Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI






Ngô Trí Dương



THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ
SẢN XUẤT RAU SẠCH


Chuyên ngành : Lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu
Mã số : 62.52.60.05






TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN KĨ KỸ THUẬT

Hà Nội 2009





Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Điều khiển Tự động, Khoa Điện
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội


Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phan Xuân Minh
PGS.TS. Hồ Hữu An


Phản biện 1: GS.TSKH. Thân Ngọc Hoàn

Phản biện 2: PGS.TS. Đào Văn Tân

Phản biện 3: PGS.TS. Lại Khắc Lãi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hộ
i đồng chấm luận án cấp nhà nước

họp tại phòng 318 C1 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
vào hồi 8 giờ 30 ngày 10 tháng 4 năm 2009




Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện
- Thư viện Quốc gia
- Thư viện Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
CÁC BÀI BÁO ĐÃ ĐĂNG

1. Ngô Trí Dương và cộng sự, Thiết kế hệ thống tưới tự động phục vụ sản
xuất rau sạch trên cơ sở điều khiển mờ, Tuyển tập thông báo khoa học tự động hoá
toàn quốc, VICA 5, 2002, Hà nội
2. Ngô Trí Dương, Thiết kế hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt áp
dụng trồng cây trong nhà lưới, nhà kính, tạp chí khoa học kỹ thuật Nông nghi
ệp,
tập III số 4, trang 321 – 326, năm 2005.
3. Ngô Trí Dương, Thiết kế bộ điều khiển phục vụ rau an toàn theo công
nghệ thuỷ canh, tạp chí khoa học kỹ thuật Nông nghiệp, tập V số 3, trang 56 – 66,
năm 2007.
4. Ngô Trí Dương, Thiết kế phần mềm hệ thống điều khiển vận hành và giám
sát phục vụ sản xuất rau an toàn theo phương pháp thuỷ canh, tạp chí khoa học và
công nghệ, Bộ Nông nghiệp và phát tri
ển Nông thôn, số 17, trang 8 - 14, năm 2007




1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Đất nước ta đang ở giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Trong công
cuộc này, tự động hoá đóng một vai trò then chốt. Có thể nói điều khiển tự động là
một lĩnh vực kỹ thuật không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp,
nông nghiệp tiên tiến. Hiện nay, nhu cầu đổi mới công nghệ tự động hoá cho các
dây chuy
ền sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, tăng năng suất, giảm giá
thành, nâng cao năng lực cạnh tranh trong các cơ sở sản xuất công nghiệp và nông
nghiệp là rất lớn. Đây là bài toán thực tiễn đặt ra cho các nhà nghiên cứu về tự
động hoá trong nước. Với phương pháp trồng rau sạch không dùng đất được trồng
trên các giá thể thì việc ứng dụng tự động hoá mới đáp ứng được
đầy đủ các yêu
cầu công nghệ từ đó giúp cho các nhà trồng kiểm soát được các thông số sản xuất
rau sạch.
Những phân tích trên cho thấy nghiên cứu quy trình công nghệ để nắm vững
đối tượng cần điều khiển từ đó thiết kế hệ thống tự động hoá trong sản xuất là một
vấn đề nghiên cứu vừa mang tính lý thuyết vừa mang tính thực tiễn cấp bách. Đó
chính là động l
ực để tác giả thực hiện luận án này.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống tự động
hóa quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất với mô đun diện tích mặt bằng 200
m
2
. Một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất rau sạch chế tạo trên nền vi điều
khiển công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) là sản phẩm trông đợi
của đề tài.
Toàn bộ hệ thống sản phẩm của luận án được chạy thử trong nhà lưới trồng
rau, để kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm trước khi đưa ra thị trường.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứ
u
Đối tượng nghiên cứu là các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của loại cây
rau sạch bằng phương pháp không dùng đất, qui trình phát triển của một số loại
cây rau và qui trình công nghệ chăm sóc các loại cây rau này (theo đề xuất của các
nhà nông học). Đây là những cơ sở để xây dựng bài toán điều khiển và tự động hóa
quá trình sản xuất rau sạch.

2
Đối tượng nghiên cứu là các kỹ thuật điều khiển, điện, điện tử và kỹ thuật
lập trình. Đó là nền tảng để thiết kế hệ thống chăm sóc rau sạch, hệ thống điều
khiển và tự động hóa quá trình trồng rau sạch.
Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ
thống tự độ
ng hóa theo công nghệ trồng rau sạch không dùng đất trong nhà lưới có
mái che trên giá thể nhằm thay thế cho các thiết bị nhập ngoại. Nghiên cứu các kỹ
thuật và công nghệ tiên tiến nhất phục vụ cho việc chế tạo sản phẩm nhằm tạo ra
một sản phẩm có chất lượng tương đương hệ thống thiết bị nhập ngoại.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Về ý ngh
ĩa khoa học: Luận án là một trong những công trình đầu tiên
nghiên cứu về việc ứng dụng tự động hoá vào sản xuất rau sạch bằng phương pháp
không dùng đất tại Việt Nam. Sản phẩm của luận án góp phần thúc đẩy công cuộc
tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp. Luận án đã xây dựng thành công qui trình
thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa bằng vi điều khiển công ngh
ệ PSoC, một
trong nhũng công nghệ tiên tiến nhất hiện nay. Phần mềm điều khiển quá trình sản
xuất rau sạch được trình bày trong luận án thuận tiện cho người sử dụng với hai
giao diện người máy (HMI): giao diện HMI thông qua các nút ấn và giao diện HMI
trên nền máy tính cá nhân (PC). Sản phẩm phần mềm của luận án cho thấy khả

năng ứng dụng của công nghệ thông tin trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp. Đó
cũng là một minh chứng về khả năng chế tạo các sản phẩm công nghệ cao trong
nước phục vụ sản xuất nông nghiệp.
Ý nghĩa thực tiễn và phạm vi ứng dụng: Luận án nhằm đáp ứng nhu cầu
thực tế, đó là thiết kế hệ thống tự động hoá cho quá trình sản xuất rau sạch. Từ
những đòi hỏi của quy trình công nghệ trồng rau s
ạch thì chỉ có hệ thống tự động
hoá mới đáp ứng được, do đó kết quả luận án có ý nghĩa ứng dụng vào thực tế
nông nghiệp ở Việt Nam. Với kết quả chạy thử hệ thống thành công trong phòng
thí nghiệm, hệ thống được lắp đặt và tiến hành trồng thử nghiệm trong nhà trồng
rau đơn giản, bước đầu cho kết quả tốt. Sản phẩ
m của luận án là tiền đề cho việc
thiết kế chế tạo hệ thống tự động hóa trồng rau sạch theo kiểu mô đun hóa, một
công nghệ chế tạo thiết bị hiện đại ngày nay. Mô đun hóa tạo điều kiện thuận lợi
cho việc lắp đặt, mở rộng và khả năng thay thế nhanh gọn, linh hoạt.

3
5. Kết cấu của luận án
Luận án gồm 4 chương và 2 phụ lục, nội dung chính của luận án như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất rau sạch
Chương 2: Nghiên cứu và phân tích quy trình công nghệ trồng rau sạch
không dùng đất.
Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch bằng phương
pháp không dùng đất.
Chương 4: Triển khai, lắp đặt hệ thống tự độ
ng hoá.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RAU SẠCH
1.1. Khái niệm chung
1.2. Các phương pháp trồng rau sạch
Sản xuất rau sạch ngoài đồng ruộng và sản xuất rau sạch bằng phương pháp

không dùng đất.
1.3. Ảnh hưởng điều kiện ngoại cảnh đến sản xuất rau sạch
Đó là ảnh hưởng của các đại lượng vật lý như nhiệt độ, cường độ ánh sáng,
độ ẩm; hàm l
ượng chất dinh dưỡng, độ pH, lưu lượng gió và ảnh hưởng của những
tác nhân có hại.
1.4. Các công trình liên quan
Các công trình trong nước và các công trình nước ngoài.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VÀ PHÂN TÍCH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ
TRỒNG RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT
2.1. Quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất ở nước ngoài
Tìm hiểu công nghệ trồng rau không dùng đất và các thiết bị phục vụ công
nghệ, bao gồm: nhà trồng, các thiết bị chăm sóc và hệ thống thiết bị phụ trợ cho
công nghệ.
2.2. Quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất trong nước
Tìm hiểu quy trình công nghệ sản xuất rau sạch trong nước bằng phương
pháp không dùng đất và thiết bị phục vụ công nghệ này. So sánh công nghệ trồng
rau theo hai phương pháp: phương pháp trồng thủy canh và trồng trên giá thể.

4
Nghiên cứu các các thông số ảnh hưởng đến quá trình trồng rau cần phải được
kiểm soát và lựa chọn phương pháp đo các thông số đó.
2.3. Đề xuất bài toán về quy trình công nghệ trồng rau sạch không dùng đất
với mô đun 200 m
2

2.3.1. Mô hình nhà trồng rau sạch với mô đun 200 m
2

Sản xuất ở Việt Nam là sản xuất nhỏ, do hệ thống bảo vệ và tiêu thụ rau sạch

sau thu hoạch chưa phát triển do vậy mô đun nhà lưới 200 m
2
là hợp lý về mặt sản
xuất, chi phí ban đầu. Mô đun này cũng được nhiều nước trên thế giới sử dụng vì
nó có mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất: Để thực hiện được quy trình
sản xuất rau sạch kiểu công nghệ trồng rau không dùng đất ở nước ta hiện nay phải
kết hợp giữa công nghệ trồng rau và thiết bị phục vụ
cho công nghệ. Đối với thiết
bị phục vụ cho công nghệ được chia thành ba loại: Nhà trồng, thiết bị chăm sóc và
thiết bị điều khiển, cụ thể trình bày hình 2.9.










Sơ đồ mô hình nhà trồng: Nhà trồng được thiết kế bằng thép hoặc bằng tre,
gỗ, nhà có thể phủ bằng Polyethylen hoặc bằng hợp chất cacbonát để chống mưa,
bão, tránh dập nát rau, ch
ống tia cực tím. Phía trên mái có hệ thống mái cắt nắng
được thiết kế bởi động cơ điện có thể cuốn mái và đảo chiều quay để thả mái tuỳ
thuộc vào chế độ đặt cường độ ánh sáng được nhận từ cảm biến đo được trình bày
hình 2.10
Hình 2.9. Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất
Quy trình sản xuất rau sạch không dùng đất

Công nghệ trồng rau
không dùng đất
Thiết bị phục vụ công nghệ
Trồng trên giá thể
Các loại
nhà trồng
Thiết bị
chăm sóc
Thiết bị
điều khiển
Kiểm soát các thông
số ảnh hưởng đến quá
trình trồng rau
Không hồi lưu
Thiết bị được sản xuất chế tạo trong
nước

5








Hệ thống luống trồng rau: Với diện tích nhà trồng rau 200 m
2
(8 x 25m) được
chia thành 5 luống, mỗi luống chia thành 45 gốc có thể trồng được 90 cây rau.

Hệ thống phun sương: Hệ thống phun sương được thiết kế bởi các đường
ống kim loại nhỏ phía đầu phun sương được treo lên phía trên nhà trồng hình 2.12.







H
ình 2.10. Mô hình nhà
l
ưới có mái che trồn
g
rau khôn
g
dùn
g
đấ
t
Qu¹t
th«ng giã

Phun
s−¬ng
Phun
s−¬ng
§o nhiÖt ®é,
®é Èm
§éng c¬
cuèn, th¶
m¸i
§o c−êng ®é ¸nh s¸ng
Gi¸
thÓ
Gi¸
thÓ
Gi¸
thÓ
Gi¸
thÓ
Gi¸
thÓ
Qu¹t
th«ng giã
M¸i c¾t n¾ng
4 m
8 m

Hình 2.11. Sơ đồ tổng thể hệ thống luống trồng rau trong nhà lưới
B¬m 5
(t−íi)
N−íc s¹ch

Van 1
Van 2
Van 3
Van 4
Van 5
A
B
C
D
Luèng 1
Luèng 2
Luèng 3
Luèng 4
Luèng 5
25 m
16 m
1,5 m
Dung dÞch B
Dung dÞch C
8 m

Hình 2.12. Sơ đồ bố trí hệ thống phun sương
B¬m phun
s−ong
4 m
4 m
Vßi phun s−ong
Vßi phun s−ong
Vßi phun s−ong
Vßi phun s−ong

8 m

6
Hệ thống quạt thông gió: giúp cho không khí trong nhà trồng lưu thông
được với không khí ở phía ngoài nhà trồng. Hệ thống này thường được lắp ở phía
trên so với sự phát triển của cây rau hình 2.10 theo chiều dọc của nhà trồng.
Hệ thống cuốn mái và thả mái: được thiết kế bởi hệ thống mái cắt nắng và
dùng động cơ điện có thể cuốn mái hoặc thả mái tự động. Hệ thống này dùng độ
ng
cơ điện có thể đổi chiều quay của động cơ.
Hệ thống trộn dung dịch: Hệ thống trộn dung dịch là khâu quan trọng
trong việc cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho cây trồng nhằm đảm bảo độ chính
xác về khối lượng và nồng độ chất dinh dưỡng.
Hệ thống tưới nhỏ giọt: là hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng cho
cây rau theo từng th
ời kỳ sinh trưởng dưới dạng giọt nước. Vì vậy việc thiết kế hệ
thống tưới nhỏ giọt là khâu quan trọng cho công nghệ trồng rau sạch bằng phương
pháp không dùng đất.
2.3.2. Yêu cầu thiết kế hệ thống
Về hệ thống tưới nhỏ giọt: là phải đảm bảo lượng nước và chất dinh dưỡng
cho cây rau theo từng giai đoạn phát triển. Vì vậy, chúng ta cần xác
định lượng
nước cần tưới cho cây rau. Khi xác định được lượng nước và dinh dưỡng cần tưới,
chúng ta tiến hành chia khoảng thời gian tưới mỗi lần và thời gian nghỉ từng lần.
Về hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng: là phải đảm bảo lượng nước
và các chất dinh dưỡng cung cấp cho cây rau theo quy trình công nghệ trồng rau.
Hệ thống cung cấp dung dịch dinh dưỡng được thiết kế bởi h
ệ thống tưới nhỏ giọt,
vì vậy phải đảm bảo sự đồng đều khi tưới cho các gốc.
Về hệ thống điều khiển nhiệt độ và cường độ ánh sáng: Căn cứ vào quy

trình công nghệ trồng rau để đưa ra chế độ đặt nhiệt độ trong nhà trồng và cường
độ ánh sáng từ đó điều khiển hệ thống phun sương hay quạt thông gió và thả mái
hay cuốn mái (các giá trị đặt có thể thay đổi trong chương trình).
Về thiết kế hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển phải được thiết kế trên cơ sở đảm bảo qui trình hoạt
động của thiết bị phục vụ cho quá trình công nghệ trồng rau đã được đặt trước. Hệ
thống điều khiển phải đảm bảo d
ễ dàng thay thế khi hư hỏng, quá trình vận hành
và sử dụng đơn giản cho người vận hành. Nhà sản xuất có khả năng can thiệp vào
hệ thống như chọn loại cây trồng, đặt các thông số quá trình, các tham của bộ điều
khiển .v.v

7
Kết luận chương 2: Xác định các thông số cần kiểm soát đối với công nghệ
trồng rau sạch không dùng đất. Tìm hiểu thiết bị các thiết bị công nghệ và đề xuất
bài toán tự động hóa quy trình công nghệ trồng rau sạch phương pháp không dùng
đất cho mô đun nhà trồng 200 m
2
.
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ SẢN XUẤT RAU
SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT
Chương 3 tập trung giải quyết bài toán thứ nhất đã nêu trong chương 2. Đó
là thiết kế hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống trộn dung dịch, hệ thống điều khiển
nhiệt độ, ánh sáng và hệ thống điều khiển quá trình và giao diện người máy (giao
diện HMI) phụ
c vụ công nghệ sản xuất rau sạch không dùng đất.
3.1. Hệ thống điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt
3.1.1. Hệ thống tưới nhỏ giọt
Hệ thống tưới nhỏ giọt được thiết kế cho nhà trồng rau có mô đun 200 m
2

được chia thành 5 luống trồng rau, chiều dài mỗi luống 16 m, với 45 gốc được
trồng 90 cây rau. Hệ thống đường ống của một luống trồng cây được mô tả bởi
hình 3.1.






Cách tính toán tổn thất trên đường ống chính phụ thuộc vào chiều dài của
từng đoạn ống dẫn chính, khoảng cách trồng, vòi tưới, đường kính ống dẫn chính
cũng như vòi tưới v.v. mà lưu lượ
ng tưới đối với mỗi loại cây có khác nhau.
Công thức tính toán tổn thất đường ống và bảng số liệu được trình bày trong
báo cáo chính, ta xác định được tổn thất trên một luống là 0,008 m theo chiều cao
cộc nước và tính được áp suất đầu đường ống là là 114600 [N/m
2
], khi đó bộ điều
áp suất sẽ được lập trình điều khiển để đạt được giá trị này.
Hình 3.1. Hệ thống một đường ống tưới nhỏ giọt
thiết kế theo công nghệ trồng rau của PGS.TS. Hồ Hữu An, 2003
Q
V
10 8 9
7
6
5
4
3

2
1
47
46
45
Đườn
g
ốn
g
chính
Đường ống nhánh
Bầu
t
ưới

8
Khảo sát làm việc của hệ thống tưới nhỏ giọt: 3 luống; 2 luống và 1 luống
Bảng 3.2. Kết quả khảo nghiệm khi tưới 3 luống
Mở tay van (độ) Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s)
360 30 86 0.349
540 30 70 0.429
720 30 67 0.448
1260 30 64 0.469
Bảng 3.3. Kết quả khảo nghiệm khi tưới 2 luống
Mở tay van (độ) Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s)
90 9 165 0.055
120 9.5 85 0.112
180 10 45 0.222
240 10 32 0.313
360 20 52 0.385

540 20 46 0.434
720 20 44 0.455
1260 20 41 0.488
Bảng 3.4. Kết quả khảo nghiệm khi tưới 1 luống
Mở tay van (độ) Lượng nước (l) Thời gian (s) Lưu lượng (l/s)
60 5 200 0.025
90 5 65 0.077
120 5 40 0.125
180 5 25 0.200
240 10 35 0.286
360 15 40 0.375
540 15 37 0.405
720 15 35 0.429
900 15 34 0.441
1080 15 33 0.455
Căn cứ vào kết quả khảo nghiệm này từ đó thiết lập được thuật toán điều
khiển cho hệ thống tưới khi tưới 1 luống, 2 luống và 3 luống theo yêu cầu của công
nghệ trồng rau sạch. Nếu có n luống thì trong quá trình điều khiển chúng ta chia 2
luống hoặc 3 luống tưới sau đó lại tiếp tục tưới các luống tiếp theo.

9
3.1.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt

Bắt đầu
Đọc các giá trị
Nhập các thông số
t = t
5
Đúng
Sai
Sai
Đúng
Hình 3.2. Sơ đồ thuật toán điều khiển
quá trình tưới tự động
Kết thúc
Số lần tưới trong ngày (i)
Gán số ngày cần tưới (j)

Mở bơm 5
t = t
nghi
Đúng
Sai
Tắt bơm 5
i: = i +1
i = N
Sai
t = t
nghingay
Tắt bơm 5
j: = j +1
j
= M
Đúng
Đúng
Sai
Bắt đầu
Đọc các giá trị
Nhập các thông số
t = t
5
Đúng
Sai
Đúng
Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển
quá trình tưới bằng tay
Kết thúc
Gán số lần tưới trong ngày

(i)
Mở bơm 5
t = t
nghi
Đúng
Sai
Tắt bơm 5
i: = i +1
i = N
Sai

10
3.1.3. Điều khiển lưu lượng máy bơm nước
Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới được thể hiện trên
hình 3.4.






Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới theo cấu trúc truyền
thẳng, tín hiệu được đưa vào bộ điều khiển bằng cách lựa chọn chế độ các luống
cần tưới, tín hiệu ra của bộ điều khiển được điều khiển làm việc của động cơ bước.
Đồng thời động cơ bước được g
ắn với van điều tiết lưu lượng để được lưu lượng
theo chế độ đặt ban đầu. Giả sử căn cứ bảng 3.2 kết quả khảo nghiệm khi tưới 3
luống thì khi mở tay van điều tiết góc 360
0
thì lưu lượng ra của bơm là 0,349 (l/s).

3.2. Hệ thống điều khiển quá trình trộn dung dịch
3.2.1. Hệ thống trộn dung dịch
Bình trộn D được cung cấp bởi lượng nước bình A, dung dịch B và dung
dịch C thông qua bơm 1, bơm 2 và bơm 3. Hệ thống trộn được sử dụng bơm 4 với
phương pháp đối lưu, sơ đồ hệ thống trộn dung dịch theo kiểu đối lưu trình bày
trên hình 3.5.











Bộ điều khiển
lưu lượng
Động cơ
bước
Van điều tiết
lưu lượng
Lưu lượng
cần tưới
Lưu lượng
tưới
Hinh 3.4. Sơ đồ cấu trúc điều khiển lưu lượng máy bơm tưới
HÖ thèng luèng c©y trång
B×nh chøa n−íc s

¹
ch
B×nh chøa dung
dÞch dinh d−ìng
B¬m 1
B¬m 5
B¬m 3
B¬m 2
B¬m 4
Trén dung
dÞch
Van ®iÒu
khiÓn ¸p suÊt
A
B
C
D
GHD
GHA
GHB GHC
Hình 3.5. Hệ thống trộn dung dịch theo kiểu đối lưu

11
3.2.2. Xây dựng Graphset điều khiển quá trình trộn dung dịch
Graphset động điều khiển quá trình trộn dung dịch dinh dưỡng được xây
dựng theo cấu trúc điều khiển mẻ (Batch Process Control) được trình bày hình 3.6.

Trong đó S
1
: Khởi tạo toàn bộ hệ thống điều khiển quá trình trộn

⎩
⎨
⎧
=
1
0
t
12

S
21
: Bơm hoạt động với thời gian làm việc t
1

S
22
: Bơm hoạt động với thời gian làm việc t
2

S

23
: Bơm hoạt động với thời gian làm việc t
3


⎩
⎨
⎧
=
1
0
t
23

S
3
: Bơm hoạt động với thời gian làm việc t
4


⎩
⎨
⎧
=
1
0
t
31

3.2.3. Sách lược điều khiển nồng độ bình trộn

Với sách lược để thiết kế hệ thống điều khiển nồng độ bình trộn phải đảm
bảo nồng độ cho các loại cây rau, cũng như các giai đoạn phát triển. Việc điều
khiển hệ thống trộn nhằm đảm bảo được tỉ lệ phối trộn, thông qua quy trình công
nghệ trồ
ng rau.
Hình 3.6. Graphset động điều khiển quá trình trộn dung dịch

S
1
t
12
S
21
S
3
t
31
Stop
t
23
S
22
S
23
khi chưa khởi tạo xong
khi hệ thống sẵn sàng
khi các trạng thái S
21
, S
22

, S
23
chưa kết thúc
khi cả 3 trạng thái S
21
, S
22
, S
23
đã hoàn thành
khi bơm 4 đang làm việc (bơm trộn dung dịch)
khi bơm 4 đã làm việc xong

12
3.3. Hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà trồng
3.3.1. Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ
Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà trồng được xây dựng theo
điều khiển phản hồi dựa trên nguyên tắc liên tục đo giá trị biến được điều khiển là
nhiệt độ trong nhà trồng và phả
n hồi thông tin về bộ điều khiển để tính toán lại giá
trị của biến điều khiển.
Với sơ đồ cấu trúc điều khiển hai vị trí lý tưởng thì sai lệch điều khiển, tín
hiệu điều khiển chỉ nhận 1 trong 2 giá trị:
- Đối với quạt thông gió - Đối với phun sương
⎩
⎨
⎧
=
0
1

u

⎩
⎨
⎧
=
0
1
u







Sơ đồ cấu trúc thực tế được trình bày trên hình 3.9 với chấp nhận sai lệch
điều khiển nằm trong phạm vi dải chết, đối với trong công nghệ trồng rau có thể
cho phép khoảng chết này đối với nhiệt độ ± 1
0
C, sơ đồ thực tế hình 3.10.
- Đối với quạt thông gió - Đối với phun sương

⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
=
u

0
1
u

⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
=
u
0
1
u







Quạt thông
gió
Phun sương


Nhà lưới
r = 27
0
C

Hình 3.9. Cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ trong nhà lưới sơ đồ lý tưởng
e

-

e
-10
u
1

e
0
u
1
0
khi e < 0
khi e ≥ 0
khi e < -10
khi e ≥ -10
khi e < -1
khi e > 1
khi e < -11
khi e > - 9
Quạt thông
gió
Phun sương


Nhà lưới
r =27

0
C
H
ình 3.10. Cấu trúc hệ thốn
g
điều khiển nhiệt độ tron
g
nhà lưới s
ơ
đồ thực t
ế
e

-

e
-11
u
1

e
1
u
1
-1
-9 0
khi -1≤ e ≤ 1
khi -11≤ e ≤ - 9

13

3.3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển nhiệt độ
Trên cơ sở cấu trúc hệ thống điều khiển nhiệt độ sơ đồ lý tưởng và sơ đồ
thực tế tiến hành xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển nhiệt độ trong nhà
trồng rau.
3.4. Hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng trong nhà trồng
3.4.1. Xây d
ựng cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng
Với sơ đồ cấu trúc điều khiển hai vị trí lý tưởng thì sai lệch điều khiển, tín
hiệu điều khiển chỉ nhận 1 trong 2 giá trị.

⎩
⎨
⎧
=
1-
1
u

Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng được trình
bày hình 3.13.





Trên cơ sở cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng
với chấp nhận sai lệch điều khiển nằm trong phạm vi dải chết, đối với trong công
nghệ trồng rau có thể cho phép khoảng chết này với cường
độ ánh sáng ± 1000
lux, sơ đồ thực tế trình bày trên hình 3.14.

⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
=
u
1-
1
u







Động cơ
cuốn, thả mái
Nhà lưới

r =70000 lux
Hình 3.13. Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ lý tưởng
e
e
-
1
u
-1

0
Động cơ
cuốn, thả mái
Nhà lưới

r = 70000 lux
Hình 3.14. Cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng sơ đồ thực tế
e
e
-
1
u
-1
1000
-1000
khi e ≥ 0 thì động cơ cuốn mái
khi e < 0 thì động cơ thả mái
khi e > 1000 thì động cơ cuốn mái
khi e < - 1000 thì động cơ thả mái
khi -1000 ≤ e ≤ 1000

14
3.4.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển cường độ ánh sáng
Trên cơ sở sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng, chúng tôi
tiến hành xây dựng lưu đồ thuật toán điều khiển cường độ ánh sáng bằng cách điều
khiển động cơ cuốn hay thải mái.
3.4.3. Sách lược cấu trúc điều khiển cường độ ánh sáng
Để đ
iều khiển được tối ưu hệ thống cuốn hay thả mái với sách lược khi xây
dựng cấu trúc hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng trong nhà trồng rau bằng

cách đo độ sáng bên ngoài và bên trong nhà trồng rau để điều khiển độ mở mái che
cho phù hợp.
3.5. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển quá trình
3.5.1. Xây dựng của hệ thống điề
u khiển quá trình
Căn cứ quy trình công nghệ và điều kiện thực tế nước ta hiện nay, chúng tôi
tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển quá trình hình 3.18.












Căn cứ quy trình công nghệ và thực tế điều kiện thực tế nước ta hiện nay,
chúng tôi tiến hành thiết kế hệ thống điều khiển quá trình trồng rau sạch. Hệ thố
ng
được nhập số liệu từ ma trận nút ấn được gắn trên bộ điều khiển và hiển thị qua
màn hình LCD. Ngoài ra trong trường hợp có thể điều khiển qua máy tính PC với
phần mềm được thiết kế, theo dõi và lưu trữ dữ liệu.

Hình 3.18. Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất rau sạch

LCD

Bộ điều khiển
trung tâm
Ma trận nút ấn nhập
dữ liệu bằng tay
MÁY TÍNH
- Quạt thông gió
- Phun sương
- Động cơ cuốn
máy.
- Động cơ thả mái
- Động cơ bước
- Bơm 1, 2, 3, 4, 5.
- Van 1, 2, 3

- Nhiệt độ
- Cường độ á. sáng.
- Bức xạ nhiệt.
- Áp suất
- Độ ẩm
- GHA
- GHB
- GHC
- GHD

15
3.5.2. Lựa chọn công nghệ cho thiết bị của bộ điều khiển
Khác với các công nghệ sản xuất chíp thông thường chỉ cho ra các IC riêng
lẻ, IC ngoại vi không có bộ xử lý thì công nghệ PSoC của hãng Cypress cho phép
tạo nên cả một hệ thống trên một chíp bao gồm CPU, ROM, RAM và các ngoại vi
thời gian thực (ADC, DAC, Timer, Counter, các cổng vào ra đa chức năng, các

cổng truyền thông,…). Các chíp chế tạo theo công nghệ PSoC là chíp điều khiển
thông minh có tính linh hoạt cao, chi phí công nghệ ph
ục vụ nghiên cứu và phát
triển ban đầu khá thấp, giá thành chíp thấp, hỗ trợ kỹ thuật tốt với phần mềm phát
triển dễ sử dụng.
Trên cơ sở phân tích trên với tính năng vượt trội của chíp PSoC chúng tôi
lựa chọn để thiết kế bộ điều khiển quá trình phục vụ sản xuất rau sạch theo phương
pháp không dùng đất được trồng trong nhà lưới có mái che.
3.5.3. Thiết kế phầ
n cứng của bộ điều khiển
Sơ đồ các thiết bị phần cứng: căn cứ yêu cầu của quy trình công nghệ trồng
rau sạch trong nhà trồng rau và nghiên cứu vi điều khiển về chíp PSoC chúng tôi
chọn 2 chíp: PSoC Master CY8C29466 và PSoC Slave CY8C27443, trong đó mỗi
chíp có 28 chân, được trình bày cụ thể ở hình 3.19.









PSoC Master CY8C29466 nhận dữ liệu từ phím ấn, các cảm biến nhiệt độ,
bức x
ạ, cường độ ánh sáng, áp suất đầu đường ống và được thể hiện qua màn hình
tinh thể lỏng LCD.


PSoC Slave

CY8C27443

Phím ấn

Hệ thống
cảm biến
LCD
Tín hiệu
điều khiển
các cơ cấu
chấp hành
Hình 3.19. Sơ đồ khối của bộ điều khiển

PSoC Master
CY8C29466


16
3.5.4. Thiết kế phần mềm

Ngoài ra còn một số các sơ đồ thuật giải:
Sơ đồ giải thuật của PSoC Master; Sơ đồ giải thuật quét bàn phím; Sơ đồ
giải thuật truyền một mảng ký tự ; Sơ đồ giải thuật xoá dòng; Sơ đồ giải thuật đọc
giá trị nhiệt độ; Sơ đồ
giải thuật đọc giá trị bức xạ nhiệt; Sơ đồ giải thuật đọc giá trị
Máy tính PC
Bàn
p
hí
m

Gọi hàm tuới bằng tay
T
ự
đ
ộ
n
g
Bằng tay
Bắt đầu

Khởi tạo các biến và cấu hình
Gọi hàm con nhập số liệu: các
thông số đầu vào sau đó gọi
hàm giải mã để thực hiện các
hàm chức năng
Gọi hàm đo biến điều khiển.
Đọc tham số tư
ơ
n
g
tự
Gọi hàm con điều khiển quạt thông gió;
phun sương; cuốn mái; động cơ bước;
mở van cho các luống cần tưới
Chế độ bàn phím
Nhập: Thời gian tưới
Thời gian nghỉ
Số chu kỳ tưới
Lựa chọn luống
cần tưới
Chế độ bàn phím ?
Chế độ máy tính PC
kiểm tra chế độ làm việc
Gọi hàm tính thời gian tưới.
Gọi hàm truyền dữ liệu.
Gọi hàm giải mã
Hình 3.23 Lưu đồ thuật toán của bộ điều khiển
Cập nhật hàm thời gian thực
Gọi hàm điều khiển hệ thống tưới
Gọi hàm truyền dữ liệu.

Kết thúc
đ
s

17
áp suất; Sơ đồ giải thuật đọc giá trị độ ẩm; Sơ đồ giải thuật đọc giá trị cường độ
ánh sáng
Lựa chọn các khối tài nguyên và viết chương trình điều khiển
- Khối tài nguyên và chương trình điều khiển cho PSoC Master CY8C29466
- Khối tài nguyên và chương trình điều khiển cho PSoC Slaver CY8C27443
Cách thức truyền dữ liệu: được thực hiện theo sơ đồ hình 3.39






3.6. Ch
ạy thử và đánh giá
3.6.1. Chạy thử và đánh giá khi sử dụng bàn phím nút ấn
Quy trình chạy thử: Sau khi thiết kế được bộ điều khiển với các chức năng
trên, chúng tôi tiến hành thử nghiệm bằng cách thiết kế các biến vào như nhiệt độ,
bức xạ, cường độ ánh sáng và áp suất được thay thế bằng các tín hiệu tương tự điện
áp thay đổi từ 0 đến 5V. Quá trình mô phỏ
ng trong chương trình tương ứng cứ một
ngày lấy bằng 4 phút tương ứng với 240 s.
Ở chế độ tự động: Sau khi nhập số liệu và điều chỉnh các tín hiệu tương tự từ
đầu vào, cụ thể như sau: Chọn K
m
= 1; Tưới 3 luống ứng với góc mở động cơ bước

là 468
0
khi đó lưu lượng máy bơm tưới là 0,08 (l/s) diện tích cần tưới là 6 m
2
. Lựa
chọn cây cần tưới là cây dưa chuột.
Chọn thời gian nghỉ là 5 (s); Số chu kỳ cần tưới là: 10 ; Chọn chế độ mở van
là cả 3 van cho 3 luống. Lúc đó khởi tạo quá trình làm việc bằng nút 6 từ đó bộ
điều khiển nhận các thông số từ môi trường bên ngoài, trong thời gian 4 phút trong
mô phỏng ứng với 1 ngày thực, lúc đó số liệu nhận được nhiệt độ trung bình Ta =
27.76
0
C và Qs = 301,4 (Cal/cm2/ngày) để đưa ra kết quả các lần tưới cho các
ngày: lần 1: thời gian cần tưới ngày thứ nhất là 133 (s) với số lần tưới là 10, khi đó
thời gian mỗi lần tưới là 13 (s), sau đó nghỉ 5 (s) lại tiếp tục cho đến 10 lần; Lần 2

Lấy dữ liệu từ
PSoC Master,
giải mã, xử lý
và điều khiển
hệ thống ngoài


- Máy tính
PC
- Hệ thống
cảm biến


Các cơ cấu

chấp hành
- Lấy dữ liệu từ
PC, giải mã và
xử lý sau đó
truyền về PSoC
Slave
- Truyền mã báo
hiệu cho PC
Hình 3.39. Sơ đồ mô hình truyền dữ liệu

18
lấy số liệu từ ngày thứ nhất và thực hiện quy trình như lần thứ nhất. Các lần tiếp
theo được thực hiện tương tự với số liệu được đo từ ngày trước đó.
Ở chế độ bằng tay: Chuyển sang bằng nút 7 sau đó căn cứ vào yêu cầu tưới
trong ngày giả sử tưới 80 lít ứng với thời gian tưới 1000 (s); nếu chọn 25 lần thì
lúc đ
ó mỗi lần 40 (s); thời gian nghỉ chọn 5 (s). Sau đó chọn chế độ luống tưới là 3
luống. Một số hình ảnh ở bộ điều khiển hình 3.44 và hình 3.45







Bộ điều khiển được nhập các thông số về quy trình sản xuất rau sạch bằng
nút ấn được hiển thị bằng màn hình tinh thể lỏng LCD, do đó có thể thay đổi theo
từng quy trình trồng rau. Quá trình sử
dụng bộ điều khiển đơn giản, kích thước nhỏ
gọn, linh kiện có ở trên thị trường Việt Nam.

3.6.2. Chạy thử và đánh giá khi sử dụng máy tính PC
Qui trình thẩm định: Tiến hành đặt và chọn các thông số được trình bày ở
bảng 3.7.









Hình 3.44. Nhập số liệu và hiển thị LCD Hình 3.45. Bộ điều khiển quá trình
STT Thông số Đơn vị Giá trị
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Thời gian dung dịch A
Thời gian dung dịch B
Thời gian dung dịch C
Thời gian mở động cơ trộn
Hệ số mùa

Lưu lượng máy bơm
Diện tích cần tưới
Thời gian nghỉ
Chu kỳ tưới
Chọn loại cây trồng
Chọn luống cần tưới
giây
giây
giây
giây

lít/giây
m
2

giây

cây
luống
10
20
30
40
1.0
0.08
06
5
10
Dưa chuột
3 luống

Bảng 3.7. Một số thông số và chế độ đặt của hệ thống

19
Cách chức năng chính của chương trình được thể hiện ở menu như sau: Tạo
File ghi dữ liệu; Xem dữ liệu; Chọn khoảng thời gian ghi dữ liệu; Thiết lập cổng
truyền thông; Truyền dữ liệu về hệ thống; Đồ thị theo dõi tín hiệu tương tự của hệ
thống; Chế độ điều khiển bằng tay.
Kết quả thẩm định: Vớ
i quy trình thẩm định trên kết quả thẩm định
- Ở chế độ tự động: Kết quả được lưu trữ dưới dạng file dữ liệu .








- Ở chế độ bằng tay: Giả sử yêu cầu tưới 80 lít với lưu lượng máy bơm 0.08 lit/giây
ứng với tưới cho cả 3 luống lúc đó tổng thời gian cần tưới là 1000 giây thì chúng ta
cần đặ
t cụ thể như sau: Chu kỳ tưới là 25; thời gian nghỉ là 5 giây; thời gian tưới
mỗi lần 40 giây.
Đánh giá hệ thống
Thông qua quá trình chạy thử với hai chế độ: Chế độ thứ nhất là chế độ tự
động với 5 loại cây, hệ thống làm việc tốt trong suốt quá trình, dữ liệu các thông số
được ghi thành 5 File nên giúp cho các chuyên gia cây trồng đánh giá được quá
trình sinh trưởng của từng loại cây rau. Chế độ tưới bằ
ng tay hệ thống hoạt động
đúng các thông số đặt và rất thuận tiện khi sử dụng bất kỳ thời điểm nào.

3.7. Hoạch toán hệ thống
3.7.1. Chí phí thiết bị cho hệ thống tưới nhỏ giọt
Chi phí thiết bị cho hệ thống tưới nhỏ giọt áp dụng cho mô đun 200 m
2
với
công nghệ trồng rau không dùng đất trên các giá thể là: 6.020.000 đồng (giá mua
năm 2006).

Hình 3.56. Cửa sổ của file mở dữ liệu Hình 3.57. Kết quả của cây cà chua

20
3.7.2. Chi phí cho thiết bị bộ điều khiển
Chi phí thiết bị cho bộ điều khiển quá trình áp dụng cho môđun 200 m
2
là:
1.924.000 đồng
3.7.3. Chi phí cho thiết bị cho hệ thống
- Hệ thống tưới nhỏ giọt 6.020.000 đồng
- Bộ điều khiển quá trình 1.924.000 đồng
- Máy tính PC 5.000.000 đồng (dự kiến)
Tổng chí phí thiết bị 12.944.000 đồng
Các linh kiện đều mua trong nước nên rất thuận tiện cho việc lắp đặt hệ
thống tưới và nếu hư hỏng dễ dàng thay thế. So sánh với hệ thống điề
u khiển tưới
nhỏ giọt nhập ngoại 60 triệu (theo đề tài KC 07 20) thì hệ thống điều khiển tưới
nhỏ giọt thiết kế chế tạo trong nước thì giảm được 1/5 so với nhập ngoại tuy nhiên
chưa xét đến độ bền.
Kết luận chương 3: Các kết quả chính thu được:
Phương pháp thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch không dùng
đấ

t; Thiết kế và chế tạo hệ thống tưới nhỏ giọt cho nhà trồng rau mô đun diện tích
200 m
2
; Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển quá trình trồng rau sạch không
dùng đất trên cơ sơ vi điều khiển công nghệ PSoC của hãng Cypress với hai chế độ
tự động và bằng tay do đó giảm được chi phí; Sản phẩm được kiểm nghiệm trong
phòng thí nghiệm kết quả cho dưới 5 file với 5 cây trồng, đây cũng là cơ sở để đưa
sản phẩm ra trồng thí nghi
ệm.
CHƯƠNG 4: TRIỂN KHAI, LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG HOÁ
SẢN XUẤT RAU SẠCH KHÔNG DÙNG ĐẤT
4.1. Quy trình lắp đặt hệ thống
4.1.1. Nhà trồng: Trên cơ sở nhà trồng đơn giản của Hồ Hữu An, 2003 tại trường
Đại học Nông nghiệp Hà Nội, chúng tôi tiến hành lắp đặt hệ thống với hình ảnh ở
hình 4.1, nhà trồng được thiết kế đơn giản khung thép, hệ thố
ng che kết hợp lưới
và tre, xung quanh nhà xây gạch cho 1 m.


21







4.1.2. Các thiết bị phục vụ công nghệ: Hệ thống tưới nhỏ giọt; Hệ thống cung
cấp dung dịch dinh dưỡng; Hệ thống điều khiển quá trình.
Hình ảnh đường ống chính, phụ và bầu tưới được thể hiện trên hình 4.4.

Hình ảnh bộ điều khiển và hệ thống rơ le được trình bày trên hình 4.6 và
hình 4.7.









Hình 4.1. Hình ảnh mô hình nhà trồng rau sạch không dùng đất của
PGS.TS Hồ Hữu An, 2003 tại trường Đại học Nông nghiệp Hà nội
H
ình 4.
6
. Bộ điều khiển
H
ình 4.7.
H
ệ
thốn
g

r
ơ
le
Hình 4.4. Đường ống chính, phụ và bầu tưới nhỏ giọt tự chế tạo

22
4.2. Chạy thử hệ thống
Sau khi tiến hành lắp đặt hệ thống chúng tôi tiến hành trồng cây dưa chuột
với 8 giống dưa chuột. Một số hình ảnh về việc quá trình trồng dưa chuột hình
4.10.








4.3. Kết quả chạy thử
Đánh giá sự đồng đều của hệ thống tưới nhỏ giọt
Sau khi lắp đặt hệ thống điề
u khiển tiến hành khảo nghiệm sự đồng đều của
hệ thống bằng cách sử dụng 3 cốc thuỷ tinh có khắc ml đặt ở 3 vị trí đầu luống,
giữa luống và cuối luống.
Trường hợp tưới 3 luống với góc mở của động cơ bước là 120
0
lúc đó tương
ứng lưu lượng máy bơm 115 [ml/s], kết quả cho ở bảng 4.1.
Bảng 4.1. Kết quả khảo nghiệm sự đồng đều của hệ thống tưới nhỏ giọt
Thời gian tuới (s)

Dung lượng lọ
đầu luống (ml)
Dung lượng lọ
giữa luống (ml)
Dung lượng lọ
cuối luống (ml)
20 22 23 24
30 34 35 35
40 46 46 47
50 57 57 58
60 68 69 70
Hình 4.10. Hình ảnh bộ điều khiển tự lắp đặt trên mô hình nhà trồng rau an
toàn không dùng đất của PGS.TS.Hồ Hữu An, 2003 cây dưa chuột ra quả