Tưới cây theo độ ẩm đất
bài học đầu tiên về vòng điều khiển kín

Dự án này là bước chuyển quan trọng: từ chỗ chỉ đo sang chỗ đo rồi tác động lại. Đó là toàn bộ ý tưởng của tự động hóa, và học sinh gặp nó lần đầu ở đây.

Sau dự án này học sinh làm được

• Hiệu chuẩn một cảm biến tương tự bằng hai điểm khô và ướt.
• Giải thích được vòng điều khiển kín: đo → so ngưỡng → tác động → đo lại.
• Nêu được vì sao cần hai ngưỡng chứ không phải một, và tính được khoảng trễ hợp lí.
• Điều khiển tải công suất qua relay với nguồn tách riêng và GND chung.
• Đọc đồ thị răng cưa và giải thích từng đoạn.
• Nhận ra ba chỗ hệ thống có thể gây hại nếu hỏng, và thiết kế chốt an toàn cho từng chỗ.

Cảm biến đo điện dung, không đo nước

Hai bản dẫn trong lớp nhựa tạo thành một tụ điện, đất là chất điện môi giữa hai bản. Hằng số điện môi: nước ≈ 80, đất khô ≈ 4, không khí = 1. Đất càng ẩm thì điện dung càng lớn, mạch trên cảm biến đổi điện dung đó thành điện áp cho ESP32 đọc.

phần trăm = (KHÔ − đọc được) / (KHÔ − ƯỚT) × 100

Vòng điều khiển kín

1. Đo đại lượng quan tâm.
2. So với ngưỡng mong muốn.
3. Tác động nếu lệch.
4. Quay lại bước 1 — kết quả của tác động lại được đo tiếp.

Khác mọi bài trước: từ đây hệ thống làm thay đổi chính cái nó đang đo.

Một ngưỡng thì hỏng

Viết "dưới 40% thì bật bơm, ngược lại tắt" sẽ ra thế này: 39,8% → bơm bật → nước chạm cảm biến → 40,2% → bơm tắt → nước thấm đi → 39,9% → bơm bật. Mười lần một phút. Relay chết sớm, bơm hỏng, cây vẫn úng.

Nước còn cần thời gian thấm

Có độ trễ vẫn chưa đủ: nước cần vài phút mới thấm đều, trong lúc đó cảm biến ở một góc chậu vẫn báo khô. Cần thêm hai chốt:

• Giới hạn một lần tưới — 8 giây rồi dừng, dù còn báo khô.
• Bắt buộc nghỉ sau tưới — 5 phút không đo, chờ thấm đều.

Hai chốt này phân biệt dự án làm cho vui với thiết bị dùng được thật.

Ba khối tách bạch

Hệ thống chia làm ba phần, và điều quan trọng nhất là đường điện của bơm không đi qua bo ESP32:

• Khối cảm biến — cảm biến độ ẩm, ăn 3,3 V từ ESP32.
• Khối điều khiển — ESP32 và module relay, dòng rất nhỏ.
• Khối công suất — bơm và nguồn 5 V riêng, đi qua tiếp điểm relay.

Cắm cảm biến cho đúng

1. Cắm nghiêng khoảng 30°, không cắm thẳng đứng — cắm thẳng thì nước tưới chảy dọc theo thân cảm biến và làm số nhảy vọt giả.
2. Ngập tới vạch giới hạn in trên thân. Ngập quá vạch thì nước vào phần mạch điện và cảm biến chết.
3. Đặt cách gốc cây khoảng 5 cm, và cách xa chỗ ống nước nhỏ xuống.
4. Đánh dấu vị trí bằng một que tăm — để những lần sau cắm lại đúng chỗ cũ, nếu không thì số liệu giữa các buổi không so được với nhau.

Mã đầy đủ tại kho GitHub, thư mục cap-5/bai-64-tuoi-cay/. Có kèm bản gửi dữ liệu lên web và bản chạy bằng ESPHome cho ai không muốn lập trình.

# ------------------------------------------------------------
#  Bai 52 - Buoc 1: hieu chuan cam bien do am dat
#  Cam bien dien dung -> GPIO34 (nhom ADC1, khong xung khac Wi-Fi)
# ------------------------------------------------------------
from machine import Pin, ADC
import time

adc = ADC(Pin(34))
adc.atten(ADC.ATTN_11DB)
adc.width(ADC.WIDTH_12BIT)

def doc_tho(n=64):
    tong = 0
    for _ in range(n):
        tong += adc.read()
        time.sleep_us(200)
    return tong / n

input("Lau kho cam bien, de trong khong khi, roi Enter...")
KHO = doc_tho()
print("Gia tri khi KHO   :", round(KHO))

input("Nhung cam bien vao coc nuoc (den vach gioi han), roi Enter...")
UOT = doc_tho()
print("Gia tri khi UOT   :", round(UOT))

print()
print("Chep hai so nay vao chuong trinh chinh:")
print("KHO =", round(KHO))
print("UOT =", round(UOT))
print()
print("Kiem tra: gia tri KHO phai LON HON gia tri UOT.")
print("Neu nguoc lai thi cam bien cua ban thuoc loai dao chieu.")

# ------------------------------------------------------------
#  Bai 52 - Chuong trinh chinh: tuoi cay theo do am dat
#  Co tre (hysteresis) va gioi han thoi gian tuoi.
# ------------------------------------------------------------
from machine import Pin, ADC
import time

# ===== CAU HINH - sua o day =====
CHAN_DO_AM = 34
CHAN_BOM   = 26          # noi toi chan IN cua module relay hoac MOSFET
KHO = 3180               # lay tu chuong trinh hieu chuan
UOT = 1420

NGUONG_BAT  = 35         # duoi 35% thi bat bom
NGUONG_TAT  = 55         # tren 55% thi tat bom  -> khoang tre 20%
TUOI_TOI_DA_S = 8        # mot lan tuoi khong qua 8 giay
NGHI_SAU_TUOI_S = 300    # cho 5 phut cho nuoc tham deu roi moi do lai
CHU_KY_S = 10
# ===== het phan cau hinh =====

adc = ADC(Pin(CHAN_DO_AM))
adc.atten(ADC.ATTN_11DB)
adc.width(ADC.WIDTH_12BIT)

bom = Pin(CHAN_BOM, Pin.OUT)
bom.value(0)             # LUON tat bom khi khoi dong

def doc_do_am():
    tong = 0
    for _ in range(64):
        tong += adc.read()
        time.sleep_us(200)
    tho = tong / 64
    phan_tram = (KHO - tho) / (KHO - UOT) * 100
    return max(0.0, min(100.0, phan_tram)), tho

print("t_phut,do_am_pc,gia_tri_tho,bom")
bat_dau = time.ticks_ms()
dang_tuoi = False

try:
    while True:
        do_am, tho = doc_do_am()
        phut = time.ticks_diff(time.ticks_ms(), bat_dau) / 60000

        if not dang_tuoi and do_am < NGUONG_BAT:
            dang_tuoi = True
            bom.value(1)
            print("{:.2f},{:.1f},{:.0f},BAT".format(phut, do_am, tho))

            # tuoi toi da TUOI_TOI_DA_S giay, vua tuoi vua theo doi
            het = time.ticks_add(time.ticks_ms(), TUOI_TOI_DA_S * 1000)
            while time.ticks_diff(het, time.ticks_ms()) > 0:
                d, _ = doc_do_am()
                if d > NGUONG_TAT:
                    break
                time.sleep_ms(200)

            bom.value(0)
            dang_tuoi = False
            print("{:.2f},-,-,TAT (cho tham)".format(
                time.ticks_diff(time.ticks_ms(), bat_dau) / 60000))
            time.sleep(NGHI_SAU_TUOI_S)
        else:
            print("{:.2f},{:.1f},{:.0f},tat".format(phut, do_am, tho))
            time.sleep(CHU_KY_S)

except KeyboardInterrupt:
    pass
finally:
    bom.value(0)         # BAT BUOC: tat bom du chuong trinh dung the nao
    print("Da tat bom an toan.")

Kết quả một chu kì tưới:

t_phut,do_am_pc,gia_tri_tho,bom
0.00,42.3,2436,tat
0.17,41.8,2447,tat
0.33,38.1,2528,tat
0.50,34.6,2603,BAT
0.63,-,-,TAT (cho tham)
5.63,57.2,2093,tat
5.80,56.9,2099,tat

Hai điểm khô và ướt

Chạy chương trình hiệu chuẩn và ghi lại hai con số. Vài lưu ý:

• Điểm KHÔ: lau thật khô cảm biến, để lơ lửng trong không khí. Đừng cắm vào đất khô — đất khô vẫn ẩm hơn không khí.
• Điểm ƯỚT: nhúng vào cốc nước, ngập đúng tới vạch giới hạn, không hơn.
• Mỗi điểm chờ khoảng 30 giây cho số ổn định rồi mới ghi.

Giá trị điển hình: KHÔ khoảng 3100–3300, ƯỚT khoảng 1300–1600. Nếu hai số quá gần nhau (chênh dưới 800) thì cảm biến kém nhạy hoặc đã hỏng.

Kiểm thử vòng điều khiển — làm trên bàn trước khi đưa ra chậu

1. Chạy chương trình với cảm biến để trong không khí. Độ ẩm phải gần 0% và bơm phải bật.
2. Ngắt ống ra khỏi chậu, để đầu ống vào một cái ca. Xác nhận bơm chạy đúng 8 giây rồi dừng.
3. Nhúng cảm biến vào nước. Độ ẩm phải lên gần 100% và bơm phải tắt.
4. Rút cảm biến ra, chờ. Bơm chỉ được bật lại khi độ ẩm tụt dưới 35%, chứ không phải ngay khi tụt dưới 55%.

Bước 4 là bước kiểm tra độ trễ có hoạt động không. Nhiều nhóm bỏ qua bước này và chỉ phát hiện vấn đề khi chậu cây đã ngập.

Danh sách kiểm

• Đã hiệu chuẩn và chép hai số KHÔ, ƯỚT vào chương trình.
• Bơm ở trạng thái TẮT ngay khi vừa cấp điện cho ESP32.
• Một lần tưới không quá 8 giây, kiểm bằng đồng hồ.
• Sau khi tưới, hệ nghỉ đủ thời gian chờ thấm rồi mới đo lại.
• Rút cáp USB giữa lúc bơm đang chạy — bơm phải dừng, không được chạy tiếp.
• Toàn bộ phần mạch nằm cao hơn bình nước.

Công nghệ — trồng trọt công nghệ cao, làm thật chứ không xem tranh

Mạch nội dung "ứng dụng công nghệ cao trong trồng trọt" của Công nghệ 10 thường được dạy bằng hình ảnh nhà kính Israel. Dự án này biến nó thành thứ học sinh cầm được: một chậu cây tự tưới, chạy thật, hỏng thật, sửa thật.

Với Công nghệ 12, đây là ví dụ đầy đủ của mạch "mạch điện điều khiển dùng vi điều khiển": có đầu vào tương tự, có xử lí, có đầu ra công suất, có cách li giữa mạch điều khiển và mạch động lực.

Sinh học — cây cần bao nhiêu nước

Câu hỏi tưởng dễ mà không dễ: đặt ngưỡng bao nhiêu là hợp lí? 35% hay 50%?

Trả lời được câu này cần kiến thức Sinh học: cây khác nhau chịu hạn khác nhau, đất khác nhau giữ nước khác nhau, và tưới quá nhiều thì rễ thiếu oxy mà chết — úng cũng chết như hạn.

Đây là chỗ dự án thoát khỏi ranh giới môn Công nghệ. Con số ngưỡng phải do hiểu biết Sinh học quyết định, không phải do lập trình.

Toán — thang đo và đồ thị

Công thức quy đổi hai điểm là bài đường thẳng qua hai điểm. Đồ thị răng cưa là bài đọc hàm số tuần hoàn không đều: chu kì, biên độ, và xu hướng nền.

Bài tập hay: từ đồ thị 24 giờ, ước lượng cây hút bao nhiêu nước mỗi ngày. Rồi kiểm tra bằng cách cân bình nước trước và sau.