ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG GIÁM SÁT NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH TRÊN NỀN WINCC

Hình 1.1: Công nghệ canh tác nông nghiệp ZipGrow- Nông nghiệp xanh thông minh sử dụng thủy lực Sky Greens Tại Singapore, một nhà kính bốn tầng của Sky Greens [1] đang sản xuất 1 tấn raux

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC KHOA ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Giáo viên hướng dẫn: Th.S Đàm Xuân Đông

Sinh viên thực hiện: Phan Minh Đức

Ngành: Công nghệ kĩ thuật điều khiển và Tự động

hóa Chuyên ngành: Tự động và điều khiển thiết bị điện công

nghiệp

Hà Nội, tháng 02 năm 2023

3 Nội dung, nhiệm vụ nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan về hệ thống nông nghiệp thông minh

Chương 2 Quy trình công nghệ hệ thống nông nghiệp thông minh

Chương 3 Cấu hình phần cứng cho hệ thống nông nghiệp thông minh

Chương 4 Cấu hình phần mềm và mô phỏng

4 Tài liệu tham khảo dự kiến

[1] Trần Tiến Lương, “Nghiên cứu xây dựng hệ thống mạng truyền thông PLC

khoa học cấp trường

[3] Trần Văn Hiếu, “Tự động hóa PLC S7 1200 với TIA Portal” NXB Khoa học

Kỹ thuật (2016)

[4] Ngô Hồng Quang, Vũ Văn Tẩm, “Giáo trình cung cấp điện” NXB Giáo Dục

5 Ngày giao đề tài: Ngày… tháng….năm 2022

Ngày nộp quyển: Ngày 15 tháng 02 năm 2023

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

I Thông tin chung

Họ và tên người hướng dẫn: Đàm Xuân Đông

Đơn vị công tác: Khoa Điều khiển và Tự động hóa

Học hàm, học vị: Thạc sĩ

Họ và tên sinh viên : Phan Minh Đức Ngày sinh: 13/08/2000

Mã sinh viên: 18810430010 Lớp: D13 TDH&DKTBCN1

Tên đề tài: Hệ thống giám sát nông nghiệp thông minh trên nền WinCC

II Nhận xét về đồ án tốt nghiệp

2.1 Nhận xét về hình thức: (kết cấu, phương pháp trình bày)

 Sắp xếp nội dung các chương, cách trình bày theo đúng format chuẩn của khoa

và yêu cầu của giáo viên hướng dẫn ra đề

 Phương pháp trình bày logic từ phần tổng quan cho đến phần kết luận

2.2 Mục tiêu và nội dung: (cơ sở lý luận, tính thực tiễn, khả năng ứng dụng)

 Xây dựng được chương trình điều khiển hệ thống giám sát nông nghiệp thôngminh

 Xây dựng được mô hình điều khiển giám sát trên WinCC có khả năng phát triển

và ứng dụng trong thực tế hiện nay

2.3 Kết quả đạt được:

 Đã hoàn thành các nội dung của đồ án theo yêu cầu của giáo viên hướng dẫn

 Đã xây dựng được mô hình thực tế và có định hướng phát triển trong tương lai

2.4 Kết luận và kiến nghị: (các hướng nghiên cứu của đề tài có thể tiếp tục phát triển

cao hơn)

 Các hướng nghiên cứu trong tương lai: Sử dụng thêm các loại cảm biến mới,thêm tính năng quản lý cho hệ thống vườn Sử dụng thêm camera xử lý ảnh đểphát hiện lỗi trên hệ thống Nghiên cứu và thiết kế hệ thống trộn và tưới phânbón cho cây.

III Nhận xét tinh thần và thái độ làm việc của sinh viên

Sinh viên đã chủ động thực hiện đồ án tốt nghiệp của mình một cách nghiêmtúc và chăm chỉ Sinh viên đã hoàn thành nội dung đồ án theo đúng nội dung yêu cầu

và tiến độ đề ra Sinh viên đã tự lực nghiên cứu và tìm tòi tài liệu trong quá trình làm

đồ án

IV Đề nghị

Được báo cáo: 

Không được báo cáo: 

Hà Nội, ngày….tháng…năm 2023

Giảng viên hướng dẫn

ĐÀM XUÂN ĐÔNG

NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

I Kết quả thực hiện và báo cáo trước hội đồng của sinh viên:

Hà Nội, ngày… tháng… năm 2023

Ủy viên hội đồng Thư ký hội đồng Chủ tịch hội đồng

II GVHD xác nhận sau chỉnh sửa (nếu có)

………

………

………

Hà Nội, ngày….tháng…năm 2023

ĐÀM XUÂN ĐÔNG

Để hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp và kết thúc khóa học tại trường Đại Học ĐiệnLực Hà Nội, bằng tình cảm chân thành chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tớitập thể ban lãnh đạo nhà trường đã tạo điều kiện cho chúng em có môi trường học tậptốt trong suốt thời gian em học tập, nghiên cứu tại trường.

Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo ThS Đàm Xuân Đông đã tận tìnhhướng dẫn, giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành Đồ Án Tốt Nghiệp này

Chúng em chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo trong Khoa điều khiển và tựđộng hóa đã giúp đỡ và hỗ trợ chúng em trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Em xin trân trọng cảm ơn!

Sinh viên thực hiện

Phan Minh Đức

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU iv

DANH MỤC HÌNH VẼ v

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNGMINH 2

1.1 Giới thiệu tổng quan 2

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 7

1.3 Mục đích nghiên cứu 8

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 9

2.1 Mô hình hệ thống 9

2.2 Quy trình điều khiển hệ thống tưới cây 9

2.2.1 Giám sát độ ẩm của đất 9

2.3.1 Tưới phun sương 11

2.4 Quy trình điều khiển hệ thống sưởi 12

2.5 Quy trình điều khiển hệ thống quạt gió 13

CHƯƠNG 3 CẤU HÌNH PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 16

3.1 Lựa chọn thiết bị 16

3.1.1 Động cơ bơm nước 16

3.1.2 Đèn sưởi 18

3.1.3 Động cơ thông gió 22

3.2 Lựa chọn thiết bị cho tủ điện 24

3.2.1 Thiết bị đóng cắt 24

3.3 Thiết bị cảm biến 26

3.3.3 Cảm biến đo mực nước 29

3.3.4 Lựa chọn PLC 30

CHƯƠNG 4 CẤU HÌNH PHẦN MỀM VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 32

4.1 Lưu đồ thuật toán điều khiển 32

4.2 Thiết lập cấu hình TIA Portal 34

4.2.1 Các phần tử lập trình thường dùng 36

4.3 Tổng quan về WinCC 39

4.3.1 Cấu hình kết nối trên nền WinCC 40

4.4 Chương trình điều khiển 44

4.5 Xây dựng giao diện trên WinCC 53

4.6 Mô hình thực nghiệm 55

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

Ký hiệu Nghĩa tiếng Việt Nghĩa tiếng AnhPLC Bộ điều khiển logic lập

trình

Programmable Logic Controller

WinCC Trung tâm điều khiển

chạy trên nền Windows

Windows Control CenterIoT Mạng lưới thiết bị kết

nối Internet Internet of Things

Bảng 3.1: Sơ đồ chân cảm biến độ ẩm đất 27Bảng 3.2: Sơ đồ chân cảm biến ATM1001 29

DANH MỤC HÌNH V

Hình 1.3: Mô hình nuôi trồng rau trong nhà kính tại Đà Lạt 4

Hình 2.1: Mô hình hệ thống 9

Hình 2.2: Tưới tiêu cho cây trồng 10

Hình 2.3: Quy trình điều khiển hệ thống tưới cây 10

Hình 2.4: Hệ thống tưới phun sương 11

Hình 2.5: Hệ thống đèn sưởi 13

Hình 2.6: Quy trình hệ thống sưởi 13

Hình 2.7: Quy trình hệ thống quạt gió 15

Hình 3.1: Máy bơm mini RS385 16

Hình 3.2: Cấu tạo máy bơm ly tâm 17

Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động máy bơm ly tâm 18

Hình 3.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến trong nông nghiệp 19

Hình 3.5: Máy sấy gió nóng công nghiệp Mítuta DH-50 19

Hình 3.6: Quạt sấy gió nóng công nghiệp APQ 20

Hình 3.7: Bóng đèn sợi đốt 25W 21

Hình 3.8: Làm mát với quạt hút công nghiệp 22

Hình 3.9: Sử dụng tấm làm mát 23

Hình 3.10: Quạt Tản Nhiệt SUNON 24

Hình 3.11: Aptomat LS BKN 25

Hình 3.12: Relay 24V Panasonic 25

Hình 3.13: Cảm biến độ ẩm đất 26

Hình 3.15: Sơ đồ chân cảm biến AMT1001 28

Hình 3.16: Đấu nối đầu ra nhiệt độ 29

Hình 3.17: Chiết áp đơn 30

Hình 3.18: PLC Siemens 1214C DC/DC/DC 31

Hình 4.1: Lưu đồ thuật toán của chu trình 33

Hình 4.2: Giao diện chọn thiết bị TIA Portal 34

Hình 4.3: Giao diện cấu trúc CPU 1214C trong phần mền 35

Hình 4.4: Giao diện lập trình TIA Portal 35

Hình 4.5: Đặt địa chỉ cho PLC 41

Hình 4.6: Đặt địa chỉ cho máy tính 42

Hình 4.7: Khai báo trạm PC Station 43

Hình 4.8: Khai báo Card truyền thông và cửa sổ WinCC RT Advanced 43

Hình 4.9: Nối tín hiệu nối truyền thông giữ PLC và WinCC trên máy tính 44

Hình 4.10: Network 1 44

Hình 4.11: Network 2 45

Hình 4.12: Network 3 46

Hình 4.13: Network 4 47

Hình 4.14: Network 1 FC1 48

Hình 4.15: Network 2 FC1 49

Hình 4.16: Network 3, 4 FC1 50

Hình 4.17: Network 1 FC2 51

Hình 4.18: Network 2 FC2 52

Hình 4.19: Network 3, 4 FC2 53

Hình 4.20: Giao diện WinCC 54

Để góp phần làm sáng tỏ hiệu quả của những ứng dụng trong thực tế, sau mộtthời gian học tập được các thầy, cô giáo trong khoa giảng dạy về các kiến thức chuyênnghành, đồng thời được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy và cô, em đã lựa chọn đề tài

“Hệ giám sát nông nghiệp thông minh” bằng PLC và 1 số thiết bị điện, điện tử thôngdụng khác Thông qua đề tài này em sẽ có những cơ hội tốt nhất để học hỏi, tích lũykinh nghiệm quý báu, bổ sung vào hành trang của mình trên con đường đã chọn

Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP

THÔNG MINH 1.1 Giới thiệu tổng quan

Trong bối cảnh công nghệ số hóa ngày càng phát triển mạnh mẽ, việc ứng dụngcác nền tảng kỹ thuật số vào nông nghiệp như một lẽ tất yếu Chúng mang đến một bộmặt mới, một màu sắc mới cho một ngành nghề tưởng chừng như không thể thoát khỏi

“lớp áo lạc hậu” Nông nghiệp thông minh đã góp phần giúp cho hàng trăm, thậm chíhàng ngàn người nông dân có một công việc ổn định, môi trường làm việc tốt hơn, antoàn hơn Chúng giúp cho chất lượng sản phẩm đầu ra đạt chuẩn chất lượng, nâng caosản lượng Đặc biệt, nông nghiệp xanh thông minh còn giúp vực dậy, cải thiện nềnkinh tế cho các quốc gia Dưới đây là một số mô hình trên thế giới ứng dụng côngnghệ thông minh vào sản xuất và nuôi trồng Một số mô hình nông nghiệp thông minh

đã được áp dụng thành công và đạt nhưng thành tựu lớn:

- Công nghệ canh tác theo mô hình thẳng đứng (ZipGrow)

ZipGrow [1] là một phát minh trong lĩnh vực nông nghiệp thẳng đứng được cấpbằng sáng chế của Bright Agrotech Hạt giống sẽ được gieo trên giá thể, sau khi nảymầm thành cây con, giá thể sẽ được đưa vào trong vỏ tháp Những giá thể này đượcthiết kế đặc biệt với 93% là khoảng trống giúp cây trồng hấp thu ôxi ở mức tối đa, cókhả năng ổn định nhiệt tốt cho vùng rễ, độ thấm hút cao, có thể nuôi giun đất và tái sửdụng được ZipGrow áp dụng cả công nghệ thủy canh và nuôi trồng thủy canh Đối vớinuôi trồng thủy canh, ZipGrow đã có một sáng kiến thú vị khi đưa giun đất vào thápcanh tác, hoạt động của giun đất có thể phá vỡ cấu trúc khiến chất thải của cá được dễdàng chuyển hóa, nhờ đó cây trồng được cung cấp nhiều chất dinh dưỡng hơn

Với mô hình tháp canh tác theo chiều dọc ZipGrow, người nông dân có thể sảnxuất rau xanh ở mật độ cao gấp 2 đến 3 lần và hiệu quả gấp 3 đến 4 lần so với phươngpháp thủy canh truyền thống trên cùng một diện tích mà không làm tăng đáng kể chiphí sản xuất Bên cạnh đó, tháp có thiết đơn giản và dễ tháp lắp, người nông dân muốnrộng canh tác chỉ cần treo thêm tháp mà không làm ảnh hưởng tới kết cấu của nôngtrại

Hình 1.1: Công nghệ canh tác nông nghiệp ZipGrow

- Nông nghiệp xanh thông minh sử dụng thủy lực (Sky Greens)

Tại Singapore, một nhà kính bốn tầng của Sky Greens [1] đang sản xuất 1 tấn rauxanh mỗi ngày nhờ sử dụng một hệ thống quay bằng sức nước để cung cấp nước vàánh sáng mặt trời cho các khay rau xanh đang phát triển Sky Farms chính là nông trạithẳng đứng được điều khiển bằng thủy lực đầu tiên trên thế giới hệ thống gồm 38khay trồng rau dài, đặt thành từng tầng song song và có thể xoay vòng quanh một thápnhôm hình chữ A cao khoảng 9 mét nhờ một ròng rọc nước Trong khi các khay rau ởphía dưới được tưới nước, những cây ở phía trên sẽ hấp thu ánh sáng mặt trời, quátrình này diễn ra luân phiên và liên tục theo một chu kỳ cố định

Công nghệ Sky Greens cho phép cây trồng nhận được ánh sáng mặt trời, nướctưới và chất dinh dưỡng đồng đều giúp giảm thiểu việc sử dụng nước và năng lượng sovới các kỹ thuật canh tác thông thường So với các trang trại truyền thống, hệ thốngcanh tác của Sky Greens tạo năng suất cao gấp 10 lần trên cùng một đơn vị diện tích.Được trang bị hệ thống dẫn nước bằng thủy lực, Sky Greens chỉ cần nguồn điện tươngđương với một bóng đèn để cấp điện cho một tháp cao 9m, và cũng chỉ cần khoảngnửa lít nước để các khay trồng có thể chuyển động xung quanh tháp Nước được chứatrong một hệ thống hồ chứa ngầm khép kín và được tái chế để sử dụng

.Hình 1.2: Nông nghiệp xanh sử dụng thủy lực Sky GreensTại Việt Nam một số mô hình nông nghiệp thông minh đã được sử dụng trongviệc nuôi trồng nông sản ở Đà Lạt [2] Hệ thống nhà lưới trồng rau với ánh sáng đènLED đang được áp dụng, bước đầu đem lại hiệu quả cao Ngoài ra Đà Lạt còn đi đầutrong việc xây dựng hệ thống trồng rau thủy canh hoàn toàn tự động, phục vụ cho việccung cấp nông sản sạch và tham quan du lịch Các vườn hoa tại đây tưới nước hoàntoàn bằng hệ thống tự động đã được thiết lập sẵn, thiết bị cảm biến cho biết độ ẩm,lượng nước tưới và thời gian tưới.

Hình 1.3: Mô hình nuôi trồng rau trong nhà kính tại Đà Lạt

Những ưu điểm của việc áp dụng nông nghiệp thông minh trong việc nuôi trồng

và canh tác nông sản:

 Tự động hóa hoàn toàn quá trình nuôi trồng và chăm sóc

 Hệ thống theo dõi và lưu trữ số liệu cũng như dữ liệu vườn 24/7

 Trồng trọt cách ly môi trường ngoài bằng hệ thống nhà màng

 Cung cấp đầy đủ lượng nước, ánh sáng, nhiệt độ, độ pH mà cây mongmuốn

 Phát hiện, cảnh báo cây bệnh kịp thời

 Nói không với nguồn đất, nước ô nhiễm, nguồn giống kém chất lượng vàlạm dụng thuốc hóa học

 Giảm thiểu tối đa chi phí, nhân công cũng như thời gian quản lý nông trại

- Tình hình nghiên cứu trong nước

Nước ta hiện nay thuật ngữ nông nghiệp hiện đại không còn xa lạ gì với nhiềungười nhưng do chi phí đầu tư hệ thống chăm sóc cây tự động khá cao do phải nhậpchu yếu từ nước ngoài, dẫn đến việc nhân rộng mô hình chưa phô biến, và hạn chếnhững hệ thống chăm sóc cây tự động chủ yếu hướng tới đối tượng người dùng phải

có diện tích trồng cây rộng lớn, chưa chú trọng đến thị trường người dùng có diện tíchtrồng eo hẹp

Trong nước cũng có rất nhiều nghiên cứu như hệ thống tưới cây tự động của kỹ

sư Vi Toàn Nghĩa 2013, sau đó là hàng loạt công trình nghiên cứu hệ thống trồng câyđiều khiển từ xa, hệ thống trồng cây tự động hướng đến cả phân khúc người sử dụng

có quỹ tích eo hẹp Nhưng hạn chế những nghiên cứu chưa tận dụng hạ tầng internethiện có để mở rộng người dùng với hệ thống trồng cây có giám sát tự động từ xa,hướng đến cả người dùng không những có diện tích trồng eo hẹp, không có thời gianchăm sóc nhưng vẫn có vườn au an toàn cho riêng mình Từ những đánh giá trên,chúng em quyết định làm một hệ thống quản lý “Vườn thông minh” với tính năng đápứng được cơ bản nhu cầu của người sử dụng

Hiện nay, trong nước đã có nghiên cứu của các trường, viện về thiết kế mẫu nhàkính như công trình “Nhà lưới trồng cây công nghệ cao” do Viện Nghiên cứu Pháttriển Công nghệ cao về Kỹ thuật công nghiệp phối hợp với Viện Khoa học Sự sốngthực hiện; công trình “Nghiên cứu xây dựng mô hình và kỹ thuật trồng rau năng suấtcao cho quần đảo Trường Sa” do Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga và Viện Khoahọc Kỹ thuật Nông nghiệp Miền Nam thực hiện… Bên cạnh đó, một số công tytrong nước cũng chủ động sản xuất được loại nhà kính áp dụng kỹ thuật, công nghệnhà kính của nhiều nước phát triển trên thế giới, kết hợp những ưu điểm của các môhình nhà kính đang ứng dụng tại Việt Nam, đồng thời khắc phục những nhược điểmcủa các nhà kính đã được người dùng nông dân và các doanh nghiệp triển khai ở trongnhững năm qua

Ngoài ra, với sự phát triển một cách nhanh chóng của ngành điện tử cũng nhưnhiều ngành khác thì ý tưởng về nhà vườn thông minh không còn vướng bởi rào cảncông nghệ Việc điều khiển nhà vườn thông minh thông qua smartphone hoặc máytính tạo nên bước ngoặc lớn trong việc điều khiển tự động, không dây một cách linhhoạt, có thể nói sự phát triển không ngừng của những chiếc smartphone đã làm chocông nghệ có thêm bước tiến, việc điều khiển dễ dàng hơn

- Ứng dụng trong hệ thống giám sát nông nghiệp

Trong lĩnh vực cây trồng việc ứng dụng hệ thống tự động hóa, trí tuệ nhân tạo vàIoT đang phát triển rất mạnh trên thế giới Ví dụ với các hệ thống tưới, cung cấp dinhdưỡng cho cây trồng trước đây chỉ đơn thuần là phương pháp tưới tiết kiệm nhỏ giọtthì giờ đây đã có những hệ thống tưới tối ưu áp dụng công nghệ trí tuệ nhân tạo để dựbáo độ ẩm của đất, dự báo khả năng mưa để từ đó đưa đến quyết định tưới phù hợp.Một số các nhà nghiên cứu đã sử dụng mạng nơron để ước tính sự thoát hơi nướctham chiếu (ETo), sau đó sử dụng ETo và lượng mưa, hệ số cây trồng được để ướctính độ ẩm của đất với các thông số đầu vào là các giá trị tối đa, trung bình và tối thiểuhàng ngày của nhiệt độ không khí Kết quả thực hiện trên vùng lúa ở 2 mùa vụ ởIndonesia

Một số kỹ sư khác đã xây dựng một mô hình tưới tự động cho canh tác lúa Môhình tưới được đã sử dụng kỹ thuật xử lý ảnh để xác định độ ẩm của đất bằng cách so

sánh giá trị pixel ảnh thu được, kết hợp các cảm biết độ ẩm không khí, cảm biến mưa

và cảm biết nhiệt độ để xem tại thời điểm tưới trời có mưa hay không Để đưa ra quyếtđịnh tưới Ngoài ra các thông tin về môi trường được gửi đến người nông dân qua điệnthoại bằng tin nhắn Hệ thống đề xuất chỉ sử dụng 58,57% nước và tiết kiệm 41,43%nước so với phương pháp tưới thủ công, và cũng chỉ sử dụng 86,97% nước và tiếtkiệm 13,03% nước so với phương pháp tưới nhỏ giọt Các mô hình được đào tạo đểđưa ra dự đoán trước một ngày về độ ẩm của đất dựa trên độ ẩm của đất trong quá khứ,lượng mưa và các phép đo khí hậu Kết quả chỉ ra rằng hệ thống dự đoán đạt đượcmức tiết kiệm nước nằm trong khoảng từ 20 đến 46%

Một số nhà nghiên cứu đã thiết kế một robot để xác định sự thiếu hụt dinh dưỡngNitơ của cây dưa chuột trong nhà kính từ đó điều khiển cung cấp phân bón cho cây;kết quả cho thấy mức tiêu thụ phân đạm giảm khoảng 18% mà không làm giảm năngsuất quả hoặc các thông số chất lượng của trái cây bao gồm độ cứng, tổng chất rắn hòatan, chất diệp lục và hàm lượng axit ascobic

1.2 Tính cấp thiết của đề tài

Thời gian qua, sản xuất nông nghiệp trên cả nước ta chịu rất nhiều khó khăn, bấtlợi do thời tiết, dịch bệnh, suy thoái kinh tế, giá cả hàng nông sản bấp bênh, chịu sựcạnh tranh của hàng hóa nước ngoài giá rẻ hơn chất lượng tốt hơn, trong khi giá vật tưđầu vào không ổn định và đang có xu hướng tăng cao Ngoài ra với tình hình thựcphẩm bẩn, kém chất lượng trên thị trường như hiện nay người tiêu dùng rất cần nhữngsản phẩm nông nghiệp sạch chất lượng cao mà không phải chi quá nhiều tiền để sửdụng sản phẩm nhập khẩu là một nhu cầu bứt thiết, cấp bách Ở nước ta hiện nayngành nông nghiệp vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế và khi kinh

tế nước ta hội nhập quốc tế cũng đem lại nhiều thuận lợi như thị trường mở rộng, sảnphẩm làm ra được xuất khẩu đi rất nhiều nơi trên thế giới Nhưng cúng không ít khókhăn thách thức cho ngành nông nghiệp nước ta Do đó việc cấp bách nhất để vực dậynền nông nghiệp nước ta là tập trung vào việc nâng cao năng suất, chất lượng sảnphẩm Phát triển nông nghiệp bền vững nhằm tạo ra những sản phẩm nông nghiệp đạtchuẩn thế giới

Vì những lý do trên chúng em quyết định nghiên cứu để tài ‘phát triển nôngnghiệp công nghệ cao, cụ thể là “Mô hình trồng cây nông nghiệp trong nhà kính”.Trong các hệ thống sản xuất, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn bộ cáchoạt động của máy móc thiết bị Các hệ thống máy móc và thiết bị sản xuất thường rấtphức tạp, có rất nhiều đại lượng vật lý phải điều khiển để có thể hoạt động đồng bộhoặc theo một trình tự công nghệ nhất định nhằm tạo ra một sản phẩm mong muốn.Chính vì thế mà hiện nay, sự kết hợp giữa PLC và WinCC được nhiều chuyên gia, kỹ

sư thiết kế, kỹ thuật viên, chuyên viên, công nhân bậc cao tham gia nghiên cứu để ứngdụng vào thực tế Xuất phát từ nhu cầu thực tế cũng như muốn làm quen với việc điềukhiển hệ thống nuôi trồng cây nông nghiệp bằng PLC kết hợp với tạo giao diện giaotiếp dùng WinCC, chúng em đã chọn thực hiện đề tài “Hệ thống giám sát nông nghiệpthông minh” cho đề tài tốt nghiệp, nhằm lĩnh hội những tri thức cần thiết và cơ bản vềPLC và thiết kết giao tiếp trên máy tính trong việc tự động hóa hệ thống nuôi trồng câynông nghiệp công nghệ cao

1.3 Mục đích nghiên cứu

Để chế tạo được một sản phẩm nhà kính công nghệ cao phục vụ cho nền nôngnghiệp Việt Nam mà không phải đi nhập khẩu công nghệ của nước ngoài Là nỗi trăntrở của biết bao nhiêu nhà khoa học, kỹ sư cả trong và ngoài nước… Vấn đề chính để

có thể phát triển các mô hình nhà kính ở nước ta là hạ giá thành đầu tư và cải tiến cácđặt tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu canh tác và điều kiện khí hậu ở Việt Nam

Vì vậy qua đề tài tốt nghiệp này chúng em muốn góp một phần nhỏ công sức đểgóp phần vào sự phát triển chung của nghành nông nghiệp thông qua các quy trình tựđộng lấy tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm điều khiển máy bơm, quạt, đèn sưởi bằng PLC kếthợp với thiết kế giao diện giao tiếp dùng WinCC giúp cho việc giám sát và chăm sóccây trồng tiện lợi, giảm nhân công và góp phần phát triển ngành nông nghiệp nước nhàsản xuất ra các nông sản với chất lượng tuyệt hảo, năng suất cao, ngay cả trong nhữngđiều kiện không thuận lợi

CHƯƠNG 2 QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP

THÔNG MINH 2.1 Mô hình hệ thống

Một hệ thống nông nghiệp thông minh bao gồm:

 Quy trình điều khiển hệ thống tưới cây

 Quy trình điều khiển hệ thống sưởi

 Quy trình điều khiển hệ thống quạt gió

Hình 2.1: Mô hình hệ thống

2.2 Quy trình điều khiển hệ thống tưới cây

2.2.1 Giám sát độ ẩm của đất

Độ ẩm của đất là lượng nước được giữ trong khoảng không giữa các hạt đất Độ

ẩm trong đất đóng vai trò rất quan trọng Độ ẩm quá thấp hoặc quá cao đều ảnh hưởngđến sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng Độ ẩm thích hợp cho các loại cây trồngdao động trong khoảng từ 60% – 70%

Hình 2.2: Tưới tiêu cho cây trồng

Độ ẩm đất có tác động rất lớn đến đất Độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trìnhsản xuất năng lượng (cacbonhydrat) ở rễ, ảnh hưởng đến sự phát triển của rễ, ảnhhưởng đến sự hấp thu dinh dưỡng của cây, ảnh dưởng đến vi sinh vật và ảnh hưởngđến cả lượng không khí trong đất

Giám sát độ ẩm của đất thông qua việc lấy tính hiệu điện áp từ cảm biến đo độ

ẩm đất M9BI Khi nằm dưới mức độ ẩm cho phép là 8% hệ thống thống sẽ bật máybơm tiến hành cấp nước cho đất và cây trồng thông qua hệ thống vòi phun sương Khi

độ ẩm đạt ngưỡng trong khoảng từ 20-30%, hệ thống sẽ tự động ngắt máy bơm

Hình 2.3: Quy trình điều khiển hệ thống tưới cây

2.3.1 Tưới phun sương

Tưới phun mưa là phương pháp tưới nước hiện đại, sử dụng máy bơm nước cột

áp cao có kèm theo các ống dẫn nước và mũi tạo phun mưa, với hệ thống thiết bị tướinước tự động này, nước sẽ được phun ra từ đầu vòi dưới dạng mưa và bắn rộng ra toàn

bộ diện tích cây trồng với tốc độ nhanh Phương pháp này có tác dụng làm tăng độ ẩmcho đất và làm mát cho cây trồng, tạo điều kiện kích thích cây trồng sinh trưởng và

phát triển.

Hình 2.4: Hệ thống tưới phun sương

- Nguyên tắc hoạt động: Khác với hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống tưới phun

mưa hoạt động với nguyên tắc nước được phun ra từ đầu vòi dưới đạng mưa và bắnrộng ra diện tích cây trồng với tốc độ nhanh Hiệu quả của phương pháp tưới phunmưa là: Làm mát, làm sạch cây trồng, kích thích cây trồng sinh trưởng và phát triểntốt Tăng độ ẩm cho đất

- Ưu điểm của tưới phun mưa: Tưới phun mưa giúp tiết kiệm nước Thích hợp

với tất cả các loại đất ngoại trừ đất sét nặng Kỹ thuật tưới thích hợp cho các loại câytrồng có mật độ cây trồng trên một đơn vị diện tích rất cao kiểm soát lượng nước tướithuận tiện cho việc tưới nhẹ và thường xuyên, hiệu quả sử dụng nước cao hơn Tướiphun mưa giúp tăng năng suất Giảm chi phí nhân công Ít gặp sự cố tắc vòi phun donước nhiều cặn Nó giúp tiết kiệm đất vì không cần phải đóng cọc Các khu vực nằm ở

độ cao hơn nguồn có thể được tưới Trong kỹ thuật này, có khả năng sử dụng phân bón

và hóa chất hòa tan Tưới phun mưa giúp loại bỏ xói mòn đất

- Nhược điểm của tưới phun mưa: Trong tưới phun mưa, chi phí thực hiện banđầu cao so với tưới truyền thống Mất nước do bay hơi Hiệu quả kém trong điều kiệngió lớn Tưới phun cần năng lượng cao và liên tục để hoạt động

2.4 Quy trình điều khiển hệ thống sưởi

Hệ thống sưởi ấm nhà kính đang được đầu tư kỹ lưỡng Nhất là trong thời buổihiện nay việc nuôi trồng trong nhà kính đang phát triển Vào mùa đông nhiệt độthường xuống thấp, có nơi xuống đến -0oC Điều này ảnh hưởng rất nhiều đến sự pháttriển của cây trồng, cây cảnh Do đó việc sưởi ấm nhà kính vào mùa đông rất quantrọng Sự tiến bộ của khoa học, dẫn đến có rất nhiều cách để sưởi ấm cho nhà kính.Tuy nhiên cách ít người biết đó là sử dụng máy sấy gió nóng công nghiệp bằng điệntrở Một trong những cách đơn giản, tiết kiệm mà hiệu quả lại cao Cách dễ nhất và tựnhiên nhất là với ánh nắng mặt trời Để sử dụng tối đa năng lượng của thiên can, nênđặt nhà kính ở nơi có nhiều ánh sáng mặt trời chiếu vào nhất - làm như vậy cây sẽnhận được lượng nhiệt và ánh sáng tối đa Những người làm vườn có kinh nghiệm đãphát hiện ra rằng tốt nhất nên sưởi ấm nhà kính dưới dạng vòm hoặc bán cầu dưới ánhnắng mặt trời Để hệ thống sưởi bằng năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả, mái nhàkính phải hoàn toàn trong suốt Khi đó tia nắng mặt trời sẽ có thể tự do đi qua bêntrong và đốt nóng cây cối và đất, chúng sẽ tỏa nhiệt, từ đó làm nóng không khí trongnhà kính

- Tiêu chuẩn để đánh giá nhà kính đã được sưởi ấm hiệu quả:

Yếu tố nhiệt độ Theo các chuyên gia nhiệt độ thích hợp trong nhà không quá400C Nếu nhiệt độ cao cây trồng dễ bị khô héo, vật nuôi sẽ không chịu được Do vậycần đảm bảo nhiệt độ dưới 40oC Thiết bị được chọn sưởi ấm từng mét khối trong nhàphải tạo ra 100W Đối với cây trồng, làm nóng ấm đất là rất hiệu quả Vật nuôi làm ấmkhông khí, nước và thức ăn

Hình 2.5: Hệ thống đèn sưởi

Hệ thống đèn sưởi lấy tín hiệu điện áp từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩm AMT1001.Khi nhiệt độ dưới 19.5 oC hệ thống bật đèn sưởi bật đèn sợi đốt gia nhiệt, tắt quạt tảnnhiệt, làm ổn định nhiệt độ môi trường xung quanh cho cây trồng Khi nhiệt độ ổnđịnh nằm trong khoảng từ 20oC đến 22oC hệ thống sẽ tắt đèn sưởi

Hình 2.6: Quy trình hệ thống sưởi

2.5 Quy trình điều khiển hệ thống quạt gió

Quạt nhà kính hay quạt nhà màng hay còn có tên gọi khác là quạt thông gió nhàkính, đây là một sản phẩm quen thuộc và có vai trò to lớn với hệ thống sản xuất giốngcây trồng trong nhà kính Quạt nhà kính đối lưu có nhiều chức năng khác nhau, rất cóích cho cây trồng Mục tiêu chính của quạt thông gió nhà kính là để tạo ra một dòngkhông khí di chuyển Loại bỏ sự phân tầng khí nhà kính Thường khối lượng phân tửcủa các loại khí khác nhau vì thế mà khí nặng hơn sẽ chìm xuống dưới còn khí nhẹ

hơn thì ở trên, chính vì thế tuy không nhìn thấy nhưng không khí trong nhà kính đượcphân chia theo tầng một cách rõ rệt, điều này rất không tốt cho cây trồng bởi vì khôngkhí bị phân tầng thì sẽ gây nên tình trạng ứ đọng không khí di chuyển theo một hướng

và không thúc đẩy cây phát triển lành mạnh Quạt thông gió nhà kính sẽ lưu thôngkhông khí trong nhà kính

- Giúp kiểm soát nhiệt độ không khí

Khi không khí di chuyển trong nhà kính, nhiệt độ được điều chỉnh Nhiệt độ môitrường xung quanh của không khí và khắp nhà màng sẽ sớm đều nhau, tạo ra một môitrường phát triển lành mạnh Bên cạnh đó quá trình hô hấp hay quang hợp của câycũng sinh ra nhiệt năng nên nếu mật độ cây trong nhà kính lớn thì dễ dẫn đến việckhông khí trong nhà kính bị nóng hơn rất nhiều so với bên ngoài làm ảnh hưởng đếnquá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng

- Giải pháp thông gió làm mát công nghiệp cho nhà kính

Đây có lẽ là chức năng tốt nhất của một chiếc quạt đối lưu Quạt đối lưu khiếnkhông khí di chuyển, và giảm trừ sự phát triển của nấm Không khí tù đọng cho phépnấm và bệnh phát triển Sự lưu chuyển không khí một cách thích hợp sẽ cung cấpkhông khí trong lành, và cắt giảm dịch bệnh trong môi trường nhà kính

- Cân bằng độ ẩm cho nhà kính

Một số loại cây trồng đặc trưng nhất là đối với các loại hoa đòi hỏi những tiêuchuẩn về không khí cũng như môi trường sống cao như hoa lan đòi hỏi không được cónước đọng trên bề mặt lá, chính vì thế việc kiểm soát và cân bằng độ ẩm trong khôngkhí rất cần được chú trọng, bởi điều này ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sinh trưởng

và phát triển của cây Nhiệt dư thừa hoặc không khí cũ trong một nhà kính sẽ dẫn đếntăng trưởng chậm và hiệu suất cây trồng giảm Hệ thống thông gió thường xuyên cóthể giảm nấm mốc, côn trùng hoặc các bệnh Có hai cách phổ biến để thiết lập một hệthống thông gió trong nhà kính: tự nhiên hoặc bằng máy Chìa khóa để thông gió tựnhiên là gió và nổi nhiệt (đối lưu) ‘Nổi nhiệt’ là sự tăng lên của không khí ấm áptrong nhà kính, một quá trình mà thực sự góp phần vào việc thông gió hiệu quả Một

nhà kính sử dụng thông gió tự nhiên sẽ có một trong hai bên thu vào hoặc di động hoặccác tấm mái nhà, hoặc một loạt các lỗ thông hơi.

Hệ thống quạt tản nhiệt lấy tín hiệu điện áp từ cảm biến nhiệt độ và độ ẩmAMT1001 Khi nhiệt độ trên 23oC hệ thống bật quạt tản nhiệt, tắt đèn sưởi, làm ổnđịnh nhiệt độ môi trường xung quanh cho cây trồng Khi nhiệt động ổn định nằm trongkhoảng từ 20oC đến 22oC hệ thống sẽ tắt quạt tản nhiệt

Hình 2.7: Quy trình hệ thống quạt gió

CHƯƠNG 3 CẤU HÌNH PHẦN CỨNG CHO HỆ THỐNG

NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 3.1 Lựa chọn thiết bị

3.1.1 Động cơ bơm nước

Dựa trên mô hình thực tế, nhóm chúng em chọn sử dụng máy bơm ly tâm vớicông suất 12W (>10.34W), thỏa mãn điều kiện tính toán) sử dụng cùng với relay trunggian để điều khiển hệ thống bơm nước

Hình 3.1: Máy bơm mini RS385Thông số kỹ thuật:

bơm nước ly tâm tự mồi này ngoài đặc điểm nổi bật là không cần mồi nước thủ côngcòn có thể bơm nước, hút nước ở độ sâu 20m Đây cũng là một trong những khả năng

và lý do khiến nhiều người dân ưa chuộng loại máy bơm nước này Nó sẽ hút đượcnước ngầm đủ để cho người dân sử dụng tưới tiêu cho cây trồng

- Cấu tạo của máy bơm ly tâm

Cấu tạo của máy bơm ly tâm gồm có 6 bộ phận chính: trục, bánh xe công tác, bộphận hướng ra phía, bộ phận hướng vào, ống hút và ống đẩy các bộ phận của máybơm ly tâm có thể dễ dàng tháo bỏ, tách rời nên rất tiện khi đi lại, di chuyển

Hình 3.2: Cấu tạo máy bơm ly tâmTrục bơm của máy ly tâm thường được chế tạo bằng thép kim loại tổng hợp.Trục bơm của máy sẽ được lắp với bánh công tác nhờ mối ghép then Bánh công táccủa máy bơm ly tâm có cấu tạo 3 dạng chính là một cánh mở hoàn toàn, một cánh mởmột phần và cánh kín Cấu tạo bánh công tác được đúc bằng gang và thép nên rất chắcchắn và an toàn, các mặt phẳng cánh dẫn và đĩa bánh công tác làm việc có độ nhẵntương đối tốt giúp hạn chế về tổn thất, hao mòn Phần Roto của máy ly tâm được tạonên bởi bánh công tắc nguồn lắp trên trục của bơm với các chi tiết nhỏ được cố địnhvới trục Bánh công tác và Roto luôn luôn được thăng bằng tĩnh và cân bằng động hỗtrợ cho quá trình làm việc bánh công tác làm việc không bị cọ xát vào thân bơm Các bộ phận dẫn hướng vào, bộ phận dẫn hướng ra, ống hút, ống đầy được thiết

kế bằng gang đúc hoặc tôn hàn, cao su Với cấu tạo đặc biệt, máy bơm ly tâm có các

ưu điểm vượt trội là khoẻ, động cơ thường với công suất lớn

- Nguyên lý hoạt động của máy bơm ly tâm

Trước khi máy bơm ly tâm hoạt động, cần mồi bơm bằng phương pháp làm chothân bơm và ống hút có chứa đầy chất lỏng Máy bơm hoạt động dựa trên nguyên lýhút và đẩy, nước phải được chứa đầy trong buồng bơm thì cánh quạt mới quay và đẩynước lưu chuyển Trong trường hợp không có nước, máy bơm vẫn chạy thì cánh quạt

sẽ quay liên tục mà không được làm mát bằng nước, dẫn đến máy chạy không sẽ phát

ra tiếng kêu, chạy lâu có thể cháy hoặc hỏng máy bơm Máy bơm ly tâm hoạt động,bánh công tác làm việc sẽ quay, những chất lỏng nằm phía trong bánh công tác làmviệc có khả năng sẽ bị văng ra bên ngoài nhờ tính năng ở lực ly tâm Chất lỏng sẽ theocác máng dẫn, bước vào ống đầy có áp suất cao Đây được gọi bằng quá trình đầybơm Cùng khi đó, ở lối vào của bánh công tác tạo ra vùng chân không, công dụng của

áp suất trong bể chứa lớn khiến các chất lỏng ở bể hút liên tiếp bị đầy vào theo đườngống hút Đây được gọi là quá trình hút của bơm Quá trình hút và đầy của bơm ly tâmdiễn ra tiếp tục, tạo ra dòng chảy tiếp tục qua bơm Bộ phận dẫn hướng ra phía nhằmdẫn chất lỏng từ bánh công tác ra ống đẩy và giúp chất lỏng chảy qua ống đẩy được ổnđịnh và điều hoà

Hình 3.3: Nguyên lý hoạt động máy bơm ly tâm

3.1.2 Đèn sưởi

Nhiệt độ giới hạn cho sự tồn tại của sinh vật là khoảng -350C đến +750C Tuynhiên, khoảng nhiệt độ thích hợp nhất cho sự sinh trưởng và phát triển của phần lớncây trồng nông nghiệp chỉ biến thiên trong khoảng nhiệt độ hẹp hơn; có thể từ 15-

400C Ở nhiệt độ cao hay thấp hơn khoảng giới hạn này thì sự sinh trưởng sẽ bị giảm 1cách nhanh chóng.

Hình 3.4: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến trong nông nghiệpNhiệt độ tối hảo cho sự sinh trưởng khác nhau tùy theo giống hay loài, tùy theothời gian tác động của nhiệt độ, tuổi cây, thời kỳ phát triển, và các ngưỡng sinh trưởngriêng biệt được dùng để đánh giá khả năng hoàn thành chu kỳ sống, sự hấp thu nước

và dinh dưỡng, hô hấp, khả năng thấm của màng tế bào, và sự tổng hợp protein Cácảnh hưởng này được phản ảnh bằng sự sinh trưởng của cây trồng

- Một số máy sấy nông nghiệp:

Hình 3.5: Máy sấy gió nóng công nghiệp Mítuta DH-50

Thông số kỹ thuật:

- Công suất: 50KW

- Lưu lượng gió: 1100 m3/h

- Tiêu thụ nhiên liệu: 4L/h

- Bình chứa nhiên liệu: 50 Lít

- Nhiên liệu: Dầu Diesel