Trong đó, nhà kính tự động có khả năng: tạo lập ra một môi trường sinh tháitheo ý muốn thuận lợi nhất có thể cho cây trồng sinh trưởng phát triển; thực hiện cáccông nghệ thâm canh cao; t
Trang 1Mục lục
Trang 2A PHẦN MỞ ĐẦU
1.Giới thiệu đề tài
Nông nghiệp công nghệ cao hiện nay là một lĩnh vực đang nhận được nhiều sựquan tâm trên thế giới Dưới sự tác động của con người vào thiên nhiên, làm thay đổimôi trường sống, vấn đề an ninh lương thực và môi trường sống đang là vấn đề cấpthiết trên thế giới Trong điều kiện diện tích đất nông nghiệp ngày càng hạn hẹp, điềukiện cach tác thay đổi và không thể dự đoán trước, việc giám sát và điều khiển môitrường trong sản xuất nông nghiệp giúp nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp,giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm Để làm được điềunày, cần thiết áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt tự động hóa quá trìnhsản xuất đang là vấn đề được đặt ra [1]
Nhà kính tự động là một trong những thành tự quan trọng của nông nghiệp côngnghệ cao Trong đó, nhà kính tự động có khả năng: tạo lập ra một môi trường sinh tháitheo ý muốn thuận lợi nhất có thể cho cây trồng sinh trưởng phát triển; thực hiện cáccông nghệ thâm canh cao; tối thiểu hoá thậm chí có thể loại trừ các yếu tố ngoại cảnhbất lợi ra ngoài sản xuất; sản xuất ra loại nông sản thực phẩm mà thiên nhiên không ưuđãi (trái vụ), thậm chí không sản xuất được ngoài môi trường tự nhiên; tối đa hoá năngsuất chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất; ối thiểu hoá các khoản chi phí sản xuất
và đặc biệt là để tiết kiệm nước
Nhà kính tự động là mô hình áp dụng công nghệ tiên tiến vào mô hình sản xuấtnông nghiệp bao gồm: công nghệ sinh học, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử,công nghệ canh tác nông nghiệp chính xác… Nhà kính tự động ngoài việc đảm bảocác yêu cầu thực hiện cơ giới hóa đến mức cao nhất các công đoạn sản xuất, còn chophép kiểm soát “ khí hậu nhà kính”, “sinh học nhà kính” và thực hiện điều khiển môitrường sinh thái [2-4] Các thông số môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng,lượng chất dinh dưỡng được đo và xử lý để làm tín hiệu điều khiển hệ thống cửa, quạtthông khí, mái che, bơm phun sương, bơm chất dinh dưỡng, hệ thống ổn định nhiệt độ(làm mát, sưởi) thông qua một bộ điều khiển trung tâm
Từ những yêu cầu thực tế trên, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nôngnghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt
là công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử, chúng tôi đề xuất đề tài “Thiết kế thiết
bị tự động giám sát và điều khiển môi trường mô hình nhà kính”.
2.Ý nghĩa khoa học của đề tài
Quảng Bình là nơi có điều kện khí hậu ít thuận lợi, đặc biệt những năm gần đây,thời tiết biến đổi khác thường, ảnh hưởng bởi khí hậu khô hạn gió (bão, lụt, áp thấp
Trang 3để hạn chế ảnh hưởng của khí hậu thì việc ứng dụng mô hình nhà kính tự động trongnông nghiệp là một trong những giải pháp có tính thực tiễn cao.
Việc áp dụng thiết bị giám sát tự động và điều khiển môi trường nhà kính nhằmnâng cao chất lượng sản phẩm, giảm nhân công, giám sát môi trường tự động 24/7 vàđặc biệt có thể tạo ra một môi trường mà điều kiện tự nhiên không cho phép
Giúp bà con nông dân có những hiểu biết về ứng dụng khoa học - kỹ thuật vàosản xuất để phục vụ trong nông nghiệp củng như phục vụ trong đời sống hằng ngày
3.Mục đích nghiên cứu
Đề tài nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích thiết kế thiết bị tự độnggiám sát và điểu khiển môi trường nhà kính Xây dựng mô hình nhà kính tự động giúptạo lập ra một môi trường sinh thái theo ý muốn thuận lợi nhất có thể cho cây trồngsinh trưởng phát triển; kiểm soát tiểu khí hậu nhà kính công nghệ cao giám sát khí hậunhà kính thông qua hệ thống cảm biến; công nghệ điện toán nhà kính điều khiển khíhậu nhà kính thông hệ thống cơ cấu chấp hành và phần mền quản lý
Xây dựng hệ thống thiết bị nhà kính tự động giá thành thấp và hiệu suất cao phùhợp với nông nghiêp ở Việt Nam
4.Giới hạn đề tài
Để thiết kế thiết bị tự động giám sát và điều khiển môi trường nhà kính tự độngđòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tàichính Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này chúng tôi trung vàonhững vấn
• Thiết kế và xây dựng hệ thống cảm biến tự động giám sát môi trường nhà kính:
module cảm biến DHT11 và BH1750;
• Thiết kế và xây dựng hệ thống cơ cấu chấp hành tự động điều khiển môi trường nhàkính;
• Thiết kế và xây dựng mạch điện và lập trình vi điều khiển STM32 cho các thiết bị.
5.Sản phẩm khoa học của đề tài
Đề tài được trình bày trong báo cáo khoa học
[1]. Đào Xuân Quy, Lê Ngọc Phong, Lê Văn Hùng, Từ Ngọc Thịnh Giám sát và điều khiển môi trường nhà kính bằng điện thoại smartphone Hội
thảo khoa học Khoa Kỹ thuật-Công nghệ, Trường Đại học Quảng Bình,tháng 4, năm 2016
6.Cấu trúc của báo cáo
Báo cáo được trình bày như sau:
Trang 4Chương 1: Tổng quan các thiết bị nhà kính:
+ Giới thiệu về nhà kính tự động;
+ Sơ đồ và nguyên lý về nhà kính tự động
Chương 2: Xây dựng hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành:
+ Các đặc điểm của hệ thống cảm biến;
+ Các cơ cấu chấp hành trong nhà kính tự động
Chương 3: Xây dựng mạch điện chính và lập trình vi điều khiển:
Trang 5Hình 1: Mô hình nông nghiệp công nghệ cao ở nước ngoài.
Trong nước
Ở Việt Nam, một số như trung tâm nghiên cứu rau quả Đà Lạt, Hà Nội đãnhập các mẫu nhà kính của Pháp, Israel các yêu cầu khi tính toán thiết kế nhà kính làphải đảm bảo kiểm soát tối ưu các yếu tố khí hậu, môi trường trong nhà kính để câytrồng sinh trưởng và phát triển tốt nhất
Với hơn 70% dân số làm nông nghiệp, đối với Việt Nam ngành nông nghiệp làmột trong những ngành kinh tế mũi nhọn Đi cùng với sự phát triển của thế giới, nhàkính hay còn gọi là nông nghiệp công nghệ cao đã bắt đầu xuất hiện ở nước ta cuối thế
kỷ XX đầu thế kỷ XXI Và cho đến nay, việc sản xuất rau sạch và các loại hoa cao cấpbằng công nghệ cao đã trở nên phổ biến ở nước ta, đặc biệt Đà Lạt nói riêng và LâmĐồng nói chung, vùng sản xuất rau và hoa trọng điểm của cả nước Rau sạch được sảnxuất trong các nhà kính mà ở đó môi trường được điều chỉnh phù hợp, đồng thời ngăn
Trang 6côn trùng xâm nhập, tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng vì thế mà tất yếu đạt được năngsuất cao và phẩm chất tuyệt hảo [5-6].
2. Ý tưởng thiết kế
Nghiên cứu xây dựng hệ thống cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và cơ cấuchấp hành quạt thông khí, mái che, bơm tưới cho mô hình nhà kính tụ động
Thiết kế xây dựng phần cứng, phần mềm điều khiển cho các thiết bị
3.Phương pháp nghiên cứu
Trong đề tài này chúng tôi đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:
• Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách,tạp chí về điện tử và truy cập từ mạng internet;
• Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch cảm biến thực tế đang cótrên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ tại liệu thamkhảo;
• Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kết quả thực nghiệm,chúng tôi hiện đã lắp ráp thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để
từ đó chọn lọc những mạch điện tối ưu
Trang 7CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT NHÀ KÍNH
2.1 Giới thiệu về nền nông nghiệp công nghệ cao
"Là nền nông nghiệp được áp dụng những công nghệ mới vào sản xuất, baogồm: công nghiệp hóa nông nghiệp (cơ giới hóa các khâu của quá trình sản xuất), tựđộng hóa, công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học và cácgiống cây trồng, giống vật nuôi có năng suất và chất lượng cao, đạt hiệu quả kinh tếcao trên một đơn vị diện tích và phát triển bền vững trên cơ sở canh tác hữu cơ"
Trong nông nghiệp, khái niệm "công nghệ cao" hình thành, sử dụng rộng rãi là
sự kết hợp và ứng dụng các công nghệ trên để nâng cao hiệu quả trong sản xuất nôngnghiệp nhằm tạo ra bước đột phá về năng suất, chất lượng hàng hóa, thỏa mãn nhu cầungày càng cao của con người, đặc biệt là đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững(Hình 2)
Hình 2: Mô hình nhà kính trong sản xuất
Lựa chọn ứng dụng vào từng lĩnh vực sản xuất nông nghiệp hàng hoá nhữngcông nghệ tiến bộ nhất về giống, công nghệ canh tác, chăn nuôi tiên tiến, công nghệtưới, công nghệ sau thu hoạch - bảo quản - chế biến Từng bước ứng dụng công nghệthông tin vào quản lý, xây dựng thương hiệu và xúc tiến thị trường
Sản phẩm nông nghiệp công nghệ cao là sản phẩm hàng hoá mang tính đặctrưng của từng vùng sinh thái, đạt năng suất và hiệu quả kinh tế cao trên đơn vị diệntích, có khả năng cạnh tranh cao về chất lượng với các sản phẩm cùng loại trên thịtrường trong nước và thế giới, có điều kiện mở rộng quy mô sản xuất và sản lượnghàng hoá khi có yêu cầu của thị trường
Trang 8Sản xuất nông nghiệp công nghệ cao tạo ra sản phẩm phải theo một chu trìnhkhép kín, trong sản xuất khắc phục được những yếu tố rủi ro của tự nhiên và hạn chếrủi ro của thị trường.
Phát triển nông nghiệp công nghệ cao theo từng giai đoạn và mức độ phát triểnkhác nhau, tuỳ tình hình cụ thể của từng nơi, nhưng phải thể hiện được những đặctrưng cơ bản, tạo ra được hiệu quả to lớn hơn nhiều so với sản xuất bình thường
2.2 Giới thiệu về nhà kính tự động
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa.Nông nghiệp củng đang theo xu hướng ứng dụng khoa học công nghệ vào sản xuất,nuôi trồng Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt
tự động hoá quá trình sản xuất đang là vấn đề bức bách nhằm nâng cao chất lượng sảnphẩm nông nghiệp, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm
Một trong những ứng dụng sản xuất rất được phát triển hiện nay đó là mô hìnhnhà kính Nhà kính tự động là một phát minh quan trọng nhất trong việc sản xuất nôngnghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt nhà kính tự động cho phépkiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số của quá trình sản xuất, kể cả việc sửdụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trong thời vụ, do nhà kính đáp ứngđược yêu cầu cho sự sinh trưởng phát triển tốt nhất của cây trồng (như nhiệt độ, ánhsáng, độ ẩm, khí carbonic, khí oxy…) và chủ động kiểm soát được sâu bệnh hại chocây Do vậy, nhà kính tự động có vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất rau, hoa chonăng suất hiệu quả kinh tế cao, ổn định, sản phẩm đạt được tiêu chuẩn xuất khẩu và cóthể sản xuất theo kiểu công nghiệp Ví dụ về nhà kính tự động và thiết bị trong nhàkính tự động như (Hình 3)
Hình 3: Hình ảnh về nhà kính tự động.
Trang 9Nhà kính tự động
Cảm biến
Nhiệt độ
Độ ẩm Ánh sáng
Cơ cấu chấp hành
Quạt thông khí Bơm tưới Mái che
Nguồn điện
Lưới điện Năng lượng mặt trời
Chúng tôi trình bày tổng quan về nhà kính tự động, hệ thống cơ cấu chấp hành,
hệ thống cảm biến và hệ thống cấp nguồn Phần tiếp theo, chúng tôi thiết kế và xâydựng hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành, cũng như hệ thống cấp nguồn
Trang 10CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP
Hình 5: Nguyên lý hoạt động của nhà kính tự động.
Hệ thống có thể hoạt động ở chế độ tự động và bằng tay thông qua giao diệnđiện thoại smartphone hoặc màn hình LCD (Hình 6)
Hình 6: Hiển thị và điều khiển thông số môi trường
Trang 112.2 Hệ thống cảm biến
Hệ thống cảm biến: gồm nhiều bộ cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm và cường độ
ánh sáng Trong đó, một bộ cảm biến gồm: cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11; cảm biến ánh sáng BH1750 Hệ thống cảm biến có nhiệm vụ cập nhật thông số môi trường
theo thời gian thực và gửi đến bộ điều khiển trung tâm
a. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11
Hình 7: Module DHT11
Là cảm biến có giá thành thấp rất thích hợp cho những ứng dụng thu thập dữ
liệu cơ bản Cảm biến DHT11 có 2 phần, 1 cảm biến độ ẩm điện dung và một điện trở
nhiệt
Dữ liệu ngõ ra của cảm biến DHT11 là dạng số, có thể dùng bất cứ vi điều
khiển nào để lấy dữ liệu ra Dữ liệu độ ẩm mà cảm biến đo được mức từ 20% ~ 90%.Nhiệt độ đo từ 0 ~ 50 Độ C, thời gian trả dữ liệu < 50ms
+ Các thông số kỹ thuật
Nguồn: 3 -> 5 VDC
• Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu)
• Đo tốt ở độ ẩm 2080%RH với sai số 5%
• Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C
• Tần số lấy mẫu tối đa 1Hz (1 giây 1 lần)
• Kích thước 15mm x 12mm x 5.5mm
• 4 chân, khoảng cách chân 0.1''
Trang 12b.Cảm biến ánh sáng BH1750
Hình 9: Module BH1750.
BH1750 là một cảm biến ánh sáng kỹ thuật số Gồm một linh kiện điện tử ICcảm biến ánh sáng cho giao tiếp I2C IC này là thích hợp nhất để nhận diện các dữ liệuánh sáng xung quanh cho việc điều chỉnh màn hình LCD và bàn phím đèn nền sứcmạnh của điện thoại di động Nó có thể phát hiện nhiều ở độ phân giải cao (1-65535lx)
Module BH1750 có các ưu điểm sau:
• Chuyển từ tín hiệu ánh sáng sang kỹ thuật số
• Nhận tín hiệu trong phạm vi rộng với độ phân giải cao: từ 1-65535lx
• Tiêu thụ điện năng rất thấp nhờ tính năng tự ngắt
• Tính năng giảm nhiễu ánh sáng 50Hz/60Hz
• Giao diện I2C bus
• Không yêu cầu phụ kiện bổ sung ngoài
• Có thể lựa chọn 2 kiểu I2C slave-address
• Có thể phát hiện thấp nhấp là 0.11lx, tối đa 100000lx khi sử dụng tínhnăng này
Trang 13• Kích thước: 13.9mm X 18.5mm.
• Nguồn: 3 - 5V
• Khoảng đo: 1- 65535 lux
• Bộ chuyển đổi AD 16bit
• Chip ROHM sử dụng BH1750FVI
c. Thiết kế bộ cảm biến
Hệ thống cảm biến có nhiệm vụ cập nhật thông số môi trường theo thời gian
thực và gửi đến bộ điều khiển trung tâm Sơ đồ mạch cho hệ thống cảm biến: DHT11
và BH1750 được trình bày trong Hình 10: module DHT11, module BH1750, linh kiện
MAX485 và STM85 Sử dụng cảm biến ánh sáng module BH1750 (đo ánh sáng 1–
65535 lux), cảm biến nhiệt độ - độ ẩm module DHT11 (đo độ ẩm 20%-95%, nhiệt độ
0-50oC, sai số độ ẩm ±5%, sai số nhiệt độ ±2ºC)
Hình 10: Sơ đồ mạch cho cảm biến.
Mô tả linh kiện trong Hình 10 được trình bày
Trang 14Bản vẽ mạch và sơ đồ bố chí linh kiện được trình bày trong các hình tiếp theoHình 11 và Hình 12
Hình 11: Bản vẽ linh kiện.
Trang 15Hình 12: Sơ đồ bố trí linh kiện 3D.
2.3 Hệ thống cơ cấu chấp hành
a.Hệ thống quạt thông khí
Các quạt được phân bố trên các vách tường ở hai cạnh của mô hình Hoạt độngcủa hệ thống thông khí tác động trực tiếp đến nhiệt độ và độ ẩm, khi môi trường khôngthỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, hệ thống thông khí sẻ hoạt động để ổnđịnh lại môi trường
Hình 13: Quạt thông khí.
b.Hệ thống bơm tưới
Hoạt động của hệ thống tưới: khi môi trường không thỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ,
độ ẩm và ánh sáng, hệ thống tưới sẽ hoạt động để ổn định lại môi trường
Trang 16Hình 14: Hệ thống tưới tự động
c. Hệ thống mái che
Hệ thống mái che có nhiệm vụ ngăn tia tử ngoại từ ánh sáng mặt trời Hoạtđộng của hệ thống mái che: Khi môi trường không thỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ ánhsáng hệ thống mái che sẻ hoạt động ổn định lại môi trường
Hình 15: Hệ thống mái che.
Trang 17Trong phần này, chúng tôi đã thiết kế và xây dựng hệ thống cảm biến: modulecảm biến và mạch điện cho bộ cảm biến; hệ thống cơ cấu chấp hành và nguồn điệncung cấp cho hệ thống Trong phần tiếp theo, chúng tôi xây dựng mạch điện chính, lậptrình vi điều khiển và phần mềm điều khiển hệ thống
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MẠCH ĐIỆN CHÍNH VÀ LẬP TRÌNH VI
ĐIỀU KHIỂN
Hệ thống được hoạt động theo sơ đồ Hình 17: hệ thống cảm biến cập nhật thông
số môi trường, thông số môi trường được gửi đến bộ vi điều khiển, dựa trên thông sốmôi trường vi điều khiển tác động lên hệ thống cơ cấu chấp hành
Trang 18Hình 17: Sơ đồ hoạt động của hệ thống
3.2 Mạch điện chính và vi điều khiển
Mạch điện chính:
Mạch điện chính (Hình 18, 19 và 20): gồm các linh kiện điện tử và cổng kết nốivới hệ thống cảm biến, hệ thống cơ cấu chấp hành, màn hình LCD và keypad vàmodule truyền\nhận wifi ESP8266
Hình 18: Linh kiện mạch điện chính.