Mô hình nhà trồng cây với điều khiển tự động ứng dụng tại khu vực thành phố hồ chí minh

Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hố - VCCA-2011 Mơ hình nhà trồng với điều khiển tự động ứng dụng khu vực thành phố Hồ Chí Minh The Model of The Automated Greenhouse used for HoChiMinh City’s Area Nguyễn Ngọc Lâm, Đỗ Quang Minh, Trần Công Thịnh, Phạm Hữu Nhượng/1/ Viện Nghiên cứu Điện tử, Tin học Tự động hoá (Phân Viện Tp.HCM) /1/ Khu Nông nghiệp Công Nghệ Cao, Tp.HCM e-Mail: lamnguyenngoc_ne@yahoo.com.vn, doquangminh19960@yahoo.com.vn, trancthinh@yahoo.com, nhuongphcnc@gmail.com Tóm tắt Từ khố: Bài báo trình bày kết nghiên cứu ứng dụng nhà trồng có điều khiển tự động xây dựng phù hợp với điều kiện sinh thái Tp.HCM Nhà trồng GH-300 thiết kế, lắp đặt có mái dạng tam giác liền kế, với diện tích tổng cộng ~ 300m2, gồm nhà (kích thước: 6x16,6x3,5m(máng)– 5,3m(nóc) có hệ điều khiển riêng, phủ lợp polycarbonate, bao quanh màng plastic lưới Hệ thống áp dụng công nghệ cho nhà trồng cây, gồm điều khiển tự động đóng mở mái, kéo rèm, điều hồ vi khí hậu, tưới – cấp dịch điều khiển ánh sáng theo chương trình, kết nối với máy tính điều khiển từ xa Mùa khô, nhiệt độ ban ngày ngồi trời cao (37÷580C), độ ẩm thấp (15÷20%), hệ thống GH300 cho phép hạ nhiệt độ nhà với chênh lệch ~12÷150C Mùa mưa, ngày nắng, hệ thống GH-300 cho phép hạ nhiệt độ nhà với chênh lệch ~ 8÷120C Thời gian sau mưa, hệ thống cho phép hạ nhiệt độ nhà với chênh lệch ~ 5÷70C Ở mức tự động hố trung bình, hệ thống thực có giá thành 40÷50% so với giá ngoại nhập) Các thực nghiệm canh tác để lựa chọn giống phù hợp, chế độ dinh dưỡng, tưới, quy trình canh tác,… thực cho loại rau ăn (rau muống rau cải xanh) ăn (dưa chuột, dưa lưới - giống A Liên Dưa lê - Kim cô nương), loại hoa (dạ yên thảo, thu hải đường), Từ kết trên, cấu hình rút gọn mơ hình nhà trồng danh mục trồng đề xuất để triển khai rộng địa bàn Tp.HCM Nhà trồng cây; điều khiển; vi khí hậu; nhiệt độ; độ ẩm Mở đầu Nhà trồng nhiều Hãng – Nhà sản xuất giới (như Richel Greenhouses; Netafim; Sundance,…) nghiên cứu, thiết kế cung cấp cho thị trường [1, 2, 3, 9, 14] Các kỹ thuật tạo nhà trồng phổ biến rộng rãi mạng Internet Ở nước ta, năm gần đây, phát triển nhảy vọt mang tính tự phát nhà màng-nhà lưới công nghệ thấp (70.000-100.000 đ/m2) địa phương, với đầu tư nhà trồng (Greenhouse) công nghệ cao công ty có vốn đầu tư nước ngồi làm thay đổi tranh nông nghiệp hướng công nghệ cao nước ta Điều thúc đẩy nhiều địa phương nhập nhà trồng có điều khiển tự động Thoạt nhìn vấn đề dễ đạt hiệu Tuy nhiên, việc triển khai canh tác nông nghiệp công nghệ cao hệ thống nhà trồng gặp khó khăn, cản trở thành công việc áp dụng công nghệ Nguyên nhân là, ngồi việc giá thành đầu tư cao (3÷5 triệu đ/m2), việc nghiên cứu chọn lựa mơ hình hệ thống điều khiển thích hợp cho nhà trồng điều kiện khí hậu cụ thể địa phương, việc chọn lựa loại trồng thích hợp, chế độ dinh dưỡng,…chưa giải Nhìn chung, nghiên cứu cần có kết hợp chặt chẽ nhà nông-sinh với người thiết kế kỹ thuật nhà trồng Các kết điều tra số địa phương [22] cho thấy tới 90% diện tích nhà trồng tự phát mức công nghệ thấp, lợp phủ lưới màng plastic Nhà thường cao không 3m, bao quanh lưới để trống Loại nhà dễ xây dựng, rẻ tiền, sử dụng hộ gia đình để trồng loại nhỏ, ươm giống Phần nhỏ lại nhà trồng nhập khẩu, công nghệ chủ yếu mức trung bình, lợp phủ màng plastic (1 lớp), có chiều cao 4-5m tự động điều khiển làm mát, thơng gió tự nhiên cưỡng Loại phần kiểm sốt mơi trường canh tác, bảo vệ tốt (hạn chế vật nuôi phá hoại lây nhiễm bệnh từ bên ngồi), có giá thành tương đối cao, sử dụng trang trại, khu nông nghiệp để trồng loại lớn, canh tác phục vụ sản xuất thương mại ươm giống Một tỷ lệ nhỏ nhà trồng công nghệ cao sử dụng công ty đầu tư nước Abstract The GH-300 three-section 300m2- area greenhouse is designed and produced for use to plant the vegetables and flowers in HCMC The GH-300 is the automatic system that included the greenhouse environmental control with the roof and shading control, coolpad equipment, fogging, automated irrigation, nutrient dosing and lighting The system allows to reduce the greenhouse temperature about 12-150C in a dry season and 8-120C or 5-70C in a rain season depended on the environmental humidity The GH-300 system is effectively used to plant the musk melon, cucumber, small colza, water morning glory, flowers (begonia, ) The fertilizer and plant procedures in this greenhouse for these greens are proposed VCCA-2011 804 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hố - VCCA-2011 ngồi Nhà lợp phủ lớp màng Plastic nhựa polycarbonate, chiều cao 5-8m Nhà trồng loại tự động điều khiển điều hồ khí hậu có hệ thống kiểm sốt dinh dưỡng tưới tự động cơng nghệ cao, có giá tương đối đắt Hệ thống thích hợp cho cho sản xuất sản phẩm chất lượng cao, cho thương mại ươm giống với số lượng lớn, lý tưởng cho việc kiểm sốt tác động mơi trường lên việc canh tác Nước ta nằm vùng khí hậu nhiệt đới, song khí hậu miền khác nhau, đặc biệt có vùng quanh năm mát lạnh Đà Lạt, Tam Đảo, thuận tiện cho việc phát triển nhà trồng Vấn đề xây dựng nhà trồng vùng nóng, vùng có độ ẩm cao khó khăn nhiều Chính vậy, việc nghiên cứu xây dựng mơ hình nhà trồng với trang bị điều khiển tự động, phù hợp với điều kiện khí hậu canh tác địa phương, tạo điều kiện để tiến hành thử nghiệm xác lập quy trình cơng nghệ canh tác cho số loại hoa – rau trồng theo hướng công nghệ cao – có ý nghĩa khoa học thực tiễn Các vấn đề trình bày báo nghiên cứu thực cho nhà trồng cơng nghệ trung bình, ứng dụng thành phố Hồ Chí Minh (TP.HCM) khu vực độ bền giá Kết cấu khung nhà sử dụng thép ống dài 6m (đường kính 21mm, 27mm 60mm), đảm bảo sức chịu tải nhà đà ngang theo tiêu chuẩn quốc tế 100pound/foot2 (90kg/929cm2 ), chịu sức nặng công nhân trèo lên mái cấu kiện khác treo hay gắn nhà Để giải lượng nhiệt tích tụ vùng trung tâm nhà, cấu trúc khí phải đảm bảo yêu cầu điều khiển hệ thống đóng/mở mái tự động, thơng gió cưỡng bức, thơng gió mái đảo gió quạt, hệ thống làm mát khơng khí nhà, có che nắng bên ngồi nước máng xối Tại Tp.HCM tháng nóng tháng - tháng cuối mùa khô, hướng nhà đặt theo hướng bắc tây bắc –> nam - đông nam để khai thác gió Tín phong theo hướng nam - đơng Nam (có khoảng từ tháng đến tháng Thiết kế cấu trúc nhà trồng Cấu trúc nhà thiết kế sở xem xét ảnh hưởng tham số môi trường trồng Với mái nhà vòm cong, xạ mặt trời suốt ngày ln vng góc với mái cho phép đa phần tia sáng vào nhà tia phản xạ ít, lượng xạ nhận diện tích canh tác lớn Loại mái vịm thường dùng vùng có lượng xạ mặt trời yếu (vùng ôn đới – vùng có tuyết khả chịu tải mái lớn) Ở vùng nhiệt đới nhiều nắng, với loại mái tam giác, xạ mặt trời vào sáng chiều vng góc với mái nhà Vào trưa nắng gắt, lượng xạ nhận diện tích canh tác lại giảm bị phản xạ nhiều hai phần mái nhà.Vì nhà mái tam giác thường dùng vùng nhiều nắng (nhiệt đới, sa mạc) Ngồi ra, phân tích tác dụng nâng mái gió (theo Định luật Bernuli) cho thấy dạng mái vịm tác dụng gió chịu lực nâng lớn dạng mái tam giác Các phân tích dịng khí khí đối lưu tự nhiên nhà với mái vịm dạng mái tam giác có kiểu thơng mái cho thấy đối lưu tuỳ thuộc mạnh vào vị trí cửa mái Những nhà mái tam giác dễ thực cửa thoát phần nóc, nên có đối lưu tự nhiên tốt, dễ dàng cho phép khí nóng tích tụ phần mái ngồi Căn phân tích trên, cấu hình nhà lựa chọn dạng mái tam giác, xây dựng liên kế để giảm bớt vật liệu xây dựng cho phép tạo diện tích canh tác rộng Nhà trồng GH-300 gồm nhà liên kế (3x100m2), thực cho đối tượng trồng cụ thể: Nhà trồng rau ăn lá; Nhà trồng rau ăn quả, dưa loại giá thể; Nhà trồng hoa chất lượng cao (xem H.1) Với nhiều loại vật liệu làm khung nhà, việc chọn thép ống mạ xây dựng phù hợp Nhà trồng GH-300 cBắ ắc yb Tâ WN W N S m Na -Đ ôn g m na VCCA-2011 H Các dãy nhà GH-300 Khu Nông nghiệp Công Nghệ Cao Tp.HCM (Xã Phạm Văn Cội, Huyện Củ Chi Tp.HCM) dựng theo hướng bắc - tây bắc/namđông nam (xem H.2) H ES E Hướng nhà, hướng gió Tín phong, quỹ đạo mặt trời Loại vật liệu sử dụng phủ lợp: Lớp phủ suốt cho mái nhà trồng có ảnh hưởng chủ yếu đến khả truyền ánh sáng cung cấp cho trồng, dẫn truyền nhiệt độ, hiệu suất lượng sử dụng yếu tố định cho việc thiết kế hệ điều khiển tối ưu môi trường bên nhà Các loại vật liệu lợp sử dụng gồm nhóm kính, màng plastic (nhựa PVC, Polyvinyl Cloride, Polyethylene mật độ thấp/LDPE), PVC, 805 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 Ethylene vinyl acetate copolymer /EVA) plastic (PolyCarbonate/PC, thuỷ tinh hữu /Acrylic– PMMA– Polymethylmethacrylate) Từ nhiều loại plastic có cấu trúc hố học khác nhau, lựa chọn ta cần phải tính đến hai đặc tính cho nhà trồng khả truyền qua xạ mặt trời khả dẫn nhiệt Nhà màng xứ ơn đới có u cầu giảm nhiệt Ngược lại, nhà màng xứ nóng lại cần giải nhiệt tích tụ bên nhà Quá trình quang hợp trồng cần phần ánh sáng nhìn thấy (khả kiến - PAR) xạ mặt trời, có bước sóng (400~700nm), chiếm 38,2% tổng số xạ mặt trời Sau qua bầu khí quyển, tỷ lệ tăng lên 42,9% tổng lượng xạ đến mặt đất [4,5] Ngồi cịn có sóng vùng tử ngoại (UV), hồng ngoại (IR) rìa đỏ (FR: Far-Red), gần đỏ (NIR) Năng lượng mặt trời bị phản xạ hấp thụ bầu khí vật liệu phủ nhà Phần truyền qua dành cho phát triển thực tế khoảng - % Phần lại bị hấp thu phát xạ nhiệt làm nóng khơng khí bên nhà, hiệu ứng gọi hiệu ứng nhà kính Đối với xứ nóng, việc nghiên cứu hiệu ứng cho thấy bắt buộc phải làm mát khơng khí nhà đảm bảo nhiệt độ mơi trường cho phát triển Đồng thời khả truyền nhiệt vật liệu lợp nhà cần phải xem xét kỹ thiết kế nhà Vật liệu phủ nhà lựa chọn theo hai thông số: - Hệ số truyền tỷ số cường độ xạ bên lớp phủ (I) đo đồng thời với cường độ xạ bên lớp phủ (Io) với bước sóng = I / Io Đối với nhà trồng cây, hai loại xạ quan tâm xạ ánh sáng khả kiến cần cho quang hợp xạ nhiệt góp phần làm nóng mơi trường nhà trồng Trong bảng giới thiệu hệ số truyền ánh sáng khả kiến xạ nhiệt cho loại vật liệu (mới) sử dụng phổ biến lợp nhà trồng [7,8] Loại vật liệu Hệ số truyền PAR BX nhiệt Kính lớp 0,60 0,03 Màng PE lớp(0.1mm ) 0,67 0,80 Màng PE lớp(0.1mm ) 0,67 0,63 FRP lớp ( 0.63mm) 0,89 0,12 Polycarbonate đặc 4mm 0,89 0,81 lớp ruột rỗng 8mm 0,71 0,61 lớp ruột rỗng 16mm 0,63 0,53 - Những yếu tố khác ảnh hưởng đến hệ số truyền ánh sáng: Các thơng số khí tượng (ngày nắng năm), quỹ đạo mặt trời,; Cấu trúc nhà (góc độ cong mái nhà), số lượng gian nhà trải ra, độ cao tường cuối Căn vào thơng số nói trên, loại vật liệu thường dùng phổ biến cho nhà trồng kính, màng plastic plastic (có lớp rỗng) Kính có hệ số truyền sáng tốt, hạn chế tối đa tia cực tím (UV), bền (tuổi thọ 25 năm), giữ nhiệt ban đêm tốt, chi phí bảo quản sửa chữa thấp Tuy nhiên, kính lợp có giá thành cao, trọng lượng nặng khơng an tồn có tuyết, bão, mưa đá …, vậy, chúng VCCA-2011 sử dụng nhà trồng Màng Plastic- Polyethylen (PE)/ Ethylvinyl Acetate/ Polyvinyl Cloride (PVC) Có hệ số truyền sáng tia cực tím tốt, giữ nhiệt Màng dễ rách, thủng, dễ bám bẩn, thường phải thay sau thời gian sử dụng đến 36 tháng tùy mơi trường khí hậu Tuy nhiên giá rẻ, trọng lượng nhẹ, nên chúng ứng dụng phổ biến (loại màng EVA) nhà màng canh tác phổ thông Mái thường lợp lớp để giảm bớt truyền nhiệt hạn chế rách thủng Tấm Plastic loại Polycarbonate loại vật liệu nhiều triển vọng bền vững (tuổi thọ 10 năm), khả truyền sáng, khả cách nhiệt, nhẹ ngăn xạ tử ngoại tốt, cho phép dễ dàng cọ rửa rêu, tảo, chất bẩn phủ mái Từ phân tích trên, nhà GH-300 lợp Multicell Polycarbonate lớp ruột rỗng 6mm Phần bao quanh nhà sử dụng màng plastic lưới Thiết kế thiết bị công nghệ Việc lựa chọn thiết bị công nghệ cho nhà trồng phụ thuộc nhiều vào điều kiện khí hậu địa phương (Tp.HCM) khu vực nằm vùng nhiệt đới gió mùa cận xích đạo, có nhiệt độ cao năm, có hai mùa mưa – khơ Mùa mưa từ tháng đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng năm sau Ðiều kiện nhiệt độ ánh sáng thuận lợi cho phát triển chủng loại trồng vật nuôi đạt suất sinh học cao Lượng xạ mặt trời Tp.HCM cao, trung bình khoảng 140 Kcal/cm2/năm Số nắng trung bình 160-270 giờ/tháng Tháng tháng nóng nhất, có nhiệt độ trung bình (trong bóng râm) 28,8 0C (cao tới 400C) Tháng 12 tháng mát, có nhiệt độ trung bình 25,70C (thấp tới 13,80C) Ðộ ẩm tương đối khơng khí mùa mưa 80% (cao tới 100%), mùa khô 74,5% (thấp tới 20%) Lượng mưa cao, bình quân 1.949mm/năm Số ngày mưa trung bình/năm 159 ngày Khoảng 90% lượng mưa hàng năm tập trung vào tháng mùa mưa từ tháng đến tháng 11 (cao tháng 9) Các tháng 1, 2, mưa ít, lượng mưa khơng đáng kể Các hướng gió chính: gió tây -tây nam mùa mưa (từ tháng đến tháng 10) gió bắc- đơng bắc mùa khơ (từ tháng 11 đến tháng 2) Ngồi có gió Tín phong, hướng nam - đông nam (từ tháng đến tháng 5), tốc độ trung bình 3,7 m/s Về Tp.HCM thuộc vùng khơng có gió bão (nguồn: Nha khí tượng – Thuỷ văn, Khu vực Nam Bộ) Với điều kiện khí hậu nóng nắng quanh năm Tp.HCM, nhà màng cơng nghệ mức trung bình phải có thiết bị công nghệ để đảm bảo môi trường canh tác cho loại rau hoa Các hệ thống phải đảm bảo điều hoà nhiệt độ, xạ, độ ẩm đạt yêu cầu canh tác đòi hỏi Nhà trồng GH-300 phải giải cách hợp lý tối ưu nhiệm vụ điều khiển sau đây: Điều hoà nhiệt độ nhà (mở mái tự động, thơng gió cưỡng bức, thơng gió mái đảo gió quạt, làm mát khơng khí nhà, đóng mở rèm che nắng bên ngoài) điều khiển khác phục vụ canh tác (tưới điều khiển chiếu sáng) 806 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hố - VCCA-2011  Điều hồ nhiệt độ: Nhiệt độ nhà trồng tăng theo ba nguồn nhiệt: hiệu ứng nhà kính, thiết bị toả nhiệt, nhiệt trồng sinh Các giải pháp hạ nhiệt gồm: - Thiết kế hệ thống đóng/mở mái tự động: Phần mái mở có lề gắn trục Kích thước phần mở 0.89mx16.6m (suốt chiều dài gian nhà trồng cây) Tính tốn hệ số thơng gió [19] cho thấy cửa mở =600 hay 900 hệ số thơng gió khơng khác nhiều (=0,56 & 0,63).Việc mở đến 900 đòi hỏi độ bánh dài, phức tạp khí, góc mở tối đa 600 chọn với chế độ: đóng/mở mái 50% (ứng với góc mở 300), mở mái 100% (ứng với góc mở 600) Cấu tạo đóng/mở mái cho phép thơng gió tự nhiên cưỡng mở mái để phần khí nóng tích tụ phần nhà Khi trời mưa lạnh, mái điều khiển đóng lại Hệ thống sử dụng motor để dẫn động cấu mở mái Nhà có trụ Ở trụ đặt cấu bánh mở mái, liên kết động với hộp số motor dẫn động (xem H.3) tới 26.5÷17.50C, chênh lệch tới 18.5÷12.50C Khơng khí có độ ẩm ~40%, nhiệt độ giảm từ 45÷30 0C xuống tới 34÷230C (độ ẩm tăng tới 60%), chênh lệch cịn 11÷70C (độ ẩm tăng tới 75%) Cơng trình [11] tiến hành khảo sát tối ưu lượng cho hệ làm mát, cho kết phân bố nhiệt độ theo khoảng cách sau PAD tốc độ quạt khác Kết nghiên cứu dùng để điều chỉnh tốc độ quạt theo nhiệt độ môi trường, cho phép tối ưu nguồn lượng sử dụng Khu vực Tp.HCM có độ ẩm mùa khô xuống tới 20%, sử dụng hệ thống làm mát bay nước (PAD) cho nhà trồng thích hợp PAD cellulose vật liệu khác xếp nhiều lớp thành khối tiêu chuẩn dày 15cm 30cm Các PAD bố trí theo chiều nước chảy từ xuống Hệ thống làm mát (xem H.4) sử dụng bơm để bơm nước từ bồn chứa (TK-2) cấp cho ống phun chạy dọc PAD Các lỗ ống phun cho phép tạo tia nước áp lực phun xuống PAD Nước không bay chảy dọc theo PAD xuống máng thu hồi trở lại bể chứa TK-2 Khi phun nước từ xuống, dòng nước bị va đập vào thành dích dắc PAD, tạo thành hạt nhỏ bị bay hơi, làm hạ thấp nhiệt độ môi trường Ở đầu đối diện nhà màng bố trí quạt hút (quạt ngược áp – extracting fan) để hút khơng khí từ nhà màng ra, tạo thành chân khơng nhà màng, kéo khơng khí từ ngồi vào nhà màng qua hệ thống PAD làm mát V-5 Ống phun H V-1 Bồn cấp nước FV-1 Cơ cấu đóng mở mái Cơ cấu mở mái có có đầu gắn với phía đẩy mái Motor dẫn động (3 pha, rotor lồng sóc, ½ hp) có hộp số giảm tốc (100:1) vận hành làm quay trục gắn bánh (r=3,15cm, L=19,8cm, 21 răng/vòng) Trục quay làm quay (R=480mm), cho phép vận hành dịch chuyển mái Khi điều khiển motor chạy theo chiều thuận ngược tương ứng với vận hành đóng mở mái (tốc độ 28.7cm/phút) Trục gắn bánh nối dài cho cấu đẩy lại cho mái Các cơng tắc hành trình gắn cấu cho phép điều khiển dừng motor giới hạn 0%, 50% (300) 100% (600) - Tạo phần tường nhà có phần trống (điều khiển đóng mở được) Gió tự nhiên thổi qua tường trống đẩy phần khí nóng tích tụ đỉnh mái ngồi - Hạ nhiệt độ nhà thấp mơi trường bên ngồi: sử dụng phương pháp phổ biến làm mát khơng khí bay nước Quá trình bay nước địi hỏi lượng biết nhiệt hố (đối với nước ~2400kJ/kg) Sự làm mát xuất nước hấp thụ lượng nhiệt nhà màng để bốc hơi, làm giảm nhiệt độ khơng khí Q trình kèm theo tăng độ ẩm nhà màng Các nghiên cứu [10, 11, 12, 13] cho thấy sử dụng phương pháp giảm nhiệt độ bên nhà cách đáng kể so với nhiệt độ bên Hiệu làm mát phụ thuộc mạnh vào độ ẩm khơng khí (khơng khí khơ có độ ẩm ~10%, nhiệt độ giảm từ 45÷30 0C xuống VCCA-2011 Đường cấp V-6 Cool Pad 220V TK-1 M-6 Bơm nước FV-2 Đường hồi H FV-1 V-2 Bể chứa nước TK-2 Hệ thống làm mát (Cool Pad) Do trình bay nước thu hồi bị giảm (~ 4÷5 lít/ phút cho 10m2 PAD ngày khô) Lượng nước hao hụt bể chứa TK-2 bổ sung nhờ van phao cấp nước từ bồn TK-1 Nước sử dụng cho hệ thống làm mát cần tảo muối tích luỹ PAD làm hỏng PAD Các tính tốn cho hệ GH-300, với thể tích nhà 435m3 với địi hỏi tần suất thay đổi khơng khí 1,5 lần/phút nhiều nắng nhiệt độ cao, lưu lượng khí hút ~ 290 m3/phút, sử dụng quạt hút (220V, 0,7 kW, lưu lượng 15.000m3/giờ ~250m3/phút gắn vách nhà đối diện với hệ PAD Với PAD loại Aspen dày 15cm, cần lưu lượng khí cung cấp qua 1m2 PAD 45m3/phút [14] Với GH-300, ta tính diện tích PAD cho nhà 6,4m2 Với diện tích PAD thơng số làm ướt bề mặt PAD 3.78 lít/mét dài PAD [11, 14], ta tính lưu lượng bơm 13.6 lít/ phút Tốc độ hao hụt nước cho GH-100 tính lít/phút - Khống chế xạ ánh sáng để hạn chế ánh sáng làm giảm nhiệt độ bên nhà: Che rèm cho 807 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 nhà màng lưới đen (giá thành rẻ, thơng thống, mật độ lưới che chọn thay đổi dễ dàng) phía bên ngồi nhà Cơ cấu kéo rèm lưới sử dụng motor quay đảo chiều với ròng rọc kéo Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ tự động để điều khiển lưới che làm hệ thống trở nên cồng kềnh Màn che nhà GH-300 (xem H.5) gồm motor dẫn động (3 pha, rotor lồng sóc, ½ hp) có hộp số (15:1) vận hành làm quay trục có gắn ru lô quấn cáp (r=2,5cm, L=15,7) đầu trục Khi motor vận hành theo chiều thuận, ru lơ quấn cáp ru lơ cịn lại nhả cáp (Tốc độ kéo rèm: 1,5m/phút) Thanh nối dẫn rèm liên kết khoang rèm với dây cáp để dây cáp chạy, dẫn rèm đóng/mở Khi motor vận hành theo chiều ngược, ru lô đảo vai trò quấn - nhả cáp dẫn rèm chạy ngược lại Các cơng tắc hành trình gắn cấu cho phép điều khiển dừng motor giới hạn đóng/mở hồn tồn loại quay trịn (bán kính nước 2.5m), nối với máy bơm nước 1/2hp Hệ thống tưới nhỏ giọt hệ thống áp suất thấp nhằm cung cấp nước cách chậm, xác cho trồng theo giọt Ưu điểm phương pháp tưới tiết kiệm nước, khơng bị thất nước tưới thừa, tưới vùng đất khơng có trồng, bay (chỉ ~30% lượng nước tưới thông thường [22]) Phương pháp thích hợp để cung cấp dinh dưỡng cho trồng theo cụm, theo gốc đặc biệt thích hợp cho trồng giá thể Trong hệ GH-300, tưới nhỏ giọt thực biện pháp đơn giản dùng áp lực bồn chứa nước dinh dưỡng nối qua ống dẫn tới ống nhỏ giọt có điều áp [21] cắm khóm hệ thống tưới điều khiển tự động để thay đổi chế độ tưới theo quy trình canh tác - Hệ thống chiếu sáng gồm đèn, điều khiển chiếu sáng khoảng thời gian đặt trước với mục đích kích thích trồng Rèm che sáng Thiết kế hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển với phần cứng cố định, cho phép lựa chọn, xác lập chế độ công nghệ tối ưu, mềm dẻo cho trồng cách sử dụng phần mềm tương ứng Hệ thống điều khiển cho GH-300 xây dựng PLC S7-200 (xem H.6), Hệ thống mạng ghép trạm GHC-100 theo mạng PC-PPI, qua cáp RS485/RS232 trạm PLC-Main (S7-200, CPU-226) Trạm đặt nhà 1, giữ vai trò quản lý mạng kết nối máy tính Máy tinh đặt nhà điều hành Khu, xa nhà trồng GH300 ~ 300m Thiết bị điều khiển nhà GHC-100 gồm PLC-SIMATIC S7-200 CPU224, khối vào thông minh loại tương tự EM235 (chứa ADC 12 bit), khối vào loại số EM223 (4 In/4 Out) khối điều khiển thị lưu động TD200 Nhiệm vụ phần điều khiển tự động trình đo đạc, xử lý lưu trữ số liệu, Lối vào tương tự gồm đầu đo nhiệt độ (LM335, cho điện tỷ lệ tuyến tính với nhiệt độ, 10mV/0K), đầu đo độ ẩm (HIH-4030/31 cho điện từ 0.8-3.8V ứng với độ ẩm tương đối từ 0100%), đặt gian nhà, độ cao 2m Tín hiệu logic trạng thái cơng tắc hành trình đóng mở mái rèm che sáng (5 LS), tín hiệu báo mưa, nắng tốc độ gió Bộ báo mưa gồm cảm biến mưa kiểu cầu điện trở mắc lối vào tầng ngưỡng Khi có mưa, nước mưa ướt làm giảm trở cảm biến, kích hoạt tầng ngưỡng, tạo tín hiệu báo mưa Bộ báo nắng sử dụng cảm biến transistor quang Máy đo gió thiết kế gồm chong chóng quay có trục gắn với tạo mã (Encoder loại ENB-360-3-2 ), cho 360 xung/vịng Lối logic để điều khiển điều hồ nhiệt độ nhà màng (phối hợp làm mát Cool Pad, mở mái, thơng gió, kéo rèm che nắng, phun sương), điều khiển độ ẩm nhà màng (phun sương), điều khiển tưới phun bơm dịch điều khiển ánh sáng Tuỳ điều kiện môi trường (nhiệt độ, nắng, mưa, gió,…), CPU điều khiển riêng kết hợp thiết bị ngoại vi (thông qua điều khiển công suất DRIVE BOX-100) Motor +Hộp số Chiều thuận (đóng)Chiều ngược (mở) Dây cáp H Mo to r + Hộ p số 6m 4,15m Khoang rèm Khoang rèm Khoang rèm Khoang rèm Thanh nối dẫn rèm Bánh xe dẫn cáp Ru lô quấn Hệ thống kéo rèm che - Thiết bị phun sương: Việc phun sương làm bay hạt nước, bay chúng thu nhiệt môi trường làm giảm nhiệt độ khơng khí cho phép bổ sung độ ẩm nhà Thiết bị phun sương cho nhà GH-100 gồm bơm cao áp (1hp, áp suất cực đại tới 50 Kg/cm2) qua 14 đầu Pet/vòi phun (bán kính phun ~11,25m, lưu lượng ~6cm3/s), bố trí theo dãy, độ cao 2.5m, cách 2m hướng lên Áp suất đầu phun: 25-30Kg/cm2 Lưu lượng nước tính ~0,3m3/giờ - Hệ thống quạt đối lưu cho phép giảm chênh lệch nhiệt độ độ ẩm khơng khí nhà trồng Hệ thống GH-300 sử dụng quạt ngang cơng nghiệp, thay sử dụng quạt hướng trục chuyên dụng có giá thành cao Các quạt đối lưu/đảo gió đặt cách vách 1,4m, độ cao 3m, xếp thành cột có hướng quạt ngược để tạo vịng đối lưu Tuỳ điều kiện mơi trường nhà màng thời tiết bên ngoài, thiết bị điều khiển điều khiển riêng rẽ kết hợp các thiết bị công nghệ mô tả (mở mái, hệ thống làm mát, phun sương, quạt đối lưu) để điều hoà nhiệt độ cho nhà màng  Các thiết bị phục vụ canh tác: - Hệ thống tưới chủ động loại [2, 3] có sẵn thị trường Trong nhà GH-300 sử dụng đầu tưới VCCA-2011 808 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 INPUT Analog - Nhiệt độ - Độ ẩm Digital GH-100/1 - Báo mưa Báo nắng Đo gió LS Bảo vệ Slg +RLY Slg GHC-100/1 1 TD-200 V2.0 CPU-224 EM-235EM-223 OUTPUT Digital Slg - Đóng mở mái - Kéo rèm - Quạt đảo - Cấp dịch - Tưới phun - Tưới - Chiếu sáng - Cảnh báo - Bảo vệ GH-100/2 INPUT Analog Digital OUTPUT Digital GHC-100/2 INPUT Analog Digital OUTPUT Digital GHC-100/3 CPU-224 EM-235EM-223 GH-100/3 Màn che sáng Phần quay mở mái CPU-224 EM-235EM-223 GHC-MAIN MASTER CPU-226 RS232/RS485 PC PC/PPI Cable H Cấu hình hệ thống điều khiển nhà trồng GH-300 Các lối từ PLC đưa tới tủ công suất DBOX-1 để điều khiển điều khiển motor, bơm, quạt, van ,… hệ thống DBOX-1 có cơng tắc chọn điều khiển “Tay ” “Tự động” Các hệ thống bảo vệ phao cho bồn nước, cơng tắc hành trình sử dụng điện thấp (24VDC) nhằm bảo đảm an toàn sử dụng Phần mềm cho nhà cài đặt theo nhiệm vụ công nghệ tương ứng Bộ cảnh báo đột nhập hồng ngoại cho phép cảnh báo đột nhập trực tiếp đèn – còi gửi CPU để ghi nhận xử lý Chương trình ghi CPU/PLC viết Microwin 32 Trên H.7 trình bày giản đồ chương trình điều khiển điều hồ nhiệt độ Khi gió mạnh (Wd>Wo), hệ thực điều khiển mở rèm Khi có mưa, hệ thực điều khiển đóng mái mở rèm Khi trời không mưa, nhiệt độ nhà lớn T3 (T≥T3), thực điều khiển chạy hệ làm mát (bơm nước và quạt hút làm mát), quạt đối lưu (đảo gió) Đồng thời, độ ẩm không cao, hệ thực điều khiển chạy bơm phun sương Nếu nhiệt độ độ ẩm khoang nhà lệch 10%, hệ quạt đối ưu điều khiển vận hành Khi trời có nắng nhiệt độ nhà lớn T2 (T ≥T2), hệ điều khiển đóng rèm che khoảng thời gian trưa Chương trình điều khiển tưới - cấp dịch dinh dưỡng chiếu sáng đơn giản – tổ chức định thời (Timers) để điều khiển cho chức Khi khởi động, thiết bị thực xác lập đồng hồ thời gian thực (Clock) Bộ định thời gian Timer điều khiển van solenoid để cấp dịch kiểu tưới nhỏ giọt Bộ định thời gian Timer điều khiển bơm tưới phun từ Bộ định thời gian Timer điều khiển cho hệ chiếu sáng 809 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hố - VCCA-2011 Để đảm bảo an tồn phục vụ lâu dài cho hệ thống bơm, quạt làm mát phun sương chế độ vận hành điều khiển hoạt động 60 phút nghỉ 15 phút tự chạy lại Trên hình H.8 giới thiệu giao diện hình hệ thống điều khiển Trên hình hiển thị thơng số nhiệt độ - độ ẩm cho vùng nhà, cho phép đặt giá trị cho điều khiển nhiệt độ, độ ẩm trạng thái hoạt động thiết bị, Bắt đầu Khởi tạo Clock Gió Y mạnh ? N Mở rèm Độ ẩm Y cao ? N T trưa N ? Y Mưa Y ? N Nắng Y ? Chênh lệch H-T >10% ? N Td>T2 ? Y N N Y Run Quạt đảo Q0.0 Bố trí thiết bị nhà màng Run Q0.1 Quạt hút làm m át Run Q0.2 Bơm nước làm mát T trưa Y ? LS3 N Td>T3 Y ? Q0.3 Đóng mái LS1 Q0.4 LS2 Mở mái N LS5 Đóng rèm LS4 Độ ẩm không cao ? Y N Mở rèm Q0.5 Q0.6 Khối làm mát/ Cool Pad Run Q0.7 Bơm phun sương Mở che Q2.1 Q2.2 Đóng che H Giản đồ chương trình điều hồ nhiệt độ Hệ điều khiển tự động GH-300 PLC S7-200 H Hệ thống nhà trồng GH-300 H Giao diện hình hệ thống điều khiển Kết Trên hình H.9 giới thiệu số hình ảnh GH-300 Dữ liệu đo kiểm soát hệ thống lưu trữ thành file Data máy tính, cho phép lưu trữ kết đo nhiệt độ - độ ẩm (4 vùng), tốc độ gió trạng thái thiết bị công nghệ mốc thời gian quy định Các mốc thời gian lấy số liệu nhập vào hình giao diện Kết H.10 bảng số liệu đo ngày 20-08-2010 cho nhà GH-100/1 lưu trữ máy tính VCCA-2011 H 10 Dữ liệu theo dõi vi khí hậu nhà GH-100/1 ngày 20-08-2010 Trên H.11 kết điển hình so sánh hiệu làm mát nhà trồng GH-100/1 ghi ngày 09-04-2010 Các kết theo dõi nhiệt độ - độ ẩm cho thấy, mùa khơ, độ ẩm thấp (15÷20%) , nhiệt độ ban ngày 810 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hố - VCCA-2011 ngồi trời cao (37÷580C), hệ thống nhà trồng GH300 cho phép hạ nhiệt độ nhà với chênh lệch ~ 12÷150C; cịn mùa mưa, ngày nắng độ ẩm không cao (25÷40%), nhiệt độ ban ngày ngồi trời nắng cao (37÷580C), hệ thống nhà trồng GH-300 cho phép hạ nhiệt độ nhà với chênh lệch ~8÷120C Thời gian sau mưa, độ ẩm cao (60÷70%), hệ thống nhà trồng GH-300 cho phép hạ nhiệt độ nhà với chênh lệch ~ 5÷70C Hệ thống bàn giao từ đầu tháng 6/2009 thức từ tháng 3/2010 để Khu Nông nghiệp Công Nghệ cao (KNN CNC) Tp.HCM sử dụng luận việc sử dụng nhà màng có điều khiển đem lại hiệu đáng kế, cho phép phát triển trồng loại rau hoa nhà màng có điều khiển điều kiện khí hậu thành phố Hồ Chí Minh với quy trình trồng trọt dinh dưỡng thử nghiệm thành công (Dưa lê, dưa lưới dưa chuột, Hoa Dạ yên thảo) không thiết phải sử dụng nhà màng cơng nghệ trung bình để trồng rau ăn hoa Thu hải đường Mặc dù suất số loại có tăng gấp đơi, song cịn so với nước ngồi (~gấp bốn), vấn đề dinh dưỡng - giống trồng cần tiếp tục triển khai nghiên cứu 16h 16h30 15h 15h30 14h 14h30 13h 13h30 12h 12h30 11h 11h30 10h 10h30 9h 9h30 8h 8h30 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38 36 34 32 30 Nhiệt độ trời nắng Nhiệt độ nhà Nhiệt độ nhà có che rèm Dưa lưới trồng nhà GH-300 Nhiệt độ nhà Nhiệt độ nhà màng PE không điều khiển H 11 So sánh hiệu làm mát nhà GH-100/1 Các nghiên cứu nông nghiệp-sinh học KNN CNC thực bao gồm [22]: - Xác định thử nghiệm chế độ dinh dưỡng cho số loại dưa chuột, dưa ăn trái (dưa lưới, kim cô nương), rau (rau muống, cải xanh), hoa (dạ yên thảo, thu hải đường) - Xác định quy trình cơng nghệ canh tác loại trồng nói cho khu vực Tp.HCM - Sản xuất thử nghiệm số loại rau hoa nhiệt đới trồng nhà màng để xác định hiệu kinh tế mơ hình nhà màng Các kết thử nghiệm cho thấy, việc hạn chế nhiễm bệnh cho cây, loại thử nghiệm trồng nhà màng GH-300 sinh trưởng tốt, cho suất cao so với đối chứng Năng suất loại dưa tắng gấp đôi Trên hình H.12 giới thiệu vài sản phẩm nơng nghiệp trồng GH-300 Dưa chuột trồng nhà GH-300 Kết luận Việc nghiên cứu thiết kế nhà màng vấn đề Tuy nhiên việc giải mặt phương pháp luận cho ứng dụng điều kiện vùng nắng nóng Việt Nam cần thiết thiết thực Cùng với việc xúc tiến nghiên cứu nông-sinh học xác định chế độ dinh dưỡng, tưới cho loại trồng thực nghiệm kéo dài suốt năm (mùa khô mùa mưa) cho số loại rau ăn quả, ăn hoa trồng nhà màng GH-300 cho kết tốt so với nhà màng đối chứng Từ đó, kết VCCA-2011 Dạ yên thảo H 12 Một số trồng nhà GH-300 811 Hội nghị toàn quốc Điều khiển Tự động hoá - VCCA-2011 Kinh phí để xây dựng nhà màng mức cơng nghệ trung bình GH-300 ~ 1,8 triệu đ/m2 (2010) Để giảm bớt kinh phí đầu tư, lợp mái vật liệu màng PE (2 lớp) Đối với nhà màng mức cơng nghệ trung bình nước ta, khơng cần thiết phải áp dụng tự động hố tồn mà nên tự động hố cho điều hồ nhiệt độ (coolpad, phun sương), độ ẩm, đối lưu Còn chế độ khác kéo rèm che, tưới tiêu, đóng mở vách hơng, mở mái làm tay Điều cho phép giảm kinh phí tới mức ~ 1,4 triệu đồng/m2 phù hợp với thực tế trường trồng trọt ban ngày ln có người chăm sóc trồng [12] Jessica J Prenger; Peter P Ling: Greenhouse Condensation Control/ Improving Air Circulation, AEX-803-00 Ohio State University Fact Sheet, Food, Agricultural and Biological Engineering, 1680 Madison Ave., Wooster, OH 44691 [13] Buffington D.E., R.A.Bucklin, R.W.Henley and D.B.McConnell , Greenhouse Ventilation [14] Evans M.R.: Greenhouse Management, Design & Construction, 2005 [15] Nguyễn Ngọc Lâm; Nguyễn Văn Uyển: Nhà trồng có điều khiển tự động IGH-24, Tài liệu thiết kế báo cáo kỹ thuật, 2005 [16] Buchanan R.; Charles Hand: Greenhouse Equipment, Facilities shown are UGA & JCCHS Greenhouses, Georgia Agriculture Education Curriculum Office, June, 2002 [17] Netafim: Proposal for design, supply & supervision of Vegetables Greenhouse Project for HoChiMinh City Agriculture Hi-Tech Park, 2008 [18] S William; J.Roberts: Glazing Materials, Structural Design, and Other Factors Affecting Light Transmission in Greenhouse Bioresource Engineering Rutgers University [19] Bùi Hải; Hà Mạnh Thư; Vũ Xuân Hùng: Hệ thống điều hịa khơng khí thơng gió, NXB KHKT, 2001 [20] Castilla.N: Greenhouse Drip Irrigation management and Water Saving, C.I.D.A Apartado 2027 18080 Granada-Spain [21] Ngơ Trí Dương: Thiết kế hệ thống điều khiển trình tưới nhỏ giọt áp dụng trồng nhà lưới, nhà kính, Tạp chí Khoa học kỹ thuật nông nghiệp,Vol No p 321-326, 2005 [22] Nguyễn Ngọc Lâm: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào ứng dụng nhà màng polyethylen trồng có điều khiển tự động phù hợp với điều kiện sinh thái Tp.HCM, Báo cáo khoa học công nghệ Đề tài nhánh mã số KC.03.11-1/0610, 10-2010 Tài liệu tham khảo [1] Richel Greenhouses: The Standard of Innovation, Serres de France: Multispan Greenhouses, 2010 [2] Sundancesupply.com.: Framing Guide [3] Netafim.com: Greenhouse Project, Strutures & Technology, 2010 [4] Duffie J.A.; and Beckman: 1980, Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley, Newyork, [5] Thimijan R.W.; Heins (Photometric, Radiometric, and Quantum Light Units of Measure): A Review of Procedures for Inter Conversion Hort Science, 18(6), 818-822 [6] Gerrit van Straten: Investment in Novel Closed Greenhouse Systems: the Watery design and other developments Wageningen University – Systems & Control Bornsesteeg 59-6708 PD Wageninger,The Netherlands [7] Ting K.C.; G.A Giacomelli: Availability of Solar Photosynthetically Active Radiation, Tran.ASAE, 30(5), 1452-1456’ 1987 [8] Godbey L.C.; T.E.Bond; H.F.Zornig: Transmission of Solar and Long-wavelength Energy by Materials used as Cover for Solar Collectors and Greenhouse Trans.of ASAE, 22(5): 1137-1144, 1979 [9] Aldrich, R.A; J.W Bartok: Jr Greenhouse Engineering NRAES-33 Northeast Regional Agricultural Engineering Service Cornell University, Ithaca, NY 14853, 1989 [10] Bucklin R.A.; J.D.Leary; D.B.McConnel; E.AG.Wilkerson: Fan and Pad Greenhouse Evaporative Colling System Department of Agricultural and Biological Engineering, Florida Cooperative Extension Service, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida Publication date, 2004 [11] Sapounas S.; C.Nikita-Martzopoulou; T.Bartzanas; C.Kitas: Aspect of CFD modeling of fan and pad evaporative cooling system in greenhouse 2nd PALENC Conference and 28th AIVC Conference on Building low Energy Cooling and Advanced Ventilation Technologies in the 21st Century, Crete Island, Greece, September 2007 VCCA-2011 812