Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển giám sát nhà trồng thông minh sử dụng vi điều khiển PIC 18F4520

Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

LỜI CẢM ƠN
Nhóm sinh viên thực hiện đề tài xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo khoa
Điện trường ĐH Công Nghiệp Hà Nội, đã tận tình truyền đạt cho chúng em
những kiến thức, những thành tựu khoa học của xã hội và của ngành tự động
hóa công nghiệp để chúng em có thể thực hiện đề tài này.
Đặc biệt, chúng em xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cô giáo
TỐNG THỊ LÝ- người đã hướng dẫn và tận tình giúp đỡ chúng em trong suốt
thời gian chúng em thực hiện đề tài.
Chúng em cảm ơn những ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các
bạn cho việc thực hiện đề tài này. Để hoàn thành đề tài nhóm thực hiện đã nỗ
lực nghiên cứu, thiết kế và chế tạo, nhưng do thời gian và kiến thức còn hạn
chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong nhận được
những lời góp ý chân thành từ thầy cô và các bạn để có thêm những hiểu biết
và hoàn thiện hơn trong quá trình làm việc sau này.
Hà Nội, Ngày tháng năm 2017
Nhóm sinh viên thực hiện

1


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. 1
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................... 4

DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ 6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP .................................... 8
NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO .......................................................... 8
1.1 Nông nghiệp công nghệ cao là gì? .......................................................... 8
1.2 Thực trạng nông nghiệp nước ta hiện nay. [1] ........................................ 8
1.3 Tính cấp thiết của việc xây dựng các hệ thống nông nghiệp công nghệ
cao................................................................................................................ 13
1.4 Tình hình áp dụng công nghệ cao vào nông nghiệp của các nước trên thế
giới hiện nay. ............................................................................................... 13
1.4.1 Nông nghiệp công nghệ cao tại Israel ............................................ 13
1.4.2 Nền nông nghiệp công nghệ cao tại Nhật Bản. .............................. 16
1.5 Kết luận ................................................................................................. 19
CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ .............................................................................. 21
2.1 Xây dựng sơ đồ khối ............................................................................. 21
2.2 Tính chọn thiết bị. ................................................................................. 22
2.2.1 PIC 18F4520................................................................................... 22
2.2.2 Module DHT11 đo nhiệt độ và độ ẩm............................................ 43
2.2.3 Module cảm biến cường độ ánh sáng TSL 2561 ........................... 44
2.2.4 Cảm biến pH E-201-C .................................................................... 45
2.2.5 LCD 16x2 hiển thị các thông số môi trường ............................... 46
2.2.6 Module SIMA6............................................................................... 48
2.2.7 Module wifi ESP 8266 ................................................................... 54
2.2.8 Module TTL to RS485 ................................................................... 70
2.3 Các giao thức và mô hình kết nối.......................................................... 71
2.3.1 Giao thức RS485 ............................................................................ 71
2.3.2 Giao thức wireless .......................................................................... 76
2


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

2.4 Vẽ mạch nguyên lý ................................................................................ 85
2.5 Lưu đồ thuật toán và nguyên lý. .......................................................... 87
CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ .................... 110
3.1 Mô hình thực nghiệm ........................................................................ 110
3.2 Kết quả thực nghiệm.......................................................................... 143
3.3 Kết luận ............................................................................................... 143

3


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hinh1.1

Canh tác nông nghiệp vẫn còn sử dụng nhiều sức lao động ......... 9

Hinh1.2

Trồng rau sạch trong nhà kính tại Israel ...................................... 14

Hinh1.3

Nuôi thuỷ sản ứng dụng công nghệ cao tại Israel........................ 16

Hinh1.4

Ngành nông nghiệp của Nhật Bản rất phát triển ......................... 17

Hinh1.5

Trồng rau trong nhà kính tại Nhật Bản ........................................ 17

Hinh1.6

Trồng lúa tại Nhật Bản................................................................. 18

hinh 2.1

Sơ đồ khối của mạch .................................................................... 21

hinh 2.2

Sơ đồ chân của PIC 18F4520 ...................................................... 22

hinh 2.3

bộ nhớ chương trình .................................................................... 24

hinh 2.4

Bộ nhớ dữ liệu ............................................................................. 25

hinh 2.5

Sơ đồ khối timer 0........................................................................ 31

hinh 2.6

Sơ đồ khối timer 1........................................................................ 33

hinh 2.7

Sơ đồ khối timer 2........................................................................ 34

hinh 2.8

Sơ đồ khối A/D ............................................................................ 37

hinh 2.9

Sơ đồ ADFM................................................................................ 37

hinh 2.10

Nguyên lý của một bộ so sánh đơn giản ...................................... 38

hinh 2.11

Sơ đồ khối CCP (Capture mode) ................................................. 41

hinh 2.12

Sơ đồ khối CCP (Compare mode) ............................................... 42

hinh 2.13

Sơ đồ khối CCP (PWM mode) .................................................... 42

hinh 2.14

Module DHT11 ............................................................................ 43

hinh 2.15

Module cảm biến cường độ ánh sáng TSL 2561 ......................... 44

hinh 2.16

Sơ đồ nguyên lý của TSL 2561 ................................................... 44

hinh 2.17

Cảm biến đo nồng độ pH E-201-C .............................................. 46

hinh 2.18

LCD HD44780 ............................................................................. 46

hinh 2.19

Module SIM A6 ........................................................................... 48

hinh 2.20

Module wifi ESP 8266................................................................. 55

hinh 2.21

Sơ đồ chân ESP 8266................................................................... 55

hinh 2.22

Module TTL to RS485................................................................. 70
4


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

hinh 2.23

Kiểu truyền cân bằng 2 dây ......................................................... 72

hinh 2.24

Tín hiệu trên 2 dây của hệ thống cân bằng .................................. 73

hinh 2.25

Cặp dây xoắn trong RS485. ......................................................... 73

hinh 2.26

Cách xác định áp kiểu chung ....................................................... 74

hinh 2.27

Cách đặt điện trở đầu cuối RT trong RS485................................ 75

hinh 2.28

Tín hiệu RS485 thu được tương ứng với 2 giá trị điện trở RT. .. 75

hinh 2.29

Phân cực cho đường truyền RS485. ............................................ 76

hinh 2.30

Phạm vi của WLAN trong mô hình OSI ..................................... 77

hinh 2.31

Logo Wi-fi ................................................................................... 79

hinh 2.32

Mạch nguyên lý nguồn nuôi vi điều khiển .................................. 85

hinh 2.33

Khối vi xử lý ................................................................................ 86

hinh 2.34

Nút bấm chọn chế độ ................................................................... 86

hinh 2.35

Sơ đồ nguyên lý module sim A6 ................................................. 87

hinh 2.36

Sơ đồ nguyên lý toàn mạch.......................................................... 87

hình 3.1

Sơ đồ đấu dây cảm biến nhiệt độ và độ ẩm ............................... 110

hình 3.2

Sơ đồ đấu dây Module sim A6 .................................................. 110

hình 3.3

Sơ đồ đấu dây cảm biến cường độ ánh sáng.............................. 111

hình 3.4

Sơ đồ đấu dây Module wifi........................................................ 111

hình 3.5

Sơ đồ đấu dây LCD.................................................................... 112

hình 3.6

Sơ đồ nối dây module relay ....................................................... 112

hình 3.7

Mô hình thực nghiệm tổng quan ................................................ 113

hình 3.8

Giao diện điều khiển qua androi ................................................ 142

hình 3.9

Giao diện giám sát và điều khiển qua máy tính......................... 142

5


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

DANH MỤC BẢNG
bảng 2.1

Bảng tác động của CC1 với CC2 ................................................. 40

bảng 2.2

Chức năng các chân ..................................................................... 47

bảng 2.3

Các chân của module SIMA6 ...................................................... 49

bảng 2.4

Lệnh AT kiểm soát cuộc gọi........................................................ 50

bảng 2.5

Các lệnh AT chung của module wifi ........................................... 57

bảng 2.6

Các lệnh AT đối với Module Wifi cầu hình là Station / client.... 57

bảng 2.7

Các lệnh AT cấu hình Module Wifi ............................................ 58

bảng 2.8

Các lệnh đối với IP serv ............................................................... 58

bảng 2.9

Các lệnh AT đối với Module Wifi cầu hình là Station / client.... 59

bảng 2.10

Các lệnh AT với Module Wifi cấu hình là Access Point ........ 59

bảng 2.11

Các lệnh đối với IP server ........................................................ 60

bảng 2.12

Các lệnh AT đối với IP Client ................................................. 61

bảng 2.13

Các lệnh đối với IP server ........................................................ 61

bảng 2.14

Một số chế độ hoạt động của Module ESP-07 ........................ 62

bảng 2.15

Chế độ Station - Module ESP-07 là Client .............................. 63

bảng 2.16

Bảng tóm tắt thông số của RS485............................................ 72

bảng 2.17

Bảng 1Một số thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.11b ..... 78

bảng 2.18

Một số thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.11a ................. 78

bảng 2.19

Một số thông số kỹ thuật của chuẩn IEEE 802.11g................. 79

bảng 2.20

Tốc độ truyền tải so với các chuẩn khác .................................. 80

bảng 2.21

So sánh các chuẩn IEEE 802.11x ............................................ 83

bảng 2.22

Bảng địa chỉ các cảm biến và thiết bị chấp hành ..................... 88

bảng 2.23

Thuật toán gửi giá trị cảnh báo xuống master ......................... 90

bảng 2.24

Gía trị tương ứng của từng thiết bị lúc bật............................... 91

bảng 2.25

Bảng các ký hiệu dùng trong sơ đồ thuật toán:........................ 91

bảng 2.26

Bảng dữ liệu nhận đươc lưu trong mảng BufferRX : .............. 92

bảng 2.27

Lưu đồ thuật toán nhận giá trị đo của cảm biến ...................... 93

bảng 2.28

Bảng các ký hiệu dùng trong thuật toán: ................................. 94
6


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

bảng 2.29

Thuật toán nhận giá trị đo của cảm biến từ Slave.................... 96

bảng 2.30

Thuật toán lấy các giá trị đo được của cảm biến ..................... 97

bảng 2.31

Thuật toán gửi dữ liệu nhận được từ Slave lên máy tính PC... 98

bảng 2.32

Bảng các ký hiệu dùng trong thuật toán: ................................. 99

bảng 2.33

các giá trị được lưu trong các thành phần của mảng ............. 100

bảng 2.34

Thuật toán nhận dữ liệu từ máy tính PC ................................ 101

bảng 2.35

Bảng các ký hiệu dùng trong thuật toán: ............................... 106

7


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP

NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO
1.1 Nông nghiệp công nghệ cao là gì?
`

Công nghệ mới vào sản xuất, các công nghệ đó bao gồm tự động hóa, cơ giới
hóa các khâu của sản xuất nông nghiệp, CNTT, công nghệ vật liệu mới, công nghệ
sinh học, các giống vật nuôi, cây trồng mới có năng suất và chất lượng cao, phát
triển bền vững trên cơ sở canh tác hữu cơ (theo vụ Khoa Học Công Nghệ- Bộ
Nông Nghiệp và PTNT).
Khái niệm nông nghiệp công nghệ cao được sử dụng rộng rãi là nền nông
nghiệp được ứng dụng các công nghệ trên nhằm nâng cao hiệu quả, năng suất , tạo
ra các sản phẩm nông sản có chất lượng thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của thị
trường, đảm bảo phát triển nông nghiệp bền vững.

1.2 Thực trạng nông nghiệp nước ta hiện nay. [1]
Kinh tế Việt Nam gồm công nghiệp, nông nghiệp, thương mại, dịch vụ
nhưng nông nghiệp là ngành có sức lan tỏa lớn nhất, có tính kết nối rất cao với
nhiều ngành kinh tế. Nông nghiệp cung cấp đầu vào cho công nghiệp chế biến
thực phẩm, chế biến xuất khẩu; đồng thời, sử dụng sản phẩm của các ngành công
nghiệp và dịch vụ, như: nhiên liệu, phân bón, hóa chất, máy móc cơ khí, năng
lượng, tín dụng, bảo hiểm...Ngoài ra, nông nghiệp còn liên quan mật thiết đến sức
mua của dân cư và sự phát triển thị trường trong nước. Với 50% lực lượng lao
động cả nước đang làm việc trong lĩnh vực nông nghiệp và 70% dân số sống ở
nông thôn, mức thu nhập trong nông nghiệp sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến sức cầu
của thị trường nội địa và tiềm năng đầu tư dài hạn. Nông nghiệp Việt Nam đã đóng
vai trò đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo an ninh lương thực, tạo việc làm và
thu nhập cho trước hết là khoảng 70% dân cư, là nhân tố quyết định xóa đói giảm
nghèo, góp phần phát triển kinh tế đất nước và ổn định chính trị - xã hội của đất
nước.

8


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

Hinh1.1 Canh tác nông nghiệp vẫn còn sử dụng nhiều sức lao động

Gần đây, tình hình kinh tế có khó khăn do bị tác động của khủng hoảng và suy
thoái kinh tế thế giới, Nông nghiệp Việt Nam ngày càng thể hiện rõ vai trò là trụ
đỡ của nền kinh tế, tiếp tục ổn định và có mức tăng trưởng. Năm 2011 xuất khẩu
nông - lâm - thủy sản đạt gần 25 tỷ USD, tăng trưởng 29% so với năm 2010. Thặng
dư thương mại toàn ngành năm 2011 đạt trên 9,2 tỷ USD, góp phần giảm nhập
siêu cả nước; nông nghiệp đóng góp khoảng 20% GDP và chiếm 30% giá trị kim
ngạch xuất khẩu quốc gia. Năm 2012, nông nghiệp vẫn giữ đà tăng trưởng của
năm 2011 với giá trị sản xuất nông, lâm nghiệp và thủy sản cả nước tăng 3,4%.
Trong đó, nông nghiệp tăng 2,8%, lâm nghiệp 6,4%, thủy sản 4,5%. Tốc độ tăng
trưởng toàn ngành (GDP) đạt 2,7%.
Năm 2013, giá trị sản xuất nông lâm nghiệp và thủy sản cả nước tăng 3,2%.
Trong đó, nông nghiệp tăng 2,3%, lâm nghiệp 6%, thủy sản 4,5%. Tốc độ tăng
trưởng toàn ngành (GDP) đạt 2,6%. Như vậy, có thể thấy tốc độ tăng trưởng của
ngành nông nghiệp rất đáng quan ngại, giảm dần, năm sau thấp hơn năm trước.
Phân tích nguyên nhân tình trạng trên có thể thấy những bất cập cần được nghiên
cứu khắc phục như sau:

+ Tăng trưởng nông nghiệp thời gian qua của nước ta chủ yếu theo chiều
rộng thông qua tăng diện tích, tăng vụ và dựa trên mức độ thâm dụng các yếu tố
vật chất đầu vào cho sản xuất (lao động, vốn, vật tư) và đất đai. Sản xuất nông
nghiệp đã và đang gây tác động tiêu cực đến môi trường như: mất đa dạng sinh

học, suy thoái tài nguyên thiên nhiên, ô nhiễm nguồn nước, đất đai bị bạc màu,

9


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

chi phí sản xuất tăng… đe dọa tính bền vững của tăng trưởng của ngành Nông
nghiệp.
+ Trong tương lai, nguồn lực cho tăng trưởng nông nghiệp sẽ không còn
được dồi dào, nông nghiệp sẽ phải cạnh tranh với các ngành công nghiệp và dịch
vụ khác. Chí phí sản xuất ngày càng cao cũng bắt đầu làm giảm khả năng cạnh
tranh của các sản phẩm của nông nghiệp Việt Nam với vị thế là nước sản xuất có
chi phí thấp so với các nước và vùng lãnh thổ trên thế giới.
+ Một trong những nguyên nhân của tình trạng này là do đầu tư cho nông
nghiệp ngày càng giảm dần, không tương xứng với sự đóng góp của nông nghiệp
cho nền kinh tế. Nếu như năm 2000, tỷ trọng đầu tư vào ngành Nông nghiệp chiếm
13,85% tổng đầu tư của xã hội, thì tới năm 2005 chỉ còn 7,5%; năm 2008: 6,45%;
năm 2009: 6,26%; năm 2010: 6,2%. Đầu tư từ ngân sách nhà nước và trái phiếu
Chính phủ cho nông nghiệp cũng giảm, từ 21,5% năm 2006 xuống 21,3% năm
2010 trong tổng số.
+ Đặc biệt, việc thống kê về đầu tư cho nông nghiệp, nông thôn rất khó bóc
tách do có rất nhiều khoản chi cho công nghiệp, kết cấu hạ tầng quốc gia nằm trên
địa bàn nông thôn. Trong khi đó, kinh doanh trong lĩnh vực nông nghiệp luôn chịu
độ rủi ro rất cao (Tuy chính sách bảo hiểm nông nghiệp đã được ban hành nhưng
mới chỉ thực hiện thí điểm ở 20 tỉnh, thành phố) khiến các doanh nghiệp dè dặt
khi đầu tư vào lĩnh vực nông nghiệp. Đầu tư trực tiếp của nước ngoài đã giảm
đáng kể, từ 8% năm 2001 xuống còn chỉ 1% năm 2010. Đầu tư của tư nhân trong

nước chỉ chiếm từ 13-15% tổng số vốn đầu tư vào lĩnh vực nông nghiệp.
+ Nguyên nhân tiếp theo là thành tựu khoa học công nghệ, đặc biệt là các
tiến bộ kỹ thuật trong sản xuất, chế biến nông sản được đưa vào ứng dụng sản xuất
chưa nhiều nên năng suất, chất lượng hiệu quả trồng trọt, chăn nuôi, nuôi trồng,
khai thác hải sản còn thấp.
+ Tình trạng sản xuất nông nghiệp manh mún, ruộng đất bị xé lẻ, phần lớn
nông hộ có diện tích đất nhỏ, rải rác làm tăng rủi ro, ngăn cản quá trình áp dụng
công nghệ tiên tiến, khó bảo quản hàng hóa, tăng chi phí sản xuất, gây phức tạp
cho quản lý chất lượng, an toàn thực phẩm, kiểm soát dịch bệnh.
10


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

+ Một nguyên nhân khác là công nghiệp chế biến nông sản vẫn còn kém
phát triển. Việt Nam chủ yếu xuất khẩu nguyên liệu thô, trong khi hàng hóa thành
phẩm được sản xuất ở nước khác và sau đó lại được nhập khẩu trở lại Việt Nam.
Điều này phản ánh nông dân, doanh nghiệp Việt Nam đang tự làm thất thoát giá
trị hàng nông sản trên thị trường quốc tế. Cho tới nay, chỉ có rất ít thương hiệu và
chỉ dẫn địa lý nổi tiếng gắn với nông sản Việt Nam.
+ Bên cạnh đó, năng lực các doanh nghiệp sản xuất, chế biến, xuất khẩu
nông sản còn hạn chế, đặc biệt là năng lực quản lý, nghiên cứu, dự báo thị trường,
năng lực cạnh tranh trên thị trường quốc tế yếu; công tác xúc tiến thương mại, xúc
tiến xuất khẩu chưa được quan tâm đầu tư đúng mức nên chưa tạo điều kiện đẩy
mạnh xuất khẩu.
+ Quan hệ sản xuất trong nông nghiệp chậm được đổi mới, cơ chế hợp tác
liên kết sản xuất chế biến sản phẩm còn nhiều bất cập làm cản trở phát triển hợp
tác nông-công do tính rủi ro khi ký kết hợp đồng bao tiêu nông sản với nhiều nông

hộ nhỏ, lẻ, phân tán.
+ Xây dựng nông thôn mới là chương trình lớn nhất từ trước đến nay trong
ngành Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Nhiều kế hoạch, cơ chế chính sách
đã được ban hành, nhưng nhiều nơi vẫn mới dừng lại ở quy hoạch, đề án; Việc
huy động các nguồn lực của toàn xã hội xây dựng nông thôn mới còn hạn chế.

- Để khắc phục tồn tại, bất cập, phục hồi đà tăng trưởng của ngành nông
nghiệp, toàn ngành cần được nghiên cứu, tập trung giải quyết một số vấn
đề sau:
Thứ nhất, công nghệ cao là hướng đi duy nhất để nâng cao giá trị gia tăng
của nông sản hàng hóa, khi mà các động lực khác cho phát triển như đất đai, lao
động đều bị giới hạn. Giải pháp là đẩy mạnh nghiên cứu khoa học công nghệ trong
nông nghiệp; tích cực chuyển giao công nghệ, đào tạo và dạy nghề cho nông dân
nhằm phát huy tài nguyên con người và áp dụng khoa học - công nghệ có hiệu
quả.
Thứ hai, có chính sách bảo hộ hợp lý đối vối nông sản trên cơ sở tuân thủ
các quy định của WTO. Chính sách hỗ trợ trong nông nghiệp gồm 2 loại: hỗ trợ
11


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

trong nước và trợ cấp xuất khẩu. Nhà nước có cơ chế hỗ trợ xây dựng quan hệ sản
xuất mới trong nông nghiệp, có chính sách các hợp tác xã, hội nông dân để giúp
các tổ chức này hoạt động tốt trong vai trò cung ứng vật tư nông nghiệp thiết yếu,
đào tạo, dạy nghề, cung cấp thông tin, hỗ trợ kinh phí, điều kiện sinh hoạt, buôn
bán xuất khẩu nông sản, bảo vệ lợi ích của người nông dân.
Thứ ba, thực hiện có hiệu quả chính sách dồn điền đổi thửa. Nghiên cứu

cho thấy, diện tích ruộng đất bình quân ở Việt Nam chỉ có 0,6 ha/hộ vào loại thấp
nhất thế giới. Tình trạng này dẫn đến sản xuất phân tán manh mún, năng suất
không cao, không hiệu quả. Chính sách dồn điền đổi thửa cho phép xử lý vấn đề
đất đai manh mún, song cần có những tác động hỗ trợ cần thiết của Nhà nước để
tạo điều kiện tích tụ ruộng đất gắn với phân công lại lao động nông thôn.
Thứ tư, Nhà nước rà soát chính sách để nâng cao chất lượng tín dụng nông
nghiệp, tạo điều kiện thuận lợi hơn nữa để nông dân, các doanh nghiệp nông
nghiệp tiếp cận được các nguồn vốn. Trong đó có vốn tín dụng mua vật tư đầu tư
đầu vào cho sản xuất và mua sắm trang thiết bị, đổi mới công nghệ sản xuất nhằm
nâng cao năng suất, chất lượng, hiệu quả.
Thứ năm, xây dựng các đô thị ngay bên trong nông thôn để tạo điều kiện
cho người nông dân tăng được thu nhập và có động lực ở lại sản xuất nông nghiệp.
Để làm được điều đó, Nhà nước có chính sách đầu tư xây dựng kết cấu hạ tầng,
đào tạo dạy nghề tốt ở nông thôn, xây dựng nhà máy ở nông thôn và thu hút lao
động tại chỗ, thực hiện ly nông bất ly hương. Nếu tìm được những ngành nghề có
ưu thế để phát triển (phát triển các doanh nghiệp công nghiệp chế biến, các ngành
công nghiệp sản xuất vật tư, thiết bị cho nông nghiệp và hàng tiêu dùng cho nông
thôn...) sẽ hình thành được nhiều đô thị ở nông thôn. Việc này vừa giúp tăng thu
nhập cho cư dân nông thôn, vừa giúp giảm áp lực dân sinh sống trên địa bàn nông
thôn di cư tự phát vào thành thị, giảm áp lực cho các đô thị.
Nếu làm tốt các vấn đề nêu trên, chúng ta tin chắc chắn rằng nông nghiệp Việt
Nam duy trì được tốc độ tăng trưởng, tiếp tục làm tốt vai trò là trụ đỡ cho nền kinh
tế, đóng góp vào tăng trưởng kinh tế chung của đất nước.

12


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

1.3 Tính cấp thiết của việc xây dựng các hệ thống nông nghiệp công nghệ
cao.
Theo đánh giá của ngành chuyên môn, hạn chế cơ bản của sản xuất nông
nghiệp nước ta hiện nay là manh mún, chưa tạo ra chuỗi giá trị hàng hóa. Từ điểm
yếu cơ bản này, nông nghiệp muốn phát triển bền vững thì phải đầu tư chiều sâu,
đẩy mạnh ứng dụng khoa học-công nghệ để nâng cao chất lượng, tạo ra sản phẩm
có sức cạnh tranh trên thị trường. Nhìn rõ vấn đề này, thời gian qua, tỉnh đã chỉ
đạo ngành chức năng, các địa phương chuẩn bị những điều kiện cần thiết để mở
rộng mô hình nông nghiệp công nghệ cao, lựa chọn các sản phẩm thế mạnh, quy
hoạch vùng sản xuất tập trung, tạo thuận lợi cho ứng dụng khoa học-công nghệ.
Hàng loạt chính sách thu hút, ưu đãi các tổ chức, cá nhân đầu tư vào lĩnh vực nông
nghiệp cũng đã được ban hành. Hoạt động nghiên cứu khoa học với đề tài về lĩnh
vực nông nghiệp được ứng dụng vào thực tiễn, tạo chuyển biến tích cực.
Thực tế triển khai các mô hình nông nghiệp công nghệ cao như trồng rau an
toàn, trồng nho theo tiêu chuẩn VietGAP… đã đáp ứng được đòi hỏi về đảm bảo
an toàn thực phẩm ngày càng cao của người tiêu dùng. Hình thức sản xuất mới
theo chuỗi giá trị, chú trọng sử dụng máy móc trong khâu chế biến đã nâng cao
giá trị gia tăng của sản phẩm. Tuy vậy, các mô hình nông nghiệp công nghệ cao
cũng chỉ mới dừng lại một vài khâu nhỏ lẻ như tưới tiết kiệm nước, nhiều công
nghệ tiên tiến vẫn chưa được áp dụng đồng bộ vào sản xuất. Hạn chế này dẫn đến
sản xuất phụ thuộc nhiều vào tự nhiên, khi có biến động của thời tiết, hoạt động
chăn nuôi, trồng trọt bị ngưng trệ, do đó không tạo được khối lượng hàng hóa dồi
dào cung cấp thường xuyên cho các nhà phân phối.

1.4 Tình hình áp dụng công nghệ cao vào nông nghiệp của các nước trên
thế giới hiện nay.
1.4.1 Nông nghiệp công nghệ cao tại Israel
Israel là một nước nhỏ ở Trung Đông có điều kiện tự nhiên vô cùng khắc
nghiệt, 2/3 diện tích lãnh thổ là sa mạc, còn lại là đồi núi đá trọc, khí hậu nơi đây

cực kỳ khô hạn. Thế nhưng nền kinh tế nước này lại rất phát triển, thu nhập bình
quân đầu người tính theo sức mua đạt 35.000 USD/năm, GDP năm 2011 đạt
13


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

khoảng 220 tỷ USD, đứng vào hàng ngũ các nước phát triển nhất trên thế giới.
Đặc biệt mặc dù thời tiết, khí hậu khắc nghiệt như vậy nhưng nền nông nghiệp
nước này vẫn rất phát triển
Tài sản và các phương tiện sản xuất được sở hữu chung và mọi quyết định
được hội đồng các thành viên bỏ phiếu tán thành. Trong Kibbutz, các thành viên
có trách nhiệm và tận tụy với cộng đồng, mặt khác họ được đáp ứng mọi nhu cầu
từ lúc sơ sinh đến khi về già. Ngoài Kibbutz, mô hình hợp tác xã ở Israel còn có
các Moshav. Moshav là một làng nông nghiệp trong đó mỗi một gia đình đều duy
trì trang trại của mình. Hợp tác giữa các thành viên trong Moshav được áp dụng
trong việc mua bán, tiếp thị và cung cấp các dịch vụ cho cộng đồng, chính họ cung
cấp phần lớn lượng nông sản cho đất nước.

Hinh1.2 Trồng rau sạch trong nhà kính tại Israel

Kỳ diệu về mô hình hợp tác xã thì Israel cũng kỳ diệu về xây dựng một nền
nông nghiệp kỹ thuật cao. Trên vùng đất bán sa mạc và sa mạc khắc nghiệt, những
cánh đồng ô liu, cam, lựu, vải thiều, nho, chuối… vẫn xanh tươi mơn mởn, những
khu nhà kính (che bằng vải ni-lông trong suốt) ngập tràn hoa, rau sạch, cà chua bi,
cà chua nhót, dưa chuột, cà tím…
Tất cả cây trồng đều được ứng dụng công nghệ tưới nhỏ giọt. Chất dinh dưỡng
theo các ống dẫn nước tới từng gốc cây, gốc rau và được tưới bón nhỏ giọt tùy

14


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

theo từng loại cây củ quả bởi một phần mềm điều khiển tự động sau khi đã nạp đủ
thông tin về độ ẩm không khí, đất đai, tuổi và nhu cầu tăng trưởng của từng loại
cây. Hệ thống này tự động đóng mở van khi độ ẩm của rễ cây đạt tới mức nhất
định thông qua các cảm biến điện tử.
Toàn bộ cây cối, thảm cỏ, vười hoa tại Israel đều được tưới theo công nghệ
nhỏ giọt. Trẻ em Israel được dạy tiết kiệm nước từ bé, 75% nước thải sinh hoạt
được tái tạo sử dụng lại, nước qua hệ thống lọc trở thành nước tinh khiết có thể
uống được ngay. Hiện tại Israel đã lai tạo được giống cà chua chịu mặn đạt năng
suất kỷ lục 120-150 tấn/ha. Là một đất nước khô hạn chủ yếu là sa mạc nhưng một
năm Israel xuất khẩu sản phẩm nông nghiệp đạt 3,5 tỷ USD với giá trị gia tăng rất
lớn.
Ngoài trồng trọt, nền nông nghiệp Israel nổi tiếng với chăn nuôi bò sữa cho năng
suất cao nhất thế giới, đạt 12.000 lít/con/năm, trong khi đó ở New Zealand là 4.000
lít, ở Hà Lan 8.000 lít và ở Mỹ là 9.000 lít. Chất lượng sữa cũng vào loại tốt nhất,
lượng đạm và lượng mỡ cao hơn hẳn các loại sữa khác.
Israel không có nguồn nước, họ phải sử dụng nước cực kỳ tiết kiệm, tuy nhiên
họ vẫn nuôi được thủy sản có năng suất siêu cao và chất lượng siêu sạch, thu lãi
ròng từ 35-60.000VNĐ/kg. Tại một cơ sở nuôi cá siêu thâm canh, họ đặt 40 bể
nhựa tròn trong nhà có mái che, mỗi bể có thể tích 15 m3, mỗi vụ nuôi được 1,5
tấn cá, một năm nuôi 2 vụ thu được 3 tấn cá, như vậy cơ sở đó sản xuất được 120
tấn cá/năm, thu lãi ròng khoảng 5 tỷ VNĐ.

15


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

Hinh1.3 Nuôi thuỷ sản ứng dụng công nghệ cao tại Israel

Theo chủ cơ sơ sản xuất, sản phẩm cá của họ là siêu sạch, vì không phải sử
dụng thuốc kháng sinh, cá không bị nhiễm vi rút, vi khuẩn, ký sinh trùng và các
loại chất độc khác. Nước thải qua hệ thống lọc sinh học quay vòng tận dụng được
80%, còn lại 20% nước và phân cá được thải ra hồ xử lý, sau đó để tưới cho các
cánh đồng rau quả. Trong khi đó, ở Bắc Giang, trung bình 1ha với thể tích khoảng
20.000 m3 nước, nếu nuôi quảng canh chỉ thu trung bình được 2 tấn cá, còn nuôi
thâm canh cũng chỉ thu được 10 tấn cá.
Tại một đất nước không có tài nguyên, khí hậu khắc nghiệt, thường xuyên phải
đương đầu với xung đột, chiến tranh nhưng nền kinh tế nói chung và nền nông
nghiệp nói riêng vẫn đạt được nhiều thành tựu kỳ diệu. Đâu là nguyên nhân của
sự thành công đó? Khi đặt câu hỏi này với ông Ali Yhia – một quan chức của Bộ
Ngoại giao Israel, chúng tôi nhận được câu trả lời: “Bí quyết để Israel phát triển
là trí tuệ cộng với sự đoàn kết. Israel thật sự coi trọng đầu tư phát triển giáo dục
đào tạo và phát triển nghiên cứu khoa học công nghệ”.
Trong phát triển nông nghiệp, họ xây dựng những chính sách đồng bộ, gắn kết
chặt chẽ nghiên cứu với triển khai ứng dụng thực tế. Công tác thị trường rất độc
đáo, có tầm nhìn và tư duy chiến lược toàn cầu. Các chủ trang trại đôi khi cũng
chính là các nhà khoa học. Họ xây dựng mối quan hệ sản xuất tiên tiến (kibbutz,
moshav) trong khu vực nông nghiệp, nông thôn, phù hợp với tính chất và trình độ
phát triển của lực lượng sản xuất.

1.4.2 Nền nông nghiệp công nghệ cao tại Nhật Bản.
Khi nhắc đến đất nước Hoa Anh Đào thì ai cũng nghĩ đây là một nước kinh tế,
kỹ thuật và khoa học rất phát triển, ít người nghĩ đến ngành nông nghiệp của Nhật
Bản.Thật ra những người làm nông nghiệp của Nhật rất giàu có và sung túc. Nông
nghiệp của Nhật Bản phát triển theo hướng khoa học bền vững vì vậy có sản lượng
rất cao, chất lượng rất tốt và đứng hàng đầu thế giới.

16


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

Hinh1.4 Ngành nông nghiệp của Nhật Bản rất phát triển

Ibaraki là một tỉnh được coi là nông nghiệp của Nhật, Tỉnh này có diện tích là
đồng bằng lớn nhất nước Nhật vì vậy rất thích hợp để làm nông nghiệp, nơi đây
có nhiều cơ sở nghiên cứu, sản xuất nông nghiệp hiện đại nhất. Đây là địa phương
sản xuất nông nghiệp lớn thứ hai ở Nhật Bản. Dân số của tỉnh này chỉ 3 triệu người
nhưng GDP của tỉnh đạt hơn 110 tỷ USD một năm bằng 1/2 GDP của Việt Nam.
Theo thống kê thì GDP của Ibaraki được đóng góp từ hơn 50% là nông nghiệp
hoặc các ngành liên quan đến nông nghiệp.

Hinh1.5 Trồng rau trong nhà kính tại Nhật Bản

17


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

Hinh1.6 Trồng lúa tại Nhật Bản

Khi đến đây tìm hiểu chắc bạn mới tin rằng chỉ 3% dân số của Nhật Bản làm
nông nghiệp nhưng cung cấp đầy đủ thực phẩm chất lượng cao cho hơn 1278 triệu
dân của quốc gia này, ngoài ra còn dư thừa để xuất khẩu. Ở các trung tâm nghiên
cứu nông nghiệp không gian rất sạch sẽ, hài hòa và rất đẹp như một công viên, san
sát các nhà kính trồng các giống cây mới lai tạo từ công nghệ gen. Những cây dâu
nhỏ, trĩu quả chín hồng, rồi các loại hoa được tạo nên màu sắc theo ý thích của
con người, tăng gấp nhiều lần giá trị thông thường, những giống cà chua năng suất
cao và giống lúa chất lượng tốt nhất thế giới v.v…
Khi chúng tôi vào một trung tâm nghiên cứu nông nghiệp ở đây thì được mời
ăn quả dâu, vị thanh ngọt và hương vị mà chúng tôi chưa từng được thưởng thức
từ các loại dâu tây trước đây. Anh phiên dịch người Nhật trở nên hồ hởi: “Điều
quan trọng là kết quả từ cơ sở nghiên cứu này, các loại giống cây trồng đưa đến
cho nông dân trong tỉnh Ibaraki và khắp nơi trên nước Nhật sản xuất. Cây dâu
được trồng từ các tế bào mô để lấy mẫu giống. Dâu tây được người dân ở đây ví
von là “nụ hôn Ibaraki”.
Sang đây tận mắt chứng kiến thực tế, chúng tôi ai cũng băn khoăn và mong
muốn Việt Nam quê hương mình rồi đây sẽ được tiếp cận, sử dụng công nghệ, kỹ
thuật sản xuất hiện đại đó. Công nghệ sinh học và kỹ thuật nông nghiệp Nhật

18


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

Bản hiện đại, năng suất làm việc rất cao. Cái hay của họ là kết quả từ các cơ sở
nghiên cứu được đưa vào sản xuất và đào tạo nguồn nhân lực một cách liên tục và
trực tiếp, nhà khoa học của họ cũng làm việc như nông dân, không như các nhà
khoa học của VN. Thật ra về kiến thức khoa học nông nghiệp thì ai cũng biết nhà
khoa học ở Vn gần như chỉ là lý thuyết suông, còn thực tế thì gần như họ không
biết gì.
Chúng ta cần cơ chế khoa học và thực tiễn để để có thể học hỏi hay các nước
phát triển như Nhật Bản nhanh chóng chuyển giao công nghệ cho chúng ta. Đoàn
nhà báo chúng tôi sang đến trung tâm máy nông nghiệp, các công nhân ở đây đã
trình diễn các loại máy gieo hạt giống, máy be bờ, các loại máy làm đất, máy bay
không người lái phun thuốc. Máy be bờ vừa hoạt động xong, chúng tôi đứng trên
bờ đất, độ cứng như bê tông không hề để lại dấu chân giày, vào trung tâm máy
nông nghiệp này của nhật tôi mới thây là nông nghiệp của Nhật Bản thật là thì
cũng không còn phải là nông nghiệp rồi, mà chắc phải gọi là ” tự động nông
nghiệp, hay khoa học nông nghiệp”.
Chỉ 3% dân số làm nông nghiệp mà họ nuôi đủ cả một quốc gia, với những
thực phẩm thuộc loại tốt nhất thế giới. Và tại sao nông dân của Nhật Bản lại sung
túc đến như vậy. Vì qua đây thì ai cũng biết rằng những người làm nông nghiệp ở
đây thì họ cũng gần như là những ông chủ có các doanh nghiệp thôi, chứ họ không
phải trực tiếp ra đồng làm chân tay. Cũng có những công việc làm chân tay, nhưng
những công việc này thì hầu hết dành cho lao động nước ngoài ở Nhật làm viêc,
như lao động Trung Quốc, lao động Thái Lan hay lao động người Việt chúng ta
bên này.

1.5 Kết luận
Qua những thông tin về nên nông nghiệp công nghiệp của Việt Nam và của
các nước trên thế giới nêu trên. Chúng ta thấy rằng không áp dụng công nghệ cao
vào sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam là một thiếu xót rất lớn đối với một đất nước
chủ yếu về nông nghiệp. Tuy nhiên để áp dụng những công nghệ hiện đại như ở

Israel hay Nhật Bản vào nền nông nghiệp Việt Nam ngay lúc này là điều rất khó

19


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

vì những hệ thống đó đòi hỏi phải đầu tư rất cao không phù hợp với những người
nông dân ở Việt Nam.
Từ thực tế đó chúng em thấy rằng mình hoàn toàn có thể học hỏi và thiết kế
những hệ thống tự động hóa trong nông nghiệp với giá thành rẻ hơn nhưng vẫn
đáp ứng những yêu cầu cơ bản của một hệ thống trồng trọt thông minh.
Qua quá trình khảo sát tại khu vườn trồng theo hình thức khí canh tại trung
tâm ứng dụng khoa học công nghệ Nam Định, đề tài của chúng em làm là “Hệ
thống điều khiển và giám sát trong nông nghiệp công nghệ cao”. Đây là một đề tài
có tính ứng dụng rất thực tế.
Nội dung thiết kế chi tiết sẽ được nhóm trình bày ở các chương tiếp theo.

20


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ
2.1 Xây dựng sơ đồ khối
Theo những gì đã trình bày ở trên và theo khảo sát thực tế tại khu vực vườn

trồng tại khu ứng dụng khoa học công nghệ cao Nam Định. Chúng em đưa ra sơ
đồ khối của hệ thống như sau

hinh 2.1 Sơ đồ khối của mạch

Trong sơ đồ trên gồm có các khối
- Khối cảm biến thu thập dữ liệu ngoài hiện trường sau đó gửi về cho vi điều
khiển xử lý.
- Khối điều khiển trung tâm thu thập dữ liệu từ các cảm biến và gửi lệnh đến
các thiết bị tại hiện trường.

21


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

2.2 Tính chọn thiết bị.
2.2.1 PIC 18F4520

hinh 2.2 Sơ đồ chân của PIC 18F4520

Chức năng các chân
Chân 2÷7: Port A (RA) là các port I/0
Chân 33÷40: Port A (RB) là các port I/0
Chân 15÷18 và chân 23÷26: Port A(RC) là các port I/0
Chân 19÷22 và chân 27÷30 : Port A(RD) là các port I/0
Chân 31 và 12: Nối mass
Chân 32 và 11: Nối nguồn

2.2.1.1

Một vài thông số về VĐK PIC 18F4520

Đây là vi điều khiển thuộc họ PIC16Fxxx với tập lệnh gồm 35 lệnh có độ dài
14 bit. Mỗi lệnh đều được thực thi trong một chu kì xung clock. Tốc độ hoạt động
tối đa cho phép là 20 MHz với một chu kì lệnh là 200ns. Bộ nhớ chương trình
8Kx14 bit, bộ nhớ dữ liệu 368x8 byte RAM và bộ nhớ dữ liệu EEPROM với dung
lượng 256x8 byte. Số PORT I/O là 5 với 33 pin I/O.

Các đặc tính ngoại vi bao gồm các khối chức năng sau:
-

Timer0: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số 8 bit.
22


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
-

Khoa: Điện

Timer1: bộ đếm 16 bit với bộ chia tần số, có thể thực hiện chức năng đếm

dựa vào xung clock ngoại vi ngay khi vi điều khiển hoạt động ở chế độ sleep.
-

Timer2: bộ đếm 8 bit với bộ chia tần số, bộ postcaler.

-

Hai bộ Capture/so sánh/điều chế độ rộng xung.

-

Các chuẩn giao tiếp nối tiếp SSP (Synchronous Serial Port), SPI và I2C.

-

Chuẩn giao tiếp nối tiếp USART với 9 bit địa chỉ.

-

Cổng giao tiếp song song PSP (Parallel Slave Port) với các chân điều khiển

RD, WR, CS ở bên ngoài.
Các đặc tính Analog:
-

8 kênh chuyển đổi ADC 10 bit.

-

Hai bộ so sánh.

Bên cạnh đó là một vài đặc tính khác của vi điều khiển như:
-

Bộ nhớ flash với khả năng ghi xóa được 100.000 lần.

-

Bộ nhớ EEPROM với khả năng ghi xóa được 1.000.000 lần.

-

Dữ liệu bộ nhớ EEPROM có thể lưu trữ trên 40 năm.

-

Khả năng tự nạp chương trình với sự điều khiển của phần mềm.

-

Nạp được chương trình ngay trên mạch điện ICSP (In Circuit Serial

Programming) thông qua 2 chân.
-

Watchdog Timer với bộ dao động trong.

-

Chức năng bảo mật mã chương trình.

-

Chế độ Sleep.

-

Có thể hoạt động với nhiều dạng Oscillator khác nhau.

2.2.1.2 Tổ chức bộ nhớ
Cấu trúc bộ nhớ của vi điều khiển PIC18F4520 gồm có bộ nhớ chương trình
(program memory) và bộ nhớ dữ liệu(data memory).

- Bộ nhớ chương trình
Bộ nhớ chương trình của vi điều khiển PIC18F4520 là bộ nhớ flash, dung lượng
bộ nhớ 8K word (1 word = 14-bit) và được phân thành nhiều trang (từ page0 đến

23


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

page 3) . Như vậy bộ nhớ chương trình có khả năng chứa được 8*1024 = 8192
lệnh (vì một lệnh sau khi mã hóa sẽ có dung lượng 1 word (14bit).
Để mã hóa được địa chỉ của 8K word bộ nhớ chương trình, bộ đếm chương trình
có dung lượng 13 bit (PC<12:0>).
Khi vi điều khiển được reset, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0000h
(Reset vector). Khi có ngắt xảy ra, bộ đếm chương trình sẽ chỉ đến địa chỉ 0004h
(Interrupt vector).
Bộ nhớ chương trình không bao gồm bộ nhớ stack và không được địa chỉ hóa
bởi bộ đếm chương trình. Bộ nhớ stack sẽ được đề cập cụ thể trong phần sau .

hinh 2.3 bộ nhớ chương trình

- Bộ nhớ dữ liệu

24


Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội

Khoa: Điện

hinh 2.4 Bộ nhớ dữ liệu

Bộ nhớ dữ liệu của PIC là bộ nhớ EEPROM được chia ra làm nhiều bank. Đối
với PIC18F4520 bộ nhớ dữ liệu được chia ra làm 4 bank. Mỗi bank có dung lượng
128 byte, bao gồm các thanh ghi có chức năng đặc biệt SFG (Special Function
Register) nằm ở các vùng địa chỉ thấp và các thanh ghi mục đích chung GPR
(General Purpose Register) nằm ở vùng địa chỉ còn lại trong bank. Các thanh ghi
SFR thường xuyên được sử dụng (ví dụ như thanh ghi STATUS) sẽ được đặt ở tất
cà các bank của bộ nhớ dữ liệu giúp thuận tiện trong quá trình truy xuất và làm
giảm bớt lệnh của chương trình. Sơ đồ cụ thể của bộ nhớ dữ liệu PIC18F4520 như
bảng trên.
Dựa trên sơ đồ 4 bank bộ nhớ dữ liệu PIC18F4520 ta rút ra các nhận xét như sau

25