CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Ưu điểm của phương pháp trồng rau thủy canh
Hệ thống thủy canh không sử dụng đất, giúp hạn chế nguồn mầm bệnh từ đất trồng, từ đó giảm thiểu việc sử dụng thuốc trừ sâu và thuốc bảo vệ thực vật Điều này không chỉ áp dụng cho mô hình trồng rau quy mô hộ gia đình mà còn cho các trang trại, mang lại lợi ích lớn trong việc tăng năng suất tổng thể mà không tốn chi phí cho thuốc trừ sâu Hơn nữa, phương pháp này đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm cho cây trồng.
Bạn có thể phát triển cây trồng trong căn hộ nhỏ hoặc phòng ngủ miễn là có đủ không gian lắp ráp hệ thống thủy canh Hệ thống này có thể thiết kế nhiều tầng, giúp cây phát triển tốt Rễ cây trong phương pháp thủy canh không cần mở rộng ra đất để tìm kiếm thức ăn và oxy, vì chúng được ngâm trong dung dịch dinh dưỡng, tiếp xúc trực tiếp với các khoáng chất cần thiết Điều này cho phép bạn trồng cây gần nhau hơn, giúp tiết kiệm không gian đáng kể.
3 Ít tốn công chăm sóc
Mô hình thủy canh là giải pháp tự động hóa, giúp giảm thiểu công sức chăm sóc cây trồng Với hệ thống tự động, người sở hữu chỉ cần điều chỉnh dung dịch dinh dưỡng và theo dõi sự phát triển của cây, thường chỉ cần kiểm tra một lần mỗi tuần cho mô hình nhà phố Đối với quy mô sản xuất, hệ thống này còn tiết kiệm chi phí thuê nhân công, khi một kỹ sư nông nghiệp có thể quản lý hàng nghìn mét vuông đất trồng thủy canh.
Thủy canh giúp tiết kiệm thời gian nhờ vào sự tăng trưởng vượt trội của thực vật so với phương pháp canh tác truyền thống Các công việc như trồng trọt, tưới nước, và kiểm soát cỏ dại, sâu bệnh trở nên dễ dàng hơn Việc áp dụng công nghệ trong nông nghiệp không chỉ nâng cao hiệu quả mà còn giảm thiểu sức lao động truyền thống.
Mô hình thủy canh là một phương pháp tiết kiệm nước hiệu quả, nơi hệ thống dinh dưỡng được lưu trữ trong các bể chứa Cây trồng hấp thụ trực tiếp dinh dưỡng từ bể thông qua các máng trồng, loại bỏ hoàn toàn sự phụ thuộc vào môi trường đất Phương pháp này sử dụng hệ thống tuần hoàn kín, giúp tối ưu hóa việc sử dụng nước.
Mất nước trong hệ thống thủy canh chỉ xảy ra qua hai hình thức: bay hơi và rò rỉ Tuy nhiên, một hệ thống thủy canh được thiết lập hiệu quả sẽ không gặp phải tình trạng rò rỉ nào.
Nước sẽ trở thành một vấn đề quan trọng trong tương lai khi sản xuất lương thực dự kiến tăng 70% Thủy canh được xem là giải pháp khả thi cho sản xuất lương thực quy mô lớn, đặc biệt tại những khu vực có khí hậu khô cằn Mặc dù tầm quan trọng của việc tiết kiệm nước chưa được nhận thức rõ ràng ở các quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm như Việt Nam, nhưng nó lại mang lại lợi ích lớn cho các vùng khô hạn.
5 Năng suất cao gấp 2 lần
Mô hình trồng rau thủy canh mang lại năng suất cao hơn từ 1,5 đến 3 lần so với phương pháp trồng truyền thống Phương pháp gối vụ trong thủy canh giúp tiết kiệm thời gian và tăng số vụ trồng trong năm bằng cách gieo cây con trước khi thu hoạch cây cũ Điều này không chỉ giảm thiểu hao hụt do sâu bệnh mà còn cho phép cây con được chuyển vào hệ thống mà không làm tổn thương đến bộ rễ, khác với phương pháp trồng đất, nơi rễ cây thường bị ảnh hưởng và cần thời gian để thích nghi.
6 Kiểm soát yếu tố tác động tới cây
Mô hình thủy canh thương mại thường kết hợp với nhà màng hoặc nhà kính, mang lại cho người trồng khả năng kiểm soát toàn diện các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và dinh dưỡng Sự kết hợp này cho phép trồng thực phẩm trong điều kiện tối ưu, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
Trồng cây trong môi trường đất thường gặp phải vấn đề cỏ dại, gây khó khăn và tốn thời gian cho người làm vườn Chi phí diệt cỏ dại có thể rất cao, đặc biệt là khi khu vườn rộng hàng nghìn ha Tuy nhiên, với phương pháp thủy canh, bạn sẽ không phải lo lắng về sự xuất hiện của cỏ dại, giúp tiết kiệm công sức và chi phí chăm sóc cây trồng.
8 Ít sâu bệnh, kiểm soát tối đa thuốc bảo vệ thực vật
Môi trường đất thường thu hút nhiều loài gây hại như chim, sâu và bọ, nhưng với thủy canh, cây được nuôi dưỡng bằng dung dịch dinh dưỡng, giúp kiểm soát yếu tố dinh dưỡng và hàm lượng chất trừ sâu Điều này cho phép phát triển thực phẩm sạch và lành mạnh hơn, đồng thời giảm thiểu việc sử dụng thuốc trừ sâu và thuốc diệt cỏ Thủy canh là giải pháp hiệu quả trong bối cảnh an toàn thực phẩm ngày càng được chú trọng trong cuộc sống hiện đại.
9 Là một sở thích giảm stress hiệu quả
Nhiều người hiện nay đang có xu hướng tìm về thiên nhiên, rời xa nhịp sống hiện đại và áp lực công việc Sau những ngày dài mệt mỏi với công việc và gia đình, việc ngắm nhìn một góc nhỏ trong căn hộ của mình trở thành thời gian quý báu để tĩnh lặng và thư giãn.
“sống chậm” một chút Lý do cản trở cho việc trồng cây tại nhà như thiếu không gian không còn đúng Hệ thống thủy canh làm được điều đó.
Nhiều người đã biến tình yêu với cây cối thành công việc hàng ngày, tạo dựng trang trại rau thủy canh rộng lớn Họ không chỉ nuôi dưỡng đam mê trồng trọt mà còn chăm sóc cho gia đình mình.
10 Đảm bảo chất lượng rau trồng
Rau thủy canh có chất lượng và hình thức vượt trội so với rau thông thường, nhờ vào quy trình sản xuất được kiểm soát chặt chẽ Hiện nay, rau thủy canh được bày bán rộng rãi tại các siêu thị lớn, và để có mặt tại đây, sản phẩm phải được chứng nhận an toàn bởi các tổ chức uy tín như VietGAP hoặc GlobalGAP Việc kiểm soát dinh dưỡng theo tiêu chuẩn của WHO giúp rau thủy canh đảm bảo không bị thừa hoặc thiếu chất, từ đó nâng cao sức khỏe người tiêu dùng Hệ thống trồng rau này cũng giúp giảm thiểu sâu bệnh, mang lại mẫu mã bắt mắt hơn so với rau trồng theo phương pháp truyền thống.
Nhược điểm của phương pháp trồng rau thủy canh
1 Chủng loại bị hạn chế
Hệ thống trồng thủy canh thường được áp dụng cho việc trồng các loại rau ăn lá, rau gia vị và một số loại rau ăn quả ngắn ngày như cà chua, dưa chuột và ớt chuông.
… Và hệ thống khó để sử dụng trồng các loai cây có bộ rễ lớn như cây ăn quả lâu năm.
2 Chi phí đầu tư cao
Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống thủy canh cao hơn so với mô hình trồng truyền thống, do cần xây dựng nhiều thiết bị như bể chứa, bơm dinh dưỡng, khung giàn và bộ hẹn giờ tự động Tuy nhiên, hệ thống thủy canh giúp giảm thiểu chi phí duy trì nhờ tiết kiệm nhân lực, phân bón, thuốc trừ sâu, điện và nước.
3 Đòi hỏi kiến thức chuyên môn
Hệ thống thủy canh yêu cầu người trồng có kiến thức chuyên môn để có thể vận hành hiệu quả Để trồng thủy canh, ngoài kiến thức cơ bản về cây trồng, người trồng cần nắm vững kiến thức về dinh dưỡng và hệ thống tự động Việc lắp đặt hệ thống thường đi kèm với chuyển giao công nghệ từ người lắp đặt đến người trồng, đặc biệt là trong các mô hình quy mô nhỏ và lớn Đối với mô hình nhỏ, chuyển giao chỉ bao gồm cách pha dinh dưỡng và vệ sinh hệ thống, trong khi với quy mô trang trại, nó còn bao gồm công thức dinh dưỡng, kỹ thuật chăm sóc cây và công nghệ thu hoạch Để khắc phục nhược điểm này, người trồng nên tìm kiếm đơn vị thi công trang trại uy tín, và sau khi nhận được sự hướng dẫn từ kỹ sư, việc vận hành hệ thống sẽ trở nên dễ dàng hơn.
Hình 1.2- Hệ thống khung giàn
4 Sâu bệnh phát sinh sẽ lây lan nhanh chóng
Nếu bạn đang trồng cây trong hệ thống thủy canh, cần lưu ý rằng nhiễm trùng thực vật và sâu bệnh có thể lây lan nhanh chóng qua hồ chứa dinh dưỡng Tuy nhiên, trong các hệ thống nhỏ dành cho người trồng cây trong nhà, sâu bệnh thường không phải là vấn đề nghiêm trọng Do đó, bạn có thể yên tâm hơn khi bắt đầu với khu vườn nhỏ của mình mà không cần quá lo lắng về những vấn đề này.
Quản lý bệnh trong trang trại quy mô thương mại là một nhiệm vụ phức tạp, vì vậy việc lập kế hoạch phòng ngừa bệnh ngay từ đầu là rất quan trọng Để đảm bảo an toàn, hãy sử dụng nguồn nước sạch và nguyên liệu không có bệnh, thường xuyên kiểm tra các hệ thống và áp dụng các phương pháp phòng bệnh từ giai đoạn xây dựng hệ thống.
Nếu sâu bệnh xảy ra, bạn cần phải khử trùng nước bị nhiễm bệnh, chất dinh dưỡng và toàn bộ hệ thống một cách nhanh chóng.
1.3 Một số hệ thống trồng rau thủy canh hiện nay
Khí canh là một phương pháp thủy canh tiên tiến, trong đó rễ cây được phun sương bằng dung dịch dinh dưỡng và treo lơ lửng trong không khí Phương pháp này mang lại năng suất cao và tạo ra môi trường sống hoàn toàn sạch bệnh cho cây trồng, đồng thời không cần sử dụng thuốc trừ sâu.
Hình 1.3- Hệ thống trồng rau khí canh
So với thủy canh, phương pháp này mang lại năng suất cao hơn và khắc phục nhược điểm của thủy canh bằng cách hạn chế sự lây lan mầm bệnh giữa các cây Các cây được treo lơ lửng trong không khí và quá trình phun dinh dưỡng được tự động hóa, từ đó giúp cây sinh trưởng nhanh chóng và đạt năng suất tối ưu.
Mô hình khí canh đã phát triển mạnh mẽ ở nước ngoài, nhưng tại Việt Nam, nó vẫn chưa được áp dụng rộng rãi do chi phí đầu tư cao và quy trình xây dựng phức tạp.
2 Hệ thống thủy canh dạng bấc (wick system)
Hệ thống thủy canh là phương pháp phổ biến nhất nhờ chi phí thấp và quy trình thi công đơn giản Trong hệ thống này, rễ cây hấp thu dung dịch dinh dưỡng thông qua các bấc hút và ống dẫn nước.
Hình 1.4- Hệ thống trồng rau thủy canh dạng bấc
Hệ thống này gặp phải thách thức lớn do yêu cầu sử dụng một lượng nước đáng kể để đảm bảo cung cấp đủ dung dịch dưỡng cho cây qua các bấc hấp thu.
3 Hệ thống tưới nhỏ giọt (drip system)
Hệ thống nhỏ giọt trên nền giá thể là một phương pháp thủy canh hiệu quả, cung cấp dung dịch dinh dưỡng trực tiếp đến rễ cây thông qua các đầu tưới nhỏ giọt Phương pháp này giúp tối ưu hóa việc cung cấp nước và chất dinh dưỡng, từ đó nâng cao năng suất cây trồng.
Hệ thống tưới nhỏ giọt đơn giản bao gồm bồn chứa nước, ống dẫn và vòi tưới nhỏ giọt, cùng với phần điều khiển tự động như van điện, bộ lọc và bộ điều khiển thời gian tưới Hệ thống còn tích hợp bộ châm phân tự động, cung cấp phân bón khi tưới Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là khả năng đáp ứng linh hoạt nhu cầu về nước và phân bón cho cây trồng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự sinh trưởng và phát triển của cây Hệ thống tưới nhỏ giọt rất phù hợp cho các loại rau ăn quả như dưa chuột, cà chua và các loại rau ăn củ như su hào, cải bắp.
Hình 1.5- Hệ thống trồng rau nhỏ giọt
4.Hệ thống ngập & rút định kỳ (ebb & flow)
Hệ thống ngập và rút định kỳ là phương pháp thủy canh hiệu quả, hoạt động bằng cách tạm thời ngập khay trồng trong dung dịch dinh dưỡng và sau đó rút lại vào bể chứa Quá trình này được điều khiển bởi một máy bơm chìm kết hợp với bộ đếm thời gian tự động, giúp bơm dung dịch dinh dưỡng vào khay trồng khi đồng hồ bật.
Khi bộ đếm thời gian tắt máy bơm, dung dịch dinh dưỡng sẽ từ từ rút về bể chứa Đồng hồ được cài đặt để tắt mở nhiều lần trong ngày, tùy thuộc vào kích thước và loại cây trồng, cũng như các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và loại giá thể trồng được sử dụng.
Hình 1.6- Hệ thống trồng rau ngập, rút định kì
5 Hệ thống thủy canh hồi lưu nft (nutrient film technique)
Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT) là một phương pháp trong hệ thống thủy canh, trong đó dung dịch dinh dưỡng được lưu thông liên tục trên các rễ cây Để đảm bảo dung dịch dinh dưỡng chảy đều đến từng cây, mô hình này yêu cầu có một độ nghiêng nhẹ.
CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN CỦA RAU THỦY CANH VÀ CẤU TRÚC CỦA CÁC HỆ THỐNG THỦY CANH
Ánh sáng có ảnh hưởng quan trọng đến quá trình nảy mầm của hạt trong thủy canh, đặc biệt là rau thủy canh Một số loại hạt không cần ánh sáng để nảy mầm; nếu tiếp xúc với ánh sáng sớm, sự nảy mầm có thể bị ức chế Sau khi hạt đã nảy mầm và phát triển thành cây con với 1-2 lá nhỏ, bạn có thể đưa cây ra ánh sáng để kích thích quang hợp Đối với hạt cần ánh sáng để nảy mầm, ánh sáng ảnh hưởng đến sự phát triển của bộ rễ; cây ưa sáng sẽ có rễ phát triển mạnh hơn so với cây ưa bóng tối, giúp hấp thụ dinh dưỡng hiệu quả hơn.
Mỗi loại cây thủy canh cần cường độ ánh sáng phù hợp để phát triển tối ưu Thời gian chiếu sáng cũng ảnh hưởng đáng kể đến quá trình ra hoa và kết trái của từng loại cây.
Các loại rau như xà lách, diếp cá, rau kale và rau đay cần ít ánh sáng để phát triển tốt Bạn nên tránh để chúng tiếp xúc với ánh sáng trực tiếp và chỉ cung cấp khoảng 3-4 giờ ánh sáng mỗi ngày.
Cây rau như bí xanh, mướp đắng và cà chua cần ánh sáng trung bình để phát triển, với yêu cầu khoảng 4-6 giờ ánh sáng mỗi ngày Chúng cũng cần không gian thoáng đãng để phát triển tốt nhất.
Cây trồng ưa ánh sáng trực tiếp như cải cúc, rau dền, mồng tơi, mướp, rau muống, ớt, đậu đũa, đậu ván và các loại rau gia vị như tỏi, tía tô, thì là, húng chanh thường có mùa vụ chính vào mùa hè Những loại cây này cần rất nhiều ánh sáng để phát triển tốt trong mùa này.
Nhiệt độ dung dịch thủy canh
Nhiệt độ của dung dịch dinh dưỡng thủy canh đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của bộ rễ cây, vì rễ cây hấp thụ dinh dưỡng thông qua tiếp xúc trực tiếp với dung dịch Mỗi loại rau trồng sẽ có ngưỡng nhiệt độ tối ưu khác nhau, ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng và phát triển của chúng.
Khi nhiệt độ của dung dịch thủy canh vượt quá ngưỡng cho phép, sự hoạt động của các mô trong rễ cây sẽ bị ảnh hưởng Đối với hầu hết các loại rau cơ bản, ngưỡng nhiệt độ lý tưởng cho dung dịch này là từ 18 đến 25 độ C.
Nhiệt độ môi trường trồng rau thủy canh
Để trồng rau thủy canh hiệu quả, nhiệt độ cần được giữ ổn định, tránh tình trạng quá lạnh hoặc quá nóng Trong nhà màng, nhiệt độ thường chênh lệch khoảng 2 độ so với môi trường bên ngoài Nếu nhiệt độ trong nhà màng quá cao, sẽ ảnh hưởng đến khả năng thoát nước của cây và khiến lá cây héo nhanh Đối với các loại rau thủy canh cơ bản như xà lách, nhiệt độ lý tưởng nên duy trì trong khoảng từ 15 – 25 độ.
Phương pháp thủy canh mang lại nhiều lợi ích cho người trồng, giúp tăng năng suất từ 30-50% so với phương pháp truyền thống Không cần sử dụng đất, người trồng sẽ tiết kiệm thời gian chăm sóc và xử lý đất trồng Đặc biệt, phương pháp này không gây ra mầm bệnh hay sâu bệnh, đồng thời giúp tiết kiệm chất dinh dưỡng và nước tưới.
Độ ẩm lý tưởng khi trồng rau thủy canh là khoảng 65% Đối với pH, hầu hết các loại cây trồng thủy canh phổ biến có pH tối ưu từ 5,5 đến 6,5 Các chuyên gia làm vườn thương mại thường duy trì pH trong khoảng hẹp hơn, từ 5,8 đến 6, để đảm bảo sự phát triển tốt nhất cho cây trồng.
Phạm vi pH tối ưu có tính axit cho cây trồng thủy canh rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến độ hòa tan và khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng thiết yếu cho sự phát triển của cây.
Khi độ pH vượt quá 7, khả năng hấp thụ một số chất dinh dưỡng của cây sẽ giảm sút Cụ thể, trong môi trường có độ pH cao, cây có thể gặp tình trạng thiếu sắt, mặc dù lượng sắt trong dung dịch dinh dưỡng đã được cung cấp đầy đủ.
Canxi trong dung dịch dinh dưỡng thủy canh bị ảnh hưởng bởi độ pH cao, dẫn đến việc hình thành các muối không hòa tan và tạo cặn trắng trên thành bể chứa Do đó, việc duy trì độ pH ổn định trong phạm vi phù hợp với từng loại cây trồng là cực kỳ quan trọng để đạt hiệu quả cao trong canh tác thủy canh Ngoài ra, độ dẫn điện EC cũng thay đổi theo từng loại rau và giai đoạn phát triển, cần được theo dõi để đảm bảo sự phát triển tối ưu của cây trồng.
-Với cây rau ăn lá:
Thời kỳ cây con, khoảng từ 3-7 ngày tuổi, EC trong thủy canh dao động từ 600-800ppm
Trước thu hoạch: Trên 700ppm
-Với các loại cây ăn quả củ:
Giai đoạn từ cây con đến lúc trưởng thành: EC trong thủy canh tốt nhất là 800-1.200ppm Theo đó, 1.000ppm là một lượng số thích hợp
Giai đoạn cây đậu quả: Độ dẫn điện EC trong thủy canh thích hợp là
Để cây phát triển khỏe mạnh trong thủy canh, việc hiểu rõ chỉ số độ dẫn điện EC là rất quan trọng Sử dụng bút đo EC nhẹ, linh hoạt và chính xác sẽ giúp kiểm tra nồng độ dinh dưỡng trong nước hiệu quả, đảm bảo điều kiện tối ưu cho sự sinh trưởng của cây.
Khi đã xác định được các chỉ số EC trong hệ thống thủy canh, chúng ta cần so sánh với các tiêu chuẩn cụ thể để đưa ra phương pháp điều chỉnh, nhằm tăng hoặc giảm EC tùy theo kết quả đo được.
2.2 Phân tích và lựa chọn cấu trúc hệ thống thủy canh
Giới thiệu các hệ thống thủy canh:
THIẾT KẾ THI CÔNG MÔ HÌNH
3.1 Lựa chọn bộ điều khiển
Hiện nay, có nhiều phương pháp điều khiển hệ thống điện - điện tử, trong đó ba phương pháp nổi bật và phổ biến nhất sẽ được đề cập Bài viết sẽ phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp, từ đó giúp người đọc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp nhất cho nhu cầu của mình.
- Phương án 1 : điều khiển bằng rơ le
Rơ le là thiết bị chuyển mạch hoạt động bằng điện, sử dụng nam châm điện để điều khiển công tắc Khi dòng điện chạy qua nam châm, từ trường sẽ hút lõi sắt non, làm thay đổi trạng thái chuyển mạch Rơ le có hai vị trí chuyển mạch: trạng thái ON khi có điện và trạng thái OFF khi không có điện.
Hình 3.1- Một số loại rơ le thông dụng
Hệ thống điều khiển Rơ le bao gồm nhiều thiết bị chuyển mạch Rơ le kết hợp với các thiết bị khác như Timer và CP, tạo thành một cấu trúc hoàn chỉnh cho hệ thống điều khiển.
… Ngoài ra còn được sử dụng như một phần tử cách ly điện áp điều khiển và điện áp cháp hành. Ưu điểm :
Thiết kế nhỏ gọn với trọng lượng nhẹ dễ di chuyển khi cần thiết;
Cấu thành từ những nguyên vật liệu có độ bền cao, khả năng chịu nhiệt tốt.
Người vận hành phải có kiến thức và kinh nghiệm cao
Phương án 2: Điều khiển bằng PLC mang lại nhiều lợi ích nổi bật, bao gồm khả năng lập trình linh hoạt và chỉ số IP cho phép hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt PLC có độ bền cao, độ tin cậy vượt trội và tỷ lệ hư hỏng rất thấp Việc thay thế và hiệu chỉnh chương trình được thực hiện dễ dàng, cùng với khả năng nâng cấp thiết bị ngoại vi và mở rộng số lượng đầu vào, đầu ra một cách tùy ý Những tiêu chí này là yếu tố quan trọng khi thiết kế phần điều khiển trung tâm cho hệ thống tự động hóa.
Hình 3.2- Bộ điều khiển PLC Ứng dụng của PLC trong công nghiệp:
Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như:
– Hệ thống nâng vận chuyển.
– Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh.
– Công nghệ chế biến thực phẩm.
– Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn.
– Dây chuyền lắp giáp Tivi.
- Phương án 3 : điều khiển bằng vi điều khiển
Vi điều khiển là một hệ thống nhúng tương tự như máy tính, được tích hợp trên một con chip để điều khiển các thiết bị điện tử Nó bao gồm các thiết bị ngoại vi, bộ xử lý và bộ nhớ, và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị điện tử dân dụng như điện thoại, xe hơi, đèn LED và máy đo nhiệt độ môi trường.
Hình 3.3- Vi điều khiển ATMEGA Ưu điểm:
- Vi điều khiển hoạt động như máy vi tính;
- Việc sử dụng đơn giản, dễ khắc phục sự cố và bảo trì;
- Hầu hết các chân chức năng có thể được người dùng sử dụng;
- Dễ kết nối các cổng RAM, ROM I/O.
- Có kiến trúc phức tạp hơn so với vi xử lí;
- Chỉ thực hiện đồng thời một số lệnh thực thi có giới hạn;
- Không thể làm việc với các thiết bị có công suất cao.
Nhóm chọn vi điều khiển làm bộ điều khiển chính để thiết kế hệ thống mạch điện bỏi tát các những tính năng vượt trội của nó.
3.2 Đặc điểm kỹ thuật của bộ điều khiển được chọn
Em chọn vi điều khiển làm bộ điều khiển chính để thiết kế, bởi vi điều khiển có những ưu điểm sau:
– Công suất tiêu thụ thấp.
Chức năng điều khiển có khả năng thay đổi dễ dàng thông qua thiết bị lập trình, giúp tiết kiệm chi phí nâng cấp phần cứng khi không có yêu cầu thay đổi các đầu vào và ra.
– Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài ms, điều này làm tăng tốc độ và năng suất.
– Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
– Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng.
– Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.
Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno R3 sử dụng MCU
Arduino Nano sử dụng vi điều khiển ATmega328P-AU, cho phép tận dụng tất cả tính năng và chương trình từ Arduino Uno Một lợi thế nổi bật của Arduino Nano là việc sử dụng phiên bản IC dán, giúp nó có thêm 2 chân Analog A6 và A7 so với Arduino Uno.
Hình 3.4- Kit Arduino Nano với vi điều khiển ATEMEGA328P
IC nạp và giao tiếp UART: CH340.
Điện áp cấp: 5VDC cổng USB hoặc 6-9VDC chân Raw.
Mức điện áp giao tiếp GPIO: TTL 5VDC.
Số chân Digital: 14 chân, trong đó có 6 chân PWM.
Số chân Analog: 8 chân (hơn Arduino Uno 2 chân).
Flash Memory: 32KB (2KB Bootloader).
Tích hợp Led báo nguồn, led chân D13, LED RX, TX.
Tích hợp IC chuyển điện áp 5V LM1117.
Hình 3.5- Sơ đồ chân Arduino Nano
Arduino Nano có 14 chân vào/ra digital, hoạt động với điện áp tối đa 5V Mỗi chân có khả năng cung cấp hoặc nhận dòng điện lên đến 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ Các chân này có thể được cấu hình làm đầu vào hoặc đầu ra thông qua các hàm pinMode(), digitalWrite() và digitalRead() Ngoài chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này còn hỗ trợ một số chức năng bổ sung khác.
Chân RX và TX trên mạch được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL, kết nối trực tiếp với các chân tương ứng của chip USB sang TTL.
Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit Tín hiệu PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite ().
Khi cần cung cấp ngắt cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân INT0 và INT1 thông qua hàm attachInterrupt() Các chân này cho phép kích hoạt ba loại ngắt: ngắt khi giá trị thấp, ngắt khi có sự tăng hoặc giảm mức ngắt, và ngắt khi có sự thay đổi giá trị.
- Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI
Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, hãy sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK Mặc dù phần cứng có tính năng này, phần mềm Arduino lại không hỗ trợ, do đó bạn cần sử dụng thư viện SPI để kích hoạt tính năng này.
Khi bạn sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng.
- Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự
Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano có
Bảng điều khiển có 8 đầu vào tương tự, được đánh dấu từ A0 đến A7, cho phép kết nối và xử lý 8 kênh đầu vào Mỗi chân tương tự được trang bị một ADC với độ phân giải 10 bit, cho phép nhận giá trị từ 0 đến 1023 Mặc định, các chân này đo điện áp từ 0V đến 5V Để thay đổi điện áp tham chiếu thành 0V đến 3.3V, người dùng có thể kết nối chân AREF (pin thứ 18) với nguồn 3.3V và sử dụng hàm analogReference() Các chân analog cũng có nhiều chức năng khác tương tự như các chân digital trên Nano.
- Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C
Giao tiếp SPI có nhược điểm như yêu cầu 4 chân kết nối và giới hạn trong một thiết bị Đối với truyền thông đường dài, giao thức I2C là lựa chọn thích hợp, vì nó chỉ cần hai dây: một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA) Để sử dụng tính năng I2C, cần nhập thư viện Wire.
- Chân 18: AREF Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC.
3.3 Lựa chọn các thiết bị khác sử dụng trong mô hình (cảm biến, bơm nước…)
Hệ thống thủy canh mà tôi chọn có các tính năng nổi bật như điều khiển bơm nước bằng Arduino Nano và kết nối điều khiển qua mạng Wifi Để thu nhận dữ liệu qua Wifi, tôi sử dụng kit RF ESP8266, linh kiện tối ưu cho nhiệm vụ này Bên cạnh đó, hệ thống còn cần các linh kiện khác như LCD 16*2 để hiển thị thông số và module LM2596 để hạ áp từ nguồn đầu vào xuống mức phù hợp cho các vi điều khiển như Arduino Nano và ESP8266.
Trong hệ thống thủy canh, các cảm biến như DHT11 để đo độ ẩm và nhiệt độ, cảm biến đo độ ẩm đất, và cảm biến đo độ pH là thiết bị không thể thiếu Những cảm biến này giúp phát hiện các thông số môi trường, từ đó cho phép người giám sát điều chỉnh hoạt động của máy bơm nước một cách hiệu quả nhất Dưới đây là thông tin chi tiết về các linh kiện điện tử và cảm biến được sử dụng trong đồ án.
3.3.1 Kit rf thu phát WIFI ESP8266 NODE36 MCU
KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Sau ba tháng nghiên cứu và thực hiện đề tài mô hình rau thủy canh, tôi đã hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao, bao gồm việc hoàn thiện mạch nguyên lý, sơ đồ mạch in và sản phẩm thực tế Mặc dù gặp nhiều khó khăn ban đầu do kiến thức hạn chế và thiếu kinh nghiệm thực tế, nhưng nhờ nỗ lực cá nhân và sự hướng dẫn tận tình của ThS Nguyễn Ngọc Văn cùng các thầy cô trong khoa Kỹ thuật điện, tôi đã hoàn thành sản phẩm đúng thời hạn Đồ án đã đề xuất các giải pháp thiết kế hệ thống rau thủy canh đơn giản, cho phép quản lý việc chăm sóc cây một cách linh hoạt và tự động điều khiển các thiết bị theo nhu cầu cá nhân.
Do thời gian có hạn, kiến thức của chúng em còn thiếu nên có nhiều điều còn thiếu và sai sót.
Đồ án mới dừng ở mức mô hình
Mô hình trên có thể phát triển với việc mở rộng các ứng dụng khác trong việc chăm sóc cây trồng
Phát triển thiết bị điều khiển cho phép nhiều điện thoại và máy tính cùng giám sát các thiết bị một cách đồng thời.
Phát triển điều khiển thiết bị điện qua các mạng Internet
