THÔNG TIN TÀI LIỆU
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THƠNG MINH CHĂM SĨC VƯỜN CÂY TRỒNG TỰ NHIÊN Trần Cơng Đức, Huỳnh Nguyễn Hồng Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Nguyễn Quốc Thanh Trường CĐN kỹ thuật Cơng Nghệ TP.HCM TĨM TẮT Hệ thống điều khiển tiểu khí hậu nhà trồng khâu quan trọng toàn hệ thống trồng rau nhà màng Quyết định đến suất trồng đặc biệt tạo sản phẩm đóng góp vào việc bảo vệ môi trường Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhà trồng rau có hệ thống điều khiển tiểu khí hậu cách thơng minh quan trọng việc trì mơi trường sinh trưởng tốt cho trồng Đề tài tìm hiểu đặc tính quang hợp xanh, từ đề xuất nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển đề phù hợp với điều kiện quang hợp trồng Với nguyên lý điều khiển tiểu thời tiết cho nhà trồng, hệ thống điều khiển thông minh cho nhà trồng nghiên cứu, thiết kế chế tạo Hệ thống có ba phương thức điều khiển chế độ điều khiển tự động qua lập trình, điều khiển PLC S7-200, hệ thống điều khiển tay hệ thống điều khiển qua mạng Wifi Internet Qua thử nghiệm hệ thống hoạt động tốt ổn định, số điều khiển đảm bảo yêu cầu Từ khóa:nhà kính, rau sạch, trồng rau tự động ABSTRACT The control system of microclimate in greenhouse is an important section in the whole of greenhouse system Decision on crops capacity and especially creating clean crop products and contribute to environmental protection The studies, designs, manufactures greenhouse for control system of microclimante wisely is very important in maintaining good growing environment for crops The thesis studied photosynthesis characteristics of green, hence proposed the operation principle of control system to concordant with condition photosynthesis of green With principle of control microclimante for greenhouse, smart control system for greenhouse was studied, designed and manufactured The system has three modes that are automatic control by progammer unit, PLC S7-200 (Process Control Language), manual control system and control system by Wifi (Wireless Fidelity) and Internet network By testing, system operate well and stable, requirement ensure control indexes Keywords: Green – house, fresh vegetable, Horticulture automation ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện giới, việc ứng dụng công nghệ điều khiển vào sản xuất nhiều cần thiết ngành nghề kể nông nghiệp Trong nông nghiệp, nhờ ứng dụng công nghệ điều khiển đại mà suất chất lượng trồng tăng lên đáng kể Với cơng nghệ trồng rau nhà màng có hỗ trợ thiết bị điều khiển cho kết mong đợi suất cao, chất lượng tốt, sạch, an tồn mà trồng loại mà từ trước truyền thống vùng miền Ở Việt Nam, việc trồng rau nhà màng phát triển nhanh chóng, đem lại lợi ích cao cho người nơng dân Tuy nhiên, chi phí đầu tư cao nên việc ứng dụng hạn chế nơng trang lớn có khả kinh tế, điều khiển dạng bán tự động nên cần nhiều nhân công việc điều khiển hầu hết trang thiết bị điều khiển phải nhập từ nước nên giá thành cao Do cần phải có hướng nghiên cứu, thiết kế chế tạo thiết bị nước để giảm chi phí, phù hợp với điều kiện kinh tế người nông dân điều kiện môi trường Việt Nam Bài báo trình bày kết thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển tiểu mơi trường mơ hình nhà màng cách tự động có hỗ trợ máy tính điều khiển qua điện thoại Smarphone số thiết bị hệ thống điều khiển nhiệt độ độ ẩm Kết thực nghiệm cho thấy với nhà màng điều khiển tự động làm cho điều kiện môi trường sinh trưởng trồng tốt hơn, phù hợp yêu cầu môi trường đặt cho loại trồng Mặt khác với khả điều khiển từ xa qua Smarphone làm cho việc giám sát điều khiển trở nên sễ dàng PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ Internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử nghiệm hoạt động hoàn chỉnh thiết kế THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Mơ hình hệ thống điều khiển độ ẩm, nhiệt độ, ánh sang nhà trồng rau Khí hậu Việt Nam khí hậu nhiệt đới gió mùa, có nhiệt độ ẩm tương đối cao quanh năm Do việc lựa chọn mơ hình nhà màng mái che có cửa thơng khí đóng mở đạt thơng thống cao, tránh nấm mốc dễ điều khiển nhiệt độ Kiểu nhà màng có kết cấu đơn giản, nhẹ mái đóng mở tự động để tạo thơng thống dễ dàng đón ánh sáng mặt trời, giúp cho khơng gian trồng thêm thống, sáng làm cho khả sinh trưởng trồng thêm tốt Hình 1: Mơ hình nhà màng 3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng 3.2.1 Thiết kế phận đóng mở cửa thơng gió Hệ thống mở mái hoạt động nhiệt độ, độ ẩm tăng cao ngưỡng cài đặt nhằm làm thong khí nóng ngồi giảm độ ẩm nhà màng Hệ thống đóng lại nhiệt độ giảm 33oC độ ẩm giảm 65% trời có mưa Cửa thơng khí mở góc tối đa 39o bên, đảm bảo khơng khí lưu thơng tốt nhà màng mơi trường bên ngồi Hình 2: a) Cơ cấu khâu đóng (b) Cơ cấu khâu mở Hình 3: Các phận đóng mở cửa thơng khí Bộ phận đóng mở cửa thơng gió gồm: 1: Động AC hộp giảm tốc 6: đẩy cánh cửa bên trái 2: Dây đai bước p= 4mm 7: Cánh cửa bên phải 3: Puly bước p = 4mm 8: Cánh cửa bên trái 4: Khâu quay 9: Trục nối truyền động quay 5: Thanh đẩy cách cửa bên phải 10: Các trụ nối cánh cửa thơng gió Ngun lý hoạt động: Khi động quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, qua hệ thống truyền đai làm cho tay quay quay, đẩy đẩy cánh lên phía để mở cửa động quay chiều kim đồng hồ làm cho tay quay quay chiều kim đồng hồ, đẩy kéo cánh xuống để đóng cửa Qua trục nối , cấu đối diện hoạt động tương tự 3.2.2 Thiết kế hệ thống rèm cắt nắng 1: Động điện AC giảm tốc 6: Bộ truyền động xích 2: Puly 7: Trục quay 3: Dây đai 8: Dây kéo 4: Puly quấn, nhả dây kéo 9: Màng cắt nắng 5: Bạc đạn Hình 4: Hình 5: Bộ phận đóng mở cắt nắng (khi đóng) Bộ phận đóng mở cắt nắng (khi mở) Nguyên lý hoạt động: Động quay, qua hệ thống truyền đai làm cho trục quay Trục quay chiều tốc độ với trục nhờ truyền động xích với trục Hai puly trục quấn dây chiều quay chiều kim đồng hồ, hai puly trục nhã dây làm kéo cắt nắng phía phải (đóng màn) Khi chiều quay ngược chiều kim đồng hồ hai puly trục nhã dây hai puly trục quấn dây làm kéo cắt nắng phía trái (mở cắt nắng) 3.2.3 Thiết kế chương trình điều khiển PLC Chế độ điều khiển tự động thơng qua tín hiệu đầu vào sensor nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, báo mưa cơng tắc hành trình thực sau: 3.2.3.1 Điều khiển nhiệt độ - Nếu có mưa cửa thơng khí nhà màng đóng lại khơng có mưa nhiệt độ nhà màng lớn nhiệt độ ngưỡng (To >33oC) hệ thống mái mở đồng thời hệ thống quạt khí mát thổi lượng khí nóng nhà màng bơm phun sương hoạt động làm mát môi trường nhà màng Trong trường hợp nhiệt độ nhỏ To đóng cửa thơng khí nhà màng, tắt quạt gió tắt bơm phun sương Hình 6: Lưu đồ giải thuật điều khiển nhiệt độ 3.2.3.2 Điều khiển độ ẩm - Nếu độ ẩm khơng khí thấp độ ẩm cài đặt Rho bơm phun sương hoạt động Nếu độ ẩm khơng khí cao độ ẩm cài đặt Rho tắt bơm phun sương, đồng thời mở cửa thơng khí Nếu trời mưa đóng cửa thống khí Hình 7: Lưu đồ điều khiển độ ẩm 3.2.3.3 Điều khiển sáng Ánh sáng quang trọng quang hợp trồng, việc tận dụng ánh sáng tối đa cho trồng cần thiết Vì cắt nắng đóng/mở nhiệt độ cao nhiệt độ cho phép khoảng đóng phụ thuộc vào cường độ sáng mạnh hay yếu mức độ - Nếu nhiệt độ lớn T0 (33oC) hệ thống cảm biến quang báo trời có nắng nhiều hay để kịp thời che cắt nắng cho phù hợp Cảm biến quang có mức, tùy theo cường độ sáng mà đóng mở hay nhiều ( có mức đóng mở) Nếu nhiệt độ nhỏ T0 (33oC) mở hồn tồn Hình 8: Lưu đồ điều khiển ánh sáng AS L1: cường độ sáng mức (mức cường độ ánh sáng mạnh nhất) AS L2: cường độ sáng mức AS L3: cường độ sáng mức AS L4: cường độ sáng mức (mức cường độ nhỏ nhất) 3.2.3.4 Điểu khiển tưới nước - Tưới nước cài đặt qua Relay thời gian Việc tưới nước tùy thuộc vào loại giai đoạn sinh trưởng Trong mơ hình tưới nước cài đặt sau: ngày tưới lần, lần 15 phút ( lần 1: giờ; lần 2: 10 giờ; lần 3: 14 giờ; lần 4: 20 giờ) - Hình 9: Relay điều chỉnh thời gian - Cơng suất tải tức thời tối đa: 25A,220V Nguồn điện tiêu chuẩn hoạt động: 5A, 220V Dãy điện áp làm việc: từ 160VAC – 240VAC Công suất tiêu thụ: nhỏ 1W Có nhớ cài đặt ON nhớ cài đặt OFF Khoảng cách thời gian tắt/mở phút Khoảng cách thời gian cài đặt tắt/mở tối đa 168 (1 tuần lễ) Có pin chờ điện, khơng bị nhớ Có thể chọn lịch làm việc cho Timer cho tuần ngày riêng rẽ tuần Sai số thời gian đồng hồ chuẩn máy: không 0,5 giây/ ngày Thông số kỹ thuật: 3.2.3.5 Điều khiển qua Internet Trong mơ hình này, chúng tơi dùng module EC10 công ty TITANS để điều khiển thiết bị qua mạng EC10 thiết bị điều khiển, giám sát thông qua mạng LAN/Internet EC10 cho phép giao tiếp trực tiếp với mạng Internet thông qua cáp RJ45 không cần kết nối máy tính EC10 hỗ trợ tới Relay Outputs cho phép điều khiển trực tiếp thiết bị điện 220V, hỗ trợ tới đầu vào cách ly cho phép kết nối với công tắc để điều khiển trực tiếp, EC10 có hai đầu vào dạng analog 0-12V cho kết nối với cảm biến khác cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, áp suất, ánh sáng Ngồi EC10 có connector mở rộng để mở rộng hệ thống cho phép tăng số lượng đầu kết nối với cảm biến phức tạp khác [7] Hình 10: Hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng EC10 [7] Hình 11: Giao diện hình điều khiển Kết nối điều khiển sau: - - Device : Bơm phun sương Device : Mở cắt nắng Device : Đóng cắt nắng - Device : Mái thơng khí đóng Device 5: Mái thơng khí mở Device : Quạt 3.2.4 Kết khảo nghiệm Bảng kết khảo sát nhiệt độ, độ ẩm ngày 12/10/2015 Giờ 10 11 12 13 14 15 16 17 Nhiệt độ trời (độ C) 37 41 42 37 39 40 39 36 35 Độ ẩm trời (%) 81 72 65 86 85 87 78 75 76 100 Nhiệt độ nhà (độ C) Độ ẩm nhà (%) 32 34 33 30 30 31 33 31 31 84 85 85 88 88 90 88 85 85 Nhiệt độ trời (độ C) 80 60 Độ ẩm trời (%) 40 20 10 11 12 13 14 15 16 17 Nhiệt độ nhà (độ C) Hình 12: Biểu đồ nhiệt độ , độ ẩm ngày 12/10/2015 Kết luận: Qua khảo sát trình điều khiển tiểu khí hậu nhà màng bốn ngày cho thấy nhiệt độ trời cao hệ thống điều khiển cho phép hạ nhiệt độ nhà từ ÷ 9oC, nhiệt độ nhà màng giao động mức từ 28 ÷ 34oC Độ ẩm trời ngày khảo sát khoảng từ 65 ÷ 87% điều khiển độ ẩm nhà màng ln giao động từ 80 ÷ 90% Theo kết cho thấy mơ hình điều khiển hoạt động tốt, khả kiểm soát độ ẩm nhiệt độ đạt yêu cầu KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Từ kết nghiên cứu rút kết luận sau: - Kết nghiên cứu phần đáp ứng yêu cầu đặt cho việc điều khiển yếu tố mơi trường nhà trồng rau Điều có ý nghĩa quan trọng cho việc sản xuất rau an tồn có chất lượng suất cao làm đa dạng hóa loại trồng mà trước địa phương không trồng - Việc ứng dụng điều khiển PLC giúp cho trình lập trình dễ dàng thay đổi tùy thuộc yêu cầu điều khiển khả mở rộng điều khiển Ngoài với việc giám sát điều khiển hệ thống qua Internet giúp cho việc quản lý thuận tiện dễ dàng khoảng cách xa 4.2 Hướng phát triển Do thời gian, điều kiện nghiên cứu, chế tạo có giới hạn nên luận văn hoàn thành chưa thật đáp ứng kỳ vọng chúng tơi, kiến nghị sau đề xuất để nghiên cứu sau hoàn chỉnh hơn: - Hệ thống cần thêm phận nhận biết điều chỉnh độ ẩm đất, nồng độ CO2, hệ thống pha trộn phân tự động - Hệ thống điều khiển lựa chọn thông số điều kiện môi trường cho nhóm cách tự động Ngồi hệ thống điều khiển qua internet có khả linh hoạt như: thay đổi số thông số điều kiện môi trường ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm v.v mà không cần điều chỉnh trực tiếp từ thiết bị TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Văn Hùng, Đào Duy Vinh,Kết nghiên cứu Mơ hình nhà kính ứng dụng điều khiển tự động PLC, tạp chí KHKT Nông Lâm Nghiệp, số Tr 60 – 65, 2007 http://vustathaibinh.vn/Tin-Tuc/left41/1498_NHA-KINH-NONG-NGHIEP-CONGNGHE-CAO-ISRAEL http://automation.net.vn/Nghien-cuu-Khoa-hoc/Mo-hinh-nha-trong-cay-voi-dieu-khientu-dong-ung-dung-tai-khu-vuc-Thanh-Pho-Ho-Chi-Minh.html http://text.123doc.org/document/1009987-tai-lieu-nghien-cuu-de-tai-khao-sat-mot-somo-hinh-nha-kinh-nha-mang-tai-thanh-pho-da-lat-tinh-lam-dong-docx.htm http://nhakinh.net/nha-kinh http://www.vuontuongnhapho.vn/productdetails.aspx?code=24&sl=10 http://www.knecvn.com/vi/linhvuc.aspx?id=23 BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học học viên có xác nhận đề xuất cho đăng Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm bảo hộ Luật xuất Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam Nghiêm cấm hình thức xuất bản, chụp, phát tán nội dung chưa có đồng ý tác giả Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh ... Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử nghiệm hoạt động hoàn chỉnh thiết kế THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 3.1 Mơ hình hệ thống điều khiển độ ẩm, nhiệt độ, ánh sang nhà... ngày Thông số kỹ thuật: 3.2.3.5 Điều khiển qua Internet Trong mơ hình này, dùng module EC10 công ty TITANS để điều khiển thiết bị qua mạng EC10 thiết bị điều khiển, giám sát thông qua mạng LAN/Internet... điều khiển độ ẩm 3.2.3.3 Điều khiển sáng Ánh sáng quang trọng quang hợp trồng, việc tận dụng ánh sáng tối đa cho trồng cần thiết Vì cắt nắng đóng/mở nhiệt độ cao nhiệt độ cho phép khoảng đóng phụ
Ngày đăng: 25/10/2019, 19:10
Xem thêm: