Nghiên cứu phát triển hệ thống giám sát tự động các quá trình sinh trưởng phát triển của hoa trồng trong nhà lưới ứng dụng trong sản xuất hoa công nghệ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ LẠI VĂN SONG NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG CÁC QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG, PHÁT TRIỂN CỦA HOA TRỒNG TRONG NHÀ LƯỚI, ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT HOA CÔNG NGHỆ CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ Lại Văn Song NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG CÁC QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG, PHÁT TRIỂN CỦA HOA TRỒNG TRONG NHÀ LƯỚI, ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT HOA CÔNG NGHỆ CAO Chuyên ngành: Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA PGS TS NGUYỄN QUANG ĐỊCH Hà Nội – Năm 2017 CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Lại Văn Song Đề tài luận văn: Nghiên cứu, phát triển hệ thống giám sát tự động trình sinh trưởng, phát triển trồng nhà lưới, ứng dụng sản xuất hoa công nghệ cao Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số SV: CA140025 Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 19 tháng 04 năm 2017 với nội dung sau: - Bổ sung thêm sơ đồ mạch động lực; - Sửa lại hình vẽ, lưu đồ thuật toán bị mờ; - Bổ sung thêm phần phụ lục chương trình điều khiển PLC; Ngày 15 tháng năm 2017 Giáo viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, không chép chưa dùng để bảo vệ học vị Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực Những số liệu bảng biểu phục vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá tác giả thu thập từ nguồn khác có ghi rõ phần tài liệu tham khảo Nếu phát có gian lận tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2017 Tác giả luận văn Lại Văn Song i LỜI CẢM ƠN Để thực thành công luận văn tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới tổ chức cá nhân đồng hành suốt thời gian tham gia đào tạo, nghiên cứu thực nghiệm kết cuối Tơi xin bày tỏ lịng tri ân Học viện Nông nghiệp Việt Nam, nơi công tác tạo điều kiện mặt cho làm việc, nghiên cứu học tập nâng cao trình độ chun mơn Em xin bày tỏ lịng tri ân lãnh đạo nhà trường Thầy, Cô giáo Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi em theo học Cao học Sự cống hiến cho nghiệp giáo dục đào tạo, khoa học công nghệ Thầy, Cô gương sáng cho hệ học viên chúng em noi theo Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Nguyễn Quang Địch, người dìu dắt hướng dẫn em suốt trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo, đồng nghiệp công tác Bộ môn Tự động hóa, khoa Cơ điện, Học viện Nơng nghiệp Việt Nam đồng hành suốt thời gian tham gia đào tạo cao học Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2017 Học viên Lại Văn Song ii MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC BẢNG vi LỜI NÓI ĐẦU 1 ĐẶT VẤN ĐỀ MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Mục tiêu chung 2.2 Mục tiêu cụ thể 3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu 3.2 Phạm vi nghiên cứu CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4.1 Cách tiếp cận 4.2 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO 1.1 Giới thiệu sản xuất nông nghiệp công nghệ cao 1.1.1 Hiện trạng sản xuất nông nghiệp công nghệ cao 1.1.2 Một số công nghệ sử dụng sản xuất nông nghiệp 1.2 Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài 14 1.2.1 Tình hình nghiên cứu nước 14 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 16 CHƯƠNG NHỮNG YÊU CẦU ĐỐI VỚI QUY TRÌNH SẢN XUẤT HOA TRONG NHÀ CÓ MÁI CHE 20 2.1 Sản xuất hoa nhà có mái che 20 iii 2.1.1 Những yêu cầu chung 20 2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng trồng 21 2.2 Xây dựng quy trình khảo nghiệm sản xuất hoa theo hướng công nghệ cao 25 2.2.1 Lựa chọn đối tượng trồng 25 2.2.2 Xây dựng quy trình sản xuất cho hoa đồng tiền theo hướng công nghệ cao 29 2.2.3 Những đề xuất nghiên cứu áp dụng 35 2.3 Thiết kế bố trí thí nghiệm 36 2.3.1 Thiết kế máng trồng 36 2.3.2 Hệ thống tưới nhỏ giọt 37 2.3.3 Hệ thống trộn dung dịch dinh dưỡng 39 2.3.4 Phần cứng cho hệ thống trộn 40 2.3.5 Hệ thống điều tiết thông số môi trường 43 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG GIÁM SÁT ĐIỀU KHIỂN THƠNG SỐ NHÀ KÍNH 45 3.1 Lựa chọn thiết bị cho hệ điều khiển PLC 45 3.1.1 Giới thiệu chung PLC 45 3.1.2 Giao diện người máy HMI 46 3.1.3 Giới thiệu chung phần mềm TIA Portal 46 3.2 Xây dựng hệ thống điều khiển cho mơ hình 47 3.2.1 Tổ chức hệ thống điều khiển 47 3.2.2 Chương trình điều khiển tưới 53 3.2.3 Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống trộn 58 3.2.4 Thiết kế chương trình điều khiển hệ điều tiết ánh sáng 61 3.2.5 Thiết kế chương trình điều khiển giám sát hệ thống quạt phun sương 61 3.3 Tổng hợp kết thiết kế 63 3.3.1 Phần vật tư thiết bị nông nghiệp 63 iv 3.3.2 Phần thiết bị hệ thống điều khiển 64 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG IOT GIÁM SÁT NHÀ TRỒNG HOA 67 4.1 Nghiên cứu IoT nông nghiệp 67 4.1.1 Giới thiệu IoT 67 4.1.2 Xây dựng Platform cho nông nghiệp 71 4.2 Thiết kế triển khai hệ thống IoT 81 4.2.1 Xây dựng hệ cảm biến đầu vào 81 4.2.2 Xây dựng hệ Smart Node Zigbee 82 4.2.3 Xây dựng IoT Gateway 88 4.2.4 Mơ hình giao thức MQTT CoAP 90 4.3 Kết hệ thống IoT 93 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96 5.1 Kết luận 96 5.2 Đề xuất phương hướng nghiên cứu 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 PHỤ LỤC 100 v DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1 Ảnh hưởng nhiệt độ đến trình sinh trưởng, phát triển chất lượng hoa đồng tiền 30 Bảng 2.2 Ảnh hưởng ánh sáng đến trình sinh trưởng, phát triển chất lượng hoa đồng tiền 31 Bảng 2.3 Ảnh hưởng độ ẩm đến trình sinh trưởng, phát triển chất lượng hoa đồng tiền 32 Bảng 2.4 Ảnh hưởng yếu tố dinh dưỡng đến trình sinh trưởng, phát triển chất lượng hoa đồng tiền 33 Bảng 3.1 Danh mục cảm biến 47 Bảng 3.2 Danh mục cấu chấp hành 48 Bảng 3.3 Danh mục thiết bị hệ thống điều khiển 51 Bảng 4.1 So sánh Zibgee – Wifi – Bluetooth 84 Bảng 4.2 Đánh giá ưu, nhược điểm Zigbee 84 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Bản thiết kế mặt trước nhà kính Hình 1.2 Bản thiết kế mặt sau nhà kính với cooling pad Hình 1.3 Thiết kế hệ thống đảo khí bên Hình 1.4 Bản thiết kế tổng thể nhà lưới 500m VNUA 2016 Hình 1.5 Nguyên lý hệ thống làm mát Fan and Cooling Pad Hình 1.6 Mơ hình bố trí hệ thống làm mát Hình 1.7 Sơ đồ đường nhiệt nhà kính Hình 1.8 Giao diện phần mền hỗ trợ quản lý đồng ruộng Viện nghiên cứu lúa gạo quốc tế (IRRI) 10 Hình 1.9 Mơ tả hệ thống phần mềm quản lý khu nông nghiệp công nghệ cao TP.HCM 11 Hình 1.10 Sơ đồ mô công nghệ thủy canh 11 Hình 1.11 Hệ thống trồng rau thủy canh Vineco Vĩnh Phúc 11 Hình 1.12 Ngun lý hệ khí canh 12 Hình 1.13 Mơ tả hệ thống tưới dùng pin lượng mặt trời 13 Hình 1.14 Bộ bơm chuyên dụng dùng lượng mặt trời 13 Hình 1.15 Trạm thời tiết mini dùng lượng mặt trời Pessl Instruments, Úc 13 Hình 2.1 Tác giả vườn hoa cúc trồng đất Dalat Hasfarm 12/2015 27 Hình 2.2 Hoa đồng tiền thủy canh Đà Lạt 27 Hình 2.3 Mơ hình hệ thống điều khiển nhà kính 29 Hình 2.4 Quy trình trồng đồng tiền nhà lưới với hỗ trợ hệ thống giám sát tự động 34 Hình 2.5 Khái quát yêu cầu điều khiển hệ thống 35 Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm hệ thống 36 Hình 2.7 Sơ đồ thiết kế giá chữ A hình chiếu đứng 36 vii 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 ... 01 hệ thống giám sát tự động trình sinh trưởng, phát triển trồng nhà lưới - Xây dựng hệ thống IoT giám sát trực tuyến trình trồng hoa nhà kính - Đề xuất quy trình sản xuất hoa đồng tiền nhà lưới. .. BÁCH KHOA HÀ NỘI ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ Lại Văn Song NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG CÁC QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG, PHÁT TRIỂN CỦA HOA TRỒNG TRONG NHÀ LƯỚI, ỨNG DỤNG TRONG SẢN... thuật lập trình Đó tảng để thiết kế hệ thống giám sát tự động trình sinh trưởng, phát triển trồng nhà lưới, chăm sóc hoa công nghệ cao, hệ thống điều khiển tự động hóa q trình trồng hoa nhà có mái