xây dựng mô hình chăm sóc rau tự động bằng phương pháp thủy canh

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành và sự chi ân sâu sắc đối với các thầy cô của
trường đại học công nghệ thông tin và truyền thông đặc biệt các thầy cô khoa công
nghệ tự động hóa của trường đã tạo điều kiện tốt nhất cho em hòan thành đồ án tốt
nghiệp .và em xin chân thành cảm ơn thầy VŨ THÀNH VINH đã nhiệt tình hướng
dẫn em hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp.
Trong quá trình làm đồ án cũng như trong quá trình báo cáo đồ án ,khó tránh khỏi
sai sót rất mong các thầy cô bỏ qua .đồng thời do trình độ cũng như kinh nghiệm thực tế
còn hạn chế nên bài báo cáo khó tránh khỏi sai sót ,em rất mong nhận được sự đóng góp
thầy cô để em học thêm được nhiều kinh nghiệm để hoàn thiện bản thân hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn !
Thái nguyên, ngày tháng năm 2017
Sinh viên thực hiện
Dương Văn Thái

1


LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan toàn bộ nội dung của báo cáo này là do em tự tìm hiểu nghiên
cứu dưới sự định hướng của thầy giáo hướng dẫn- Th.S. VŨ THÀNH VINH. Nội
dung báo cáo này không sao chép và vi phạm bản quyền từ bất kỳ công trình nghiên
cứu nào.
Nếu những lời cam đoan trên không đúng, em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
trước pháp luật.
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2017
Sinh viên thực hiện

Dương Văn thái

2

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. 1
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................ 2
MỤC LỤC ................................................................................................................... 3
DANH MỤC HÌNH..................................................................................................... 5
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 7
TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................................................................ 8
CHƯƠNG I: CƠ SỞ LỸ THUYẾT ........................................................................... 12
1.1 Hệ thống thủy canh ........................................................................................... 12
1.1.1 Khái niệm thủy canh................................................................................... 12
1.1.2 Một số mô hình trồng rau thủy canh ........................................................... 12
1.1.3 Các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây NPK ............................................... 15
1.1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp thủy canh ............................................... 18
1.2 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của rau .............................. 19
1.2.1 Ánh sáng .................................................................................................... 19
1.2.2 Nhiệt độ...................................................................................................... 20
1.2.3 Độ ẩm......................................................................................................... 20
1.2.4 Nồng độ PH................................................................................................ 20
1.2.5 Độ dẫn điện EC .......................................................................................... 21
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN..................................................................... 22
2.1 Mô tả hệ thống.................................................................................................. 22
2.2. Thiết kế phần cứng .......................................................................................... 22
2.2.1. Sơ đồ khối nút EC-nhiệt độ ....................................................................... 22
2.2.2 Sơ đồ khối nút PH ...................................................................................... 30
2.2.3 Sơ đồ khối nút môi trường. ......................................................................... 38
2.2.4 Sơ đồ khối nút điều khiển. .......................................................................... 44
CHƯƠNG III:KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC...................................................................... 49
3.1 Đánh giá sản phẩm ........................................................................................... 49

3.1.1 Độ tin cậy ................................................................................................... 49
3.1.2 Đánh giá về năng lượng tiêu thụ của sản phẩm ........................................... 49
3.1.3. Khả năng ứng dụng ................................................................................... 49

3


KẾT LUẬN ............................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 51
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 52

4


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 hệ thống thủy canh dạng bấc ....................................................................... 12
Hình 1.2 hệ thống thủy canh dạng tĩnh....................................................................... 13
Hình 1.3 hệ thống thủy canh ngập và rút định kì ........................................................ 13
Hình 1.4 Hệ thống thủy canh nhỏ giọt........................................................................ 14
Hình 1.5 hệ thống thủy canh màng dinh dưỡng .......................................................... 14
Hình 1.6 hệ thống khí canh ........................................................................................ 15
Hình 2.1 Sơ đồ khối nút EC-nhiệt độ ......................................................................... 22
Hình 2.2: Hình ảnh Arduino Nano ............................................................................. 23
Hình 2.3: Cảm biến EC .............................................................................................. 25
Hình 2.4: Đầu đo cảm biến EC và mẫu dung dịch hiệu chuẩn .................................... 25
Hình 2.5: Mối quan hệ giữa EC và TDS .................................................................... 26
Hình 2.6: Hình ảnh cảm biến nhiệt độ DS18B20........................................................ 27
Hình 2.7 module truyền thông cc2530 ....................................................................... 28
Hình 2.8 sơ đồ nguyên lý nút EC-nhiệt độ ................................................................. 29
Hình 2.9 mạch đo EC-nhiệt độ ................................................................................... 30

Hình 2.10 sơ đồ khối nút PH ...................................................................................... 30
Hình 2.11: Hình ảnh Arduino Nano ........................................................................... 31
Hình 2.12: E201C – thiết bị đo độ PH........................................................................ 33
Hình 2.13: Cấu tạo của điện cực PH .......................................................................... 33
Hình 2.14: Cấu trúc của PH sensor ............................................................................ 34
Hình 2.15: Các mức điện thế khác nhau khi nhúng điện cực vào dung dịch ............... 35
Hình 2.16: Đường biểu thị sự phụ thuộc của điện áp đo được theo PH....................... 36
Hình 2.17 Module truyền thông cc2530 ..................................................................... 36
Hình 2.18 Sơ đồ nguyên lí nút PH ............................................................................. 37
Hình 2.19 Mạch đo PH .............................................................................................. 38
Hình 2.20 Sơ đồ khối nút môi trường ......................................................................... 38
Hình 2.21: Hình ảnh Arduino Nano ........................................................................... 39
Hình 2.22 cảm biến ánh sáng ..................................................................................... 41
Hình 2.23 cảm biến DHT 11 ...................................................................................... 42
Hình 2.24 module truyền thông cc2530 ..................................................................... 42

5


Hình 2.25sơ đồ nguyên lý nút môi trường .................................................................. 43
Hình 2.26 mạch thật nút môi trường .......................................................................... 43
Hình 2.27 sơ đồ khối nút điều khiển .......................................................................... 44
Hình 2.28: Hình ảnh Arduino Nano ........................................................................... 45
Hình 2.29 module truyền thông cc2530 ..................................................................... 46
Hình 2.30 máy bơm nước mini ATMAN 304 ............................................................ 47
Hình 2.31 sơ đồ nguyên lý nút điều khiển .................................................................. 48
Hình 2.32 mạch thật nút điều khiển ........................................................................... 48

6

LỜI MỞ ĐẦU
Nước ta là một nước đang phát triển với nền nông nghiệp là nền sản xuất vật
chất cơ bản,giữ vai trò to lớn trong sự phát triển kinh tế xã hội.chính vì vậy việc đầu tư
phát triển nghành nông nghiệp rất cần được quan tâm.Trong đó sản xuất rau an toàn
cũng là lĩnh vực sản xuất rất cần thiết cho cuộc sống ngày càng phát triển hiện nay.
Rau là sản phẩm tiêu dùng không thiếu trong cuộc sống con người,cung cấp rất
nhiều vitamin mà thực phẩm khác không thể thay thế được.Hiện nay,do nhu cầu hội
nhập quốc tế và sự phát triển kinh tế xã hội của đất nước việc sản xuất rau an toàn gặp
nhiều khó khăn và để sản xuất được rau an toàn cần phải giảm sát và áp dụng theo quy
trình chọn giống chăm sóc thu hoạch đặc biệt là sử dụng phân bón hóa học,thuốc trừ
sâu,chất kích thích tăng trưởng,...liệu có ảnh hưởng gì đến sức khỏe của người tiêu
dùng.chính vì vậy em quyết định chọn đề tài “xây dựng mô hình chăm sóc rau tự
động bằng phương pháp thủy canh”làm đồ án tốt nghiệp của mình.
Để hoàn thành đề tài này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Th.S VŨ
THÀNH VINH người đã hướng dẫn và tận tình chỉ bảo cho em trong suốt quá trình
hoàn thiện đồ án.
Em cũng gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè đã luôn quan tâm, động viên, giúp
đỡ và tạo điều kiện cho em để em có điều kiện tốt nhất để hoàn thành đề tài.
Em xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày tháng năm 2017
Sinh viên thực hiện

Dương Văn Thái

7


TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1. Tính cấp thiết

Với tốc độ đô thị hóa như hiện nay thì việc thiếu đất canh tác đang là một vấn
đề được đặt ra cho nhiều ngành cũng như các cơ quan chức năng. Đi kèm với nó, cuộc
sống của người dân nơi đô thị hiện đang phải đối mặt với nhiều thực trạng, trong đó có
vấn đề về sử dụng rau sạch cho sinh hoạt hàng ngày của gia đình. Do vậy, việc sản
xuất rau quả an toàn và chất lượng cao bằng công nghệ thủy canh đã được thế giới
công nhận và rất phù hợp cho Việt Nam (là một nước đông dân và có tới 70% dân số
làm nông nghiệp). Sản phẩm có tên gọi “xây dựng mô hình chăm sóc rau tự động
bằng phương pháp thủy canh” ra đời không chỉ đáp ứng được nhu cầu cấp thiết về
rau sạch hiện nay cho người tiêu dùng, nâng cao sức khỏe cho cộng đồng mà còn cải
thiện môi trường sống xung quanh, cụ thể như giảm thiểu việc sử dụng thuốc bảo vệ
thực vật, tăng diện tích cây xanh, giảm hàm lượng khí thải CO2, tăng sinh dưỡng khí
O2, nâng cao trình độ sản xuất nông nghiệp.
2 . Tình hình sản xuất rau sạch thế giới
Rau xanh là loại thực phẩm thiết yếu của cuộc sống con người, cung cấp phần
lớn khoáng chất và vitamin, góp phần cân bằng dinh dưỡng trong bữa ăn hàng ngày.
Rau là cây trồng có giá trị kinh tế cao, là mặt hàng xuất khẩu của nhiều nước trên thế
giới. Hiện nay nhiều nước trên thế giới trồng rau với diện tích lớn, tại các nước đang
phát triển tỷ lệ cây rau/cây lương thực là 2/1, còn ở các nước đang phát triển tỷ lệ này
là ½.
Năm 1980 toàn thế giới trồng được 8.066.840 ha, năm 1990 là 10.405.270, tăng
2.338.430 ha (trung bình 1 năm tăng 233.843 ha). Năm 2000 diện tích rau của thế giới
đạt 14.572.540, tăng 4.167.270 ha (trung bình 1 năm tăng 416.727 ha). Năm 2010
trồng được 18.075.290 ha, tăng 3.502.750 ha so với năm 2000 (trung bình 1 năm tăng
350.275 ha), tăng 7.670.020 ha so với năm 1990 và 10.008.450 ha so với năm 1980.
Về năng suất rau của thế giới không ổn định qua các năm. Năm 1980 năng suất
rau chỉ đạt 106,11 tạ/ha, năm 1990 là 134,89 tạ/ha, tăng 28,78 tạ/ha. Năm 2000 có
năng suất rau cao nhất, đạt 146,84 tạ/ha, tăng 11,95 tạ/ha so với năm 1990 và 40,70
tạ/ha so với năm 1980. Sau năm 2000 năng suất rau có xu hướng giảm dần, tuy mức
độ không nhiều nhưng cũng là con số đáng lo ngại cho ngành trồng rau. Năm 2010

8


năng suất rau trên thế giới chỉ đạt 132,88 tạ/ha, giảm 13,96 tạ/ha so với năm 2000,
giảm 2,01 tạ/ha so với năm 1990.
Do năng suất giảm trong thập kỷ gần đây nên sản lượng rau của thế giới đạt cao
nhất vào năm 2008 là 249.702.200 tấn, tăng 35.719.020 tấn so với năm 2000, tăng
109.345.500 tấn so với năm 1990 và 164.104.960 tấn so với năm 1980. Năm 2010 sản
lượng rau chỉ còn 240.177.290 tấn, giảm 9.524.910 tấn so với năm 2008.
Tình hình sản xuất rau của các châu lục biến động khá lớn. Châu Á có diện tích
trồng rau lớn nhất thế giới. Năm 2010 toàn châu lục trồng được 14.110.820 ha, chiếm
78,07% diện tích rau của thế giới. Châu phi có diện tích trồng rau lớn thứ 2, đạt
2.747.520 ha, bằng 19,47% diện tích rau của châu Á. Châu Đại dương có diện tích
trồng rau thấp nhất, chỉ có 32.970 ha bằng 0,23% diện tích rau của châu Á.
Mặc dù châu Á có diện tích trồng rau lớn nhất thế giới nhưng năng suất rau
đứng hàng thứ 3 trong các châu lục. Năm 2010 năng suất rau của châu Á đạt 145,54
tạ/ha, cao hơn năng suất trung bình của thế giới là 12,66 tạ/ha. Châu Âu có năng suất
rau cao nhất thế giới (168,03 tạ/ha), cao hơn năng suất trung bình của thế giới là 35,15
tạ/ha và cao hơn năng suất rau của châu Á là 22,49 tạ/ha. Châu Phi có năng suất rau
thấp nhất thế giới, chỉ đạt 61,39 tạ/ha, bằng 46,2% năng suất rau của thế giới, 42,18%
năng suất rau của châu Á.
Do có diện tích trồng rau lớn nên sản lượng rau của châu á cao nhất là
205.368.870 tấn, chiếm 85,51% sản lượng rau của thế giới. Châu Phi có sản lượng rau
đứng thứ 2 là 16.867.030 tấn, chiếm 7,02% sản lượng rau của thế giới, bằng 8,21% sản
lượng rau của châu Á. Châu Đại dương mặc dù có năng suất rau cao thứ 2 thế giới
nhưng do diện tích gieo trồng ít nên sản lượng thấp nhất là 551.130 ha, chỉ bằng 0,23%
sản lượng rau của thế giới, bằng 0,27% sản lượng rau của châu Á.
Vùng Đông Nam Á có diện tích trồng rau khá lớn, năm 2010 toàn vùng trồng
được 1.812.370 ha, bằng 12,84% diện tích rau của châu Á, bằng 10,03% diện tích rau
của thế giới. Năng suất rau của vùng cũng xấp xỉ năng suất bình quân của thế giới, đạt

130,3 tạ.ha, sản lượng đạt 23.615.180 tấn (chiếm 11,5% sản lượng rau của châu Á,
chiếm 9,83% sản lượng rau của thế giới).

9


3. Tình hình sản xuất rau ở việt nam
Cây rau du nhập vào nước ta từ đầu thế kỷ X. Năm 1721 – 1783 Lê Quý Đôn đã
tiến hành tổng kết các vùng phân bố rau. Năm 1029 nước ta đã tiến hành trồng thử rau
cải trắng và khoai tây. Tuy nhiên do nền kinh tế tự túc kéo dài nên nghề trồng rau của
nước ta rất manh mún.
Năm 1980 cả nước trồng được 220.000 ha, năm 1990 là 261.100 ha, tăng
41.100 ha. Năm 2000 diện tích trồng rau của nước ta tăng kỷ lục, đạt 452.900 ha, tăng
191.800 ha so với năm 1990, tăng 232.900 ha so với năm 1980. Tuy nhiên 5 năm trở
lại đây diện tích trồng rau của nước ta biến động thất thường, năm 2006 cả nước trồng
được 536.914 ha, tăng 84.014 ha so với năm 2000, tuy nhiên 2 năm sau diện tích rau bị
giảm nhẹ đến năm 2010 diện tích trồng rau mới tăng trở lại đạt 553.500 ha.
Về năng suất rau của nước ta có xu hướng biến động gần giống năng suất rau
của thế giới. Năm 1980 năng suất rau chỉ đạt 98,84 tạ/ha, năm 1990 đạt 112,35 tạ/ha
và năm 2000 năng suất rau đạt cao nhất là 124,36 tạ/ha. Giai đoạn 2006 – 2010 năng
suất rau biến động thất thường, năm 2008 có năng suất rau thấp nhất là 117,06 tạ/ha,
năm 2010 năng suất ra tăng lên được 212,64 tạ/ha nhưng vẫn thấp hơn 1,83 tạ/ha so
với năm 2007, thấp hơn 2,72 tạ/ha so với năm 2000.
Sản lượng rau của nước ta tăng lên đáng kể qua các giai đoạn. Năm 1980 cả
nước thu được 2.164.800,0 tấn, năm 1990 là 2.933.458,5 tấn tăng 768.658,5 tấ so với
năm 1980 (trung bình tăng 76.865,85 tấn/năm). Năm 2000 sản lượng rau đạt
5.632.264,4, tăng 2.698.805,9 so với năm 1990 (trung bình tăng 269.880,59 tấn/năm),
tăng 3467464.4 tấn so với năm 1980. Năm 2010 sản lượng rau của nước ta cao nhất,
đạt 6.732.774,0 tấn, tăng 1.100.509,6 tấn so với năm 2000 (trung bình tăng 110.050,96
tấn/năm, thấp hơn giai đoạn 1990 – 2000).

4. Mục tiêu nghiên cứu đề tài
Tìm hiểu về một số loại cảm biến chuyên dụng ,vi điều khiển và ứng dụng xây
dựng mô hình tự động giám sát môi trường và điều khiển trong việc trồng rau thủy
canh.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý luận: Tổng hợp các tài liệu kỹ thuật, công nghệ, phân tích và
đánh giá nội dung liên quan đến đề tài.

10


Phương pháp thực nghiệm: Khảo sát, phân tích, thiết kế và đánh giá nội dung
nghiên cứu trong quá trình chế tạo các module của đề tài. Đề xuất phương án xây
dựng, chế tạo hệ thống cho phù hợp.
6 Bố cục đề tài
Đề tài gồm có 3 chương:
CHƯƠNG 1: “CƠ SỞ LÝ THUYẾT”: Trong chương này em trình bày tổng
quan về hệ thống thủy canh, nồng độ PH, EC, nhiệt độ của nước, nhiệt độ,độ ẩm,ánh
sáng ảnh hưởng của nó đến sự phát triển của rau.
CHƯƠNG 2: “PHÂN TÍCH BÀI TOÁN”: Nội dung chủ yếu của chương này là
mô tả yêu cầu bài toán, đưa ra lưu đồ thuật toán và thiết kế phần cứng.
CHƯƠNG 3. “KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC”: Ở chương này sẽ trình bày hình ảnh sản
phẩm sau khi hoàn thành.

11


CHƯƠNG I: CƠ SỞ LỸ THUYẾT
1.1 Hệ thống thủy canh
1.1.1 Khái niệm thủy canh

Trồng cây trong dung dịch ( thủy canh ) là kỹ thuật trồng cây không dùng đất
mà trồng trực tiếp vào môi trường dinh dưỡng hoặc giá thể mà không phải là đất. Các
giá thể có thể là cát, trấu, vỏ xơ dừa, than bùn, vermiculite perlite… Thường được định
nghĩa như là “trồng cây trong nước” hoặc “trồng cây không cần đất”, kỹ thuật thủy
canh là một trong những nghề làm vườn hiện đại. Bí quyết của kỹ thuật này là cung
cấp đủ và đúng lúc cho cây trồng các nguyên tố khoáng cần thiết. Cung cấp đầy đủ cái
ăn, bảo đảm đủ ánh sáng, CO2 cho quá trình quang hợp, O2 cho quá trình hô hấp, cây
trồng có thể phát triển khỏe mạnh theo ý muốn của người trồng.
Nếu không kể phần nước “uống” thì cây chỉ lấy khoảng 5% chất dinh dưỡng từ
đất để “ăn”, 95% chất dinh dưỡng còn lại thì “nhà máy cây” tự sản xuất (quang hợp)
và tự tiêu thụ. Đất chỉ đóng vai trò như cái kho lưu giữ các chất dinh dưỡng để cây
dùng từ từ. Nếu có cách để dự trữ và biến các chất dinh dưỡng thành dung dịch lỏng
để cây trực tiếp hấp thụ thì cái “kho đất” không còn cần thiết nữa. Khi đó ta hoàn toàn
có thể trồng cây không cần đất. Công nghệ này gọi là thủy canh.
1.1.2 Một số mô hình trồng rau thủy canh
1.1.2.1 Hệ thống dạng bấc
Hệ thống dạng bấc cho đến nay là dạng hệ thống thủy canh đơn giản nhất. Đúng
như tên gọi, bí quyết của hệ thống này nằm ở chỗ sợi bấc. Đặt một đầu của sợi bấc hút
sao cho chạm vào phần rễ cây. Đầu kia của bấc chìm trong dung dịch dinh dưỡng. Sợi
bấc này sẽ làm nhiệm vụ hút nước và dung dịch dinh dưỡng lên cung cấp cho rễ cây
(tương tự như sợi bấc trong đèn dầu, hút dầu lên để duy trì sự cháy). Như vậy cây sẽ
có đủ nước và chất dinh dưỡng để phát triển.

Hình 1.1 hệ thống thủy canh dạng bấc
12


1.1.2.2 Hệ thống thủy canh tĩnh (water culture)
Hệ thống thường thùng hay nước chứa dung dịch thủy canh, phần bệ giữ các
cây thường làm bằng chất dẻo nhẹ như xốp và đặt nổi ngay trên dung dịch dinh dưỡng,

rễ cây ngập chìm trong nước có chứa dung dịch dinh dưỡng. Vì môi trường thiếu khí
oxy nên cần có 1 máy bơm bơm khí vào khối sủi bọt để cung cấp oxy cho rễ. Hệ thống
thủy canh dạng này thường dùng phổ biến trong dạy học. Hệ thống ít tốn kém, có thể
tận dụng bể chứa nước hay những bình chứa không rỉ khác.

Hình 1.2 hệ thống thủy canh dạng tĩnh
1.1.2.3 Hệ thống ngập & rút định kỳ (ebb và flow system)
Không giống như hệ thống thủy canh tĩnh ở trên, phần rễ cây luôn chìm trong
nước chỉ thích hợp cho một số ít cây trồng. Hệ thống ngập và rút định kỳ có một máy
bơm điều khiển để có thể bơm dung dịch dinh dưỡng vào khay trồng và rút ra theo chu
kỳ đã được định sẵn. Như vậy rễ cây sẽ có những lúc không ngập trong nước để “thở”
một cách tự nhiên, tránh bị ngập, úng. Hệ thống này thường được áp dụng cho mô
hình aquaponics.

Hình 1.3 hệ thống thủy canh ngập và rút định kì

13


1.1.2.4 Hệ thống nhỏ giọt (Drip systems)
Hệ thống nhỏ giọt là loại hệ thống thủy canh được sử dụng rộng rãi nhất trên
thế giới. Máy bơm sẽ bơm dung dịch dinh dưỡng lên, nhỏ trực tiếp vào gốc của cây
trồng bởi những đường ống nhỏ giọt theo định kỳ. Dung dịch dinh dưỡng dư chảy
xuống sẽ được thu hồi trong bể tái sử dụng. Như vậy, hệ thống này sử dụng dung dịch
dinh dưỡng khá hiệu quả, nước dư ra được tái sử dụng, không bị hao phí. Hệ thống này
có thể dùng để trồng cây thảo mộc và các loại hoa, các loại cây ăn trái như cà chua,
dưa leo, dưa lưới, ớt,...

Hình 1.4 Hệ thống thủy canh nhỏ giọt
1.1.2.5 Hệ thống “màng dinh dưỡng” NFT (Nutrient Film Technique)

Trong hệ thống màng dinh dưỡng, dung dịch dinh dưỡng được bơm liên tục vào
khay trồng và chảy qua rễ của cây, sau đó chúng chảy về bồn chứa để tái sử dụng.
Thường thì trong hệ thống màng dinh dưỡng không cần dùng thêm chất trồng, giúp tiết
kiệm chi phí thay chất trồng sau mỗi vụ mùa. Hệ thống này thường sử dụng trong quy
mô lớn với mục đích thương mại.

Hình 1.5 hệ thống thủy canh màng dinh dưỡng
14


1.1.2.6 Khí canh (Aeroponics)
Khí canh là hệ thống thủy canh dạng kỹ thuật cao nhất. Giống như hệ thống
màng dinh dưỡng, chất trồng chủ yếu là không khí. Rễ phơi trong không khí và được
phun sương bằng dung dịch dinh dưỡng. Việc phun sương thường được thực hiện mỗi
vài phút. Như vậy, cây vừa có đủ thức ăn, vừa có đủ nước uống và luôn có không khí
để thở. Hiện nay khí canh được ứng dụng trong mô hình trồng khoai tây.

Hình 1.6 hệ thống khí canh
1.1.3 Các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây NPK
1.1.3.1 Các nguyên tố đa lượng
 Đạm (N)
Là chất cần thiết để giúp cây sinh trưởng, phát triển các mô sống, tạo diệp lục
tố, nguyên sinh chất, axít nucleic và protein. Làm tăng chất lượng của rau ăn lá, hạt
ngũ cốc. Khi thiếu đạm: cành lá sinh trưởng kém, còi cọc, ít nhánh, ít chồi, lá non nhỏ,
lá già có màu xanh nhạt đến vàng từ chóp lá và dễ bị rụng, rễ ít pháp triển. Khi thiếu
đạm trầm trọng năng suất thấp thu hoạch và hàm lượng protein thấp. Vàng từ lá già
lên. Khi thừa đạm: cây sinh trưởng rất mạnh, lá to, tán to, mềm yếu, dễ đổ ngã, dễ
nhiễm sâu bệnh.
 Lân (P)
Là chất cần thiết của quá trình trao đổi năng lượng, protein và phân chia tế bào

của cây, là thành phần của axít nucleic, amino axít, protein phospho – lipid, coenzim,
nhiễm sắc thể. Lân kích thích rễ và ra hoa. Khi thiếu lân: Cây còi cọc, thân yếu, lá mỏng,
trưởng thành có màu xanh sẫm đến tím đỏ, rễ kém phát triển, khó ra hoa, ít trái, chín

15


chậm, năng suất, chất lượng thấp, trái thường có vỏ dày, xốp. Khi thừa lân: khó phát
hiện hiện tượng thừa lân. Thừa lân thường kèm theo hiện tượng thiếu kẽm và đồng.
 Kali (K)
Giúp tăng khả năng hoạt động của khí khổng, hoạt hoá enzim quang hợp và
tổng hợp hydrat carbon. Giúp vận chuyển hydrat carbon, tổng hợp protein. Tăng
cường khả năng sử dụng ánh sáng khi thời tiết lạnh và mây mù. Có tác dụng nâng cao
khả năng chống rét cho cây. Làm tăng độ lớn của hạt và cải thiện chất lượng rau quả.
Thiếu kali: chóp lá già chuyển màu vàng nâu, sau đó lan dần vào trong theo chiều từ
chóp lá trở xuống, từ mép lá trở vào. Thiếu nặng, phần lớn lá bị cháy và rụng. Cây
phát triển chậm và còi cọ,c thân yếu dễ bị đổ ngã. Thừa kali: khó nhận biết, tuy nhiên
khi bón nhiều kali trái cam bị sần sùi.
1.1.3.2 Các nguyên tố trung lượng: Canxi – Magiê – Lưu huỳnh
 Canxi (Ca)
Khi thiếucanxi: Lá và đọt non dễ bị biến dạng, cong queo, nhỏ, mép lá không
đều, có màu xanh không bình thường, chồi chết ngọn, rễ yếu, dễ gãy và thối, hoa rụng
sớm, thân yếu, năng suất, chất lượng thấp. Khi thừa canxi thường gây thiếu các
nguyên tố vi lượng: B, Mn, Fe, Zn, Cu…
 Magiê (Mg)
Là thành phần tạo nên diệp lục tố. Là hoạt chất trong hệ enzim giúp chuyển hoá
hydratcarbon và tổng hợp axit nucleic. Thúc đẩy hấp thu và vận chuyển lân, đường.
Thiếu magiê: lá nhỏ, mép lá cong lên, rụng sớm, xuất hiện những vùng sáng (vàng
nhạt đến cam, tía) giữa gân lá, hoa ra ít, rễ kém phát triển, thân yếu dễ bị nấm bệnh tấn
công. Thừa magiê: lá bị biến đổi hình dạng, cuốn theo hình xoắn ốc và rụng…

 Lưu huỳnh (S)
Là thành phần của một số axít amin liên quan đến hoạt động trao đổi chất,
vitamin và các coenzim A giúp cấu trúc protein vững chắc. Thiếu lưu huỳnh: các lá
non chuyển sang màu vàng, vàng từ ngọn xuống. Sinh trưởng của chồi bị hạn chế, ảnh
hưởng đến số hoa. Thân cứng, nhỏ và hoá gỗ sớm.

16


1.1.3.4 Các nguyên tố vi lượng: Sắt (Fe), Kẽm (Zn), Mangan (Mn), Đồng (Cu), Bo (B),
Molypden (Mo), Clo (Cl)
Các nguyên tố vi lượng đều đóng vai trò quan trọng như là thành phần của
các enzim hoặc diệp lục tố, kích thích và điều hòa sự chuyển hóa, vận chuyển chất
trong cây.
 Sắt (Fe)
Là chất cần để tổng hợp và duy trì diệp lục tố trong cây. Thiếu sắt: lá non úa
vàng, đỉnh và mép lá có màu xanh lâu nhất. Trường hợp thiếu nhiều sắt: toàn bộ thịt và
gân lá chuyển vàng và cuối cùng trở thành trắng nhợt.
 Kẽm (Zn)
Kẽm có vai trò quan trọng trong việc tổng hợp đạm, hình thành các chất điều
hòa sinh trưởng trong cây… Thiếu kẽm: Các lá non nhỏ, biến dạng, mọc xít nhau,
chuyển thành màu vàng trắng và xù ra. Ít hoa, quả, năng suất, chất lượng giảm.
 Đồng (Cu)
Xúc tiến quá trình hình thành vitamin A. Giúp cây tăng khả năng chịu hạn, chịu
nóng, chịu lạnh… Thiếu đồng: ở cây ngũ cốc xuất hiện lá màu vàng và quăn, ít hoa,
hạt kém phát triển, ở cây có múi chết đen ở phần mới sinh trưởng, quả có những đốm
nâu, khả năng chống chịu sâu bệnh ở cây kém.
 Bo (B)
Tăng khả năng thấm ở màng tế bào, giúp dễ dàng vận chuyển hydrát carbon.
Cần cho quá trình tổng hợp và phân chia tế bào. Giúp điều chỉnh tỷ lệ K/Ca trong cây.

Thiết yếu với sự tổng hợp protein trong cây. Đóng vai trò quan trọng trong việc hình
thành phấn hoa Thiếu Bo: Lá biến dạng, dày, đôi khi giòn, hoa kém phát triển, dễ bị
rụng, hạt bị lép, ít đậu quả, quả non hay rụng, dễ bị sâu bệnh phá hại, khả năng chống
chịu điều kiện bất lợi kém.. Vỏ quả dày, lõi thường bị thâm đen, rỗng ruột, lệch tâm,
Năng suất, chất lượng kém.
 Molypđen (Mo)
Là chất xúc tác cho quá trình cố định và sử dụng đạm của cây, là thành phần
của men khử nitrat và men nitrogense. Tham gia các quá trình trao đổi chất, tổng hợp
chất diệp lục… Thiếu molypden: xuất hiện đốm vàng ở gân giữa của các lá dưới, hoại
tử mép lá và lá bị gập nếp lại. ở rau, các mô lá bị héo, chỉ còn lại gân giữa của lá và

17


một vài miếng phiến lá nhỏ. Các hiện tượng này thấy rõ ở các cây họ đậu: nếu thiếu
molypden cây phát triển kém, ít nốt sần, giảm cố định đạm tự do.
 Clo (Cl)
Clo ảnh hưởng đến sự chuyển hoá hydrat carbon và khả năng giữ nước của mô
thực vật. Thiếu Clo: chóp lá non bị héo, úa vàng, sau đó chuyển sang màu đồng thau
và chết khô.
1.1.4 Ưu nhược điểm của phương pháp thủy canh
1.1.4.1 Ưu điểm của trồng cây bằng phương pháp thủy canh
-Có thể chủ động điều chỉnh dinh dưỡng cho cây, các loại dinh dưỡng được
cung cấp theo yêu cầu của từng loại rau, có thể loại bỏ các chất gây hại cho cây và
không có các chất tồn dư từ vụ trước.
-Tiết kiệm nước do cây sử dụng trực tiếp nước trong dụng cụ đựng dung dịch
nên nước không bị thất thoát do ngấm vào đất hoặc bốc hơi.
-Giảm chi phí công lao động do không phải làm một số khâu như làm đất, làm
cỏ, vun xới và tưới
-Dễ thanh trùng vì chỉ cần rửa bằng formaldehyt loãng và nước lã sạch.

-Hạn chế sử dụng thuốc bảo thực vật và điều chỉnh được hàm lượng dinh dưỡng
nên tạo ra sản phẩm ray an toàn đối với người sử dụng.
-Trồng được rau trái vụ do điều khiển được các yếu tố môi trường
-Nâng cao năng suất và chất lượng rau: Năng suất rau có thể tăng từ 25 – 50%
1.1.4.2 Nhược điểm của phương pháp thủy canh
-Giá thành cao do đầu tư ban đầu lớn. Điều này rất khó mở rộng sản xuất vì
điều kiện kinh tế của người dân còn nhiều khó khăn nên không có điều kiện đầu tư cho
sản xuất. Mặt khác giá thành cao nên tiêu thụ khó khăn.
- Yêu cầu kỹ thuật cao: Khi sử dụng kỹ thuật thủy canh yêu cầu người trồng
phải có kiến thức về sinh lý cây trồng, về hóa học và kỹ thuật trồng trọt cao hơn vì tính
đệm hóa trong dung dịch dinh dưỡng thấp hơn trong đất nên việc sử dụng quá liều một
chất dinh dưỡng nào đó có thể gây hại cho cây, thậm chí dẫn đến chết (FAO, 1992)[7];
Runia W.T (1998)[31]. Mặt khác mỗi loại rau yêu cầu một chế độ dinh dưỡng khác
nhau nhên việc pha chế dinh dưỡng phù hợp với từng loại thì không đơn giản.

18


- Sự lan truyền bệnh nhanh: Mặc dù đã hạn chế được nhiều sâu bệnh hại nhưng
trong không khí luôn có mầm bệnh, khi xuất hiện thì một thời gian ngắn chúng có mặt
trên toàn bộ hệ thống, đặc biệt là hệ thống thủy canh tuần hoàn Midmore D.J (1993).
Mặt khác độ ẩm cao, nhiệt độ ổn định trong hệ thống là điều kiện thuật lợi cho sự phát
triển cuả bệnh cây. Cây trồng trong hệ thống thủy canh thường tiếp xúc với ánh sáng
tán xạ nên mô cơ giới kém phát triển, cây mềm yếu, hàm lượng nước cao nên dễ xuất
hiện vết thương tạo điều kiện cho vi sinh vật xâm nhập
- Đòi hỏi nguồn nước đảm bảo tiêu chuẩn nhất định: Theo Midmore thì độ mặn
trong nước cần được xem xét kỹ khi sử dụng cho trồng rau thủy canh, tốt nhất là nhỏ
hơn 2.500 ppm.
1.2 Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển của rau
1.2.1 Ánh sáng

Là yếu tố quan trọng nhất cho sự sinh trưởng và sự phát triển của rau. Ánh sáng
mặt trời là nguồn năng lượng duy nhất, vô tận để cây xanh quang hợp, biến các chất vô
cơ, nước và khí cacbonic thành hợp chất hữu cơ tích lũy trong lá, hoa, quả, củ… phục
vụ cho nhu cầu sống của con người và các động vật.
Các loài rau khác nhau có nhu cầu về ánh sáng không giống nhau: các loại rau
trồng vào mùa hè yêu cầu độ chiếu sáng mạnh, thời gian chiếu sáng dài 12 – 14
giờ/ngày. Rau trồng vào mùa đông yêu cầu cưòng độ ánh sáng yếu và thời gian chiếu
sáng từ 8 đến 12 giờ/ngày.
Do đó, người trồng rau có nắm vững điều này thì mới bố trí được cây trồng hợp
lý, tạo được ánh sáng phù hợp để rau phát triển tốt nhất. Ngoài ra, thời gian chiếu sáng
còn ảnh hưởng đến giới tính của một số loài như dưa chuột trong điều kiện ánh sáng
đầy đủ số lượng hoa cái tăng, thời gian chiếu sáng giảm sẽ tăng số lượng hoa đực.
Cường độ ánh sáng cũng có ảnh hưỏng lớn đến sinh trưởng và phát triển của
rau. Dựa vào cường độ ánh sáng, ngưòi ta phân rau ra các nhóm:
Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng mạnh là bí ngô, cà, cà chua, ốt, đậu.
Nhóm yêu cầu cường độ ánh sáng trung bình như cải bắp, cải trắng, cải củ,
hành, tỏi.
Nhóm yêu cầu cưòng độ ánh sáng yếu: xà lách, rau diếp.

19


Dựa vào cách phân loại này mà có chế độ xen canh gối vụ phù hợp để tận dụng
hết chất dinh dưỡng trong đất vừa tăng sản lượng rau trồng.
Ngày nay, ngoài ánh sáng Mặt trời, người ta còn dùng hệ thống đèn huỳnh
quang để bổ sung ánh sáng cho rau trồng trong nhà có mái che.
1.2.2 Nhiệt độ
Là yếu tố quan trọng nhất trong sinh trưởng và sự phát triển của cây rau. Nhiệt
độ chính là yếu tố tạo nên các vùng khí hậu khác nhau trên trái đất và từ đó có các tập
đoàn rau riêng biệt cho từng vùng. Mỗi loài rau đòi hỏi có nhiệt độ thích hợp để sống.

Một số loài rau sinh trưởng tốt ở < 5ºC, đem trồng vào mùa nóng sẽ ngừng sinh
trưởng. Các loại rau bắp cải, su hào, cải trắng, củ cải phát triển tốt ở 13 – 15°C cao
nhất lên đến 27°C, nếu nhiệt cao hơn cây sẽ chết. Các loại xà lách cuốn, rau diếp, ngò
tây, cải canh phát triển tốt ở 16°C có thể chịu được khi nhiệt độ xuống 7°C. Các loại
đậu đỗ, bầu bí, cà chua, ớt phát triển ở 15 – 30°C.
Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ nảy mầm của hạt, ví dụ hành có thể nảy mầm ở
2°C, cà rốt và các loại cải 5°C, bầu bí nảy mầm ở 35°C.
Nhiệt độ còn ảnh hưởng đến sự phát triển, sự nở hoa, chất lượng sản phẩm, khả
năng bảo quản, thời gian ngủ của hạt và ảnh hưỏng đến sự phát triển của sâu bệnh trên
các loại rau.
1.2.3 Độ ẩm
Độ ẩm trong không khí, trong đất có tác động đến các giai đoạn sinh trưởng của
cây như sự nảy mầm của hạt, sự ra hoa, kết hạt, thòi gian chín của quả, chất lượng rau,
sản lượng, sinh trưởng sinh dưỡng, phát sinh sâu bệnh và bảo quản hạt giông.Nhiệt độ
và độ ẩm có quan hệ mật thiết với nhau và có tác động lớn đến sinh trưỏng, tái sinh
của nhiều loài rau, đặc biệt là trong sản xuất hạt giống.
1.2.4 Nồng độ PH
PH là kí hiệu chỉ độ chua, độ kiểm của nước. Biểu hiện bằng nồng độ ion H+
trong môi trường. Độ chua của nước được chia ra: pH – 4 rất chua; 5 chua; 6 hơi chua;
7 trung bình; 7,5 kiềm yếu; 8 và trên 8 là kiềm.
Độ pH:Giá trị pH tối thích nằm trong khoảng 5.8 –6.5. Giá trị pH càng lệch ra
khỏi khoảng này thì càng có ảnh hưởng tiêu cực lên hệ thống thủy canh, pH trên 7.5 sẽ
làm giảm khả năng hấp thu sắt và có thể xảy ra hiện tượng úa vàng thân, pH dưới 6.0

20


sẽ làm giảm mạnh khả năng hòa tan acid phosphoric, ion calcium và mangan. Có thể
sử dụng các chất đệm hoá học để giữ ổn định giá trị pH.
1.2.5 Độ dẫn điện EC

Độ dẫn điện EC (Electrical Conductivity) được định nghĩa là khả năng tạo ra
dòng điện của một dung dịch, là một tham số cho biết tổng nồng độ của muối trong
dung dịch. EC càng cao, muối càng bị tan nhiều trong nước
Độ dẫn điện:Giá trị độ dẫn điện (EC) tốt nhất là trong khoảng 1.5 –2.5 dS/m.
Giá trị EC cao hơn sẽ ngăn cản sự hấp thu chất dinh dưỡng, EC thấp sẽ ảnh hưởng đến
sức sống và năng suất cây. Khi cây hấp thu chất dinh dưỡng và nước từ dung dịch,
tổng nồng độ muối và EC đều thay đổi.

21


CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH BÀI TOÁN
2.1 Mô tả hệ thống
Quy trình đo đạc các thông số môi trường (nhiệt độ, pH, độ ẩm,EC,ánh sáng)
bắt đầu bằng việc các cảm biến sẽ thu thập số liệu từ môi trường và đưa về arduino sử
lý thông qua module truyền thông gửi về nút chủ .Trên nút chủ cũng có module truyền
thông nhận tín hiệu các nút thu thập về Các số liệu này sẽ được đưa vào Arduino và
điều khiển cơ cấu chấp hành Lý do thiết kế hệ thống:
- Cập nhật được thông số môi trường một cách nhanh chóng.
- Có thể ứng dụng vào trong hệ thống khác.
- kiểm soát được thông số môi trường
Yêu cầu đối với hệ thống:
- Đo và hiển thị được các thông số môi trường lên máy tính
- Dễ thay thế khi hỏng.
- điều khiển tự động các cơ cấu chấp hành
2.2. Thiết kế phần cứng
2.2.1. Sơ đồ khối nút EC-nhiệt độ

Hình 2.1 Sơ đồ khối nút EC-nhiệt độ
- Chức năng và nhiệm vụ các khối:

+ Khối nguồn: Có chức năng cung cấp nguồn duy trì hoạt động cho toàn hệ thống.
+ Khối cảm biến: Có chức năng thu thập các thông số EC-nhiệt độ đo được gửi
về và giao tiếp với khối xử lý trung tâm.

22


+ Khối xử lý trung tâm: Có chức năng giao tiếp với các cảm biến để lấy các
thông số..
+Module truyền thông:có chức năng giao tiếp với khối sử lý trung tâm để nhận
thông số EC-nhiệt độ để đẩy thông số về nút chủ.
2.2.1.1. Một số linh kiện sử dụng
2.2.1.1.2. Arduino Nano
Arduino Nano là một thiết kế nhỏ gọn với chức năng, sức mạnh, phần cứng
cũng như cách sử dụng hoàn toàn tương đương với Arduino Uno.
Arduino Nano sử dụng chip dán ATmega328 (Arduino Nano 3.x). Nó thiếu chỉ
một jack cắm điện DC, và làm việc với một cáp USB Mini-B. Nano được thiết kế và
được sản xuất rộng khắp.

Hình 2.2: Hình ảnh Arduino Nano

23


Thông số kỹ thuật:
Vi điều khiển

ATmega328 hoặc Atmega168

Điện áp hoạt động

5V – DC

Tần số hoạt động

16 MHz

Dòng tiêu thụ

30 mA

Điện áp vào khuyên dùng

7-12V – DC

Điện áp vào giới hạn

6-20V – DC

Số chân Digital I/O

14 (6 chân PWM)

Số chân Analog

8 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

40 mA

Dòng ra tối đa (5V)

500 mA

Dòng ra tối đa (3.3V)

50 mA
16KB (Atmega168) hoặc 32 KB
(Atmega328) trong đó 2 KB sử dụng bởi bộ

Bộ nhớ flash

nạp khởi động.

SRAM

1 KB (Atmega168) hoặc 2K (ATmega328)

EEPROM

512

Byte (ATmega168) hoặc 1 KB

(ATmega328)

24

2.2.1.1.3. Cảm biến EC
Hình ảnh của cảm biến EC trong thực tế như sau:

Hình 2.3: Cảm biến EC

Hình 2.4: Đầu đo cảm biến EC và mẫu dung dịch hiệu chuẩn
Thông số kĩ thuật
- Điện áp hoạt động: 5,00 V
- Kích thước PCB: 45 × 32mm (1.77x1.26 ")
- Dải đo: 1ms/cm - 20ms/cm
- Nhiệt độ hoạt động: 5-40 ℃
- Độ chính xác: <± 5% FS (sử dụng Arduino 10 bit ADC)
- PH2.0 Interface (3-pin SMD)
- Độ dẫn điện cực (điện cực K liên tục = 1, kết nối BNC)
- Chiều dài cáp của điện cực: Khoảng 60cm (23,62")
25