Bài tập lớn và ứng dụng: Hệ Thống Tưới Nước Tự Động | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, khan hiếm nước và chi phí lao động ngày càng tăng, phương pháp tưới tiêu thủ công dựa vào kinh nghiệm thường gây lãng phí nước, tưới không đúng thời điểm và khó chuẩn hóa theo mùa vụ, dẫn đến giảm năng suất và tăng chi phí vận hành. Ứng dụng Internet vạn vật (IoT) trong tưới tiêu giúp thu thập dữ liệu thời gian thực từ cảm biến (độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm không khí…), từ đó tự động điều khiển bơm/van theo ngưỡng hoặc lịch tưới thông minh, đồng thời hỗ trợ giám sát từ xa và cảnh báo qua nền tảng web/ứng dụng. Tài liệu được sưu tầm và soạn thảo dưới dạng file PDF để gửi tới các bạn cùng tham khảo, ôn tập đầy đủ kiến thức, chuẩn bị cho các buổi học thật tốt. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: IoT và ứng dụng 143 tài liệu
Trường: Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông 1.8 K tài liệu
Tác giả:
Preview text:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
--------------------------------------- BÀI TẬP LỚN
IOT VÀ ỨNG DỤNG
Xây dựng hệ thống tưới nước tự động ứng dụng IoT
Sinh viên thực hiện: Hà Duy Hiếu
Đinh Trọng Hiếu HÀ NỘI - NĂM 2025
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1
--------------------------------------- BÀI TẬP LỚN
IOT VÀ ỨNG DỤNG
Xây dựng hệ thống tưới nước tự động ứng dụng IoT
Sinh viên thực hiện:
Hà Duy Hiếu
Đinh Trọng Hiếu Lớp: D22HTTT03
Giảng viên hướng dẫn:
Trần Thị Thanh Thuỷ HÀ NỘI - NĂM 2025
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỄN THÔNG
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN 1
BÁO CÁO ĐỀ TÀI MÔN HỌC IOT VÀ ỨNG DỤNG
Họ và tên nhóm sinh viên: Hà Duy Hiếu MSV: B22DCCN306 Lớp: D22HTTT03 Đinh Trọng Hiếu MSV: B22DCCN305 Lớp: D22HTTT03 Khoá: D22
Ngành đào tạo: Công nghệ thông tin
Hệ đào tạo: Đại học chính quy
1/ Tên đề tài
Xây dựng hệ thống tưới nước tự động ứng dụng IoT
2/ Lý do chọn đề tài
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, khan hiếm nước và chi phí lao động ngày càng tăng,
phương pháp tưới tiêu thủ công dựa vào kinh nghiệm thường gây lãng phí nước, tưới không
đúng thời điểm và khó chuẩn hóa theo mùa vụ, dẫn đến giảm năng suất và tăng chi phí vận
hành. Ứng dụng Internet vạn vật (IoT) trong tưới tiêu giúp thu thập dữ liệu thời gian thực từ
cảm biến (độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm không khí…), từ đó tự động điều khiển bơm/van theo
ngưỡng hoặc lịch tưới thông minh, đồng thời hỗ trợ giám sát từ xa và cảnh báo qua nền tảng
web/ứng dụng. Giải pháp này tối ưu hóa sử dụng nước và điện, cải thiện tỷ lệ sống và tốc độ
tăng trưởng của cây, giảm phụ thuộc vào lao động thủ công, đồng thời lưu trữ dữ liệu để tinh
chỉnh quy trình tưới theo mùa vụ và vi khí hậu. Với phần cứng giá hợp lý như vi điều khiển
ESP32 và các cảm biến phổ biến, đề tài “Xây dựng hệ thống tưới nước tự động ứng dụng IoT”
mang tính thực tiễn cao, dễ triển khai trong khuôn khổ học phần IoT và có tiềm năng mở rộng
cho các ứng dụng như vườn nông hộ, nhà lưới và sân vườn đô thị, góp phần thúc đẩy chuyển
đổi số trong nông nghiệp.
3/ Nội dung nghiên cứu
Chương 1: Tổng quan về hệ thống IoT tưới nước tự động
1.1. Giới thiệu chung về đề tài.
1.2. Các ứng dụng hiện tại của IoT trong giám sát môi trường trồng trọt
1.3. Đặt vấn đề đối với hệ thống
1.4. Mục tiêu nghiên cứu
1.5. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
1.6. Hướng triển khai hệ thống 1.7. Kết luận
Chương 2: Cơ sở lý thuyết của hệ thống tưới nước tự động 2.1. Phần cứng − Vi điều khiển: ESP32 − Cảm biến:
+ Cảm biến nhiệt độ & độ ẩm không khí DHT11
+ Cảm biến độ ẩm đất + Cảm biến mưa − Ngoại vi 2.2. Phần mềm − ThingsBoard − VS Code - PlatformIO
2.3. Đề xuất hệ thống
Chương 3: Thiết kế triển khai và đánh giá mô hình tưới nước tự động
3.1. Thiết kế mô hình hệ thống
3.2. Triển khai và thực nghiệm
3.3. Kết quả và phân tích 3.4. Đánh giá mô hình
4/ Tài liệu tham khảo (dự kiến)
Random Nerd Tutorials: ESP32 with DHT11/DHT22 Temperature and Humidity Sensor
Random Nerd Tutorials. ESP32 ADC – Read Analog Values with Arduino IDE
Random Nerd Tutorials. ESP32 Pinout Reference: Which GPIOs should you use?
Random Nerd Tutorials. ESP32 MQTT – Publish DHT11/DHT22
Random Nerd Tutorials. VS Code: PlatformIO IDE for ESP32
5/ Ngày giao đề tài: 03/10/2025
6/ Ngày nộp quyển: 24/10/2025
Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2025 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN SINH VIÊN Trần Thị Thanh T hủy Hà Duy Hiếu
Đinh Trọng Hiếu
Trưởng Bộ Môn
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN Điểm: (Bằng c hữ: )
NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN Điểm: (Bằng c hữ: ) MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................................ 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU ......................................................................................................... 3
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ............................................................................................................ 4
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................................... 5
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ H
Ệ THỐNG.............................................................................. 7
1.1 Giới thiệu chung về đề tài ................................................................................................... 7 1.2 Các ứng dụng hiện tại của
IoT trong giám sát môi trường trồng trọt .................................. 8 1.3 Đặt vấn đề đối với hệ
thống .............................................................................................. 10 1.4
Mục tiêu nghiên cứu .......................................................................................................... 12
1.5 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu ...................................................................................... 13 1.6
Hướng triển khai hệ thống ................................................................................................ 13
1.7 Kết luận ............................................................................................................................. 14 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỆ T
HỐNG ............................................................. 15
2.1 Phần cứng .......................................................................................................................... 15
2.2 Phần mềm .......................................................................................................................... 33
2.3 Đề xuất hệ thống ............................................................................................................... 36 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, TRI
ỂN KHAI VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ HÌNH ...................................... 38
3.1 Thiết kế hệ thống .............................................................................................................. 38
3.2 Sơ đồ phần cứng ............................................................................................................... 40
3.3 Triển khai phần mềm ........................................................................................................ 46
3.4 Triển khai và kết quả thử nghiệm ..................................................................................... 51
3.5 Đánh giá mô hình ............................................................................................................. 53
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 55 PHỤ LỤ
C 1: MÃ NGUỒN DỰ ÁN ........................................................................................... 56 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1 Vi xử lý ESP32 DevKit V1 ............................................................................................. 15 Hình 2.2 Cảm biến
DHT11 ............................................................................................................ 23
Bảng 2.4. Sơ đồ chân DHT11 ........................................................................................................ 23 Hình 2.3 Cảm biến độ
ẩm đất ......................................................................................................... 25
Hình 2.4 Raindrop Module MH-RD .............................................................................................. 28 Hình 2.5 Bơm điện
từ .................................................................................................................... 29
Hình 2.6. TIP122 ........................................................................................................................... 30 Hình 2.7. Khối 1
nguồn 2VDC ....................................................................................................... 31 Hình 2.8 Giới thiệu phầm mềm
VS Code và PlatformIO. ............................................................. 34
Hình 2.9 Tệp cấu hình platformio.ini ............................................................................................. 34
Hình 2.10. Giới thiệu về ThingsBoard ........................................................................................... 35
Hình 3.1: Kiển trúc tổng quan ....................................................................................................... 38
Hình 3.2: Mô hình chi tiết hệ thống............................................................................................... 39
Hình 3.3: Sơ đồ chi tiết khu vực 1 ................................................................................................. 40
Hình 3.4: Sơ đồ chi tiết khu vực 2 ................................................................................................. 42
Hình 3.5: Bản in mạch ................................................................................................................... 43
Hình 3.6: Chuẩn bị và xử lý bề mặt phíp đồng .............................................................................. 44
Hình 3.7: Ăn mòn phần đồng dư bằng dung dịch muối ................................................................ 45
Hình 3.8: Khoan lỗ linh kiện ......................................................................................................... 45
Hình 3.9: Mặt trước mạch hoàn thiện ............................................................................................ 46
Hình 3.10: Mặt sau mạch hoàn thiện ............................................................................................. 46
Hình 3.11: Giao diện ThingsBoard ................................................................................................ 47
Hình 3.12: Lưu đồ thuật toán Node 1 ............................................................................................ 49
Hình 3.13: Lưu đồ thuật toán Node 2 ............................................................................................ 50
Hình 3.14: Thử nghiệm hệ thống ................................................................................................... 52 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Thông số kĩ th uật của vi điều khiển
ESP32 DevKit V1 ..............................................16
Bảng 2.2. Thông số kĩ thuật của 1 số vi điều khiển phổ biến ......................................................18 Bảng 2.3. Thông số của
cảm biến DHT11 ...................................................................................22 Bảng 2.4. chân D Sơ đồ
HT11 ......................................................................................................23
Bảng 2.5. Thông số của cảm biến Capacitive Soil Moisture Sensor V2.0.0 ...............................24 Bảng 2.6. Sơ đồ chân
của Capacitive Soil Moisture Sensor V2.0.0 ............................................26 Bảng 2.7. Thông số
của cảm biến mưa ........................................................................................27
Bảng 2.9. Thông số kỹ thuật Bơm điện t
ừ...................................................................................29 3
THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ viết tắt
Nghĩa tiếng Anh
Nghĩa tiếng Việt BLE Bluetooth Low Energy
Bluetooth năng lượng thấp MQTT Message Queuing Telemetry
Giao thức truyền tin nhẹ Transport MQTT GPIO General-Purpose Input/Output Chân vào/ra mụ c đích chung IC Integrated Circuit Mạch tích hợp RC Resistor–Capacitor network Mạng điện trở–tụ CPU Central Processing Unit Bộ xử lý trung tâm
Giao thức truyền tải siêu HTTP Hypertext Transfer Protocol văn bản
Giao diện mạch tích hợp I2C (I²C) Inter-Integrated Circuit liên kết Integrated Development
Môi trường phát triển tích IDE Environment hợp
Mạng lưới vạn vật kết nối IoT Internet of Things Internet Ký pháp đối tượng JSON JavaScript Object Notation JavaScript
Không phải là số (giá trị NaN Not a Number rỗng/lỗi) 4
LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành bài tập lớn môn học "IoT và Ứng dụng" với đề tài “Xây dựng hệ
thống tưới nước tự động ứng dụng IoT”, nhóm chúng em đã nhận được sự hướng dẫn,
giúp đỡ và động viên nhiệt tình từ nhiều cá nhân và tập thể.
Trước hết, chúng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới cô Trần Thị
Thanh Thủy, giảng viên hướng dẫn của chúng em. Cô đã tận tình chỉ bảo, định hướng
nghiên cứu, cung cấp những kiến thức chuyên môn quý báu và giải đáp mọi thắc mắc
của chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Sự nhiệt huyết và phương pháp làm
việc khoa học của cô là nguồn động lực lớn để chúng em vượt qua những khó khăn và
hoàn thành tốt nhiệm vụ của mình.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám đốc Học viện Công
nghệ Bưu chính Viễn thông, Ban chủ nhiệm Khoa Kỹ thuật Điện tử 1 đã tạo điều kiện
học tập và nghiên cứu tốt nhất cho chúng em trong những năm học vừa qua.
Mặc dù đã rất cố gắng, nhưng do kiến thức và kinh nghiệm thực tiễn còn hạn chế,
bài báo cáo không thể tránh khỏi những thiếu sót. Chúng em rất mong nhận được những
ý kiến đóng góp quý báu từ Cô để đề tài được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện Hà Duy Hiếu Đinh Trọng Hiếu 5 LỜI M Ở ĐẦU
Trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0 diễn ra mạnh mẽ, Internet vạn vật
(IoT) giữ vai trò then chốt trong chuyển đổi số nông nghiệp, góp phần tối ưu hóa quy
trình sản xuất, nâng cao năng suất, tiết kiệm tài nguyên và tăng cường khả năng thích ứng
trước biến đổi khí hậu. Thực tiễn cho thấy hoạt động tưới tiêu tại nhiều mô hình canh tác
vẫn phụ thuộc đáng kể vào kinh nghiệm và thao tác thủ công, dẫn tới tình trạng tưới không
đúng thời điểm hoặc liều lượng, lãng phí nước và điện, khó chuẩn hóa giữa các mùa vụ,
giống cây và giai đoạn sinh trưởng. Những hạn chế này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả
sản xuất, chi phí vận hành và khả năng mở rộng quy mô ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp.
Từ yêu cầu thực tiễn nêu trên, nhóm thực hiện đề tài “Xây dựng hệ thống tưới
nước tự động ứng dụng IoT” với mục tiêu thiết kế và triển khai một giải pháp tưới thông
minh có chi phí hợp lý, dễ lắp đặt và mở rộng. Hệ thống đề xuất thu thập dữ liệu thời gian
thực từ các cảm biến (độ ẩm đất, nhiệt độ - độ ẩm không khí, cảm biến mưa), xử lý trên
bộ điều khiển để ra quyết định đóng/mở bơm - van theo ngưỡng hoặc lịch tưới được tối
ưu, đồng thời hỗ trợ giám sát, cấu hình và cảnh báo từ xa thông qua giao diện web. Cách
tiếp cận này hướng tới việc tối ưu hóa sử dụng điện nước, cải thiện sinh trưởng của cây
trồng, và tạo lập kho dữ liệu lịch sử phục vụ phân tích và hiệu chỉnh quy trình theo vi khí
hậu từng khu vực canh tác. Báo cáo trình bày tổn
g quan và cơ sở lý thuyết về hệ thống tưới nước tự động ứng
dụng IoT, làm rõ bối cảnh, mục tiêu, các nghiên cứu và ứng dụng liên quan, cùng vai trò
của chiến lược điều khiển và tối ưu lịch tưới. Tiếp theo, nội dung mô tả kiến trúc giải
pháp và thiết kế phần cứng (ESP32, cảm biến, bơm/van, relay) cùng phần mềm (nền tảng
dữ liệu, môi trường phát triển), kèm phương án thuật toán và quy trình xử lý dữ liệu. Trên
cơ sở đó, báo cáo trình bày thiết kế mô hình, quy trình triển khai và thực nghiệm, kết quả
thu được và phân tích chi tiết, đồng thời đánh giá mô hình theo các tiêu chí hiệu năng, chi
phí và khả năng mở rộng. Cuối cùng, báo cáo rút ra kết luận, nêu hạn chế và đề xuất định
hướng phát triển, qua đó khẳng định tính khả thi và giá trị ứng dụng thực tiễn của hệ
thống tưới nước tự động dựa trên IoT. 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ H Ệ THỐNG
1.1 Giới thiệu chung về đề tài
Trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0 đang phát triển mạnh mẽ, Internet of
Things (IoT) trở thành nền tảng cốt lõi cho các hệ thống nông nghiệp thông minh, đặc
biệt trong quản lý tưới tiêu hiệu quả. Nhờ khả năng kết nối cảm biến, bộ điều khiển và
nền tảng dữ liệu, IoT cho phép thu thập, truyền tải, xử lý và phân tích thông tin theo thời
gian thực, từ đó nâng cao năng suất cây trồng, tiết kiệm chi phí vận hành và đảm bảo tính
ổn định trong quy trình canh tác.
Thực tế cho thấy, tưới tiêu thủ công thường dẫn đến tưới sai thời điểm hoặc không
đủ lượng nước, gây lãng phí tài nguyên nước và điện, làm trôi mất chất dinh dưỡng trong
đất, đồng thời tăng nguy cơ bệnh hại rễ cây. Quy trình này cũng khó duy trì sự đồng nhất
giữa các mùa vụ, loại cây trồng và giai đoạn phát triển, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất
và chất lượng nông sản. Những vấn đề này đặt ra nhu cầu cấp thiết về một hệ thống tưới
tự động có khả năng giám sát liên tục các điều kiện môi trường và điều chỉnh chế độ tưới
một cách chính xác theo nhu cầu thực tế.
Công nghệ IoT mang lại giải pháp khả thi thông qua việc tích hợp các cảm biến
môi trường và bộ điều khiển để theo dõi trạng thái đất và thời tiết tại chỗ. Dữ liệu được
xử lý trên vi điều khiển và đồng bộ lên nền tảng đám mây để trực quan hóa, hỗ trợ cấu
hình từ xa và lưu trữ lịch sử phục vụ phân tích. Khối chấp hành thực thi lệnh tưới dựa
trên ngưỡng hoặc lịch đã tối ưu, đồng thời phát cảnh báo khi phát hiện bất thường như
thiếu nước hoặc rò rỉ.
Xuất phát từ các yêu cầu này, đề tài “Xây dựng hệ thống tưới nước tự động ứng
dụng IoT” hướng đến một giải pháp chi phí hợp lý, dễ lắp đặt và mở rộng cho các nông
hộ, nhà vườn hoặc khu vực đô thị. Hệ thống tận dụng dữ liệu thời gian thực để tối ưu hóa
sử dụng nước và điện, cải thiện sự phát triển của cây trồng và chuẩn hóa quy trình chăm sóc. Báo cáo s ẽ trình bày cơ s
ở lý thuyết và tổng quan nghiên cứu liên quan, kiến trúc 7
phần cứng và phần mềm, quy trình thiết kế, triển khai và thực nghiệm trong nhà ở thông
thường, cùng các kết quả, hạn chế và định hướng phát triển, nhằm khẳng định tính khả
thi và giá trị ứng dụng của giải pháp tưới tự động dựa trên IoT trong bối cảnh nông nghiệp Việt Nam.
1.2 Các ứng dụng hiện tại của IoT trong giám sát môi trường trồng trọt
IoT trong nông nghiệp hiện đại cung cấp một hạ tầng cảm biến và truyền thông
tiên tiến, cho phép quan trắc liên tục các thông số vi khí hậu và trạng thái đất tại hiện
trường, từ đó hỗ trợ ra quyết định tưới nước dựa trên dữ liệu thực tế. Các điểm đo được
bố trí tạ icác vị trí đại diện cho điều kiện tiểu khí hậu và vùng rễ cây, thường bao gồm các
cảm biến đo nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, lượng mưa, cùng với các cảm biến theo
dõi độ ẩm đất, nhiệt độ đất, và các chỉ số dinh dưỡng. Dữ liệu được lấy mẫ u theo chu kỳ
cố định, từ 1 đến 5 phút cho vi khí hậu và 5 đến 15 phút cho độ ẩm đất, sau đó được
truyền về thiết bị biên hoặc nền tảng đám mây qua các kết nối như Wi-Fi, LoRaWAN,
NB-IoT, hoặc mạng di động. Tại thiết bị biên, hệ thống áp dụng các bộ lọc số cơ bản để
loại bỏ nhiễu, thực hiện hiệu chỉnh tuyến tính dựa trên đường chuẩn của cảm biến và gắn
nhãn thời gian đồng bộ trước khi gửi dữ liệu đã chuẩn hóa lên cơ s
ở dữ liệu để trực quan
hóa và phân tích sâu hơn.
Ứng dụng nổi bật nhất là giám sát độ ẩm đất để thực hiện tưới chính xác. Cảm biến
độ ẩm đất được đặt ở một hoặc nhiều độ sâu tương ứng với vùng rễ của cây trồng, cung
cấp dữ liệu theo thời gian để xác định ngưỡng kích hoạt và dừng tưới phù hợp với từng
giai đoạn sinh trưởng. Hệ thống ghi nhận độ ẩm trước, trong và sau khi tưới để ước tính
lượng nước thấm vào vùng rễ cũng như tốc độ khô đất, từ đó điều chỉnh thời gian và mức
độ mở van cho chu kỳ tiếp theo. Khi tích hợp thêm các cảm biến lưu lượng và thể tích
nước, nền tảng có thể tính toán mức tiêu thụ nước trên mỗi đơn vị diện tích, hỗ trợ phát
hiện rò rỉ hoặc phân phối nước không đồng đều giữa các khu vực tưới.
Trong mô hình nhà lưới và nhà kính, giám sát vi khí hậu bằng IoT giúp duy trì các
thông số môi trường trong phạm vi lý tưởng. Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nồng độ CO
₂ được theo dõi theo thời gian thực để điều phối quạt, màn che, hệ thống 8
phun sương và tưới nhỏ giọt. Khi độ ẩm không khí tăng cao kéo dài, hệ thống phát cảnh
báo nguy cơ bệnh do môi trường ẩm ướt, đề xuất điều chỉnh thông gió hoặc giảm tần suất
tưới. Trong điều kiện nắng nóng, dữ liệu ánh sáng và nhiệt độ hỗ trợ lên lịch tưới làm mát
vào thời điểm ít gây sốc nhiệt cho cây. Chế độ điều khiển có thể tự động theo quy tắc đã
lập trình hoặc bán tự động qua giao diện người dùng, với tất cả các hành động được ghi
log để truy vết và đánh giá.
Một hướng ứng dụng quan trọng khác là giám sát dinh dưỡng trong tưới bón. Cảm
biến đo độ dẫn điện và pH trong dung dịch tưới và đất cung cấp thông tin về nồng độ
muối hòa tan và tính axit của môi trường. Khi độ dẫn điện vượt ngưỡng cho phép, hệ
thống khuyến nghị xả rửa muối hoặc điều chỉnh công thức phân bón. Nếu tích hợp thêm
cảm biến áp suất đường ống và lưu lượng tại các nhánh, nền tảng có thể phát hiện kẹt van
hoặc giảm hiệu suất bơm dựa trên sự bất thường về áp suất và lưu lượng so với đường
chuẩn lịch sử. Các khuyến nghị này được cá nhân hóa theo loại cây và giai đoạn sinh
trưởng dựa trên ngưỡng do người dùng cấu hình.
Các nền tảng IoT nông nghiệp còn phát triển mô hình dự đoán nguy cơ sâu bệnh
dựa trên chuỗi điều kiện môi trường. Khi nhiệt độ, độ ẩm và thời gian ướt lá đạt điều kiện
thuận lợi trong một khoảng thời gian tích lũy, hệ thống phát cảnh báo rủi ro để người vận
hành can thiệp sớm bằng các biện pháp như thông gió, tỉa cành hoặc xử lý cục bộ. Đối
với canh tác ngoài trời, trạm thời tiết tại chỗ cung cấp dữ liệu lượng mưa và bốc thoát hơi
tham chiếu. Khi kết hợp với hệ số cây trồng, hệ thống ước tính nhu cầu nước cho ngày
tiếp theo, và việc tích hợp dự báo khí tượng ngắn hạn giúp lùi hoặc giảm chu kỳ tưới nếu
sắp có mưa, từ đó tiết kiệm tài nguyên và giảm xói mòn đất.
Thị giác máy tính đóng vai trò bổ trợ hiệu quả cho giám sát cảm biến. Camera
RGB hoặc đa phổ được bố trí cố định hoặc gắn trên phương tiện di động cung cấp chuỗi
ảnh để ước lượng độ che phủ tán và các chỉ số thực vật, giúp phát hiện sớm trạng thái
stress do thiếu nước. Dữ liệu ảnh được đồng bộ thời gian và so sánh với dữ liệu độ ẩm
đất để kiểm chứng chiến lược tưới tại từng khu vực. Khi bản đồ chỉ số thực vật cho thấy
vùng tăng giảm bất thường so với xu hướng, người vận hành có thể kiểm tra hệ thống
ống, đầu phun và điều chỉnh van tương ứng. 9
Về vận hành và khai thác dữ liệu, các giải pháp hiện nay cung cấp bảng điều khiển
web hoặc ứng dụng di động với biểu đồ thời gian, bản đồ nhiệt và báo cáo định kỳ. Người
dùng có thể cấu hình ngưỡng, lịch tưới, điều kiện kích hoạt, và nhận cảnh báo khi vượt
ngưỡng qua thông báo đẩy hoặc email. Dữ liệu được lưu trữ theo lược đồ thời gian với
cơ chế nén và lập chỉ mục, hỗ trợ truy vấn so sánh giữa các vụ mùa. Các phân tích bao
gồm đường chuẩn vận hành, nguyên nhân gốc rễ của sự cố tưới, và ước tính chi phí nước
theo khu vực, tạo nền tảng cho cải tiến liên tục.
Bên cạnh lợi ích như tiết kiệm nước, cải thiện đồng đều sinh trưởng và tăng tính
minh bạch trong quyết định, các triển khai IoT trong nông nghiệp vẫn đối mặ tvới một số
thách thức. Cảm biến hoạt động trong môi trường ẩm ướt và bám bẩn có thể bị trôi tín
hiệu theo thời gian, đòi hỏi lịch hiệu chuẩn và thay thế định kỳ. Kết nối mạng ở khu vực
nông thôn thường không ổn định, nên kiến trúc hệ thống cần hỗ trợ lưu đệm cục bộ và
đồng bộ khi có mạng. An toàn điện trong môi trường có nước yêu cầu cách điện, nối đất
và bảo vệ quá dòng cho các thiết bị. Ngoài ra, bảo mật và quyền riêng tư dữ liệu cần được
đảm bảo thông qua xác thực thiết bị, mã hóa đường truyền và phân quyền người dùng.
Những yếu tố này cần được tích hợp ngay từ giai đoạn thiết kế để đảm bảo hệ thống tưới
nước tự động vận hành bền vững và có khả năng mở rộng trong tương lai.
1.3 Đặt vấn đề đối với hệ thống
Trong điều kiện canh tác quy mô hộ gia đình và trang trại nhỏ tại Việt Nam, hoạt
động tưới nước vẫn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm thủ công, dẫn đến biến động lớn về độ
ẩm đất, lãng phí tài nguyên nước và điện năng, đồng thời tốn kém lao động. Các giải pháp
thương mại hiện có thường có chi phí đầu tư cao, ít tùy biến theo loại cây trồng và điều
kiện địa phương, chưa thân thiện với người dùng phổ thông, và đòi hỏi kết nối mạng ổn
định mà nhiều khu vực nông thôn chưa đáp ứng được. Những hạn chế này đặt ra nhu cầu
cấp thiết về một hệ thống tưới nước tự động ứng dụng IoT với chi phí hợp lý, dễ lắp đặt
và vận hành, có khả năng giám sát và điều khiển từ xa, đồng thời duy trì mức độ tin cậy
chấp nhận được ngay cả khi kết nối bị gián đoạn. 10
Bài toán trọng tâm của hệ thống là xác định đúng thời điểm và liều lượng tưới
cho từng khu vực canh tác dựa trên dữ liệu cảm biến và trạng thái sinh trưởng của cây
trồng. Mặc dù điều khiển theo ngưỡng độ ẩm đất hoặc theo lịch là cách tiếp cận trực quan
và khả thi, độ ẩm đất lại chịu ảnh hưởng đồng thời từ loại đất, độ che phủ tán, bức xạ mặt
trời, gió và mưa. Do đó, hệ thống cần thu thập và xử lý dữ liệu theo thời gian thực, thích
nghi với biến động theo ngày và theo mùa, tránh cả hai cực đoan là thiếu nước kéo dài và
tưới quá mức gây rửa trôi dinh dưỡng.
Ở tầng cảm biến, các đầu đo độ ẩm đất điện dung, nhiệt độ và độ ẩm không khí
phải hoạt động trong môi trường ẩm ướt, bám bẩn và có thể nhiễu điện, khiến tín hiệu trôi
theo thời gian. Vì vậy, hệ thống cần có quy trình hiệu chuẩn định kỳ, lọc nhiễu và phát
hiện bất thường để duy trì độ chính xác. Ở tầng truyền thông, mạng Wi-Fi tại hiện trường
có thể không ổn định. Kiến trúc cần hỗ trợ lưu trữ đệm tại thiết bị biên, đồng bộ dữ liệu
khi có mạng trở lại ,cũng như đảm bảo các lệnh điều khiển quan trọng vẫn được thực thi
an toàn trong chế độ ngoại tuyến.
An toàn vận hành là yêu cầu cốt lõi. Thiết bị phải được cách điện và chống ẩm
đúng tiêu chuẩn, mạch điều khiển bơm và van cần có bảo vệ quá dòng, đồng thời hệ thống
phải có cơ chế dừng khẩn cấp khi phát hiện nhiệt độ bất thường hoặc rò rỉ. Bảo mật và
quyền riêng tư dữ liệu cũng cần được đảm bảo thông qua xác thực thiết bị, mã hóa đường
truyền và phân quyền người dùng, nhằm ngăn chặn truy cập trái phép có thể gây sai lệch thao tác tưới.
Chi phí sở hữu và khả năng bảo trì là những ràng buộc hiện hữu trong bối cảnh
triển khai của sinh viên. Việc lựa chọn phần cứng phổ biến, linh kiện thay thế dễ tìm và
tài liệu kỹ thuật rõ ràng giúp giảm chi phí vòng đời. Giao diện quản trị tiếng Việt, quy trình cài đặt tuần t
ự và nhật ký hệ thống dễ đọc giúp người dùng phổ thông nhanh chóng
đưa hệ thống vào vận hành và xử lý sự cố.
Từ các phân tích trên có thể phát biểu bài toán nghiên cứu như sau: thiết kế và
hiện thực một hệ thống tưới nước tự động ứng dụng IoT theo kiến trúc cảm biến, thiết bị
biên, nền tảng dữ liệu và ứng dụng người dùng, có khả năng hoạt động tin cậy trong điều 11
kiện kết nối không ổn định, đưa ra quyết định tưới dựa trên dữ liệu độ ẩm đất và vi khí
hậu theo thời gian thực, bảo đảm an toàn điện và bảo mật thông tin, đồng thời đạt mục
tiêu tiết kiệm nước và ổn định độ ẩm vùng rễ với chi phí phù hợp. Hệ thống cần được
đánh giá định lượng thông qua các chỉ số như sai số đo ẩm, độ trễ điều khiển, thời gian
sẵn sàng và mức tiêu thụ năng lượng để chứng minh hiệu quả và khả năng mở rộng trong thực tế.
1.4 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của đề tài là thiết kế, hiện thực và đánh giá một hệ thốn g tưới
nước tự động ứng dụng IoT có chi phí phù hợp, dễ lắp đặt và vận hành trong điều kiện
kết nối không ổn định, bảo đảm an toàn điện và bảo mật dữ liệu, đồng thời nâng cao hiệu
quả sử dụng nước và ổn định độ ẩm vùng rễ.
Để hiện thực hóa mục tiêu tổng quát, nghiên cứu đặt ra các mục tiêu cụ thể sau.
Thứ nhất, xây dựng kiến trúc hệ thống theo các lớp cảm biến, thiết bị biên, kết nối truyền
thông, nền tảng dữ liệu và ứng dụng người dùng, hỗ trợ lưu đệm cục bộ và đồng bộ dữ
liệu khi mạng khôi phục. Thứ hai, phát triển thuật toán điều khiển tưới dựa trên ngưỡng
ẩm đất và lịch tưới có thể cấu hình, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ tự động và
bán tự động, có cơ chế tránh tưới lặp khi đất chưa kịp thấm. Thứ ba, thiết kế dashboard
giám sát theo thời gian thực và báo cáo định kỳ, cung cấp cảnh báo vượt ngưỡng và nhật
ký vận hành phục vụ truy vết sự cố. Thứ tư, tích hợp các biện pháp an toàn gồm cách
điện, chống ẩm, bảo vệ quá dòng cho bơm và van, cùng cơ chế dừng khẩn cấp. Thứ năm,
xác lập và thực hiện quy trình hiệu chuẩn, lọc nhiễu và phát hiện bất thường cho các cảm
biến chủ chốt để duy trì độ tin cậy dữ liệu trong môi trường ẩm ướt và bám bẩn.
Các mục tiêu định lượng bao gồm tỷ lệ tiết kiệm nước đạt tối thiểu 20% so với
tưới thủ công, sai số đo ẩm đất không vượt quá 5% thể tích so với tham chiếu, độ trễ điều
khiển dưới 2 giây trong mạng bình thường, thời gian sẵn sàng từ 95% trở lên, và mức tiêu
thụ năng lượng phù hợp với nguồn cấp dự kiến. Nghiên cứu cũng hướng tới khả năng sử
dụng với giao diện tiếng Việt trực quan, tài liệu kỹ thuật chuẩn hóa để tái tạo và mở rộng
hệ thống. Giả thuyết làm việc là điều khiển tưới dựa trên dữ liệu ẩm đất và vi khí hậu theo
thời gian thực, kết hợp lưu đệm cục bộ, sẽ giảm lượng nước sử dụng và giữ độ ẩm vùng
rễ trong ngưỡng hẹp hơn tưới thủ công, được kiểm chứng qua thí nghiệm đối chứng. 12
Để đạt được các mục tiêu, quá trình nghiên cứu sẽ lựa chọn phần cứng chi phí
thấp, phát triển phần mềm với thuật toán điều khiển và giao diện quản lý, tích hợp an toàn
và bảo mật .Thử nghiệm s
ẽ diễn ra ở hai giai đoạn: mô phỏng tạ inhà ở và thực t ế tạ ikhu
canh tác nhỏ, với các kịch bản bình thường và bất thường. Kết quả sẽ được phân tích, trực
quan hóa trên dashboard, và cải tiến dựa trên phản hồi người dùng, đồng thời đề xuất định
hướng như năng lượng mặt trời và ứng dụng di động để nhân rộng trong tương lai.
1.5 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Đề tài được triển khai ở quy mô nhỏ đến trung bình, phù hợp với hộ gia đình,
vườn cây hoặc khu vực tưới nhỏ, bao gồm từ một đến ba khu vực tưới độc lập, mỗi khu
có diện tích khoảng 5–20 m². Nghiên cứu tập trung vào giám sát độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm không khí, và trạn
g thái mưa, điều khiển tưới theo ngưỡng độ ẩm đất và lịch cấu hình
linh hoạt, đồng thời đánh giá hiệu quả vận hành trong điều kiện kết nối Wi-Fi có thể gián
đoạn ngắn. Các nội dung như tối ưu đa mục tiêu bằng học máy, quản lý dinh dưỡng tự
động, hoặc triển khai trên quy mô trang trại lớn nằm ngoài phạm vi của báo cáo này.
Đối tượng nghiên cứu là hệ thống tưới nước tự động ứng dụng IoT với kiến trúc
gồm lớp cảm biến (cảm biến độ ẩm đất điện dung, cảm biến DHT11 đo nhiệt độ và độ
ẩm không khí, cảm biến mưa), lớp thiết bị biên sử dụng vi điều khiển ESP32 để lấy mẫu,
tiền xử lý và điều khiển bơm qua transistor TIP122, lớp kết nối ưu tiên Wi-Fi nội bộ, cùng
nền tảng dữ liệu ThingsBoard và dashboard tiếng Việt phục vụ giám sát, cấu hình và vận
hành từ xa. Đối tượng cây trồng dùng cho thí nghiệm là các loại rau ngắn ngày hoặc cây
cảnh phổ biến, nhằm đảm bảo điều kiện so sánh đồng nhất và thuận lợi cho đo lường, đánh giá hiệu quả.
1.6 Hướng triển khai hệ thống
Để triển khai hệ thống tưới nước tự động ứng dụng IoT một cách hiệu quả, quá
trình thực hiện tập trung vào các bước cụ thể nhằm đảm bảo hoạt động ổn định và khả thi
trong thực tế. Trước hết, hệ thống sẽ được triển khai tại các khu vực tưới nhỏ như vườn
cây hoặc khu vực canh tác hộ gia đình tại Việt Nam, với phạm vi từ một đến ba khu vực
độc lập, mỗi khu diện tích khoảng 5–20m², trong môi trường nhà ở thông thường để đánh
giá hiệu suất ban đầu. Dữ liệu t
ừ các cảm biến độ ẩm đất, DHT11, và cảm biến mưa s ẽ 13
Tài liệu liên quan:
-
Tóm tắt lý thuyết môn IoT và ứng dụng | Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
23 12 -
Accelerated Corner-Detector Algorithms: GPU Implementations and Results | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
46 23 -
Đề xuất Dự án IoT: Thiết bị phát hiện chạm cho xe máy | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
35 18 -
Phân Tích và Giải Pháp FastAPI | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
30 15 -
Tăng cường pháp chế xã hội chủ nghĩa trong quản lý nhà nước | Iot và ứng dụng | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
25 13