Nghiên cứu thiết kế chế tạo và triển khai ứng dụng hệ thống định ô tự động phục vụ sản xuất hạt giống

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống định ôn phục vụ sản xuất hạt giống và sản xuất
rau Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống định ôn phục vụ sản xuất hạt giống và sản
xuất rau hoa cao cấp, và nghiên cứu điều kiện ngoại cảnh di thực của các loại cây
trồng, đáp ứng nhu cầu rất lớn của sản xuất nông nghiệp và phù hợp với chủ trương
của Nhà nước về canh tác nông nghiệp công nghệ cao.
Một số giống, đặc biệt là lúa lai cần phải được thuần giống trong điều kiện nhiệt độ
dưới 24
0
C và ánh sáng đến 10.000 lux. Việc nghiên cứu chế tạo phòng định ôn đảm
bảo các điều kiện này để sản xuất giống là cần thiết đáp ứng nhu cầu trong nước.
Nghiên cứu đã thực hiện các vấn đề chính gồm:
1/ Thiết kế chế tạo hệ thống định ôn với các yếu tố tiểu khí hậu như nhiệt độ, ẩm độ,
ánh sáng, và CO
2
được điều khiển tự động đáp ứng nhu cầu sản xuất hạt giống với các
chuyên đề chính:
Nghiên cứu các giải pháp làm mát trong hệ thống định ôn gồm thông thoáng,
cooling pad, phun sương, và buồng điều hòa trung gian trong hệ thống định ôn sao
cho có thể điều khiển đồng thời nhiệt độ và ẩm độ tương đối của không khí đáp
ứng yêu cầu sản xuất giống.
Thiết kế, chế tạo lắp đặt hệ thống nhà trồng cây – định ôn 400 m
2
gồm phòng định
ôn 40 m
2
(được chia thành 2 ngăn độc lập, 20m
2
/ngăn) và 360 m
2
nhà trồng cây.

Tất cả các yếu tố sinh thái như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng và nồng độ CO
2
được
điều khiển tự động.
2/ Thử nghiệm sản xuất giống lúa lai trong phòng định ôn, khổ qua và dưa leo trong
nhà trồng cây.
Một số kết quả khác của đề tài gồm:
1/ Đã xuất bản 2 bài báo khoa học
Nguyễn Văn Hùng – Kiều Việt Quốc. 2012. Nghiên cứu hệ thống định ôn tự động
phục vụ sản xuất giống cây trồng. Kỹ yếu hội thảo Cơ điện tử toàn quốc
(VCM2012).
Nguyen Van Hieu – Nguyen Van Hung. 2010. Investigation of cooling solutions in
a greenhouse under climatic conditions in Ho Chi Minh city. Tạp chí Khoa học Kỹ
thuật Nông Lâm Nghiệp (special issue), số 4/2010, trang 131-135.
2/ Đã tạo điều kiện thực hiện thành công hai luận văn thạc sĩ và năm khoá luận tốt
nghiệp kỹ sƣ do chính chủ nhiệm đề tài này hướng dẫn khoa học.

1

SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

Currently, Satisfying to requirements of high technological agriculture, some high-
value agricultural products and especially seeds must be cultivated in their favorable
climate conditions. This project has been implemented with the main results as follow:
1/ Designed – manufactured and tested a system of automatic phytotron 400 m
2

installed in Binhduong province. This system could be controlled the inner climate
factors including temperature, relative humidity, brightness, and carbon dioxide for
agricultural seed breeding.

2/ An investigation of these inner climate factors inside the system was conducted.
Outside temperature in BinhDuong province was rather high and increased at the
highest level of about 32
0
C. The cooling method of ventilation roof, fan, cooling pad
and foging induced the inside temperature decreasing about 5
0
C. Temperature inside
the phytotron could be controlled at under 25
0
C as requirement of seeding.


2
MỤC LỤC
CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU 9
CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN 10
2.1. Cấu trúc hệ thống định ôn và nhà trồng cây 10
2.2. Yêu cầu các yếu tố tiểu khí hậu trong hệ thống định ôn và nhà trồng cây 11
2.3. Giải pháp làm mát trong hệ thống định ôn và nhà trồng cây 13
2.4. Giải pháp thông thoáng 15
2.5. Sơ lược về một số thiết bị định ôn ứng dụng trong nông nghiệp 16
2.6. Một số nghiên cứu về nhà trồng cây trong nước 19
2.7. Nhận xét về các kiểu nhà trồng cây hiện có 21
CHƢƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP 23
3.1. Nội dung nghiên cứu 23
3.2. Phương pháp nghiên cứu 23
CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33
4.1. Nghiên cứu các mô hình thí nghiệm làm cơ sở thiết kế- chế tạo hệ thống 33
4.2. Thiết kế - chế tạo hệ thống nhà trồng cây - định ôn. 41

4.3. Kết quả thiết kế bộ phận giám sát và điều khiển tự động cho hệ thống nhà trồng
cây và định ôn 53
4.4. Kết quả khảo nghiệm 55
4.4.1. Kết quả khảo nghiệm nhà trồng cây. 55
4.4.2. Kết quả khảo nghiệm phòng định ôn 57
4.5. Kết quả sản xuất thử nghiệm giống trong hệ thống nhà trồng cây – định ôn 60
CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 76
5.1. Kết luận 81
5.2. Đề nghị 81

3
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
VIẾT TẮT
THUẬT NGỮ TIẾNG VIẾT
PLC
Programable logic controller
HMI
Human – Machine – Interface
PID
Proportional – Integral – Derivative
RH
Relative Humidity
LCD
Liquid Crystal Display
PIC
Programmable Intelligent Computer
WinCC
Window Control Center

4

DANH SÁCH HÌNH
SỐ
TÊN HÌNH ẢNH
TRANG
2.1.
Cấu trúc thông thoáng nhà trồng cây
9
2.2.
Mô hình biểu diễn các yếu tố tiểu khí hậu
9
2.3
Mô hình biểu diễn nhiệt do bức xạ mặt trời
10
2.4
Mô hình làm mát
11
2.5
Lưới cắt nắng Aluminet
12
2.6
Làm mát kiểu cooling pad
12
2.7
Sơ đồ cấu tạo hệ thống làm lạnh không khí
13
2.8
Sơ đồ thông thoáng
13
2.9
Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt

14
2.10
Phân bố gió cưởng bức nhờ bố trí quạt trong nhà trồng cây
14
2.11
Cấu trúc của một thiết bị tủ định ôn (phytotron)
15
2.12
Màn hình điều khiển của thiết bị định ôn
15
2.13
Phòng định ôn
16
2.14
Sơ đồ khối thiết bị điều khiển nhà trồng cây của Wang, YB
16
2.15
Giao diện chương trình điều khiển hệ thống định ôn
cho cây trồng của Ching-Yuan Lin
17
2.16
Sơ đồ các kiểu nhà màng thô sơ phổ biến tại Lâm Đồng
17
2.17
Kết cấu nhà lưới, nhà màng tại Củ Chi
18
2.18
Kiểu nhà trồng cây ứng dụng điều khiển tự động
tại Khu Nông nghiệp Công nghệ cao Tp.HCM
18

2.19
Hệ thống nhà trồng cây 244 m
2
được lắp đặt tại Quảng Ngãi
19
3.1
Sơ đồ khối cụm thiết bị điều khiển tự động
22
3.2
Giải thuật điều khiển nhiệt độ và ẩm độ tương đối không khí
trong hệ thống
23
3.3
Giải thuật điều khiển ánh sáng
24
3.4
Nhiệt kế bầu khô, bầu ướt và biểu đồ trắc ẩm

25
3.5
Thiết bị đo nhiệt độ và ẩm độ DSFOX-301AR
25

5
3.6
Thiết bị đo công suất Hioki 3286-20
26
3.7
Công tơ điện EMIC CV140-1-3
27

3.8
Thiết bị đo Ulab 006p CMA sử dụng để thu thập số liệu
27
3.9
Vị trí cảm biến đo trên một mô đun trong mô hình nhà trồng cây
28
3.10
Vị trí cảm biến đo trên một mô đun trong mô hình định ôn
29
4.1
Mô hình nhà trồng cây thí nghiệm
31
4.2
Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát theo nhiệt độ môi trường
31
4.3
Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát phụ thuộc vào bức xạ mặt
trời và nhiệt độ không khí bên ngoài nhà trồng cây.
32
4.4
Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát phụ thuộc vào bức xạ và
ẩm độ tương đối không khí bên ngoài nhà trồng cây
33
4.5
Biểu đồ so sánh các giải pháp làm mát phụ thuộc vào nhiệt độ
và ẩm độ tương đối không khí bên ngoài nhà trồng cây.
33
4.6
Phòng định ôn thí nghiệm
35

4.7
Biểu đồ thể hiện nhiệt độ ở các môi trường
35
4.8
Sơ đồ bài toán thí nghiệm xác định các thông số của phòng định
ôn
36
4.9
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của nhiệt độ điều khiển (0C) vào
hai yếu tố tỷ lệ kích thước và tỷ lệ nhiệt độ giữa buồng trung gian
và phòng định ôn
37

Đồ thị bề mặt đáp ứng của độ ổn định nhiệt độ
37

Đồ thị bề mặt đáp ứng của chi phí năng lượng
38
4.12
Hệ thống nhà trồng cây – định ôn 400 m2
39
4.13. a
Hệ thống nhà trồng cây – định ôn 400 m2 (bên ngoài)
40
4.13.b
Hệ thống nhà trồng cây – định ôn 400 m2 (bên trong)
40
4.14
Cơ cấu điều khiển mái thông thoáng
47

4.15
Bộ phận chắn sáng thông qua đóng mở lưới cắt nắng
48
4.16
Sơ đồ hệ thống phun sương
48
4.17
Bộ phận làm mát Cooling pad được lắp trong nhà trồng cây tại
Bình Dương
49
4.18
Sơ đồ phòng định ôn
50

6
4.19.a
Phòng định ôn được lắp đặt trong nhà trồng cây được lắp tại
Bình Dương
50
4.19.b
Lúa giống được ươm tạo trong phòng định ôn
50
4.20
Sơ đồ khối bộ phận điều khiển
51
4.21
Sơ đồ kết nối phần cứng PLC S7-200

51
4.22

Cụm PLC trong tủ điều khiển
52
4.23
Tủ điều khiển hệ thống nhà trồng cây - định ôn
52
4.24.a
Màn hình điều khiển nhiệt độ nhà lưới
52
4.24.b
Màn hình giao diện điều khiển phòng định ôn
52
4.25
Biểu đồ so sánh nhiệt độ các giải pháp làm mát theo thời gian
53
4.26.a
Thử nghiệm trồng khổ qua giống trong nhà trồng cây
54
4.26.b
Thí nghiệm đối chứng trồng khổ qua giống bên ngoài nhà trồng
cây
54
4.27.a
Trái khổ qua giống trong nhà trồng cây
54
4.27.b
Trái khổ qua giống trồng đối chứng bên ngoài nhà trồng cây
54
4.28.a
Thử nghiệm trồng dưa leogiống trong nhà trồng cây
55

4.28.b
Thí nghiệm đối chứng trồng dưa leogiống bên ngoài nhà trồng
cây
55
4.29.a
Dưa leo giống trong nhà trồng cây
55
4.29.b
Dưa leo giống trồng đối chứng bên ngoài nhà trồng cây
55
4.30.a
Sự phân bố nhiệt độ trong phòng định ôn khi không có buồng
điều khiển trung gian
55
4.30.b
Sự phân bố nhiệt độ trong phòng định ôn khi có buồng điều khiển
trung gian
55
4.31
Nhiệt độ trong phòng định ôn khi không có phun sương
56
4.32
Ẩm độ không khí trong phòng định ôn khi không có phun sương
56
4.33
Nhiệt độ không khí trong phòng định ôn khi có phun sương
57
4.34
Ẩm độ không khí trong phòng định ôn khi không có phun sương
57

4.35.a
Lúa lai trong nhà trồng cây
58
4.35.b
Lúa lai trong phòng định ôn
58

7
4.36.a
Thí nghiệm đối chứng khổ qua ngoài nhà trồng cây
61
4.36.b
Thí nghiệm trồng khổ qua trong nhà trồng cây
61
4.37
so sánh hạt giống khổ qua sản xuất trong và ngoài nhà trồng cây
61
4.38.a
Dưa leo trồng đối chứng ngoài nhà trồng cây
64
4.38.b
Dưa leo trồng đối chứng trong nhà trồng cây
64
4.39
so sánh hạt giống dưa leo sản xuất trong và ngoài nhà trồng cây
65
4.40.a
Thí nghiệm sản xuất hạt G0 TGMS trong phòng định ôn
69
4.40.b

Cây lúa G1 sau khi xử lý lạnh
69
Pl1
Lắp ráp hệ thống nhà trồng cây - định ôn.
76
Pl2
Lắp đặt phòng định ôn tại công ty giống cây trồng miền nam
76
Pl3
Hệ thống nhà trồng cây - định ôn
77
Pl4
Hội đồng giám định nghiệm thu hệ thống
77
Pl5
Hai phòng định ôn trong hệ thống
78


8

THÔNG TIN CHUNG ĐỀ TÀI
Tên đề tài: Nghiên cứu thiết kế chế tạo và triển khai ứng dụng hệ thống định ôn tự
động phục vụ sản xuất hạt giống
Đồng chủ nhiệm đề tài:
- TS. Nguyễn Văn Hùng, Trường Đại học Nông Lâm Tp.HCM
- ThS. Dương Thành Tài, Công ty cổ phần giống cây trồng Miền nam
Cơ quan chủ trì:
Trường đại học Nông Lâm TP.HCM
Địa chỉ: Khu phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ Đức, Tp. Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện đề tài:
từ tháng 08 năm 2010 đến tháng 12 năm 2012
Kinh phí đƣợc duyệt:
Từ ngân sách sự nghiệp khoa học:
550.000.000 đồng (Năm trăm năm mươi triệu đồng)
Kinh phí đã cấp:
Số tiền: 495.000.000 đống (bốn trăm chín mươi lăm triệu đồng).
Kinh phí đã quyết toán:
Số tiền: 495.000.000 đống (bốn trăm chín mươi lăm triệu đồng).


9

CHƢƠNG 1 MỞ ĐẦU
Trong chủ trương hiện đại hoá, công nghiệp hóa của chính phủ, sau nhiều năm chú
trọng đầu tư phát triển nông nghiệp “công nghệ cao” đã mang lại nhiều thành tựu, lợi
ích đáng khích lệ nhưng thành công chủ yếu là từ một số mô hình sản xuất của công ty
nước ngoài như Hasfarm, còn trong nước thì vẫn còn nhiều vấn đề tồn tại cần phải
quan tâm.
Nguyên nhân những tồn tại trên không loại trừ những điều kiện tự nhiên không thuận
lợi cho sản xuất nông nghiệp nhưng những bất lợi này có thể khắc phục bởi chính sách
quản lý, công nghệ sản xuất phù hợp và hệ thống thiết bị tiên tiến.
Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống định ôn phục vụ sản xuất hạt giống và sản xuất
rau hoa cao cấp, và nghiên cứu điều kiện ngoại cảnh di thực của các loại cây trồng,
đáp ứng nhu cầu rất lớn của sản xuất nông nghiệp và phù hợp với chủ trương của Nhà
nước về canh tác nông nghiệp công nghệ cao.
Một số giống như dưa leo, khổ qua, đặc biệt là lúa lai cần phải được thuần giống trong
điều kiện tiểu khí hậu đặc biệt cần phải được điều khiển theo yêu cầu sinh thái. Việc
nghiên cứu chế tạo hệ thống nhà trồng cây - định ôn đảm bảo các điều kiện này để sản
xuất giống là cần thiết đáp ứng nhu cầu trong nước.

Với yêu cầu thực tế, đề tài đã được thực hiện phát triển hệ thống nhà trồng cây - định
ôn tự động phục vụ sản xuất giống.
Mục tiêu:
Đề tài sẽ được thực hiện với sự kết hợp nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị hệ thống
định ôn-nhà trồng cây và thử nghiệm sản xuất hạt giống trong hệ thống tạo ra. Mục
đích của đề tài bao gồm hai phần chính sau:
 Nghiên cứu thiết kế chế tạo và lắp đặt hệ thống liên kế định ôn – nhà trồng
cây với các yếu tố tiểu khí hậu như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng, và CO
2
được
điều khiển tự động đáp ứng nhu cầu sản xuất hạt giống.
 Thử nghiệm sản xuất hạt giống với thiết bị hệ thống tự tạo bao gồm sản
xuất hạt giống lúa TGMS, khổ qua lai và dưa leo lai. Các nghiên cứu thử
nghiệm sẽ được thực hiện theo qui trình được định sẳn nhằm đánh giá khả
năng đáp ứng điều khiển các yếu tố tiểu khí hậu của hệ thống và đánh giá
năng suất, giá thành hạt giống được sản xuất trong hệ thống tự tạo.


10


CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN
Ngày nay, khi đời sống kinh tế xã hội ngày càng tăng cao thì các yêu cầu về ứng dụng
khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt tự động hóa quá trình sản xuất đang là vấn đề
bức bách nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm lao động nặng nhọc, tiết kiệm
năng lượng, hạ giá thành sản phẩm, tăng cường sức cạnh tranh nội địa cũng như trên
thị trường thế giới.
Giám sát, đo lường, điều khiển tự động các yếu tố làm việc chính là không thể thiếu
trong các hệ thống sản xuất hiện nay, kể cả các hệ thống sản xuất nông nghiệp. Tuy
nhiên thực trạng ở Việt Nam hiện nay, tự động hoá chỉ được trang bị chủ yếu cho

công nghiệp, còn trong hầu hết các lĩnh vực sản xuất thuộc nông nghiệp vẫn chưa
được chú trọng. Vấn đề chính là đầu tư các thiết bị điều khiển tự động nhập khẩu quá
cao, không phù hợp với nông dân đồng thời chưa có chính sách hỗ trợ ứng dụng, phát
triển rộng rãi tự động hóa cho nông nghiệp.
Sản xuất giống cây trồng công nghệ cao đã trở nên phổ biến ở các nước phát triển.
Đặc biệt những quốc gia có quá ít đất đai dành cho sản xuất nông nghiệp hoặc điều
kiện sinh thái khắc nghiệt (như Israel chẳng hạn) thì nông nghiệp công nghệ cao đã trở
thành mũi nhọn. Vấn đề chính để có thể phát triển các mô hình này ở nước ta là hạ giá
thành đầu tư và cải tiến các đặc tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu canh tác ở Việt
Nam.
2.1. Cấu trúc hệ thống định ôn và nhà trồng cây
Khi thiết kế hệ thống định ôn, cần quan tâm đến các khía cạnh quan trọng như thông
gió tự nhiên, độ xuyên thấu ánh sáng, độ đồng đều của các điều kiện khí hậu trong
nhà, tải trọng, độ bền, tuổi thọ nhà trồng cây, dễ lắp đặt và bảo dưỡng, thích nghi với
dải rộng các loại cây trồng, kiểu thông gió, và hệ thống điều khiển khí hậu.
Thông thường, hệ thống định ôn hay nhà trồng cây cho khí hậu nóng nhiệt đới (hình
2.1.a) có cấu trúc thông thoáng cao, tạo luồng không khí đối lưu tự nhiên làm hạ nhiệt
độ và ẩm độ tương đối trong nhà. Nhà trồng cây cho vùng khí hậu ôn đới ấm (hình
2.1.b) có cấu trúc mái xuôi theo hướng gió, ngăn bớt một phần luồng khí lạnh nhưng
vẫn tạo điều kiện thông thoáng đối lưu tự nhiên. Nhà trồng cây cho vùng khí hậu lạnh
(hình 2.1.c) thường có cấu trúc che kín, giữ ấm và sưởi ấm cho cây trồng, có mái điều
khiển thông thoáng linh hoạt để hạ ẩm độ tương đối trong nhà.

11


(a) (b)

(c)

2.2. Yêu cầu các yếu tố tiểu khí hậu trong hệ thống định ôn và nhà trồng
cây
Hệ thống định ôn - nhà trồng cây có thể tạo môi trường tiểu khí hậu tối ưu cho cây
trồng qua việc khống chế các yếu tố chính như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng và CO
2

(Hình 2.2).





Hình 2. 1:
a. Cấu trúc thông thoáng nhà trồng cây cho
vùng nhiệt đới
b. Cấu trúc thông thoáng nhà trồng cây cho
vùng ôn đới
c. Cấu trúc thông thoáng nhà trồng cây cho
vùng khí hậu lạnh

Hình 2.2: Mô hình biểu diễn các
yếu tố tiểu khí hậu

12

*Nhiệt độ:

(a) (b)
Hình 2.3: a. Mô hình biểu diễn nhiệt do bức xạ mặt trời
b. Sơ đồ nguyên lý xác định nhiệt hấp thụ của cây trồng trong nhà trồng cây

Mỗi loại giống cây trồng đều yêu cầu một giới hạn nhiệt độ để sinh trưởng và phát
triển. Hiệu suất quang hợp của hầu hết các loại giống cây trồng đều dừng lại ở nhiệt
độ là 30
0
C. Một số loài rau thực hiện quang hợp có hiệu quả ở 12 - 24
0
C, trong khi
một số loại khác lại quang hợp tốt ở nhiệt độ từ 18 - 24
0
C. Ở nhiệt độ thích hợp đồng
thời được cung cấp đầy đủ nước và dinh dưỡng thì cây có thể phát triển nhanh nhất.
Nhiệt độ quá cao và quá thấp đều làm cho cây dừng sinh trưởng và có thể bị chết ở
nhiệt độ thấp (0
0
C) và nhiệt độ cao (40
0
C). Mỗi loài đều gặp phải ba ngưỡng nhiệt độ
gồm nhiệt độ thích hợp, nhiệt độ thấp nhất và nhiệt độ cao nhất.
Yêu cầu của cây đối với nhiệt độ luôn thay đổi theo yếu tố môi trường như ánh sáng,
độ ẩm, nồng độ CO
2
trong không khí, chất dinh dưỡng trong đất và các điều kiện
khác.
Nếu nhiệt độ quá cao ta phải hạ nhiệt độ xuống bằng cách phun ẩm (khi phun ẩm
nhiệt độ tại mặt lá của cây trồng có thể giảm nhiệt độ từ 6
0
C - 8
0
C. Yêu cầu của cây
rau với nhiệt độ luôn thay đổi tuỳ theo từng thời kỳ sinh trưởng và phát triển.

Theo Joe J. Hanan, 1998, nhiệt độ mà cây trồng hấp thụ được xác định bởi mô hình
như hình 2.3 và theo công thức sau :
R
dir
+ R
dif
– R
ref
± R
lw
± H
s
– H
w
– P + M ± S = 0 (W.m
-2
)

13
Trong đó: R
dir
: nhiệt bức xạ trực tiếp từ mặt trời, R
dif
: nhiệt bức xạ phân tán, R
lw
:
nhiệt bức xạ có bước dài, R
ref
: nhiệt bức xạ có bước ngắn, H
s

: nhiệt đối lưu giữa
cây trồng và không khí, H
w
: ẩn nhiệt thoát ra từ cây, P: năng lượng quang hợp, M :
năng lượng thải ra từ hô hấp, S: năng lượng tích tụ trên cây trồng.
* Ẩm độ:
Độ ẩm tương đối khơng khí và nhiệt độ là hai yếu tố phụ thuộc lẫn nhau mà phải có
phương pháp điều khiển thích hợp để đạt được u cầu. Độ ẩm khơng khí thấp sẽ làm
cho cây bị khơ do hiện tượng chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước của cây và
trong khơng khí. Ngược lại ẩm độ khơng khí q cao sẽ làm cho cây trồng dễ bị bệnh.
*Ánh sáng:
Ánh sáng là yếu tố quan trọng và cần thiết trong sản xuất giống cây trồng. Có đến 90 -
95% năng suất cây trồng do quang hợp mà có. Ánh sáng đầy đủ làm tăng bề dày của
mơ, tăng hàm lượng diệp lục trong lá, thúc đẩy q trình quang hợp. u cầu ánh sáng
của cây rất khác nhau. Có những cây cần ánh sáng mạnh, có những cây cần ánh sáng
yếu. Hầu hết các loại cây trồng phát triển tốt với cường độ ánh sáng từ 10.000lux -
20.000lux. Khi đó sẽ cho năng suất cao và chất lượng tốt. Trong ánh sáng tán xạ có
nhiều thành phần ánh sáng đỏ và lam tím. Chất diệp lục hấp thụ ánh sáng đỏ nhiều
nhất thứ đến là ánh sáng lam tím. Ánh sáng lam tím còn làm tăng hàm lượng vitamin
trong rau làm tăng chất lượng rau.
*Thơng thống:
Thơng thống làm lỗng khơng khí có chứa hơi nước và các chất gây độc hại do phân,
cây trồng thải vào khơng khí, đồng thời tạo ra sự trao đổi khơng khí bên trong và bên
ngồi hệ thống, giúp cây trồng hơ hấp, quang hợp và sinh trưởng trong điều kiện tối
ưu nhất.
2.3. Giải pháp làm mát trong hệ thống định ơn và nhà trồng cây

Hình 2.4 : Mơ hình làm mát

14

Các hệ thống định ôn và nhà lưới, nhà trồng cây thường được làm mát bằng các giải
pháp như chắn sáng bằng lưới cắt nắng phủ nhôm, phun sương, làm mát bằng hệ
thống tạo ẩm cooling pad, tăng thông thoáng, và làm lạnh (điều hòa) không khí (hình
2.4). Tùy theo điều kiện cụ thể mà một hay tất cả các phương án có thể được bao gồm
trong cấu trúc hệ thống.
* Màng phủ giảm sáng và lƣới cắt nắng aluminet (Hình 2.5)
Lưới chắn sáng Aluminet có khả năng làm giảm nhiệt do bức xạ ánh sáng gây ra.

Hình 2.5 : Lưới cắt nắng Aluminet
* Hệ thống làm mát Cooling pad (Hình 2.6)

Hình 2.6: Làm mát kiểu cooling pad
Nguyên lý làm mát kiểu cooling pad là làm tăng độ ẩm bên trong hệ thống nhờ luồng
không khí khô từ bên ngoài đi qua tấm đệm phun ẩm, do vậy làm giảm nhiệt độ. Tuy
nhiên, phương pháp này làm tăng ẩm nên dễ gây bệnh cho cây, do đó không phù hợp
cho vùng có ẩm độ tương đối không khí cao (RH > 80%).
*Làm mát bằng hệ thống điều hòa không khí (Hình 2.7)
Lưới cắt nắng
Aluminet

15

Hình 2.7: Sơ đồ cấu tạo hệ thống làm lạnh không khí
Môi chất lạnh được máy nén nén thành hơi ở áp suất cao và được bơm đến dàn nóng
thông qua van đảo chiều. Tại dàn nóng, hơi môi chất sẽ được giải nhiệt và ngưng tụ
thành môi chất lỏng. Môi chất lỏng tiếp tục đi qua van tiết lưu và vào dàn lạnh, thu
năng lượng từ không khí, bốc hơi và sau đó trở về van đảo chiều để máy nén bắt đầu
lại chu trình. không khí đi qua dàn lạnh sẽ bị hấp thu năng lượng nhiệt và bị làm lạnh.
Không khí này sẽ được trao đổi qua hệ thống định ôn để đạt nhiệt độ yêu cầu sản suất
giống cây trồng.

2.4. Giải pháp thông thoáng
Có hai phương pháp chính thông thoáng cho hệ thống định ôn và nhà trồng cây là
thông thoáng tự nhiên (natural ventilation) (hình 2.8.a) và thông thoáng cưỡng bức
(force ventilation) (hình 2.8.b).

(a) (b)
Hình 2.8: a. Thông thoáng tự nhiên
b. Thông thoáng cưỡng bức dùng quạt

16
Thông thoáng hợp lý không những giảm nhiệt độ, ẩm mà còn làm điều phân bố nhiệt
(hình 2.9).

Hình 2.9: Mô phỏng ảnh hưởng của thông thoáng đến phân bố nhiệt
Quạt được bố trí như hình 2.10 tạo đối lưu cưởng bức làm giảm nhiệt độ, ẩm độ bê
trong hệ thống.

Hình 2.10: Phân bố gió cưởng bức nhờ bố trí quạt trong nhà trồng cây
2.5. Sơ lƣợc về một số thiết bị định ôn ứng dụng trong nông nghiệp
Theo Carole (2009), “Phytotron Procedural Manual”, hệ thống điều khiển tự
động nhiệt độ, ẩm độ (Phytotron) được khái niệm gồm các buồng, phòng, nhà trồng
cây với các yếu tố tiểu khí hậu được điều khiển theo yêu cầu nghiên cứu của cây
trồng. Hệ thống này có thể điều khiển nhiệt độ trong dãi từ 18
0
C đến 40
0
C, ẩm độ
tương đối của không khí từ 30% đến 80% và hàm lượng CO
2
từ 300 ppm đến 2000

ppm.

17

Hình 2.11: Cấu trúc của một thiết bị tủ định ôn (phytotron)
Cấu trúc cơ bản của một thiết bị định ôn điều khiển nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng tự động
(hình 2.11) gồm các bộ phận: làm mát, phun ẩm, tạo ánh sáng, sưởi, cảm biến và bộ
phận điều khiển (hình 2.12)

Hình 2.12: Màn hình điều khiển của thiết bị định ôn
“Nguồn tham khảo: www.weiss-gallenkamp.com/fitotron SGC 120”

18

Hình 2.13: Phòng định ôn
Theo Carole H. Saravitz & et al, North Carolina State University North Carolina
Agricultural Research Service, Phytotron Procedural Manual, 2009, Hệ thống định ôn
(Phytotron) (hình 2.13) được khái niệm gồm các buồng, phòng với các yếu tố tiểu khí
hậu được điều khiển theo yêu cầu nghiên cứu cây trồng.
Hệ thống này có thể điều khiển nhiệt độ trong dãi từ 18 đến 40
0
C, ẩm độ tương đối
không khí từ 30 đến 80%, và CO
2
từ 300 ppm đến 2000 ppm.

Hình 2.14: Sơ đồ khối thiết bị điều khiển nhà trồng cây của Wang, YB
Một nghiên cứu của Wang, YB. và ctv. giới thiệu trong hội thảo quốc tế "Agricultural
mechanization issues of prioties in the new development stage" năm 2001 về nghiên
cứu ứng dụng thiết bị đo lường, điều khiển nhiệt độ, ẩm độ trong nhà trồng cây. Tác

giả đã khẳng định hiệu quả của hệ thống tăng đáng kể. Nội dung chính của nghiên cứu
này là thiết bị đo lường, điều khiển nhiệt độ, ẩm độ trong nhà trồng cây với sơ đồ
nguyên lý của bộ phận điều khiển như hình 2.14.

19
Với thiết bị đo lường điều khiển này cho hệ thống nhà trồng cây, tác giả đã khẳng
định hiệu quả của hệ thống tăng đáng kể. Cụ thể như độ ổn định nhiệt độ tăng 17,6%,
giảm chi phí năng lượng, giảm ô nhiễm nhờ tối ưu hoá tuần hoàn không khí, chất
lượng cây trồng trong nhà trồng cây tăng đáng kể.
Một nghiên cứu của Wei Fang, Yu-Wei Chen, Ching-Yuan Lin, Dept. Of Bio-
Industrial Mechatronics Engineering, National Taiwan University, 2007, với giao diện
chương trình điều khiển hệ thống định ôn như hình 2.15.

Hình 2.15. Giao diện chương trình điều khiển hệ thống định ôn
cho cây trồng của Ching-Yuan Lin
2.6. Một số nghiên cứu về nhà trồng cây trong nƣớc

Hình 2.16. Sơ đồ các kiểu nhà màng thô sơ phổ biến tại Lâm Đồng


20
Các dạng mô hình nhà lưới, nhà màng tại Lâm Đồng: Nhà lưới, nhà màng chế tạo
trong nước được phổ biến chủ yếu ở Lâm Đồng, kết cấu phổ biến được thể hiện như
các hình 2.16.
Kiểu nhà lưới tại Củ Chi, TP.HCM: Hiện nay, tại Củ Chi, đa số các mô hình nhà lưới
đơn giản đã được chế tạo tự phát bởi bản thân người sử dụng. Trong thời gian gần
đây, một mô hình nhà lưới được nghiên cứu bởi Chi cục bảo vệ thực vật Thành Phố
HCM đang được thử nghiệm tại Củ Chi. Kết cấu kiểu nhà lưới này được thể hiện trên
hình 2.17.

Hình 2.17. Kết cấu nhà lưới, nhà màng tại Củ Chi
Một hệ thống nhà trồng cây ứng dụng điều khiển tự động đã được phân viện điện tử,
tự động hóa lắp đặt tại khu nông nghiệp công nghệ cao (hình 2.18).

Hình 2.18. Kiểu nhà trồng cây ứng dụng điều khiển tự động
tại Khu Nông nghiệp Công nghệ cao Tp.HCM
Hệ thống này tuy ứng dụng điều khiển tự động nhưng với phương pháp dùng cooling
pad (màng nước) và quạt hút trực tiếp sẽ làm tăng ẩm, gây hại cho cây trồng và các
yếu tố tiểu khí hậu còn phụ thuộc nhiều vào thời tiết.
Một hệ thống nhà màng 288 m
2
được ứng dụng điều khiển tự động nhiệt độ được
chính nhóm tác giả thiết kế, lắp đặt tại Quảng Ngãi như hình 2.19.

21

(a) (b)
Hình 2.19. Hệ thống nhà trồng cây 244 m
2
được lắp đặt tại Quảng Ngãi
Hệ thống này cũng ứng dụng điều khiển tự động nhưng với giá thành thấp nên các yếu
tố tiểu khí hậu còn phụ thuộc nhiều vào thời tiết.
2.7. Nhận xét về các kiểu nhà trồng cây hiện có
a. Nhà lưới, nhà màng nhập ngoại
Ưu điểm:
- Mức độ tự động hóa cao, có thể thích hợp cho nhiều loại cây trồng khác nhau.
- Vật liệu chế tạo tốt, độ bền và độ tin cậy cao
Nhược điểm:
- Giá thành thiết bị cao.
- Các thiết bị điều khiển được thiết kế phức tạp, khó bảo trì, sửa chữa. Chi phí

sửa chữa rất cao do phải mời chuyên gia nước ngoài.
- Tính phù hợp với điều kiện địa phương thấp.
b. Nhà lưới, nhà màng do nông dân tự làm
Ưu điểm:
- Đơn giản, rẻ tiền.
- Vật liệu chế tạo có thể được tận dụng từ nguồn nguyên liệu tại chỗ như gỗ, tre
nứa, nên giá thành thấp, khả năng thu hồi vốn nhanh.
Nhược điểm:
- Không khống chế được tiểu khí hậu nên chỉ sử dụng được ở các vùng có khí
hậu thuận lợi, nhiệt độ thấp, ít gió như Đà Lạt.
- Kết cấu thiếu bền, chịu lực kém, không chịu được mưa, gió lớn
c. các hệ thống nhà màng có ứng dụng điều khiển tự động

22
Như đã phân tích, các mô hình hệ thống nhà trồng cây nhà màng có ứng dụng điều
khiển tự động đã được lắp đặt, thử nghiệm nhưng ở mức “trung bình”, phương pháp
làm mát chưa tối ưu, các yếu tố tiểu khí hậu bên trong còn phụ thuộc nhiều vào thời
tiết.

23

CHƢƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP
3.1. Nội dung nghiên cứu
1/ Thiết kế chế tạo hệ thống liên kế định ôn – nhà trồng cây với các yếu tố tiểu
khí hậu như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng được điều khiển tự động đáp ứng nhu
cầu sản xuất hạt giống:
 Nghiên cứu các giải pháp làm mát trong hệ thống định ôn gồm thông
thoáng, cooling pad, phun sương, và buồng điều hòa trung gian trong hệ
thống định ôn sao cho có thể điều khiển đồng thời nhiệt độ và ẩm độ
tương đối của không khí đáp ứng yêu cầu sản xuất giống.

 Thiết kế, chế tạo lắp đặt hệ thống liên kế định ôn – nhà trồng cây 400 m
2

gồm 40 m
2
(được chia thành 2 ngăn độc lập, 20m
2
/ngăn) và 360 m
2
nhà
trồng cây. Tất cả các yếu tố sinh thái như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng và
nồng độ CO
2
được điều khiển tự động.
2/ Thử nghiệm sản xuất hạt giống với thiết bị hệ thống tự tạo bao gồm các
chuyên đề:
 Thử nghiệm sản xuất hạt giống lúa TGMS trong phòng định ôn theo qui
trình định sẳn với chỉ tiêu đánh giá là bất dục và hữu dục.
 Thử nghiệm sản xuất giống khổ qua lai và dưa leo lai theo qui trình định
sẳn với chỉ tiêu đánh giá là năng suất và giá thành sản phẩm hạt giống.
3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.2.1. Phƣơng pháp thiết kế kết cấu các bộ phận chính trong hệ thống
định ôn – nhà trồng cây
Kết cấu hệ thống được thiết kế với phòng định ôn nằm trong nhà trồng cây dựa trên
yêu cầu thực tế sản xuất giống và một số nguyên lý về hệ thống định ôn (Phytotron)
được mô tả điển hình bởi Carole (2009), Hannan (1998) và cơ sở một số nghiên cứu
về nhà lưới, nhà trồng cây tự động của nhóm tác giả trước đây (Hùng và ctv, 2005,
2006, 2009). Cơ sở tính toán điều hòa không khí trong hệ thống được tính trên cơ sở
cần giải lượng nhiệt do nhiều yếu tố gây nên chủ yếu do bức xạ mặt trời và cây trồng
gây ra. Tuy nhiên, trong thiết kế, nhiệt lượng lớn nhất cần phải tính toán là nhiệt

truyền qua mái và kết cấu bao che do bức xạ mặt trời. Lượng nhiệt phải khử đi trong
nhà trồng cây được xác định theo Bùi Hải, 2004, được tính toán cụ thể trong phần 4.

24
Cụm thiết bị giám sát và điều khiển hệ thống được thiết kế dựa trên cơ sở được mô tả
bởi Berenguel, et.al (2007) và Wang Yongbin & et al. (2005), với trung tâm điều
khiển là PLC S7-200, màn hình cảm ứng HMI, và máy tính. Sơ đồ khối hệ thống điều
khiển được thể hiện như hình 3.1.

Hình 3.1: Sơ đồ khối cụm thiết bị điều khiển tự động
Giải thuật điều khiển nhiệt độ và ẩm độ tƣơng đối không khí
Nhiệt độ trong hệ thống định ôn được điều khiển giảm theo thứ tự ưu tiên chờ hoạt
động của các hệ thống như mở cửa thông thoáng, quạt, phun sương làm mát, và làm
lạnh. Ngược lại nhiệt độ được điều khiển tăng theo thứ tự ưu tiên chờ hoạt động tắt hệ
thống phun sương, tắt quạt, và đóng cửa thông thoáng.
Thứ tự ưu tiên thực hiện các hoạt động dựa trên nguyên tắc tiết kiệm năng lượng. Do
tính phụ thuộc lẫn nhau với nhiệt độ nên ẩm độ trong hệ thống định ôn cũng được điều
khiển tự động thông qua hệ thống phun sương và thông thoáng. Giải thuật điều khiển
nhiệt độ và ẩm độ được thể hiện như hình 3.2.
Hệ thống lạnh được thiết kế với một buồng lạnh trung gian như đã nêu, bên trong
chứa hai cấp máy lạnh. Một cấp với công suất lớn hơn được tính toán hoạt động
thường xuyên đảm bảo hạ nhiệt độ đến gần giới hạn yêu cầu. Một máy lạnh với công
suất nhỏ sẽ được điều khiển để duy trì nhiệt độ mong muốn. Nhiệt độ trong phòng
định ôn được điều khiển thông qua trao đổi không khí với buồng trung gian.
Ánh sáng trong hệ thống định ôn được điều khiển tự động nhờ điều khiển lưới cắt
nắng và hệ thống đèn chiếu sáng. Giải thuật điều khiển ánh sáng được thể hiện như
hình 3.3.