ỨNG DỤNG LED RGB NÂNG CAO NĂNG SUẤT cải mù tạt THEO PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ỨNG DỤNG LED RGB NÂNG CAO
NĂNG SUẤT CẢI MÙ TẠT THEO
PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/70

CHUYÊN ĐỀ A: ỨNG DỤNG LED RGB NÂNG CAO NĂNG SUẤT
CẢI MÙ TẠT THEO PHƯƠNG PHÁP THỦY CANH
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THỦY CANH NFT
1.1Giới thiệu:
Thủy canh NFT là hình thức canh tác không dùng đất. Cây được trồng trên hoặc
trong dung dịch dinh dưỡng, sử dụng dinh dưỡng hòa tan trong nước dưới dạng
dung dịch và tùy theo từng kỹ thuật mà toàn bộ hoặc một phần rễ cây được ngâm
trong dung dịch dinh dưỡng. Thực vật phát triển trong các hệ thống NFT nói chung
phát triển mạnh do sự tiếp cận liên tục của chúng với dung dịch giàu oxy và chất
dinh dưỡng tươi.

Hình 1-1: Mô hình thủy canh NFT

1.2Cấu tạo:
Hệ thống thủy canh NFT bao gồm:

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/70

 Giàn các máng có các lỗ để ta bỏ cây trồng vào.

Hình 1-2 Máng, rọ để cây

 ống nhựa nhỏ cấp nước và ống nhựa PVC dẫn nước.

Hình 1-3 Ống nhựa PVC

Hình 1-4 ống nhựa nhỏ cấp nước

 Máy bơm dung dịch.

Hình 1-5 Máy bơm

 Bình chứa dung dịch dinh dưỡng.

1.3Nguyên lý hoạt động:

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/70

Hình 1-6 Sơ đồ hệ thống NFT

• Pha nước dinh dưỡng với mực độ dinh dưỡng phù hợp với loại cây cần trồng,
rồi đổ nước vào 1 bình chứa.
• Trong bình chứa ta có 1 máy bơm dùng để bơm dung dịch dinh dưỡng cấp
vào từng máng chứa cây. Ta phải điều chỉnh mức độ nghiên của máng để
đảm bảo mực nước đủ và cân bằng giữa các cây.
• Nước được cấp vào máng sẽ đi qua rễ cây cho cây hấp thụ, lượng nước dư sẽ
đi vào ống xả ở cuối máng về lại bình chứa.

1.4Đặc điểm:


1.4.1 Ưu điểm:
Có thể chủ động điều chỉnh dinh dưỡng cho cây.



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 nước.



Dễ thanh trùng.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/70



Hạn chế sử dụng thuốc thực vật nên tạo ra sản phẩm an toàn đối với người sử
dụng.



Nâng cao năng suất và chất lượng rau: Năng suất rau có thể tăng từ 25 –
500%.



Trồng được rau trái vụ do điều khiển được các yếu tố môi trường.



Hệ thống sử dụng diện tích ít hơn canh tác dùng đất.



1.4.2 Nhược điểm:
Chi phí ban đâu hơi cao.



Đòi hỏi nguồn nước đảm bảo tiêu chuẩn nhất định về độ dinh dưỡng, nhiệt
độ, nồng độ PH.



Máy bơm phải làm việc bơm dung dịch liên tục nếu ngừng quá lâu cây có thể
sẽ chết, vì vậy tình trạng mất điện lâu máy bơm không hoạt động có thể ảnh
hưởng không tốt đến cây trồng.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/70

Hướng nghiên cứu:
Hiện nay đất nông nghiệp trở nên khan hiếm hơn, thời tiết trở nên không đáng tin
cậy, và việc di cư của người dân sang các siêu đô thị vẫn tiếp tục, cho nên việc trồng
cây trong nhà đã trở nên phổ biến hơn. Để cho cây trồng có thể phát triển thì ta cần
các yếu tố về môi trường, chất dinh dưỡng cho cây và quan trọng là ánh sáng mặt
trời để cho cây quang hợp. Trồng cây trong nhà thì ta không có yếu tố ánh sáng mặt
trời vì vậy ta sử dụng ánh sáng nhân tạo để cho cây quang hợp. Ta thực hiện nghiên

cứu ứng dụng ánh sáng từ đèn LED cho cây quang hợp kết hợp với hệ thống NFT
cung cấp chất dinh dưỡng cho cây.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/70

CHƯƠNG 2. ỨNG DỤNG LED RGB VÀ PHƯƠNG THỨC ĐIỀU
KHIỂN ĐÈN
2.1Ứng dụng LED trong trồng trọt:
2.1.1 Ánh sáng cho cây trồng:
Khi nói đến ánh sáng đèn thì ta thường sử dụng quang thông (lumen) để làm thước
đo chất lượng ánh sáng của một nguồn sáng. Nhưng khi áp dụng ánh sáng cho cây
trồng thì ta không thể sử dụng lumen và được vì cây trồng cảm nhận ánh sáng khác
với con người mà lumen và lux là thước đo chất lượng ánh sáng cho con người.

Hình 2-1 Quang phổ ánh sáng tiếp nhận bởi người (trái) và thực vật (phải)

Từ sơ đồ trên ta thấy con người nhạy cảm hơn với ánh sáng xanh lá (495–570 nm)
hơn là ánh sáng xanh dương (450–495 nm) và đỏ (620–750 nm). Ở thực vật thì
chúng cảm nhận các ánh sáng xanh dương và đỏ tốt hơn con người. Vì vậy nếu ta sử
dụng đơn vị đo lumen để đo cường độ ánh sáng cho thực vật thì ánh sáng xanh
dương và đỏ sẽ bị mất giá trị. Đây là lý do vì sao ta không sử dụng lumen đo ánh
sáng cho cây trồng. Vậy để đo cường độ ánh sáng cho thực vật thì ta sử dụng đơn vị
gì?

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/70

2.1.2 PAR:

Hình 2-2 Dãy bước sóng PAR

PAR (Photosynthetic active radiation) là dãy các bước sóng ánh sáng từ 400nm –
700nm trong dãy ánh sáng nhìn thấy được thích hợp cho việc quang hợp của cây
trồng. PAR không phải là 1 thước đo ánh sáng mà PAR là dùng để xác định loại ánh
sáng thích hợp cho cây trồng. Để đo cường độ ánh sáng có bước sóng nằm trong
PAR ta sử dụng PPF và PPFD.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/70

2.1.3 SPD, PPF, PPFD và DLI:

SPD (Spectral power distribution) là quang phổ của 1 nguồn sáng mô tả công suất
trên mỗi đơn vị diện tích trên mỗi đơn vị bước sóng của 1 nguồn sáng.

Hình 2-3 SPD của 1 số nguồn sáng

PPF (Photosynthetic photon flux) có đơn vị là μmol/s dùng để đo mực độ ánh
sáng có bước sóng từ 400nm – 700nm phát ra từ 1 nguồn sáng trong 1 giây. Ta có
thể xem nó như là quang thông của nguồn sáng đối với thực vật.
PPFD (Photosynthetic photon flux density) có đơn vị là μmol/m2/s dùng để đo
mực độ ánh sáng có bước sóng từ 400nm – 700nm phát ra từ 1 nguồn sáng đập vào
bề mặt 1 m2 trong 1 giây. Ta có thể xem nó là độ rọi đối với thực vật.
DLI (Daily light integral) có đơn vị mol/m2/ngày s dùng để đo mực độ ánh sáng có
bước sóng từ 400nm – 700nm phát ra từ 1 nguồn sáng đập vào bề mặt 1 m 2 trong 1
ngày. Dựa vào chỉ số này ta sẽ biết lượng ánh sáng cây hấp thụ trong 1 ngày là bao
nhiêu, dư hay thiếu để ta điều chỉnh lại thời gian sáng của đèn trong 1 ngày thích
hợp.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/70

1.1.1 Cách tính PPFD:
1.1.1.1 Lý thuyết:
Để chuyển đổi quang thông (lumen) sang PPF và độ rọi (lux) sang PPFD chúng ta
cần phải biết hoặc ước tính được quang phổ SPD của nguồn sáng.

1 Watt sức mạnh bức xạ ở bước sóng 555nm theo định nghĩa là bằng 683 lm. Dựa
theo tiêu chuẩn CIE 1931 về chức năng hiệu suất chiếu sáng V(λ) (hình 2-4). Ta có
công thức tính luồng bức xạ quang phổ Φ(λ) mỗi lumen với đơn vị W/nm:

trong đó:
 Wrel(λ) là SPD của nguồn sáng
 V(λ) là chức năng hiệu suất chiếu sáng
 Δλ sai số bước sóng (khoảng 5nm)

Hình 2-4 chức năng hiệu suất chiếu sáng

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/70

Từ đó ta có thể tính được PPF mỗi bước sóng nm với đơn vị là μmol/s:
Trong đó:
 Na là hằng số Avogadro ( Na = 6.022×1023)
 h là hằng số Planck (h = 6.626 x 10-34)
 c là tốc độ ánh sáng (c = 2.998 x 108)
Tính tổng từ bước sóng 400nm – 700nm ta có công thức:
Vậy với giá độ rọi (lux) và SPD của 1 nguồn sáng ta có thể tính được giá trị PPFD
của nguồn sáng đó.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt

theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/70

1.1.1.2 Thực tế:
Do không có thông tin về quang phổ của LED RGB nên ta sử dụng bảng hệ số quy
đổi sau để tính toán PPFD cho đèn.

Bảng 2.1 Hệ số quy đổi từ kilolux sang PPFD của 3 màu đỏ, xanh lá, xanh dương

Dự vào bảng trên ta cần phải có độ lux của từng màu để quy đổi nhưng khi đo lux
nguồn sáng ta được độ rọi tổng của tất cả các màu của nguồn sáng mà mỗi màu với
cùng một tín hiệu PWM thì độ rọi đo được là khác nhau. Vì vậy để xác định được
PPFD cho LED RGB ta thực hiện các bước sau:
 Chỉnh từng màu của LED RGB có độ sáng lớn nhất (chỉnh PWM của từng
màu lên 255) rồi dùng cảm biến ánh sáng đo và ghi nhận lại kết quả độ sáng
từng màu (cách ly đèn và cảm biến với ánh sáng bên ngoài để có kết quả
chính xác nhất). Từ đó ta sẽ có được tọa độ 1 điểm A(x, y) với x = 255
(PWM chỉnh độ sáng lớn nhất), y = cường độ ánh sáng vừa đo. Từ đó ta có 3
điểm A(x,y) ứng với 3 màu của đèn.
 Lập phương trình đường thằng đi qua góc tọa độ y = ax với điểm A(x, y) ở
bước trên ta sẽ tính được hệ số a của từng màu. Vậy ta sẽ có 3 hệ số a của 3
phương trình đường thẳng ứng với 3 màu của đèn.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/70

Biểu đồ 2.1 thể hiện 3 đường thẳng độ sáng của 3 màu đỏ, xanh lá, xanh dương

 Với hệ số a vừa tìm được ta thế x giá trị tín hiệu PWM (0 – 255) chỉnh độ
sáng của từng màu vào phương trình đường thẳng ta sẽ được độ rọi lux y của
từng màu, sau đó ta nhân y của từng màu cho hệ số quy đổi ta sẽ được giá trị
PPFD của màu đó, tổng 3 giá trị PPFD vừa tính của từng màu chính là giá trị
PPFD của nguồn sáng.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/70

•

1.1.2 Ảnh hưởng của màu ánh sáng đến sự phát triển của cây trồng:
Màu xanh dương (450nm – 495nm): Giúp cây nhận được nhiều năng lượng từ ánh
sáng hơn, giúp kiểm soát quá trình hô hấp tế bào của cây và giảm lượng nước mất đi
qua quá trình bốc hơi trong môi trường khô và nóng. Ánh sáng xanh dương còn giúp

tăng quá trình phát triển của cây.

•

Màu xanh lá (495nm – 570nm): Các loại cây hầu hết đều có màu xanh lá đó là do
cây hấp thụ tất cả các màu và chỉ phản xạ lại màu xanh lá về mắt ta nên ta thấy cây có
màu xanh lá. Tuy nhiên cây vẫn hấp thụ 1 phần ánh sáng xanh lá chứ không phản xạ
tất cả, ánh sáng xanh lá giúp thúc đẩy sản xuất chất diệp lục giúp cây có màu xanh tươi
hơn.

•

Màu đỏ (620nm – 720nm): Ánh sáng đỏ 1 mình thì không có ảnh hưởng nhiều đến
cây trồng nhưng khi kết hợp với màu xanh dương sẽ giúp cây phát triển hơn trong việc
ra hoa.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/70

2.2Sử dụng arduino điều khiển màu đèn LED bằng app trên
smartphone qua bluetooth:
1.1.3 Arduino:
1.1.1.3 Tổng quan về Arduino:
Arduino là một nền tảng điện tử nguồn mở dựa trên phần cứng và phần mềm dễ sử

dụng. Bảng Arduino có thể đọc đầu vào từ ánh sáng đèn trên cảm biến, nút nhấn
hoặc tin nhắn trên mạng xã hội và biến nó thành đầu ra có thể kích hoạt động cơ,
bật đèn LED, xuất bản, đăng bài trực tuyến. Bạn có thể lập trình Arduino để làm
những gì bạn muốn bằng cách gửi một hệ thống các lệnh đến vi điều khiển trên
Arduino. Để làm như vậy bạn sử dụng ngôn ngữ lập trình Arduino và Phần mềm
Arduino (IDE).

Hình 2-5 Mạch Arduino

-

1.1.1.4 Các yêu cầu lập trình cho Arduino:
Điều khiển 2 bên LED RGB bằng 6 chân hỗ trợ sóng PWM.
Đọc giá trị cưởng độ ánh sáng từ cảm biến BH1750 của 2 bên đèn LED RGB
gửi vào app qua bluetooth.
Thực hiện đo đạc, tính toán PPFD cho 2 bên đèn và gửi số liệu về app qua

-

bluetooth.
Nhận số liệu từ app trên smartphone qua bluetooth sử dụng module HC-05

-

arduino xử lý dữ liệu, điều khiển PID ghi vào các chân PWM để chỉnh màu
cho 2 bên LED RGB.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/70

Hình 2-6 Module bluetooth HC-05

Hình 2-7 Cảm biến ánh sáng BH1750

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/70

1.1.1.5

Bộ điều khiển PID:

1.1.1.1.1

Sơ lược về PID:

Bộ điều khiển PID là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển, sử dụng thông số phản
hồi về từ cảm biến để điều chỉnh thông số điều khiển.

Hình 2-8 Bộ điều khiển PID

PID gồm 3 khâu:
1) Khâu tỷ lệ:
Khâu tỷ lệ làm thay đổi thông số đầu ra dựa theo sai số hiện tại.
P: Thông số tỷ lệ đầu ra
Kp: Độ lợi tỷ lệ
e: Sai số = SP – PV (SP: giá trị mong muốn, PV: giá trị phản hồi từ cảm biến)
t: Thời gian hiện tại
2) Khâu tích phân:
Khâu tích phân tính tổng các sai số tức thời theo thời gian.
I: Thông số tích phân đầu ra
Kp: Độ lợi tích phân
τ: biến tích phân trung gian
3) Khâu vi phân:

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/70

Khâu vi phân tính tốc độ thay đổi sai số tức thời theo thời gian.
D: Thông số vi phân đầu ra
Kd: Độ lợi vi phân
1.1.1.1.2

phương thức điều chỉnh độ lợi:

Dựa vào bảng sau ta điều chỉnh độ lời Kp, Ki cho phù hợp.

Bảng 2-2 Tác động của khi tăng các thông số độ lợi
1.1.1.1.3

Mục đính:

trên mô hình ta áp dụng bộ điều khiển PI để giữ cho cường độ sáng đúng với độ lux
mong muốn.

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/70

2.2.1.1

Lệnh nạp vào Arduino để điều khiển LED:

Hình 2-9 Lệnh lập trình arduino

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/70

Hình 2-10 Lệnh lập trình arduino

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/70

Hình 2-11 Lệnh lập trình arduino

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/70

Hình 2-12 Lệnh lập trình arduino

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/70

Hình 2-13 Lệnh lập trình arduino

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/70

Hình 2-14 Lệnh lập trình arduino

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/70

Hình 2-15 Lệnh lập trình arduino

Ứng Dụng LED RGB Nâng Cao Năng Suất cải mù tạt
theo phương pháp thủy canh

SVTH: Trần Thái Thành