Đồ án Điều khiển và giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn Vietgap bằng Arduino và SIM900 (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Điều khiển và giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn Vietgap bằng Arduino và SIM900 (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VƯỜN RAU THÔNG MINH TIÊU CHUẨN VIETGAP BẰNG ARDUINO VÀ SIM900 GVHD: PGS.TS NGUYỄN TRƯỜNG THỊNH SVTH: NGUYỄN HOÀNG ANH KHOA MSSV: 10111028 SVTH: HUỲNH KIM TÙNG MSSV: 10111092 S K L 0 0 4 2 7 6 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 1/2016
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP.HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ                  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VƢỜN RAU THÔNG MINH TIÊU CHUẨN VIETGAP BẰNG ARDUINO VÀ SIM900 GVHD : PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh SVTH : Nguyễn Hoàng Anh Khoa MSSV : 10111028 SVTH : Huỳnh Kim Tùng MSSV : 10111092 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016 i
3. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nhóm sinh viên thực hiện: Nguyễn Hoàng Anh Khoa MSSV : 10111028 Huỳnh Kim Tùng MSSV : 10111092 Ngành : Cơ Điện Tử Khóa : 2010 1. Tên đề tài ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VƢỜN RAU THÔNG MINH TIÊU CHUẨN VIETGAP BẰNG ARDUINO VÀ SIM900 2. Nhiệm vụ cụ thể - Nghiên cứu về các dạng nhà vƣờn hiện tại đang đƣợc bà con sử dụng phổ biến để tiến hành thiết kế và gia công mô hình nhà vƣờn trồng rau thật chính xác để kết quả thực hiện trên mô hình có thể ứng dụng tốt nhất khi đƣa vào thực tế. - Nguyên cứu về tiêu chuẩn VietGAP những yêu cầu, tiêu chí cảu tiêu chuẩn đối với quá trình canh tác qua đó sẽ đƣa ra những giải pháp cho quá trình nghiên cứu. - Tìm hiểu về các giống cây trồng phổ biến hiện tại.Thông qua quá trình tìm hiểu về các tập tính, nhu cầu về nƣớc, ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm cũng nhu chất dinh dƣỡng để đƣa ra phƣơng pháp thiết kế hệ thống thứ cấp cho vƣờn. - Lập trình hoàn thiện cho mô hình có thể điều chỉnh các yếu tố quan trọng cho cây trồng nhƣ nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng cũng nhƣ nƣớc thích hợp cho cây trồng theo sự biến đổi của thời tiết bên ngoài. - Lập trình cho hệ thống có thể giúp ngƣời nông dân có thể tƣơng tác tốt hơn với vƣờn rau của mình dù không có mặt tại vƣờn thông qua chiếc điện thoại di động cảu mình. 3. Ngày giao nhiệm vụ : Ngày 24 tháng 09 năm 2015. 4. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : Ngày 08 tháng 01 năm 2016. 5. Giáo viên hƣớng dẫn : PGS.TS. NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH Nội dung và yêu cầu Đồ án Tốt nghiệp đã đƣợc Bộ môn thông qua. Tp.HCM, ngày tháng năm 2016 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN PGS.TS. NGUYỄN TRƢỜNG THỊNH ii
4. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên: Nguyễn Hoàng Anh Khoa MSSV: 10111028 Huỳnh Kim Tùng MSSV: 10111092 Ngành: Cơ Điện Tử Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VƢỜN RAU THÔNG MINH TIÊU CHUẨN VIETGAP BẰNG ARDUINO VÀ SIM 900 Họ và tên giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Trƣờng Thịnh NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài và khối lƣợng thực hiện 2. Ƣu điểm 3. Nhƣợc điểm 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5.Đánh giá loại 6.Đánh giá điểm .(Bằng chữ ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Giáo viên hƣớng dẫn (ký và ghi rõ họ tên) iii
5. CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên: Nguyễn Hoàng Anh Khoa MSSV: 10111028 Huỳnh Kim Tùng MSSV: 10111092 Ngành: Cơ Điện Tử Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT VƢỜN RAU THÔNG MINH TIÊU CHUẨN VIETGAP BẰNG ARDUINO VÀ SIM 900 Họ và tên giáo viên phản biện: TS Nguyễn Vũ Lân NHẬN XÉT 1. Về nội dung đề tài và khối lƣợng thực hiện 2. Ƣu điểm 3. Nhƣợc điểm 4. Đề nghị cho bảo vệ hay không? 5.Đánh giá loại 6. Đánh giá điểm .(Bằng chữ ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Giáo viên phản biện (ký và ghi rõ họ tên) iv
6. LỜI CẢM ƠN Sau quá trình thực hiện đề tài với nhiều nỗ lực, học tập và làm việc nghiêm túc của bản thân, cuối cùng đồ án đã đƣợc hoàn thành đúng thời gian quy định theo yêu cầu đặt ra. Để có đƣợc thành quả này, một mặt là sự cố gắng của bản thân, mặt khác còn là sự chỉ dẫn tận tình của thầy cô, sự giúp đỡ của bạn bè, sự động viên khích lệ của ngƣời thân. Nhóm xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Trƣờng Thịnh đã hƣớng dẫn, giúp đỡ tận tình và tạo mọi điều kiện thuận lợi để nhóm chúng em hoàn thành đồ án này. Qua thời gian làm đề tài, nhóm đã học hỏi, thu nhận thêm đƣợc nhiều kiến thức bổ ích. Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến các thầy trong Bộ môn Cơ điện tử đã nhiệt tình giúp đỡ, tƣ vấn cho chúng em. Cùng lời cảm ơn chân thành nhất đến các hộ dân TP.Bảo Lôc, tỉnh Lâm Đồng đã tƣ vấn, giúp đỡ chúng em trong quá trình khảo sat và nghiên cứu tại địa phƣơng. Nhóm cũng xin cảm ơn các bạn trong Cơ Điện Tử 10 đã có những đóng góp ý kiến thiết thực cũng nhƣ động viên, giúp đỡ, hỗ trợ rất nhiệt tình trong suốt quá trình nhóm thực hiện đề tài. Với thời gian thực hiện đồ án có hạn, dù nhóm đã cố gắng hết mình nhƣng chắc chắn vẫn không tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót. Nhóm rất mong nhận đƣợc sự chỉ dẫn và đóng góp của quý thầy cô cùng các bạn. Xin chân thành cảm ơn. Tp.HCM, ngày 08 tháng 01 năm 2016 Nhóm thực hiện đề tài v
7. TÓM TẮT ĐỒ ÁN Đồ án trình bày kết quả nghiên cứu nhằm điều khiển giám sát một vƣờn rau thông minh để đạt đƣợc các tiêu chí của tiêu chuẩn VietGAP bằng cách điều khiển các thông số ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình phát triển của một giống cây trồng cụ thể nhƣ: Nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng. Thông qua bộ thiết bị điều khiển Andruino để xử lý cá các thông số đầu vào qua các thiết bị thứ cấp là cảm biến và đƣa ra đối ứng cho các thiết bị nhƣ bơm, bộ tạo ẩm hay quạt hoạt động nhằm tạo điều kiện môi trƣờng tốt nhất để cây trồng phát triển tốt nhất mà không phải phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên. Bên cạnh đó đề tài còn hƣớng đến việc giám sát vƣờn rau từ xa thông qua tin nhắn điện thoại nhờ vào shield mở rộng SIM900 tích hợp cho andruino giúp ta có thể diều khiển vƣờn từ xa. Đồ án gồm năm chƣơng với các nội dung sau: Chƣơng 1 : Tổng quan. Giới thiệu lý do chọn đề tài, phƣơng pháp nghiên cứu đề tài Giới thiệu về các công trình nghiên cứu có liên quan trong nƣớc cũng nhƣ ở nƣớc ngoài. Chƣơng 2 : Cơ sở lý thuyết. Trình bày các cơ sở lý thuyết cần thiết để thực hiện đề tài. Chƣơng 3 : Tổng quan về vườn rau thông minh. Trình bày về các tiêu chí và yêu cầu của vƣờn rau thông minh. Chƣơng 4 : Linh kiện sử dụng. Trình bày về các linh kiện sử dụng trong đề tài và các thông số kỹ thuật của linh kiện Chƣơng 5 : Thiết kế và thi công mô hình. Trình bày quá trình thực hiện. Chƣơng 6 : Lưu đồ giải thuật. Trình bày về các thu nhận và xử lý tín hiệu. Chƣơng 7: Kết quả và kiến nghị. Trình bày kết quả và đƣa ra các hƣớng phát triển. vi
8. ABSTRACT This Project presents a research in order to the supervisory control a smart garden to achieve the standard criteria VietGAP by controlling parameters directly influence the development of a specific plant varieties such as: temperature, humidity and light. Through the control device Andruino to handle input parameters through secondary devices as sensors and provide a solution for devices such as pump, fan, humidifier or activities to create environmental conditions The best for the best plant growth but not dependent on natural conditions. Besides other topics aimed at remote monitoring vegetable garden through phone messages thanks to the integrated shield extension for andruino SIM900 help us can control the remote garden. Project consists of five chapters with the following contents: Chapter 1 : Overview. Introduction of Project, the method of research Introduction to the researchs in country, and in abroad as well. Chapter 2 : The Basis of Theory. Presenting the needful basic theories for project performance. Chapter 3 : Overview smart greenhouse. Presentation on the criteria and requirements of smart greenhouse. Chapter 4 : Components Presenting hardware overview, smart greenhouse design, mainboard. Chapter 5 : Design and contruction models greenhouse. Presentation of the implementation process. Chapter 6: Flow chart algorithm. Presentation of the collected and signal processing Chapter 7 : Conclusions and request. Presenting the achievement, offer some proposal and direction for the development. vii
9. MỤC LỤC Trang bìa i Nhiệm vụ đồ án ii Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn iii Nhận xét của giáo viên hƣớng dẫn iv Lời cảm ơn v Tóm tắt đồ án vi Abstract vii Mục lục viii Danh mục hình vẽ x Danh mục từ viết tắt xii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 Giới thiệu đề tài 1 1.1.1 Lý do chọn đề tài 1 1.1.2 Yêu cầu và giới hạn đề tài 2 1.1.3 Đối tƣợng nghiên cứu 2 1.1.4 Mục tiêu – Nhiệm vụ nghiên cứu 2 1.1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 3 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 4 1.2.1 Các công trình nghiên cứu ở nƣớc ngoài 4 1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nƣớc 6 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7 2.1 Tổng quan về nhà vƣờn và các tiêu chuẩn liên quan 7 2.1.1 Tổng quan về nhà vƣờn (nhà kính) thông minh: 7 2.1.2 Giới thiệu về tiêu chuẩn VietGAP 7 2.1.3 Các yếu tố đƣợc khai thác trong đề tài 10 2.2 Đối tƣợng khảo sát và nghiên cứu của đề tài: 10 viii
10. 2.2.1 Đặc trƣng của cây cà chua. 10 2.2.2 Phƣơng pháp canh tác cà chua trong nhà kính hiện nay. 12 CHƢƠNG 3 TỔNG QUAN VỀ VƢỜN RAU THÔNG MINH 14 3.1 Các chỉ tiêu kĩ thuật của khu vƣờn thông minh 14 3.1.1 Chỉ tiêu về ánh sáng 14 3.1.2 Chỉ tiêu độ ẩm đất 14 3.1.3 Chỉ tiêu độ ẩm không khí 14 3.1.4 Chỉ tiêu nhiệt độ 14 3.1.5 Chỉ tiêu về an toàn 14 3.2 Các thành phần của khu vƣờn thông minh 15 3.3 Nguyên lý hoạt động. 15 CHƢƠNG 4 CÁC LINH KIỆN SỬ DỤNG 17 4.1 Arduino Mega 2560 17 4.1.1 Giới thiệu chung về Arduino 17 4.1.2 Giới thiệu về board Arduino Mega2560 18 4.1.3 Nguồn cấp 19 4.1.4 Cổng giao tiếp 19 4.1.5 Tổ chức bộ nhớ 20 4.1.6 USB bảo vệ quá dòng 20 4.2 Module cảm biến siêu âm HC-SR04 20 4.3 Module cảm biến cƣờng độ ánh sáng (LUX) BH1750 21 4.4 Module GSM/GPRS SIM 900 22 4.4.1 Giới thiệu tổng quan về GSM 22 4.4.1.1 Khái niệm GSM 22 4.4.1.2 Lịch sử phát triển của GSM 23 ix
11. 4.4.1.3 Cấu trúc mạng di động 23 4.4.2 Giới thiệu về module sim 900 24 4.4.2.1 Tổng quan về sim 900 24 4.4.2.1 Sơ đồ chân sim 900 25 4.4.2.3 Module sim 900 26 4.4.2.4 Các chế độ hoạt động của module sim 900 26 4.4.2.5 Các tập lệnh AT test module sim 900 27 4.4.3 Tổng quan về tin nhắn SMS 27 4.5 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 28 4.6 Cảm biến độ ẩm đất 29 4.7 Mạch cầu H L293D 30 4.8 Bơm nƣớc 31 4.9 Động cơ tạo hơi nƣớc 32 4.10 Relay 33 4.11 Đèn 34 CHƢƠNG 5 : THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH 35 5.1 Thiết kế phần cứng mô hình. 35 5.1.1 Sơ đồ nhà kính 35 5.1.2 Chức năng các khối 38 5.1.2.1 Nguồn 38 5.1.2.2 Khối cảm biến độ ẩm đất 39 5.1.2.3 Khối cảm biến tín hiệu tƣơng tự 40 5.1.2.4 Khối cảm biến ánh sáng 41 5.1.2.5 Khối cơ cấu chấp hành 42 5.2 Phần mềm arduino 1.6.7 43 CHƢƠNG 6: LƢU ĐỒ GIẢI THUẬT 44 6.1 Lƣu đồ giải thuật khối chƣơng trình chính. 44 x
12. 6.2 Lƣu đồ giải thuật của các cảm biến. 45 CHƢƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 48 7.1 Kết luận 48 7.2 Kiến nghị 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 PHỤ LỤC 50 xi
13. DANH SÁCH HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ khối tổng quan đề tài 3 Hình 1.2 Hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ đƣợc cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và kết nối đến các computer - ảnh Mc. Kaine. 5 Hình 1.3 Trồng hoa hồng công nghệ cao ở Kenya 6 Hình 1.4 Trồng dâu công nghệ cao theo phƣơng pháp thủy canh ở Đà Lạt 6 Hình 2.1 Vƣờn rau tiêu chuẩn VietGAP Công ty VinECO( Tập đoàn VinGroup)10 Hình 2.2 Trồng cà chua trong nhà kính 12 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống vƣờn thông minh. 15 Hình 4.1 Những thành viên sáng lập 17 Hình 4.2 Board Arduino Mega2560 18 Hình 4.3 Hình ảnh cảm biến siêu âm HC-SR04 20 Hình 4.4 Biều đồ xung SRF04 21 Hình 4.5 Hình ảnh thực tế cảm biến ánh sáng 21 Hình 4.6 Cấu trúc mạng thông tin di động 23 Hình 4.7 Sim 900 24 Hình 4.8 Sơ đồ chân Sim 900 25 Hình 4.9 Module Sim 900 26 Hình 4.10 Cảm biến DHT11 28 Hình 4.11 Cảm biến độ ẩm đất 29 Hình 4.12 Arduino Motor Driver Shield L293D 30 Hình 4.13 Bơm nƣớc 5V 31 Hình 4.14 Động cơ tạo hơi nƣớc 32 Hình 4.15 Relay đóng ngắt 2 kênh 33 Hình 4.16 Bóng đèn 34 Hình 5.1 Sơ đồ thiết bị trong vƣờn 35 Hình 5.2 Bản vẽ thiết kế mô hình 36 Hình 5.3 Mô hình thực tế 37 Hình 5.4 Nguồn máy tính 38 Hình 5.5 Sơ đồ các chân của bộ nguồn 38 Hình 5.6 Sơ đồ kết nối cảm biến độ ẩm đất với Arduino Mega 2560 39 Hình 5.7 Sơ đồ kết nối cảm biến tƣơng tự 40 Hình 5.8 Sơ đồ kết nối cảm biến ánh sáng với Arduino Mega 2560 41 Hình 6.1 Sơ đồ khối chƣơng trình chính 44 Hình 6.2 Sơ đồ khối cảm biến đo mức nƣớc 45 Hình 6.3 Sơ đồ khối cảm biến đo độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng 46 Hình 6.4 Sơ đồ khối cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm không khí 47 xii
14. DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT AUV : Autonomous Underwater Vehicle CAMSHIFT : Continuously Adaptive Mean Shift HSV : Hue Saturation Value MCU : MicroController Unit RF : Radio Frequency RGB : Red Green Blue OpenCV : Open Source Computer Vision PC : Personal Computer PWM : Pulse Width Modulation UAV : Unmanned Aerial Vehicle VĐK : Vi điều khiển xiii
15. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1.1 Lý do chọn đề tài Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt tự động hoá quá trình sản xuất đang là vấn đề bức bách nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm, tăng cường sức cạnh tranh nội địa cũng như trên thị trường thế giới thì việc áp dụng sản xuất Nông nghiệp công nghệ cao là điều cần thiết. Nhà kính là một hệ thống cơ sở rất hữu ích và quan trọng trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao. Đặc biệt là ở các nước có điều kiện môi trường bất thuận (Như Hà Lan và vùng Bắc Âu), hay những quốc gia có điều kiện tự nhiện khó khăn (như Israel). Đây là những nước nổi tiếng với sự phát triển nông nghiệp vượt trội về cả số lượng và chất lượng; cây trồng sinh trưởng và phát triển rất tốt trong nhà kính với điều kiện được điều khiển tự động như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng hay cả chế độ tưới nước và hàm lượng các chất khí có hại và có lợi cho cây trồng. Nhà kính có vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất rau, hoa cho năng suất hiệu quả kinh tế cao, sản phẩm đạt được tiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo kiểu công nghiệp. Nhà kính cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số quá trình sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trong thời vụ, do nhà kính đáp ứng được yêu cầu cho sự sinh trưởng phát triển tốt nhất của cây trồng (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí oxy ) và kiểm soát được sâu bệnh hại cho cây. Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới như Hà lan, Ixrel, Nhật bản, Pháp, Mỹ và Trung quốc đã và đang phát triển ứng dụng rất rộng rãi các mô hình nhà kính trồng rau, hoa quy mô tăng nhanh trong các năm gần đây, các nhà kính tuơng đối hiện đại có các dạng cấu trúc và kết cấu khác nhau phù hợp với điều kiện khí hậu, kinh tế mỗi nước. Hiện nay với những tác động của con người thì mẹ thiên nhiên đang dần khắc nghiệt với chúng ta. Hiện tượng nóng lên toàn cầu cũng như các hiện tượng thiên nhiên bất thường ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình sản xuất của người dân đồng thời còn gây thiệt hại rất nhiều đối với nông nghiệp nước ta. Cũng như đã đề cập về những ưu điểm của phương pháp canh tác trong nhà kính. Nhưng hiện tại bà con nông dân chỉ dừng lại ở phương pháp canh tác thủ công thì vẫn chua mang lại nhiều lợi ích khi đã phải đầu tư chi phí không ít cho nhà kính nhưng vẫn phải sử dụng quá nhiều sức lao động cũng như các phương pháp thủ công làm ảnh hưởng đến năng suất cũng như lợi nhuận. Với những kiến thức đã được học cũng như sự định hướng của giáo viên hướng dẫn và niềm đam mê và thôi thúc mong muốn được ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn thì nhóm của chúng em đã chọn đề tài “Điều khiển và giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn VietGAP bằng andruino và Sim900“ với mong muốn mang những kiến thức vào thực tiễn để cải thiện cuộc sống cho người nông dân. 1
16. 1.1.2 Yêu cầu và giới hạn đề tài Đề tài thực hiện nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển và giám sát vườn rau thông minh theo tiêu chuẩn VietGAP bằng Arduino và Kit SIM900, trong đó: - Nghiên cứu về các dạng nhà vườn hiện tại đang được bà con sử dụng phổ biến để tiến hành thiết kế và gia công mô hình nhà vườn trồng rau thật chính xác để kết quả thực hiện trên mô hình có thể ứng dụng tốt nhất khi đưa vào thực tế. - Nguyên cứu về tiêu chuẩn VietGAP những yêu cầu, tiêu chí cảu tiêu chuẩn đối với quá trình canh tác qua đó sẽ đưa ra những giải pháp cho quá trình nghiên cứu. - Tìm hiểu về các giống cây trồng phổ biến hiện tại.Thông qua quá trình tìm hiểu về các tập tính, nhu cầu về nước, ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm cũng nhu chất dinh dưỡng để đưa ra phương pháp thiết kế hệ thống thứ cấp cho vườn. - Lập trình hoàn thiện cho mô hình có thể điều chỉnh các yếu tố quan trọng cho cây trồng như nhiệt độ, độ ẩm cũng như nước thích hợp cho cây trồng theo sự biến đổi của thời tiết bên ngoài. - Lập trình cho hệ thống có thể giúp người nông dân có thể tương tác tốt hơn với vườn rau của mình dù không có mặt tại vườn thông qua chiếc điện thoại di động cảu mình. Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên nhóm chỉ thiết kế và điều khiển các yếu tố quan trọng nhất đối với cây trồng, trên thực tế đề tài có thể điều khiển thêm các yếu tố khác như ánh sáng, gió, chất dinh dưỡng cho cây trồng. 1.1.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là Bộ điều khiển, giám sát thông minh cho vườn rau tiêu chuẩn VietGAP (tập trung vào việc điều khiển các yếu tố liên quan đến sự sinh trưởng của cây trồng thông qua bộ điều khiển Arduino), khả năng điều khiển hệ thống từ xa (cụ thể dùng module SIM900), và các vấn đề liên quan đến việc thiết kế mạch điện tử cho bộ điều khiển 1.1.4 Mục tiêu – Nhiệm vụ nghiên cứu a. Mục tiêu của đề tài Thiết kế hoàn thiện phần mô hình của một nhà kính theo đúng tiêu chuẩn. Tìm hiểu lý thuyết và ứng dụng Andruino vào đề tài. - Thu nhận tín hiệu từ các sensor và xử lý. - Kết nối bộ điều khiển với kit SIM900 để thực hiện tương tác từ xa thông qua SMS. 2
17. b. Nhiệm vụ nghiên cứu Đồ án nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống phun sương, tưới nước để giữ độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng theo yêu cầu của từng loại cây trồng khác nhau. Các cảm biến sẽ thu dữ liệu và gửi về vi điều khiển. Tùy từng loại dữ liệu từ cảm biến mà vi điều khiển sẽ đưa ra hướng giải quyết phù hợp. Nhiệm vụ chính của đồ án là xây dựng giải thuật điều khiển cho mạch arduino theo sơ đồ sau: Hình 1.1 : Sơ đồ khối tổng quan đề tài 1.1.5 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan đến Andruino, thiết kế cơ khí và gia công nhà kính, thiết kế điện tử cho bộ điều khiển, tài liệu về nhu cầu và ảnh hường của các yếu tố thiết yếu đối với cây trồng, cách kết nối hệ thống với Kit mở rộng SIM900. Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm: các đồ án, các thiết kế mạch có liên quan đã được thi công đưa vào sử dụng ổn định, và sự tham vấn trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện tử. Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: qua những lần thử nghiệm trên test board, kết hợp với tính toán giải tích mạch để rút ra giải pháp mạch điện tốt nhất. Cơ sở lý thuyết và các số liệu thực tế từ kết quả những lần thực nghiệm. 3
18. 1.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 1.2.1 Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài Khi mà khí hậu đang thay đổi theo một chiều hướng khắc nghiệt cùng với thực trạng các nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt đi. Trong khi nông nghiệp vẫn chiếm tỉ trọng lớn trong cơ cấu kinh tế của hầu hết các nước thì vấn đề ứng dụng công nghệ vào trong nông nghiệp đang nước phần lớn các nước trên thế giới hướng đến với rất nhiều giải pháp cũng như đề tài để cải tiện nền nông nghiệp giúp nền nông nghiệp phát triển bền vững tránh các ảnh hưởng của thời tiết đến nền sản xuất cũng như sử dụng tốt nguồn tài nguyên.  Nhà kính tại Israel Israel là một quốc gia nhỏ bé (với diện tích 21.000 km2), nổi tiếng với khí hậu và địa hình phức tạp, có nơi cận nhiệt đới nơi lại khô cằn, có khu vực thấp hơn mực nước biển 400m, lại có những vùng là đụn cát, gò đất phù sa . Hơn nửa diện tích đất đai của quốc gia này là hoang mạc và bán hoang mạc, nửa còn lại là rừng và đồi dốc; trong đó, chỉ 20% diện tích đất đai (khoảng 4.100 km2) là có thể trồng trọt. Trước áp lực từ việc dân số tăng nhanh lại thêm lượng người nhập cư đổ về ồ ạt từ cuối những năm 1980 dẫn đến nhu cầu về các sản phẩm nông nghiệp gia tăng đáng kể, Israel đã không ngừng nghiên cứu, đẩy mạnh ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp. Kết quả là chỉ trong thời gian ngắn quốc gia này đã chuyển từ tình trạng thiếu lương thực đến tự túc lương thực, thực phẩm và trong 5 năm gần đây, giá trị sản xuất nông nghiệp luôn vượt con số 3,5 tỷ USD/năm, trong đó xuất khẩu chiếm trên 20%. Luôn đi đầu trong ứng dụng khoa học vào sản xuất nông nghiệp, Israel đã trở thành một điển hình nông nghiệp của thế giới. Và canh tác nhà kính được xem như một giải pháp công nghệ chìa khoá trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao của Israel. Theo các nhà khoa học nông nghiệp nước này, nhà kính nông nghiệp công nghệ cao (Hi-tech greenhouses) là loại hình nhà kính ứng dụng các công nghệ cao, hiện đại để tạo lập ra một môi trường sinh thái thuận lợi nhất có thể cho cây trồng sinh trưởng phát triển; để thực hiện các công nghệ thâm canh cao; để tối thiểu hoá thậm chí có thể loại trừ các yếu tố ngoại cảnh bất lợi cho sản xuất; để sản xuất ra loại nông sản thực phẩm mà thiên nhiên không ưu đãi (trái vụ), thậm chí không sản xuất được ngoài môi trường tự nhiên (như sản xuất nấm mỡ trên sa mạc); để tối đa hoá năng suất chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất; tối thiểu hoá các khoản chi phí sản xuất và đặc biệt là để tiết kiệm nước. Ngoài mục tiêu sản xuất ra các nông sản thực phẩm “sạch” an toàn cho sử dụng, canh tác nhà kính đã tạo ra một cuộc cách mạng về năng suất cho các loại cây trồng. Nhờ canh tác nhà kính mà năng suất cà chua ở Israel đã đạt mốc 500 tấn. ha/ vụ hay 3 triệu bông hồng/ ha; cũng nhờ công nghệ canh tác nhà kính mà Israel đã biến sa mạc Negev toàn cát đá (chiếm 65% diện tích đất nước) trở thành một “cánh đồng xanh công nghệ cao” có năng suất cây trồng cao nhất thế giới. Trong mấy thập kỷ qua, nhà kính ở Israel chủ yếu sử dụng cho canh tác hoa, rau, các loại cây màu thực phẩm đòi hỏi chất lượng sản phẩm cao, như ớt, hành, tỏi, dưa v.v. Hiện tại, Israel đang phát triển loại hình nhà kính dùng để sản xuất một số loại cây cảnh, cây ăn quả lưu niên vì mục tiêu thương mại và xuất khẩu như nho, táo, đào, lê, v.v Những năm gần đây các loại hình công nghệ nhà kính ở Israel 4
19. không ngừng được phát triển nâng cao trình độ công nghệ đáp ứng chi tiết hơn, đa dạng hơn các nhu cầu phát triển sản xuất nông nghiệp công nghệ cao. Cùng với việc đẩy mạnh phát triển công nghệ nhà kính cho ngành trồng trọt, Israel còn phát triển thêm một số loại hình nhà kính sử dụng cho ngành chăn nuôi, chủ yếu cho chăn nuôi gia cầm và nuôi trồng thuỷ hải sản công nghệ cao trên sa mạc. Nhà kính công nghệ cao Israel, ngoài việc đảm bảo yêu cầu kết cấu bền vững, yêu cầu cho việc thực hiện cơ giới hoá đến mức cao nhất các công đoạn sản xuất, nhà kính còn có thể cho phép đáp ứng đến mức cao nhất các nhu cầu về kiểm soát “tiểu khí hậu nhà kính”; kiểm soát “sinh học nhà kính”; kiểm soát “dịch hại” nhà kính; và thực hiện các biện pháp điện toán điều chỉnh các yếu tố môi trường sinh thái nhà kính. Hình 1.2 : Hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ được cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và kết nối đến các computer - ảnh Mc. Kaine  Câu chuyện thành công từ Châu Phi Mong muốn hiện thực hóa việc ứng dụng khoa học công nghệ vào trong nghiệp chính là mục tiêu phát triển của ứng dụng FarmDrive là một startup được thành lập bởi Peris Bosire và Rita Kimani tại Kenya, cung cấp nền tảng công nghệ cho phép nông dân theo dõi các hoạt động canh tác của họ bằng điện thoại di động. Đồng thời, các dữ liệu canh tác này còn giúp các hộ nông dân dễ dàng vay vốn ở các tổ chức tín dụng. Điều này giúp cả 2 bên, nông dân và tổ chức tín dụng giảm rủi ro và nhận được nhiều lợi ích từ việc hệ thống hóa cũng như nâng cao hiệu quả canh tác của các nông trại nhỏ. Ngoài ra, FarmDrive cũng sử dụng các dữ liệu trên để tìm hiểu nhu cầu cụ thể của từng nông dân và cung cấp thông tin phù hợp thông qua tin nhắn SMS. Điều này giúp hỗ trợ người nông dân nâng cao hiệu quả canh tác và tối đa hóa tiềm năng trang trại của họ. Được thành lập vào năm 2014, startup này mới chỉ được thử nghiệm ở 50 hộ nông dân ở Kenya và đang lên kế hoạch tăng lên đến 3 ngàn hộ vào cuối năm 2015. 5
20. Hình 1.3: Trồng hoa hồng công nghệ cao ở Kenya 1.2.2 Các công trình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, thì cũng có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến đề tài phát triển nông nghiệp trong nhà kính nhưng phần lớn vẫn đi sâu vào vấn đề đa dạng hóa giống cây trồng canh tác trong nhà kính hay ứng dụng tưới tiêu tiết kiệm nước cho cây trồng trong nhà kính là chính. Hình 1.4: Trồng dâu công nghệ cao theo phương pháp thủy canh ở Đà Lạt 6
21. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về nhà vườn và các tiêu chuẩn liên quan 2.1.1 Tổng quan về nhà vườn (nhà kính) thông minh: a. Nhà vườn( nhà kính) thông minh là gì? Nhà vườn (nhà kính) là một hệ thống cơ sở rất hữu ích và quan trọng trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao. Giúp quá trình canh tác không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường bất lợi. Bên cạnh đó nhà vườn (nhà kính) thông minh còn có khả năng tự động điều chỉnh các yếu tố sinh lý: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng hay cả chế độ tưới nước cũng như các chất dinh dưỡng thích hợp với điều kiện phát triển của cây trồng trong từng giai đoạn phát triển, qua đó hạn chế các yếu tố gây hại cũng như mầm bệnh tác động đến cây trồng để đạt được năng suất hiệu quả kinh tế cao nhất cũng như đạt được các chi tiêu xuất khẩu. Không chỉ dùng lại ở đó nhà vườn (nhà kính) thông minh còn cho phép kiểm soát đầy dủ và chặt chẽ hầu hết các thông số quá trình sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trong thời vụ. b. Các dạng nhà vườn( nhà kính) phổ biến hiện nay. Nhà lưới: Là giải pháp chi phí thấp cho người trồng muốn tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, tiết kiệm đáng kể chi phí hoạt động (năng lượng, tưới nhỏ giọt, tưới phun, vv) ngăn ngừa bệnh của cây trồng với kinh phí đầu tư thấp.Nhà lưới là giải pháp trung gian nằm giữa so với cách trồng ngoài trời và nhà kính cho phép tối ưu để bảo vệ cây trồng chống lại sâu bệnh, bụi và gió.Nhà lưới là một giải pháp tốt cho khu vực nơi có sương giá. Lưới làm giảm đáng kể sự thoát nhiệt từ mặt đất và tạo một khí hậu khác so với môi trường bên ngoài, giúp cây trồng có điều kiện sống tốt ngay cả trong sương giá.Loại nhà này thích hợp cho điều kiện khí hậu nóng và khô. Cấu trúc nhà được bao phủ bởi các loại lưới chống côn trùng, lưới che nắng. Loại nhà kính nhiệt đới: Cung cấp khả năng thông gió tối ưu cho khu vực nhiệt đới nơi mà mưa nhiều và độ ẩm cao. Thông gió mái cố định cho phép độ ẩm thoát ra khỏi nhà kính. Hình dạng của kèo cho phép truyền tải ánh sáng tối đa. 2.1.2 Giới thiệu về tiêu chuẩn VietGAP a. Giới thiệu chung Sau khi gia nhập WTO, ngành xuất khẩu Việt Nam đã có nhiều thay đổi tích cực; Tuy nhiên, lượng hàng hóa xuất khẩu của Việt Nam ra nước ngoài chưa được như kỳ vọng. Một phần nguyên nhân chính là hàng hóa của chúng ta vấp phải các quy định về tiêu chuẩn hàng hóa rất khắt khe của các nước nhập khẩu. Hiện nay, thị trường xuất nhập khẩu nông sản-thủy sản-thực phẩm trên thế giới đang được kiểm soát bởi những tiêu chuẩn rất cao về chất lượng sản phẩm cũng như vệ sinh an toàn thực phẩm. Nắm bắt được những khó khăn trên, từ năm 2006, ASEAN đã công bố bản quy trình GAP (Good Agricultural Practices: Thực hành nông nghiệp tốt) chung cho các nước thành viên. 7