Hiện đang công tác tại: Trung tâm Truyền thông tỉnh Quảng Ninh Xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu phương thức Truyền thông trong hệ thống giám sát điều khiển tưới tự ” do Thầy giáo P S..
i ỌC N ÊN ƢỜN ỌC Ỹ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN C ƢƠN NGHIÊN CỨ P ƢƠN ỨC TRUYỀN THÔNG TRONG HỆ ỀU KHIỂN ƢỚI TỰ ỘNG THỐN M S CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 60.52.02.03 LUẬN VĂN C SĨ OA ỌC N ƢỜ ƢỚNG DẪN KHOA HỌC P S S ào uy Du S Vũ Ngọc Kiên N N – 2022 ii LỜ CAM OAN Tên tôi là: Nguyên Văn Chương Sinh ngày: 26/07/1969 Học viên lớp cao học CHK23KTVT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên Hiện đang công tác tại: Trung tâm Truyền thông tỉnh Quảng Ninh Xin cam đoan: Đề tài “ Nghiên cứu phương thức Truyền thông trong hệ thống giám sát điều khiển tưới tự ” do Thầy giáo P S S ào uy Du và thầy giáo S Vũ Ngọc Kiên, hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật Thái Nguyên, ngày 25 tháng 4 năm 2022 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Chƣơng iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo S Vũ Ngọc Kiên, P S S ào uy Du đã trực tiếp chỉ bảo và hướng dẫn em trong suốt thời gian qua Em xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với các thầy cô giáo trong Khoa, bộ môn cùng đông đảo bạn bè, đồng nghiệp đã cổ vũ rất nhiều cho việc thực hiện luận văn này Mặc dù được sự chỉ bảo sát sao của thầy hướng dẫn, sự nỗ lực cố gắng của bản thân Song vì kiến thức còn hạn chế, nên chắc chắn luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót nhất định Em rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và sự góp ý chân thành của các bạn Em xin chân thành cảm ơn! iv MỤC LỤC LỜ CAM OAN ii LỜI CẢM ƠN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢN VÀ Ồ THỊ vii MỞ ẦU vii C ƢƠN 1 ỔNG QUAN VỀ BÀ O N ƢỚI TỰ ỘNG 5 1.1 Tổng quan về bài toán tưới tự động 5 1.2 Các thành phần trong hệ thống tưới tự động sử dụng các thiết bị công nghiệp 7 1.2.1 Nhà lưới – nhà kính và các hệ thống tưới 7 1.2.2 Các yếu tố môi trường ảnh hướng đến cây trồng trong nhà lưới – nhà kính 9 1.2.3 Các thành phần của hệ thống tưới tự động sử dụng các thiết bị công nghiệp 14 1.3 Kết luận chương 1 31 C ƢƠN 2 Ệ THỐNG TRUYỀN THÔNG CÔNG NGHIỆP 33 2.1 Giới thiệu về hệ thống truyền thông công nghiệp 33 2.2 Vai trò mạng truyền thông công nghiệp trong hệ thống tự động 34 2.3 Các mạng truyền thông công nghiệp 36 2.3.1 Mạng truyền thông công nghiệp Modbus 36 2.3.2 Mạng truyền thông nối tiếp 37 2.3.3 Mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet 38 2.3.4 Mạng truyền thông công nghiệp Profibus 39 2.3.5 Mạng truyền thông công nghiệp – truyền thông HART 40 2.3.6 Mạng truyền thông công nghiệp ControlNet 41 v 2.4 Phân cấp mạng truyền thông công nghiệp 41 2.4.1.Cấp thông tin 42 2.4.2.Cấp kiểm soát 42 2.4.3.Cấp thiết bị 43 2.5 Kết luận 43 C ƢƠN 3 N İ N CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỂN THÔNG – İ M S Ừ XA CHO HỆ THỐN ƢỚİ Ự ỘNG 44 3.1 Cấu trúc hệ thống truyền thông – giám sát từ xa hệ thống tưới 44 3.2 Thiết kế - lập trình hệ thống truyền thông – giám sát từ xa 47 3.2.1 Giới thiệu về hệ thống WEBSITE điều khiển hệ thống 47 3.2.2 Các nền tảng xây dựng hệ thống Web điều khiển 48 3.2.3.Giao diện và các chức năng của Website 63 3.3 Kết quả vận hành hệ thống 67 3.3.1 Lựa chọn các chế độ vận hành 67 3.3.2 Kết quả điều khiển - vận hành từ xa 69 3.3.2 Kết quả giám sát thông số môi trường 71 3.3 Kết luận chương 3 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 1 Kết luận 74 2 Kiến nghị 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số cảm biến độ ẩm đất 22 Bảng 1.2 Thông số cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí 23 Bảng 1.3 Thông số cảm biến cường độ ánh sáng 24 vii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢN VÀ Ồ THỊ H nh 1.1 H nh ảnh tưới nước cho cả cánh đồng [1 5 Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống tưới nhỏ giọt cho cây trồng 7 Hình 1.3 Cấu tạo hệ thống tưới phun sương 8 H nh 1.4 Cơ chế đóng mở của khí khổng 12 H nh 1.7 Nhà lưới 14 H nh 1.8 Sơ đồ cấu trúc hệ thống đường ống – van cấp nước và dinh dưỡng cho cây trồng trong khu nhà lưới 15 H nh 1.9 Sơ đồ bố trí đường ống hệ thống tưới phun 16 H nh 1.10 Béc tưới phun 16 H nh 1.11 Sơ đồ bố trí đường ống hệ thống nhỏ giọt 17 Hình 1.12 Các thành phần của bộ đầu nhỏ giọt chia 4 gắn sẵn 18 Hình 1.13 Hệ thống đường ống cấp nước làm mát 18 Hình 1.14 Các thành phần của hệ thống làm mát và đối lưu không khí cho nhà lưới 19 H nh 1.15 Sơ đồ kết nối đường ống và van điện từ 19 H nh 1.16 Van điện từ 24VAC 20 Hình 1.17 Cảm biến độ ẩm đất 21 Hình 1.18 Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm không khí 23 Hình 1.19 Cảm biến cường độ ánh sáng 24 H nh 1.20 Kích thước bể chứa ngầm cấp nước cho nhà lưới 25 H nh 1.21 Phao điện 25 H nh 1.22 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển – giám sát hệ thống tự động nước và dinh dưỡng cho cây trồng trong nhà lưới 26 Hình 1.23 PLC S7-1200 1212C 27 Hình 1.24 Modul mở rộng của S7-1200 27 viii Hình 1.25 Modul nguồn SITOP PSU100S 28 H nh 1.26 Sơ đồ đấu nối cảm biến và rơ le trong tủ điều khiển trung tâm 29 H nh 1.27 Sơ đồ đấu cấp nguồn động lực trong tủ điều khiển trung tâm 30 H nh 1.28 Sơ đồ nối dây các thiết bị điều khiển 30 Hình 1.29 Tủ điều khiển trung tâm 31 H nh 2.1 Sơ đồ khối mạng truyền thông công nghiệp 34 Hình 2.2 Cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp Modbus 36 Hình 2.3 Cấu trúc mạng truyền thông nối tiếp 37 Hình 2.4 Cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp DeviceNet 38 Hình 2.5 Cấu trúc mạng truyền thông công nghiệp Profibus 39 Hình 2.6 Giao thức HART 40 Hình 2.7 Mạng truyền thông công nghiệp ControlNet 41 Hình 3.1 Mô hình mạng truyền thông của hệ thống điều khiển và giám sát môi trường trong nhà kính 45 H nh 3.2 Sơ đồ kết nối mạng Ehternet của hệ thống tưới tự động 46 Hình 3.3 Các hiệu ứng khi được nhúng CSS 53 Hình 3.4 Kết nối web Browser và Sever 60 Hình 3.5 Biểu đồ quan hệ của cơ sở dữ liệu sử dụng trong hệ thống 61 H nh 3.6 Sơ đồ hoạt động giữa Website, Raspberry Pi và PLC 62 Hình 3.7 Giao diện đăng nhập trên web 63 Hình 3.8 Giao diện trang chủ 63 Hình 3.9 Giao diện giám sát môi trường nhà kính 64 Hình 3.10 Giao diện giám sát hoạt động của các chế độ làm việc trong nhà kính 64 Hình 3.11 Giao diện cài đặt chế độ tưới tự động trên web 65 Hình 3.12 Giao diện cài đặt lần tưới ở chế độ tự động 65 Hình 3.13 Giao diện cài đặt chế độ tưới ở chế độ tự động 66 ix Hình 3.14 Giao diện cài đặt chế độ tưới hàng ngày 66 Hình 3.15 Giao diện thiết lập thông số chế độ tưới hàng ngày 66 Hình 3.16 Giao diện bảng giám sát chế độ tưới hàng ngày 67 Hình 3.17 Giao diện chế độ tưới bằng tay 67 Hình 3.18 Lựa chọn chế độ bằng công tắc xoay trên mặt tủ 68 Hình 3.19 Lựa chọn chế độ trên màn hình HMI 68 Hình 3.20 Màn hình chính hệ thống giám sát – điều khiển từ xa 69 Hình 3.21 Màn hình giám sát – điều khiển từ xa chế độ bằng tay 70 Hình 3.22 Màn hình giám sát – điều khiển từ xa chế độ hàng ngày 70 Hình 3.23 Màn hình giám sát – điều khiển từ xa chế độ tự động 70 Hình 3.24 Màn hình giám sát – điều khiển từ xa chế độ làm mát 71 Hình 3.25 Màn hình xác nhận chuyển đổi chế độ điều khiển từ xa 71 Hình 3.26 Màn hình giám sát các thông số môi trường trên HMI 72 Hình 3.27 Màn hình giám sát các thông số môi trường từ xa 72 Hình 3.28 Màn hình thống kê các thông số môi trường từ xa 73 1 MỞ ĐẦU Tính khoa học và cấp thiết của đề tài Hiện nay, ở các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển đã áp dụng tự động vào sản xuất nông nghiệp, qua đó giảm sức lao động và tăng năng suất Ví dụ người nông dân nước Mỹ, chiếm 2 dân số nước này ngoài việc cung cấp đủ lương thực cho hơn 250 triệu người trong nước c n suất khẩu ra nước ngoài Ở Israel, nông nghiệp là lĩnh vực mà 95% là khoa học và chỉ 5% lao động Ngày nay, tuy chiếm chưa đến 2% dân số Israel, nhưng những nông trang sản xuất đến 12 lượng hàng hóa xuất khẩu của cả nước Để đạt được điều đó, người nông dân đã áp dụng tối đa tự động hóa trong quá tr nh sản xuất Một số h nh ảnh áp dụng tự động hóa sản xuất nông nghiệp Như vậy có thể thấy, muốn tăng năng suất ngoài việc nghiên cứu các giống cây cho năng suất cao th việc áp dụng tự động hóa chăm sóc cũng góp phần không nhỏ Tự động hóa chăm sóc cây trồng bao gồm tự động tưới nước, tự động cung cấp dinh dưỡng, tự động thu hoạch, Mặt khác, do sự gia tăng dân số, sự phát triển của sản xuất nên nhu cầu nước cho sản xuất và sinh hoạt tăng mạnh Tuy nhiên, hiện tượng biến đổi khí hậu ngày càng rõ rệt và khó lường đã ảnh hướng rất mạnh đến nguồn cung cấp nước cũng như chất lượng nguồn nước, dẫn tới vấn đề thiếu nước đã trở thành vấn đề toàn cầu, từ đó yêu cầu cấp bách là phải sử dụng nước tiết kiệm, hiệu quả Vì thế trong các hệ thống tự động chăm sóc cây trồng thì hệ thống tự động tưới đóng vai tr quan trọng và rất được quan tâm nghiên cứu Các hệ thống tưới tự động ban đầu được xây dựng bằng cách sử dụng các bộ hẹn giờ để bật – tắt hệ thống tưới thay cho con người [1] Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của các thiết bị cảm biến, thiết bị điều khiển có lập trình, hệ thống tưới thông minh [2-11 đã được phát triển để điều khiển quá tr nh tưới đáp ứng được nhu cầu thực tế của cây trồng, sự thay đổi của thời