Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển thông minh chăm sóc vườn cây trồng tự nhiên

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

1. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHĂM SÓC VƯỜN CÂY TRỒNG TỰ NHIÊN Trần Công Đức, Huỳnh Nguyễn Hoàng Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Nguyễn Quốc Thanh Trường CĐN kỹ thuật Công Nghệ TP.HCM 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 trường. 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 trường sinh trưởng 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 được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo. Hệ thống có ba phương 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. Từ khóa:nhà kính, rau sạch, trồng rau tự động 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. Keywords: Green – house, fresh vegetable, Horticulture automation 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 lượng 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 như năng suất cao, chất lượng tốt, sạch, an toàn mà còn có thể trồng những loại cây mà từ trước 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 người nông dân. Tuy nhiên, do chi phí đầu tư 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 nước ngoài nên giá thành cao. Do đó cần phải có hướng nghiên cứu, thiết kế và chế tạo những thiết bị này ngay ở trong nước để giảm chi phí, phù hợp với điều kiện kinh tế của người nông dân và điều kiện môi trường ở Việt Nam. Bài báo đã trình bày kết quả thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển tiểu môi trường trong mô hình nhà màng một cách tự động và có sự hỗ trợ của máy tính và có thể điều khiển qua điện thoại Smarphone một số thiết bị trong hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm
2. Kết quả thực nghiệm cho thấy với nhà màng được điều khiển tự động sẽ làm cho điều kiện môi trường sinh trưởng của cây trồng tốt hơn, phù hợp yêu cầu môi trường 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. 2. PHƯƠNG 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. Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế. 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Mô hình hệ thống điều khiển độ ẩm, nhiệt độ, ánh sang của nhà trồng rau Khí hậu ở Việt Nam là khí hậu nhiệt đới gió mùa, có nền nhiệt và độ ẩm tương đối cao quanh năm. Do đó việc lựa chọn mô hình nhà màng mái che có cửa thông khí có thể đóng mở được sẽ đạt được sự thông thoáng cao, tránh được nấm mốc và dễ điều khiển nhiệt độ hơn. Kiểu nhà màng này có kết cấu đơn giản, nhẹ và mái có thể đóng mở tự động để tạo sự thông thoáng và dễ dàng đón ánh sáng mặt trời, giúp cho không gian trồng thêm thoáng, sáng và làm cho khả năng sinh trưởng của cây trồng thêm tốt hơn. Hình 1: Mô hình nhà màng 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng 3.2.1 Thiết kế bộ phận đóng mở cửa thông gió Hệ thống mở mái hoạt động khi nhiệt độ, độ ẩm tăng cao quá ngưỡng cài đặt nhằm làm thong khí nóng ra ngoài và giảm độ ẩm của nhà màng. Hệ thống sẽ đóng lại khi nhiệt độ
3. giảm dưới 33oC hoặc độ ẩm giảm dưới 65% hoặc khi trời có mưa. Cửa thông khí có thể mở góc tối đa là 39o ở mỗi bên, đảm bảo không khí được lưu thông tốt giữa nhà màng và môi trường bên ngoài. Hình 2: a) Cơ cấu khâu khi đóng (b) Cơ cấu khâu khi mở Hình 3: Các bộ phận đóng mở cửa thông khí Bộ phận đóng mở cửa thông gió gồm: 1: Động cơ AC và hộp giảm tốc 6: thanh đẩy cánh cửa bên trái 2: Dây đai răng bước p= 4mm 7: Cánh cửa bên phải 3: Puly răng bước p = 4mm 8: Cánh cửa bên trái 4: Khâu quay 9: Trục nối truyền động quay 5: Thanh đẩy cách cửa bên phải 10: Các trụ nối cánh cửa thông gió
4. Nguyên lý hoạt động: Khi động cơ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, qua hệ thống truyền đai răng làm cho tay quay 4 quay, thanh đẩy 5 và 6 sẽ đẩy cánh 7 và 8 lên phía trên để mở cửa. khi động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ làm cho tay quay 4 quay cùng chiều kim đồng hồ, thanh đẩy 5 và 6 sẽ kéo cánh 7 và 8 xuống để đóng cửa. Qua trục nối 9 , cơ cấu đối diện cũng hoạt động tương tự. 3.2.2 Thiết kế hệ thống rèm cắt nắng 1: Động cơ điện AC và bộ giảm tốc 6: Bộ truyền động xích 2: Puly răng 7: Trục quay 3: Dây đai răng 8: Dây kéo màn 4: Puly quấn, nhả dây kéo màn 9: Màng cắt nắng 5: Bạc đạn Hình 4: Bộ phận đóng mở màn cắt nắng (khi đóng) Hình 5: Bộ phận đóng mở màn cắt nắng (khi mở) Nguyên lý hoạt động: Động cơ 1 quay, qua hệ thống truyền đai làm cho trục 3 quay . Trục 7 quay cùng chiều và cùng tốc độ với trục 3 nhờ truyền động xích 6 với trục 3. Hai puly trên trục 3 sẽ quấn dây
5. khi chiều quay cùng chiều kim đồng hồ, trong khi hai puly trên trục 7 sẽ nhã dây làm kéo màn cắt nắng 9 về phía phải (đóng màn). Khi chiều quay ngược chiều kim đồng hồ thì hai puly trên trục 3 sẽ nhã dây trong khi hai puly trên trục 7 sẽ quấn dây làm kéo màn cắt nắng về phía trái (mở màn cắt nắng). 3.2.3 Thiết kế chương trình điều khiển PLC Chế độ điều khiển tự động thông qua các tín hiệu đầu vào của các sensor nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, báo mưa và các công tắc hành trình được thực hiện như sau: 3.2.3.1 Điều khiển nhiệt độ. - Nếu có mưa thì cửa thông khí nhà màng sẽ đóng lại còn nếu không có mưa và o nhiệt độ trong nhà màng lớn hơn nhiệt độ ngưỡng trên (To >33 C) thì hệ thống nóc mái sẽ được mở ra đồng thời hệ thống quạt khí mát sẽ thổi lượng khí nóng trong nhà màng ra ngoài và bơm phun sương hoạt động làm mát môi trường trong nhà màng. Trong trường hợp nhiệt độ nhỏ hơn To thì đóng cửa thông khí của nhà màng, tắt quạt gió và tắt bơm phun sương. Hình 6: Lưu đồ giải thuật điều khiển nhiệt độ 3.2.3.2 Điều khiển độ ẩm. - Nếu độ ẩm không khí thấp hơn độ ẩm cài đặt Rho thì bơm phun sương hoạt động. Nếu độ ẩm không khí cao hơn độ ẩm cài đặt Rho thì tắt bơm phun sương, đồng thời mở cửa thông khí. Nếu trời mưa thì đóng cửa thống khí
6. Hình 7: Lưu đồ điều khiển độ ẩm 3.2.3.3 Điều khiển áng sáng. Ánh sáng rất quang trọng trong quang hợp của cây trồng, việc tận dụng ánh sáng tối đa cho cây trồng là rất cần thiết. Vì vậy màn cắt nắng chỉ đóng/mở khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ cho phép và khoảng đóng phụ thuộc vào cường độ sáng mạnh hay yếu ở mức độ nào. o - Nếu nhiệt độ lớn T0 (33 C) hệ thống cảm biến quang sẽ báo trời có nắng nhiều hay ít để kịp thời che màn cắt nắng cho phù hợp. Cảm biến quang có 4 mức, tùy theo cường độ o sáng mà đóng hoặc mở ít hay nhiều ( có 4 mức đóng mở). Nếu nhiệt độ nhỏ hơn T0 (33 C) thì màn mở ra hoàn toàn.
7. Hình 8: Lưu đồ điều khiển ánh sáng AS L1: cường độ sáng mức 1 (mức cường độ ánh sáng mạnh nhất) AS L2: cường độ sáng mức 2 AS L3: cường độ sáng mức 3 AS L4: cường độ sáng mức 4 (mức cường độ nhỏ nhất) 3.2.3.4 Điểu khiển tưới nước - Tưới nước được cài đặt qua một Relay thời gian. Việc tưới nước tùy thuộc vào từng loại cây và từng giai đoạn sinh trưởng. Trong mô hình này tưới nước được cài đặt như sau: một ngày tưới 4 lần, mỗi lần 15 phút ( lần 1: 5 giờ; lần 2: 10 giờ; lần 3: 14 giờ; lần 4: 20 giờ)
8. - Công suất tải tức thời tối đa: 25A,220V - Nguồn điện tiêu chuẩn hoạt động: 5A, 220V - Dãy điện áp làm việc: từ 160VAC – 240VAC - Công suất tiêu thụ: nhỏ hơn 1W - Có bộ nhớ cài đặt ON và bộ nhớ cài đặt OFF - Khoảng cách thời gian tắt/mở là 1 phút. - Khoảng cách thời gian cài đặt tắt/mở tối đa 168 giờ (1 tuần lễ) - Có pin chờ khi mất điện, do đó không bị mất bộ nhớ giờ Hình 9: Relay điều chỉnh thời gian - Có thể chọn lịch làm việc cho Timer cho cả tuần hoặc từng ngày riêng rẽ trong tuần. - Sai số thời gian của đồng hồ chuẩn trên máy: không quá 0,5 giây/ ngày Thông số kỹ thuật: 3.2.3.5 Điều khiển qua Internet Trong mô hình này, chúng tôi dùng module EC10 của công ty TITANS để điều khiển thiết bị qua mạng. EC10 là thiết bị điều khiển, giám sát thông qua mạng LAN/Internet . EC10 cho phép giao tiếp trực tiếp với mạng Internet thông qua cáp RJ45 không cần kết nối máy tính. EC10 hỗ trợ tới 6 Relay Outputs cho phép điều khiển trực tiếp 6 thiết bị điện 220V, hỗ trợ tới 6 đầu vào cách ly cho phép kết nối với công tắc để điều khiển trực tiếp, EC10 cũng có hai đầu vào dạng analog 0-12V cho kết nối với các cảm biến khác như cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng. Ngoài ra EC10 cũng có connector mở rộng để mở rộng hệ thống cho phép tăng số lượng đầu ra hoặc kết nối với các cảm biến phức tạp khác [7]. Hình 10: Hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng EC10 [7].
9. Hình 11: Giao diện màn hình điều khiển Kết nối điều khiển như sau: - Device 1 : Bơm phun sương - Device 4 : Mái thông khí đóng - Device 5: Mái thông khí mở - Device 2 : Mở màn cắt nắng - Device 3 : Đóng màn cắt nắng - Device 6 : Quạt 3.2.4 Kết quả khảo nghiệm Bảng kết quả khảo sát nhiệt độ, độ ẩm ngày 12/10/2015 Nhiệt độ ngoài Độ ẩm ngoài Nhiệt độ trong Độ ẩm trong Giờ trời (độ C) trời (%) nhà (độ C) nhà (%) 9 37 81 32 84 10 41 72 34 85 11 42 65 33 85 12 37 86 30 88 13 39 85 30 88 14 40 87 31 90 15 39 78 33 88 16 36 75 31 85 17 35 76 31 85 100 Nhiệt độ 80 ngoài trời (độ C) 60 Độ ẩm ngoài 40 trời (%) 20 Nhiệt độ trong nhà (độ 0 C) 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Hình 12: Biểu đồ nhiệt độ , độ ẩm ngày 12/10/2015 Kết luận: Qua khảo sát quá trình điều khiển tiểu khí hậu trong nhà màng của bốn ngày cho thấy khi nhiệt độ ngoài trời cao hệ thống điều khiển cho phép hạ nhiệt độ trong nhà từ 4 ÷ 9oC, nhiệt độ trong nhà màng giao động ở mức từ 28 ÷ 34oC. Độ ẩm ngoài trời trong các ngày
10. khảo sát trong khoảng từ 65 ÷ 87% thì khi điều khiển độ ẩm trong nhà màng luôn giao động từ 80 ÷ 90% Theo kết quả trên cho thấy mô hình điều khiển hoạt động tốt, khả năng kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ đạt yêu cầu. 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Từ các kết quả nghiên cứu trên chúng tôi rút ra các kết luận sau: - Kết quả nghiên cứu phần nào đáp ứng được yêu cầu đã đặt ra cho việc điều khiển các yếu tố môi trường của nhà trồng rau. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng cho việc sản xuất rau an toàn có chất lượng và năng suất cao và làm đa dạng hóa các loại cây trồng mà trước đây địa phương không trồng được. - Việc ứng dụng bộ điều khiển PLC giúp cho quá trình lập trình dễ dàng và có thể thay đổi được tùy thuộc yêu cầu điều khiển và khả năng mở rộng của bộ điều khiển. Ngoài ra với việc giám sát và điều khiển hệ thống qua Internet giúp cho việc quản lý thuận tiện và dễ dàng hơn khi ở khoảng cách xa. 4.2 Hướng phát triển Do thời gian, điều kiện nghiên cứu, chế tạo có giới hạn nên luận văn đã hoàn thành nhưng chưa thật sự đáp ứng được những kỳ vọng của chúng tôi, vì vậy những kiến nghị sau đây được đề xuất để nghiên cứu sau được hoàn chỉnh hơn: - Hệ thống cần thêm bộ phận nhận biết và điều chỉnh độ ẩm của đất, nồng độ CO2, hệ thống pha trộn phân tự động. - Hệ thống điều khiển có thể lựa chọn được những thông số điều kiện môi trường cho từng nhóm cây một cách tự động. Ngoài ra hệ thống điều khiển qua internet có khả năng linh hoạt hơn như: thay đổi một số thông số về điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm v.v. mà không cần điều chỉnh trực tiếp từ thiết bị. 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Văn Hùng, Đào Duy Vinh,Kết quả nghiên cứu Mô hình nhà kính ứng dụng điều khiển tự động bằng PLC, tạp chí KHKT Nông Lâm Nghiệp, số 3. Tr 60 – 65, 2007 2. NGHE-CAO-ISRAEL 3. tu-dong-ung-dung-tai-khu-vuc-Thanh-Pho-Ho-Chi-Minh.html 4. mo-hinh-nha-kinh-nha-mang-tai-thanh-pho-da-lat-tinh-lam-dong-docx.htm 5. 6. 7.
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.