Thiết kế chế tạo hệ thống bơm tưới tiêu sử dụng năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CNKT CƠ ĐIỆN TỬ

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM TƯỚI TIÊU
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: NGUYỄN VŨ LÂN
SVTH: LÊ CAO TRÌNH
MSSV: 16146208

SKL 0 0 7 7 7 5

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01/2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG BƠM TƯỚI TIÊU
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

GVHD: TS. NGUYỄN VŨ LÂN
SVTH: LÊ CAO TRÌNH
MSSV: 16146208

NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ
KHĨA: 2016

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2021


TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TP. HCM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: TS.Nguyễn Vũ Lân
Sinh viên thực hiện: Lê Cao Trình………………… MSSV: 16146208……………
..…………………………………MSSV: ……………………
..…………………………………MSSV: ……………………
1.

Tên đề tài:

Thiết kế, chế tạo hệ thống bơm tưới tiêu sử dụng năng lượng mặt trời
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
- Tìm hiểu cơng nghệ trên Internet, báo chí và các bài báo khoa học liên quan
- Từ yêu cầu cơng suất tưới tiêu thực tế
3. Nội dung chính của đồ án:

Đồ án nghiên cứu thiết kế và chế tạo một mơ hình bơm tưới tiêu chủ động sử dụng năng lượng
mặt trời với khả năng tận dụng đucợ nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ giúp giảm phụ thuộc lưới
điện. Giải pháp này hữu ích cho những địa phương canh tác nơng nghiệp cịn chưa có hoặc có
nguồn lưới điện hạn chế.
4.

Các sản phẩm dự kiến:

- Mơ hình thiết kế
- Báo cáo thuyết minh
5. Ngày giao đồ án: 05/10/2020
6. Ngày nộp đồ án:
7. Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo:

Tiếng Anh

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh

TRƯỞNG KHOA
(Ký, ghi rõ họ tên)





Tiếng Việt

Tiếng Việt





TRƯỞNG BỘ MÔN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên)

(Ký, ghi rõ họ tên)

2


LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp không chỉ là cơ hội để sinh viên áp dụng những kiến thức quý báu đã tích
luỹ được sau bốn năm trên ghế nhà trường mà còn tạo điều kiện để mỗi sinh viên rèn luyện
kỹ năng làm việc nhóm, học cách quản lý thời gian cho hiệu quả và hơn hết là trau dồi
thêm được những kiến thức cần thiết để để bước vào đời.
Để có được sự thành cơng của đồ án tốt nghiệp hôm nay không chỉ nhờ sự nỗ lực, quyết
tâm của cả nhóm mà trên tất cả đó là sự chỉ dạy, giúp đỡ của thầy cô, bạn bè. Với tình cảm
sâu sắc, chân thành cho phép chúng tơi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, những người thầy trong Khoa Cơ khí chế tạo
máy. Cảm ơn những người bạn đã luôn bên cạnh quan tâm, giúp đỡ.
Để hoàn thành được đồ án tốt nghiệp này, nhóm chúng em trân trọng gửi lời cảm ơn đến
Thầy hướng dẫn Nguyễn Vũ Lân đã quan tâm, giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn chúng
tôi trong suốt quá trình làm đồ án tốt nghiệp. Trong thời gian làm việc với thầy chúng tôi
đã không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức bổ ích, mà cịn học tập được tinh thần làm
việc, thái độ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, hiệu quả, đây là điều rất cần thiết cho chúng
tơi trong q trình học tập và làm việc sau này.

Sau cùng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình đã luôn ở bên tin tưởng, động viên, hỗ trợ chúng
tơi trong suốt qng đường Đại học và q trình hồn thành Đồ án tốt nghiệp ngày hơm
nay.
Trân trọng
<Sinh viên thực hiện>
Lê Cao Trình

3


TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Hiện nay, việc phát triển của thế giới về khoa học kĩ thuật ngày càng trở nên đa dạng và
các ứng dụng cũng gần gũi với chúng ta hơn. Cùng với sự phát triển đa dạng của công
nghiệp hiện đại nên tài nguyên của xử lý cũng được nâng cao để đáp ứng các ứng dụng
khác nhau trong thực tế. Nông nghiệp công nghệ cao cũng ngày càng ứng dụng rộng rãi
trong lĩnh vực sản xuất cũng như đời sống xã hội. Công nghệ ngày càng phát triển địi hỏi
nhu cầu ứng dụng vào ngành nơng nghiệp nhằm giảm lao động, đảm bảo sưc khỏe nhân
công để không ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm…đem lại hiệu quả cao và ngày
càng phát triển.
Ở đồ án tốt nghiệp này nhóm em thiết kế mơ hình bơm tưới tiêu chủ động sử dụng năng
lượng mặt trời. Hệ thống có khả năng tự động bơm tưới tiêu tự động thơng qua bộ cài đặt
timer. Người điều khiển có thể điều khiển thiết bị ở khoảng cách xa, ở bất kì nơi nào có
Internet, 3G /4G trên Website được thiêt ké. Các giá trị đo nhiệt độ, độ ẩm cũng như camera
quan sat quá trình tưới cũng được hiển thị ở giao diện này.

4


MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP……………………………………..…….............ii

LỜI CẢM ƠN…………………………………………………………………………..iii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI……………………………………………………………..............iv
MỤC LỤC………………………………………………………………………..............v
DANH MỤC HÌNH……………………………………………………………..............vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU……………………………………………………………viii
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 3
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 6
2. Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 6
3. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................... 7
4. Kết cấu ........................................................................................................................ 7
5. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 8
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................. 9
1.1 Tổng quan……………………………………………………………………...............9
1.2 Đặt vấn đề ................................................................................................................. .9
1.3 Giới hạn đề tài ........................................................................................................... 9

1.4 Nội dung đã trình bày trong các chương. .................................................................... 9
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT............................................................... 11
2.1 Cơ sở lý thuyết công nghệ ........................................................................................ 11
2.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí ......................................................................................... 11
2.2.1 Nguyên lí hoạt động của hệ thống: ................................................................ 12
2.2.2 Chọn cơ cấu nhà trồng: ................................................................................. 12
2.2.3 Cơ sở lý thuyết điện tử: sử dụng rasberry...................................................... 12
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ ............................................................................ 15
3.1 Khảo sát thực tế ....................................................................................................... 15
3.2 Thơng số kỹ thuật về mơ hình mn phát triển......................................................... 15
3.2.1 Các thông số kĩ thuật: ................................................................................... 15
3.2.2 Các yêu cầu kĩ thuật: .................................................................................... 16
3.3 Yêu cầu chung: ........................................................................................................ 17

1


3.3.1 Tính tốn u cầu cấp nước cho các giai đoạn sinh trưởng của cây trồng
…………………………...…....………………………………………………………....17
3.3.2 Cơng thức tính tốn ………………………………………………………….17
3.4 Thiết kế khung cơ khí ……………………………………………………………….18
3.4.1 Hình ảnh miêu tả vật liệu ……………………………………………………18
3.4.2 Hình khung trên bản vẽ ………………………………………………………19
3.5 Tính động cơ máy bơm nước: .................................................................................. 20
3.5.1 Tính đường đi ống nước và áp lực nước cho mỗi điểm tưới: ......................... 20
3.6 Cách triển khai hệ thống và thiết bj sử dụng …………………………………………21
3.6.1 Thiết kế kĩ thuật điện tử: ............................................................................... 21
3.6.2 Lưu đồ giải thuật: ......................................................................................... 21
3.6.3 Các thiết bị sử dụng…………………………………………………..............22
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN………………………………………35
4.1 Sắp xếp các thiết bị điều khiển……………………………………………………….35
4.1.1 Nguyên lí hoat dộng của hệ thống ……………………………………………36
4.1.2 Lượng điện năng tiêu thụ……………………………………………………..36
4.2 Điều khiển thông qua giám sát camera và thiết bị điện thoại…………………………36
4.2.1 Hiển thị bằng camera của Raspberry …………………………………………36
4.2.2 Điều khiển máy bơm trên web và điện thoại di động…………………………38
CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM, THU THẬP KẾT QUẢ……………………………39
5.1 Thi cơng mơ hình……………………………………………………………………..39

5.2 Thực nghiệm …………………………………………………………………………39
5.3 Kết quả chạy thực nghiệm……………………………………………………………40
CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN………………………...…………………………….............41
6.1 Những kết quả đã đạt được…………………………………………………………...41

6.2 Những mặt còn tồn tại và định hướng phát triển……………………………………..41
PHỤ LỤC 1:TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………...……………………….43
PHỤ LỤC 2: BẢN VẼ THIẾT KẾ…………………...…………………………………..44

2


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Giao diện officecủa raspberry …………………………………………………13

Hình 2.2: Hình ảnh qua camera của raspberry……………………………………………13
Hình 2.3: Xây dựng hệ thống mạng bằng raspberry………………………………………13
Hình 2.4: Chế độ bảo mật của raspberry thơng qua quản lí dữ liệu……………………….14
Hình 2.5: Hỗ trợ việc quản lí các trang mạng…………………………………………….14

Hình 2.6: Có hệ thống Smart TV …………………………………………………………14
Hình 3.1: Sắt mạ kẽm…………………………………………..……………….………..19
Hình 3.2: Bản vẽ hồn chỉnh…………………………………….……………………….20
Hình 3.3: Sơ đồ điều khiển điện tử……………………………..………………………...22
Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật……………………………………………………………….22
Hình 3.5: Máy bơm 12V…………………………………...……………………………..23
Hình 3.6: Module Raspberry kết nối với điện thoại………………………………………24
Hình 3.7: Bảng mạch điều khiển raspberry……………..………………………………..24
Hình 3.8: Màn hình LCD 1602…………………………………………………………...25
Hình 3.9: Cảm biến ht11 hực tế…………………………………………………………..26
Hình 3.10: Mạch giao tiếp I2C………………………….………………………………...27

Hình 3.11: Sơ đồ nối chân mạch giao tiếp I2C……………….………………………….28
Hình 3.12: Sơ dồ liên kết giữa raspberry và LCD………………………………………..28
Hình 3.13: Mạch hạ áp…………………………………….……………………………...29

Hình 3.14: Camera sử dụng cho raspberry………………..……………………………...29

Hình 3.15: Pin mặt trời thực tế………………………..………………………………….29
Hình 3.16: Thơng số kĩ thuật của pin…………………..………………………………....33
Hình 3.17: Bộ điều khiển sạc pin mặt trời…………………..…………………………….33
Hình 3.18: Acquy tích lũy điện năng cho hệ thống từ năng lượng mặt trời………………35
Hình 3.19: Béc phun…………………………………………….…………….………….35
Hình 4.1:Sơ đồ thiết kế ban đầu………...…………………………………….……….…36
Hình 4.2: Hiển thị nhiệt dộ, độ ẩm trên LCD…………………………………………….36
Hình 4.3: Hệ thống điều khiển hồn chỉnh……………………………………………….37
Hình 4.4: Hình ảnh camera ghi trên web………………..………………………………..38
3


Hình 4.5: Hình ảnh camera trên điện thoại……………..………………………………....38
Hình 4.6: Điều khiển qua điện thoại……………………………………………………...39
Hình 4.7: Điều khiển qua web………………………...………………………………….39
Hình 5.1: Mơ hình cơ khí thực tế……………………..…………………………………..40
Hình 5.2: Mơ hình hệ thống hồn thiện…………………………………………………..40
Hình 6.1: Hệ thống điều khiển hồn chỉnh………………………………………………..42

4


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Thông số kĩ thuật của màn hình LCD1602………………………………………26

Bảng 2: Kết quả chạy thực nghiệm…………………………………………………….....41

5

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Nền nơng nghiệp của nước ta là nền nơng nghiệp vẫn cịn lạc hậu cũng như chưa có
nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế. Rất nhiều quy trình kĩ thuật
trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu
cầu. Có thể nói trong nơng học ngồi những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là
một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát
triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh
sâu bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất, hiệu quả cao.
Ngoài ra trên những tuyến phố ở khu vực trung tâm thành phố chúng ta vẫn bắt gặp
hình ảnh các xe bồn chở nước tưới cây dọc đường gây ùn tắc, mất an tồn giao thơng. Mặt
khác hiện nay nước ta đang trong giai đoạn cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết bị máy
móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người. Vì vậy thiết bị
tưới đang được nghiên cứu, thiết kế, chế tạo đưa vào thực tiễn ngày được áp dụng càng
nhiều. Thiết bị tưới cũng rất đa dạng về chủng loại (vòi phun mưa, phun sương, vòi nhỏ
giọt bù áp, vòi khơng bù áp, dây tưới nhỏ giọt) có thơng số khác nhau phục vụ cho các loại
cây khác nhau được chế tạo từ nhiều nước như Israel, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc,
sẽ rất thuận tiện cho người sử dụng lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng của mình. Việc
tính tốn để lựa chọn thiết bị hệ thống tưới đáp ứng được nhu cầu tưới theo nông học cây
trồng và phù hợp điều kiện kinh tế, kỹ thuật cho hiệu quả cao là việc cần thiết cho việc phát
triển trên diện rộng của hệ thống tưới này. Hệ thống tưới phun đáp ứng độ ẩm gốc, độ ẩm
lá và khơng khí cho cây trồng phát triển tốt, hệ thống tiết kiệm nước 2 tạo điều kiện cho
cây trồng hấp thu dinh dưỡng khơng gây rửa trơi, thối hóa đất, không gây ô nhiễm môi
trường. Hệ thống tưới nước tự động có thể kết hợp với bón phân, phun thuốc hóa học. Hơn
thế nữa, với việc thiết kế một hệ thống tưới cây tự động sẽ giúp cho con người khơng phải
tưới cây, khơng phải tốn chi phí nhân công tưới nước cũng như giám sát thời gian tưới cây.
Với hệ thống này, việc tưới cây sẽ là tự động tùy theo nhiệt độ thời tiết nắng hay mưa, độ

ẩm cao hay thấp, mùa nào trong năm… Tất cả các điều kiện đó sẽ được đưa vào hệ thống
tính tốn và đưa ra thời gian chính xác để bơm nước. Người lao động sẽ được giảm bớt tải
công việc liên quan đến việc tưới cây, cây sẽ được sinh trưởng và phát triển tốt hơn nhờ
việc tưới cây phù hợp và chính xác hơn.
2. Lý do chọn đề tài
Hệ thống tưới tự động (tưới nhỏ giọt, phun sương …) là hệ thống thiết bị tưới tốt nhất
đáp ứng theo yêu cầu sinh trưởng cây trồng đang được ứng dụng rộng trên các nước phát
triển. Hệ thống tưới nước tự động là một hình thức tưới nước hợp lý, tiết kiệm sức lao động
và chi phí nhân cơng. Vốn đã rất phổ biến từ nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên ở Việt
Nam chỉ vài ba năm trở lại đây việc vận dụng hệ thống này mới trở thành xu hướng. Hệ
thống tưới nước tự động cũng trở nên phổ biến hơn với người nông dân ở nông thôn cùng
6


với q trình hiện đại hóa nơng nghiệp nơng thơn nhưng không phải người dân nào cũng
mạnh dạn đưa vào xử dụng vì chi phí đầu tư cao. Mặt khác khoa học kỹ thuật phát triển
mạnh mẽ đã làm thay đổi cuộc sống con người, làm cho cuộc sống con người ngày càng
trở nên tiện nghi và hiện đại. Kỹ thuật điện tử phát triển con người đã tạo ra những thiết bị
máy móc hiện đại thay thế cho con người những cơng việc nặng nhọc và địi hỏi sự chính
xác cao. Kỹ thuật điện tử phát triển đã nhanh chóng được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh
vực: cơng nghiệp, giao thông vận tải, hàng không vũ trụ Các thiết bị điều khiển tự động
giữ vai trò cực kỳ quan trọng góp phần lớn cho sự tiến bộ khơng ngừng của các lĩnh vực
này. Ngành nông nghiệp nước ta hiện nay cịn phụ thuộc nhiều vào khí hậu tự nhiên, và
với những phương pháp sản xuất canh tác truyền thống không mang lại năng suất cao. Khi
kinh tế xã hội phát triển thì nhu cầu con người càng được nâng cao, địi hỏi chất và lượng
nâng cao. Do đó cần đến các thiết bị kỹ thuật tiên tiến có khả năng đo đạc và điều khiển
được các thông số của mơi trường như nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, chất dinh dưỡng cung
cấp phù hợp với từng giai đoạn phát triển của cây trồng Xuất phát từ những vấn đề thực
tiễn trên em đã nghiên cứu và tiến hành thiết kế “Hệ thống tưới cây thông minh sử dụng
năng lượng mặt trời”.

3. Mục đích nghiên cứu
Đồ án nghiên cứu thiết kế và chế tạo một mơ hình bơm tưới tiêu chủ động sử dụng
năng lượng mặt trời với khả năng tận dụng được nguồn năng lượng tái tạo tại chỗ giúp
giảm phụ thuộc lưới điện. Giải pháp này hữu ích cho những địa phương canh tác nơng
nghiệp cịn chưa có hoặc có nguồn lưới điện hạn chế.
4. Kết cấu
- Tổng quan về đề tài :
Biến đổi khí hậu trong nước ngày càng có xu hướng nóng lên, tình trạng xâm nhập mặn
cũng như bào tồn nguồn tài nguyên nước đã và đang là vấn đề cấp thiết của cả nước. Do
nước ta vẫn còn là nước đang phát triển và chủ yếu là trơng trọ nên cần có một giải pháp
bảo vệ nguồn tài nguyên nước vừa an toàn, tiết kiệm chi phí và giảm nguồn lao động. Hệ
thống bơm tưới tiêu chủ dộng sử dụng năng lượng mặt trời sẽ đáp ứng đủ những mặt cải
tiến đồng thời phù hợp với thời đại cơng nghiệp hóa của cả nước nói riêng và trên tồn thế
giới nói chung.
- Giới thiệu các linh kiện sử dụng trong mạch điều khiển:
+ Raspberry
+ Một màn hình LCD
+ Cảm biến ht11
+ Mạch giao tiếp LCD i2c
+ Mạch hạ áp 5v
7


- Kết quả và định hướng phát triển
Nhóm đã thiết kế được mơ hình với các u cầu phát triển với mục tiêu đã đưa ra từ đầu.
Định hướng phát triển của nhóm là xây dựng một hệ thống đáp ứng đầy đủ những tiêu
chuẩn và tiết kiệm được nguồn nước cũng như nguồn năng lượng dồi dào từ tự nhiên. Đưa
kỹ thuật tưới tiết kiệm nước vào thực tế sản xuất nơng nghiệp ngồi việc tiết kiệm nước
tưới, cơng sức, năng lượng, nguyên vật liệu, tăng năng suất và nâng cao chất lượng sản
phẩm, công nghệ tưới mới này sẽ góp phần phát triển kinh tế vườn, kinh tế trang trại, làm

thay đổi hẳn bộ mặt nông thôn miền núi, vùng khơ hạn nâng cao dần trình độ dân trí, đưa
khoa học kỹ thuật tiếp cận với đời sống người dân, thu hẹp khoảng cách giữa thành thị và
nông thôn, giữa miền núi và miền xuôi.
5. Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện nội dung đề tài nghiên cứu, em tiến hành phương pháp nghiên cứu sau:

• Các kết quả nghiên cứu kế thừa:
- Kế thừa cơng trình nghiên cứu của các thế hệ trước về cơ sở lý thuyết của các phần mềm
lập trình và mơ phỏng.
- Kế thừa các nghiên cứu có trong thực tiễn.

• Định hướng nghiên cứu
- Nghiên cứu phần mềm lập trình và mơ phỏng trên máy tính.
- Tìm ra phương pháp lập trình đơn giản, dễ sử dụng, hiệu quả.
• Kiểm chứng
- Chạy thử mơ hình nhiều lần, kiểm tra phát hiện lỗi và từ đó hồn thiện hệ thống.

8


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU CHUNG
1.1

Tổng quan
Đất đai và năng lượng là hai nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá có vai trị
to lớn trong sự nghiệp phát triển của mỗi quốc gia. Với áp lực phát triển kinh tế xã hội,
biến đổi khí hậu làm cho thế giới ngày càng nóng lên khiến băng ở hai cực tan ra, mực
nước biển tăng cao nhấn chìm một bộ phận đất đai không nhỏ cộng thêm sự bùng nổ dân
số và hiện trạng sử dụng đất và năng lượng như hiện nay có thể thấy hai nguồn tài nguyên

này ngày càng suy thối, khan hiếm. Từ đó, địi hỏi phải có sự tính tốn, phân bổ hợp lý để
sử dụng nguồn lực tối đa từ tài nguyên, đồng thời bảo vệ được nguồn tài ngun giới hạn
này. Hịa chung với tình hình thế giới và các chính sách của nước Việt Nam ta, nhóm chúng
mình cũng muốn góp một phần nhỏ vào việc tiết kiệm và bảo vệ đất đai, đó là mơ hình
trồng và tưới cây sử dụng năng lượng mặt trời.
1.2
Đặt vấn đề
Hiện nay, ở nước ta đất nông nghiệp đang bị thu hẹp rất nhanh, nhiều cánh đồng mầu
mỡ đang biến mất dần, nhường chỗ cho các xa lộ lớn và đô thị. Tại sao ta không tiết kiệm
những khoảng không gian trống trong đô thị (khu vườn trước nhà, ban công các tầng, khu
đất chưa sử dụng, …) để trồng các loại cây xanh để tạo thêm không gian xanh
Và, khi bạn đang làm một công việc phức tạp, liệu bạn có muốn dành thời gian để
làm một công việc lắp lại nhàm chán để phục vụ bạn nhưng có thể dùng máy móc để thay
thế. Với những vấn đề trên, tuy mỗi vấn đề là một lĩnh vực khác nhau nhưng nó đều liên
quan đến bản thân mỗi chúng ta và liên quan mật thiết đền mơi trường chúng ta đang sống.
Một mơ hình tưới cây sử dụng năng lượng mặt trời nghe đơn giản nhưng nó giúp chúng ta
giải quyết nhiều thứ: khơng gian trống, tạo năng lượng sạch để sử dụng cho các mục địch
khác nhau, tạo thêm nguồn lương thực để ta sử dụng miên phí và an tồn vệ sinh thực
phẩm, tiết kiệm thêm thời gian để làm các công việc khác. Đó gọi là: lao động ít, thành quả
nhiều.
1.3
Giới hạn đề tài
Phạm vi đề tại được thực hiện với 1 sinh viên, với mơ hình tưới cây sử dụng năng lượng
mặt trời một cách tự động.
Mơ hình sẽ giúp ta tiết kiệm được không gian, thời gian và năng lượng. Tạo ra một lượng
cây xanh hoặc rau sạch tùy mục đích ta sử dụng.
Sản phẩm mong muốn: mơ hình đáp ứng được các yêu cầu: có chỗ trồng cây, tự động tưới
nước, phân chia đều lượng nước, sử dụng năng lượng mặt trời để hoạt động
1.4

Nội dung đã trình bày trong các chương.

*Chương 1: Giới thiệu chung
9


Trình bày quá trình phát triển cũng như đưa ra mục đích làm đề tài
*Chương 2: Cơ sở lí thuyết
-

Nêu ra các cơ sở cơng nghệ về lí thuyết, cơ khí
Nguyên lí hoạt động chung của hệ thống
Các ứng dụng đã được phát triển

*Chương 3: Thiết kế
-

Đưa ra giải pháp và tính tốn cấu trúc cơ khí
Chọn lựa các thiết bị điện tử phù hợp với đề tài

*Chương 4: Thực nghiệm, thu thập kết quả và phân tích
-

Làm ra mơ hình thực tế
Vận dụng nhưng kết quả tính tốn để hồn thiện mơ hình
Kết hợp các thiết bị điều khiển với mơ hình cơ khí
Quan sát kết quả và phân tích hiệu quả của hệ thống

*Chương 5: Kết luận
-

Những yêu cầu đã làm đucợ trong hệ thống
Những vấn đề chưa làm được và đưa ra cách giải quyết

10


CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Cơ sở lý thuyết công nghệ
Hệ thống tưới cây thông minh là một hệ thống hiện đại với khả năng hoạt động dựa
trên các tính năng công nghệ như khả năng điều khiển tưới thông qua mạng wifi, internet,…
Các hệ thống tưới này thường đi kèm với các bộ cảm biến thời tiết để có thể điều chỉnh
cường độ tưới một cách hiệu quả và phù hợp với cây trồng.
Các hệ thống này giúp giảm thiểu tối đa việc lãng phí nước và đảm bảo việc cấp nước
đầy đủ cho hệ thống cây trồng của bạn. Ngồi ra các hệ thống này cịn có khả năng phát
hiện các sự cố xảy ra với đường ống của bạn, giúp bạn sửa chữa và thay thế các phụ kiện
kịp thời.

Hệ thống tưới thông minh là nhân tố quan trọng giúp cảnh quan, cây trồng của khu
vườn nhà bạn trở nên khoẻ đẹp và tươi mới, đảm bảo chất lượng và năng suất cho cây
trồng. Vì thể việc đầu tư cho một hệ thống tưới thông minh là vô cùng cần thiết.
2.2 Cơ sở lý thuyết về cơ khí

Các cơng nghệ: Tưới phun sương: phương pháp này thường được áp dụng cho rau
mầm, lan, mấm,…các loài cây trồng cần độ ẩm. Các đầu tưới phun sương thường sẽ được
lắp đặt trên các giàn treo, được liên kết với các ống dẫn PE. Hệ thống này không chỉ tưới
mà cịn giúp cân bằng độ ẩm, nhiệt độ cho tồn bộ khu vực nhà kính của bạn.
Đối với các lồi cây cần một lượng nước lớn, chúng ta có thể sử dụng đầu tưới phun
mưa. Các béc tưới phun mưa sẽ thay thế các béc tưới phun sương. Chúng có lưu lượng tưới

nhiều hơn và bán kính tưới sẽ rộng hơn. Việc tưới phun mưa thường thích hợp cho các
vườn rau, các loại cây ăn quả,…
Tưới nhỏ giọt là một phương pháp tưới được sử dụng khá phổ biến hiện nay trong
việc canh tác rau và hoa trong nhà kính. Nó là kỹ thuật cấp nước trực tiếp vào rễ cây dưới
dạng các giọt nước nhỏ giọt với tốc độ chậm và một lưu lượng không đổi. Cách tưới này
sẽ giúp người nông dân tiết kiệm một lượng nước lớn, ngồi ra cịn tiết kiệm phân bón. Hệ
thống này làm tốt cơng việc duy trì độ ẩm chính xác hơn so với các phương pháp tưới khác.
Các phương pháp trên giúp người nông dân tiết kiệm rất nhiều thời gian và cơng sức
trong việc chăm sóc khu vườn kính của mình. Ngồi ra, chúng cịn đảm bảo việc cấp nước
cho cây được lặp lại đều đặn và chính xác mỗi ngày.
Các hệ thống tưới này đảm bảo cân bằng độ ẩm, nhiệt độ, và lượng nước cho khu
vườn. Người nông dân giờ đây có thể thực hiện cơng việc chăm sóc cây ở bất kì đâu và bất
kì lúc nào. Họ có thể thiết lập chế độ hẹn giờ và cài đặt lượng nước tưới cho phù hợp với
yêu cầu của từng loại cây trồng.
11


-

Nguyên lí hoạt động của hệ thống:

+ Khi được cung cấp nước, áp lực nước sẽ chảy qua van kiểm tra, van điều chỉnh; rồi vào
thùng chứa và hòa tan chất dinh dưỡng dưới một áp lực thích hợp. Một phần dịng chảy
hướng xun qua thùng. Nếu trong thùng có chứa phân bón hoặc thuốc trừ sâu hịa tan; thì
dịng chảy sẽ hịa lẫn và mang theo chất đó ra khỏi thùng và chảy vào đường ống chính.
+ Nước được lọc sạch khi qua thiết bị lọc.
+ Điều chỉnh lưu lượng; áp lực thông qua van khống chế tại đầu các đường ống tưới. Nước
có áp chuyển động trong các đường ống tưới đến các thiết bị tưới phun mưa để cung cấp
cho cây trồng.
+ Tùy theo cấu tạo và chức năng khác nhau của từng thiết bị tưới phun mưa mà nước được

cung cấp; phân phối cho cây trồng theo các hình thức và phạm vi khác nhau. Các ống tưới;
chùm ống nhỏ; ống đục lỗ. Thiết bị tưới phun mưa khi có dịng nước áp lực đi đến đập vào
mặt chắn hay cánh quay sẽ phân xé dòng nước phun ra khơng khí ở dạng các hạt mưa nhỏ.
-

Chọn cơ cấu nhà trồng:

+ 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 mơ hình nhà màngmái che có cửa thơng khí có thể đóng
mở được sẽ đạt được sự thơng 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
thơng thống và dễ dàng đón ánh sáng mặt trời, giúp cho khơng gian trồng thêm thống,
sáng và làm cho khả năng sinh trưởng của cây trồng thêm tốt hơn.
+ Mơ hình nhà trên có tỷ lệ so với thực tế. Lý do chọn kích thước tỷ lệ này là do kinh phí
chế tạo và khơng gian đặt để eo hẹp. Trong thực tế, một nhà màng có thể có kích thước
chiều rộng từ 8m đến 10m và nhiều gian ghép lại với nhau..
+ Khung nhà màng làm bằng sắt hộp có kẽm phủ ngồi.

-

Cơ sở lý thuyết điện tử: sử dụng rasberry

+ Sử dụng như máy tính để bàn

12


Hình 2.1: Giao diện officecủa raspberry

+ Camera quay video stop motion:

Hình 2.2:Hình ảnh qua camera của raspberry
+ Máy chủ web:

Hình 2.3: Xây dựng hệ thống mạng bằng raspberry

+ Xây dựng một hệ thống an ninh:
13


Hình 2.4: Chế độ bảo mật của raspberry thơng qua quản lí dữ liệu

+ Xây dựng một cơng cụ giám sát mạng:

Hình 2.5: Hỗ trợ việc quản lí các trang mạng

+ Sử dụng rasberry như 1 smart TV:

Hình 2.6: Có hệ thống Smart TV

14


CHƯƠNG 3
THIẾT KẾ
Khảo sát thực tế

3.1

Hiện nay hệ thống tưới được nhiều gia đình sử dụng để tưới nước cho khu vườn,
điều đó sẽ giúp tiết kiệm được thời gian để tưới và chăm sóc cây mỗi ngày. Giải pháp tưới
cây thông minh này phun ra những tia nước giống như hạt mưa, bao phủ đều diện tích bạn
muốn tưới, cung cấp đầy đủ nước giúp cây phát triển tốt. Các bước để chọn một hệ thống
tưới hoàn chỉnh:
-

Bước 1: Khảo sát diện tích nơi cần tưới cây trồng

+ Đo đạt, tính tốn được diện tích khu vực bạn muốn lắp đặt hệ thống tưới.
+ Xác định số lượng thiết bị cần dùng: Số mét dây dẫn, đầu tưới, Timer hẹn giờ, phụ kiện….
- Bước 2: Chuẩn bị các thiết bị tưới
+ Bộ màn lọc: Lọc rong rêu từ nguồn nước, hạn chế tình trạng béc tưới bị tắt nghẽn.
+ Ống dẫn nước: Bao gồm ống dẫn chính PE 16mm và ống dẫn phụ PE 4mm.
+ Các loại đầu tưới phun mưa.
+ Các loại co nối ống khác.
-

Bước 3: Lắp thiết bị hút nước

+ Lắp đặt hệ thống hẹn giờ và van đóng mở

-

Bước 4: Đi đường ống

+ Đi đường ống dẫn chính qua những khu vực bạn muốn tưới cho cây
-

Bước 5: Nối ống dẫn chính sang các ống dẫn đưa ra cây

+ Dùng các co nối ống chính sang các ống đãn phụ đưa ra cây

+ Bịt lỗ ở cuối ống dẫn.
3.2 Thông số kỹ thuật về mô hình mn phát triển
*3.2.1 Các thơng số kĩ thuật:
-

Phạm vi tưới:

Đây là thơng số quan trọng vì nó liên quan đến kích thước của khung và cách bố trí đường
tưới cây. Khi ống tưới cây hoạt động lưu lượng nước sẽ tạo áp lực đến từng phân đoạn của
ống, mức độ lưu lượng của nước phù hợp sẽ phụ thuộc vào lượng nước cũng như chiều dài
của ống. Ở mỗi đoạn ra của ống dẫn, nước sẽ có áp lực khác nhau nên cần tính tốn để lưu
lượng nước ở mỗi gốc câylà như nhau.
-

Lưu lượng nước:
15


Mỗi ống tưới cây có thơng số lưu lượng khác nhau, thông số này cho chúng ta biết lượng
nước mà ống tưới cung cấp trong một khoảng thời gian nhất đinh (một giờ hoặc một phút).
Đơn vị dùng để đo lưu lượng là m3/giờ hoặc lít/phút. Do yêu cầu của đề tài nên nhóm chúng
em đã chọn lưu lượng nước cho mỗi cây là 2 lít/giờ.
- Áp lực nước:
Áp lực của ống tưới cây là thông số thể hiện khả năng chịu đựng sức nước và sự ổn
định trong hoạt động của béc tưới. Đơn vị thường được sử dụng để xác định áp lực của béc
tưới cây là bar hoặc kg/cm2. Ví dụ một ống tưới có áp lực từ 1 – 4 bar nghĩa là nó sẽ hoạt
động tốt trong khoảng áp lực đó. Áp lực nước có liên hệ mật thiết với lưu lượng và bán

kính tưới, vì khi áp lực càng lớn thì ống tưới cây sẽ phun ra lượng nước càng nhiều và có
bán kính tưới càng xa. Áp lực nước cũng đại diện cho mức độ an toàn của ống tưới. Nếu
áp lực của hệ thống tưới vượt quá mức cho phép thì béc tưới sẽ nhanh hư hỏng, do đó
chúng ta thường dựa vào thông số áp lực để xác định công suất phù hợp cho máy bơm.
Ở hệ thống tưới tự động, áp lực nước trong đường ống sẽ giảm dần khi chảy qua
các thiết bị như van điện từ, máy bơm, lọc, phụ kiện… Chính vì thế chúng ta phải biết được
áp lực cần thiết tại béc tưới cây để tính ra được áp lực cần có ở đầu nguồn nước.
*3.2.2 Các yêu cầu kĩ thuật:
- Biện pháp giữ ẩm là hạn chế khả năng bốc thoát hơi nước của đất hoặc các biện
pháp cải tạo đất để tăng khả năng giữ ẩm, giữ nước mưa của đất.
- Độ ẩm của đất là khả năng chứa nước của đất, được tính bằng phần trăm độ rỗng
của đất hoặc phần trăm trọng lượng đất.
- Độ ẩm thích hợp là độ ẩm trong đất phù hợp với từng giai đoạn sinh trưởng của từng
loại cây trồng.
- Độ ẩm bão hòa hay còn gọi là độ ẩm toàn phần, là độ ẩm đạt được khi toàn bộ khe
rỗng của đất canh tác được chứa đầy nước.
- Chế độ tưới cho cây trồng bao gồm thời điểm cần tưới, thời gian và mức tưới mỗi
đợt, số đợt tưới và mức tưới cho toàn vụ và trong thời gian sinh trưởng của cây
trồng.
- Chế độ tưới tiết kiệm nước là chế độ tưới có mức tưới nhỏ hơn mức tưới của chế độ
tưới thông thường nhưng vẫn đảm bảo yêu cầu sinh trưởng và phát triển bình thường
của cây trồng nhờ áp dụng một quy trình hay biện pháp tưới thích hợp.
- Mức tưới là lượng nước cần tưới cho mỗi đợt tưới trên một đơn vị diện tích canh
tác, được ký hiệu là m, đơn vị tính là m³/ha.
- Hệ số tưới là lượng nước cần thiết phải cung cấp cho một đơn vị diện tích canh tác
trong một đơn vị thời gian để đáp ứng yêu cầu sinh trưởng và phát triển của cây
trồng có mặt trên diện tích đó, ký hiệu là l/s.ha.
- Hệ số cây trồng là tỉ số giữa lượng bốc thoát hơi nước thực tế trong từng giai đoạn
sinh trưởng và phát triển của cây trồng với lượng bốc thoát hơi nước tiềm năng được
16

tính tốn dựa trên các tài liệu khí tượng, được ký hiệu là Kc. Giá trị hệ số Kc phụ
thuộc vào giống, loại cây trồng và từng giai đoạn sinh trưởng của cây trồng, điều
kiện khí hậu, đất đai, thời vụ và biện pháp canh tác.

3.3

Yêu cầu chung:

Chế độ tưới cho cây trồng cạn đảm bảo duy trì độ ẩm trong tầng đất canh tác theo
công thức tưới tăng sản. Độ ẩm thích hợp có thể tính theo % của độ rỗng đất A hoặc dung
trọng khô của đất. Nếu tính theo dung trọng khơ thì lấy độ ẩm tối đa đồng ruộng làm chuẩn.
Độ ẩm tối đa đồng ruộng phân tích theo % của dung trọng đất khơ
*3.3.1 Tính toán yêu cầu cấp nước cho các giai đoạn sinh trưởng của cây trồng cạn
-

Chế độ tưới cho cây trồng cạn tại một giai đoạn sinh trưởng cụ thể (thời đoạn tính
tốn) được xác định theo phương trình cân bằng nước sau đây:

mi = (Whi + Wci) - (W0i )

(1)

trong đó: mi là lượng nước cần tưới trong thời đoạn tính tốn, m3/ha;
Whi là lượng nước hao trong thời đoạn tính tốn, m3/ha ;
Wci là lượng nước cần trữ trong tầng đất canh tác ở cuối thời đoạn tính tốn, m3/ha;

W0i là lượng nước sẵn có trong đất ở đầu thời đoạn tính tốn, m3/ha; chọn = 0
Lượng nước hao Whi trong thời đoạn tính tốn, m3/ha, được xác định theo cơng

thức :
Whi = 10.Etc.ti
(2)
trong đó:
Etc= Kc với
Kc là hệ số cây trồng, phụ thuộc vào vị trí địa lý của vùng canh tác, loại cây trồng và giai
đoạn sinh trưởng của nó. Chọn cải thảo với hệ số là 0,3.

Ti : nhiệt độ trung bình là 32⁰C


Whi = 10.0,3.32= 96 (m3/ha)

Xác định lượng nước Wci cần trữ trong tầng đất canh tác ở cuối thời đoạn tính tốn, m3/ha,
theo quy định sau:

*3.3.2 Cơng thức tính tốn:
Wci = 10.βci.γk.Hi

(3)

Hoặc: Wci = 10.βci.A.Hi

(4)

trong đó: βci là độ ẩm của đất ở cuối thời đoạn tính tốn. Tuỳ thuộc vào tài liệu phân tích
đất, βci có thể tính theo dung trọng khơ hoặc theo độ rỗng, chọn là 10%
γk là dung trọng khô của đất, t/m3; tài liệu tham khảo 1,4 t/m3
17

A là độ rỗng của đất, tính theo % thể tích đất;. chọn mẫu đất ẩm với 38%
Hi là độ sâu rễ cây tại thời điểm tính tốn, mm. Chọn rễ dài 50mm


Wci = 10.10%.38%.50 = 19

Kết quả tính tốn Wci phải thoả mãn điều kiện sau:
Wβmin < Wci trong đó:

Wβmax là lượng nước lớn nhất cho phép trữ và duy trì ở tầng đất canh tác trong giai đoạn
sinh trưởng thứ i không làm ảnh hưởng đến năng suất của cây trồng, m3/ha:
Wβmax = 10.γk.βmax.Hi

(5)

hoặc:

Wβmin = 10.A.βmax.Hi = 10.15%.38%.50= 28,5
Wβmin là lượng nước nhỏ nhất cho phép duy trì ở tầng đất canh tác trong giai đoạn sinh
trưởng thứ i không làm ảnh hưởng đến năng suất của cây trồng, m3/ha:
Wβmin = 10.γk.βmin.Hi

(6)

hoặc:
Wβmin = 10.A.βmin.Hi = 10.5%.38%.50= 9,5
Βmin và βmax là giới hạn độ ẩm nhỏ nhất của đất và độ ẩm lớn nhất của đất theo công thức
tưới tăng sản cho cây trồng.



Thõa điều kiện lượng nước trữ cần canh tác.

Theo các kết quả trên thì lượng nước cần tưới trên 1 ha là: mi = 96+19 = 115 m3
Theo mơ hình của đề tài thì cần lượng nước tối thiểu trên 1,2 m2 là 13,8 lít.
3.4
Thiết kế khung cơ khí:
Do yêu cầu và tính cấp thiết của đề tài, nhóm em đã lựa chọn sắt tráng kẽm làm vật
liệu chính cho khung
+ Ưu điểm:
_ Sự đa dạng của sắt
_ Có độ bền cao
_ Dẻo và bền theo thời gian
_ Chi phí rẻ và dễ gia cơng lắp đặt.
_ Được sử dụng phổ biến
+ Nhược điểm:
_ Dễ bị gỉ sét
_ Không được tinh tế như nhựa và nhôm
*3.4.1 Hình ảnh minh họa cho vật liệu:
18


Hình 3.1:Sắt mạ kẽm

Ngồi những đặc tính như trên, thì loại sắt tráng kẽm này phù hợp với mục tiêu của
mơ hình mà nhóm đề ra. `Đồng thời sắt tráng kẽm cũng giúp cho khung có thể chịu đựng
được độ ẩm của sản phẩm trong thời gian dài.
*3.4.2 Hình ảnh khung trên bản vẽ:

Hình 3.2: Bản vẽ hồn chỉnh

*3.4.3 Ý nghĩa hình học của khung:
+ Phần trên khung: là nơi để pin năng lượng mặt trời để đạt được lượng điện năng cao nhất.
19


+ Phần giữa khung: là nơi để thiết bị bơm nước và hệ thống điều khiển hoạt động.
+ Phần đáy khung: là nơi để thùng chứa nước và các vòi phun cho hệ thống.
3.5

Tính động cơ máy bơm nước :

+ Chọn lưu lượng nước 60(l/p)
+ Cột áp h= 0.4: chọn h=0.75 m
+ P(kW)= [Q(m3/s)*H(m)*Tỉ trọng H2O(1000kg/m3)]/[102*Hiệu suất bơm (0,8-0,9)].

Chọn động cơ: Pđc(kW) = P(kW)/Hiệu suất motor (0,9-0,95).
Ngoài ra cần lấy hệ số dư tải (an toàn) cho bơm thường =P (kW) *0.43
Công thức đơn giản:
Nb = Q.Hb.1000/(102.S)

(7)

Q: là lưu lượng bơm (m3/s)
Hb: Cột áp bơm.
S: Hiệu suất bơm, thường chọn = 0,8
Ngoài ra cần lấy hệ số dư tải (an toàn)cho bơm thường =P (kW) *0.43
0.06∗0.75∗1000

P(dc) =

P(mb) =
-

8∗102∗0.8
0.0689
0.43

=0.0689 (kw)

= 0.15(kw)=150 (w)

Chọn động cơ máy bơm có cơng suất 150w

*3.5.1 Tính đường đi ống nước và áp lực nước cho mỗi điểm tưới:
Chọn ống nhựa đường kính 21mm
Tiết diện ngang ống = R2.3,14=0,0152.3,14 = 7.065.10-4 (m2)
Vận tốc nước chảy trong ống = ඥ2𝑔ℎ = 2,8 (m/s)
Lưu lượng nước chảy trong ống:Q1 = 2 (l/p)
Chọn lưu lượng đầu phun của mỗi ống là Q2 = 1 (l/p)
+ Đối với điểm cuối :
Ta có cơng thức chiều cao cột áp cần thiết:
Hcc = H + Htt
Trong đó: Hcc: chiều cao cột áp với máy bơm, chọn 0,2m
H: chiều cao của đầu phun tại điểm cuối
Htt: tổn thất cột áp trên đường ống
Theo đó TCVN4513-1998 ta có:
Htt = HD +HCB

Trong đó: HD: tổn thất cột áp theo chiều dài đường ống
HCB: cột áp tổn hao cục bộ, HCB = 10%HD
Mà HD = L.Q2.A

(8)

(9)
(10)
(11)
20