Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Hệ Thống Điều Khiển Thông Minh Chăm Sóc Vườn Cây Trồng Tự Nhiên.pdf

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN CƠNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH
CHĂM SÓC VƯỜN CÂY TRỒNG TỰ NHIÊN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103

S K C0 0 4 6 3 3

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRẦN CƠNG ĐỨC

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHĂM SÓC
VƯỜN CÂY TRỒNG TỰ NHIÊN

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Hướng dẫn khoa học:
TS. HUỲNH NGUYỄN HỒNG

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2015


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: Trần Cơng Đức

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1977

Nơi sinh: Bình Dƣơng

Quê quán: tỉnh Thái Bình

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 272/113, Khu phố 3, P. Chánh Nghĩa, TP. Thủ Dầu Một,
Bình Dƣơng
Điện thoại cơ quan: 06503831413

Điện thoại: 01655171650

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:

Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

Nơi học (trƣờng, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 10/1997 đến 3/2002

Nơi học (trƣờng, thành phố): ĐH. Sƣ Phạm Kỹ Thuật, TP. Hồ Chí Minh
Ngành học: Cơ khí Chế Tạo Máy
Tên luận án tốt nghiệp: Ứng Dụng PLC Điều Khiển Hệ thống Thủy Lực, Khí Nén
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Khoa Cơ Khí Chế Tạo, ĐH Sƣ Phạm
Kỹ Thuật, TP. Hố Chí Minh
Ngƣời hƣớng dẫn: ThS. Huỳnh Nguyễn Hồng
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI
HỌC:
Thời gian

Nơi cơng tác

Cơng việc đảm nhiệm

2002-2003

Cơng ty Cao Su Bình Long, Bình
Bảo Trì Máy
Phƣớc

2003- nay

Trƣờng CĐN Việt Nam – Singapore, Giáo viên giảng dạy các module
Thuận An, Bình Dƣơng
nghề Cắt Gọt Kim Loại

XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC
(Ký tên, đóng dấu)

i

Ngày tháng năm 200…
Ngƣời khai ký tên


LỜI CAM KẾT
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày

tháng 10 năm 2015

Trần Công Đức

ii


LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian thực hiện thì luận văn : ― “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ
thống điều khiển thơng minh chăm sóc vƣờn cây trồng tự nhiên” của tơi đã hồn
thành. Ngồi sự nỗ lực và cố gắng của bản thân, tơi gặp phải một số khó khăn trong
q trình thực hiện. Nhờ có sự hƣớng dẫn giúp đỡ tận tình của q thầy cơ, bạn bè,
gia đình tơi đã hồn thành luận văn của mình. Để tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu
sắc, tơi xin chân thành cảm ơn:
- Thầy hƣớng dẫn khoa học TS. Huỳnh Nguyễn Hoàng. Thầy đã dành nhiều
thời gian, tâm huyết và nhiệt tình hƣớng dẫn, định hƣớng, góp ý, động viên tơi trong
suốt q trình thực hiện luận văn.
- Ban giám hiệu, phịng sau đại học và q thầy cơ Khoa Cơ khí trƣờng
ĐHSPKT TPHCM .
Ban giám hiệu và quý thầy cơ Khoa Cơ khí Chế Tạo, Khoa Cơ – Điện Tử
trƣờng Cao Đẳng Nghề Việt Nam Singapore, tỉnh Bình Dƣơng đã giúp đỡ, tạo mọi
điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành tốt luận văn.
- Các anh, chị, bạn bè, trong và ngoài lớp đã động viên, giúp đỡ tơi tận tình
trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
- Gia đình, ngƣời thân đã ủng hộ về tinh thần, vật chất, và tạo điều kiện cho tôi
trong suốt những năm học vừa qua.
Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng

Trần Công Đức

iii

năm 2015


TĨM TẮT

Hệ thống điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng là một khâu quan trọng trong

toàn bộ hệ thống trồng rau nhà màng. Quyết định đến năng suất của cây trồng và đặc
biệt tạo ra những sản phẩm sạch và đóng góp vào việc bảo vệ mơi trƣờng. Việc
nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhà trồng rau có hệ thống điều khiển tiểu khí hậu một
cách thơng minh là rất quan trọng trong việc duy trì một mơi trƣờng sinh trƣởng tốt
cho cây trồng. Đề tài đã tìm hiểu đặc tính quang hợp của cây xanh, từ đó đã đề xuất
nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đề phù hợp với điều kiện quang hợp
của cây trồng. Với nguyên lý điều khiển tiểu thời tiết cho nhà trồng, hệ thống điều
khiển thông minh cho nhà trồng đƣợc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo. Hệ thống có ba
phƣơng thức điều khiển đó là chế độ điều khiển tự động qua bộ lập trình, điều khiển
PLC S7-200, hệ thống điều khiển bằng tay và hệ thống điều khiển qua mạng Wifi và
Internet. Qua thử nghiệm hệ thống hoạt động tốt và ổn định, các chỉ số điều khiển
đảm bảo yêu cầu.

iv


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.

v


MỤC LỤC
Chƣơng 1

1

MỞ ĐẦU

1

1.1 Đặt vấn đề

1

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

2

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

2

1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

3

1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu

3

Chƣơng 2

4

TỔNG QUAN

4

2.1 Giới thiệu chung

4

2.2 Một số cơng trình nghiên cứu liên quan

5

2.2.1 Nhà màng trên thế giới

5

2.2.2 Nhà màng ở Việt Nam

9

Chƣơng 3

12

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

12

3.1 Đặc tính quang hợp của cây xanh

12

3.1.1 Ảnh hƣởng của ánh sáng đến quang hợp

12

3.1.2 Ảnh hƣởng của nồng độ CO2

13

3.1.3 Ảnh hƣởng của nƣớc

14

3.1.4 Ảnh hƣởng của nhiệt độ

14

3.1.5 Ảnh hƣởng của nguyên tố khoáng

15

3.2 Tăng năng suất cây trồng

15

3.3 Kết luận

16

Chƣơng 4

17

TÍNH TỐN - THIẾT KẾ

17

4.1 Phân tích và lựa chọn phƣơng án thiết kế

17

4.1.1 Chọn lựa cấu trúc nhà trồng

17
vi


4.1.1.1 Những yêu cầu trong cấu trúc nhà trồng

17

4.1.1.2 Phân tích các cấu trúc nhà trồng hiện nay .

17

4.1.1.3 Lựa chọn cấu trúc nhà trồng

18

4.1.2 Hệ thống tƣới nƣớc

20

4.1.2.1 Các phƣơng pháp tƣới nƣớc tiết kiệm.

20

4.2.1.2 Chọn lựa hệ thống tƣới nƣớc

22

4.3 Chọn lựa phƣơng thức điều khiển

23

4.4 Nguyên lý hoạt động của nhà màng

24

4.4.1 Chế độ điều khiển tự động.

24

4.4.2 Chế độ điều khiển bằng tay.

27

4.4.3 Chế độ điều khiển qua mạng Internet

27

4.5 Các cơng việc tính tốn thiết kế

27

4.5.1 Thiết kế bộ phận đóng mở cửa thơng gió

27

4.5.2 Thiết kế hệ thống rèm cắt nắng

31

4.6 Thiết kế mạch điện điều khiển

40

4.6.1 Yêu cầu thiết kế

40

4.6.2 Thiết kế mạch PLC

42

4.3.3 Thiết kế mạch điện động lực

47

4.7 Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển mạng Internet

48

Chƣơng 5

49

CHẾ TẠO VÀ THỬ NGHIỆM

49

5.1 Chế tạo các bộ phận

49

5.1.1 Chế tạo bộ phận đóng mở cửa thơng khí.

49

5.1.2 Chế tạo bộ phận đóng mở màn cắt nắng

51

5.1.3 Chế tạo khung nhà màng

52

5.1.4 Chế tạo đƣờng ống tƣới nhỏ giọt

54

5.1.5 Thiết kế thi cơng phần điện

54

5.1.5.1 Động cơ điện đóng mở cửa thơng khí

55

5.1.5.2 Động cơ điện đóng mở màn cắt nắng

56

vii


5.1.5.3 Cơng tắc hành trình

57

5.1.5.4 Cảm biến từ

58

5.1.5.5 Cảm biến báo mƣa

59

5.1.5.6 Cảm biến độ ẩm khơng khí

60

5.1.5.7 Cảm biến nhiệt độ

62

5.1.5.8 Cảm biến ánh sáng

63

5.1.5.9 Relay thời gian

65

5.1.5.10 Nguồn 12V

68

5.1.5.11 Nguồn 5V

68

5.1.5.12 Van điện từ

69

5.1.5.13 Quạt làm mát không khí

70

5.1.5.14 Máy phun sƣơng

70

5.1.5.15 Bộ điều khiển internet

71

5.2 Thử nghiệm

75

5.2.1 Thử nghiệm khả năng chuyển động của màn cắt nắng

75

5.2.1.1 Mục đích thử nghiệm:

75

5.2.1.2 Trang thiết bị và dụng cụ

75

5.2.1.3 Mô tả thử nghiệm

75

5.2.2 Thử nghiệm các bộ phận kiểm sốt nhiệt độ, độ ẩm, mƣa.

76

5.2.2.1 Mục đích thử nghiệm

76

5.2.2.2 Trang thiết bị và dụng cụ

76

5.2.2.3 Mô tả thử nghiệm

77

5.2.3 Khảo sát quá trình điều khiển nhiệt độ và độ ẩm

78

5.3 Hoàn chỉnh thiết kế

81

Chƣơng 6

83

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN

83

6.1 Kết quả

83

6.2 Hƣớng phát triển

83

TÀI LIỆU THAM KHẢO

85

viii


WEBSITE

85

PHỤ LỤC

86

ix


DANH MỤC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH VẼ
Hình 2.1:

Một Nơng trang ở sa mạc Israel [6]

Hình 2.2:

Hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ đƣợc cài đặt tại nhiều vị trí khác

6

nhau và kết nối đến các computer [6]

7

Hình 2.3:

Mơ hình trồng rau theo cơng nghệ Úc [12]

9

Hình 3.1:

Ảnh hƣởng của cƣờng độ ánh sáng đến cƣờng độ quang hợp khi nồng độ

CO2 tăng [15]

12

Hình 3.2:

Cƣờng độ hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố quang hợp [15].

13

Hình 3.3:

Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 [14]

13

Hình 3.4:

Ảnh hƣởng của nhiệt độ đến quang hợp [14]

14

Hình 4.1:

Nhà màng kín [13]

17

Hình 4.2:

Nhà màng mái che có cửa thơng khí [14]

18

Hình 4.3:

Nhà màng có mái tự động đóng mở

19

Hình 4.4:

Tƣới phun mƣa [16]

20

Hình 4.5:

Tƣới phun sƣơng [16]

21

Hình 4.6:

Vịi tƣới nhỏ giọt [16]

21

Hình 4.7:

Sơ đồ lắp đặt van điện và đƣờng ống dẫn nƣớc tƣới nhỏ giọt

22

Hình 4.8:

Sơ đồ lắp ráp hệ thống phun sƣơng

23

Hình 4.9:

Sơ đồ điều khiển qua PLC và Internet

23

Hình 4.10: Lƣu đồ giải thuật điều khiển nhiệt độ

24

Hình 4.11: Lƣu đồ điều khiển độ ẩm

25

Hình 4.12: Lƣu đồ điều khiển ánh sáng

26

Hình 4.13: Bộ phận mở cửa thơng gió

27

Hình 4.14: Cửa thơng gió, (a) Trạng thái cửa đóng , (b) trạng thái cửa mở

29

x


Hình 4.15: (a) Cơ cấu khâu khi đóng (b) Cơ cấu khâu khi mở

29

Hình 4.16: Bộ phận đóng mở màn cắt nắng (khi đóng)

32

Hình 4.17: Bộ phận đóng mở màn cắt nắng (khi mở)

32

Hình 4.18: Sơ đồ trục kéo màn thứ nhất

37

Hình 4.19: Sơ đồ phân bố mơmen

39

Hình 4.20: Trục chủ động sau khi thiết kế

40

Hình 4.21: Trục bị động sau khi thiết kế

40

Hình 4.22: Lƣu đồ giải thuật điều khiển hệ thống

41

Hình 4.23: Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển

44

Hình 4.25: Mạch điện các thiết bị chấp hành

47

Hình 4.26: Mơ hình điều khiển thiết bị thơng qua Wife và mạng Internet.

48

Hình 5.1:

Chế tạo bộ phận mở cửa thơng khí

50

Hình 5.2:

Bộ phận kéo màn cắt nắng

52

Hình 5.3:

Bản vẽ thiết kế khung nhà màng

53

Hình 5.4:

Khung nhà màng sau khi hồn thành

53

Hình 5.5:

Đƣờng ống dẫn nƣớc tƣới nhỏ giọt

54

Hình 5.6:

Nƣớc chảy dƣới dạng nhỏ giọt

54

Hình 5.7:

Động cơ điện 12 VDC có hộp số

55

Hình 5.8:

Lắp đặt động cơ đóng/mở cửa thơng khí

56

Hình 5.9:

Động cơ điện 220 VAC có hộp số

56

Hình 5.10: Cơng tắc hành trình

57

Hình 5.11: Vị trí lắp đặt cơng tắc hành trình giới hạn đóng/mở cửa thơng khí

58

Hình 5.12: Cảm biến điện từ

58

Hình 5.13: Cảm biến từ gắn trên hành trình kéo màn

59

Hình 5.14: Cảm biến báo mƣa

59
xi


Hình 5.15: Lắp đặt cảm biến mƣa trong mơ hình nhà màng

60

Hình 5.16: Cảm biến độ ẩm khơng khí

60

Hình 5.17: Lắp đặt cảm biến độ ẩm trong nhà màng

61

Hình 5.18: Cảm biến nhiệt độ và bộ điều chỉnh nhiệt độ

62

Hình 5.19: Sơ đồ đấu dây nguồn cung cấp điện và nguồn ra các tải.

63

Hình 5.20: (a) Cảm biến cƣờng độ sáng BH1750 và (b) mạch điều khiển cƣờng độ
sáng

64

Hình 5.21: Mạch relay tác động mức ánh sáng

64

Hình 5.22: Lắp ráp bộ phận cảm biến ánh sáng trong mơ hình nhà màng

65

Hình 5.23: Relay điều chỉnh thời gian

66

Hình 5.24: Nguồn một chiều 12VDC

68

Hình 5.25: Nguồn 5V

68

Hình 5.26: Van điện từ

69

Hình 5.27: Quạt điện

70

Hình 5.28: Máy phun sƣơng và đầu béc phun sƣơng

70

Hình 5.29: Hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng EC10 [16].

72

Hình 5.30: Thiết bị điều khiển qua Lan/Inthernet EC10 [16]

72

Hình 5.31: Bảng giao diện điều khiển thiết bị qua Webserver [16]

73

Hình 5.32: Các thành phần của thiết bị EC10 [16]

73

Hình 5.33: Biểu đồ nhiệt độ , độ ẩm ngày 12/10/2015

78

Hình 5.34: Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm ngày 13/10/2015

79

Hình 5.35: Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm ngày 14/10/2015

79

Hình 5.36: Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm ngày 15/10/2015

80

Hình 5.37: Tổng thể mơ hình nhà màng

81

Hình 5.38: Tổng thể nhà màng sau khi hoàn thiện

82

xii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Nhiệt độ sinh trƣởng của một số loại cây trồng

15

Bảng 2: Tổng hợp các thông số tính tồn bộ phận truyền đai

31

Bảng 3: Tổng hợp các thông số

36

Bảng 4: Các cảm biến, công tắc

41

Bảng 5: Cơ cấu chấp hành

42

Bảng 6: Địa chỉ ngõ vào PLC

42

Bảng 7: Địa chỉ ngõ ra PLC

43

Bảng 8: Thông số kỹ thuật bộ phận cửa thơng khí

50

Bảng 9: Thơng số kỹ thuật bộ phận đóng mở màn cắt nắng

51

Bảng 10: Các thơng số động cơ một chiều

55

Bảng 11: Thông số kỹ thuật động cơ đóng mở màn cắt nắng

57

xiii


Chƣơng 1

MỞ ĐẦU
1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay trên thế giới, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển vào trong sản
xuất là rất nhiều và cần thiết trong các ngành nghề kể cả trong nông nghiệp. Trong
nông nghiệp, nhờ ứng dụng các công nghệ điều khiển hiện đại mà năng suất và chất
lƣợng cây trồng tăng lên đáng kể. Với cơng nghệ trồng rau trong nhà màng có sự hỗ
trợ của các thiết bị điều khiển đã cho những kết quả ngoài mong đợi nhƣ năng suất
cao, chất lƣợng tốt, sạch, an tồn mà cịn có thể trồng những loại cây mà từ trƣớc
không phải là truyền thống của vùng miền.
Ở Việt Nam, việc trồng rau trong nhà màng đang phát triển nhanh chóng, đem
lại lợi ích cao cho ngƣời nơng dân. Tuy nhiên, do chi phí đầu tƣ cao nên việc ứng
dụng chỉ hạn chế trong các nông trang lớn có khả năng về kinh tế, hoặc chỉ điều
khiển ở dạng bán tự động nên vẫn cần nhiều nhân cơng trong việc điều khiển vì hầu
hết các trang thiết bị điều khiển đều phải nhập từ nƣớc ngoài nên giá thành cao. Do
đó cần phải có hƣớng nghiên cứu, thiết kế và chế tạo những thiết bị này ngay ở
trong nƣớc để giảm chi phí, phù hợp với điều kiện kinh tế của ngƣời nông dân và
điều kiện môi trƣờng ở Việt Nam.
Luận văn đã trình bày kết quả thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển tiểu mơi
trƣờng trong mơ hình nhà màng một cách tự động và có sự hỗ trợ của máy tính và
đặc biệt có thể điều khiển qua điện thoại Smarphone.
Kết quả thực nghiệm cho thấy với nhà màng đƣợc điều khiển tự động sẽ làm
cho điều kiện môi trƣờng sinh trƣởng của cây trồng tốt hơn, phù hợp yêu cầu môi

trƣờng đặt ra cho từng loại cây trồng. Mặt khác với khả năng điều khiển từ xa qua
Smarphone làm cho việc giám sát và điều khiển trở nên sễ dàng hơn.

1


1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Ở Việt Nam, diện tích trồng rau xanh rất lớn. Hầu hết phƣơng thức canh tác
chủ yếu theo cách truyền thống nên cho năng xuất thấp và chất lƣợng không cao.
Do đó cần phải có một phƣơng thức mới nhằm nâng cao chất lƣợng sản phẩm và
năng xuất cây trồng. Hiện nay cũng đã có nhiều nơi ở Việt Nam đã ứng dụng công
nghệ trồng cây trong nhà màng và công nghệ này cũng đã phát huy tính hiệu quả đã
giúp cho các nhà đầu tƣ đạt đƣợc lợi nhuận. Tuy nhiên các thiết bị điều khiển của
các nhà màng trồng rau lớn ở Việt Nam hầu hết đƣợc nhập từ nƣớc ngồi nên giá
thành cao, do đó những hộ nơng dân nhỏ khó tiếp cận đƣợc với cơng nghệ này hoặc
có thì ở mức đơn giản và cịn nhiều khâu phải làm thủ cơng.
Vì lý do này, tác giả đã chọn lựa đề tài “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ
thống điều khiển thơng minh chăm sóc vƣờn cây trồng tự nhiên”. Đề tài thực hiện
cho phép giải quyết:
- Áp dụng công nghệ tự động để điều khiển tiểu khí hậu của nhà màng giúp
giảm bớt sức lao động, nguồn nƣớc, phân bón, thuốc trừ sâu và nâng cao chất lƣợng
điều chỉnh.
- Ứng dụng công nghệ thông tin để quan sát, quản lý thiết bị điều khiển.
- Mơ hình nhà màng có thể sử dụng ở qui mơ nhỏ hộ gia đình nhất là những
nơi có khn viên nhỏ của hộ gia đình ở khu đơ thị.
- Làm tăng giá trị của sản phẩm cây trồng, giúp cải thiện chất lƣợng cuộc sống
và tăng thu nhập cho ngƣời trồng.

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Đề tài triển khai nghiên cứu hƣớng tới mục tiêu sau:

-

Tự động hóa q trình tƣới nƣớc

-

Tự động hóa q trình tạo độ ẩm và thơng khí.

-

Tự động hóa q trình che, cắt nắng.

-

Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh nhà màng

2


1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
-

Đặc tính quang hợp của cây xanh.

-

Tiểu khí hậu trong nhà màng.

-

Cách thức điều khiển tiểu khí hậu trong nhà màng.

-

Cách thức giám sát và điều khiển qua mạng internet.

1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp
chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu.

-

Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử
nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế.

3


Chƣơng 2

TỔNG QUAN
2.1 Giới thiệu chung
Các sản phẩm rau xanh là nguồn thực phẩm không thể thiếu trong bữa ăn hàng
ngày của con ngƣời. Nhu cầu về rau xanh là rất lớn, do đó cần phải có nguồn cung
cấp rau lớn. Hiện nay nƣớc ta có diện tích trồng rau xanh rất lớn, việc trồng rau
xanh ở nƣớc ta mang tính tự phát và khơng theo qui chuẩn an tồn chất lƣợng nào.
Vì vậy rất khó kiểm sốt về chất lƣợng của sản phẩm, nhất là dƣ lƣợng về các thuốc
bảo vệ thực vật. Ngoài ra năng suất cây trồng cũng là yếu tố để giúp tăng lợi nhuận

cho ngƣời trồng vì vậy cần phải có nghiên cứu một qui trình trồng rau xanh hiệu
quả an tồn và chất lƣợng tốt.
Một trong các cách làm hiệu quả của việc trồng rau là trồng rau trong nhà
màng. Đây là một công nghệ mới, cho phép ngƣời trồng rau tạo ra các sản phẩm
chất lƣợng, an toàn và năng suất cao.
Việc trồng rau trong màng hiện đã trở nên phổ biến do tính hiệu quả của nó,
khơng những đối với những trang trại lớn mà cịn có thể ứng dụng cho từng hộ gia
đình, tùy theo khả năng kinh tế và qui mô sản sản xuất.
Ở Việt Nam việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào điều khiển khí hậu của nhà
trồng rau cũng đã có khắp nơi, các thiết bị điều khiển hầu nhƣ là nhập từ các nƣớc
có cơng nghệ tiến tiến nhƣ Nhật, Isareal, Ustralia,.. Giá thành các thiết bị này tƣơng
đối cao, rất khó cho ngƣời nơng dân Việt Nam tiếp cận. Vì vậy cần phải có những
nghiên cứu và chế tạo các thiết bị trong nƣớc sao cho đảm bảo đƣợc ngƣời nơng dân
có thể đầu tƣ đƣợc và dể sử dụng. Đây cũng chính là mục đích của ngƣời nghiên
cứu cần hƣớng tới nhằm tạo ra một sản phẩm tốt và hiện đại cho ngƣời nông dân
Việt Nam.
Trong đề tài này chúng tôi cũng nghiên cứu hệ thống điều khiển qua mạng
truyền thông Internet nhằm nâng cao khả năng giám sát điều kiện môi trƣờng của

4


nhà trồng để đƣa quyết định kịp thời cho việc điều khiển tiểu khí hậu nhà trồng tốt
hơn.

2.2 Một số cơng trình nghiên cứu liên quan
2.2.1 Nhà màng trên thế giới
Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều thành cơng với mơ hình trồng cây trong
nhà kính. Các ứng dụng khoa học vào nông nghiệp đã đem lại những kết quả cao,
điển hình nhƣ Ustralia, Israel, Hà lan,...trên đây là một số nƣớc có kỹ thuật nơng

nghiệp tiên tiến.
Israel: Nhà kính cơng nghệ cao Israel, ngồi việc đảm bảo yêu cầu kết cấu
bền vững, yêu cầu cho việc thực hiện cơ giới hố đến mức cao nhất các cơng đoạn
sản xuất, nhà kính cịn có thể cho phép đáp ứng đến mức cao nhất các nhu cầu về
kiểm soát “tiểu khí hậu nhà kính”, kiểm sốt “sinh học nhà kính”, kiểm sốt “dịch
hại” nhà kính, và thực hiện các biện pháp điện tốn điều chỉnh các yếu tố mơi
trƣờng sinh thái nhà kính [6].
Về kết cấu và cấu trúc: Kết cấu và cấu trúc nhà kính cần đảm bảo nguyên tắc
cứng, nặng, đủ độ bền vững để chống lại gió mạnh (tuỳ theo đặc trƣng thời tiết khí
hậu địa phƣơng). Hiện nay, Israel sử dụng tồn bộ loại hình nhà kính tiên tiến. Các
bộ phận thƣờng có của một nhà kính tiêu chuẩn là hệ thống rèm "cửa ánh sáng" và
hệ thống lƣới tạo bóng râm, các hệ thống kiểm sốt và điều chỉnh mơi trƣờng sinh
thái để tạo lập ra một mơi trƣờng sinh thái tƣơng thích đáp ứng nhu cầu sinh hóa
cây trồng, nhƣ hệ thống kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống kiểm soát và
điều chỉnh ẩm độ khơng khí/ẩm độ đất, hệ thống kiểm sốt và điều chỉnh ánh sáng,
hệ thống thơng khí... Cùng với việc nghiên cứu phát triển công nghệ tổng
hợp, Israel đang tập trung khai thác và tận dụng các đặc trƣng đặc tính của “vật liệu
thơng minh” để xây dựng nhà kính [6].

5


Hình 2.1: Một Nơng trang ở sa mạc Israel [6]
Về cơng nghệ kiểm sốt tiểu khí hậu nhà kính cơng nghệ cao (Technologies
for hi-tech greenhouses climate control): Nhà kính của Israel phải đảm bảo các tiêu
chuẩn công nghệ quy định, ví dụ nhƣ tiêu chuẩn thích ứng nhiệt “làm mát vào ban
ngày và toả ấm vào ban đêm”. Việc thiết kế và xây dựng nhà kính nhƣ thế nào đó
để sao cho việc kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố mơi trƣờng để tạo ra " miền tiểu
khí hậu tối thích " cho cây trồng phát triển trong khi chỉ cần "mức chi phí năng
lượng tối thiểu". Vì ngƣời sản xuất không thể sản xuất với bất cứ giá thành nào.

Thông thƣờng, việc điều chỉnh chế độ nhiệt thƣờng đựơc kết hợp với việc điều
chỉnh chế độ ẩm và đựơc thực hiện thông qua hệ thống "phun mù”. Các "hạt phun"
có chức năng hấp thụ nhiệt dƣ thừa trong nhà kính vào ban ngày và lƣu trữ lƣợng
nhiệt năng này để làm ấm nhà kính vào ban đêm. Nhƣ vậy, việc kiểm soát và điều
chỉnh chế độ nhiệt/ẩm của nhà kính diễn ra liên tục suốt ngày đêm. Để tự động hố
việc kiểm sốt và điều chỉnh các thơng số mơi trƣờng nhà kính, hệ thống cảm biến
nhiệt độ và ẩm độ đƣợc cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và đƣợc kết nối trực tiếp
đến computer để thực hiện các lệnh tƣới, bón, điều chỉnh nhiệt ẩm, tạo lập mơi
trƣờng sinh thái tối thích cho cây trồng sinh trƣởng phát triển [6].

6


Hình 2.2: Hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ đƣợc cài đặt tại nhiều vị trí
khác nhau và kết nối đến các computer [6]
Về cơng nghệ điện tốn nhà kính: Israel là đất nƣớc có nền cơng nghệ thông
tin phát triển sớm, bao gồm cả công nghệ phần cứng và công nghệ phần
mềm. Israel luôn nỗ lực khai thác ứng dụng đến mức cao nhất lợi thế và ƣu việt của
công nghệ thông tin vào phát triển sản xuất nơng nghiệp nói riêng. Đối với sản xuất
nhà kính, tồn bộ các hệ thống tƣới nƣớc hay bón phân, hệ thống cấp và điều chỉnh
ẩm độ nhiệt độ, hệ thống kiểm sốt tiểu khí hậu đều đƣợc thực hiện tự động hố
thơng qua các hệ thống phần mềm quản lý kỹ thuật [6].
Tại Keny: Kenya là một quốc gia thuộc miền Đông châu Phi đã bắt đầu sản
xuất cà chua trong nhà kính nhằm nâng cao hy vọng rằng các loại rau phổ biến sẽ
trở nên có sẵn trong suốt cả năm với giá cả phải chăng.
Trong hệ thống mới đƣợc phát triển bởi Chƣơng trình phát triển trồng trọt
Kenya (KHDP) có sự tham gia của nhà cung cấp đầu vào nơng nghiệp Seminis
Seeds và Osho Hóa chất cơng nghiệp.
Theo KHDP, dự án cà chua nhà kính, một trong những hoạt động của chƣơng
trình là hỗ trợ để giúp tăng thu nhập của hộ gia đình nơng thơn, nguồn vay mƣợn là

từ Israel - nơi mà nƣớc này đã phát triển ngành nông nghiệp rất tốt và chuyên
nghiệp trong điều kiện khan kiếm đất và nƣớc.

7


Nếu dự án này đƣợc phát triển rộng rãi thì Kenya có thể bắt đầu thƣởng thức
cà chua quanh năm, mà hiện đang bị làm hƣ hại trong mùa ẩm ƣớt. Theo Peter
Randa, ngƣời quản lý tiếp thị và dự án cố vấn kỹ thuật, cây trồng trong các nhà kính
có nhiều thuận lợi, trong đó có khả năng sản xuất số lƣợng lớn trên một mảnh đất
nhỏ và liên tục thu hoạch.
Tại Hoa Kỳ: Sở Nông nghiệp Hoa Kỳ đƣa ra dự án 135 với 38 nhà nghiên
cứu đầu năm 2006 nhằm xác minh việc trồng rau, hoa trong các nhà lƣới nhà kính
cơng nghệ cao, điều khiển tự động đạt đƣợc hiệu quả cao vì giảm sử dụng thuốc trừ
sâu, lƣu giữ chất dinh dƣỡng thiết yếu trong đất, mở rộng mùa trồng và sản lƣợng
ngày càng tăng.
Ngoài ra, vào mùa đông giá lạnh khi nhiệt độ bên ngồi lạnh thì nhiệt độ bên
trong nhà kính vẫn đƣợc duy trì ổn định cho cây sinh trƣởng và phát triển tốt. Vì
vậy mùa đơng ở đây cịn cịn bị hiếm rau, hoa nhƣ những năm trƣớc nữa.
Tại Anh: Vào tháng 08/2010, tại tiểu bang Kent ở miền Nam nƣớc Anh, nơi
có số ngày nắng trong năm nhiều hơn 17% so với nơi khác, sẽ hoàn thành việc xây
dựng Thanet Earth - tổ hợp khổng lồ gồm 7 nhà kính trồng rau (mỗi nhà rộng cỡ 10
sân bóng đá) trên diện tích gần 91 ha.
Khi hồn thành, trong tổ hợp nhà kính này sẽ trồng gần 1,3 triệu cây và những
ngƣời làm việc trong đó phải đeo những chiếc kính bảo hộ đặc biệt vì bên trong nhà
kính rất sáng. Để có đƣợc ánh sáng tối đa, những cấu trúc kim loại ở đây đều đƣợc
sơn trắng và sàn nhà thì đƣợc phủ bằng lớp phản quang. Lƣợng ánh sáng đƣợc giữ
bên trong nhà nhờ tƣờng và mái nhà đƣợc che sáng.
Các điều kiện bên trong nhà kính đƣợc kiểm sốt bởi những chiếc máy tính
dành riêng cho cơng trình này. Có 7 cái hồ chứa nƣớc mƣa, sau khi đƣợc xử lý sẽ

cung cấp nƣớc cho nông trang, dung lƣợng mỗi hồ 189 triệu lít. Việc cung cấp nhiệt
cho nhà kính là do 7 nhà máy điện đảm trách, chính là những nhà máy cung cấp
điện cho một nửa thành phố Thanet gần đó.

8


Việc trồng trọt trong những nhà kính lớn nhƣ thế đã từng có ở Hà Lan,
Canada, Mỹ, cịn ở Anh đây là lần đầu tiên. Hai năm nữa, Thanet Earth sẽ đi vào
hoạt động và việc tổ chức sản xuất tại tổ hợp này do Tập đoàn Fresca Group, một
nhà nhập khẩu lớn của Anh thực hiện.
Theo tính tốn chi li của những ngƣời Anh thì từ tháng 2 đến tháng 10, mỗi
tuần tổ hợp này sẽ thu hoạch gần 560 ngàn quả ớt, 700 ngàn quả dƣa chuột, 2,5 triệu
quả cà chua. Cơng trình này sẽ làm tăng 15% sản lƣợng thu hoạch rau hằng năm tại
Anh.
Tƣơng tự nhƣ ở Úc. Hệ thống trồng rau ở Úc rất phát triển, hầu nhƣ tồn bộ
qui trình sản xuất rau đều có ứng dụng cơng nghệ điều khiển hiện đại [9].

Hình 2.3: Mơ hình trồng rau theo cơng nghệ Úc [12]

2.2.2 Nhà màng ở Việt Nam
Tại Việt Nam: những năm gần đây việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào nông
nghiệp đang đƣợc xúc tiến mạnh mẽ và bƣớc đầu đã đạt đƣợc nhiều kết quả tốt.
Thực tế cho ta thấy, các phƣơng pháp canh tác theo tập quán ngoài đồng đã
dần đƣợc thay thế bằng những kỹ thuật mới trên những vùng sản xuất. Thơng qua
các chƣơng trình khuyến nơng, việc áp dụng trồng rau, hoa trong nhà kính, nhà lƣới

9

đã từng bƣớc đƣợc hƣớng dẫn đến các hộ nông nghiệp trong những năm qua, đã
giúp cho ngƣời sản xuất cải thiện kỹ thuật canh tác một cách căn bản. Nhƣ ta đã biết
việc ứng dụng kỹ thuật trồng cây trong nhà kính, nhà lƣới sẽ mang lại hiệu quả thiết
thực cho ngƣời sản xuất cũng nhƣ nâng cao chất lƣợng năng suất sản phẩm nông
nghiệp. Tuy nhiên thông tin về kỹ thuật canh tác, những vấn đề kỹ thuật điều khiển
khí hậu trong nhà kính, nhà lƣới nhƣ thế nào là thích hợp trong điều kiện khí hậu ở
nƣớc ta để có thể giảm bớt hoặc bổ xung ánh sáng, tăng hoặc giảm nhiệt độ… và
hàng loạt các vấn đề khác cần giải quyết. Chính vì vậy dẫn đến thực trạng ở nƣớc ta
hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng phục vụ sản xuẩt rau và hoa
vẫn ở trình độ lạc hậu, chắp vá, đặc biệt là vấn đề sử dụng và quản lý chƣa đem lại
hiệu quả nhƣ mong muốn.
Do trình độ kỹ thuật phát triển chậm nên hệ thống thiết bị điều khiển tiểu khí
hậu trong nhà trồng rau, hoa ở nƣớc ta hiện nay phần lớn mới chỉ tập trung ở vấn đề
làm mát trong nhà trồng và thiết bị sử dụng chỉ là hệ thống lƣới cắt nắng, dạng này
đƣợc áp dụng với diện tích lớn của các hộ nơng dân ở các vùng sản xuất rau và hoa
tập trung ở nƣớc ta nhƣ vùng trồng rau ở Vân Nội - Đơng Anh, Lĩnh Nam - Thanh
Trì, Đà Lạt - Lâm Đồng, Củ chi… với phƣơng pháp điều khiển thủ cơng dùng các
vật liệu sẵn có của địa phƣơng nhƣ tre, luồng để căng lƣới. Ƣu điểm giá thành đầu
tƣ rẻ, kỹ thuật sử dụng đơn giản, do đó chỉ giảm đƣợc một phần cƣờng độ ánh sáng
và nhiệt độ, chƣa đem lại hiệu quả đáng kể nào.
Ở một số Hợp tác xã nhƣ Hợp tác xã Hƣơng Xuân - Thành phố Hồ Chí
Minh, Đà Lạt…. một số các cơng ty và các mơ hình ở tỉnh nhƣ Thanh Hóa, Vĩnh
Phúc đã sử dụng phối hợp một số thiết bị làm mát nhƣ lƣới cắt nắng, phun sƣơng
giảm nhiệt và quạt thơng gió. Hệ thống này đƣợc điều khiển bằng cơ khí. Ở một số
vùng có khí hậu ổn định nhƣ ở Đà Lạt, Tam Đảo - Vĩnh Phúc việc sử dụng phối hợp
các hệ thống thiết bị này đã đem lại hiệu quả đáng kể. Tuy nhiên do chƣa lựa chọn
và vận hành đúng các hệ thống thiết bị cho từng vùng khí hậu thƣờng sao chép
nguyên mẫu từ vùng này sang vùng khác lên đối với các vùng khí hậu tƣơng đối
khắc nghiệt nhƣ Thành phố Hồ Chí Minh, Thanh Hố, Tây Tựu… lên khơng hiệu

10