1. Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống phần cứng

Hệ thống phần cứng của mô hình bảo quản nông sản ứng dụng IoT cần đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật nhằm đảm bảo khả năng giám sát – điều khiển chính xác, hoạt động ổn định và phù hợp với điều kiện thực tế. Các yêu cầu này được xây dựng dựa trên mục tiêu của đề tài, bao gồm giám sát thời gian thực, tối ưu hóa môi trường bảo quản và hỗ trợ điều khiển từ xa.

2. Các thông số cần đo và giám sát

Đối với nông sản là chuối xanh, quá trình bảo quản ở nhiệt độ phòng chịu ảnh hưởng mạnh bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và mức độ hô hấp của quả. Trong đó, chuối xanh là loại trái cây có hoạt động sinh lý mạnh, đặc biệt trong giai đoạn chuyển từ xanh → chín, làm phát sinh nhiều khí CO₂ và các hợp chất bay hơi Alcohol .Vì vậy, hệ thống phần cứng cần theo dõi chính xác các thông số quan trọng sau:

1. 1. Nhiệt độ môi trường trong kho bảo quản.

Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ chín của chuối xanh:

• Nhiệt độ cao → chuối chín nhanh, tăng hao hụt.
• Nhiệt độ thấp → dễ gây thâm vỏ, rối loạn sinh lý.

Do mô hình bảo quản ở nhiệt độ phòng, hệ thống cần giám sát:

• Dải đo cảm biến: 15 – 40°C
• Nhiệt độ phòng phù hợp: 20 – 30°C
• Sai số mong muốn: ±0.5 – 1°C

Theo dõi nhiệt độ giúp đánh giá tốc độ chuyển hoá của chuối (hô hấp mạnh hơn khi nhiệt độ tăng), đồng thời đảm bảo môi trường kho không biến động quá lớn.

1. 2. Độ ẩm tương đối của không khí (RH).

Độ ẩm là tham số có ảnh hưởng lớn đến:

• Tình trạng thoát hơi nước của quả
• Khả năng nấm mốc phát triển trên vỏ
• Độ bền và chất lượng cảm quan của chuối

Yêu cầu giám sát:

• Dải đo cảm biến: 20 – 95% RH
• Độ ẩm phòng phù hợp: 60 – 80% RH
• Sai số cảm biến: ±2 – 3% RH

Nếu độ ẩm quá cao → dễ gây đốm đen, mốc hoặc thối cuống.

Nếu độ ẩm quá thấp → chuối mất nước, khô vỏ, giảm giá trị thương phẩm.

1. 3. Nồng độ CO₂ trong không khí.

Chuối xanh là loại trái cây có tốc độ hô hấp cao, tạo ra lượng CO₂ lớn trong quá trình chín. Theo dõi CO₂ giúp:

• Đánh giá mức độ chín gián tiếp
• Phát hiện tình trạng thông gió kém
• Theo dõi mật độ quả trong kho
• Cảnh báo khi CO₂ tăng đột ngột (hoạt động hô hấp mạnh → chín nhanh)

Yêu cầu hệ thống:

• Sử dụng cảm biến CO₂ phù hợp (MQ135)
• Dải đo thường dùng: 10 –5000 ppm
• Theo dõi biến thiên theo thời gian thực để phân tích quá trình chín

CO₂ là một trong những chỉ thị quan trọng nhất khi bảo quản chuối, đặc biệt ở mô hình IoT.

1. 4. Nồng độ Alcohol / VOC trong kho bảo quản.

Trong giai đoạn chín và đặc biệt là khi bắt đầu hư hỏng, chuối sinh ra nhiều hợp chất bay hơi (VOCs), bao gồm:

• Alcohol
• Acetaldehyde
• Các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi khác

Theo dõi Alcohol /VOC giúp:

• Phát hiện sớm tình trạng lên men hoặc hư thối
• Đánh giá mức độ chín quá mức
• Cảnh báo khi điều kiện kho không đảm bảo (ẩm cao, bí khí)

Yêu cầu hệ thống:

• Cảm biến Alcohol/VOC như MQ-3, MQ-135, MICS-5524…
• Theo dõi xu hướng tăng VOC để đưa ra cảnh báo sớm
  5. Mức độ thông gió và chất lượng không khí.

Thông gió đóng vai trò ổn định các thông số khác:

• Giảm tích tụ CO₂
• Ngăn VOC tăng quá cao
• Giảm độ ẩm cục bộ
• Điều hoà nhiệt trong hộp/kho

3. Các thông số cần điều khiển.

Bên cạnh việc giám sát môi trường bảo quản, hệ thống phần cứng cần có khả năng điều khiển chủ động để duy trì điều kiện ổn định, hạn chế quá trình chín nhanh và giảm nguy cơ hư hỏng của chuối xanh. Các thông số điều khiển chủ yếu tập trung vào việc điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm và chất lượng không khí, trong đó thiết bị chấp hành sẽ được kích hoạt khi giá trị cảm biến vượt quá các ngưỡng cho phép.

1. 1. Điều khiển thông gió.

Thông gió là thông số điều khiển quan trọng nhất đối với chuối xanh vì:

• Chuối hô hấp mạnh → sinh CO₂
• Nếu không thông gió → khí tích tụ → chuối chín nhanh & dễ hư
• Thông gió giúp ổn định cả nhiệt độ lẫn độ ẩm

Hệ thống cần điều khiển:

• Bật/tắt quạt thông gió

Kích hoạt khi:

• CO₂ vượt ngưỡng 5000 ppm
• Alcohol vưỡng ngưỡng 300 ppm
• Nhiệt độ tăng trên 25°C

Mục tiêu điều khiển:

• Giữ môi trường không bị bí khí
• Giảm tốc độ chín của chuối
• Hạn chế mốc và hư hỏng
  2. Điều khiển độ ẩm.

Độ ẩm ảnh hưởng mạnh đến:

• Sự bay hơi nước của chuối
• Nguy cơ đốm đen/mốc
• Quá trình chín

Kích hoạt khi :

• Độ ẩm dưới 85% và trên 90%

Mục tiêu điều khiển:

• Giữ độ ẩm ổn định xung quanh 65–80%
• Tránh sự thay đổi độ ẩm đột ngột

4. Các yêu cầu về an toàn, độ bền và khả năng mở rộng.

Để hệ thống bảo quản chuối xanh hoạt động ổn định, lâu dài và an toàn trong môi trường thật, phần cứng cần được thiết kế đáp ứng các yêu cầu về an toàn điện, độ bền linh kiện và khả năng mở rộng trong tương lai. Đây là những tiêu chí quan trọng đảm bảo mô hình hoạt động liên tục trong nhiều ngày và có thể phát triển thêm tính năng khi cần thiết.

• 1. Yêu cầu về an toàn:
• Nguồn cung cấp phải đúng định mức, có bảo vệ chống quá dòng và ngắn mạch.
• Dây dẫn và mối nối phải được cách điện, tránh tiếp xúc trực tiếp.
• Bảng mạch điều khiển, bộ nguồn và các khối điện tử phải được đặt trong hộp bảo vệ, tránh ẩm và bụi.
• Sử dụng nguồn 5V/12V DC cách ly, không dùng trực tiếp điện lưới tại vị trí cảm biến.

Mục tiêu: giảm nguy cơ chập cháy, rò điện và hỏng thiết bị.

1. 2. Yêu cầu về độ bền :

Độ bền linh kiện cảm biến:

• Cảm biến DHT, MQ-3, MQ135 phải hoạt động ổn định trong môi trường có độ ẩm cao.
• Cần thời gian “sấy nóng” cho MQ3 và MQ135 để tăng tuổi thọ và độ ổn định.

Độ bền mạch điều khiển:

• Module nguồn yêu cầu:

• Điện áp ổn định
• Chống sụt áp khi quạt hoạt động
• Tản nhiệt tốt nếu chạy liên tục

• Đường mạch phải chịu được dòng của quạt và relay mà không nóng bất thường.

Độ bền cơ khí:

• Hộp nhựa mô hình cần:
  • Cố định chắc chắn các linh kiện bên trong
  • Có lỗ thông gió giữ cho quạt hoạt động tốt
  • Không bị biến dạng khi quạt và cảm biến hoạt động liên tục nhiều giờ

1. 3. Yêu cầu về vận hành liên tục.

Vì chuối xanh cần giám sát nhiều ngày:

• Không bị treo khi Wi-Fi mất rồi có lại → cần tự động reconnect
• Có cơ chế reset tự động khi lỗi
• Quạt có thể chạy liên tục mà không nóng quá mức
• Dữ liệu IoT không bị gián đoạn dài

5. Sơ đồ khối hệ thống

       

 Mô tả chức năng các khối:

a. Khối nguồn:

Dùng LM2596 và AMS1117-3.3V để chuyển đổi điện áp từ 12V → 5V và 3.3V.

Cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống (ESP32, cảm biến, module SIM, quạt,…).

• 1. 2. Khối xử lý trung tâm (MCU – ESP32):
• Thu thập dữ liệu từ các cảm biến:

• DHT11 → nhiệt độ & độ ẩm.
• MQ-3 → nồng độ Alcohol (chỉ báo hư thối).
• MQ-135 → nồng độ CO₂.

• Xử lý logic điều khiển:

• Điều khiển quạt thông gió
• Điều khiển máy phun sương
  1. 3. Khối cảm biến (Sensor Module):

• DHT11: đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường.
• MQ-3: đo nông độ Alcohol
• MQ-135: đo nồng độ CO₂.
  1. 4. Khối truyền thông (Communication):

• Module SIM800L: gửi dữ liệu cảm biến lên Firebase Realtime Database
• Cho phép người dùng giám sát và nhận cảnh báo từ xa.
  1. 5. Khối chấp hành (Actuator):

• Quạt thông gió: bật/tắt theo nồng độ CO₂ , Alcohol và nhiệt độ.
• Máy phun sương mini: bật/tắt theo độ ẩm.