Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống thiết bị ứng dụng trong nông nghiệp công nghệ cao

..

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH
BAN CHẤP HÀNH TP. HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH DỰ THI
GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA
LẦN THỨ XIX NĂM 2017

TÊN CÔNG TRÌNH: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
HỆ THỐNG THIẾT BỊ ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP
CÔNG NGHỆ CAO

LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ

Mã số cơng trình: …………………………….
(Phần này do BTC Giải thưởng ghi)


MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. I
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................II
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH.......................... III
TĨM TẮT CƠNG TRÌNH ................................................................................. VI
PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ ........................................................................................ 1
1.1 Tính cấp thiết đề tài .................................................................................... 1
1.2 Lí do chọn đề tài ......................................................................................... 3
PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .............................................................. 5
2.1 Tổng quan đề tài ............................................................................................. 5
2.2 Tình hình trong nước ...................................................................................... 6

2.3 Tình hình trên thế giới .................................................................................... 7
2.4 Vấn đề tồn tài và hướng giải quyết vấn đề .................................................... 12
PHẦN 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 13
3.1 Mục tiêu của đề tài ....................................................................................... 13
3.2 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 14
PHẦN 4: NỘI DUNG THỰC HIỆN VÀ KẾT QUẢ CƠNG TRÌNH

NGHIÊN CỨU ..................................................................................................... 16
4.1 Thiết kế chế tạo khung máy .......................................................................... 16
4.1.1 Nguyên lí cơ bản và phương án kết cấu cơ khí của máy.......................... 16

4.1.2 Kết cấu bộ phận chức năng cơ bản trên khung máy ................................ 19
4.2 Thiết kế cơ cấu chuyển động cơ khí .............................................................. 19
4.2.1 Trục vít me bi ......................................................................................... 19
4.2.2 Động cơ bước ......................................................................................... 20
4.3 Thiết kế modul chức năng và chi tiết gá liên kết khung máy ......................... 22
4.3.1 Thiết kế các đầu modul ........................................................................... 22
4.3.2 Thiết kế tấm nhôm liên kết khung máy ................................................... 25
4.4 Phần điện tử điều khiển ................................................................................ 25
4.4.1 Hệ thống máy tính điều khiển trung tâm ................................................. 25
4.4.2 Board điều khiển xử lí tín hiệu................................................................ 28
4.4.3 Board driver cho động cơ bước (Microstep driver TB6600) ................... 32
4.4.4 Sensor .................................................................................................... 34
4.5 Giới thiệu IOT, giao thức kết nối internet và điều khiển IOT ........................ 35
4.5.1 Giới thiệu IOT là gì ? ............................................................................. 35
4.5.2 Giao thức kết nối internet và điều khiển IOT .......................................... 36


4.6 Kết quả thiết kế và thi cơng mơ hình............................................................. 39
4.6.1 Kết quả thiết kế và thi công hệ thống máy .............................................. 39

4.6.2 Kết quả giao diện Website để điều khiển hệ thống qua Internet .............. 43
PHẦN 5: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ ..................................................................... 46
5.1 Kết luận ........................................................................................................ 46
5.2 Đề xuất và kiến nghị .................................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 49
PHỤ LỤC CODE LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC BẢN VẼ THIẾT
KẾ CHẾ TẠO ...................................................................................................... 50


I

DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1 Thông số kỹ thuật Mega 2560 ................................................................. 29
Bảng 4.2 Tín hiệu thơng số các chân cảm biến đo độ ẩm ....................................... 35


II

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BVTV

Chất bảo vệ thực vật

CNC

(Computer Numberical Control) Điều khiển bằng máy tính

Farmtech

(Farm Technology) Thiết bị công nghệ phục vụ nông nghiệp

GMO

(Genetically Modified Organism) Sinh vật biến đổi gen

IoT

(Internet of Things) Vạn vật kết nối Internet


III

DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Ứng dụng cơng nghệ cao vào nơng nghiệp sạch ........................................ 1
Hình 1.2 Sử dụng Drone để tưới phun hóa chất........................................................ 2
Hình 1.3 Trồng rau sạch theo kiểu truyền thống....................................................... 2
Hình 2.1 Robot thu hoạch cà chua tự động ở Hà Lan có kết cấu phức tạp ................ 5
Hình 2.2 Mục tiêu phát triển Farmtech (IoT) ........................................................... 5
Hình 2.3 Trồng rau trong mơ hình thu nhỏ sử dụng cơ cấu CNC ............................. 6
Hình 2.4 Hệ thống tưới nước tự động tại Sudan ....................................................... 7
Hình 2.5 Nghiên cứu TS. Kaiima khơng sử dụng GMO tăng sản lượng cây trồng.... 8
Hình 2.6 Công nghệ nhân gây giống cây trồng của Hazera genetics......................... 8
Hình 3.1 Mơ hình trồng rau sạch truyền thống ....................................................... 13
Hình 3.2 Mơ hình trồng rau sạch tưới phun sương ................................................. 14
Hình 3.3 Mơ hình hệ thống tưới nhỏ giọt ............................................................... 14
Hình 4.1 Bộ phận đầu hút hạt sử dụng ngun lí Venturi ....................................... 16
Hình 4.2 Bản thiết kế phần khung hồn chỉnh ........................................................ 17
Hình 4.3 Sử dụng nhơm định hình MK6 để làm khung máy .................................. 17
Hình 4.4 Kết cấu máy được thiết kế trên phần mềm CAD...................................... 18
Hình 4.5 Mơ hình khung máy tham khảo ............................................................... 18

Hình 4.6 Mơ hình Farmtech chế tạo thực tế ........................................................... 18
Hình 4.7 Trục truyền động vít me bi và dẫn hướng ................................................ 19
Hình 4.8 Động cơ bước.......................................................................................... 20
Hình 4.9 Bên trong của một động cơ bước ............................................................. 21
Hình 4.10 Điều khiển góc quay của động cơ. ......................................................... 21
Hình 4.11 Thơng số động cơ bước Nema17 40500 sử dụng trong máy .................. 22
Hình 4.12 Thiết kế modul chính dùng để kết nối các modul phụ ............................ 23
Hình 4.13 Thiết kế đầu gieo hạt (Seeder injection ) thiết kế trên PTC Creo............ 23
Hình 4.14 Đầu tưới nước (Watering) thiết kế trên PTC Creo ................................. 23
Hình 4.15 Thiết kế đầu gắn cảm biến (Soil Sensor) thiết kế trên PTC Creo............ 23


IV
Hình 4.16 Thiết kế modul kết hợp chức năng như gieo hạt, tưới nước ................... 24
Hình 4.17 Modul chính liên kết thiết kế trên solidwork và thực tế ......................... 24
Hình 4.18 Kẹp đỡ máng trượt CNC thiết kế trên solidwork và thực tế ................... 24
Hình 4.19 Modul bới đất thiết kế trên solidwork và thực tế .................................... 24
Hình 4.20 Các pass liên kết trên khung sau khi lắp ráp .......................................... 25
Hình 4.21 Thiết kế các pass liên kết trên Autocad 2D và gia cơng thực tế.............. 25
Hình 4.22 Hình dạng thực tế của board điều khiển chính ....................................... 26
Hình 4.23 Sơ đồ kết nối chân Raspberry Pi 3 ......................................................... 27
Hình 4.24 Board điều khiển Mega 2560 MKS V1.4 ............................................... 29
Hình 4.25 Sơ đồ chân của board Mega 2560 .......................................................... 30
Hình 4.26 Sơ đồ nguyên lí của cổng chuyển đổi RS232 ......................................... 30
Hình 4.27 Sơ đồ tạo nguồn 3.3 v............................................................................ 31
Hình 4.28 Sơ đồ điều khiển của AVR .................................................................... 31
Hình 4.29 Sơ đồ chân Layout của board thiết kế trên Altium14 ............................. 32
Hình 4.30 Microstepper Driver TB6600 ................................................................ 33
Hình 4.31 sơ đồ kết nối test động cơ với Stepper Driver ........................................ 34
Hình 4.32 Cảm biến độ ẩm đất............................................................................... 34

Hình 4.33 Xu hướng kết nối vạn vật trong tương lai gần........................................ 36
Hình 4.34 Sơ đồ khối và cách giao tiếp của MQTT................................................ 36
Hình 4.35 Điều khiển thơng qua web app .............................................................. 38
Hình 4.36 Tổng quan cách thức giao tiếp và hoạt động của tồn bộ thiết bị ........... 39
Hình 4.37 Hệ thống chuyển động trục X và Z bằng bánh xe lăn kết hợp đai kéo .... 40
Hình 4.38 Thi cơng hệ thống chuyển động trục X và Z bằng bánh xe lăn ............... 40
Hình 4.39 Modul chính liên kết thiết kế trên Solidwork và thực tế chế tạo ............. 41
Hình 4.40 Modul bới đất thiết kế trên solidwork và thực tế .................................... 41
Hình 4.41 Các pass liên kết trên khung sau khi lắp ráp .......................................... 42
Hình 4.42 Kẹp đỡ máng trượt CNC thiết kế trên Solidwork và thực tế ................... 42
Hình 4.43 Hệ thống gá đặt khây chứa hạt và thay đổi cơ cấu chức năng ................ 42
Hình 4.44 Mơ hình hồn chỉnh thực tế trên phịng nghiên cứu ............................... 42
Hình 4.45 Mơ hình chạy thử nghiệm tham khảo .................................................... 43
Hình 4.46 Mơ hình chạy thử nghiệm tưới nước và chăm sóc cây ........................... 43
Hình 4.47 Thiết kế khu vườn ảo theo sở thích ........................................................ 43


V
Hình 4.48 Tạo các cây trồng ảo theo sở thích......................................................... 44
Hình 4.49 Lập kế hoạch riêng theo sở thích ........................................................... 44
Hình 4.50 Kiểm sốt hể thống thơng qua web ........................................................ 45
Hình 4.51 Điều khiển vị trí thơng qua cách nút điều hướng ................................... 45


VI

TĨM TẮT CƠNG TRÌNH
Cơng trình nghiên cứu trình bày về việc ứng dụng công nghệ CNC (Computer
numerical controlled) vào lĩnh vực nông nghiệp, thiết bị tự động ứng dụng nông
nghiệp bao gồm các cơ cấu cơ khí chuyển động, hệ thống điện tử điều khiển động cơ

step, hệ thống điều khiển bằng web app, hệ thống phần mềm quản lí sản xuất nông
nghiệp ứng dụng công nghệ cao từ giai đoạn ươm mầm, xuống giống đến thu hoạch
và bảo quản để theo dõi đảm bảo theo quy trình tiêu chuẩn, áp dụng các phương pháp
tưới nước hiện đại nhằm tiết kiệm nước, thời gian, công sức, đạt hiệu quả kinh tế,
kèm theo là báo cáo thành phần hóa học dư lượng thuốc bảo vệ thực vật nếu có dùng
trong quá trình sản xuất.
Theo truyền thống trồng rau tự nhiên khơng kiểm soát được dịch bệnh, lạm dụng
thuốc bảo vệ thực vật hóa học khơng đúng cách và dùng q nhiều liều lượng, nguồn
nước cung cấp cho việc trồng trọt chưa đảm bảo sạch, sau khi thực phẩm được thu
hoạch thì chưa có một báo cáo nào cụ thể về từng thành phần hóa học, chưa thực sự
đầu tư nghiên cứu vào quy trình sinh trưởng của từng loại giống mà chủ yếu chỉ dựa
vào kinh nghiệm quan sát tự nhận biết.
Việc ứng dụng khung máy CNC có kết cấu cơ khí được thiết kế và tính tốn
động học dựa trên hệ tọa độ Descartes đảm bảo việc chuyển động nội suy phức tạp
và chính xác. Q trình tính tốn được ứng dụng trong việc thiết kế và chế tạo cơ khí
đã hồn thiện, mơ hình khung CNC đảm bảo hoạt động chính xác cao, đáp ứng các
yêu cầu thực tiễn và áp dụng trực tiếp vào sản xuất nông nghiệp. Khi mơ hình hồn
thành có thể giúp tự động hóa quy trình quản lý trồng trọt, hỗ trợ lập kế hoạch thơng
qua web app, tính tốn chi phí doanh thu theo mùa vụ, thu thập dữ liệu từng loại giống
, phân tích thơng tin mơi trường xung quanh và điều khiển các thiết bị: Hệ thống tưới,
làm mát, đèn chiếu sáng, quạt, màn chắn… để giữ cho thời tiết và mơi trường trồng
cây thích hợp và lí tưởng để cây trồng có thể phát triển tồn diện.
Sự kết hợp từ cơ khí đến điều khiển tự động và cơng nghệ thơng tin tạo ra một
“mơ hình nơng nghiệp tự động thu nhỏ hay còn được gọi với cái tên là Farmtech
(IOT)”. Việc ứng dụng khoa học kĩ thuật công nghệ cao vào nông nghiệp mang lại
nhiều giá trị tiềm năng phát triển, nâng cao năng lực cạnh tranh thông qua việc nâng
cao năng suất, chất lượng sản phẩm và tối giản chi phí sản xuất, và đặc biệt hơn là
đảm bảo an tồn vệ sinh thực phẩm, kiểm sốt lưu lượng thuốc bảo vệ thực vật, đánh

VII
giá và đảm bảo đủ tiêu chuẩn để đủ sức cạnh tranh xuất khẩu thực phẩm sạch ra thị
trường thế giới.


1

PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
1.1 Tính cấp thiết đề tài
Hiện nay Đảng và Nhà nước đã có nhiều chủ trương, chính sách lớn phát triển
nơng nghiệp hiện đại, trong đó ưu tiên áp dụng các giải pháp tiên tiến của khoa học
cơng nghệ vào nơng nghiệp, nhiều mơ hình, giải pháp ứng dụng kỹ thuật trong ngành
nông nghiệp được triển khai đã và đang đem lại hiệu quả tích cực như: hệ thống trồng
rau sạch, hệ thống thông tin nông nghiệp,.... Việc ứng dụng khoa học kĩ thuật công
nghệ cao vào trong nông nghiệp là một lựa chọn phù hợp, có tiềm năng lớn trong việc
hỗ trợ, xây dựng chiến lược phát triển, tái cơ cấu ngành nông nghiệp, xa hơn nữa là
đưa sản phẩm nông nghiệp Việt Nam xuất khẩu ra thị trường như: Mỹ, Nhật bản,
Australia, Hàn Quốc, Singapore, EU...

Hình 1.1 Ứng dụng cơng nghệ cao vào nơng nghiệp sạch
Việc áp dụng công nghệ cao vào nông nghiệp sẽ hạn chế lãng phí các tài nguyên
do tính ưu việt của các công nghệ như công nghệ sinh học, cơng nghệ sản xuất hữu
cơ, cơng nghệ tự động hóa, cơng nghệ thơng tin…Trên dây truyền sản xuất khép kín
sử dụng các hệ thống gieo hạt tự động, tưới cây nhỏ giọt, hệ thống đo đạc độ ẩm, hệ
thống phun thuốc trừ sâu tự động, hệ thống quan sát camera, hệ thống điều khiển
thơng qua smartphone. Mọi quy trình cơng việc đều được kiểm soát chặt chẽ sẽ cho
tăng năng suất và chất lượng sản phẩm hơn so với phương pháp truyền thống.


2

Hình 1.2 Sử dụng Drone để tưới phun hóa chất
Việt Nam là một nước lấy sản xuất nông nghiệp làm nền tảng, tuy nhiên từ xưa
đến nay nông nghiệp nước ta phần lớn đều sử dụng phương pháp truyền thống và bên
cạnh những ưu nhược điểm đem lại thì trong việc trồng trọt, thu hoạch, sơ chế, bảo
quản, vận chuyển còn lạc hậu ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm không đáp ứng đủ
các tiêu chuẩn đưa ra. Hiện tại tình trạng thực phẩm khơng đảm bảo vệ sinh an toàn
thực phẩm, lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật và chất kích thích tăng trưởng trên rau
quả vẫn cịn phổ biến. Đây là một trong những nguyên nhân, thách thức lớn nhất
khiến Việt Nam không đủ nguồn cung ứng và năng lực cạnh tranh khi xuất khẩu rau
quả tiếp cận thị trường thế giới.

Hình 1.3 Trồng rau sạch theo kiểu truyền thống
Mục đích việc tạo ra Farmtech là thiết bị sản xuất nông nghiệp công nghệ cao
sẽ nâng cao năng lực cạnh tranh qua việc tăng năng suất, chất lượng sản phẩm và tối
giản chi phí sản xuất, quản lý quá trình sản xuất tuân theo các tiêu chuẩn, ứng dụng


3
các công nghệ phục vụ đời sống, phát triển nông nghiệp theo hướng hiện đại, đặc biệt
quan trọng hơn là đảm bảo an tồn vệ sinh thực phẩm. Q trình tạo ra sản phẩm
nông nghiệp với Farmtech là một quy trình khép kín khơng hao tốn q nhiều thời
gian chăm sóc và theo dõi.
Việc kết hợp Farmtech với Internet giúp quản lí được tồn bộ q trình trồng
trọt ở bất kì nơi đâu. Hoạt động sản xuất nơng nghiệp ngày nay đang phải đối mặt với
tính khan hiếm của các yếu tố nguồn lực. Như vậy, những công nghệ mới áp dụng
vào nông nghiệp không những phải nhằm hướng nâng cao sức sống bên trong của
thực vật sử dụng với hiệu quả cao nhất nguồn tài nguyên đất đai sinh thái hiện có, mà
cịn phải góp phần giữ gìn, tái tạo các nguồn tài nguyên đó để đảm bảo sự phát triển
nông nghiệp bền vững trong tương lai, sự kết hợp cơ khí hóa và tự động hóa nâng cao

hiệu suất làm việc, tiết kiệm thời gian lao động của các khâu, giảm bớt chi phí.
1.2 Lí do chọn đề tài
Với mong muốn tạo ra một thiết bị tự động có khả năng gieo hạt, theo dõi q
trình, tự động tưới nước và bón phân theo đúng liều lượng, giúp người sử dụng chăm
sóc cây trồng theo đúng quy trình an toàn sinh học và tuân theo các tiêu chuẩn nông
nghiệp sạch đã đề ra, người sử dụng không cần có q nhiều kiến thức chun mơn
về cơng nghệ và máy móc nhưng vẫn có thể cho ra những sản phẩm chất lượng và
sạch. Khi Farmtech được tạo ra và ứng dụng trong nền nơng nghiệp có khả năng tối
ưu hóa sản xuất lương thực thực phẩm dựa trên một quy mơ nhỏ. Farmtech có một
nền tảng linh hoạt dùng trong phịng thí nghiệm để nghiên cứu, học tập, sản xuất, với
việc thiết kế và chế tạo đơn giản, cùng với nhiều modul mở rộng có thể tăng khả năng
làm việc. Bên cạnh những ưu điểm đặc biệt to lớn mà Farmtech mang lại thì vẫn cịn
những khuyết điểm như sau: theo thời gian hiệu năng làm việc của cơ cấu máy giảm,
chưa tối ưu được tồn bộ q trình sản xuất, năng suất mang lại còn nhỏ, thời gian
thu hoạch cần phải theo dõi và trong quá trình thu hoạch cần sử dụng sức người, chưa
tự động hóa tồn bộ quá trình, cần phải tiếp thu lắng nghe ý kiến người sử dụng để
có những điều chỉnh hợp lí.
Để có thể khắc phục tồn bộ những nhược điểm từ phương pháp nông nghiệp
truyền thống từ xưa đến nay và kết hợp khoa học kỹ thuật công nghệ cao vào nông
nghiệp nhằm đem lại hiệu quả kinh tế, nâng cao năng suất lao động, tiết kiệm thời
gian quản lí và chăm sóc, nâng cao sức sống thực vật, tránh làm ô nhiễm môi trường


4
từ các thuốc bảo vệ thực vật mang lại, tránh được biến đổi khí hậu theo thời tiết làm
ảnh hưởng trực tiếp đến cây trồng. Farmtech có ngun lí hoạt động tương tự như các
cơ cấu máy CNC khác, điều khiển thơng qua lập trình máy tính và sử dụng modul
wifi của Raspberry kết nối internet kiểm sốt q trình hoạt động (IoT), sự dịch
chuyển các trục Ox, Oy, Oz kết hợp với modul là tự động hóa quy trình sản xuất thực
phẩm sạch.

Ý tưởng để nghiên cứu, thiết kế, chế tạo, ứng dụng Farmtech đem lại nhiều hiệu
quả và ưu điểm là rất khả thi và hồn tồn có thể thành hiện thực. Trong một tương
lai gần, nếu được đầu tư, nghiên cứu nghiêm túc và ứng dụng vào lĩnh vực nông
nghiệp, trước tiên là để nghiên cứu học tập tại các phịng thí nghiệm, và sau khi
Farmtech đi vào hoạt động sản xuất mang lại giá trị xã hội và kinh tế tạo ra các thực
phẩm sạch phục vụ cho nhu cầu thiết yếu hiện nay là điều quan trọng và cấp bách
nhất.
Vì vậy, nhóm tác giả quyết định chọn đề tài
“THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG GIEO HẠT VÀ CHĂM
SÓC VƯỜN RAU ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ
CAO”.


5

PHẦN 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1 Tổng quan đề tài
Hiện nay ứng dụng khoa học kỹ thuật công nghệ cao vào lĩnh vực nông nghiệp
là một phát kiến mới mẻ và đầy thách thức. Làm sao để mọi người đều có thể sử dụng
Farmtech một cách hiệu quả, dễ sử dụng thân thiện, phù hợp nhu cầu và giá thành
hợp lí. Từ những thực tiễn ngành nơng nghiệp truyền thống mang lại, việc tính tốn
thiết kế và chế tạo kết cấu máy phải nhỏ gọn, dễ bảo trì khơng phức tạp và mắc tiền.
Kích thước tương đối nhỏ để áp dụng trước cho các hộ gia đình, khi hệ thống cơ khí
và điều khiển phù hợp sẽ mở rộng thước tồn bộ hệ thống.

Hình 2.1 Robot thu hoạch cà chua tự động ở Hà Lan có kết cấu phức tạp
Farmtech có chức năng gieo hạt, chăm sóc, quản lí cây trồng cho đến khi thu
hoạch. Trên bộ phần đầu máy có thiết kế đặc biệt để gắn các modul mở rộng (modul
gieo hạt, modul tưới nước, modul đo độ ẩm…). Ngoài chức năng cơ bản trên khi
Farmtech được kết hợp với Internet có thể tự động thực hiện mọi quá trình thơng qua

điều khiển trên máy tính ở bất kì đâu.

.
Hình 2.2 Mục tiêu phát triển Farmtech (IoT)


6

2.2 Tình hình trong nước
Đã xuất hiện nhiều doanh nghiệp có sản suất và chế tạo, kinh doanh các mặt
hàng kỹ thuật phục vụ nông nghiệp nhưng giá thành tương đối cao và chưa chuyên
sâu về công nghệ cao vào lĩnh vực công nghiệp, phần lớn chỉ tập trung vào các máy
công cụ phụ vụ nông nghiệp truyền thống, chỉ một số ít các cơng ty nước ngồi bước
đầu nghiên cứu phát triền thành công áp dụng khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp.
Việc cho ra đời Farmtech thiết bị ứng dụng trong nơng nghiệp sạch là một khía cạnh
mới và chưa thực sự được đầu tư nghiên cứu nhiều ở nước ta.
Thực tế cho thấy đã có rất nhiều phương pháp áp dụng khoa học vào nông
nghiệp trên thế giới (phương pháp thủy canh) nhưng theo nhóm phương pháp địa
canh, phát triền áp dụng khoa học kỹ thuật công nghệ cao vào nông nghiệp truyền
thống là một đề tài nghiên cứu khoa học vào lĩnh vực nông nghiệp để chun phục
vụ ngành nơng nghiệp.

Hình 2.3 Trồng rau trong mơ hình thu nhỏ sử dụng cơ cấu CNC
Hiện nay các lĩnh vực ứng dụng của máy CNC trong nước khá đa dạng và
phong phú. Các sản phẩm do máy CNC tạo ra trong nước tập trung các lĩnh vực dùng
để chế tạo ra các máy móc, thiết bị và dây chuyền sản xuất phục vụ toàn bộ các ngành
kinh tế khác như: cơng nghiệp nă ̣ng (đóng tàu, khai thác mỏ, điện, dầu khí, thiết bị
vận chuyển như ơ tơ, tàu hoả,…), cơng nghiệp nhẹ (dệt may, đóng giày, thực
phẩm,…), cơng nghiệp quốc phịng (dây chuyền sản xuất vũ khí, thuốc nổ…), công
nghệ thông tin (dây chuyền sản xuất vi mạch điện tử, lắp ráp máy tính và thiết bị viễn

thông,…), các thiết bị dùng cho giáo dục và đào tạo, các thiết bị y học… Nhưng lĩnh
vực nông nghiệp hầu như là không.


7
Nền nông nghiệp nước ta hiện nay đều sử dụng các phương pháp truyền thông
và lao động thô sơ bằng sức người, còn ở các khu vực như đồng bằng sơng cửu long
tiến bộ hơn thì dùng các máy cơng cụ để thu hoạch, việc thu hoạch và sơ chế bảo
quản tiến hành chính vẫn là phương pháp thủ cơng , cơng nghệ bảo quản, vận chuyển
cịn lạc hậu dẫn đến chất lượng sản phẩm thấp ảnh hưởng đến giá thành cao, tổng kết
sau thu hoạch lên tới 25- 30%. Công nghệ bảo quản sau thu hoạch đối với các loại
rau quả tươi cịn hạn chế, khơng đáp ứng nhu cầu vận chuyển rau quả đi xa. Vẫn còn
hiện tượng sử dụng các hóa chất độc hại, khơng rõ nguồn gốc trong chế biến, bảo
quản rau quả tươi (giá đỗ, rau mầm...). Khơng có nhà xưởng dành riêng cho sơ chế,
xử lý, đóng gói và bảo quản rau tươi, một số nơi có nhưng thiết kế khơng đáp ứng
u cầu, vệ sinh nhà xưởng cũng như các thiết bị, dụng cụ không đảm bảo, nước sử
dụng cho xử lý rau khơng đảm bảo chất lượng theo quy định. Tình trạng khơng đảm
bảo vệ sinh an tồn thực phẩm, lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật và chất kích thích
tăng trưởng trên rau, quả diễn ra hằng ngày hằng giờ. Thực trạng trên dẫn tới chất
lượng, an toàn vệ sinh thực phẩm (ruồi đục quả, dư lượng thuốc sâu, hàm lượng kim
loại nặng, chất lượng bao bì…). Đây là một trong những nguyên nhân lớn nhất nhất
khi Việt Nam muốn xuất khẩu rau quả tiếp cận thị trường thế giới.

2.3 Tình hình trên thế giới
Nền nơng nghiệp với sự hỗ trợ của khoa học kỹ thuật đã và đang phát triển
không ngừng nghỉ và được nâng cấp, cải tiến từng ngày. Hàng loạt các tên tuổi lớn
như: Willowfield Enterprises, Pan Pacific, NETAFIM, KUBOTA, Teshuva
Agricultural Projects, Evogene, Afimilk, Kaiima, Hazera Genestics, BioBee, AgroShelef, Rosetta Green, miROBOTS, Algatech, Aqua Maof, Rootility, Beeologics…

Hình 2.4 Hệ thống tưới nước tự động tại Sudan

8
Lĩnh vực giáo dục: hiện thực hóa ý tưởng ứng dụng cơng nghệ cao trong nơng
nghiệp, tại các phịng thực hành thí nghiệm nghiên cứu về nơng nghiệp có các mơ
hình giúp pháp triền các phương pháp tạo ra thực phẩm sạch.

Hình 2.5 Nghiên cứu TS. Kaiima khơng sử dụng GMO tăng sản lượng cây trồng.
Tự động hóa trong nơng nghiệp: theo truyền thống thì nơng nghiệp chủ yếu sử
dụng lao động chân tay, canh tác theo vụ mùa dựa vào thời tiết thiên nhiên là chủ yếu,
năng suất và hiệu quả thu hoạch không cao lúc được mùa và có lúc mất mùa.

Hình 2.6 Cơng nghệ nhân gây giống cây trồng của Hazera genetics
Thâm canh trồng lương thực thực phẩm, hình thành những trang trại trồng rau
sạch khơng sử dụng yếu tố lao động con người, không tốn nhiều thời gian chăm sóc,
diện tích trồng rau nhỏ thu hẹp có thể sử dụng bất cứ nơi nào đặc biệt ở các thành phố
lớn dành một phần đất ở để trồng thực phẩm là điều khơng thể. Diện tích đất đai dành
cho nông nghiệp ngày càng tăng, đi đôi với việc chặt phá và thu hẹp diện tích rừng.
Nhiều hệ sinh thái tự nhiên bị thối hóa. Nhiều lồi sinh vật bị tiêu diệt. Nơi cư trú
và môi trường sống của các loài sinh vật hoang dã bị thu nhỏ. Đi đơi với q trình


9
này, đất đai bị rửa trơi, xói mịn, bị bạc màu, bị đá ong hóa ngày càng tăng. Độ phì
nhiêu của đất đai, sau một quá trình trồng trọt lâu dài ở một nền sản xuất nơng nghiệp
với trình độ canh tác thô sơ, giảm dần. Nhiều vùng đất đai trở thành hoang mạc, nhiều
nơi bị sa mạc hóa.
Từ những bất cập trong cách thức sản xuất nông nghiệp truyền thống trong
thời gian qua, nhiều phương thức sản xuất tiên tiến đã được đưa ra nhằm khắc phục
các nguy cơ có hại, đảm bảo cho nền nơng nghiệp phát triền lâu dài. Các hướng phát

triển trong sản xuất nông nghiệp bao gồm:
Nông nghiệp sinh thái: Hướng sản xuất nông nghiệp chú trọng đến sự cân
bằng trong các hệ sinh thái: cân bằng giữa quan hệ của các loài sinh vật, cân bằng
giữa các loài sinh vật với các yếu tố phi sinh vật. Theo hướng này, người ta tránh áp
dụng các biện pháp tác động quá mạnh như sử dụng nhiều phân bón hóa học, sử dụng
các hóa chất bảo vệ thực vật (BVTV), cày bừa quá nhiều lần v.v... tạo nên nguy cơ
phá vỡ sự cân bằng trong các hệ sinh thái nông nghiệp.
Nông nghiệp sinh học: Hướng sản xuất nông nghiệp dựa chủ yếu vào các
biện pháp sinh học. Người ta sử dụng phân hữu cơ, phân xanh, sử dụng đấu tranh sinh
học trong phòng trừ sâu bệnh, sử dụng các chất sinh học để kích thích sinh trưởng và
phát triển của cây trồng. Nông nghiệp sinh học rất coi trọng công tác giống cây trồng,
cho rằng chọn tạo được các giống cây trồng tốt là đảm bảo được thành công trong
nông nghiệp.
Nông nghiệp hữu cơ: Hướng này rất gần với nông nghiệp sinh học. Hướng
này đề xuất việc tập trung sử dụng các chất hữu cơ như: phân bón hữu cơ, thuốc
BVTV có nguồn gốc sinh vật... và hạn chế đến mức thấp nhất việc sử dụng các chất
vô cơ trong sản xuất nông nghiệp.
Nông nghiệp tự nhiên: Hướng này chủ trương các tác động lên thiên nhiên
càng ít càng tốt. Hướng này cho rằng sở dĩ có những nguy cơ mất an tồn xuất hiện
là do con người tác động lên thiên nhiên quá nhiều. Vì vậy, cần tạo điều kiện cho cây
trồng được phát triển một cách tự nhiên gần như trong thiên nhiên hoang dã. Hướng
này kêu gọi khơng sử dụng máy móc nơng nghiệp, khơng sử dụng phân hóa học và
thuốc hóa học BVTV và tiến hành nông nghiệp như nông dân đã làm ở thời kỳ sử
dụng lao động cơ bắp và công cụ thô sơ.


10
Nông nghiệp bền vững (permaculture): là một hệ thống được định nghĩa
rằng con người có thể tồn tại sử dụng nguồn lương thực thực phẩm dựa trên các
phương pháp trông trọt chăn nuôi hữu cơ, bảo vệ đất màu, bảo vệ nước, hạn chế sâu

bệnh bằng các biện pháp sinh học và sử dụng ít nhất năng suất hóa thạch khơng tái
tạo.
Sản xuất nơng nghiệp bền vững vì vậy khơng những hướng tới việc tạo ra các
sản phẩm lành, sạch khơng gây ra những ảnh hưởng có hại cho sức khỏe người tiêu
dùng, mà cịn cần đảm bảo khơng ngừng tăng năng suất cây trồng, tăng năng suất đất
đai, năng suất lao động và góp phần vào q trình phát triển bền vững của thiên nhiên
và xã hội.
Để đạt được mục tiêu phát triển bền vững trên đây, sự nghiệp phát triển của
mỗi quốc gia cần được dựa trên sự phát triển đồng thời và hài hòa của 3 lĩnh vực hoạt
động cơ bản: kinh tế, xã hội và tài nguyên môi trường.
Mục tiêu của nông nghiệp bền vững:
Nông nghiệp bền vững có mục tiêu hẹp là sản xuất ra các sản phẩm đảm bảo
sự an toàn cho người sử dụng và không gây ra ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên, nông
nghiệp là mặt trận sản xuất rộng lớn bao gồm nhiều hoạt động với các nội dung tự
nhiên, kinh tế, kỹ thuật, xã hội rất khác nhau. Nông nghiệp lại là nơi thu hút lực lượng
lao động lớn, hoạt động sản xuất trải ra trong không gian, trên những địa bàn rộng
lớn, cho nên tính chất bền vững của sản xuất nông nghiệp không thể chỉ thu hẹp ở
đặc điểm của sản phẩmTrong ý nghĩa đó, nơng nghiệp bền vững có các mục tiêu sau
đây:
Đảm bảo đạt được năng suất, chất lượng và sản lượng cao đã đáp ứng đầy đủ
các nhu cầu nhiều mặt của toàn xã hội về sản phẩm nông nghiệp. Nhu cầu này đang
ngày càng tăng lên nhanh chóng, ngày càng đa dạng hơn, phong phú hơn. Nông
nghiệp bền vững cần được tổ chức hài hịa và đồng bộ với cơ giới hóa, hóa học hóa,
điện khí hóa nơng nghiệp. Tránh mọi mâu thuẫn, đối kháng, hạn chế lẫn nhau giữa
các hướng trên đây. Trái lại cần tìm được những giải pháp khơng những đảm bảo sự
hài hòa mà còn tạo nên sự hỗ trợ, bổ sung, cộng hưởng lẫn nhau để tạo ra những hiệu
quả tổng hợp.
Tạo ra các sản phẩm nông nghiệp với chất lượng cao, sạch sẽ. Sản phẩm của
nông nghiệp bền vững cần rất sạch sẽ, có nghĩa là khơng mang theo dư lượng các

11
chất độc hại như thuốc BVTV, phân hóa học, vi sinh vật gây bệnh cho người, kim
loại nặng, NO3, các chất gây độc v.v... vượt quá các ngưỡng cho phép. Sản phẩm của
nơng nghiệp bền vững cần có chất lượng cao: chất lượng thực phẩm, lương thực đảm
bảo nhiều dinh dưỡng, giàu vitamin, hàm lượng prôtêin cao, ngon bổ. Sản phẩm cây
công nghiệp cần đạt các chỉ tiêu kỹ thuật đặc trưng của từng loại sản phẩm ở nước
tiên tiến. Để nơng nghiệp bền vững có nội dung trùng khớp với nông nghiệp sạch,
nông nghiệp chất lượng cao. Điều quan trọng là loại bỏ các yếu tố, các hoạt động mâu
thuẫn nhau; tìm ra những yếu tố tương đồng, hịa hợp, tạo ra các yếu tố liên kết, phát
huy lẫn nhau giữa các hướng nông nghiệp.
-

Đảm bảo sự phát triển không ngừng các nguồn tài nguyên được sử dụng trong
nông nghiệp.

-

Đất đai ngày càng tốt thêm, phì nhiêu hơn. Hạn chế các tình trạng rửa trơi, xói
mịn, bạc màu hóa, gây thái hóa, mặn hóa, phèn hóa, hoang hóa đất đai.

-

Các nguồn nước ngày càng dồi dào, ngày càng trong sạch. Đủ nước cho sản
xuất nông nghiệp ngay cả trong mùa khô kiệt. Hạn chế úng ngập, hạn hán.

-

Tài nguyên sinh vật ngày càng phong phú về loài, về khối lượng cá thể. Các
lồi sinh vật ln ở trong trang thái hoạt động tích cực, đảm bảo các q trình

chu chuyển vật chất diễn ra thông suốt và mạnh mẽ. Nguồn gen được bảo vệ
tốt và không ngừng được bổ sung, làm giàu thêm những nguồn gen quý.

Các hệ sinh thái nông nghiệp tạo ra năng suất kinh tế ngày càng cao, tạo ra các
sản phẩm có giá trị ngày càng được nâng lên. Mục tiêu nông nghiệp bền vững cần
được kết hợp chặt chẽ với nông nghiệp sinh thái, nông nghiệp sinh học, nông nghiệp
hữu cơ, tạo nên những tác động tổng hợp hài hòa thúc đẩy tài nguyên môi trường phát
triển đảm bảo thực hiện các mục tiêu của nông nghiệp và các mục tiêu của phát triển
bền vững.
-

Bảo vệ môi trường chống ô nhiễm, tạo lập môi trường sản xuất, môi trường
sống trong lành, xây dựng môi trường sinh thái phát triển bền vững.

-

Nông nghiệp bền vững bảo đảm cho mơi trường đất, nước, khơng khí khơng
bị ô nhiễm về thuốc BVTV, về phân bón hóa học, phân hữu cơ chưa hoại mục
và về các loại phế phẩm, phế thải trong nông nghiệp, về tàn dư thực vật.


12
-

Áp dụng các quy trình sản xuất nơng nghiệp, các biện pháp kỹ thuật tiền tiến,
đặc biệt là ứng dụng rộng rãi tổng hợp bảo vệ cây, hạn chế ô nhiễm môi trường
nông nghiệp.

Để thực hiện mục tiêu này nông nghiệp bền vững kết hợp chặt chẽ nông nghiệp
hữu cơ, nông nghiệp sinh học, nông nghiệp sinh thái.

2.4 Vấn đề tồn tài và hướng giải quyết vấn đề
Vấn đề tồn tại lớn nhất hiện nay là kết cấu máy hỗ trợ nơng nghiệp với các
chức năng tích hợp thì chi phí giá thành lại rất cao. Việc kết hợp nhiều chức năng để
tạo nên một hệ thống trồng rau sạch cũng là một vấn đề phức tạp cần có sự tham gia
nghiên cứu và đóng góp cơng sức ý kiến của các chuyên gia trên nhiều lĩnh vực.
Việc thực hiện máy sau cho có thể tích hợp nhiều chức năng với giá thành thấp
là điều cần thiết trong điều kiện nông nghiệp Việt Nam hiện nay. Việc tận dụng các
nền tảng và phát triển tự động hóa ứng dụng nơng nghiệp là rất cần thiết. Song song
với sự phát triển tự động phải kết hợp sự phát triển tất cả được kết nối Internet (IoT)
là xu hướng tất yếu tương lai của nông nghiệp. Do vậy định hướng giải quyết vấn đề
của nhóm là tạo ra máy tự động dựa máy điều khiển số để thay thế chức sức lao động
của người nơng dân. Việc kết hợp tự động hóa với điều khiển thông qua Internet là
nền tảng để phát triển hệ thống giám sát việc thực thi quy trình nông nghiệp một cách
hiệu quả nhất.


13

PHẦN 3: MỤC TIÊU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Mục tiêu của đề tài
Góp phần xây dựng nền sản xuất nông nghiệp phát triển theo hướng hiện đại,
sản xuất hàng hóa lớn, có năng suất, chất lượng, hiệu quả, sức cạnh tranh cao và thân
thiện với môi trường, sử dụng công nghệ sản xuất nhà lưới, điều khiển nước tưới, ẩm
độ, nhiệt độ tự động, hệ thống tưới thẩm thấu, tưới phun sương tiết kiệm nước và
nhân công lao động. Xử lý đất bằng các ứng dụng xử lý vi sinh trong đất trước khi
trồng. Kết hợp công nghệ cao và ứng dụng quy trình sản xuất theo các tiêu chuẩn
VietGAP, Global GAP, ASEAN GAP, áp dụng chương trình quản lý dịch hại tổng
hợp. Ứng dụng quy trình sản xuất hữu cơ cho ra sản phẩm an toàn, thân thiện môi
trường: lúa hữu cơ, rau hữu cơ, sử dụng các chế phẩm sinh học để xử lý sâu bệnh,

phân bón hữu cơ hóa lỏng (thuộc dự án phân bón hữu cơ hóa lỏng- Dự án JICA),
đồng thời khai thác những bả thải trong sản xuất và trồng rau và phế thải khác để làm
phân bón hữu cơ vi sinh vừa khai thác hết được những phế thải trong nông nghiệp,
vừa bảo vệ được môi trường, vừa tiết kiệm được chi phí phân bón, cải tạo lý tính, hóa
tính của đất.

Hình 3.1 Mơ hình trồng rau sạch truyền thống


14

Hình 3.2 Mơ hình trồng rau sạch tưới phun sương

Hình 3.3 Mơ hình hệ thống tưới nhỏ giọt

3.2 Phương pháp nghiên cứu
-

Xác định rõ đối tượng nghiên cứu đề tài là Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết
bị ứng dụng trong nơng nghiệp, chương trình được điều khiển thơng qua web
app với board Rasperry Pi 3 để di chuyển cơ cấu.

-

Thành viên tham gia nghiên cứu tập trung vào q trình thiết kế, thi cơng hệ
thống cơ khí và đặc biệt hệ thống điều khiển thông kết hợp với internet, các
chức năng và các thao tác đơn giản phù hợp với mọi người sử dụng.


15

-

Phương pháp xây dựng mơ hình dựa trên phần mềm thiết kế Solidwork và
PTC Creo.

-

Nghiên cứu lập trình ứng dụng mã nguồn mở để board Rasperry Pi 3 xây dựng
và phát triển hệ thống điều khiển chính xác các vị trí.

-

Phương pháp tính tốn tham khảo các thư viện, Internet,…