Nghiên cứu, phát triển hệ thống giám sát tự động các quá trình sinh trưởng, phát triển của hoa trồng trong nhà lưới, ứng dụng trong sản xuất hoa công nghệ cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

LẠI VĂN SONG

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG
CÁC QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG, PHÁT TRIỂN CỦA HOA
TRỒNG TRONG NHÀ LƯỚI, ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT
HOA CÔNG NGHỆ CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Hà Nội - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯
Lại Văn Song

NGHIÊN CỨU, PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG GIÁM SÁT TỰ ĐỘNG
CÁC QUÁ TRÌNH SINH TRƯỞNG, PHÁT TRIỂN CỦA HOA
TRỒNG TRONG NHÀ LƯỚI, ỨNG DỤNG TRONG SẢN XUẤT
HOA CÔNG NGHỆ CAO

Chuyên ngành:

Điều khiển và Tự động hóa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

PGS. TS. NGUYỄN QUANG ĐỊCH

Hà Nội – Năm 2017


CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯

BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên tác giả luận văn: Lại Văn Song
Đề tài luận văn: Nghiên cứu, phát triển hệ thống giám sát tự động các quá trình
sinh trưởng, phát triển của cây trồng trong nhà lưới, ứng dụng trong sản xuất hoa
công nghệ cao.
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
Mã số SV: CA140025
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác
giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày 19 tháng 04 năm
2017 với các nội dung sau:
- Bổ sung thêm sơ đồ mạch động lực;
- Sửa lại các hình vẽ, lưu đồ thuật toán bị mờ;
- Bổ sung thêm phần phụ lục chương trình điều khiển của PLC;

Ngày 15 tháng 5 năm 2017
Giáo viên hướng dẫn

Tác giả luận văn

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của bất cứ ai và chưa từng dùng để bảo vệ bất cứ học vị nào. Các nội dung nghiên
cứu, kết quả trong luận văn này là trung thực. Những số liệu trong các bảng biểu phục
vụ cho việc phân tích, nhận xét, đánh giá được chính tác giả thu thập từ các nguồn
khác nhau có ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm về
nội dung luận văn của mình.
Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2017
Tác giả luận văn

Lại Văn Song

i


LỜI CẢM ƠN
Để thực hiện thành công luận văn này tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn chân thành tới
các tổ chức và cá nhân đã luôn đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian tham gia đào
tạo, nghiên cứu và thực nghiệm cho tới kết quả cuối cùng.
Tôi xin bày tỏ lịng tri ân đối với Học viện Nơng nghiệp Việt Nam, nơi tôi đang
công tác đã tạo điều kiện mọi mặt cho tôi được làm việc, nghiên cứu và học tập nâng
cao trình độ chun mơn.
Em xin bày tỏ lòng tri ân đối với lãnh đạo nhà trường và các Thầy, Cô giáo
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, nơi em theo học Cao học. Sự cống hiến hết mình

cho sự nghiệp giáo dục đào tạo, khoa học công nghệ của các Thầy, Cô luôn là tấm
gương sáng cho các thế hệ học viên chúng em noi theo.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS. Nguyễn Quang Địch, người
đã dìu dắt hướng dẫn em trong suốt q trình thực hiện luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo, đồng nghiệp đang cơng tác tại
Bộ mơn Tự động hóa, khoa Cơ điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đã đồng hành
cùng tôi trong suốt thời gian tham gia đào tạo cao học.
Hà Nội, ngày 15 tháng 05 năm 2017
Học viên

Lại Văn Song

ii


MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................. ii
MỤC LỤC ....................................................................................................... iii
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................. vi
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... vi
LỜI NÓI ĐẦU ................................................................................................ 1
1.

ĐẶT VẤN ĐỀ ...................................................................................... 1

2.

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI .................................................................... 3

2.1.

Mục tiêu chung...................................................................................... 3

2.2.

Mục tiêu cụ thể ...................................................................................... 3

3.

ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU ........................................... 3

3.1.

Đối tượng nghiên cứu ........................................................................... 3

3.2.

Phạm vi nghiên cứu............................................................................... 3

4.

CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................ 3

4.1.

Cách tiếp cận ......................................................................................... 3

4.2.

Phương pháp nghiên cứu....................................................................... 4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP CÔNG
NGHỆ CAO ......................................................................................... 6
1.1.

Giới thiệu về sản xuất nông nghiệp công nghệ cao .............................. 6

1.1.1. Hiện trạng sản xuất nông nghiệp công nghệ cao .................................. 6
1.1.2. Một số công nghệ đang được sử dụng trong sản xuất nơng nghiệp...... 7
1.2.

Tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài .......................................... 14

1.2.1. Tình hình nghiên cứu trong nước........................................................ 14
1.2.2. Tình hình nghiên cứu nước ngồi ....................................................... 16
CHƯƠNG 2. NHỮNG YÊU CẦU ĐỐI VỚI QUY TRÌNH SẢN XUẤT
HOA TRONG NHÀ CÓ MÁI CHE ................................................ 20
2.1.

Sản xuất hoa trong nhà có mái che ..................................................... 20

iii


2.1.1. Những yêu cầu chung.......................................................................... 20
2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây trồng......................... 21
2.2.

Xây dựng quy trình khảo nghiệm sản xuất hoa theo hướng cơng
nghệ cao .............................................................................................. 25

2.2.1. Lựa chọn đối tượng cây trồng ............................................................. 25
2.2.2. Xây dựng quy trình sản xuất cho hoa đồng tiền theo hướng công
nghệ cao .............................................................................................. 29
2.2.3. Những đề xuất nghiên cứu áp dụng .................................................... 35
2.3.

Thiết kế bố trí thí nghiệm .................................................................... 36

2.3.1. Thiết kế máng trồng cây...................................................................... 36
2.3.2. Hệ thống tưới nhỏ giọt ........................................................................ 37
2.3.3. Hệ thống trộn dung dịch dinh dưỡng .................................................. 39
2.3.4. Phần cứng cho hệ thống trộn............................................................... 40
2.3.5. Hệ thống điều tiết các thông số môi trường ........................................ 43
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG GIÁM SÁT ĐIỀU
KHIỂN THƠNG SỐ NHÀ KÍNH ................................................... 45
3.1.

Lựa chọn các thiết bị cho hệ điều khiển PLC ..................................... 45

3.1.1. Giới thiệu chung về PLC..................................................................... 45
3.1.2. Giao diện người máy HMI .................................................................. 46
3.1.3. Giới thiệu chung về phần mềm TIA Portal ......................................... 46
3.2.

Xây dựng hệ thống điều khiển cho mơ hình ....................................... 47

3.2.1. Tổ chức hệ thống điều khiển ............................................................... 47

3.2.2. Chương trình điều khiển tưới .............................................................. 53
3.2.3. Thiết kế chương trình điều khiển hệ thống trộn.................................. 58
3.2.4. Thiết kế chương trình điều khiển hệ điều tiết ánh sáng ...................... 61
3.2.5. Thiết kế chương trình điều khiển giám sát hệ thống quạt và phun
sương ................................................................................................... 61
3.3.

Tổng hợp các kết quả thiết kế ............................................................. 63

3.3.1. Phần vật tư thiết bị nông nghiệp ......................................................... 63

iv


3.3.2. Phần thiết bị hệ thống điều khiển ........................................................ 64
CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG IOT GIÁM SÁT NHÀ TRỒNG
HOA ...................................................................................................... 67
4.1.

Nghiên cứu IoT trong nông nghiệp ..................................................... 67

4.1.1. Giới thiệu về IoT ................................................................................. 67
4.1.2. Xây dựng Platform cho nông nghiệp .................................................. 71
4.2.

Thiết kế triển khai hệ thống IoT.......................................................... 81

4.2.1. Xây dựng hệ cảm biến đầu vào ........................................................... 81
4.2.2. Xây dựng hệ Smart Node Zigbee ........................................................ 82
4.2.3. Xây dựng IoT Gateway ....................................................................... 88

4.2.4. Mơ hình giao thức MQTT và CoAP ................................................... 90
4.3.

Kết quả hệ thống IoT .......................................................................... 93

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................. 96
5.1.

Kết luận ............................................................................................... 96

5.2.

Đề xuất phương hướng nghiên cứu ..................................................... 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 98
PHỤ LỤC ..................................................................................................... 100

v


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 2.1.

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sinh trưởng, phát triển và
chất lượng hoa của cây đồng tiền ............................................... 30

Bảng 2.2.

Ảnh hưởng của ánh sáng đến quá trình sinh trưởng, phát triển và

chất lượng hoa của cây đồng tiền ............................................... 31

Bảng 2.3.

Ảnh hưởng của độ ẩm đến quá trình sinh trưởng, phát triển và chất
lượng hoa của cây đồng tiền ...................................................... 32

Bảng 2.4.

Ảnh hưởng của các yếu tố dinh dưỡng đến quá trình sinh trưởng,
phát triển và chất lượng hoa của cây đồng tiền.......................... 33

Bảng 3.1.

Danh mục cảm biến.................................................................... 47

Bảng 3.2.

Danh mục cơ cấu chấp hành ...................................................... 48

Bảng 3.3.

Danh mục thiết bị hệ thống điều khiển ...................................... 51

Bảng 4.1.

So sánh Zibgee – Wifi – Bluetooth ............................................ 84

Bảng 4.2.

Đánh giá ưu, nhược điểm của Zigbee ........................................ 84

vi


DANH MỤC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1.

Bản thiết kế mặt trước nhà kính ................................................... 8

Hình 1.2.

Bản thiết kế mặt sau nhà kính với cooling pad ............................ 8

Hình 1.3.

Thiết kế hệ thống đảo khí bên trong ............................................ 8

Hình 1.4.

Bản thiết kế tổng thể nhà lưới 500m tại VNUA 2016 ................. 8

Hình 1.5.

Nguyên lý hệ thống làm mát Fan and Cooling Pad ..................... 9

Hình 1.6.

Mơ hình bố trí hệ thống làm mát ................................................. 9

Hình 1.7.

Sơ đồ đường nhiệt trong nhà kính................................................ 9

Hình 1.8.

Giao diện phần mền hỗ trợ quản lý đồng ruộng Viện nghiên cứu
lúa gạo quốc tế (IRRI) ................................................................ 10

Hình 1.9.

Mơ tả hệ thống phần mềm quản lý khu nông nghiệp công nghệ cao
TP.HCM ..................................................................................... 11

Hình 1.10. Sơ đồ mơ phỏng cơng nghệ thủy canh ....................................... 11
Hình 1.11. Hệ thống trồng rau thủy canh tại Vineco Vĩnh Phúc ................. 11
Hình 1.12. Nguyên lý hệ khí canh ............................................................... 12
Hình 1.13. Mơ tả hệ thống tưới dùng pin năng lượng mặt trời .................... 13
Hình 1.14. Bộ bơm chuyên dụng dùng năng lượng mặt trời ....................... 13
Hình 1.15. Trạm thời tiết mini dùng năng lượng mặt trời của Pessl
Instruments, Úc .......................................................................... 13
Hình 2.1.

Tác giả tại vườn hoa cúc trồng nền đất tại Dalat Hasfarm 12/2015
.................................................................................................... 27

Hình 2.2.

Hoa đồng tiền thủy canh tại Đà Lạt ........................................... 27

Hình 2.3.

Mơ hình của hệ thống điều khiển trong nhà kính ...................... 29

Hình 2.4.

Quy trình trồng cây đồng tiền trong nhà lưới với sự hỗ trợ của hệ
thống giám sát tự động ............................................................... 34

Hình 2.5.

Khái quát yêu cầu điều khiển của hệ thống ............................... 35

Hình 2.6.

Sơ đồ bố trí thí nghiệm của hệ thống ......................................... 36

Hình 2.7.

Sơ đồ thiết kế giá chữ A hình chiếu đứng .................................. 36

vii


Hình 2.8.

Giá chữ A và máng nhựa hồn chỉnh. ........................................ 37

Hình 2.9.

Bồn chứa dung dịch dinh dưỡng ................................................ 37

Hình 2.10. Sơ đồ mơ hình hệ thống tưới nhỏ giọt. ...................................... 38
Hình 2.11. Mơ hình tổng thể của hệ thống trộn ........................................... 39
Hình 2.12. Vị trí đặt thiết bị của bồn chứa nước.......................................... 40
Hình 2.13. Sơ đồ tổng thể vị trí đặt thiết bị của bể trộn ............................... 40
Hình 2.14. Sơ đồ tổng thệ vị trí đặt thiết bị trong hệ thống ......................... 41
Hình 2.15. Vị trí đặt thiết bị trong hệ thống chứa nước ............................... 41
Hình 2.16. Vị trí đặt cơ cấu chấp hành hệ thống hai bình trộn .................... 42
Hình 2.17. Vị trí đặt thiết bị trong hệ thống bể trộn .................................... 42
Hình 2.18. Bản vẽ mặt bằng hệ thống điều tiết các thơng số....................... 43
Hình 2.19. Bản vẽ cơ cấu cuốn-thả lưới cắt nắng ........................................ 44
Hình 2.20. Vị trí các điểm đặt phun sương .................................................. 44
Hình 3.1.

Sơ đồ điều khiển qua giao diện HMI ......................................... 46

Hình 3.2.

Phần mềm TIA Portal V13......................................................... 46

Hình 3.3.

Tổ chức các chương trình điều khiển hệ thống .......................... 53

Hình 3.4.

Lưu đồ thuật tốn hệ thống tưới tự động trong một chu kỳ làm
việc ............................................................................................. 54

Hình 3.5.

Lưu đồ thuật tốn hệ thống tưới bằng tay trong một chu kỳ làm
việc ............................................................................................. 55

Hình 3.6.

Sơ đồ đấu nối phần cứng PLC ................................................... 56

Hình 3.7.

Sơ đồ điện mạch điều khiển và mạch động lực ......................... 57

Hình 3.8.

Lưu đồ thuật tốn hệ thống trộn ................................................. 58

Hình 3.9.

Sơ đồ đấu nối PLC hệ thống trộn ............................................... 59

Hình 3.10. Sơ đồ mạch động lực hệ thống trộn ........................................... 60
Hình 3.11. Thuật tốn điều khiển đèn .......................................................... 61
Hình 3.12. Thuật tốn điều khiển mái che ................................................... 61
Hình 3.13. Thuật tốn điều khiển quạt gió................................................... 62
Hình 3.14. Thuật tốn điều khiển phun sương ............................................. 62

viii

Hình 3.15. Tổng thể mơ hình khảo nghiệm ................................................. 63
Hình 3.16. Hệ thống cắt nắng ...................................................................... 63
Hình 3.17. Thiết kế giá kệ và bố trí tưới nhỏ giọt........................................ 63
Hình 3.18. Hệ thống trộn dinh dưỡng .......................................................... 63
Hình 3.19. Kết quả trồng hoa đồng tiền trên giá thể .................................... 64
Hình 3.20. Bố trí PLC và HMI..................................................................... 64
Hình 3.21. Bố trí tủ điều khiển..................................................................... 65
Hình 3.22. Mạch gia cơng tín hiệu từ cảm biến ........................................... 65
Hình 3.23. Giao diện chính trên HMI .......................................................... 65
Hình 3.24. Giao diện giám sát thơng số mơi trường sản xuất...................... 66
Hình 3.25. Giao diện biểu đồ thơng số mơi trường ..................................... 66
Hình 3.26. Giao diện chạy chế độ tưới tự động ........................................... 66
Hình 3.27. Giao diện chạy hệ thống quạt..................................................... 66
Hình 3.28. Giao diện chạy hệ thống phun sương......................................... 66
Hình 3.39. Giao diện chạy hệ thống cuốn mái ............................................. 66
Hình 3.30. Giao diện chạy hệ thống chiếu sáng .......................................... 66
Hình 3.31. Giao diện chạy hệ thống trộn ..................................................... 66
Hình 4.1.

Một số lĩnh vực phát triển IoT trên thế giới ............................... 70

Hình 4.2.

Sơ đồ kiến trúc IoT do FIWARE xây dựng (European Union) . 70

Hình 4.3.

Các nền tảng phát triển IoT hiện nay (2017) ............................. 71

Hình 4.4.

Thống kê sự tham gia vào thị trường IoT của các hãng ............ 71

Hình 4.5.

Platform IoT cho nơng nghiệp được VNPT giới thiệu tại hội chợ
viễn thơng 2016 .......................................................................... 72

Hình 4.6.

IoT Gateway của Intel và Dell sử dụng tại Cầu Đất Farm......... 73

Hình 4.7.

Platform IoT nơng nghiệp của PS Solutions Corp xây dựng ..... 73

Hình 4.8.

Giao diện người dùng của e-kakashi .......................................... 74

Hình 4.9.

Ý tưởng phát triển IoT Platform tổng thể cho nơng nghiệp....... 74

Hình 4.10. Platform triển khai tại nhà kính trồng hoa ................................. 75
Hình 4.11. Sơ đồ khối kiến trúc hạ tầng Allconnect IOT Platform ............. 76

ix

Hình 4.12. Vai trị của Tennant trong Allconnect Platform ......................... 77
Hình 4.13. Cấu trúc khối giao tiếp ............................................................... 78
Hình 4.14. Cấu trúc luồng dữ liệu ................................................................ 79
Hình 4.15. Cấu trúc khối thực thi................................................................. 80
Hình 4.16. Tổng hợp các đối tượng chính trong Allconnect IOT Platform. 80
Hình 4.17. Cấu tạo của TH-50K .................................................................. 82
Hình 4.18. Sơ đồ cấu tạo của SHT11 ........................................................... 82
Hình 4.19. Mạch PCB cho SHT11............................................................... 82
Hình 4.20. SHT11 sau khi đóng vỏ và kết nối với Zigbee Node ................. 82
Hình 4.21. Cấu trúc mạng được Zigbee hỗ trợ ............................................ 83
Hình 4.22. Sơ đồ nguyên lý của Node Zigbee ............................................. 86
Hình 4.23. Sơ đồ layout của Node Zigbee ................................................... 87
Hình 4.24. Bộ Zigbee sau khi chế tạo đưa vào thử nghiệm ......................... 87
Hình 4.25. Sơ đồ IoT Gateway .................................................................... 89
Hình 4.26. Sơ đồ giao diện mã nguồn Node-Red ........................................ 90
Hình 4.27. Sơ đồ cấu trúc hệ thống IoT nhà kính ........................................ 93
Hình 4.28. Giao diện kiến trúc hạ tầng IoT Allconnect của Agrita ............. 93
Hình 4.29. Cửa sổ đăng nhập agrita ............................................................. 94
Hình 4.30. Giao diện giám sát thơng số và điều khiển ................................ 95
Hình 4.31. Phân tích chi tiết lược sử môi trường ......................................... 95

x


LỜI NÓI ĐẦU
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Đất nước ta đang ở giai đoạn cơng nghiệp hố, hiện đại hố. Trong cơng cuộc
này, tự động hố đóng một vai trị 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 cơng nghệ tự động hố 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 ngồi để nhanh chóng hiện đại hố
nền sản xuất nơng 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 rất cao so với
đầu tư ban đầu của người dân. Để giải quyết bài tốn này, khơng có cách nào khác
ngồi việc một mặt đầu tư nhập cơng nghệ, song song với đó là nghiên cứu, thiết kế
và chế tạo ra thiết bị, công nghệ tương đương để tăng tính chủ động. Dù thiết bị có
thể mua nhưng việc tự chủ công nghệ, xây dựng tiềm lực khoa học kỹ thuật là vồ
cùng cần thiết, đó là nền tảng để phát triển nền sản xuất nước nhà. Đây là bài toán
thực tiễn đặt ra cho các nhà khoa học trong nước.
Hiện nay Việt Nam cũng như nhiều quốc gia trên thế giới chịu tác động nặng
nề bởi ơ nhiễm mơi trường. Tình trạng sa mạc hóa, hạn hán dẫn đến nền sản xuất
nông nghiệp vốn chiếm tới 75% lao động của nước ta đứng trước rất nhiều thách thức.
Cần phải có những giải pháp đối phó, đồng thời phải có cơng nghệ dẫn đường thì mới
là con đường đi cho nền sản xuất nông nghiệp. Không ai hiểu về đặc thù nơng nghiệp
nước ta hơn chính chúng ta, cần tìm ra các cơng nghệ sản xuất mới cho nơng nghiệp
trước khi q muộn.
Nhà lưới, nhà kính và nông nghiệp công nghệ cao là hướng đi duy nhất vừa giải
quyết được vấn đề an ninh lương thực, ứng phó với biến đổi khí khậu, cũng là cách
duy nhất để ta khôi phục lại hệ sinh thái nông nghiệp bền vững. Việc trồng rau, hoa

1


trong nhà lưới không những đảm bảo vệ sinh an tồn thực phẩm mà cịn giúp chủ đầu
tư có thể tính tốn chính xác sản lượng nơng sản của mình mà không bị các yếu tố rủi

ro khách quan như thời tiết, dịch bệnh… tác động. Các yếu tố về môi trường trong
nhà lưới được điều chỉnh tự động như hệ thống tưới, độ ẩm, nhiệt độ, … để tạo điều
kiện tối ưu cho cây trồng sinh trưởng và phát triển. Vì vậy, so với cách canh tác truyền
thống, hệ thống chăm sóc cây trồng trong nhà lưới hiện đại đang đem lại hiệu quả
kinh tế rất cao, tiết kiệm được 1/3 công lao động, năng suất tăng lên gấp 5 - 15 lần so
với lối canh tác theo kiểu truyền thống.
Hiện nay ngồi các loại rau thì có rất nhiều loại hoa được sản xuất trong nhà
kính. Với phương pháp trồng hoa trong nhà lưới, nhà kính thì việc ứng dụng tự động
hoá mới đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu công nghệ sản xuất hoa. Theo chương trình
phát triển cây hoa tại thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 2004 – 2010 thì diện tích, số
cơ sở kinh doanh hoa, cây kiểng liên tục tăng qua các năm, cuối năm 2010 đạt 1.910
ha, tăng 1.245 ha so với năm 2003 và vượt 59,2% so với mục tiêu chương trình đề ra.
Tuy nhiên tình hình sản xuất và xuất khẩu hoa cây cảnh cịn nhiều khó khăn và bất
cập. Công tác quy hoạch và việc tổ chức thực hiện cịn nhiều bất cập, nên việc phát
triển diện tích hoa, cây cảnh cịn phân tán cả về qui mơ lẫn chủng loại và không đảm
bảo các yêu cầu về số lượng, chất lượng cho xuất khẩu; diện tích canh tác theo quy
mơ hộ cịn nhỏ bé gây trở ngại cho việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến, hiện đại trong
sản xuất và kinh doanh. Mặt khác các hệ thống đáp ứng cho công nghệ trồng hoa đều
nhập ngoại giá thành rất cao phụ thuộc công nghệ của nước ngồi nên khi áp dụng
với điều kiện Việt Nam khơng cịn phù hợp. Với mục đích tìm ra giải pháp mới cho
sản xuất hoa theo hướng công nghệ cao, phát triển các thiết bị và công nghệ phụ trợ
cho người sản xuất, đặc biệt là những quy mô nông hộ khơng có điều kiện nhập khẩu
cơng nghệ và thiết bị. Do đó tơi đã chọn đề tài: Nghiên cứu, phát triển hệ thống giám
sát tự động các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng trong nhà lưới, ứng
dụng trong sản xuất hoa công nghệ cao.

2


2. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

2.1. Mục tiêu chung
Xây dựng được một hệ thống điều khiển giám sát các quá trình sinh trưởng, phát
triển của cây trồng trong nhà lưới, có thể ứng dụng vào sản xuất hoa đồng tiền.
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Chế tạo được 01 hệ thống giám sát tự động các quá trình sinh trưởng, phát
triển của cây trồng trong nhà lưới.
- Xây dựng được hệ thống IoT giám sát trực tuyến quá trình trồng hoa trong nhà
kính.
- Đề xuất được quy trình sản xuất hoa đồng tiền trong nhà lưới có sự hỗ trợ của
hệ thống giám sát.
3. ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là các thông số ảnh hưởng đến quá trình sản xuất hoa
trong nhà lưới và kỹ thuật điều khiển, điện, điện tử và kỹ thuật lập trình. Đó là nền
tảng để thiết kế hệ thống giám sát tự động các quá trình sinh trưởng, phát triển của
cây trồng trong nhà lưới, chăm sóc hoa cơng nghệ cao, hệ thống điều khiển và tự động
hóa q trình trồng hoa trong nhà có mái che.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu giới hạn trong việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống
giám sát tự động các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng trong nhà lưới.
Nghiên cứu với đối tượng cụ thể là cây hoa đồng tiền.
4. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
4.1. Cách tiếp cận
- Tiếp cận về lý thuyết và phương pháp: Thông qua các kết quả nghiên cứu quy
trình cơng nghệ sản xuất hoa cơng nghệ cao trong nhà lưới có mái che của các chuyên
gia trồng hoa trong nước và nước ngoài để xác định các thơng số ảnh hưởng chính
đến q trình sản xuất hoa từ đó thiết lập hệ thống điều khiển giám sát quá trình.

3

- Tiếp cận về kỹ thuật: Qua việc nghiên cứu bộ điều khiển khả lập trình PLC và
các họ vi điều khiển phổ biến, các module mở rộng, các module và công nghệ truyền
thông, nghiên cứu về mạng cảm biến thông minh để chế tạo hệ thống giám sát tự động
các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng trong nhà lưới.
- Tiếp cận với các nền tảng công nghệ: Nghiên cứu, phân tích và đánh giá các
cơng nghệ và giải pháp truyền dữ liệu, công nghệ zigbee, công nghệ IoT (internet of
things).
4.2. Phương pháp nghiên cứu
- Phân tích về quy trình cơng nghệ: Nghiên cứu các cơng trình liên quan đến nội
dung của đề tài đã được công bố, trên cơ sở đó đề xuất các phương pháp thiết kế hệ
thống điều khiển sao chho phù hợp với điều kiện nước ta.
- Thiết kế hệ thống điều khiển q trình chạy thử trong phịng thí nghiệm. Kiểm
nghiệm, đánh giá hiệu chỉnh trước khi lắp đặt.
- Ứng dụng vào thực tế: tiến hành lắp đặt hệ thống điều khiển q trình trong
nhà có mái che sau đó trồng một số hoa có giá trị kinh tế cao trong điều kiện nước ta
hiện nay. Thông qua kết quả thu được để khẳng định được khả năng áp dụng của hệ
thống vào sản xuất và đánh giá chất lượng hệ thống.
- Phương pháp nông học chuẩn được áp dụng để bố trí thí nghiệm trồng cây
trong nhà lưới nhằm xác định các thông số môi trường, dinh dưỡng, nước tưới…ảnh
hưởng đến sinh trưởng, phát triển của cây.
- Phương pháp phân tích các chỉ tiêu sinh lý: cường độ quang hợp, diện tích lá,
hàm lượng diệp lục, … được thực hiện theo các qui trình qui chuẩn để phân tích được
chất lượng sản phẩm cây trồng qua các giai đoạn trồng.
Từ những phân tích trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, phát triển hệ
thống giám sát tự động các quá trình sinh trưởng, phát triển của cây trồng trong
nhà lưới, ứng dụng trong sản xuất hoa công nghệ cao”. Được sự hướng dẫn tận
tình của PGS. TS. Nguyễn Quang Địch tác giả đã hoàn thành về cơ bản luận văn tốt
nghiệp của mình. Nội dung luận văn gồm 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về sản xuất nông nghiệp công nghệ cao

4


Chương 2: Những yêu cầu đối với quy trình sản xuất hoa trong nhà kính
Chương 3: Thiết kế hệ thống tự động giám sát điều khiển thơng số nhà kính
Chương 4: Thiết kế hệ thống IoT giám sát nhà trồng hoa
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
Trong quá trình thực hiện luận văn, dù rất cố gắng nhưng do kiến thức cũng như
kinh nghiệm bản thân còn hạn chế nên luận văn khơng thể tránh khỏi các thiếu sót.
Vậy tác giả rất mong nhận được những lời đánh giá, góp ý của các thầy cô, bạn bè để
luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 15 tháng 4 năm 2017
Học viên

Lại Văn Song

5


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO
1.1. GIỚI THIỆU VỀ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO
1.1.1. Hiện trạng sản xuất nông nghiệp công nghệ cao
Kỹ thuật công nghệ cao đã và đang được ứng dụng rất mạnh mẽ trong sản xuất
nông nghiệp trên thế giới, đặc biệt ở những nước có nền nơng nghiệp phát triển như
Hà Lan, Hoa kỳ, Israel, Nhật, Úc v.v... Đây là kỹ thuật nuôi trồng kết hợp với ứng
dụng tự động hóa trên các cơng nghệ trọng điểm của thời đại như công nghệ sinh học,
công nghệ thông tin và truyền thông, công nghệ vật liệu mới, công nghệ nano... nhằm

liên tục giám sát, điều khiển các thông số môi trường tác động lên khả năng sinh
trưởng và phát triển của cây trồng để tạo ra các loại nông sản có năng suất cao, chất
lượng tốt, giá thành thấp. Sản xuất nơng nghiệp cơng nghệ cao sẽ góp phần quan tro ̣ng
làm biế n đổ i các hê ̣ thố ng canh tác nông nghiê ̣p, nâng cao tiń h thương ma ̣i của sản
phẩ m nông nghiê ̣p và đă ̣c biê ̣t quan tro ̣ng là tăng cuờng hiể u biế t và kiế n thức của
người làm nông nghiê ̣p.
Áp dụng công nghệ cao là con đường tất yếu để phát triển một nền nông nghiệp
hiện đại trong nước. Trên thế giới, tổng diện tích trồng rau sử dụng hệ thống nhà kính
là 408,890 hectares (năm 2013). Theo số liê ̣u thố ng kê của Bô ̣ NN và PTNT, có
khoảng 90 dự án sản xuấ t nông nghiê ̣p ở thành phố HCM đươ ̣c coi là đang sử du ̣ng
công nghê ̣ cao. Những điạ phương khác như Hà Nô ̣i, Lâm Đồ ng, Phú Yên và Nghê ̣
An chỉ có mô ̣t số dự án đang bước đầ u triể n khai công nghê ̣ cao. Nước ta hiện nay đã
có một số cơng ty đươ ̣c công nhâ ̣n đang sử du ̣ng công nghê ̣ cao trong đó có Công ty
cổ phầ n công nghệ sinh ho ̣c rừng hoa Đà La ̣t, Công ty Đà Lạt Hasfarm, Công ty Sữa
TH (TH Milk Joint Stocks Company), Công ty TNHH Vineco (thuộc tập đồn
VinGroup). Cũng theo Bơ ̣ NN và PTNT, cả nước có 7 đế n 12 khu sản xuấ t nông
nghiê ̣p tiên tiế n như nông tra ̣i rau quả và hoa ở Đà La ̣t, mô ̣t số cơ sở nuôi trồ ng thủy
sản ở Đồ ng bằ ng sông Cửu Long và đồ n điề n cà phê ở Tây Nguyên, khu nông nghiệp
công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh. Triǹ h đơ ̣ nghiên cứu, mức đô ̣ đầ u tư và
nguồ n nhân lực về công nghê ̣ cao trong pha ̣m vi cả nước đang ở tình tra ̣ng rấ t thấ p

6


chưa đồng bộ và cịn gặp rất nhiều khó khăn trong triển khai và nhân rộng do chi phí
đầu tư và vận hành cao.
Các mơ hình nhà lưới cơng nghệ cao đã được du nhập chủ yếu từ Israel và Nhật
Bản ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm rau, hoa cao cấp ở Việt nam. Theo số liệu
điều tra được thì tính đến năm 2012, cả nước ta có 513,5 ha nhà kính trong đó có 316
ha phục vụ trồng rau, 45 ha trồng cây ăn quả, 35 ha trồng hoa cắt cành, 45 ha trồng

hoa chậu và 72,5 ha trồng nấm. Cũng trong năm này lượng nhà có mái che đơn giản
(low tunnels) là 670 ha chủ yếu trồng rau, trong đó khoảng 10 ha trồng cây trên chậu.
Cịn diện tích sản xuất có dùng màng che phủ đơn giản là 2790 ha, chủ yếu trồng rau
và hoa cắt cành.
1.1.2. Một số công nghệ đang được sử dụng trong sản xuất nơng nghiệp
1.1.2.1. Cơng nghệ nhà kính
Trong hơn 2 thập kỷ qua, việc cải tiến không ngừng về thiết kế và công nghệ
xây dựng nhà lưới, quản lý cây trồng, sử dụng giống mới, quản lý sự thông khí và
nguồn chiếu sáng... đã cho phép làm tăng năng suất một cách ấn tượng trong hệ thống
sản xuất trong nhà lưới. Tại Hà lan, với việc áp dụng các cải tiến này, năng suất ớt
ngọt và cà chua đã được tăng lên tương ứng đạt 96 % và 117 % (Theo New AG
International, 2007). Về mặt thiết kế, nhiều dạng nhà đã được thiết kế nhằm tối ưu
hóa nguồn năng lượng đưa vào nhà greenhouse cũng như cải tiến q trình lưu thơng
khí bên trong nhà greenhouse.
Về vật liệu che phủ cũng là một hợp phần được quan tâm. Các vật liệu này được
phát triển trên cơ sở các nghiên cứu về tác động và sự tương tác với bức xạ mặt trời
và tạp giao ảnh hưởng đến cây trồng, kiểm tra hoạt động của côn trùng, lọc các tia
cực tím, tia hồng ngoại và phản chiếu ánh sáng để tối đa hóa hiệu quả đối với cây
trồng. Các dạng nhà lưới đơn giản thường sử dụng lưới chắn côn trùng, chủ yếu là
loại 50 mắt lưới/ cm2. Những loại lưới khác được dùng để tạo bóng mát. Phương
pháp sản xuất tiên tiến đã thành công trong việc sản xuất lưới để dùng như là một
màn khử trùng phức tạp. Giảm tia bức xạ vào ban ngày và buộc hơi nóng phải thốt
ra vào ban đêm. Sự áp dụng kỹ thuật mới này đặc biệt có lợi trong vùng mà nhiệt độ

7


ngày và đêm cách biệt nhau. Nghiên cứu mới do các nhà khoa học Israel thực hiện
cho thấy lợi thế của màn lưới trên cây ăn trái như táo, quả xuân đào, qủa hồng dòn,
đào và các loại cây cảnh tỉa lá. Bên cạnh đó, vật liệu nhựa được sử dụng để bao bọc

nhà kính chủ yếu là polyethylene hoặc polycarbonate với 3 hoặc 5 lớp, cung cấp vỏ
bọc với đặc tính như khơng thấm nước, chống bụi và cơn trùng. Bao nhựa được sản
xuất ngày nay bền và chống được xapon từ lưu huỳnh vốn được sử dụng như là thuốc
trừ sâu trong nhà kính. Nhiều nhà kính, ngồi màng nhựa bao phủ bên ngồi, cịn có
một lớp chắn cơn trùng đi vào và cho phép hơi nóng thốt ra.
Ví dụ về một mẫu nhà thiết kế tại Học viện Nơng nghiệp Việt Nam, 2016:

Hình 1.1. Bản thiết kế mặt trước
nhà kính

Hình 1.2. Bản thiết kế mặt sau nhà kính
với cooling pad

Hình 1.3. Thiết kế hệ thống đảo khí
bên trong

Hình 1.4. Bản thiết kế tổng thể nhà lưới
500m tại VNUA 2016

Kiểm sốt khí hậu
Cơng nghệ làm mát khơng khí: Giải pháp tối ưu để làm mát khơng khí là lắp
đặt hệ thống làm mát và thơng gió nhà lưới. Hệ thống này cung cấp lượng khơng khí
mới giàu oxi, lọc sạch những bụi bẩn tạp chất qua lớp màng lọc bụi và lớp lọc siêu
bền bằng giấy dạng uốn nếp tổ ong, do cấu tạo dưới dạng tổ ong nên diện tích lọc rất

8


lớn có thể làm sạch mọi hạt bụi và được làm mát sau đó được dẫn qua đường ống đưa
vào nhà lưới. Ưu điểm của hệ thống làm mát và thơng gió nhà lưới là làm mát với

diện tích lớn (với nhà lưới diện tích 100-150 m2 thì chỉ cần lắp đặt một máy làm mát
18.000 m3/h, điện năng tiêu thụ với máy làm mát này công suất chỉ là 1.1Kw).
Việt Nam nằm hồn tồn trong vịng đai nhiệt đới của nửa cầu bắc, thiên về chí
tuyến hơn là phía xích đạo, vị trí đó đã tạo cho Việt Nam có một nền nhiệt độ cao.
Nhiệt độ trung bình năm từ 22ºC đến 27ºC. Hàng năm, có khoảng 100 ngày mưa với
lượng mưa trung bình từ 1.500 đến 2.000mm. Độ ẩm khơng khí trên dưới 80%. Số
giờ nắng khoảng 1.500 - 2.000 giờ, nhiệt bức xạ trung bình năm 100kcal/cm². Để các
công nghệ trồng cây tiên tiến trong nhà greenhouse có thể phát triển thành cơng ở
Việt nam, việc sử dụng các hệ thống làm mát khơng khí là rất cần thiết để có thể sản
xuất quanh năm.

Hình 1.5. Ngun lý hệ thống làm mát
Fan and Cooling Pad

Hình 1.6. Mơ hình bố trí hệ thống
làm mát

Hình 1.7. Sơ đồ đường nhiệt trong nhà kính

9


Vi tính hố
Phần mềm và phần cứng máy tính đã phát triển cho phép kiểm soát tự động hệ
thống cung cấp nước, dinh dưỡng và khí hậu trong nhà kính. Trên thế giới công nghệ
này đã được áp dụng rộng rãi và đạt được nhiều kết quả tốt như mô hình giao diện điều
khiển Jack Ross được máy tính giám sát, điều khiển hệ thống canh tác rau thủy canh.
Những thành phần cơ bản giao tiếp với máy tính gồm các yêu cầu dữ liệu đầu vào/ ra.
Dữ liệu đầu vào (Input interface equipment): Gồm các thông số đo được như nhiệt độ
môi trường, độ ẩm, nồng độ CO2 , cường độ ánh sáng, EC, pH, nhiệt độ dung dịch

dinh dưỡng. Tác động đầu ra (Output interface equipment) gồm bật/tắt các bơm, quạt,
hệ thống sưởi ấm (heaters), phun sương, làm mát (coolers) và mối tương quan EC và
pH trong dung dịch dinh dưỡng đối với từng loại cây ở từng giai đoạn sinh trưởng. Hay
mơ hình của Ecos là giao diện kết nối giữa máy tính với hệ thống điều khiển canh tác
thủy canh trong nhà có mái đang được sử dụng phổ biến trong canh tác nông nghiệp
Úc. ECos giám sát nồng độ pH, EC trong dung dịch dinh dưỡng, điều khiển tưới, hệ
thống làm ấm, thơng gió, phun sương và điều tiết nồng độ CO2 trong nhà có mái che.
Các thông số trong nhà lưới nuôi trồng hoa được mạng lưới cảm biến liên tục đo và
truyền dữ liệu qua các tín hiệu khơng dây về bộ điều khiển như Anujkumal và Izzatdin
Abdul Aziz đề xuất. Ngoài ra các nhà nghiên cứu tại Nhật Bản đã ứng dụng cơng nghệ
định vị tồn cầu vào hệ thống giám sát điều khiển q trình chăm sóc cây trồng trong
nhà lưới. Hay hệ thống cập nhật, xử lý và chuyền các thông số môi trường trong nhà
lưới thông qua mạng Internet cũng đã được nghiên cứu chế tạo thành công tại Ấn Độ.

Hình 1.8. Giao diện phần mền hỗ trợ quản lý đồng ruộng Viện nghiên cứu lúa gạo
quốc tế (IRRI)

10


Hình 1.9. Mơ tả hệ thống phần mềm quản lý khu nơng nghiệp cơng nghệ cao
TP.HCM
Ngồi ra các cơng ty sản xuất nông nghiệp công nghệ cao hiện nay đều tự xây
dựng các hệ thống phần mềm quản lý riêng để phục vụ cho hoạt động sản xuất được
tốt hơn. Chẳng hạn phần mềm quản lý sản xuất của Vineco, TH True Milk, ....
1.1.2.2. Cơng nghệ thủy canh

Hình 1.10. Sơ đồ mơ phỏng cơng nghệ thủy canh

Hình 1.11. Hệ thống trồng rau thủy canh tại Vineco Vĩnh Phúc

11


1.1.2.3. Cơng nghệ khí canh
Cơng nghệ bán thủy canh cải tiến dựa trên cơ sở là cơng nghệ khí canh nhưng
có duy trì nguồn nước dinh dưỡng ở dưới hệ thống để khắc phục nhược điểm của
cơng nghệ khí canh là lệ thuộc hoàn toàn vào nguồn điện. Ở hệ thống này cây được
trồng trong những lỗ ở các tấm polystyrene hoặc vật liệu khác, nhưng rễ cây chỉ được
treo lơ lửng trong mơi trường khơng khí phía dưới tấm đỡ. Trong hộp có hệ thống
phun mù, hộp được che kín sao cho rễ nằm trong hộp được phun định kỳ vài phút
một lần. Với hệ thống này không phải dùng giá thể trơ, dinh dưỡng được phun trực
tiếp đến rễ, oxy được cung cấp đầy đủ.
Hoạt động của hệ thống bán thủy canh cải tiến dựa trên nguyên tắc: dung dịch
dinh dưỡng được phun trực tiếp vào hệ thống rễ của cây trồng dưới dạng sương mù
theo chế độ ngắt quãng ở dưới bổ sung dung dịch dinh dưỡng để duy trì nguồn dinh
dưỡng cho cây trồng trong điều kiện mất điện.
Công nghệ này được xem như là bước đột phá trong lĩnh vực nghiên cứu và sản
xuất giống vơ tính cây trồng.Tồn bộ các khâu điều khiển pH, độ EC của dung dịch,
nhiệt độ của dung dịch và mơi trường đều được tự động hóa nhờ các phần mềm
chuyên dụng. Công nghệ này là sự phối hợp giữa công nghệ sinh học, công nghệ tin
học, công nghệ vật liệu mới và cơng nghệ tự động hóa.

Hình 1.12. Ngun lý hệ khí canh
1.1.2.4. Cơng nghệ pin mặt trời
Trong bối cảnh nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt, nhu cầu sử
dụng năng lượng ngày càng gia tăng do tốc độ cơng nghiệp hóa, áp lực thiếu hụt năng

12