp nhất hiện nay, với độ bền, dai, bóng của nhựa nguyên sinh, và lớp UV ổn định tăng rất nhiều khả năng kháng thời tiết và khí hậu. Đặc biệt dùng cho những vùng có khí hậu khắc nghiệt. Giúp bảo vệ cây trồng, hoa màu 1 cách tối ưu nhất. Lưới chắn côn trùng được làm từ loại nhựa này rất bền với thời tiết và khí hậu. Tuổi thọ từ 7-10 năm, tuy nhiên với giá thành khá cao nên loại lưới này chưa thật sự phổ biến tại Việt Nam. 2.3.2. Hệ thống chiếu sáng 2.3.2.1. Đèn ươm Các nhà khoa học thường phân các cây trồng theo ảnh hưởng của ánh sáng để ra hoa thành ba nhóm: nhóm cây ngày dài, nhóm cây ngày ngắn, nhóm cây trung tính (có thể ra hoa trong điều kiện ngày ngắn lẫn ngày dài, miễn sao cây có đủ độ sinh trưởng nhất định. Thời gian ban đêm là thời gian quyết định đến phản ứng ra hoa hoa của cây trồng. Vì thế, cây ngày dài là cây đêm ngắn, cây ngày ngắn là cây đêm dài. Dựa theo thời lượng ánh sáng để ra hoa của cây trồng nhà bạn để chọn đèn với công suất chiếu sáng thích hợp. Hình 2.10: Dãi ánh sáng quang phổ của đèn SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 31
  52. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Màu xanh: Ánh sáng màu xanh được phát ra ở nhiệt độ màu từ 5000K đến 6000K hay các bước sóng từ 400 đến 500 nm, đây là màu sắc tốt nhất cho giai đoạn sinh trưởng cùng chu kỳ phát triển hay giai đoạn bắt đầu gieo hạt. Dải màu này giúp phát triển lá và kích thích việc sản xuất sắc tố thứ cấp trong lá, từ đó tăng màu sắc và hương thơm của thực vật, thích hợp sử dụng cho rau diếp và các loại cây trồng khác có sự tăng trưởng ngắn và dày đặc. Màu xanh lá: Ánh sáng màu xanh lá thường có bước sóng 540nm, được sử dụng trong chu kỳ tối của cây trồng vì nó không kích hoạt quá trình quang hợp, đặc biệt hữu ích nếu cây trồng của bạn cần thời gian vào ban đêm dài hơn thời gian vào ban ngày. Màu đỏ: Dải màu ánh sáng đỏ phát ra nhiệt độ màu từ 2000K đến 3000K với các bước sóng từ 640 đến 680 nm, thường sử dụng trong giai đoạn quan trọng nhất của cây, chính là lúc ra hoa. Ánh sáng đỏ thường dùng báo hiệu rằng không còn cây nào khác ở trên nó để có thể phát triển mà không bị cản trở, từ đó thúc đẩy sự phát triển của thân cây và chiều cao của toàn cây. Đặc biệt, chúng còn khuyến khích việc sản xuất chất diệp lục và trái cây, thích hợp sử dụng để kéo dài chu kỳ ánh sáng của nhóm cây dài ngày và ngược lại cho cây ngắn ngày. Hình 2.11: Đèn ươm tại công ty Minh Hòa 2.3.2.2. Đèn hỗ trợ tăng trưởng Tại Minh Hòa, Loại đèn đang được sử dụng để trợ sáng cho quá trình phát triển của rau là đèn pha Led SMD 200W . Đây là loại đèn pha Led sử dụng chip LED SMD cao cấp cho khả năng tiết kiệm điện tối đa. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 32
  53. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.12: Đèn pha led SMD 200W Đặc điểm của đèn: Trang bị chip Led SMD cho khả năng phát sáng liên tục với cường độ cao, tạo ánh sáng gần như ánh sáng ban ngày. Quá trình chiếu sáng không chứa tia UV, tia cực tím nên không ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Cấu tạo bằng nhôm cao cấp tản nhiệt siêu nhanh giúp tăng tuổi thọ của đèn Led pha công suất lớn này. Mặt trước cấu tạo bằng kính cường lực chống va đập. Là dòng đèn Led ngoài trời nên khả năng chống bụi và chống nước tốt đạt tiêu chuẩn IP65. Thông số kỹ thuật của đèn pha Led 200W FL400-SMD: Công suất: 200W Kích thước: 420x320x100mm Chip led 35mm siêu sáng IP 66: Chống bụi, chịu nước. Vỏ nhôm đúc, tản nhiệt nhanh. 2.3.3. Hệ thống phun sương, làm mát 2.3.3.1. Lọc nước và bơm cao áp SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 33
  54. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối với nước được sử dụng phun sương làm mát tại Minh Hòa sẽ phải đi qua hai hệ thống lọc. Hệ thống lọc thô có nhiệm vụ lọc các tạp chất có kích thước lớn và trung bình. Hình 2.13: Hệ thống lọc thô Nước sau khi đi qua hệ thống lọc thô, sẽ đến hệ thống lọc tinh. Ở đây các tạp chất nhỏ hơn sẽ được loại bỏ và tạo cho nước độ tinh khiết cao hơn nước ban đầu. Hình 2.14: Hệ thống lọc tinh Nước qua hai lần lọc sẽ được máy bơm cao áp bơm đến các bét phun sương. 2.3.3.2. Quạt làm mát Với nhiệm vụ giúp không khí trong vườn rau được thoáng mát thì quạt được lựa chọn là loại có khả năng chống ẩm cao, công suất lớn. Để đảm bảo yêu cầu đó, thì loại quạt công nghiệp dạng treo đã được chọn. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 34
  55. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.15:Quạt làm mát Thông số kỹ thuật: Thương hiệu: Super Win. Công suất: 170W. Điện áp: 220V. Đường kính cánh quạt: 600 mm. Tốc độ: 1400 vòng/phút. 2.3.4. Hệ thống chạy dinh dưỡng 2.3.4.1. Ống nhựa thủy canh Trên thị trường vật tư thủy canh hiện nay có nhiều loại ống trồng rau thủy canh như dạng tròn, chữ nhật và tại Minh Hòa đang sử dụng loại ống thủy canh lục giác. Hình 2.16: Ống thủy canh lục giác SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 35
  56. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Với loại ống này, khoảng cách của các cây được bố trí phù hợp là 20cm. Đây là khoảng cách phù hợp với sự sinh trưởng và phát triển của các loại rau, đảm bảo thông thoán và đủ ánh sáng cho cây phát triển đồng điều. 2.3.4.2. Ống dẫn dinh dưỡng  Đường ống cấp dinh dưỡng Từ máy bơm chính, dinh dưỡng được bơm qua ống dẫn có đường kính 60mm, sau đó sẽ chia ra các nhánh nhỏ với đường kính ống là 49mm đến các giàn thủy canh, từ đây dinh dưỡng sẽ theo ống dẫn lên đường kính 27mm và cuối cùng các ống cấp dinh dưỡng có đường kính 6mm sẽ đưa dinh dưỡng vào ống thủy canh lục giác. Hình 2. 17: Ống cấp dinh dưỡng  Đường ống hồi lưu dinh dưỡng về bồn chứa Với mỗi giàn thủy canh đều được thiết kế có độ nghiên nhất định với mục đích dinh dưỡng sẽ chảy theo một chiều từ ống cấp đến ống hồi lưu. Khi dinh dưỡng được cấp ở một đầu thì đầu còn lại sẽ là phần ống hồi lưu giúp đưa dinh dưỡng chảy về bồn chứa. Dinh dưỡng sẽ chảy từ giàn thủy canh đến một ống hình chữ nhật và từ đây dinh dưỡng theo đường ống có đường kính lần lược 60mm-90mm và 114mm để chảy về bồn chứa dinh dưỡng. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 36
  57. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2. 18: Đường ống hồi lưu dinh dưỡng Dinh dưỡng sau khi đi từ ống cấp qua các bộ rễ của rau sẽ chảy về ống hồi lưu và sau đó sẽ chảy về bồn chứa. Mũi tên màu xanh ở hình 2.18 thể hiện đường đi của dinh dưỡng. 2.4. Thành phần hệ thống điều khiển 2.4.1. Arduino Arduino một nền tảng mã nguồn mở phần cứng và phần mềm. Phần cứng Arduino (các board mạch vi xử lý) được sinh ra tại thị trấn Ivrea ở Ý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit. Những Model hiện tại được trang bị gồm 1 cổng giao tiếp USB, 6 chân đầu vào analog, 14 chân I/O kỹ thuật số tương thích với nhiều board mở rộng khác nhau. Được giới thiệu vào năm 2005, Những nhà thiết kế của Arduino cố gắng mang đến một phương thức dễ dàng, không tốn kém cho những người yêu thích, sinh viên và giới chuyên nghiệp để tạo ra những thiết bị có khả năng tương tác với môi trường thông qua các cảm biến và các cơ cấu chấp hành. Những ví dụ phổ biến cho những người yêu thích mới bắt đầu bao gồm các robot đơn giản, điều khiển nhiệt độ và phát hiện chuyển động. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 37
  58. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đi cùng với nó là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân thông thường và cho phép người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C hoặc C++. Arduino Mega 2560 Board mạch arduino mega 2560 là một mạch vi xử lý điều khiển bằng chip ATmega2560, một board như thế bao gồm: 54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM) 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng), 1 thạch anh 16 MHz, 1 cổng kết nối USB, 1 jack cắm điện, 1 đầu ICSP, 1 nút reset. Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý. Thay vào đó, nó sử dụng ATmega16U2 lập trình như là một công cụ chuyển đổi tín hiệu từ USB. Ngoài ra, Arduino Mega2560 cơ bản vẫn giống Arduino Uno R3, chỉ khác số lượng chân và nhiều tính năng mạnh mẽ hơn, nên các bạn vẫn có thể lập trình cho con vi điều khiển này bằng chương trình lập trình cho Arduino Uno R3. Hình 2.19: Arduino Mega 2560 Một số thành phần của arduino mega2560: 5 Chân GND. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 38
  59. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 chân 5V. 1 chân 3.3v. 16 chân analog. 6 Chân lập trình ISP. Và một số thành phần khác. Hình 2.20: Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 2.4.2. NODE MCU ESP8266 ESP8266 là một mạch vi điều khiển có thể giúp chúng ta điều khiển các thiết bị điện tử. Điều đặc biệt của nó, đó là sự kết hợp của module Wifi tích hợp sẵn bên trong con vi điều khiển chính. Hiện nay, ESP8266 rất được giới nghiên cứu tự động hóa Việt Nam ưa chuộng vì giá thành cực kỳ rẻ, nhưng lại được tích hợp sẵn Wifi, bộ nhớ flash 8Mb. Hình 2. 21: Node MCU 0.9 (ESP-12 Module) ESP8266 có nhiều phiên bản và được đóng gói theo nhiều cách khác nhau, tuy nhiên nó lại khá giống nhau về chức năng và khả năng lập trình. Trên thị trường SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 39
  60. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU phổ biến nhất hiện nay là ESP8266v1, ESP8266v7 và ESP8266v12. Các mạch này được đóng gói theo nhiều cách khác nhau dưới các tên gọi như hình 2.23. Hình 2.22: Một số Module ESP8266 Thông số kỹ thuật: WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n. Điện áp hoạt động: 3.3V. Điện áp vào: 5V thông qua cổng USB. Số chân I/O: 11 (tất cả các I/O đều có Interrupt/PWM/I2C/One-wire, trừ chân D0). Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào tối đa 3.3V). Bộ nhớ Flash: 4MB. Giao tiếp: Cable Micro USB ( tương đương cáp sạc điện thoại ). Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2. Tích hợp giao thức TCP/IP. Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 40
  61. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.23: Sơ đồ chân của Node MCU ESP-12 V1.0 2.4.3. Cảm biến DHT21 DHT21 là module tích hợp cảm biến độ ẩm điện dung và cảm biến nhiệt độ có độ chính xác cao, đầu ra tín hiệu số có thể kết nối với một Vi điều khiển 8-bit, Sản phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhanh, khả năng chống nhiễu mạnh, giao tiếp duy nhất 1 dây. Kích thước nhỏ, tiêu thụ điện năng thấp, khoảng cách truyền dẫn tín hiệu lên đến 20m. Điện năng tiêu thụ cực thấp, khoảng cách truyền dẫn, hiệu chuẩn hoàn toàn tự động, sử dụng các cảm biến độ ẩm điện dung, hoàn toàn hoán đổi cho nhau, tiêu chuẩn kỹ thuật số đầu ra duy nhất - một bus, ổn định lâu dài, thiết bị đo nhiệt độ chính xác cao. Thông số kỹ thuật: Điện áp sử dụng: 3.3~5VDC. Dòng tiêu thụ: 300 uA. Kích thước: 58.8 x 26.7 x 13.8 (mm). Model: AM2301. Độ phân giải chính xác: 0.1. Khoảng đo độ ẩm: 0~100% RH. Khoảng đo nhiệt độ: -40 ℃ ~ 80 ℃. Đo lường chính xác độ ẩm: ± 3% RH. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 41
  62. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đo lường chính xác nhiệt độ: ± 0.5 ℃. Hình 2. 24: Sơ đồ chân DHT21 Hình 2.25: Sơ đồ kết nối vi xử lý 2.4.4. Cảm biến ánh sáng BH1750 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 Digital Light Sensor được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng lux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C. Hình 2.26: Cảm biến ánh sáng BH1750 SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 42
  63. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thông số: Nguồn: 3~5VDC. Điện áp giao tiếp: TTL 3.3~5VDC. Chuẩn giao tiếp: I2C. Khoảng đo: 1 -> 65535 lux. Kích cỡ: 21*16*3.3mm. Một số ví dụ về độ rọi của ánh sáng: Vào buổi tối : 0.001 - 0.02 Lux. Ánh trăng : 0.02 - 0.3 lux. Trời nhiều mây trong nhà : 5 - 50 lux. Trời nhiều mây ngoài trời : 50 - 500 lux. Trời nắng trong nhà : 100 - 1000 lux. Ánh sáng cần thiết để đọc sách: 50 - 60 lux. 2.4.5. Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS TDS là viết tắt của “Total Dissolved Solids”, có thể gọi nôm na là Tổng chất rắn hòa tan. TDS là một trong những chỉ số dùng để kiểm tra chất lượng của nước, hàm lượng tất cả các chất hữu cơ, vô cơ chứa trong chất lỏng (cụ thể là nước). Đơn vị TDS: mg/l (minigrams/liter) hoặc ppm (part/million). Chỉ số TDS càng nhỏ thì nước càng sạch, nhưng nếu nhỏ quá mức thì nước gần như không có khoáng chất, tuy nhiên không phải chỉ số TDS cao là nước bẩn. TDS không được coi là chỉ số gây ô nhiễm, nó là chỉ số tổng hợp về sự hiện diện của các hợp chất hóa học. Cảm biến TDS giúp đo được chỉ số TDS của nước. Ứng dụng: Kiểm tra chất lượng nước ở sông ngòi, nước sinh hoạt, quá trình xử lý nước thải hay bất kỳ ứng dụng nào cần đo chỉ số TDS. Trong đề tài này là để kiểm tra nồng độ hòa tan chất rắn của dung dịch dinh dưỡng. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 43
  64. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.27: Chỉ số TDS của nước Thông số kỹ thuật Với mạch chuyển đổi phát tín hiệu Điện áp hoạt động: 3.3V -> 5V. Tín hiệu đầu ra : Analog 0V -> 2.3V tương ứng dải đo TDS: 0 -> 1000ppm. Dòng điện làm việc: 3mA -> 6mA. Độ chính xác: 10% FS (25*C). Kích thước: 42mm * 32mm. Kết nối với đầu đo TDS qua Jack kết nối. Với đầu đo TDS Kết nối với mạch chuyển đổi phát tín hiệu qua Jac kết nối. Độ dài: 83cm. Đầu đo chống nước. Hình 2.28: Sơ đồ mạch chuyển tín hiệu SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 44
  65. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.29: Sơ đồ kết nối mẫu 2.4.6. Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20 Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm, là phiên bản chống nước, chống ẩm của Cảm biến nhiệt độ DS18B20. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 là cảm biến ( loại digital ) đo nhiệt độ mới của hãng MAXIM với độ phân giải cao ( 12bit ). IC sử dụng giao tiếp 1 dây rất gọn gàng, dễ lập trình. IC còn có chức năng cảnh báo nhiệt độ khi vượt ngưỡng và đặc biệt hơn là có thể cấp nguồn từ chân data ( parasite power ). Cảm biến nhiệt độ này có thể hoạt động ở 125 độ C nhưng cáp bọc nhựa PVC nên giữ nó dưới 100 độ C. Đây là cảm biến kỹ thuật số, nên không bị suy hao tín hiệu đường dây dài. Hình 2. 30: Cảm biến DS18B20 và sơ đồ đấu nối Thông số của Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây mềm: Nguồn: 3 – 5.5V. Dải đo nhiệt độ: -55 đến 125 độ C ( -67 đến 257 độ F). Sai số: +- 0.5 độ C khi đo ở dải -10 – 85 độ C. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 45
  66. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Độ phân giải: người dùng có thể chọn từ 9 – 12 bits. Chuẩn giao tiếp: 1-Wire ( 1 dây ). Có cảnh báo nhiệt khi vượt ngưỡng cho phép và cấp nguồn từ chân data. Thời gian chuyển đổi nhiệt độ tối đa : 750ms ( khi chọn độ phân giải 12bit ). Mỗi IC có một mã riêng (lưu trên EEPROM của IC) nên có thể giao tiếp nhiều DS18B20 trên cùng 1 dây. Ống thép không gỉ (chống ẩm , nước) đường kính 6mm, dài 50mm. Đường kính đầu dò: 6mm. Chiều dài dây: 1m. 2.4.7. Module 4 relay với Opto cách ly Mạch 4 Relay Opto cách ly (có hai loại 5VDC và 12VDC) thích hợp với các ứng dụng đóng ngắt tải AC hoặc DC, mạch có thiết kế nhỏ gọn, tích hợp opto và transistor cách ly, kích đóng bằng mức thấp (0VDC) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế có thể sử dụng nguồn ngoài giúp cho việc sử dụng trở nên thật linh động và dễ dàng. Hình 2.31: Module 4 relay opto cách ly 5VDC Thông số kỹ thuật: Điện áp sử dụng: Có hai loại 5VDC và 12VDC. Tín hiệu kích: mức thấp Low (GND 0VDC) Relay đóng, mức cao High (VCC 5 hoặc 12VDC tùy loại) Relay ngắt. Mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 46
  67. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A (Để an toàn nên dùng cho tải có công suất <100W). Tích hợp Opto cách ly, Diod chống nhiễu và đèn báo tín hiệu kích. Kích thước: 75 x 55 x 20mm. 2.4.8. Công tắc tơ Công tắc tơ (Contactor) hay còn gọi là Khởi động từ là khi điện hạ áp thực hiện việc đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực. Công tắc tơ là thiết bị điện đặc biệt quan trọng trong hệ thống điện. Nhờ có công tắc tơ ta có thể điều khiển các thiết bị như động cơ, tụ bù, hệ thống chiếu sáng, thông qua nút nhấn, chế độ tự động hoặc điều khiển từ xa. Hình 2.32: Công tắc tơ A. Cấu tạo công tắc tơ bao gồm 3 bộ phận chính: 1. Nam châm điện: gồm có các chi tiết: Cuộn dây dùng tạo ra lực hút nam châm; Lõi sắt; Lò xo tác dụng đẩy phần nắp trở về vị trí ban đầu. 2. Hệ thống dập hồ quang: Khi chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy và mòn dần, vì vậy cần hệ thống dập hồ quang. 3. Hệ thống tiếp điểm công tắc tơ: gồm có tiếp điểm chính và tiếp điểm phụ SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 47
  68. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.33: Cấu tạo công tắc tơ - Tiếp điểm chính: Có khả năng cho dòng điện lớn đi qua. Tiếp điểm chính là tiếp điểm thường hở đóng lại khi cấp nguồn vào mạch từ của công tắc tơ trong tủ điện làm mạch từ hút lại. - Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A. Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường mở. - Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm ở trạng thái đóng (có liên lạc với nhau giữa hai tiếp điểm) khi cuộn dây nam châm trong công tắc tơ ở trạng thái nghỉ (không được cung cấp điện). Tiếp điểm này mở ra khi công tắc tơ ở trạng thái hoạt động. Ngược lại là tiếp điểm thường mở. Như vậy, hệ thống tiếp điểm chính thường được lắp trong mạch điện động lực, còn các tiếp điểm phụ sẽ lắp trong hệ thống mạch điều khiển của công tắc tơ. B. Nguyên lý hoạt động công tắc tơ Hình 2. 34: Nguyên lý hoạt đông của công tắc tơ SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 48
  69. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Khi cấp nguồn trong mạch điện điều khiển bằng với giá trị điện áp định mức của công tắc tơ vào hai đầu cuộn dây quấn trên phần lõi từ đã được cố định trước đó thì lực từ sinh ra sẽ hút phần lõi từ di động và hình thành mạch từ kín (lúc này lực từ sẽ lớn hơn phản lực của lò xo). công tắc tơ bắt đầu trạng thái hoạt động. Nhờ bộ phận liên động về cơ giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm sẽ làm cho tiếp điểm chính đóng lại và tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái (khi thường đóng sẽ mở ra và khi thường hở sẽ đóng lại), trạng thái này sẽ được duy trì. Khi nguồn điện ngưng cấp cho cuộn dây thì công tắc tơ ở trạng thái nghỉ và các tiếp điểm lại trở về trạng thái ban đầu. C. Phân loại công tắc tơ Có nhiều cách phân loại công tắc tơ: Theo nguyên lý truyền động: Ta có công tắc tơ kiểu điện từ, kiểu hơi ép, kiểu thủy lực, Thường thì ta gặp contactor kiểu điện từ. Theo dạng dòng điện: Công tắc tơ điện một chiều và công tắc tơ điện xoay chiều. Theo kết cấu: Người ta phân công tắc tơ dùng ở nơi hạn chế chiều cao (như bảng điện ở gầm xe) và ở nơi hạn chế chiều rộng (ví dụ buồng tàu điện). Theo dòng điện định mức: Công tắc tơ 9A, 12A, 18A, 800A hoặc lớn hơn. Theo số cực: Công tắc tơ 1 pha, công tắc tơ 2 pha, công tắc tơ 3 pha, công tắc tơ 4 pha. Theo cấp điện áp: Công tắc tơ trung thế, công tắc tơ hạ thế. Theo điện áp cuộn hút: Cuộn hút xoay chiều 220VAC, 380VAC, cuộn hút 1 chiều 24VDC, 48VDC, 2.4.9. Công tắc hành trình Công tắc hành trình hay còn gọi công tắc giới hạn hành trình là dạng công tắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Nó có cấu tạo như công tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó. Công tắc SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 49
  70. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU hành trình là loại không duy trì trạng thái, khi không còn tác động sẽ trở về vị trí ban đầu. Công tắc giới hạn hành trình này có nguyên lý hoạt động vô cùng đơn giản. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi cơ năng thành điện năng. Có nghĩa là dựa vào sự di chuyển của một vật để điều khiển đóng ngắt tín hiệu điện. Như tên gọi của nó, chức năng chính là để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Hình 2.35: Công tắc hành trình Như hình 2.37 trên, chúng ta có thể thấy cấu tạo vô cùng đơn giản của công tắc hành trình. Bao gồm có: cần tác động, chân COM, chân thường đóng (NC), chân thường hở (NO). Ở điều kiện bình thường, tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ được đấu với nhau. Khi có lực tác động lên cần tác động thì tiếp điểm giữa chân COM và chân NC sẽ hở và chuyển qua chân COM và chân NO. Do đó, khi đấu điện chúng ta cần xác định chính xác 3 chân này, chúng ta cũng có thể kiểm tra bằng cách sử dụng VOM đo ngắn mạch để xác định. 2.4.10. Bàn phím mềm 1x4 Bàn phím mềm 1x4 keypad có thiết kế nhỏ gọn, dễ kết nối và sử dụng, bàn phím có 1 chân chung để nối VCC hoặc GND, các chân còn lại sẽ xuất tín hiệu tương ứng với chân chung này khi có thao tác nhấn phím, phù hợp cho các ứng dụng điều khiển bằng phím bấm. Thông số kỹ thuật: SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 50
  71. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Số phím: 4 phím. Kích thước: 20 x 70mm Chiều dài cáp: 87mm Cách sử dụng bàn phím với chân VCC chung, các chân tín hiệu được kéo trở chống nhiễu xuống GND: Hình 2. 36: Sơ đồ kết nối bàn phím mềm 1x4 keypad 2.4.11. Màn hình Grove -16x2 LCD Grove - 16x2 LCD (White on Blue) là dạng màn hình LCD Text với 32 ký tự (16 x 2 dòng) trên màn hình giúp hiển thị các thông tin điều khiển, giá trị cảm biến, thông báo trực quan. Thông số kỹ thuật: Điện áp sử dụng: 3.3~5VDC. Số lượng ký tự: 32 (16 ký tự x 2 dòng). Màu sắc: Chữ trắng – nền xanh. Phù hợp với board MCU. Tích hợp I2C. Hỗ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 51
  72. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.37: Mặt trước và sau của Grove-16x2 LCD (White on Blue) 2.4.12. Đèn báo hiển thị điện áp Đèn báo hiển thị điện áp được sử dụng nhiều tại các tủ điện công nghiệp, nông nghiệp. Được dùng để báo có nguồn và hiển thị mức điện áp. Thông số kỹ thuật: Dòng tiêu thụ: Nhỏ hơn 18mA. Tuổi thọ: Trên 100.000 giờ sáng liên tục. Nhiệt độ hoạt động: -25~70 độ C. Tiêu chuẩn kín nước: IP65 chống nước và chống bụi. Hình 2.38: Đèn báo pha hiển thị điện áp 2.5. Phần mềm và ngôn ngữ lập trình 2.5.1. Arduino IDE Arduino IDE được viết tắt (Arduino Integrated Development Environment) là một phần mềm lập trình vi xử lí. Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng cross-platform (đa nền tảng) được viết bằng Java, và từ IDE này sẽ được sử dụng cho Ngôn ngữ lập trình xử lý (Processing programming language) và project Wiring. Nó được thiết kế để dành cho những người mới tập SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 52
  73. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU làm quen với lĩnh vực phát triển phần mềm. Nó bao gồm một chương trình code editor với các chức năng như đánh dấu cú pháp, tự động brace matching, và tự động canh lề, cũng như compile(biên dịch) và upload chương trình lên board chỉ với 1 cú nhấp chuột. Một chương trình hoặc code viết cho Arduino được gọi là một sketch. Hình 2.39: Icon Arduino IDE Các chương trình Arduino được viết bằng C hoặc C++. Arduino IDE đi kèm với một thư viện phần mềm được gọi là "Wiring", từ project Wiring gốc, có thể giúp các thao tác input/output được dễ dàng hơn. Người dùng chỉ cần định nghĩa 2 hàm để tạo ra một chương trình vòng thực thi (cyclic executive) có thể chạy được: setup(): hàm này chạy mỗi khi khởi động một chương trình, dùng để thiết lập các cài đặt. loop(): hàm này được gọi lặp lại cho đến khi tắt nguồn board mạch. Hình 2.40: Giao diện soạn thảo SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 53
  74. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.5.2. Sublime Text 3 Sublime text hay trình soạn thảo văn bản sublime là một trình soạn thảo văn bản tinh vi được các developer sử dụng rộng rãi. Sublime text bao gồm một hệ tính năng đa dạng như Syntax Highlight, Auto Indentation, File Type Recognition, Sidebar, Macros, Plug-in và các Package cho phép làm việc với code base dễ dàng hơn. Hình 2.41: Icon Sublime Text 3 Phiên bản hiện hành của trình soạn thảo văn bản Sublime là 3.0 và version này tương thích với nhiều hệ điều hành khác nhau như Windows, Linux và MacOS. Sublime Text Editor là một trình soạn thảo văn bản với đầy đủ tính năng cho phép chỉnh sửa các local file hoặc một code base. Trình soạn thảo cũng bao gồm các tính năng chỉnh sửa code base khác nhau giúp các developer theo dõi được các thay đổi. Các tính năng khác nhau được Sublime hỗ trợ bao gồm: Syntax Highlight - Đánh dấu cú pháp. Auto Indentation - Tự động lùi lề. File Type Recognition - Nhận dạng kiểu tệp. Sidebar with files of mentioned directory - Thanh bên gồm các tệp của thư mục được đề cập. Macros. Plug-in và Packages. Trình soạn thảo Sublime Text được sử dụng như một IDE - Integrated Development Editor như code Visual Studio và NetBeans. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 54
  75. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.42: Giao diện soạn thảo của Sublime Text Một số lợi ích bạn có thể đạt được với trình soạn thảo văn bản Sublime như sau: Có thể giải quyết được các lỗi liên kết. Theo dõi tất cả các tệp và thư mục đang làm việc. Kết nối với các phiên bản control system như Git, Mercurial. Khả năng giải quyết vấn đề. Giữ tổ hợp màu cho tổ hợp cú pháp. 2.5.3. Node js Nodejs là một nền tảng (Platform) phát triển độc lập được xây dựng ở trên Javascript Runtime của Chrome mà chúng ta có thể xây dựng được các ứng dụng mạng một cách nhanh chóng và dễ dàng mở rộng. Nodejs được xây dựng và phát triển từ năm 2009, bảo trợ bởi công ty Joyent, trụ sở tại California, Hoa Kỳ. Dù sao thì chúng ta cũng nên biết qua một chút chút lịch sử của thứ mà chúng ta đang học một chút chứ nhỉ? Phần Core bên dưới của Nodejs được viết hầu hết bằng C++ nên cho tốc độ xử lý và hiệu năng khá cao. Nodejs tạo ra được các ứng dụng có tốc độ xử lý nhanh, dung lượng thấp, realtime thời gian thực. Nodejs áp dụng cho các sản phẩm có lượng truy cập lớn, cần mở rộng nhanh, cần đổi mới công nghệ, hoặc tạo ra các dự án Startup nhanh nhất có thể. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 55
  76. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.43: Logo Nodejs Những ứng dụng có thể và nên viết bằng Nodejs: Websocket server: Các máy chủ web socket như là Online Chat, Game hoặc là Server Fast File Upload Client: là các chương trình upload file tốc độ cao. Ad Server: Các máy chủ quảng cáo. Cloud Services: Các dịch vụ đám mây. RESTful API: đây là những ứng dụng mà được sử dụng cho các ứng dụng khác thông qua API. Any Real-time Data Application: bất kỳ một ứng dụng nào có yêu cầu về tốc độ thời gian thực. Micro Services: Ý tưởng của micro services là chia nhỏ một ứng dụng lớn thành các dịch vụ nhỏ và kết nối chúng lại với nhau. Nodejs có thể làm tốt điều này. 2.5.4. Angular JS Đây là một mã nguồn mở, 1 framwork cho các ứng dụng web. Được phát triển từ năm 2009, hiện tại được duy trì bởi google và đã ra mắt phiên bản 2.0. Hình 2.44: Angularjs Định nghĩa chính thức được đưa ra như sau : SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 56
  77. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU AngularJS là một framework có cấu trúc cho các ứng dụng web động. Nó cho phép bạn sử dụng HTML như là ngôn ngữ mẫu và cho phép bạn mở rộng cú pháp của HTML để diễn đạt các thành phần ứng dụng của bạn một cách rõ ràng và súc tích. Hai tính năng cốt lõi: Data binding và Dependency injection của AngularJS loại bỏ phần lớn code mà bạn thường phải viết. Nó xảy ra trong tất cả các trình duyệt, làm cho nó trở thành đối tác lý tưởng của bất kỳ công nghệ Server nào. Để học được AngularJS bạn cần phải có những kiến thức cơ về javascript, object, string. Việc bạn có hiểu biết chuyên sâu về javascript sẽ giúp cho bạn dễ dàng học AngularJS. Bản chất của AngularJS là hoạt động dạng Single Page, sử dụng API để lấy data, cho nên bạn cần biết các kĩ thuật DHTML, AJAX. Đặc trưng của AngularJS: Phát triển dựa trên Javascript Tạo các ứng dụng client-side theo mô hình MVC. Khả năng tương thích cao, tự động xử lý mã javascript để phù hợp vứi mỗi trình duyệt. Mã nguồn mở, miễn phí hoàn toàn và được sủ dụng rộng rãi. Các tính năng cơ bản Scope : có nhiệm vụ giao tiếp giữa controller và view của ứng dụng. Controller : xử lí dữ liệu cho đối tượng $scope, từ đây bên views sẽ sử dụng các dữ liệu trong scope để hiển thị ra tương ứng. Data-binding : tự động đồng bộ dữ liệu giữa model và view. Service : là singleton object được khởi tạo 1 lần duy nhất cho mỗi ứng dụng, cung cấp các phương thức lưu trữ dữ liệu có sẵn. ($http, $httpBackend, $sce, $controller, $document, $compile, $parse, $root Element, $rootScope ). Filter : Lọc các tập con từ tập item trong các mảng và trả về các mảng mới. Directive : dùng để tạo các thẻ HTML riêng phục vụ những mục đích riêng. AngularJS có những directive có sẵn như ngBind, ngModel Temple : một thành phần của view, hiển thị thông tin từ controller. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 57
  78. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Routing : chuyển đổi giữa các action trong controller, qua lại giữa các view. MVC & MVVM : mô hình thiết kế để phân chia các ứng dụng thành nhiều phần khác nhau (gọi là Model, View và Controller) mỗi phần có một nhiệm vụ nhất định. AngularJS không triển khai MVC theo cách truyền thống, mà gắn liền hơn với Model-View-ViewModel. Deep link : Liên kết sâu, cho phép bạn mã hóa trạng thái của ứng dụng trong các URL để nó có thể bookmark với công cụ tìm kiếm. Các ứng dụng có thể được phục hồi lại từ các địa chỉ URL với cùng một trạng thái. Dependency Injection: AngularJS có sẵn một hệ thống con dependency injection để giúp các lập trình viên tạo ra các ứng dụng dễ phát triển, dễ hiểu và kiểm tra. Hình 2.45: Tính năng cơ bản của AngularJS Các components chính ng-app : định nghĩa và liên kết một ứng dụng AngularJS tới HTML. ng-model : gắn kết giá trị của dữ liệu ứng dụng AngularJS đến các điều khiển đầu vào HTML. ng-bind : gắn kết dữ liệu ứng dụng AngularJS đến các thẻ HTML. Ưu điểm của angularJS Cung cấp khả năng tạo ra các Single Page Aplication dễ dàng. Cung cấp khả năng data binding tới HTML, khiến cho người dùng cảm giác linh hoạt, thân thiện. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 58
  79. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Dễ dàng Unit test. Dễ dàng tái sử dụng component. Giúp lập trình viên viết code ít hơn với nhiều chức năng hơn. Chạy được trên các loại trình duyệt, trên cả PC lẫn mobile. Nhược điểm Không an toàn : được phát triển từ javascript cho nên ứng dụng được viết bởi AngularJS không an toàn. Nên có sự bảo mật và xác thực phía server sẽ giúp ứng dụng trở nên an toàn hơn. Nếu người sử dụng ứng dụng của vô hiệu hóa JavaScript thì sẽ chỉ nhìn thấy trang cơ bản. 2.5.5. Git Git là một Hệ thống kiểm soát phiên bản phân tán mã nguồn mở. Một số định nghĩa được tổng hợp như sau: Hệ thống điều khiển: Điều này về cơ bản có nghĩa là Git là một trình theo dõi nội dung. Vì vậy, Git có thể được sử dụng để lưu trữ nội dung - nó chủ yếu được sử dụng để lưu trữ mã do các tính năng khác mà nó cung cấp. Hệ thống kiểm soát phiên bản: Mã được lưu trữ trong Git tiếp tục thay đổi khi thêm mã. Ngoài ra, nhiều nhà phát triển có thể thêm mã song song. Vì vậy, Hệ thống kiểm soát phiên bản giúp xử lý việc này bằng cách duy trì lịch sử về những thay đổi đã xảy ra. Ngoài ra, Git cung cấp các tính năng như các nhánh và sáp nhập, mà tôi sẽ trình bày sau. Hệ thống kiểm soát phiên bản phân tán: Git có một kho lưu trữ từ xa được lưu trữ trong một máy chủ và một kho lưu trữ cục bộ được lưu trữ trong máy tính của mỗi nhà phát triển. Điều này có nghĩa là mã không chỉ được lưu trữ trong một máy chủ trung tâm, mà là bản sao đầy đủ của mã có trong tất cả các máy tính của nhà phát triển. Git là một Hệ thống kiểm soát phiên bản phân tán do mã có trong mọi máy tính của nhà phát triển. SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 59
  80. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.46: Logo biểu trưng của Git Tại sao cần có Hệ thống kiểm soát phiên bản như Git: Các dự án thực tế thường có nhiều nhà phát triển làm việc song song. Vì vậy, một hệ thống kiểm soát phiên bản như Git là cần thiết để đảm bảo không có xung đột mã giữa các nhà phát triển. Ngoài ra, các yêu cầu trong các dự án như vậy thay đổi thường xuyên. Vì vậy, một hệ thống kiểm soát phiên bản cho phép các nhà phát triển hoàn nguyên và quay lại phiên bản cũ hơn của mã. Cuối cùng, đôi khi một số dự án đang được chạy song song liên quan đến cùng một cơ sở mã. Trong trường hợp như vậy, khái niệm phân nhánh trong Git là rất quan trọng. 2.5.6. Firebase Firebase là dịch vụ cơ sở dữ liệu hoạt động trên nền tảng đám mây – cloud. Kèm theo đó là hệ thống máy chủ cực kỳ mạnh mẽ của Google. Chức năng chính là giúp người dùng lập trình ứng dụng bằng cách đơn giản hóa các thao tác với cơ sở dữ liệu. Cụ thể là những giao diện lập trình ứng dụng API đơn giản. Mục đích nhằm tăng số lượng người dùng và thu lại nhiều lợi nhuận hơn. Đặc biệt, còn là dịch vụ đa năng và bảo mật cực tốt. Firebase hỗ trợ cả hai nền tảng Android và IOS. Không có gì khó hiểu khi nhiều lập trình viên chọn Firebase làm nền tảng đầu tiên để xây dựng ứng dụng cho hàng triệu người dùng trên toàn thế giới. Lịch sử phát triển Firebase: Firebase ra đời với tiền thân là Envolve. Đây là một nền tảng đơn giản chuyên cung cấp những API cần thiết để tích hợp tính năng chat vào trang web. Bên SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 60
  81. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU cạnh ứng dụng nhắn tin trực tuyến, Envolve còn được người dùng sử dụng để truyền và đồng bộ hóa dữ liệu cho những ứng dụng khác như các trò chơi trực tuyến, Do đó, các nhà sáng lập đã tách biệt hệ thống nhắn tin trực tuyến và đồng bộ dữ liệu thời gian thực thành hai phần riêng biệt. Trên cơ sở đó, năm 2012, Firebase ra đời với sản phẩm cung cấp là dịch vụ Backend-as-a-Service. Tiếp đến, vào năm 2014, Google mua lại Firebase và phát triển nó thành một dịch vụ đa chức năng được hàng triệu người sử dụng cho đến hiện nay. Hình 2.47: Firebase. Các hoạt động của Firebase: Firebase Realtime Database: Khi đăng ký một tài khoản trên Firebase để tạo ứng dụng, bạn đã có một cơ sở dữ liệu thời gian thực. Dữ liệu bạn nhận được dưới dạng JSON. Đồng thời nó cũng luôn được đồng bộ thời gian thực đến mọi kết nối client. Đối với các ứng dụng đa nền tảng, tất cả các client đều sử dụng cùng một cơ sở dữ liệu. Nó được tự động cập nhật dữ liệu mới nhất bất cứ khi nào các lập trình viên phát triển ứng dụng. Cuối cùng, tất cả các dữ liệu này được truyền qua kết nối an toàn SSL có bảo mật với chứng nhận 2048 bit. Trong trường hợp bị mất mạng, dữ liệu được lưu lại ở local, vì thế khi có mọi sự thay đổi nào đều được tự động cập nhật lên Server của Firebase. Bên cạnh đó, đối với các dữ liệu ở local cũ hơn với Server thì cũng tự động cập nhật để được dữ liệu mới nhất. Freebase Authentication SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 61
  82. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hoạt động nổi bật của Firebase là xây dựng các bước xác thực người dùng bằng Email, Facebook, Twitter, GitHub, Google. Đồng thời cũng xác thực nặc danh cho các ứng dụng. Hoạt động xác thực có thể giúp thông tin cá nhân của người sử dụng được an toàn và đảm bảo không bị đánh cắp tài khoản. Hình 2.48: Firebase xây dựng hành động tự động đăng nhập Firebase Hosting Cách thức hoạt động cuối cùng của Firebase được đề cập trong bài viết này là cung cấp các hosting. Hosting được phân phối qua tiêu chuẩn công nghệ bảo mật SSL từ mạng CDN. Hoạt động này giúp lập trình viên tiết kiệm thời gian thiết kế, xây dựng và phát triển ứng dụng. Hình 2.49: Firebase cung cấp các hosting được phân phối theo tiêu chuẩn SSL SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 62
  83. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Hình 2.50: Giao diện Firebase 2.5.7. Heroku Heroku là nền tảng đám mây cho phép các lập trình viên xây dựng, triển khai, quản lý và mở rộng ứng dụng (PaaS – Platform as a service). Nó rất linh hoạt và dễ sử dụng, cung cấp cho một con đường đơn giản nhất để đưa sản phẩm tiếp cận người dùng. Nó giúp các nhà phát triển tập trung vào phát triển sản phẩm mà không cần quan tâm đến việc vận hành máy chủ hay phần cứng Heroku chạy các ứng dụng trong dynos – nó là một máy ảo mà có thể tăng giảm sức mạnh dự vào độ lớn của ứng dụng. Hiểu đơn giản là dynos nhưng là các block, bạn muốn tăng tốc độ xử lý nhiều công việc phức tạp thì thêm block (scale chiều ngang) hoặc tăng kích thước block (scale chiều dọc) . Heroku sẽ thanh toán phí tháng dựa trên số lượng dynos và kích thước mỗi dyno bạn sử dụng. Hình 2.51: Đăng nhập Heroku SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 63
  84. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ưu điểm: Bạn có thể dùng Heroku miễn phí cùng với vô vàn các addons hỗ trợ cực kỳ hữu ích thì đấy được coi là một trong những dịch vụ hấp dẫn. Hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như:NodeJS, Ruby, Python, PHP, Java, Scala, Clojure. Ngoài ra chúng ta còn được cung cấp Database, SSL miễn phí, hỗ trợ mạnh làm việc team cũng như liên kết với Github một cách đơn giản. Khuyết điểm: Việc miễn phí sẽ chỉ có giới hạn là 550 giờ mỗi tháng. Nếu muốn tăng lên 1000 giờ thì bạn cần cài đặt phương thức thanh toán trên đó. Tuy nhiên để kiểm nghiệm một ý tưởng hay một trang web nhỏ thì nhiêu đó là quá đủ để thu về kết quả. Sau 2 đến 3 giờ nếu server không có người truy cập thì server sẽ chuyển sang trạng thái ngủ. Về việc server bị tắt khi không có traffic, cách đơn giản nhất là tự tạo traffic cho nó. Cách dễ nhất là dùng Pingdom để ping trang blog của bạn thường xuyên giữ cho server không bị tắt. 2.5.8. Ngôn ngữ lập trình 2.5.8.1. C, C++ Ngôn ngữ lập trình của Arduino chính là C/C++, nhưng so với lập trình lập trình trực tiếp với vi điều khiển, lập trình với Arduino đơn giản hơn nhiều vì bạn chỉ phải giao tiếp với phần cứng thông qua các thư viện, có thể xem như các lớp C++ wrapper lên các giao tiếp với phần cứng. Trên website, có khá nhiều các library viết sẵn để điều khiển ngoại vi: LCD, sensor, motor nên việc bạn cần làm chỉ là kết hợp chúng với nhau để tạo ứng dụng cho riêng bạn. Hình 2.52: Đoạn code arduino đơn giản về điều khiển led SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 64
  85. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Board arduino có các ngoại vi trên bo mạch đều đã được chuẩn hóa, nên chúng ta cũng có thể lập trình được những ứng dụng thú vị. Thêm nữa, vì Arduino là một platform đã được chuẩn hóa, nên đã có rất nhiều các bo mạch mở rộng (gọi là shield) để cắm chồng lên bo mạch Arduino, có thể hình dung nôm na là "library" của các ngôn ngữ lập trình. Ví dụ, muốn kết nối Internet thì có Ethernet shield, muốn điều khiển động cơ thì có Motor shield, muốn kết nối nhận tin nhắn thì có GSM shield, Rất đơn giản, và ta chỉ phải tập trung vào việc "lắp ghép" các thành phần này và sáng tạo ra các ứng dụng cần thiết. 2.5.8.2. JavaScript JavaScript là ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất trên thế giới trong suốt 20 năm qua. Nó cũng là một trong số 3 ngôn ngữ chính của lập trình web: HTML: Giúp bạn thêm nội dung cho trang web. CSS: Định dạng thiết kế, bố cục, phong cách, canh lề của trang web. JavaScript: Cải thiện cách hoạt động của trang web. JavaScript có thể học nhanh và dễ dàng áp dụng cho nhiều mục đích khác nhau, từ việc cải thiện tính năng của website đến việc chạy game và tạo phần mềm nền web. Hơn nữa, có hàng ngàn mẫu template JavaScript và ứng dụng ngoài kia, nhờ vào sự cống hiến của cộng đồng, đặc biệt là Github. Hình 2.53: Logo JavaScript JavaScript được tạo trong mười ngày bởi Brandan Eich, một nhân viên của Netscape, vào tháng 9 năm 1995. Được đặt tên đầu tiên là Mocha, tên của nó được đổi thành Mona rồi LiveScript trước khi thật sự trở thành JavaScript nổi tiếng như bây giờ. Trong năm 1996, JavaScript được chính thức đặt tên là ECMAScript. ECMAScript 2 phát hành năm 1998 và ECMAScript 3 tiếp tục ra mắt vào năm SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 65
  86. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1999. Nó liên tục phát triển thành JavaScript ngày nay, giờ đã hoạt động trên khắp mọi trình duyệt và trên khắp các thiết bị từ di động đến máy tính bàn. JavaScript liên tục phát triển kể từ đó, có lục đạt đến 92% website đang sử dụng JavaScript vào năm 2016. Chỉ trong 20 năm, nó từ một ngôn ngữ lập trình riêng trở thành công cụ quan trọng nhất trên bộ công cụ của các chuyên viên lập trình web. Với một thông tin bất kỳ bạn đang truy cập bằng trình duyệt web, thì chỉ cần ấn F12 thì code Javascript sẽ xuất hiện. Hình 2.54: Code JavaScript khi ấn F12 Ưu điểm: Bạn không cần một compiler vì web browser có thể biên dịch nó bằng HTML; Nó dễ học hơn các ngôn ngữ lập trình khác; Lỗi dễ phát hiện hơn và vì vậy dễ sửa hơn; Nó có thể được gắn trên một số element của trang web hoặc event của trang web như là thông qua click chuột hoặc di chuột tới; JS hoạt động trên nhiều trình duyệt, nền tảng, vâng vâng; Bạn có thể sử dụng JavaScript để kiểm tra input và giảm thiểu việc kiểm tra thủ công khi truy xuất qua database; Nó giúp website tương tác tốt hơn với khách truy cập; Nó nhanh hơn và nhẹ hơn các ngôn ngữ lập trình khác. Khuyết điểm: Dễ bị khai thác; SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 66
  87. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Có thể được dùng để thực thi mã độc trên máy tính của người dùng; Không được hỗ trợ trên mọi trình duyệt; JS code snippets lớn; Có thể bị triển khai khác nhau tùy từng thiết bị dẫn đến việc không đồng nhất. 2.5.8.3. HTML HTML là chữ viết tắt của Hypertext Markup Language. Nó giúp người dùng tạo và cấu trúc các thành phần trong trang web hoặc ứng dụng, phân chia các đoạn văn, heading, links, blockquotes, vâng vâng. HTML không phải là ngôn ngữ lập trình, đồng nghĩa với việc nó không thể tạo ra các chức năng “động” được. Nó chỉ giống như Microsoft Word, dùng để bố cục và định dạng trang web. Khi làm việc với HTML, chúng ta sẽ sử dụng cấu trúc code đơn giản (tags và attributes) để đánh dấu lên trang web. Ví dụ, chúng ta có thể tạo một đoạn văn bằng cách đặt văn bản vào trong cặp tag mở và đóng văn bản và Hình 2. 55: Một đoạn code đơn giản HTML Hình 2.56: Giao diện thể hiện của code khi mở bằng trình duyệt Chrome SVTH: NGUYỄN XUÂN VINH 67