Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thông minh chăm sóc vườn cây trồng tự nhiên (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thông minh chăm sóc vườn cây trồng tự nhiên (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN CÔNG ĐỨC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHĂM SÓC VƯỜN CÂY TRỒNG TỰ NHIÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 6 3 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN CÔNG ĐỨC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHĂM SÓC VƯỜN CÂY TRỒNG TỰ NHIÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hướng dẫn khoa học: TS. HUỲNH NGUYỄN HOÀNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2015
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Trần Công Đức Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1977 Nơi sinh: Bình Dƣơng Quê quán: tỉnh Thái Bình Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 272/113, Khu phố 3, P. Chánh Nghĩa, TP. Thủ Dầu Một, Bình Dƣơng Điện thoại cơ quan: 06503831413 Điện thoại: 01655171650 Fax: E-mail: ducvsvc77@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ / đến / Nơi học (trƣờng, thành phố): Ngành học: 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính qui Thời gian đào tạo từ 10/1997 đến 3/2002 Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH. Sƣ Phạm Kỹ Thuật, TP. Hồ Chí Minh Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy Tên luận án tốt nghiệp: Ứng Dụng PLC Điều Khiển Hệ thống Thủy Lực, Khí Nén Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Khoa Cơ Khí Chế Tạo, ĐH Sƣ Phạm Kỹ Thuật, TP. Hố Chí Minh Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Huỳnh Nguyễn Hoàng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty Cao Su Bình Long, Bình 2002-2003 Bảo Trì Máy Phƣớc Trƣờng CĐN Việt Nam – Singapore, Giáo viên giảng dạy các module 2003- nay Thuận An, Bình Dƣơng nghề Cắt Gọt Kim Loại XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày tháng năm 200 (Ký tên, đóng dấu) Ngƣời khai ký tên i
4. LỜI CAM KẾT Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 10 năm 2015 Trần Công Đức ii
5. LỜI CẢM ƠN Sau thời gian thực hiện thì luận văn : ― “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thông minh chăm sóc vƣờn cây trồng tự nhiên” của tôi đã hoàn thành. Ngoài sự nỗ lực và cố gắng của bản thân, tôi gặp phải một số khó khăn trong quá trình thực hiện. Nhờ có sự hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình của quý thầy cô, bạn bè, gia đình tôi đã hoàn thành luận văn của mình. Để tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn: - Thầy hƣớng dẫn khoa học TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng. Thầy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết và nhiệt tình hƣớng dẫn, định hƣớng, góp ý, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. - Ban giám hiệu, phòng sau đại học và quý thầy cô Khoa Cơ khí trƣờng ĐHSPKT TPHCM . Ban giám hiệu và quý thầy cô Khoa Cơ khí Chế Tạo, Khoa Cơ – Điện Tử trƣờng Cao Đẳng Nghề Việt Nam Singapore, tỉnh Bình Dƣơng đã giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành tốt luận văn. - Các anh, chị, bạn bè, trong và ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tôi tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn. - Gia đình, ngƣời thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất, và tạo điều kiện cho tôi trong suốt những năm học vừa qua. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2015 Trần Công Đức iii
6. TÓM TẮT Hệ thống điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng là một khâu quan trọng trong toàn bộ hệ thống trồng rau nhà màng. Quyết định đến năng suất của cây trồng và đặc biệt tạo ra những sản phẩm sạch và đóng góp vào việc bảo vệ môi trƣờng. Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhà trồng rau có hệ thống điều khiển tiểu khí hậu một cách thông minh là rất quan trọng trong việc duy trì một môi trƣờng sinh trƣởng tốt cho cây trồng. Đề tài đã tìm hiểu đặc tính quang hợp của cây xanh, từ đó đã đề xuất nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đề phù hợp với điều kiện quang hợp của cây trồng. Với nguyên lý điều khiển tiểu thời tiết cho nhà trồng, hệ thống điều khiển thông minh cho nhà trồng đƣợc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo. Hệ thống có ba phƣơng thức điều khiển đó là chế độ điều khiển tự động qua bộ lập trình, điều khiển PLC S7-200, hệ thống điều khiển bằng tay và hệ thống điều khiển qua mạng Wifi và Internet. Qua thử nghiệm hệ thống hoạt động tốt và ổn định, các chỉ số điều khiển đảm bảo yêu cầu. iv
7. ABSTRACT The control system of microclimate in greenhouse is an important section in the whole of greenhouse system. Decision on crops capacity and especially creating clean crop products and contribute to environmental protection. The studies, designs, manufactures greenhouse for control system of microclimante wisely is very important in maintaining good growing environment for crops. The thesis studied photosynthesis characteristics of green, hence proposed the operation principle of control system to concordant with condition photosynthesis of green. With principle of control microclimante for greenhouse, smart control system for greenhouse was studied, designed and manufactured. The system has three modes that are automatic control by progammer unit, PLC S7-200 (Process Control Language), manual control system and control system by Wifi (Wireless Fidelity) and Internet network. By testing, system operate well and stable, requirement ensure control indexes. v
8. MỤC LỤC Chƣơng 1 1 MỞ ĐẦU 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 2 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 2 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 3 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu 3 Chƣơng 2 4 TỔNG QUAN 4 2.1 Giới thiệu chung 4 2.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan 5 2.2.1 Nhà màng trên thế giới 5 2.2.2 Nhà màng ở Việt Nam 9 Chƣơng 3 12 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12 3.1 Đặc tính quang hợp của cây xanh 12 3.1.1 Ảnh hƣởng của ánh sáng đến quang hợp 12 3.1.2 Ảnh hƣởng của nồng độ CO2 13 3.1.3 Ảnh hƣởng của nƣớc 14 3.1.4 Ảnh hƣởng của nhiệt độ 14 3.1.5 Ảnh hƣởng của nguyên tố khoáng 15 3.2 Tăng năng suất cây trồng 15 3.3 Kết luận 16 Chƣơng 4 17 TÍNH TOÁN - THIẾT KẾ 17 4.1 Phân tích và lựa chọn phƣơng án thiết kế 17 4.1.1 Chọn lựa cấu trúc nhà trồng 17 vi
9. 4.1.1.1 Những yêu cầu trong cấu trúc nhà trồng 17 4.1.1.2 Phân tích các cấu trúc nhà trồng hiện nay . 17 4.1.1.3 Lựa chọn cấu trúc nhà trồng 18 4.1.2 Hệ thống tƣới nƣớc 20 4.1.2.1 Các phƣơng pháp tƣới nƣớc tiết kiệm. 20 4.2.1.2 Chọn lựa hệ thống tƣới nƣớc 22 4.3 Chọn lựa phƣơng thức điều khiển 23 4.4 Nguyên lý hoạt động của nhà màng 24 4.4.1 Chế độ điều khiển tự động. 24 4.4.2 Chế độ điều khiển bằng tay. 27 4.4.3 Chế độ điều khiển qua mạng Internet 27 4.5 Các công việc tính toán thiết kế 27 4.5.1 Thiết kế bộ phận đóng mở cửa thông gió 27 4.5.2 Thiết kế hệ thống rèm cắt nắng 31 4.6 Thiết kế mạch điện điều khiển 40 4.6.1 Yêu cầu thiết kế 40 4.6.2 Thiết kế mạch PLC 42 4.3.3 Thiết kế mạch điện động lực 47 4.7 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mạng Internet 48 Chƣơng 5 49 CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM 49 5.1 Chế tạo các bộ phận 49 5.1.1 Chế tạo bộ phận đóng mở cửa thông khí. 49 5.1.2 Chế tạo bộ phận đóng mở màn cắt nắng 51 5.1.3 Chế tạo khung nhà màng 52 5.1.4 Chế tạo đƣờng ống tƣới nhỏ giọt 54 5.1.5 Thiết kế thi công phần điện 54 5.1.5.1 Động cơ điện đóng mở cửa thông khí 55 5.1.5.2 Động cơ điện đóng mở màn cắt nắng 56 vii
10. 5.1.5.3 Công tắc hành trình 57 5.1.5.4 Cảm biến từ 58 5.1.5.5 Cảm biến báo mƣa 59 5.1.5.6 Cảm biến độ ẩm không khí 60 5.1.5.7 Cảm biến nhiệt độ 62 5.1.5.8 Cảm biến ánh sáng 63 5.1.5.9 Relay thời gian 65 5.1.5.10 Nguồn 12V 68 5.1.5.11 Nguồn 5V 68 5.1.5.12 Van điện từ 69 5.1.5.13 Quạt làm mát không khí 70 5.1.5.14 Máy phun sƣơng 70 5.1.5.15 Bộ điều khiển internet 71 5.2 Thử nghiệm 75 5.2.1 Thử nghiệm khả năng chuyển động của màn cắt nắng 75 5.2.1.1 Mục đích thử nghiệm: 75 5.2.1.2 Trang thiết bị và dụng cụ 75 5.2.1.3 Mô tả thử nghiệm 75 5.2.2 Thử nghiệm các bộ phận kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, mƣa. 76 5.2.2.1 Mục đích thử nghiệm 76 5.2.2.2 Trang thiết bị và dụng cụ 76 5.2.2.3 Mô tả thử nghiệm 77 5.2.3 Khảo sát quá trình điều khiển nhiệt độ và độ ẩm 78 5.3 Hoàn chỉnh thiết kế 81 Chƣơng 6 83 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 83 6.1 Kết quả 83 6.2 Hƣớng phát triển 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 viii
11. WEBSITE 85 PHỤ LỤC 86 ix
12. DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ Hình 2.1: Một Nông trang ở sa mạc Israel [6] 6 Hình 2.2: Hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ đƣợc cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và kết nối đến các computer [6] 7 Hình 2.3: Mô hình trồng rau theo công nghệ Úc [12] 9 Hình 3.1: Ảnh hƣởng của cƣờng độ ánh sáng đến cƣờng độ quang hợp khi nồng độ CO2 tăng [15] 12 Hình 3.2: Cƣờng độ hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố quang hợp [15]. 13 Hình 3.3: Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 [14] 13 Hình 3.4: Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quang hợp [14] 14 Hình 4.1: Nhà màng kín [13] 17 Hình 4.2: Nhà màng mái che có cửa thông khí [14] 18 Hình 4.3: Nhà màng có mái tự động đóng mở 19 Hình 4.4: Tƣới phun mƣa [16] 20 Hình 4.5: Tƣới phun sƣơng [16] 21 Hình 4.6: Vòi tƣới nhỏ giọt [16] 21 Hình 4.7: Sơ đồ lắp đặt van điện và đƣờng ống dẫn nƣớc tƣới nhỏ giọt 22 Hình 4.8: Sơ đồ lắp ráp hệ thống phun sƣơng 23 Hình 4.9: Sơ đồ điều khiển qua PLC và Internet 23 Hình 4.10: Lƣu đồ giải thuật điều khiển nhiệt độ 24 Hình 4.11: Lƣu đồ điều khiển độ ẩm 25 Hình 4.12: Lƣu đồ điều khiển ánh sáng 26 Hình 4.13: Bộ phận mở cửa thông gió 27 Hình 4.14: Cửa thông gió, (a) Trạng thái cửa đóng , (b) trạng thái cửa mở 29 x
13. Hình 4.15: (a) Cơ cấu khâu khi đóng (b) Cơ cấu khâu khi mở 29 Hình 4.16: Bộ phận đóng mở màn cắt nắng (khi đóng) 32 Hình 4.17: Bộ phận đóng mở màn cắt nắng (khi mở) 32 Hình 4.18: Sơ đồ trục kéo màn thứ nhất 37 Hình 4.19: Sơ đồ phân bố mômen 39 Hình 4.20: Trục chủ động sau khi thiết kế 40 Hình 4.21: Trục bị động sau khi thiết kế 40 Hình 4.22: Lƣu đồ giải thuật điều khiển hệ thống 41 Hình 4.23: Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 44 Hình 4.25: Mạch điện các thiết bị chấp hành 47 Hình 4.26: Mô hình điều khiển thiết bị thông qua Wife và mạng Internet. 48 Hình 5.1: Chế tạo bộ phận mở cửa thông khí 50 Hình 5.2: Bộ phận kéo màn cắt nắng 52 Hình 5.3: Bản vẽ thiết kế khung nhà màng 53 Hình 5.4: Khung nhà màng sau khi hoàn thành 53 Hình 5.5: Đƣờng ống dẫn nƣớc tƣới nhỏ giọt 54 Hình 5.6: Nƣớc chảy dƣới dạng nhỏ giọt 54 Hình 5.7: Động cơ điện 12 VDC có hộp số 55 Hình 5.8: Lắp đặt động cơ đóng/mở cửa thông khí 56 Hình 5.9: Động cơ điện 220 VAC có hộp số 56 Hình 5.10: Công tắc hành trình 57 Hình 5.11: Vị trí lắp đặt công tắc hành trình giới hạn đóng/mở cửa thông khí 58 Hình 5.12: Cảm biến điện từ 58 Hình 5.13: Cảm biến từ gắn trên hành trình kéo màn 59 Hình 5.14: Cảm biến báo mƣa 59 xi
14. Hình 5.15: Lắp đặt cảm biến mƣa trong mô hình nhà màng 60 Hình 5.16: Cảm biến độ ẩm không khí 60 Hình 5.17: Lắp đặt cảm biến độ ẩm trong nhà màng 61 Hình 5.18: Cảm biến nhiệt độ và bộ điều chỉnh nhiệt độ 62 Hình 5.19: Sơ đồ đấu dây nguồn cung cấp điện và nguồn ra các tải. 63 Hình 5.20: (a) Cảm biến cƣờng độ sáng BH1750 và (b) mạch điều khiển cƣờng độ sáng 64 Hình 5.21: Mạch relay tác động mức ánh sáng 64 Hình 5.22: Lắp ráp bộ phận cảm biến ánh sáng trong mô hình nhà màng 65 Hình 5.23: Relay điều chỉnh thời gian 66 Hình 5.24: Nguồn một chiều 12VDC 68 Hình 5.25: Nguồn 5V 68 Hình 5.26: Van điện từ 69 Hình 5.27: Quạt điện 70 Hình 5.28: Máy phun sƣơng và đầu béc phun sƣơng 70 Hình 5.29: Hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng EC10 [16]. 72 Hình 5.30: Thiết bị điều khiển qua Lan/Inthernet EC10 [16] 72 Hình 5.31: Bảng giao diện điều khiển thiết bị qua Webserver [16] 73 Hình 5.32: Các thành phần của thiết bị EC10 [16] 73 Hình 5.33: Biểu đồ nhiệt độ , độ ẩm ngày 12/10/2015 78 Hình 5.34: Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm ngày 13/10/2015 79 Hình 5.35: Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm ngày 14/10/2015 79 Hình 5.36: Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm ngày 15/10/2015 80 Hình 5.37: Tổng thể mô hình nhà màng 81 Hình 5.38: Tổng thể nhà màng sau khi hoàn thiện 82 xii
15. DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Nhiệt độ sinh trƣởng của một số loại cây trồng 15 Bảng 2: Tổng hợp các thông số tính toàn bộ phận truyền đai 31 Bảng 3: Tổng hợp các thông số 36 Bảng 4: Các cảm biến, công tắc 41 Bảng 5: Cơ cấu chấp hành 42 Bảng 6: Địa chỉ ngõ vào PLC 42 Bảng 7: Địa chỉ ngõ ra PLC 43 Bảng 8: Thông số kỹ thuật bộ phận cửa thông khí 50 Bảng 9: Thông số kỹ thuật bộ phận đóng mở màn cắt nắng 51 Bảng 10: Các thông số động cơ một chiều 55 Bảng 11: Thông số kỹ thuật động cơ đóng mở màn cắt nắng 57 xiii
16. Chƣơng 1 MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay trên thế giới, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển vào trong sản xuất là rất nhiều và cần thiết trong các ngành nghề kể cả trong nông nghiệp. Trong nông nghiệp, nhờ ứng dụng các công nghệ điều khiển hiện đại mà năng suất và chất lƣợng cây trồng tăng lên đáng kể. Với công nghệ trồng rau trong nhà màng có sự hỗ trợ của các thiết bị điều khiển đã cho những kết quả ngoài mong đợi nhƣ năng suất cao, chất lƣợng tốt, sạch, an toàn mà còn có thể trồng những loại cây mà từ trƣớc không phải là truyền thống của vùng miền. Ở Việt Nam, việc trồng rau trong nhà màng đang phát triển nhanh chóng, đem lại lợi ích cao cho ngƣời nông dân. Tuy nhiên, do chi phí đầu tƣ cao nên việc ứng dụng chỉ hạn chế trong các nông trang lớn có khả năng về kinh tế, hoặc chỉ điều khiển ở dạng bán tự động nên vẫn cần nhiều nhân công trong việc điều khiển vì hầu hết các trang thiết bị điều khiển đều phải nhập từ nƣớc ngoài nên giá thành cao. Do đó cần phải có hƣớng nghiên cứu, thiết kế và chế tạo những thiết bị này ngay ở trong nƣớc để giảm chi phí, phù hợp với điều kiện kinh tế của ngƣời nông dân và điều kiện môi trƣờng ở Việt Nam. Luận văn đã trình bày kết quả thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển tiểu môi trƣờng trong mô hình nhà màng một cách tự động và có sự hỗ trợ của máy tính và đặc biệt có thể điều khiển qua điện thoại Smarphone. Kết quả thực nghiệm cho thấy với nhà màng đƣợc điều khiển tự động sẽ làm cho điều kiện môi trƣờng sinh trƣởng của cây trồng tốt hơn, phù hợp yêu cầu môi trƣờng đặt ra cho từng loại cây trồng. Mặt khác với khả năng điều khiển từ xa qua Smarphone làm cho việc giám sát và điều khiển trở nên sễ dàng hơn. 1
17. 1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Ở Việt Nam, diện tích trồng rau xanh rất lớn. Hầu hết phƣơng thức canh tác chủ yếu theo cách truyền thống nên cho năng xuất thấp và chất lƣợng không cao. Do đó cần phải có một phƣơng thức mới nhằm nâng cao chất lƣợng sản phẩm và năng xuất cây trồng. Hiện nay cũng đã có nhiều nơi ở Việt Nam đã ứng dụng công nghệ trồng cây trong nhà màng và công nghệ này cũng đã phát huy tính hiệu quả đã giúp cho các nhà đầu tƣ đạt đƣợc lợi nhuận. Tuy nhiên các thiết bị điều khiển của các nhà màng trồng rau lớn ở Việt Nam hầu hết đƣợc nhập từ nƣớc ngoài nên giá thành cao, do đó những hộ nông dân nhỏ khó tiếp cận đƣợc với công nghệ này hoặc có thì ở mức đơn giản và còn nhiều khâu phải làm thủ công. Vì lý do này, tác giả đã chọn lựa đề tài “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển thông minh chăm sóc vƣờn cây trồng tự nhiên”. Đề tài thực hiện cho phép giải quyết: - Áp dụng công nghệ tự động để điều khiển tiểu khí hậu của nhà màng giúp giảm bớt sức lao động, nguồn nƣớc, phân bón, thuốc trừ sâu và nâng cao chất lƣợng điều chỉnh. - Ứng dụng công nghệ thông tin để quan sát, quản lý thiết bị điều khiển. - Mô hình nhà màng có thể sử dụng ở qui mô nhỏ hộ gia đình nhất là những nơi có khuôn viên nhỏ của hộ gia đình ở khu đô thị. - Làm tăng giá trị của sản phẩm cây trồng, giúp cải thiện chất lƣợng cuộc sống và tăng thu nhập cho ngƣời trồng. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đề tài triển khai nghiên cứu hƣớng tới mục tiêu sau: - Tự động hóa quá trình tƣới nƣớc - Tự động hóa quá trình tạo độ ẩm và thông khí. - Tự động hóa quá trình che, cắt nắng. - Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh nhà màng 2
18. 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đặc tính quang hợp của cây xanh. - Tiểu khí hậu trong nhà màng. - Cách thức điều khiển tiểu khí hậu trong nhà màng. - Cách thức giám sát và điều khiển qua mạng internet. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu. - Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế. 3
19. Chƣơng 2 TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chung Các sản phẩm rau xanh là nguồn thực phẩm không thể thiếu trong bữa ăn hàng ngày của con ngƣời. Nhu cầu về rau xanh là rất lớn, do đó cần phải có nguồn cung cấp rau lớn. Hiện nay nƣớc ta có diện tích trồng rau xanh rất lớn, việc trồng rau xanh ở nƣớc ta mang tính tự phát và không theo qui chuẩn an toàn chất lƣợng nào. Vì vậy rất khó kiểm soát về chất lƣợng của sản phẩm, nhất là dƣ lƣợng về các thuốc bảo vệ thực vật. Ngoài ra năng suất cây trồng cũng là yếu tố để giúp tăng lợi nhuận cho ngƣời trồng vì vậy cần phải có nghiên cứu một qui trình trồng rau xanh hiệu quả an toàn và chất lƣợng tốt. Một trong các cách làm hiệu quả của việc trồng rau là trồng rau trong nhà màng. Đây là một công nghệ mới, cho phép ngƣời trồng rau tạo ra các sản phẩm chất lƣợng, an toàn và năng suất cao. Việc trồng rau trong màng hiện đã trở nên phổ biến do tính hiệu quả của nó, không những đối với những trang trại lớn mà còn có thể ứng dụng cho từng hộ gia đình, tùy theo khả năng kinh tế và qui mô sản sản xuất. Ở Việt Nam việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào điều khiển khí hậu của nhà trồng rau cũng đã có khắp nơi, các thiết bị điều khiển hầu nhƣ là nhập từ các nƣớc có công nghệ tiến tiến nhƣ Nhật, Isareal, Ustralia, Giá thành các thiết bị này tƣơng đối cao, rất khó cho ngƣời nông dân Việt Nam tiếp cận. Vì vậy cần phải có những nghiên cứu và chế tạo các thiết bị trong nƣớc sao cho đảm bảo đƣợc ngƣời nông dân có thể đầu tƣ đƣợc và dể sử dụng. Đây cũng chính là mục đích của ngƣời nghiên cứu cần hƣớng tới nhằm tạo ra một sản phẩm tốt và hiện đại cho ngƣời nông dân Việt Nam. Trong đề tài này chúng tôi cũng nghiên cứu hệ thống điều khiển qua mạng truyền thông Internet nhằm nâng cao khả năng giám sát điều kiện môi trƣờng của 4
20. nhà trồng để đƣa quyết định kịp thời cho việc điều khiển tiểu khí hậu nhà trồng tốt hơn. 2.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan 2.2.1 Nhà màng trên thế giới Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều thành công với mô hình trồng cây trong nhà kính. Các ứng dụng khoa học vào nông nghiệp đã đem lại những kết quả cao, điển hình nhƣ Ustralia, Israel, Hà lan, trên đây là một số nƣớc có kỹ thuật nông nghiệp tiên tiến. Israel: 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 trƣờng sinh thái nhà kính [6]. Về kết cấu và cấu trúc: Kết cấu và cấu trúc nhà kính cần đảm bảo nguyên tắc cứng, nặng, đủ độ bền vững để chống lại gió mạnh (tuỳ theo đặc trƣng thời tiết khí hậu địa phƣơng). Hiện nay, Israel sử dụng toàn bộ loại hình nhà kính tiên tiến. Các bộ phận thƣờng có của một nhà kính tiêu chuẩn là hệ thống rèm "cửa ánh sáng" và hệ thống lƣới tạo bóng râm, các hệ thống kiểm soát và điều chỉnh môi trƣờng sinh thái để tạo lập ra một môi trƣờng sinh thái tƣơng thích đáp ứng nhu cầu sinh hóa cây trồng, nhƣ hệ thống kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống kiểm soát và điều chỉnh ẩm độ không khí/ẩm độ đất, hệ thống kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng, hệ thống thông khí Cùng với việc nghiên cứu phát triển công nghệ tổng hợp, Israel đang tập trung khai thác và tận dụng các đặc trƣng đặc tính của “vật liệu thông minh” để xây dựng nhà kính [6]. 5
21. Hình 2.1: Một Nông trang ở sa mạc Israel [6] Về công nghệ kiểm soát tiểu khí hậu nhà kính công nghệ cao (Technologies for hi-tech greenhouses climate control): Nhà kính của Israel phải đảm bảo các tiêu chuẩn công nghệ quy định, ví dụ nhƣ tiêu chuẩn thích ứng nhiệt “làm mát vào ban ngày và toả ấm vào ban đêm”. Việc thiết kế và xây dựng nhà kính nhƣ thế nào đó để sao cho việc kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố môi trƣờng để tạo ra " miền tiểu khí hậu tối thích " cho cây trồng phát triển trong khi chỉ cần "mức chi phí năng lượng tối thiểu". Vì ngƣời sản xuất không thể sản xuất với bất cứ giá thành nào. Thông thƣờng, việc điều chỉnh chế độ nhiệt thƣờng đựơc kết hợp với việc điều chỉnh chế độ ẩm và đựơc thực hiện thông qua hệ thống "phun mù”. Các "hạt phun" có chức năng hấp thụ nhiệt dƣ thừa trong nhà kính vào ban ngày và lƣu trữ lƣợng nhiệt năng này để làm ấm nhà kính vào ban đêm. Nhƣ vậy, việc kiểm soát và điều chỉnh chế độ nhiệt/ẩm của nhà kính diễn ra liên tục suốt ngày đêm. Để tự động hoá việc kiểm soát và điều chỉnh các thông số môi trƣờng nhà kính, hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ đƣợc cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và đƣợc kết nối trực tiếp đến computer để thực hiện các lệnh tƣới, bón, điều chỉnh nhiệt ẩm, tạo lập môi trƣờng sinh thái tối thích cho cây trồng sinh trƣởng phát triển [6]. 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4