Nghiên cứu ảnh hưởng của chiếu sáng led đến sự sinh trưởng và phát triển của cây xà lách, từ đó chế tạo mô hình trồng rau trong nhà

Viện Vật Lý Kỹ Thuật Trường Đại học Bách khoa Hà Nội TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHIẾU SÁNG LED ĐẾN SỰ SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÂY XÀ LÁCH, TỪ ĐĨ CHẾ TẠO MƠ HÌNH TRỒNG RAU TRONG NHÀ VŨ DUY ĐẠT Dat.vdcb190305@sis.hust.edu.vn Chuyên ngành Quang học quang điện tử Giảng viên hướng dẫn: TS Trần Thiên Đức Chữ ký GVHD Viện: HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Vật Lý Kỹ Thuật i CỘNG HÒA XÃ 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 : VŨ DUY ĐẠT Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng led đến sinh trưởng phát triển xà lách, từ chế tạo mơ hình trồng rau nhà Chun ngành: Quang học Quang điện tử Mã số SV: CB190305 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 29 tháng 04 năm 2021 với nội dung sau: Chỉnh sửa lỗi tả, cấu trúc câu, lỗi cơng thức Chỉnh sửa trích dẫn tài liệu tham khảo, số thứ tự tài liệu tham khảo Bổ sung thêm định nghĩa thuật ngữ chuyên ngành Bổ sung thêm thông tin bảng 2.1 Viết logic đối tượng nghiên cứu phần mở đầu Ngày 26 tháng 05 năm 2021 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận văn CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Trang ii Lời cam đoan Tôi cam đoan nội dung luận văn tồn kết nghiên cứu tơi hướng dẫn TS Trần Thiên Đức Các liệu kết hoàn toàn trung thực chưa công bố tác giả khác Hà Nội, tháng năm 2020 Người hướng dẫn TS Trần Thiên Đức HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Vũ Duy Đạt Trang iii Lời cảm ơn Luận văn kết trình học tập năm Viện Vật lý kỹ thuật, nơi đào tạo lĩnh vực Quang học quang điện tử với điều kiện học tập tốt nhất, tham gia sôi vào hoạt động nghiên cứu Viện Trước hết người hướng dẫn tôi, TS Trần Thiên Đức Tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy điều thầy làm cho tơi Tôi xin cảm ơn PGS.TS Phạm Hồng Dương đề tài mã số ĐTĐL.CN.30/18 hướng dẫn hỗ trợ luận văn Tôi xin cám ơn nông dân Kiều Mạnh Hùng giúp đỡ kinh nghiệm, hỗ trợ công việc thực thực nghiệm luận văn Cuối cùng, tơi cám ơn gia đình tình u họ, khuyến khích họ động lực cố gắng năm qua Cơng trình thực hỗ trợ đề tài Nafosted mã số 103.02-2018.53 với chủ nhiệm đề tài TS Trần Thiên Đức HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Trang iv Tóm tắt nội dung luận văn Nội dung 1: Nghiên cứu điều khiển tỷ lệ chiếu sáng, độ rọi, quang kỳ LED cách điều chỉnh tỷ lệ số lượng bóng chiếu sáng đỏ/xanh dương, khoảng cách, góc chiếu thời gian chiếu sáng Các kết thực nghiệm cho thấy với nghiệm thức chiếu sáng sử dụng 60% LED đỏ - 40% LED xanh với bước sóng tương ứng 455 nm 635 nm; độ rọi chiếu sáng 1800 lux thời gian chiếu sáng 16 h/ngày cho phát triển đồng so với nghiệm thức cịn lại Nội dung 2: Xây dựng mơ hình nhà màng trồng rau tự động thiết kế mạch điều khiển gồm vi mạch điều khiển Atmega8, module wifi ESP32 để đưa liệu lên ứng dụng Blynk, giúp người sử dụng điều khiển thông số tự động Sau trình thu thập tài liệu thực tế, đưa thiết kế nhà màng xây dựng mơ hình trồng rau bổ sung chiếu sáng đảm bảo yếu tố sinh trưởng trồng Các kết đánh giá khách quan thông qua trao đổi trực tiếp với người dân có kinh nghiệm canh tác, từ tiếp tục cải thiện chất lượng mơ hình nhà màng sau nhân rộng quy mơ lớn HỌC VIÊN Ký ghi rõ họ tên HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Trang v MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Tình hình nghiên cứu 1.3 Ý nghĩa đề tài 1.4 Ứng dụng thực tế CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Quá trình quang hợp 2.2 Nguồn sáng đại lượng chiếu sáng 11 2.2.1 Quang thông (luminous flux) 11 2.2.2 Cường độ ánh sáng 11 2.2.3 Độ rọi 12 2.3 Ảnh hưởng ánh sáng đến trình sinh lý thực vật 13 2.3.1 Ảnh hưởng độ rọi tới phát triển thực vật 13 2.3.2 Ảnh hưởng quang phổ ánh sáng tới phát triển thực vật 15 2.3.3 Ảnh hưởng thời gian chiếu sáng tới phát triển thực vật (quang kì) 17 2.4 Xu hướng nguồn sáng dùng để trồng nhà 18 2.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động LED 19 2.4.2 Ứng dụng LED nông nghiệp 23 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC YẾU TỐ CHIẾU SÁNG LÊN CÂY TRỒNG 24 3.1 Chuẩn bị giống trồng 24 3.2 Điều khiển tỉ lệ chiếu sáng 25 3.3 Điều khiển độ rọi chiếu sáng 32 3.4 Điều khiển thời gian chiếu sáng 35 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH TRỒNG RAU TRONG NHÀ 38 4.1 Xây dựng mạch điều khiển 38 4.1.1 Điều khiển module chiếu sáng 38 4.1.2 Điều khiển độ rọi tỉ lệ chiếu sáng 39 4.1.3 Điều khiển thời gian chiếu sáng 42 HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Trang vi 4.1.4 Phần mềm điều khiển 45 4.2 Xây dựng nhà màng trồng rau kết hợp với hệ thống tự động 47 4.2.1 Thiết kế nhà màng trồng rau 47 4.2.2 Điều khiển kiểm soát nhiệt độ độ ẩm tự động 49 4.2.3 Điều khiển luồng khí nhà màng tự động 51 4.2.4 Tính tốn chiếu sáng 52 4.3 Đánh giá lại hiệu việc bổ sung chiếu sáng loại trồng thử nghiệm 54 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 01: BẢN THIẾT KẾ CHI TIẾT NHÀ MÀNG 63 PHỤ LỤC 02: BẢN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG 64 HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 vii Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu, viết tắt Tên tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt LED Light Emitting Diode Đi-ốt phát quang Chlorophyll Chlorophyll Diệp lục NADPH Nicotinamide adenine dinucleotide phosphate Đường ribose năm carbon PPFD Photosynthetic photon flux density Cường độ dòng photon hữu hiệu MH Metal Halide Đèn halogen kim loại PCB Printed Circuit Board Bảng mạch in PAR Photosynthetcally ative radiation Bức xạ hoạt tính quang hợp HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 viii Trang DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống LED chiếu sáng trồng [1] Hình 1.2 LED nơng nghiệp dùng cho trồng trọt thủy canh Hình 1.3 Cây trồng chiếu sáng nguồn LED đủ phổ [2] Hình 1.4 Cây trồng với LED đỏ/xanh dương Hình 2.1 Sơ đồ trình quang hợp xanh[23] Hình 2.2 Quá trình xảy pha sáng quang hợp [24] 10 Hình 2.3 Quá trình xảy pha tối quang hợp [24] 10 Hình 2.4 Sơ đồ biểu diễn cường độ mặt cầu 12 Hình 2.5 Độ rọi phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn sáng đến bề mặt chiếu sáng 12 Hình 2.6 Bức xạ phát từ nguồn chiếu sáng 13 Hình 2.7 Mơ hình trồng nhà kính tăng cường nồng độ CO2 [29] 15 Hình 2.8 Cường độ hấp thụ ánh sáng sắc tố quang học [31] 16 Hình 2.9 Hiệu suất quang hợp tương đối ứng với quang phổ tác dụng[32] 17 Hình 2.10 Cấu tạo LED điển hình 20 Hình 2.11 Sơ đồ lớp tiếp xúc p-n 22 Hình 2.12 Sơ đồ ngun lí hoạt động LED [34] 22 Hình 3.1 Mơ hình thủy canh sử dụng làm mơi trường nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố chiếu sáng lên trồng 24 Hình 3.2 Chip LED kết hợp LED đỏ LED xanh dương 25 Hình 3.3 Chip LED với tỷ lệ RED/BLUE theo nghiệm thức 26 Hình 3.4 Quang phổ nguồn sáng sử dụng 60% LED xanh dương 40% LED đỏ 26 Hình 3.5 Quang phổ nguồn sáng sử dụng 30% LED xanh dương 70% LED đỏ 27 Hình 3.6 Quang phổ nguồn sáng sử dụng 40% LED xanh dương 60% LED đỏ 27 Hình 3.7 Đường kính tán xà lách theo tỷ lệ LED 29 Hình 3.8 Đường kính tán xà lách sau tuần theo tỷ lệ LED đỏ theo nghiệm thức 30 Hình 3.9 Hình thái sinh trưởng phát triển ứng với ba nghiệm thức.(a) 100% LED đỏ, (b) 90% LED đỏ-10% LED xanh dương, (c) 70% LED đỏ -30% LED xanh dương.) 31 HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Trang ix Hình 3.10 Sự khác biệt hình thái sinh trưởng ngày tuổi, (a) 100% LED đỏ, (b) 60% LED đỏ- 40% LED xanh dương, (c) 40% LED đỏ - 60% LED xanh dương 32 Hình 3.11 Đồ thị sinh trưởng việc thay đổi độ rọi chiếu sáng đến sinh trưởng phát triển trồng 34 Hình 3.12 Đồ thị thể ảnh hưởng thời gian chiếu sáng lên trồng 36 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý bố trí đĩa LED 38 Hình 4.2 Hình ảnh đĩa LED thực tế 39 Hình 4.3 Sơ đồ nguyên lý Module điều khiển tỉ lệ độ rọi 40 Hình 4.4 Sơ đồ Module điều khiển tỉ lệ chiếu sáng 40 Hình 4.5 Mặt PCB module điều khiển 41 Hình 4.6 Mặt PCB module điều khiển 41 Hình 4.7 3D Topside Module điều khiển 42 Hình 4.8 Hình ảnh thực tế sơ đồ chân điều khiển Atmega 42 Hình 4.9 Sơ đồ thuật tốn mơ tả điều khiển độ rọi 43 Hình 4.10 Mạch nguyên lý PCB điều khiển 43 Hình 4.11 3D topside mạch điều khiển 44 Hình 4.12 Hình ảnh thực tế điều khiển 44 Hình 4.13 Chương trình điều khiển lập trình tảng Arduino 45 Hình 4.14 Sơ đồ khối tín hiệu ứng dụng Blynk [40] 46 Hình 4.15 Ảnh hình thiết lập 46 Hình 4.16 Khung nhà màng hoàn thành 48 Hình 4.17 Nhà màng phủ hồn thiện 49 Hình 4.18 Dữ liệu ghi lại vào USB 50 Hình 4.19 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển 51 Hình 4.20 Bố trí quạt nhà màng 52 Hình 4.21 Sơ đồ bố trí đèn nhà màng 53 Hình 4.22 Mơ hình trồng trước chiếu sáng 54 Hình 4.23 Mơ hình trồng chiếu sáng 54 Hình 4.24 Mơ hình tổng thể nhà màng sau hoàn thiện 55 HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Trang x D C B A L1 L11 L21 LED21 LED3 LED11 LED3 LED1 LED3 POW1 POW2 2 2 2 6 10 POW2 POW1 L2 L12 L22 LED22 LED3 LED12 LED3 LED2 LED3 POW1 POW2 J2 J1 2 2 2 2 L3 L13 L23 LED23 LED3 LED13 LED3 LED3 LED3 POW1 POW2 2 2 2 L4 L14 L24 LED24 LED3 LED14 LED3 LED4 LED3 POW1 POW2 2 2 2 L5 L15 L25 LED25 LED3 LED15 LED3 LED5 LED3 POW1 POW2 2 2 2 L6 L16 L26 LED26 LED3 LED16 LED3 LED6 LED3 POW1 POW2 2 2 2 L7 L17 L27 LED27 LED3 LED17 LED3 LED7 LED3 POW1 POW2 2 2 2 L8 L18 L28 LED28 LED3 LED18 LED3 LED8 LED3 POW1 POW2 2 2 2 L9 L19 L29 Date: File: A4 Size Title LED29 LED3 LED19 LED3 LED9 LED3 POW1 POW2 2 2 L10 L20 Number 10 L30 LED30 LED3 LED20 LED3 LED10 LED3 POW1 POW2 12/22/2020 C:\Users\ \Dat_PCB_led.SchDoc 2 2 Revision Sheet of Drawn By: D C B A PHỤ LỤC 02: BẢN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG HV: Vũ Duy Đạt - CB190305 Trang 64 CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG Partner for Contact: Order No.: Company: Customer No.: Date: 12.03.2021 Operator: CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail PHILIPS DN560B xLED12S/830 C / Luminaire Data Sheet Luminous emittance 1: Luminaire classification according to CIE: 100 CIE flux code: 76 97 100 100 103 Luminous emittance 1: LuxSpace recessed – high efficiency, visual comfort and a stylish design Customers are looking to optimize all their resources, and that means not just their running costs (energy, etc.) but also their human resources Energy savings are therefore a priority, but they must not have an adverse effect on the well-being of employees, who need a pleasant environment in order to be more productive, or on customers, who want to enjoy their shopping experience LuxSpace provides the perfect combination of efficiency, light comfort and design, without compromising on lighting performance (color rendering and color uniformity) It offers a wide choice of options for creating the desired ambience, no matter the application For office applications LuxSpace supports the general feeling of health and wellbeing having dedicated Tunable White products Page CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Summary Height of Room: 2.500 m, Mounting Height: 1.672 m, Light loss factor: 0.80 Surface Workplane Floor Ceiling Walls (4) Values in Lux, Scale 1:179  [%] Eav [lx] Emin [lx] Emax [lx] u0 / 20 80 30 1391 1391 187 388 631 635 127 124 1680 1686 222 2466 0.454 0.456 0.676 / Workplane: Height: 0.000 m Grid: 128 x 64 Points Boundary Zone: 0.000 m Illuminance Quotient (according to LG7): Walls / Working Plane: 0.272, Ceiling / Working Plane: 0.135 Luminaire Parts List No Pieces 140 Designation (Correction Factor)  (Luminaire) [lm]  (Lamps) [lm] P [W] 1391 1350 10.6 PHILIPS DN560B xLED12S/830 C (1.000) Total: 194670 Total: 189000 1484.0 Specific connected load: 14.84 W/m² = 1.07 W/m²/100 lx (Ground area: 100.00 m²) Page CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Luminaire parts list 140 Pieces PHILIPS DN560B xLED12S/830 C Article No.: Luminous flux (Luminaire): 1391 lm Luminous flux (Lamps): 1350 lm Luminaire Wattage: 10.6 W Luminaire classification according to CIE: 100 CIE flux code: 76 97 100 100 103 Fitting: x LED12S/830/- (Correction Factor 1.000) Page CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Photometric Results Total Luminous Flux: Total Load: Light loss factor: Boundary Zone: Surface Workplane Floor Ceiling Wall Wall Wall Wall 194670 lm 1484.0 W 0.80 0.000 m Average illuminances [lx] direct indirect total 1254 137 1391 1254 137 1391 0.00 187 187 225 175 400 153 159 312 225 175 400 153 158 311 Reflection factor [%] Average luminance [cd/m²] / 20 80 30 30 30 30 / 89 48 38 30 38 30 Uniformity on the working plane u0: 0.454 (1:2) Emin / Emax: 0.375 (1:3) Illuminance Quotient (according to LG7): Walls / Working Plane: 0.272, Ceiling / Working Plane: 0.135 Specific connected load: 14.84 W/m² = 1.07 W/m²/100 lx (Ground area: 100.00 m²) Page CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / 3D Rendering Page CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Workplane / Isolines (E) Values in Lux, Scale : 179 Position of surface in room: Marked point: (0.000 m, 0.000 m, 0.000 m) Grid: 128 x 64 Points Eav [lx] 1391 Emin [lx] 631 Emax [lx] 1680 u0 0.454 Emin / Emax 0.375 Page CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Floor / Isolines (E) Values in Lux, Scale : 179 Position of surface in room: Marked point: (0.000 m, 0.000 m, 0.000 m) Grid: 128 x 64 Points Eav [lx] 1391 Emin [lx] 635 Emax [lx] 1686 u0 0.456 Emin / Emax 0.376 Page CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Ceiling / Isolines (E) Values in Lux, Scale : 179 Position of surface in room: Marked point: (25.000 m, 0.000 m, 2.500 m) Grid: 32 x Points Eav [lx] 187 Emin [lx] 127 Emax [lx] 222 u0 0.676 Emin / Emax 0.569 Page CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Wall / Isolines (E) Values in Lux, Scale : 179 Position of surface in room: Marked point: (25.000 m, 0.000 m, 0.000 m) Grid: 128 x 32 Points Eav [lx] 400 Emin [lx] 124 Emax [lx] 2463 u0 0.309 Emin / Emax 0.050 Page 10 CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Wall / Isolines (E) Values in Lux, Scale : 29 Position of surface in room: Marked point: (25.000 m, 4.000 m, 0.000 m) Grid: 32 x 32 Points Eav [lx] 312 Emin [lx] 135 Emax [lx] 647 u0 0.431 Emin / Emax 0.208 Page 11 CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Wall / Isolines (E) Values in Lux, Scale : 179 Position of surface in room: Marked point: (0.000 m, 4.000 m, 0.000 m) Grid: 128 x 32 Points Eav [lx] 400 Emin [lx] 126 Emax [lx] 2466 u0 0.315 Emin / Emax 0.051 Page 12 CHIẾU SÁNG NHÀ MÀNG 12.03.2021 Operator Telephone Fax e-Mail Room / Wall / Isolines (E) Values in Lux, Scale : 29 Position of surface in room: Marked point: (0.000 m, 0.000 m, 0.000 m) Grid: 32 x 32 Points Eav [lx] 311 Emin [lx] 137 Emax [lx] 650 u0 0.441 Emin / Emax 0.211 Page 13 ... tâm nghiên cứu thời gian gần Trên sở này, luận văn lựa chọn đề tài ? ?Ảnh hưởng chiếu sáng LED đến sinh trưởng phát triển xà lách, từ chế tạo mơ hình trồng rau nhà? ?? Trong ý tưởng nghiên cứu phổ LED. .. 3.6 mô tả kết việc thay đổi độ rọi chiếu sáng đến sinh trưởng phát triển trồng Bảng 3.6 Kết việc thay đổi độ rọi chiếu sáng ảnh hưởng đến sinh trưởng phát triển trồng Tỉ lệ chiếu sáng: 60% LED. .. tác giả luận văn : VŨ DUY ĐẠT Đề tài luận văn: Nghiên cứu ảnh hưởng chiếu sáng led đến sinh trưởng phát triển xà lách, từ chế tạo mơ hình trồng rau nhà Chun ngành: Quang học Quang điện tử Mã số