Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch

bộ giáo dục và đào tạo

Trường Đại học bách khoa hà nội
------------------------------------

Ngô trí dương

Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất
rau sạch

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

hà nội - 2009


bộ giáo dục và đào tạo

Trường Đại học bách khoa hà nội
------------------------------------

Ngô trí dương

Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất
rau sạch
Chuyên ngành : lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu
Mã số

: 62.52.60.05

Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Người hướng dẫn khoa học

1. PGS.TS. Phan xuân minh
2. PGS.TS. Hồ hữu an

hà nội - 2009


bộ giáo dục và đào tạo

Trường Đại học bách khoa hà nội
------------------------------------

Ngô trí dương

Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất
rau sạch

Luận án tiến sĩ kỹ thuật

hà nội - 2009


bộ giáo dục và đào tạo

Trường Đại học bách khoa hà nội
------------------------------------

Ngô trí dương

Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất
rau sạch

Chuyên ngành : lý thuyết điều khiển và điều khiển tối ưu
Mã số

: 62.52.60.05

Luận án tiến sĩ kỹ thuật
Người hướng dẫn khoa học
1. PGS.TS. Phan xuân minh
2. PGS.TS. Hồ hữu an

hà nội - 2009


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của luận án
Đất nước ta đang ở giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Trong
công cuộc này, tự động hoá đóng một vai trò then chốt. Có thể nói điều khiển
tự động là một lĩnh vực kỹ thuật không thể thiếu trong các dây chuyền sản
xuất công nghiệp, nông nghiệp tiên tiến. Hiện nay, nhu cầu đổi mới công nghệ
tự động hoá cho các dây chuyền sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản
phẩm, tăng năng suất, giảm giá thành, nâng cao năng lực cạnh tranh trong các
cơ sở sản xuất công nghiệp và nông nghiệp là rất lớn. Thực tế gần như toàn bộ
thiết bị điều khiển đang sử dụng trong các dây chuyền sản xuất đều là thiết bị
nhập ngoại. Trong điều kiện hiện nay, việc tận dụng kỹ thuật, công nghệ và
thiết bị tiên tiến của nước ngoài để nhanh chóng hiện đại hoá nền sản xuất
nông nghiệp trong nước là hết sức cần thiết. Thiết bị nhập ngoại có ưu điểm là
chất lượng tốt, hoạt động tin cậy, ổn định tuy nhiên giá thành cao. Do không
đủ chi phí đầu tư nên một số cơ sở sản xuất nông nghiệp phải chấp nhận đổi

mới công nghệ bằng cách nhập những thiết bị lạc hậu đã qua sử dụng. Mặt
khác cũng phải nhìn nhận rằng chiến lược của nhiều nước chỉ chuyển giao
cho các nước khác những công nghệ đã lỗi thời. Vì vậy, về lâu dài để nền sản
xuất nông nghiệp trong nước phát triển bền vững và có thể theo kịp các nước
khác trong khu vực, chúng ta phải nghiên cứu cơ bản để chủ động nắm được
kỹ thuật, tự chế tạo được các dây chuyền sản xuất tự động nói chung và các
bộ điều khiển nói riêng hiện đại, chất lượng tốt, giá thành rẻ phục vụ nền sản
xuất. Đây là bài toán thực tiễn đặt ra cho các nhà nghiên cứu về tự động hoá
trong nước.


2

Từ việc nghiên cứu, phân tích qui trình sản xuất rau sạch trong nhà
lưới có mái che bằng phương pháp trồng trên giá thể không sử dụng đất, luận
án đã đề cập bài toán thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa phục vụ quy
trình công nghệ trồng rau cho mô đun trồng trọt 200 m2 bằng thiết bị hiện có
ở Việt Nam. Với việc thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị trong nước sẽ đảm bảo
chí phí thấp hơn nhiều lần so với thiết bị nhập ngoại, điều này rất quan trọng
vì mức thu nhập của người nông dân còn rất thấp. Mặt khác việc chế tạo tại
Việt Nam thì chúng ta làm chủ được công nghệ chế tạo thiết bị điều khiển, hệ
thống tự động hóa để có thể phục vụ công nghệ trồng rau sạch đại trà ở Việt
Nam.
Với phương pháp trồng rau sạch trên các giá thể thì việc ứng dụng tự
động hoá mới đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu công nghệ sản xuất rau sạch.
Nhờ sự hỗ trợ của hệ thống tự động hóa, các nhà trồng có đầy đủ khả năng
đảm bảo qui trình sản xuất và kiểm soát được đầy đủ các thông số của quá
trình sản xuất rau sạch. Hiện nay, việc trồng rau sạch trong nhà lưới bằng
phương pháp không dùng đất đang được phát triển mạnh ở nước ta. Tuy
nhiên, các hệ thống đáp ứng cho công nghệ trồng rau sạch đều nhập ngoại giá

thành rất cao nên chỉ có một số cơ sở sản xuất lớn nhờ sự đầu tư của nhà nước
mới hoạt động được.
Những phân tích trên cho thấy nghiên cứu quy trình công nghệ để nắm
vững đối tượng cần điều khiển để từ đó xây dựng các bài toán điều khiển, vận
hành và giám sát cho hệ thống tự động hoá phục vụ sản xuất rau sạch là vấn
đề cần giải quyết đầu tiên. Thực hiện phân tích, lựa chọn lời giải, lựa chọn
giải pháp kỹ thuật để từ đó thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hóa phục vụ
qui trình sản xuất rau sạch một vấn đề nghiên cứu vừa mang tính lý thuyết
vừa mang tính thực tiễn cấp bách. Đó chính là động lực để tác giả thực hiện
luận án này.


3

2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của luận án là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống tự
động hóa quy trình sản xuất rau sạch trên giá thể cho mô đun nhà trồng rau có
diện tích mặt bằng 200 m2. Một hệ thống tự động hóa quá trình sản xuất rau
sạch chế tạo trên công nghệ PSoC (Programmable System on Chip) là sản
phẩm trông đợi của luận án.
Để thực hiện mục đích đó, luận án thực hiện nghiên cứu, phân tích về
quy trình trồng rau sạch trong nhà trồng rau có mái che bằng phương pháp
không dùng đất từ đó đề xuất bài toán tự động hóa phục vụ qui trình công
nghệ trồng rau sạch. Các nhiệm vụ chính cần được thực hiện:
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị quá trình phục vụ
công nghệ trồng rau sạch như hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống bình trộn, hệ
thống bơm, hệ thống đóng mở mái che, hệ thống quạt gió...sử dụng trong nhà
lưới cho mái che mô đun 200 m2.
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tự động hoá phục vụ công
nghệ sản xuất rau sạch trên cơ sở vi điều khiển công nghệ PSoC.

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát bằng bàn phím
và màn hình tinh thể lỏng hoặc bằng máy tính cá nhân PC.
- Thiết kế chế tạo các sản phẩm tự động hoá phục vụ công nghệ sản
xuất rau sạch theo phương pháp mô đun hoá để dễ dàng cho việc phát triển
sản xuất kiểu công nghiệp theo qui mô từ nhỏ đến lớn phù hợp với nền sản
xuất của Việt Nam hiện nay. Mặt khác, tạo ra tính linh hoạt của sản phẩm: dễ
dàng lắp đặt, dễ dàng thay thế khi có hỏng hóc.
- Các sản phẩm được nghiên cứu thiết kế và chế tạo nhằm mục đích
thay thế các sản phẩm nhập ngoại, do vậy tiêu chí của sản phẩm là giá thành
phải rẻ hơn rất nhiều so với sản phẩm nhập ngoại và chất lượng phải đảm bảo
tương đương hoặc tốt hơn.


4

- Hệ thống phần mềm được thiết kế và chế tạo theo phương pháp mô
đun hoá để tạo khả năng mở rộng và nâng cấp khi cần thiết.
Toàn bộ hệ thống sản phẩm của đề tài được chạy thử trong nhà trồng
rau của trường Đại Học Nông Nghiệp Hà Nội, để kiểm tra, đánh giá chất
lượng sản phẩm trước khi đưa ra thị trường.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của
loại cây rau sạch được trồng trong nhà trồng rau có mái che bằng phương
pháp không dùng đất, qui trình phát triển của một số loại cây rau và qui trình
công nghệ chăm sóc các loại cây rau này (Những đề xuất của các nhà nông
học). Đây là những cơ sở để xây dựng bài toán điều khiển và tự động hóa quá
trình sản xuất rau sạch trên giá thể.
Đối tượng nghiên cứu là các kỹ thuật điều khiển, điện, điện tử và kỹ
thuật lập trình. Đó là nền tảng để thiết kế hệ thống chăm sóc rau sạch, hệ
thống điều khiển và tự động hóa quá trình trồng rau sạch trong nhà trồng rau

có mái che.
Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo
hệ thống tự động hóa qui trình công nghệ trồng rau sạch không sử dụng đất
trong nhà trồng rau có mái che. Nghiên cứu các kỹ thuật và công nghệ tiên
tiến nhất phục vụ cho việc chế tạo sản phẩm.
Trên cơ sở về qui trình công nghệ trồng rau sạch đề xuất các phương
pháp thiết kế hệ thống tự động hoá vào sản xuất rau sạch trong nhà lưới có
mái che bằng phương pháp không dùng đất. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống
tự động hoá đảm bảo phù hợp với điều kiện ở nước ta hiện nay. Hệ thống tự
động hoá sau khi đã thiết kế được chạy kiểm định kỹ càng trong phòng thí
nghiệm, thông số các số liệu nhận được để kiểm chứng hệ thống. Phần mềm
điều khiển quá trình được thiết kế đơn giản, thuận tiện cho người sử dụng,


5

thông qua đó giúp cho người trồng rau theo dõi, giám sát và lưu dữ các thông
số môi trường ảnh hưởng đến quá trình trồng rau. Hệ thống được tiến hành
lắp đặt trong mô hình sản xuất nhỏ với nhà trồng có sẵn, với kết quả thu được
bước đầu đã đánh giá độ đảm bảo đối với quy trình công nghệ đặt ra.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Về ý nghĩa khoa học: Luận án là một trong những công trình đầu tiên
nghiên cứu về việc ứng dụng tự động hoá vào sản xuất rau sạch trong nhà lưới
có mái che bằng phương pháp không dùng đất tại Việt Nam. Sản phẩm của
luận án góp phần thúc đẩy công cuộc tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp.
Luận án đã xây dựng thành công qui trình thiết kế và chế tạo hệ thống tự động
hóa bằng vi điều khiển công nghệ PSoC, một trong nhũng công nghệ tiên tiến
nhất hiện nay. Phần mềm điều khiển quá trình sản xuất rau sạch được trình
bày trong luận án thuận tiện cho người sử dụng với hai chế độ làm việc: chế
độ làm việc sử dụng các nút ấn và chế độ làm việc trên giao diện máy tính

PC. Mặt khác các chức năng có trong phần mềm như hệ thống lưu trữ dữ liệu,
hệ thống quan sát các thông số vào, ra...từ đó giúp cho nhà trồng rau kiểm
soát được các thông số chính ảnh hưởng đến quá trình trồng rau sạch. Sản
phẩm phần mềm của luận án cho thấy khả năng ứng dụng của công nghệ
thông tin trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp. Đó cũng là một minh chứng về
khả năng chế tạo các sản phẩm công nghệ cao trong nước phục vụ sản xuất
nông nghiệp.
Ý nghĩa thực tiễn và phạm vi ứng dụng: Luận án nhằm đáp ứng nhu
cầu thực tế trong thiết kế hệ thống tự động hoá trong quá trình sản xuất rau
sạch. Từ việc đòi hỏi của quy trình công nghệ trồng rau sạch trong nhà lưới có
mái che với hệ thống tự động hoá mới đáp ứng được, do đó kết quả luận án có
ý nghĩa ứng dụng vào thực tế. Với kết quả thử nghiệm hệ thống thành công
trong phòng thí nghiệm, hệ thống được lắp đặt và tiến hành trồng thử nghiệm


6

trong mô hình nhà trồng rau đơn giản, bước đầu cho kết quả tốt. Sản phẩm
của luận án là tiền đề cho việc thiết kế chế tạo hệ thống tự động hóa trồng rau
sạch theo kiểu mô đun hóa, một công nghệ chế tạo thiết bị hiện đại ngày nay.
Mô đun hóa tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt, mở rộng và khả năng
thay thế nhanh gọn, linh hoạt.
5. Kết cấu của luận án
Luận án gồm 4 chương và 2 phụ lục, nội dung chính của luận án như
sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ sản xuất rau sạch
Chương 2: Nghiên cứu và phân tích qui trình công nghệ trồng rau sạch
không dùng đất.
Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động hoá sản xuất rau sạch bằng
phương pháp không dùng đất.

Chương 4: Triển khai, lắp đặt hệ thống tự động hoá.
Kết luận và kiến nghị


7

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT RAU
SẠCH
1.1. KHÁI NIỆM CHUNG
Rau quả đóng một vai trò cực kỳ quan trọng trong nền kinh tế và sinh
hoạt của người Việt Nam. Trong gần ba mươi năm qua, nhờ chính sách đổi
mới, nông nghiệp Việt Nam đã phát triển vượt bậc về nhiều mặt. Sản xuất rau
quả đã tăng lên khoảng 9.235.000 tấn trên diện tích trồng trọt 624.000 ha với
trị giá khoảng 144.000 tỷ đồng (tương đương với 900 triệu USD) [15]. Lượng
sử dụng rau của người Việt Nam cũng đã được cải thiện, đạt trung bình
khoảng 111,2 kg/người/năm (N. Q. Vọng, 2007), cao hơn hẳn so với lượng sử
dụng rau trung bình của khu vực ASEAN (57kg/người/năm) và đạt được tiêu
chuẩn của Tổ chức Lương nông Quốc tế FAO (120 kg/người/năm) [51]. Đây
là một thành tựu đáng kể trong lĩnh vực sản xuất rau quả, vì sản xuất này đã
chiếm 9% GDP của nông nghiệp Việt Nam trong khi diện tích trồng trọt lại
chiếm có 6% trên toàn bộ diện tích canh tác của Quốc gia.
Tuy nhiên, song song với tăng trưởng trong sản xuất rau quả, nông
nghiệp Việt Nam lại đồng thời phải đối đầu với tình trạng tốc độ thu hẹp đất
nhanh do tiến trình công nghiệp hoá và đô thị hoá đang diễn ra hàng ngày.
Trong 5 năm vừa qua (2001-2005), quá trình đô thị hoá và công nghiệp hoá đã
thu hồi mất 366.440 ha đất, chiếm 3,89% đất nông nghiệp đang sử dụng.
Riêng chỉ trong 2 năm từ 2005 đến 2007, đã có 34.330 ha đất trồng lúa bị mất.
Đất bị thu hồi phần lớn là đất tốt, phì nhiêu, thuộc loại “đất đẳng điền”, nằm ở

2 vựa lúa của đất nước: đồng bằng sông Hồng và sông Cửu Long (Nguyễn
Lân Dũng). Tại các thành phố lớn như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh,
diện tích đất nông nghiệp bị mất trung bình khoảng 1.000 ha (Hà Nội) và
khoảng 1.200 ha (thành phố Hồ Chí Minh) mỗi năm. Phần lớn đất bị mất là


8

đất trồng rau ở các vùng ven đô như Thanh Trì, Hoàng Mai, Đông Anh ở Hà
Nội và Hóc Môn, Củ Chi ở thành phố Hồ Chí Minh. Việc phát triển công
nghiệp và đô thị hoá này đã dẫn đến tình trạng đất trồng rau, hoa càng lúc
càng thu nhỏ, môi trường bị ô nhiễm một cách nghiêm trọng, hủy hoại môi
sinh, cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên. Đã có báo cáo về đất, nước ô nhiễm của
rất nhiều nơi, đặc biệt vùng trồng rau thơm Thanh Trì, Hà Nội, do việc đổ thải
bừa bãi các chất kim loại nặng của các công trường hoá học.
Bên cạnh việc mất đất sản xuất vì công nghiệp hoá, đô thị hoá và môi
trường ô nhiễm, an toàn vệ sinh trong sản xuất rau quả cũng là yếu tố nổi cộm
của nông nghiệp Việt Nam hiện nay. Gần đây, số vụ ngộ độc thực phẩm đang
tăng vọt và số lượng người phải nhập viện để cấp cứu ngày càng nhiều. Theo
thống kê của Bộ Y tế (2006), trong vòng 5 năm (2001-2005) đã có gần 23.000
người ở Việt Nam bị ngộ độc thực phẩm. Cụ thể vào năm 2005, toàn quốc đã
xảy ra 133 vụ ngộ độc thực phẩm với gần 4.000 nạn nhân. Riêng thành phố
Hồ Chí Minh, từ năm 2005 đến nay, xảy ra trên 40 vụ với khoảng 3.000 người
bị ngộ độc, tăng gần gấp rưỡi so với cùng thời gian trước đó. Nguyên nhân
được xác định là do thực phẩm bị ô nhiễm: rau quả có vi sinh vật gây bệnh, dư
lượng thuốc bảo vệ thực vật và kim loại nặng vượt mức cho phép.
Trong bối cảnh khó khăn về đất đai, môi trường và an toàn vệ sinh
thực phẩm như vậy, nhu cầu về rau quả sạch của Việt Nam vẫn càng lúc càng
cao, đưa đến áp lực tăng năng suất và hệ số quay vòng sử dụng đất càng lớn,
đặc biệt vùng ven đô. Tuy nhiên, vì nhu cầu cấp bách nhằm đảm bảo sức khoẻ

cho con người và sự an toàn của môi trường sống, Việt Nam cần phải sản xuất
rau sạch và an toàn, không có dư lượng thuốc bảo vệ thực vật. Các lượng
nitrat (NO3), hàm lượng kim loại nặng (Zn, Hg, Cu…) và vi sinh vật gây bệnh
cũng phải thấp hơn ngưỡng cho phép (Codex Maximum Residue Limits
(MRL)).


9

Từ những yếu tố được phân tích ở trên, việc nghiên cứu và phát triển
công nghệ cao trong sản xuất nông nghiệp mà thế giới đang ứng dụng cần
phải được tiến hành thử nghiệm nhằm tìm kiếm giải pháp khả thi cho sự phát
triển bền vững của nông nghiệp Việt Nam. Giải pháp công nghệ trồng rau
sạch không dùng đất (soilless) trong nhà trồng rau có mái che chính là một
trong những giải pháp kỹ thuật mũi nhọn đang được nghiên cứu phát triển và
đưa vào ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là ở Hà Lan, Mỹ và
Israen.
Việc sản xuất rau sạch phải đạt được các tiêu chuẩn nhất định. Theo
PGS. H. H. An, Trường Đại học Nông nghiệp Hà nội, cho ta thấy rau sạch cần
phải đảm bảo 4 tiêu chuẩn quan trọng nhất: Hàm lượng các kim loại nặng,
NO3, các hoá chất bảo vệ thực vật tích luỹ trong rau bằng hoặc dưới mức cho
phép theo quy định của FAO, WHO và của nhà nước Việt Nam, các vi sinh
vật có hại không tồn tại trong rau. Nếu sản phẩm rau quả không đạt 1 trong 4
tiêu chuẩn trên thì rau quả đó không đảm bảo an toàn.
Theo tác giả T. T. Cúc, giáo trình Cây rau (2000), để bảo đảm quyền lợi
của người tiêu dùng và an toàn môi sinh, các nhà vườn cần thực hiện đầy đủ
qui định kỹ thuật sản xuất rau sạch theo tiêu chuẩn: “Cây rau không bị héo úa,
thối rữa, hình thái bề ngoài tươi ngon, hấp dẫn; Dư lượng NO3 theo tiêu chuẩn
qui định của Quốc tế; Dư lượng kim loại nặng không vượt quá tiêu chuẩn qui
định của Quốc tế; Dư lượng thuộc bảo vệ thực vật theo qui định của ngành

bảo vệ thực vật; Hạn chế tối đa vi sinh vật gây bệnh cho người và động vật và
đảm bảo giá trị dinh dưỡng của sản phẩm”.
1.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP TRỒNG RAU SẠCH
Sản xuất rau sạch ngoài đồng ruộng: Đây là hình thức sản xuất rộng
rãi và đáp ứng được nhu cầu rau sạch của đông đảo quần chúng. Phương pháp
sản xuất này dựa trên kỹ thuật canh tác cổ truyền nhưng đảm bảo đúng


10

nguyên tắc áp dụng “quy trình thực hành sản xuất nông nghiệp tốt” VietGAP
(Good Agricultural Practice) [73], bao gồm cả chương trình quản lý dịch hại
tổng hợp IPM (Integrated Pest Managerment) và các biện pháp sinh học. Đây
là một phương pháp sản xuất rau quả sạch nên cần tuyên truyền rộng rãi và
hướng dẫn các nhà nông trồng trọt theo kỹ thuật này.
Sản xuất rau sạch không dùng đất trong nhà trồng rau có mái che:
Công nghệ trồng rau sạch không dùng đất là một trong những công nghệ tiên
tiến đã và đang được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Công nghệ
này cũng đang được nghiên cứu và áp dụng ở Việt Nam. Ưu điểm của công
nghệ này là cho phép chuyển hướng từ canh tác nông nghiệp sang sản xuất
công nghiệp nên năng suất, chất lượng, hiệu quả cao và đảm bảo an toàn.
Trong công nghệ này, rau sạch được trồng trong nước hoặc trồng trên giá thể.
- Trồng rau sạch trong dung dịch: là phương pháp trồng cây trực tiếp
vào dung dịch dinh dưỡng theo mô hình kiểu hồi lưu NFT (Nutrient Film
Technique).
- Trồng rau sạch trên các giá thể: là phương pháp trồng cây trên giá thể
với hệ thống tưới dung dịch nhỏ giọt tự động thời gian và lưu lượng để cây
hấp thụ trực tiếp một cách đồng đều và tiết kiệm, thường áp dụng theo kiểu
không hồi lưu RtW (Run to Waste).
1.3. ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN NGOẠI CẢNH ĐẾN SẢN XUẤT

RAU SẠCH
Người trồng rau muốn thành công trong sản xuất thì điều quan trọng
đầu tiên là phải hiểu được một cách sâu sắc và toàn diện các yếu tố môi
trường, yêu cầu và khả năng thích nghi của cây rau đối với điều kiện ngoại
cảnh trong quá trình sinh trưởng và phát triển. Một số yếu tố về môi trường
như địa hình, khí hậu và thời tiết là những yếu tố cơ bản gây ra khó khăn, trở
ngại không nhỏ trong quá trình sản xuất rau và cũng là những vấn đề vượt quá


11

khả năng chế ngự của con người. Sự thay đổi đa dạng, phức tạp của địa hình,
điều kiện có thể được xem như là yếu tố đầu tiên khó khống chế hoặc không
phù hợp cho sản xuất rau. Khí hậu được hiểu như là sự hợp thành bởi tất cả
những yếu tố thời tiết diễn ra ngày này qua ngày khác. Thời tiết là sự thay đổi,
diễn biến hàng ngày của những điều kiện khí hậu. Thành phần của khí hậu
như mưa, gió… là những trở ngại lớn cho loài người trong quá trình làm thay
đổi và cải tiện môi trường. Sự ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết, khí hậu và
sự ảnh hưởng qua lại giữa chúng được chi tiết trong tài liệu tham khảo[16].
Ảnh hưởng của nhiệt độ
Theo [16], [21], [23] trong sản xuất rau, nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng
rất lớn đến khả năng sinh trưởng và phát triển của chúng. Ở nhiệt độ thấp
khoảng 00C sẽ làm một số cây chết rét, ở nhiệt độ cao khoảng 400C sẽ làm cho
nhiều cây bị héo khô. Đối với nhiều loại rau có thể tồn tại trong thời gian dài
ở nhiệt độ thấp khoảng 150C, thậm chí 100C. Hiệu suất quang hợp của hầu hết
các loại rau ngừng ở 300C. Nhiều cây rau thực hiện chức năng quang hợp có
hiệu quả từ 120C ÷ 240C. Đối với một số loài khác thì quang hợp có hiệu quả
ở nhiệt độ 180C ÷ 210C hoặc là 240C.
Tốc độ sinh trưởng cây rau phụ thuộc vào sự cung cấp đầy đủ các chất
dinh dưỡng, đảm bảo độ ẩm và điều kiện nhiệt độ thích hợp. Khi nhiệt độ

vượt quá giới hạn, khí khổng sẽ đóng lại ảnh hưởng tới quá trình trao đổi khí
CO2, quá trình quang hợp. v.v... dẫn đến cây sinh trưởng kém. Nếu tình trạng
đó kéo dài cây có thể bị chết. Nhiệt độ thay đổi theo vĩ độ địa lý, theo mùa,
theo ngày và giữa ngày - đêm. Yêu cầu của cây rau đối với nhiệt độ phụ
thuộc vào nguồn gốc, giống, kỹ thuật trồng trọt và sự thuần hóa bồi dưỡng của
con người, .v.v...Đối với mỗi loại rau đều yêu cầu nhiệt độ thích hợp để sinh
trưởng, phát triển. Khi vượt quá giới hạn nhiệt độ thích hợp cây rau sinh


12

trưởng phát triển kém, làm giảm năng suất và chất lượng. Nhiệt độ quá cao
hoặc quá thấp sẽ làm cây ngừng sinh trưởng và chết.
Thí dụ: Nhiệt độ thích hợp cho cây cà chua là 220 C ÷ 240C, nhiệt độ
cao nhất cho phép là 350C, nhiệt độ thấp nhất cho phép là 100C. Có nghĩa là
khi trồng cà chua phải đảm bảo nhiệt độ nhà trồng rau nằm trong khoảng 100C
÷ 350C. Trên cùng một cây rau nhưng ở thời kỳ khác nhau, yêu cầu đối với
nhiệt độ cũng thay đổi.
Thí dụ: Cây khoai tây (T. T. Cúc, 2000)
Nẩy mầm tốt ở nhiệt độ: 180C ÷ 200C
Sinh trưởng thân lá :

200C ÷ 220C

Hình thành thân củ :

160C ÷ 180C

Ảnh hưởng của ánh sáng
Ánh sáng là yếu tố rất cần thiết đối với sản xuất rau vì ánh sáng đóng

vai trò quan trọng trong quá trình quang hợp. Chúng ta đã biết 90% ÷ 95%
năng suất cây trồng là do quang hợp. Không có ánh sáng, cây xanh không thể
tiến hành quang hợp. Vì ánh sáng thay đổi sẽ làm diễn biến các quá trình quan
trọng như: quang tổng hợp, sự nảy mầm của hạt, sự lớn lên của lá, sự thoát hơi
nước và sự ra hoa.v.v…Ánh sáng đầy đủ sẽ làm tăng bề dày của mô, tăng hàm
lượng diệp lục, thúc đẩy quá trình quang hợp. Trái lại, trong điều kiện thiếu
ánh sáng cây sinh trưởng khó khăn, hàm lượng diệp lục giảm, thịt lá mềm và
xốp, gian bào chứa đầy nước, do đó làm giảm khả năng chống chịu với điều
kiện bất lợi.
Chính vì sự ảnh hưởng của nhiệt độ và ánh sáng nêu trên cần ứng dụng
tự động hoá để điều khiển các thông số này đảm bảo điều kiện thời tiết của
cây rau.


13

Ảnh hưởng của nước
Nước là nguyên nhân hạn chế lớn nhất đến năng suất và chất lượng rau
hơn bất kỳ một yếu tố nào khác. Nước đóng vai trò quan trong trong đới sống
cây rau, hàm lượng nước trong rau chiếm từ 75% ÷ 95%. Theo I.B.Libner
Nonneck thì hàm lượng nước từ 85% ÷ 95%. Cung cấp đầy đủ nước cho rau
trong quá trình sinh trưởng là biện pháp cơ bản để đạt năng suất cao, chất
lượng tốt (cây rau tươi, ngon và có hương vị). Nước thiếu cây rau sinh trưởng
kém, thấp bé, còi cọc, năng suất chất lượng giảm. Nước thừa trong quá trình
sinh trưởng làm cho cây mềm yếu, nồng độ đường thấp, nồng độ các chất hòa
tan giảm…dẫn đến chất lượng kém.
Nước là yếu tố cơ bản để quang hợp, ảnh hưởng đến quá trình trao đổi
chất trong cây, đến trạng thái chất nguyên sinh. Nước còn có tác dụng quan
trọng trong quá trình vận chuyển, sự giãn nở và sự lớn lên của lá. Vì vậy nước
có vai trò trong quyết định đến sự sinh trưởng phát triển của cây rau. Có nước

thì cây mới thực hiện được các hoạt động sống, nên có thể nói không có nước
thì không có sự sống. Nước là thành phần cơ bản cấu tạo nên chất nguyên
sinh. Các quá trình trao đổi chất trong cây đều cần có nước tham gia như tổng
hợp và phân giải chất hữu cơ. Nước là nguyên liệu tham gia vào quá trình
quang hợp, nước cần thiết cho sự vận chuyển vật chất trong cây, là dung môi
hòa tan các chất, duy trì độ căng của tế bào, làm cho cây ở trạng thái cân bằng
.v.v…Các trạng thái cân bằng nước trong cây theo [16] thể hiện bằng tỷ số
giữa lượng nước bay hơi và lượng nước cây hút. Nếu khủng khoảng nước vào
các thời kỳ sinh trưởng tới hạn đó thì sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và
chất lượng [23], [24], [25], [28], [29], [33], [34], [36].
Trên cơ sở phân tích trên việc thiết kế một hệ thống tưới vừa tiết kiệm
nước, vừa đảm bảo nhu cầu của cây rau là một trong những vấn đề quan trọng
trong quá trình trồng rau.


14

Ảnh hưởng của chất dinh dưỡng và độ pH
Theo [16] thì nhìn chung trong quá trình sinh trưởng cây rau hấp thu
70%N, 20%P và 80%K bón vào đất trong suốt vụ trồng. Rau là cây trồng có
thời gian sinh trưởng ngắn, chất dinh dưỡng phong phú, năng suất cao. Thời
vụ khẩn trương, vụ nọ tiếp vụ kia, một năm gieo trồng 2-3 vụ.
Yêu cầu của cây rau với chất dinh dưỡng cũng thay đổi theo quá trình
sinh trưởng. Thời kỳ nảy mầm cây lớn lên nhờ chất dự trữ trong hạt, khi cây
có 4-5 lá thật, khả năng quang hợp của cây yếu vì vậy cần có dinh dưỡng từ
môi trường đất hoặc môi trường đặc biệt khác. Thời kỳ này rễ dễ rất mẫn cảm
với nồng độ dung dịch đất. Thời kỳ hình thành các cơ quan sử dụng (bắp,
thân, củ, rễ, quả,…) là thời kỳ tốc độ sinh trưởng rất mạnh, cần cung cấp đầy
đủ chất dinh dưỡng, đặc biệt là các chất dinh dưỡng hòa tan. Với các rau khác
nhau yêu cầu với các nguyên tố đa lượng cũng thay đổi: Loại rau hút nhiều

chất dinh dưỡng như cải bắp giống trung; loại rau hút dinh dưỡng trung bình
như cà chua, cà, hành…; loại rau hút ít chất dinh dưỡng như: xà lách, rau diếp,
…Ngoài những yếu tố trên cây trồng còn chịu ảnh hưởng của gió, của vật hại
như cỏ dại, sâu hại.v.v…
Với tính chất quan trọng việc cung cấp dĩnh dưỡng cho cây rau qua
các thời kỳ sinh trưởng rất cần thiết. Vì vậy, đối với phương pháp trồng rau
không dùng đất cần phải xây dựng được hệ thống cung cấp dung dịch dinh
dưỡng cho cây rau cho đúng tỷ lệ nhất định.
Ảnh hưởng của gió
Gió cũng là yếu tố gây trở ngại cho sản xuất rau. Trên đất khô hạn, gió
làm xói mòn đất mạnh hơn trên đất được tưới. Khi đất bị khô, nhỏ vụn thành
bột thì sẽ mất đi tác dụng che phủ, bảo vệ mặt đất. Đất nhỏ vụn còn gây ra
hiện tượng phá vỡ kết cấu của đất và mất đi sự liên kết giữa các hạt của đất.
Trên đất được tưới, hàm lượng mùn ở đất cát thấp, gió sẽ làm cho đất và dinh


15

dưỡng bị trôi dạt và cuốn đi. Trong quá trình trồng rau sạch trong nhà trồng
rau có mái che thì gió cũng ít ảnh hưởng đến sự phát triển quả cây rau, tuy
nhiên gió cũng tham gia vào sự thụ phấn khi trồng những cây rau lấy quả.
Ảnh hưởng của những vật hại
Sâu bệnh hại và cỏ dại là những vật mà cây trồng không mong muốn,
chúng có mặt ở mọi nơi, mọi lúc. Những vật hại này thường phát triển mạnh ở
những nơi dinh dưỡng phong phú. Khi chúng ta sử dụng những giống mới,
những loại rau có nhiều chất dinh dưỡng cũng là môi trường thuận lợi cho
những vật hại phát triển, nhưng không phải tất cả sâu hại đề gây nguy hiểm
cho sản xuất rau. Rau được trồng trong nhà thì cũng hạn chế được những sâu
bệnh, khi sử dụng lưới chống côn trùng, đây cũng là ưu điểm của việc trồng
rau trong nhà lưới, nhà kính.

1.4. CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
1.4.1. Các công trình trong nước
Một số cơ sở sản xuất rau sạch trong nhà lưới có mái che ở nước ta
hiện nay
Hiện nay, Việt Nam cũng đã xây dựng nhiều mô hình sản xuất nông
nghiệp ứng dụng công nghệ cao, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Một số mô
hình thử nghiệm đã được triển khai tại các thành phố lớn như sau:
Tại Hà Nội: Khu nông nghiệp công nghệ cao khởi công tháng 4/2002
đã hoàn thành và đi vào hoạt động tháng 9/2004. Vốn đầu tư 24 tỷ đồng (1,5
triệu USD), trong đó 50% vốn ngân sách thành phố và 50% vốn cơ quan chủ
quản – Công ty TNHH Nhà nước một thành viên đầu tư phát triển nông
nghiệp Hà Nội. Khu được xây dựng trên diện tích 7,5 ha với 5500 m2 trồng
dưa chuột, cà chua, ớt ngọt; 2.000 m2 trồng hoa, các giống đều được nhập từ
ISRAEL. Hình ảnh của khu công nghệ cao Hà nội được trình bày trên hình
1.1.


16

Hình 1.1. Hình ảnh của khu công nghệ cao sản xuất rau ở Hà nội
Với các tiến bộ mới về giống, quy trình chăm bón, hệ thống dinh
dưỡng được cung cấp tự động, ánh sáng và nhiệt độ được điều chỉnh, năng
suất cây trồng ở đây đạt khá cao và việc sản xuất bước đầu được xem là hiệu
quả. Song các thiết bị điều khiển đều được nhập ngoại giá thành cao và phụ
thuộc rất nhiều đến công nghệ của nước ngoài [51].
Tại Hải Phòng: Dự án được thực hiện tại xã Mỹ Đức huyện An Lão
với tổng đầu tư 22,5 tỷ đồng. Cơ quan chủ trì là Trung tâm phát triển Lâm
nghiệp Hải Phòng. Hình ảnh khu sản xuất rau cao nghệ cao ở Hải phòng được
thể hiện trên hình 1.2.

Hình 1.2. Hình ảnh của khu công nghệ cao sản xuất rau ở Hải Phòng
Khu nông – lâm nghiệp công nghệ cao Hải Phòng đã xây dựng các khu
chức năng như: khu bảo tồn cây ăn quả đầu dòng và vườn ươm cây giống; khu
sản xuất giá thể; khu nhà nuôi cấy mô tế bào; khu nhà kính, khu nhà lưới sản


17

xuất rau sạch chất lượng cao; khu nhà lưới sản xuất cây cảnh. Hiện nay, các
khu nhà lưới, nhà kính sản xuất rau và hoa đã hoạt động và cho sản phẩm
được 2 ÷ 3 vụ. Năng suất cà chua, dưa chuột đạt 200 ÷ 250 tấn/ha/năm, hoa
hồng cũng đạt 200 ÷300 bông/m2.
Tại Lâm Đồng từ đầu 2004 đã khởi động các chương trình trọng điểm
trong đó có chương trình nông nghiệp công nghệ cao. Trong kế hoạch phát
triển từ 2004 - 2010 Lâm Đồng dự kiến xây dựng một số khu nông nghiệp
công nghệ cao với quy mô 15.000 ha. Các hoạt động chính ở các khu này là
sản xuất rau, hoa, dâu tây và chè. Tổng số vốn đầu tư là 2.700 tỷ đồng, trong
đó vốn hỗ trợ của nhà nước là 38 tỷ đồng [51].
Qua các mô hình nông nghiệp trồng rau không dùng đất được triển
khai ở nước ta có một số nhận xét như sau:
- Khu nông nghiệp trồng rau không dùng đất trong nhà lưới có mái che
được xây dựng đều do các địa phương chủ trì xây dựng và giao cho các doanh
nghiệp làm chủ đầu tư. Việc tiếp nhận và đưa công nghệ cao vào sản xuất đầu
tư lớn (7 tỷ đồng/ha hay xấp xỉ 0,5 triệu USD).
- Những khu sản xuất nông nghiệp trồng rau không dùng đất với quy
mô lớn trình bày ở trên sử dụng công nghệ mới, hiện đại và năng suất đạt
được cũng rất cao như dự định.
- Công nghệ và thiết bị đều nhập ngoại nên kinh phí đầu tư ban đầu
lớn đối với thu nhập của người nông dân nước ta hiện nay. Mặt khác trong
quá trình sản xuất rau sạch phụ thuộc nhiều đến công nghệ trồng rau của nước

ngoài và không làm chủ được thiết bị nhập ngoại.
Một số công trình nghiên cứu về công nghệ trồng rau sạch không
dùng đất ở nước ta.
Đã có nhiều mô hình sản xuất nông nghiệp trồng rau không dùng đất
của bà con nông dân ở một số địa phương với quy mô nhỏ, nhưng hiệu quả


18

đem lại khá lớn dù mức đầu tư thấp. Như vậy, mở rộng việc ứng dụng công
nghệ cao trong sản xuất nông nghiệp ven đô là xu thế chung, chúng ta cũng
phải đi theo hướng này
- Tháng 6-1995, kỹ thuật trồng cây trong dung dịch bắt đầu được triển
khai ở Việt Nam và cơ quan được giao tiến hành thử nghiệm là Đại học Nông
nghiệp Hà Nội. Trong vài năm gần đây, tại trung tâm sinh học và Bộ môn
Sinh lý thực vật của trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội đang trồng thử
nghiệm một số loại rau ăn lá và ăn quả bằng các dung dịch tự pha chế thay thế
dần cho nguyên liệu pha chế dung dịch nhập từ Đài Loan.
- Theo tác giả Hồ Hữu An chủ nhiệm đề tài trọng điểm cấp Nhà nước
KC 07 20 (2003 -2005) sản xuất rau sạch (rau an toàn) bằng phương pháp
không dùng đất là phương pháp gieo và trồng rau hoàn toàn không dùng đất
tức là trồng trong dung dịch hay trồng rau trên cách giá thể, nên không bị ô
nhiễm các kim loại nặng, hoá chất bảo vệ thực vật, vi sinh vật có hại, chủ
động trong việc lấy nguồn nước không ô nhiễm để tưới cho cây rau, cây rau
được cung cấp đầy đủ các loại phân bón (trên 10 nguyên tố đa, vi lượng), từ
lúc cây con giống đến các giai đoạn sinh trưởng, phát triển, do đó chúng phát
huy được tiềm năng về năng suất và chất lượng của giống. Theo tác giả Hồ
Hữu An, 2003 trồng rau trong nhà lưới, nên tránh được côn trùng gây bệnh,
hạn chế các loại sâu, bệnh, giảm mức tối đa việc phun thuốc bảo vệ thực vật.
Với việc trồng rau trong nhà có mái che, luôn chủ động thời vụ, đặc biệt trồng

được cả trái vụ, hạn chế được rủi ro, các công việc nặng nhọc nhất của người
trồng rau đuợc giải phóng (như cày, cuốc, xới, lên luống, bổ hốc trồng, làm
cỏ, phân bón…), sau mỗi vụ trồng có thể trồng tiếp luôn mà không phải cày
bừa, lên luống, làm cỏ .. như ngoài đồng ruộng. Mặt khác với phương pháp
trồng rau này tận dụng được diện tích không có khả năng canh tác mà vẫn tạo
ra được sản phẩm có năng suất và chất lượng cao. Cũng theo tác giả Hồ Hữu


19

An, 2004 đã chứng minh rằng: bằng phương pháp trồng rau không dùng đất
có thể trồng quanh năm, hạn chế sâu bệnh, thuốc bảo vệ thực vật, đảm bảo
được môi trường sống và giảm công lao động, và đạt năng suất cao (cà chua
có thể đạt 160 ÷ 170 tấn/ha/năm, dưa chuột 250 ÷ 260 tấn/ha/năm).
- Theo tác giả Nguyễn Quốc Vọng đã nhiều năm nghiên cứu về công
nghệ trồng rau không dùng đất ở nước ngoài thì phương pháp trồng rau này
cung cấp cho cây trồng chất dinh dưỡng thích hợp nhất cho mỗi thời kỳ sinh
trưởng và sinh sản, kiểm soát được chất dinh dưỡng, nhờ vậy có thể giảm chi
phí đầu tư phân bón. Quan trọng hơn, phương pháp này cho phép loại trừ
hoàn toàn được thuốc bảo vệ thực vật vì có khả năng kiểm soát được sâu
bệnh. Ngoài ra, phương pháp này còn có ưu điểm khác là do không dùng đất
nên các công việc nặng nhọc như cày bừa, cuốc xới, làm cỏ, bón phân... của
con người đã được giải phóng. Việc chăm sóc, thu hái dễ dàng, đem lại hiệu
quả cao. Có thể tận dụng mặt bằng trên diện tích không canh tác, đất cằn cỗi,
bạc màu... để sản xuất rau.
Với các kết quả tổng hợp và phân tích ở trên việc trồng rau bằng
phương pháp không dùng đất là kỹ thuật rất có nhiều triển vọng ở Việt Nam
do đó cần đẩy mạnh nghiên cứu và ứng dụng ra sản xuất phục vụ đời sống.
1.4.2. Các công trình nước ngoài
Trên thế giới, quá trình phát triển nông nghiệp công nghệ cao đang diễn

ra mạnh mẽ trên diện rộng ở những nước có khoa học công nghệ phát triển.
Ðó là sự kết hợp ứng dụng các công nghệ trọng điểm của thời đại như công
nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học, công nghệ nano
để tạo ra nông sản có năng suất, chất lượng cao, giá thành hạ. Dựa vào công
nghệ gien, các nước tiên tiến đã tạo ra được các giống cây trồng có năng suất
cao, công nghệ chọn lọc lai tạo giống, vật nuôi có thể rút ngắn thời gian nuôi,
phát triển nhanh về số lượng nhờ công nghệ nhân bản vô tính [73].


20

Ơ Hà Lan hiện có xấp xỉ 12000 ha diện tích trồng rau trong nhà lưới.

Efficient trolley systems

Jeremy Badgery-Parker

Hình 1.3. Một số hình ảnh sản xuất rau trong nhà lưới ở Hà lan
Ở Canada hiện có xấp xỉ 600 ha sản xuất rau trong nhà lưới
Integrated pest management

Jeremy Badgery-Parker

Jeremy Badgery-Parker

Hình 1.4. Một số hình ảnh sản xuất rau trong nhà lưới ở Canada
Ở Úc hiện có xấp xỉ 1500 ha diện tích trồng rau trong nhà lưới, cà chua
và dưa chuột có thể đạt được 500 tấn/ha và 250 tấn/ha.

Hình 1.5. Một số hình ảnh sản xuất rau trong nhà lưới ở Úc

21

Ở Anh năm 1988 đã có 38 khu vườn khoa học. Hiện nay ở Anh có xấp
xỉ 120 ha trồng cà chua trong nhà lưới.
Carbon dioxide

Jeremy Badgery-Parker

Hình 1.6. Một số hình ảnh sản xuất rau trong nhà lưới ở Anh
Ở Nhật Bản hiện có xấp xỉ 35000 ha diện tích trồng rau trong nhà lưới,
trong đó 95% là nhà lợp plastic, với những cây chính như rau ăn lá, dâu tây,
dưa chuột, cà chua.
Khu công nghệ cao xuất hiện đầu tiên ở Mỹ vào năm 1939 và 40 năm
sau Mỹ đã có trên 100 khu [100].
Năm 2002, Trung Quốc đã xây dựng 400 khu công nghệ cao, nhờ đó sự
gia tăng giá trị sản xuất nông nghiệp đạt 42%, đạt giá trị sản lượng bình quân
khoảng 40 nghìn đến 50 nghìn USD/ha/năm, gấp 40 ÷ 50 lần so với mô hình
sản xuất trước đó. Trung Quốc hiện đã có khoảng 500 khu nông nghiệp công
nghệ cao và trên 4.000 mô hình sản xuất nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao
tại các vùng sinh thái khác nhau. Những khu này đóng vai trò quan trọng
trong việc phát triển nền nông nghiệp hiện đại của Trung Quốc: Tăng nhanh
được năng suất cây trồng, vật nuôi; tạo được giống lúa cao sản (lúa siêu năng
suất 12 tấn/ha) có mang gen kháng sâu bệnh; các giống cà chua năng suất 140
tấn/ha, rau cải đỏ ngọt năng suất 60 tấn/ha… với chất lượng cao và đồng nhất
[101].
Nhờ ứng dụng thành công và hiệu quả công nghệ tưới phục vụ cho