THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆHỐNG G ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHĂM SÓC VƯỜN CÂY

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
THÔNG MINH CHĂM SÓC VƯỜN CÂY TRỒNG TỰ NHIÊN
Trần Công Đức, Huỳnh Nguyễn Hoàng
Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Nguyễn Quốc Thanh
Trường CĐN kỹ thuật Công Nghệ TP.HCM
TÓM TẮT
Hệ thống điều khiển tiểu khí hậu trong nhà trồng là một khâu quan trọng trong toàn bộ hệ thống trồng
rau nhà màng. Quyết định đến năng suất của cây trồng và đặc biệt tạo ra những sản phẩm sạch và đóng góp vào
việc bảo vệ môi trường. Việc nghiên cứu, thiết kế, chế tạo nhà trồng rau có hệ thống điều khiển tiểu khí hậu một
cách thông minh là rất quan trọng trong việc duy trì một môi trường sinh trưởng tốt cho cây trồng. Đề tài đã tìm
hiểu đặc tính quang hợp của cây xanh, từ đó đã đề xuất nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển đề phù hợp
với điều kiện quang hợp của cây trồng. Với nguyên lý điều khiển tiểu thời tiết cho nhà trồng, hệ thống điều khiển
thông minh cho nhà trồng được nghiên cứu, thiết kế và chế tạo. Hệ thống có ba phương thức điều khiển đó là
chế độ điều khiển tự động qua bộ lập trình, điều khiển PLC S7-200, hệ thống điều khiển bằng tay và hệ thống
điều khiển qua mạng Wifi và Internet. Qua thử nghiệm hệ thống hoạt động tốt và ổn định, các chỉ số điều khiển
đảm bảo yêu cầu.
Từ khóa:nhà kính, rau sạch, trồng rau tự động

ABSTRACT
The control system of microclimate in greenhouse is an important section in the whole of greenhouse
system. Decision on crops capacity and especially creating clean crop products and contribute to environmental
protection. The studies, designs, manufactures greenhouse for control system of microclimante wisely is very
important in maintaining good growing environment for crops. The thesis studied photosynthesis characteristics
of green, hence proposed the operation principle of control system to concordant with condition photosynthesis
of green. With principle of control microclimante for greenhouse, smart control system for greenhouse was
studied, designed and manufactured. The system has three modes that are automatic control by progammer unit,
PLC S7-200 (Process Control Language), manual control system and control system by Wifi (Wireless Fidelity)
and Internet network. By testing, system operate well and stable, requirement ensure control indexes.
Keywords: Green – house, fresh vegetable, Horticulture automation

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay trên thế giới, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển vào trong sản xuất là rất
nhiều và cần thiết trong các ngành nghề kể cả trong nông nghiệp. Trong nông nghiệp, nhờ
ứng dụng các công nghệ điều khiển hiện đại mà năng suất và chất lượng cây trồng tăng lên
đáng kể. Với công nghệ trồng rau trong nhà màng có sự hỗ trợ của các thiết bị điều khiển đã
cho những kết quả ngoài mong đợi như năng suất cao, chất lượng tốt, sạch, an toàn mà còn có
thể trồng những loại cây mà từ trước không phải là truyền thống của vùng miền.
Ở Việt Nam, việc trồng rau trong nhà màng đang phát triển nhanh chóng, đem lại lợi ích
cao cho người nông dân. Tuy nhiên, do chi phí đầu tư cao nên việc ứng dụng chỉ hạn chế
trong các nông trang lớn có khả năng về kinh tế, hoặc chỉ điều khiển ở dạng bán tự động nên
vẫn cần nhiều nhân công trong việc điều khiển vì hầu hết các trang thiết bị điều khiển đều
phải nhập từ nước ngoài nên giá thành cao. Do đó cần phải có hướng nghiên cứu, thiết kế và
chế tạo những thiết bị này ngay ở trong nước để giảm chi phí, phù hợp với điều kiện kinh tế
của người nông dân và điều kiện môi trường ở Việt Nam.
Bài báo đã trình bày kết quả thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển tiểu môi trường
trong mô hình nhà màng một cách tự động và có sự hỗ trợ của máy tính và có thể điều khiển
qua điện thoại Smarphone một số thiết bị trong hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm..


Kết quả thực nghiệm cho thấy với nhà màng được điều khiển tự động sẽ làm cho điều
kiện môi trường sinh trưởng của cây trồng tốt hơn, phù hợp yêu cầu môi trường đặt ra cho
từng loại cây trồng. Mặt khác với khả năng điều khiển từ xa qua Smarphone làm cho việc
giám sát và điều khiển trở nên sễ dàng hơn.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ
Internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu.
Phương pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử nghiệm hoạt
động và hoàn chỉnh thiết kế.
3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
3.1 Mô hình hệ thống điều khiển độ ẩm, nhiệt độ, ánh sang của nhà trồng rau

Khí hậu ở Việt Nam là khí hậu nhiệt đới gió mùa, có nền nhiệt và độ ẩm tương đối
cao quanh năm. Do đó việc lựa chọn mô hình nhà màng mái che có cửa thông khí có thể đóng
mở được sẽ đạt được sự thông thoáng cao, tránh được nấm mốc và dễ điều khiển nhiệt độ
hơn.
Kiểu nhà màng này có kết cấu đơn giản, nhẹ và mái có thể đóng mở tự động để tạo
sự thông thoáng và dễ dàng đón ánh sáng mặt trời, giúp cho không gian trồng thêm thoáng,
sáng và làm cho khả năng sinh trưởng của cây trồng thêm tốt hơn.

Hình 1: Mô hình nhà màng
3.2 Thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng
3.2.1 Thiết kế bộ phận đóng mở cửa thông gió
Hệ thống mở mái hoạt động khi nhiệt độ, độ ẩm tăng cao quá ngưỡng cài đặt nhằm
làm thong khí nóng ra ngoài và giảm độ ẩm của nhà màng. Hệ thống sẽ đóng lại khi nhiệt độ


giảm dưới 33oC hoặc độ ẩm giảm dưới 65% hoặc khi trời có mưa. Cửa thông khí có thể mở
góc tối đa là 39o ở mỗi bên, đảm bảo không khí được lưu thông tốt giữa nhà màng và môi
trường bên ngoài.

Hình 2: a) Cơ cấu khâu khi đóng (b) Cơ cấu khâu khi mở

Hình 3:

Các bộ phận đóng mở cửa thông khí

Bộ phận đóng mở cửa thông gió gồm:
1: Động cơ AC và hộp giảm tốc

6: thanh đẩy cánh cửa bên trái

2: Dây đai răng bước p= 4mm

7: Cánh cửa bên phải

3: Puly răng bước p = 4mm

8: Cánh cửa bên trái

4: Khâu quay

9: Trục nối truyền động quay

5: Thanh đẩy cách cửa bên phải

10: Các trụ nối cánh cửa thông gió


Nguyên lý hoạt động:
Khi động cơ quay theo chiều ngược chiều kim đồng hồ, qua hệ thống truyền đai răng
làm cho tay quay 4 quay, thanh đẩy 5 và 6 sẽ đẩy cánh 7 và 8 lên phía trên để mở cửa. khi
động cơ quay cùng chiều kim đồng hồ làm cho tay quay 4 quay cùng chiều kim đồng hồ,
thanh đẩy 5 và 6 sẽ kéo cánh 7 và 8 xuống để đóng cửa. Qua trục nối 9 , cơ cấu đối diện cũng
hoạt động tương tự.
3.2.2 Thiết kế hệ thống rèm cắt nắng
1: Động cơ điện AC và bộ giảm tốc

6: Bộ truyền động xích

2: Puly răng

7: Trục quay

3: Dây đai răng

8: Dây kéo màn

4: Puly quấn, nhả dây kéo màn

9: Màng cắt nắng

5: Bạc đạn

Hình 4:

Hình 5:

Bộ phận đóng mở màn cắt nắng (khi đóng)

Bộ phận đóng mở màn cắt nắng (khi mở)

Nguyên lý hoạt động:
Động cơ 1 quay, qua hệ thống truyền đai làm cho trục 3 quay . Trục 7 quay cùng chiều
và cùng tốc độ với trục 3 nhờ truyền động xích 6 với trục 3. Hai puly trên trục 3 sẽ quấn dây


khi chiều quay cùng chiều kim đồng hồ, trong khi hai puly trên trục 7 sẽ nhã dây làm kéo màn
cắt nắng 9 về phía phải (đóng màn). Khi chiều quay ngược chiều kim đồng hồ thì hai puly
trên trục 3 sẽ nhã dây trong khi hai puly trên trục 7 sẽ quấn dây làm kéo màn cắt nắng về phía
trái (mở màn cắt nắng).
3.2.3 Thiết kế chương trình điều khiển PLC

Chế độ điều khiển tự động thông qua các tín hiệu đầu vào của các sensor nhiệt độ, ánh
sáng, độ ẩm, báo mưa và các công tắc hành trình được thực hiện như sau:
3.2.3.1 Điều khiển nhiệt độ.
- Nếu có mưa thì cửa thông khí nhà màng sẽ đóng lại còn nếu không có mưa và
nhiệt độ trong nhà màng lớn hơn nhiệt độ ngưỡng trên (To >33oC) thì hệ thống nóc mái sẽ
được mở ra đồng thời hệ thống quạt khí mát sẽ thổi lượng khí nóng trong nhà màng ra ngoài
và bơm phun sương hoạt động làm mát môi trường trong nhà màng. Trong trường hợp nhiệt
độ nhỏ hơn To thì đóng cửa thông khí của nhà màng, tắt quạt gió và tắt bơm phun sương.

Hình 6: Lưu đồ giải thuật điều khiển nhiệt độ
3.2.3.2 Điều khiển độ ẩm.
- Nếu độ ẩm không khí thấp hơn độ ẩm cài đặt Rho thì bơm phun sương hoạt động. Nếu
độ ẩm không khí cao hơn độ ẩm cài đặt Rho thì tắt bơm phun sương, đồng thời mở cửa thông
khí. Nếu trời mưa thì đóng cửa thống khí


Hình 7: Lưu đồ điều khiển độ ẩm
3.2.3.3 Điều khiển áng sáng.
Ánh sáng rất quang trọng trong quang hợp của cây trồng, việc tận dụng ánh sáng tối
đa cho cây trồng là rất cần thiết. Vì vậy màn cắt nắng chỉ đóng/mở khi nhiệt độ cao hơn nhiệt
độ cho phép và khoảng đóng phụ thuộc vào cường độ sáng mạnh hay yếu ở mức độ nào.
- Nếu nhiệt độ lớn T0 (33oC) hệ thống cảm biến quang sẽ báo trời có nắng nhiều hay
ít để kịp thời che màn cắt nắng cho phù hợp. Cảm biến quang có 4 mức, tùy theo cường độ
sáng mà đóng hoặc mở ít hay nhiều ( có 4 mức đóng mở). Nếu nhiệt độ nhỏ hơn T0 (33oC) thì
màn mở ra hoàn toàn.


Hình 8: Lưu đồ điều khiển ánh sáng
AS L1: cường độ sáng mức 1 (mức cường độ ánh sáng mạnh nhất)
AS L2: cường độ sáng mức 2

AS L3: cường độ sáng mức 3
AS L4: cường độ sáng mức 4 (mức cường độ nhỏ nhất)
3.2.3.4 Điểu khiển tưới nước
- Tưới nước được cài đặt qua một Relay thời gian. Việc tưới nước tùy thuộc vào từng
loại cây và từng giai đoạn sinh trưởng. Trong mô hình này tưới nước được cài đặt như sau:
một ngày tưới 4 lần, mỗi lần 15 phút ( lần 1: 5 giờ; lần 2: 10 giờ; lần 3: 14 giờ; lần 4: 20 giờ)


-

Hình 9: Relay điều chỉnh thời gian

-

Công suất tải tức thời tối đa: 25A,220V
Nguồn điện tiêu chuẩn hoạt động: 5A,
220V
Dãy điện áp làm việc: từ 160VAC –
240VAC
Công suất tiêu thụ: nhỏ hơn 1W
Có bộ nhớ cài đặt ON và bộ nhớ cài đặt
OFF
Khoảng cách thời gian tắt/mở là 1 phút.
Khoảng cách thời gian cài đặt tắt/mở tối đa
168 giờ (1 tuần lễ)
Có pin chờ khi mất điện, do đó không bị
mất bộ nhớ giờ
Có thể chọn lịch làm việc cho Timer cho cả
tuần hoặc từng ngày riêng rẽ trong tuần.
Sai số thời gian của đồng hồ chuẩn trên

máy: không quá 0,5 giây/ ngày

Thông số kỹ thuật:
3.2.3.5 Điều khiển qua Internet
Trong mô hình này, chúng tôi dùng module EC10 của công ty TITANS để điều khiển
thiết bị qua mạng. EC10 là thiết bị điều khiển, giám sát thông qua mạng LAN/Internet . EC10
cho phép giao tiếp trực tiếp với mạng Internet thông qua cáp RJ45 không cần kết nối máy
tính. EC10 hỗ trợ tới 6 Relay Outputs cho phép điều khiển trực tiếp 6 thiết bị điện 220V, hỗ
trợ tới 6 đầu vào cách ly cho phép kết nối với công tắc để điều khiển trực tiếp, EC10 cũng có
hai đầu vào dạng analog 0-12V cho kết nối với các cảm biến khác như cảm biến nhiệt độ, độ
ẩm, áp suất, ánh sáng. Ngoài ra EC10 cũng có connector mở rộng để mở rộng hệ thống cho
phép tăng số lượng đầu ra hoặc kết nối với các cảm biến phức tạp khác [7].

Hình 10: Hệ thống điều khiển thiết bị qua mạng EC10 [7].


Hình 11: Giao diện màn hình điều khiển
Kết nối điều khiển như sau:
-

-

Device 1 : Bơm phun sương
Device 2 : Mở màn cắt nắng
Device 3 : Đóng màn cắt nắng

-

Device 4 : Mái thông khí đóng
Device 5: Mái thông khí mở

Device 6 : Quạt

3.2.4 Kết quả khảo nghiệm
Bảng kết quả khảo sát nhiệt độ, độ ẩm ngày 12/10/2015
Giờ
9
10
11
12
13
14
15
16
17

Nhiệt độ ngoài
trời (độ C)
37
41
42
37
39
40
39
36
35

Độ ẩm ngoài
trời (%)
81

72
65
86
85
87
78
75
76

100

Nhiệt độ trong
nhà (độ C)

Độ ẩm trong
nhà (%)

32
34
33
30
30
31
33
31
31

84
85
85

88
88
90
88
85
85

Nhiệt độ
ngoài trời (độ
C)

80
60

Độ ẩm ngoài
trời (%)

40
20
0
9 10 11 12 13 14 15 16 17

Nhiệt độ
trong nhà (độ
C)

Hình 12: Biểu đồ nhiệt độ , độ ẩm ngày 12/10/2015
Kết luận:
Qua khảo sát quá trình điều khiển tiểu khí hậu trong nhà màng của bốn ngày cho thấy
khi nhiệt độ ngoài trời cao hệ thống điều khiển cho phép hạ nhiệt độ trong nhà từ 4 ÷ 9oC,

nhiệt độ trong nhà màng giao động ở mức từ 28 ÷ 34oC. Độ ẩm ngoài trời trong các ngày


khảo sát trong khoảng từ 65 ÷ 87% thì khi điều khiển độ ẩm trong nhà màng luôn giao động
từ 80 ÷ 90%
Theo kết quả trên cho thấy mô hình điều khiển hoạt động tốt, khả năng kiểm soát độ
ẩm và nhiệt độ đạt yêu cầu.
4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Kết luận
Từ các kết quả nghiên cứu trên chúng tôi rút ra các kết luận sau:
- Kết quả nghiên cứu phần nào đáp ứng được yêu cầu đã đặt ra cho việc điều khiển các
yếu tố môi trường của nhà trồng rau. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng cho việc sản xuất rau
an toàn có chất lượng và năng suất cao và làm đa dạng hóa các loại cây trồng mà trước đây
địa phương không trồng được.
- Việc ứng dụng bộ điều khiển PLC giúp cho quá trình lập trình dễ dàng và có thể thay
đổi được tùy thuộc yêu cầu điều khiển và khả năng mở rộng của bộ điều khiển. Ngoài ra với
việc giám sát và điều khiển hệ thống qua Internet giúp cho việc quản lý thuận tiện và dễ dàng
hơn khi ở khoảng cách xa.
4.2 Hướng phát triển
Do thời gian, điều kiện nghiên cứu, chế tạo có giới hạn nên luận văn đã hoàn thành
nhưng chưa thật sự đáp ứng được những kỳ vọng của chúng tôi, vì vậy những kiến nghị sau
đây được đề xuất để nghiên cứu sau được hoàn chỉnh hơn:
- Hệ thống cần thêm bộ phận nhận biết và điều chỉnh độ ẩm của đất, nồng độ CO2, hệ
thống pha trộn phân tự động.
- Hệ thống điều khiển có thể lựa chọn được những thông số điều kiện môi trường cho
từng nhóm cây một cách tự động. Ngoài ra hệ thống điều khiển qua internet có khả năng linh
hoạt hơn như: thay đổi một số thông số về điều kiện môi trường như ánh sáng, nhiệt độ, độ
ẩm v.v. mà không cần điều chỉnh trực tiếp từ thiết bị.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Nguyễn Văn Hùng, Đào Duy Vinh,Kết quả nghiên cứu Mô hình nhà kính ứng dụng điều

khiển tự động bằng PLC, tạp chí KHKT Nông Lâm Nghiệp, số 3. Tr 60 – 65, 2007
2. />3. />4. />5. />6. />7. />

BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn

Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!

Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.