THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHÍ CANH TRỒNG XÀ LÁCH

1.2. Ý tưởng thiết kế Tận dụng không gian sân thượng, hành lang, mái hiên để cung cấp rau cho hộ gia đình Đảm bảo nguồn cung rau sạch Tìm ra giải pháp mới cho nông nghiệp thông minh 1.3. Mục tiêu của sản phẩm Giám sát thông số môi trường từ xa (Nhiệt độ không khí độ ẩm không khí – Ánh sáng – Lưu lượng nước) để lưu trữ dữ liệu Điều khiển các thiết bị để tạo môi trường sống tốt nhất cho cây Bật tắt thiết bị tự động hoặc thủ công Thi công nhà kính 1,6 x 0,8 x 1,5m (Dài x Rộng x Cao) Nhiệt độ : 28 – 33 độ C Thời gian chiếu sáng : 1216h ngày với Cường độ sáng tối thiểu 18000 lux Nông độ CO2 : 1000 – 1200 ppm 1.4. Đối tường và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu : Cây xà lách, mô hình nhà kính. Phạm vi nghiên cứu : Điều kiện sinh trưởng của cây xà lách, Bước 1: Chọn đề tài: THIẾT KẾ MÔ HÌNH KHÍ CANH TRỒNG XÀ LÁCH Bước 2: Tìm hiểu các tài liệu liên quan đến việc thiết kế mô hình khí canh trong nông nghiệp. Bước 3: Xác định nhiệm vụ đề tài: Bước 4. Tìm hiểu nguyên lý, trình bày nguyên lý hoạt động chung của mạch điều khiển Bước 5. Tính toán thiết kế Bước 6. Xây dựng lưu đồ giải thuật và mô phỏng mạch điều khiển Bước 7. Vẽ layout và xuất mạch in Bước 8. Thi công mô hình thực nghiệm và kiểm tra đo đạc thực tế Bước 9. Trình bày báo cáo Đồ án trên MS Word Bước 10. Nhận xét đánh giá, rút kinh nghiệm và kết thúc đồ án

Giới thiệu

Khái quát sản phẩm

1.1 Lý do chọn sản phẩm :

Trong quá trình phát triển của các quốc gia thì để có thể phát triển ổn định về kinh tế, chính trị, xã hội thì vấn đề về an ninh lương thực luôn phải được đảm bảo Qua đó có thể thấy rằng nông nghiệp đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong đời sống của con người, nó không chỉ cung cấp lương thực, thực phẩm cho con người, động vật mà còn cung cấp nguyên vật liệu cho các ngành công nghiệp hiện đại Đặc biệt là các loại rau quả khi chúng vừa cung cấp vitamin, khoáng chất và nước… cho cơ thể con người.

Hình 1 1:Nông nghiệp và kinh tế

Kết hợp nhà kính và khí canh trong trồng trọt giúp tăng cường sản lượng và chất lượng cây trồng Nhờ vào môi trường kiểm soát được bên trong nhà kính, con người có thể trồng quanh năm mà không phụ thuộc vào thời tiết hay mùa màng Việc điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, và các yếu tố khác tạo ra môi trường lý tưởng cho sự phát triển của cây Nhà kính cũng đảm bảo chống lại sâu bệnh, nấm mốc, giảm sử dụng thuốc trừ sâu Khí canh giúp điều chỉnh nồng độ chất dinh dưỡng và tiết kiệm nước, tăng diện tích trồng và giảm lượng nước sử dụng đến 90%

Cùng với đó là sự phát triển của công nghệ, giờ đây các thiết bị điện tử, giám sát đã dần dần được đưa vào các nông trại lớn để họ có thể dễ dàng theo dõi các chỉ số môi trường ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây, thống kê, phân tích các số liệu để có thể đưa ra các giải pháp từ đó sẽ làm tăng năng suất cây trồng

Hình 1 2:Nông nghiệp và IoT

- Tận dụng không gian sân thượng, hành lang, mái hiên để cung cấp rau cho hộ gia đình

- Đảm bảo nguồn cung rau sạch

- Tìm ra giải pháp mới cho nông nghiệp thông minh

1.3 Mục tiêu của sản phẩm

- Giám sát thông số môi trường từ xa (Nhiệt độ không khí - độ ẩm không khí – Ánh sáng – Lưu lượng nước) để lưu trữ dữ liệu

- Điều khiển các thiết bị để tạo môi trường sống tốt nhất cho cây

- Bật tắt thiết bị tự động hoặc thủ công

- Thi công nhà kính 1,6 x 0,8 x 1,5m (Dài x Rộng x Cao)

- Thời gian chiếu sáng : 12-16h/ ngày với Cường độ sáng tối thiểu 18000 lux

1.4 Đối tường và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu : Cây xà lách, mô hình nhà kính

- Phạm vi nghiên cứu : Điều kiện sinh trưởng của cây xà lách,

Nội dung

Cơ sở lý thuyết

- Khí canh là phương thức canh tác mới nuôi trồng cây, rau củ sạch không cần sử dụng đất (thổ canh) và nước (thủy canh) mà trồng cây bằng công nghệ trong môi trường không khí chứa chứa các thể bụi dinh dưỡng, với phương pháp này rễ cây có thể hấp thụ dinh dưỡng từ các bụi thể sinh trưởng và phát triển tốt

Hình 2 1:Mô hình trồng khí canh

2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến cây xà lách

Nhiệt độ có ảnh hưởng vô cùng lớn đối với sự sinh trưởng của cây trồng

Nhiệt độ ở đây sẽ gồm nhiệt độ không khí và nhiệt độ của môi trường dinh dưỡng khí canh.

 Đối với nhiệt độ không khí

Nhiệt độ cao nên cây sẽ có các cơ chế giải nhiệt bằng quá trình thoát hơi nước và cây sẽ cần hấp thụ nhiều nước thay vì các chất dinh dưỡng có trong dung dịch Thêm vào đó khi nhiệt độ tăng lên quá cao hay quá thấp thì quá trình quang hợp sẽ bị hạn chế từ đó làm cho cây chậm phát triển Từ đó làm ảnh hưởng đến sự phát triển của các bộ phận khác như rễ, lá… Làm giảm sản lượng cũng như chất lượng của cây trồng.

Nhiệt độ cao làm giảm mật độ, độ dài rễ

 Đối với nhiệt độ của dung dịch

Như đã đề cập ở trên khi mà nhiệt độ tăng thì hô hấp tăng làm cho cây hấp thụ nước cũng như nồng độ oxy có trong đó tăng Từ đó làm giảm nồng độ oxy trong nước, ảnh hưởng đến rễ của cây và sự hấp thu các chất dinh dưỡng trong cây.

Nhiệt độ dung dịch giảm thì làm ức chế sự hấp thụ các chất dinh dưỡng Nếu nhiệt độ nước tăng thì các chất dinh dưỡng sẽ hòa tan vào nước tốt hơn, tăng khả năng hấp thụ của cây Nhưng khi quá trình này tăng lên thì các mầm bệnh như Pythium cũng sẽ phát triển

Nếu ẩm độ tương đối xung quanh thấp thì lượng nước thoát ra từ lá sẽ cao khi đó khí khổng đóng lại để ngăn sự mất nước, từ đó làm giảm đáng kể khả năng hấp thụ CO2 dẫn đến quá trình quang hợp sẽ giảm đi Việc giảm tốc độ quang hợp rõ ràng khi đó cây trồng sẽ chậm phát triển và bao gồm cả sức khỏe cây trồng cũng giảm Ngoài ra khí khổng đóng cũng sẽ làm giảm quá trình trao đổi chất làm giảm lượng chất dinh Kết quả là cây trồng thiếu năng lượng và chết.

Khi ẩm độ tương đối tăng cao thì sẽ làm cho các loại nấm bệnh phát triển Cây sẽ hấp thụ nhiều nước hơn làm giảm khả năng hấp thụ nước từ rễ kéo theo lượng nguyên tố cho cây trồng ít đi làm giảm sự phát triển của cây

2.1.2.3 Ánh sáng Ánh sáng đóng 1 vai trò thiết yếu trong việc quang hợp của cây sáng

Quang hợp sẽ tạo ra các glucozo đây là 1 chất vô cùng thiết yếu Vì ở ban đêm khi mà cây chuyển sang quá trình hô hấp thì nó sẽ tạo phân hủy Glucozo này thành tinhh bột rồi thành xenlulozo làm cây phát triển về kích thước của các bộ phận trên cây.

2.1.2.4 Nồng độ pH của dung dịch khí canh Độ pH được hiểu là mức độ hoạt động của ion H+ trong môi trường dung dịch. Tất cả các dung dịch tồn tại ở dạng lỏng đều có 1 độ pH riêng và pH ảnh hưởng đến chất lỏng đó có lợi hay có hại Lượng ion H+ trong dung dịch ít thì dung dịch đó sẽ mang tính kiềm, ngược lại thì sẽ mang tính axit

Nồng độ pH được duy trì ở khoảng từ 5.5 – 6.5 đây là khoảng pH lý tưởng cho sự hấp thụ chất dinh dưỡng của cây xà lách

Các chất dinh dưỡng được đưa vào dưới dạng hợp chất muối, sau khi được hòa tan vào nước thì các hợp chất bắt đầu phân rã ra thành các ion Hai đơn vị thông dụng nhất của EC là mS/cm hoặc ppm (Part per Million)

Ví dụ: NaNO 3 sẽ tách ra thành Na+ và NO3-

Trong khí canh, đó là thước đo tổng lượng nồng độ các ion muối có trong dung dịch

Nếu giá trị EC không thay đổi: Điều đó thể hiện cây trồng đang hấp thụ 1 lượng nước, chất dinh dưỡng vừa phải

Nếu giá trị EC giảm xuống: Cây trồng đang hấp thụ chất dinh dưỡng nhiều hơn so với lượng nước.

Nếu giá trị EC tăng lên: Cây trồng đang hấp thụ nhiều nước hơn chất dinh dưỡng. Điều này cho thấy nhiệt độ môi trường đang tăng cao và cây cần hấp thụ nhiều nước hơn để giải nhiệt cho chính nó

Cho biết tổng lượng chất rắn hòa tan được trong dung dịch (ppm)

Tức là tổng số các ion chứa điện tích gồm muối, khoáng chất và các kim loại cùng tồn tại trong một lượng dung dịch nhất định

2.2.2.6 Nồng độ oxy hòa tan trong dung dịch

Oxy hòa tan là tổng lượng oxy hòa tan trong nước Oxy hòa tan nhanh, nhiều hơn trong nước lạnh so với nước ấm Chính vì thế khi mà nhiệt độ dung dịch càng cao thì nồng độ oxy sẽ càng thấp Nồng độ oxy trong dung dịch tối thiểu là 5mg/L.

Nồng độ oxy hòa tan trong dung dịch rất cần thiết cho sự phát triển của hệ thống rễ cây và sự hô hấp của rễ Nếu nồng độ oxy thấp sẽ dẫn đến rễ kém phát triển làm giảm khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng từ dung dịch, ngoài ra nó còn tạo điều kiện cho các loại nấm bệnh phát triển làm ảnh hưởng đến rễ cây Nếu thấp hơn 2mg/L liên tục trong bài giờ sẽ dẫn đến chết rễ

Hình 2 3: Sự thay đổi của nồng độ Oxy hòa tan với nhiệt độ

Như hình 2 A): 29ppm B) 7.5ppm C) 2ppm

Ta thấy đối với nồng độ oxy trong môi trường khí canh dinh dưỡng cao thì bộ rễ sẽ phát triển tốt hơn từ đó sẽ làm cho cây sinh trưởng tốt hơn.

Hình 2 4: Sự phát triển của rễ đối với nồng độ oxy

Thời gian chiếu sáng chiếu sáng: 12h sáng và 12h tối

Nồng độ pH, EC : 6,5 / 1,5ms/cm

Chiều cao (cm) Độ rộng (cm)

Cân nặng sau phơi khô (g)

Bảng 1:Nồng độ CO2 cho các cây

Nồng độ CO2 từ 800 – 1200 là hợp lý cho sự cho hầu hết các cây trồng Điều kiện trồng

 Cường độ ánh sáng :18000 Lux

 Thời gian chiếu sáng : 12 - 16h/ ngày

 Nồng độ pH, EC, TDS lần lượt là : 5,5 – 6,5 ; 1,8 ; 1000 ppm

 Thơi gian thu hoạch : 25-28 ngày

Việc làm mát nhiệt độ môi trường trong nhà kính là vô cùng cần thiết do nhiệt độ, độ ẩm quá cao hay quá thấp cũng sẽ ảnh hưởng dến quá trình sinh trưởng của cây trồng. Ngoài ra trong quá trình thông gió thì cũng cần phải đảm bảo lượng CO2 vừa đủ để cây trồng có thể quang hợp

Thiết kế

Mô hình nhà kính

Nhà kính có tác dụng che mưa, chống côn trùng và hạn chế các điều kiện thời tiết bất lợi ảnh hưởng đến bên trong nhà màng. Ở đây nhóm quyết định sử dụng loại nhà kính có dạng mái xéo do mô hình này có độ dốc máng cao có khả năng trượt nước tốt hơn và chi phí thi công thấp.

Nhà kính có kích thước 1,5 x 0,6 x 1,5  0,04 m (Dài x Rộng x Cao) Đối với phần mái thì có kích thước

Hình 3 1:Mặt trước và sau của nhà kính

Hình 3 2:Phần mái của nhà kính

Cốc trồng khí canh

Đối với cốc trồng khí canh

Hình 3 3:Cốc trồng khí canh chuyên dụng

 Chiều dài cốc 68,5mm, chiều cao cốc 48mm

 Đường kính: Lỗ khoét 38mm, Miệng trồng 45mm

 Mỗi cốc cách nhau 16cm, có thể xếp thành trụ đứng

Máy bơm

Hình 3 5:Máy Bơm Phun Sương DC12V DP-521

Thông gió và giảm nhiệt độ

3.4.1.1 Tính toán thông số quạt Đối với hình thân nhà kính thì có thể tích:

Tổng thể tích của nhà kính :

       Đối với một hệ thống nhà kính thì cần tối thiểu 30 lần 1 giờ, đối với các vùng khí hậu nóng thì tốt nhất là 60 lần 1 giờ

Lượng không khí cần lưu thông 1 giờ trong nhà kính :

Cần chọn loại quạt có lưu lượng gió lớn hơn 102 m 3 / h Ở đây chọn quạt hút gió có lưu lượng gió 400 m 3 / h

3.4.1.2 Vị trí đặt quạt thông gió Để có thể tiết kiệm chi phí lắp đặt, thiết bị thì nên đặt quạt xuôi theo chiều dọc của nhà kính Nếu lắp ngang thì khả năng lưu thông gió sẽ tốt, nhanh hơn nhưng sẽ kèm theo ta cần 1 lượng lớn thiết bị, vật liệu, chi phí vận hành chúng.

Hình 3 7:Vị trí quạt trong nhà kính

Đèn chiếu sáng

Đối với cây xà lách thì cần chú tâm đến các vấn đề sau

PPFD (Photosynthetic photon flux density) : Tổng số lượng photon mà 1 mét vuông nhận được trong 1 đơn vị thời gian (Đơn vị : umol s m  1  2 )

DLI (Daily Light Integral) : Tổng bức xạ ánh sáng cung cấp cho 1 m vuông trong

Thời gian chiếu sáng : 16 giờ ngày

Thời gian sáng (giờ) Độ dài lá (cm) Độ rộng lá (cm)

Bảng 2:(Theo Sarah Louise Sya Atulba, 2018)

Qua đó cho thấy PPFD cùng với thời gian chiếu sáng càng cao sẽ làm cho cây phát triển tốt hơn Nhưng 2 yếu tố này quá cao sẽ dẫn đến hiện tượng cháy lá, làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Nên tốt nhất là choPPFD: 290 mol s m  1  2 , thời gian sáng 12 – 16 tiếng/ngàyCòn đối với loại ánh sáng (quang phổ) thì theo ThS Trần Văn Lâm, Trung tâm lệ đỏ : xanh là 80 : 20 với vận hành dòng hồi lưu liên tục 24/7 để tăng năng suất và chất lượng của rau xà lách

3.6 Thiết kế mạch điều khiển

Vin (Volt) Iin (mA) Công suất

2 Cảm biến lưu lượng YF-

Thiết kế bộ PID cho việc điều khiển quạt thông gió và bơm phun sương

Quạt thông gió có điện áp hoạt động 220V/50 Hz ; 0,24A

Từ thông số ta chọn Solid State Relay G3MB-202 (5V) có thể chịu đựng đến 240VAC và dòng lên đến 2A Điện áp điều khiển G3MB-202 : 4 – 6Vdc

Dòng điện tối đa qua Led bên trong SSR : 20mA

P h Để đảm bảo 2N2222 có thể hoạt động như mong muốn thì ta chọn h FE 5 là hệ số khuếch đại nhỏ nhất

Hình 3 9:Mô hình toán học của Động cơ AC 1 pha

R 1: Điện trở trên cuộn Stator L 1 : Cuộn cảm trên cuộn Stator

R 2: Điện trở trên cuộn Rotor L 2 : Cuộn cảm trên cuộn Rotor

Ta có momen của động cơ : T m J. B

 và Momen điện từ T s e ( )E 2 sin( ) Biến đổi Laplace T m : T s m ( ) Js 2 Bs  ( ) s

Mà T s m ( )  T s e ( )   Js 2 Bs  ( ) s E 2 sin( )   Js 2 Bs E 2 ( ) s T s m ( )

  Để tìm các thông số Kp, Ki, Kd thì ta sẽ dùng phương pháp Zeigler – Nichols 2 để tìm các thông số này Vì phương pháp này dùng cho các hệ truyền động cơ, bơm nước…., đáp ứng quá độ của hệ hở tăng đến vô cùng

Hình 3 10:Đáp ứng quá độ hệ hở của hàm truyền quạt

Hình 3 11:Mô hình hệ thống điều khiển PID

Hàm truyền của bộ PID có dạng

Hàm truyền kín của hệ thống có dạng sau :

Phương trình đặc trưng của hệ thống :

0,22s 4,55s 14,52s (1 0,218 K s K P )  P (1) Để hệ thống ổn định thì điều kiện cần

Từ (2)(3) Để hệ thống ổn định thì 10, 21  K P  1370

Từ bảng ta có được thông số sau:

Hình 3 13:Mô phỏng PID Độ vọt lố : 6%

3.6.4 Bơm phun sương Ở đây sẽ không sử dụng công thức để tính toán hàm truyền mà sẽ dùng các phương pháp đo đạc để tìm ra hàm truyền của động cơ bơm phun sương Đầu vào là điện áp cấp vào bơm phun sương và đầu ra là lưu lượng nước trong 1 phút

Hình 3 14:Mối liên hệ giữa điện áp và lưu lượng nước

3.7.1 Điều khiển máy bơm phun sương và bơm dung dịch khí canh

Ta có các thông số của máy bơm phun sương như sau

Công suất của máy bơm là P Load  I L Vapor _ V L Vapor _  2.12  24 W (3.26)

Vì dòng yêu cầu lên đến 2A nên để đảm bảo có thể điều khiển máy bơm thì sẽ sử dụng TIP122 có hệ số khuếch đại ít nhất là 1000 để điều khiển thiết bị.

Tên Ký hiệu Giá trị

Công suất tối đa P Max 65W Điện áp tối đa trên 2 cực C-E V CE max 100 V Điện áp rơi trên cực C – E V CE (sat) 2 V

Dòng cực góp tối đa I C max 5 A

Hệ số khuếch đại h fe 1000 - 3000 Điện áp rơi trên B-E V BE 1,2 V

Nhiệt trở giữa mối nối và môi trường  JA 70  C W/

Nhiệt trở giữa mối nối và vỏ  JC 2  C W/

Nhiệt độ tối đa mà linh kiện chịu được T J 150  C W/

Bảng 4:Thông số kỹ thuật BU607

Trong đó V CE sat ( ) là điện áp rơi trên 2 cực C-E khi transistor hoạt động ở chế độ bão hòa

Hình 3 18:Sơ đồ đấu nối TIP122 Để đảm bảo TIP122 có thể hoạt động như mong muốn thì ta chọn h FE 00 là hệ số khuếch đại nhỏ nhất

Chọn điện trở trên cực B : R B = 300  , Công suất 0,25W

Theo datasheet thì khi vào chế độ bão hòa thì có thể lên đến V CE = 2,5V Ở đây công suất tiêu tán trên R B không đáng kể nên ta xem như không có

Công suất tiêu tán của mạch : P CE  V CE I L Max _  0, 25 2 =0,5W

Gía trị trở R1 (Pull-down) phải có giá trị ít nhất gấp 10 lần giá trị của trở RB để điện áp vào cực B của transistor không bị giảm áp quá nhiều do R1 và RB đang thành 1 cầu phân áp

3.7.2 Mạch kích Relay SSR G3MP-202P Ở phần này không thể sử dụng các Relay cơ thông thường vì chúng sử dụng tiếp điểm kim loại để dóng ngắt sẽ gây ra tia lửa điện, nhiễu, tiếng ồn… và thời gian đóng ngắt của chúng rất thấp không thích hợp cho phần này Nên ở đây sẽ sử dụng Relay bán dẫn vì chúng hoạt động như 1 opto quang nên sẽ không ra vấn đề nhiễu cũng như tần số đóng ngắt khá cao Ở mô hình này sử dụng quạt AC 220V / 50Hz có công suất là 25W

Tên Ký hiệu Giá trị Điện áp kích V Supply 5V

Cường độ dòng điện kích I Led 5 – 20mA

Cường độ dòng điện của tải i Load 2A

Tần số đóng ngắt f SW 1025 Hz

Bảng 5:Thông số kỹ thuật của Relay SSR G3MB-202P

ESP32 chỉ có thể tạo ra dòng kích 35mA, điện áp kích tối đa là 3V3 nên ta cần 1 mạch dịch mức logic để có thể điều khiển được relay SSR.

Hình 3 19:Mạch kích Relay SSR

 Chọn Transistor NPN C1815 để thực hiện mạch dịch mức

Tên Ký hiệu Giá trị

Công suất tối đa P Max 400 mW Điện áp tối đa trên 2 cực C-E V CE max 50 V Điện áp rơi trên cực C – E V CE (sat) 0,3 – 1

Dòng cực góp tối đa I C max 0,15 A

Hệ số khuếch đại h fe 25 - 100 Điện áp rơi trên B-E V BE 0,6 – 1,0 V

Bảng 6:Thông số kỹ thuật 2N2222

Theo Datasheet thì V BE =0,8V khi Ic mA

Sơ đồ nguyên lý

Hình 3 20:Sơ dồ nguyên lý

PCB

Qua gần 3 tháng tiến hành làm việc, nhóm thực hiện đề tài đã hoàn thành tập báo cáo tiểu luận này đúng thời gian quy định và thu được những kết quả nhất định Mạch chạy ổn định và dễ dàng sử dụng, có thể tạm thời áp dụng vào thực tế ở quy mô hộ gia đình Sản phẩm có thể tiếp tục nghiên cứu để áp dụng vào thự tế với quy mô lớn và phù hợp với thị hiếu hơn.

- Tăng các tính năng tự động để kiểm soát các yếu tố sinh dưỡng nhiều loại cây trồng khác

- Tối ưu hóa tính năng kết nối điều khiển thông qua Bluetooth hoặc Wifi để nâng cao tiện ích và thuận lợi.

- Tích hợp thêm cảm biến CO2 …để tự động điều chỉnh độ sáng theo môi trường xung quanh.