Từ đó tiến hành lựa chọn các biến cần điều khiển với các khoảng làm việc như sau: Xác định dinh dưỡng bằng hệ thống cung cấp dung dịch bởi 3 bình A, B, C.. Từ đó đặt chế độ làm việc cho
Trang 1Báo cáo khoa học Thiết kế bộ điều khiển phục vụ sản xuất rau an toàn
theo công nghệ thuỷ canh
Trang 2theo công nghệ thuỷ canh
Designing a control device for safe vegetable production using hydroponics technology
Ngô Trí Dương1
SUMMARY
The paper describes the design a control device for safe vegetable production using hydroponics technology The design was based on safe vegetable production package and data of vegetable species in such a way to ensure the operation of three systems: nutrients and water supplying system, climate regulatory system, and drop irrigation system The micro-control system PSoC of Cypress represents a possible programming on chips The chips manufactured by PSoC technology are smart control chips with high flexibility but low cost, technically supportive with the software The control device possesses automatic and manual working regime, LCD monitor and user’s interface through keyboard In addition, the controller is protected to ensure that it can work under uncontrolled conditions to supply the plants with nutrients and water
Key words: Safe vegetable, hydroponics, automatic control, controller
1 ĐặT VấN Đề
Hiện nay, ở nước ta sản xuất rau an toàn
đang là một vấn đề cấp thiết đặt ra đối với các
nhà nghiên cứu, người sản xuất và người tiêu
dùng Việc Việt Nam gia nhập WTO đ/ tạo ra
sự cạnh tranh lớn cho ngành sản xuất rau trong
nước với rau sản xuất ở nước ngoài Vì vậy,
yêu cầu đặt ra đối với các mặt hàng rau là phải
đảm bảo an toàn vệ sinh và chất lượng, cũng
như mẫu m/ đáp ứng nhu cầu tiêu dùng của
người dân, nhu cầu rau sạch cung cấp cho các
nhà hàng, khách sạn, các khu du lịch và phục
vụ xuất khẩu Trong những năm gần đây,
Đảng và Nhà nước đặc biệt quan tâm đến các
sản phẩm nông nghiệp an toàn trong đó có rau
an toàn Nhiều chính sách, qui định đ/ được
đưa ra và nhiều Chương trình và Dự án đ/
được triển khai nhằm thúc đẩy sản xuất rau an
toàn phát triển (Bùi Thị Gia, 2006; Nguyễn
Hùng Anh và Ngô Thị Thuận, 2005
- Để sản xuất rau đảm bảo "Rau an toàn"
với các đặc điểm ít bị sâu bệnh phá hại, kỹ thuật gieo trồng đơn giản, không cần sử dụng lượng phân vô cơ lớn, thời gian sinh trưởng ngắn, có khả năng tăng vụ, luân canh trồng gối, một trong những phương pháp đáp ứng
được yêu cầu trên là trồng rau bằng phương pháp thuỷ canh trong nhà lưới Bằng con
đường lựa chọn tối ưu là ứng dụng công nghệ cao vào sản xuất nông nghiệp trong đó tự động hoá các khâu chăm sóc, tưới tiêu, thu hoạch và bảo quản, chúng tôi tiến hành nghiên cứu thiết
kế bộ điều khiển phục vụ sản xuất rau an toàn theo công nghệ thuỷ canh
2 PHƯƠNG PHáP THIếT Kế Phương pháp thiết kế dựa trên quy trình công nghệ sản xuất rau an toàn trong nhà lưới bằng phương pháp thuỷ canh và các số liệu thông kê từ đó xác định được các biến cần
điều khiển và biến điều khiển
Hệ thống trồng rau an toàn bằng phương
Trang 3pháp thuỷ canh với hệ thống tưới nhỏ giọt
(Ngô Trí Dương, 2005) được thiết kế cho 3
luống rau, cung cấp dinh dưỡng dưới dạng
lỏng bởi 3 bình A, B, C bằng 3 máy bơm và
bình trộn D với hệ thống trộn dung dịch Từ
đó tiến hành lựa chọn các biến cần điều khiển
với các khoảng làm việc như sau:
Xác định dinh dưỡng bằng hệ thống cung
cấp dung dịch bởi 3 bình A, B, C Từ đó đặt
chế độ làm việc cho 3 bơm ứng với các thời
gian t1, t2 và t3 và xác định được tỷ lệ phối trộn
theo yêu cầu của quy trình công nghệ cho từng
loại rau Trong đó t1 thời gian bơm dung dịch
A, t2 thời gian bơm dung dịch B và t3 thời gian
bơm dung dịch C Sau đó đặt thời gian t4 cho
động cơ trộn dung dịch ở bình D Việc xác
định các thông số này được nhập từ bàn phím
với thời gian tính bằng giây Trong hệ thống
có hệ thống báo sự cố khi trong 3 bình không
có dung dịch thì không hoạt động và quá trình
tự động cung cấp dung dịch từ 3 bình A, B và
C khi dung dịch ở bình trộn D báo hết
Hệ thống điều tiết khí hậu trong nhà kính
hoặc nhà lưới thông qua hệ thống quạt gió,
phun sương và mái che cụ thể: Nếu nhiệt độ t
≥ 270C thì hệ thống quạt gió làm việc; Nếu
nhiệt độ t ≥ 370C thì hệ thống quạt gió và
phun sương làm việc; Nếu nhiệt độ t ≤ 270C
thì hệ thống quạt gió và phun sương ngưng
làm việc khoảng làm việc của nhiệt độ 0 < t <
600C Đối với cường độ ánh sáng: Nếu cường
độ ánh sáng CDAS ≥ 70000 lux thì thả mái
che với sự làm việc của một động cơ điện
hoặc ngược lại thì cuốn mái (các số liệu chọn
trên có thể thay đổi)
Xác định lượng nước cần tưới phụ thuộc
vào nhiều yếu tố Đối với phương pháp trồng
rau an toàn bằng phương pháp thuỷ canh trong
nhà lưới, phương pháp tưới nhỏ giọt được lựa
chọn với ưu điểm tưới tiết kiệm nước phù hợp
với quy trình công nghệ Theo các chuyên gia
nông học, việc tưới và cung cấp dinh dưỡng
thông qua tưới nhỏ giọt thường tưới từ 7 giờ
sáng đến 19 giờ Khi đ/ xác định được lượng
nước và dinh dưỡng cần tưới, cần tiến hành
chia khoảng thời gian tưới mỗi lần và thời gian nghỉ từng lần
Theo giáo trình Lý Thuyết về khai thác hợp lý nguồn tài nguyên khí hậu Nông nghiệp, (Trần Đức Hạnh & cs, 1997), lượng nước cần tưới cho cây trồng được xác định theo công thức:
WR = PET.Kc (mm) Trong đó:
WR (Water Requirement) nhu cầu nước của cây trồng
PET: Bốc thoát hơi nước tiềm năng (mm)
Kc (k.crops): Hệ số cây trồng là đặc trưng của cây trồng và phụ thuộc vào từng giai
đoạn phát triển của cây Hệ số này của các loại rau như dưa chuột, cà chua, đậu vàng, ớt ngọt, đậu đũa và thời gian sinh trưởng cũng đ/ được xác định (Bảng 1 và Bảng 2)
Bảng 1 Hệ số cây trồng Kc của một số
cây rau
Các giai đoạn sinh trưởng
mầm
Phân nhánh
Giữa
vụ
Cuối
vụ
Thu hoạch
Bảng 2 Thời gian sinh trưởng của một số cây rau
Số ngày tương ứng trong từng
giai đoạn
ngày
Trong đó: K1: giai đoạn mọc mầm; K2: giai
đoạn phát triển; K3: giai đoạn giữa vụ;
K4: giai đoạn cuối vụ; K5: giai đoạn thu hoạch
Trang 4PET (Potential Evapotranspiration) Bốc
thoát hơi nước tiềm năng được xác định
như sau:
Q (0, 025T 0, 08) PET
59
+
Trong đó:
Qs: bức xạ tổng cộng trong ngày hoặc tuần
Ta: nhiệt độ trung bình ngày hoặc tuần
59: Lượng nhiệt cần thiết để bốc hơi 1 mm
nước
PET dùng để xác định cân bằng nước và
chẩn đoán lượng nước tưới cho một vùng hoặc
cho một cây trồng
Vậy lượng nước cần tưới được xác định:
c
59
+
Nếu xét đến hệ số mùa cần tưới thì:
m c
59
+
Trong đó Km hệ số mùa cần tưới (nếu có)
Nếu diện tích cần tưới (S); lượng nước
mưa (LNM) và lưu lượng máy bơm (LLMB)
thì thời gian t đóng của máy bơm nước được
xác định như sau:
m c
Q 0, 025.T 0, 08
t K K LNM s / LLMB
59
Trong trường hợp tưới nhỏ giọt với số lần
tưới là N khi đó thời gian tưới mỗi lần là:
t
Để điều khiển quá trình tưới nhỏ giọt cần
điều khiển góc mở của van đầu đường ống Trong quá trình khảo nghiệm bộ điều khiển, lựa chọn điều khiển động cơ bước ứng với từng luống cần tưới hoặc cùng một lúc tưới 2,
3 luống mà điều khiển góc mở khác nhau
Để thiết kế bộ điều khiển, bộ vi điều khiển PSoC (Programmable System on Chip) của h/ng Cypress là hệ thống khả lập trình trên chíp được sử dụng Các chíp chế tạo theo công nghệ PSoC là chíp điều khiển thông minh có tính linh hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu và phát triển thấp, giá thành chíp thấp, hỗ trợ kỹ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ sử dụng Thành phần của chíp bao gồm các khối ngoại vi số và tương tự, một bộ vi xử lý 8 bít, bộ nhớ chương trình (EEROM) có thể lập trình được và có bộ nhớ RAM lớn Để lập trình hệ thống và cài chương trình điều khiển vào chíp, cần có phần mềm lập trình và một kit phát triển do h/ng chế tạo chíp cung cấp
3 THIếT Kế Và ĐáNH GIá
3.1 Thiết kế phần cứng Sơ đồ các thiết bị phần cứng Các chíp được chọn căn cứ theo yêu cầu của quy trình công nghệ trồng rau và nghiên cứu vi điều khiển về chíp PsoC, gồm 2 chíp: PSoC Master CY8C29466 và PSoC Slave CY8C27443, mỗi chíp có 28 chân (Hình 1)
Hình 1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển
PSoC Slave CY8C27443
Phím ấn
Hệ thống
cảm biến
LCD
Tín hiệu
điều khiển các cơ cấu chấp hành PSoC Master
CY8C29466
Trang 5PSoC Master CY8C29466 nhận dữ liệu từ
phím ấn, các cảm biến nhiệt độ, bức xạ, cường
độ ánh sáng, lượng nước mưa, áp suất đầu
đường ống và được thể hiển qua màn hình tinh
thể lỏng LCD Mặt khác PSoC Master
CY8C29466 xử lý và truyền tín hiệu điều
khiển sang PSoC Slave CY8C27443 để điều khiển hệ thống bơm dung dịch A, B, C, bình trộn D, hệ thống quạt gió, phun sương, mái che và điều khiển động cơ bước
Sơ đồ nguyên lý tổng thể của bộ điều khiển tự động (Hình 2)
PSoC Slaver
4
8
4
3
1
Select Keypad
GND
PSoC_TX và PSoC_RX
2
16x2
Tín hiệu vào Analog:
Pa
Qs
Ta
LNM
CDAS
5
8
Slave Chip
BA
BB
BC
DT
B V1 V2 V3
CD1 CD2 CD3 CD4
P0
P0 P0
Ma trận 16 phím
PsoC Master
P0
P2
P0
Max232
PC
Đầu ra
Phun sương
Quạt gió
Mái che
GHA
GHB
GHC
GHD
P0
P1
Tín hiệu điều khiểu đầu ra
Van tiết lưu tín hiệu
điều khiển
động cơ
bước
Đầu vào: biến dùng để bảo vệ
Phần tạo nguồn điện + 5V DC cho hệ thống điều khiển
Hình 2 Sơ đồ nguyên lý tổng thể của bộ điều khiển
Trang 6Sơ đồ mạch in (hình 3 và 4)
Trang 7H
Trang 8Các chức năng trên bàn phím
a Chế độ tự động nhập dữ liệu từ nút ấn
Việc nhập dữ liệu được thiết kế bởi ma
trận nút ấn được bố trí 4 hàng 4 cột, được sử
dụng 8 chân từ P1.0 đến P1.7 của PSoC
Master CY8C29466 được thể hiện ở hình 3
Với việc sử dụng các nút như sau:
Nút 1: Đặt hệ số về mùa; chọn lưu lượng
máy mở khi tính đến góc mở của van điều
khiển động cơ bước; chọn diện tích cần tưới
Nút 2: Lựa chọn các loại cây
Nút 3: Chọn tỷ lệ phối trộn thông qua t1,
t2, t3 và thời gian trộn t4
Nút 4: Chọn thời gian nghỉ; Số chu kỳ cần
tưới;
Nút 5: Chọn chế độ mở van
Nút 6: Khởi tạo quá trình làm việc, tức là
chọn giai đoạn bắt đầu sống của cây
Nút 7: chuyển sang chế độ làm việc bằng tay
Nút 8: Ngừng quá trình làm việc
Nút ←: Chuyển chế độ làm việc PC và
xoá ký tự trước nó
Nút M: Về chế độ ban đầu của bàn phím
Nút C: Chọn các chế độ làm việc
Nút X: Theo dõi các thông số vào và kết
quả sau khi đ/ xử lý
b Chế độ bằng tay nhập dữ liệu từ bàn
phím
Khi chuyển sang chế độ làm việc bằng
tay bằng cách ấn nút 7, cần nhập các số liệu
như sau:
- Thời gian tưới
- Thời gian nghỉ
- Số chu kỳ tưới
- Lựa chọn luống cần tưới
3.2 Thiết kế phần mềm điều khiển
Sơ đồ giải thuật của bộ điều khiển (Hình
5) bao gồm chương trình chính hai phần:
Phần 1: Chương trình làm việc bằng bàn
phím được thiết kế ở hai chế độ tự động và
bằng tay, bao gồm chương trình chính với
nhiều hàm con cụ thể như sau:
- Hàm đo các biến điều khiển: Nhiệt độ hàm void ADC_Ta(void), bức xạ nhiệt hàm void ADC_Qs(void), áp suất hàm void _Pa (void), lượng nước mưa hàm void ADC-_LNM(void) và cường độ ánh sáng hàm void ADC_CDAS (void) từ ADC
- Hàm cập nhật thời gian thực thông qua ngắt của UserModule Counter void On_Update_time (void)
- Hàm dựng quét bàn phím ma trận 4x4
đồng thời giải m/ để nhận biết xem phím nào
được nhấn từ đó cho phép đưa ra các hướng tiếp cận tương ứng unsigned char ButtonMatrix()
- Hàm nhập các giá trị tham số cho hệ thống được điều khiển thông qua biến ButtonPress được giải m/ từ bàn phím khi người dùng nhấn phím void Nhap_solieu (char ButtonPress)
- Hàm xóa dòng đầu tiên của LCD void LCD_clearLine0() và xóa dòng thứ hai của LCD void LCD_clearLine1()
- Hàm đợi một khoảng thời gian thông qua biến wait: void delay(int wait)
- Hàm chọn tham số cần nhập void select_paramet(void)
- Hàm hiển thị menu giao diện cho phép người dùng chọn tham số cần nhập void MenuDisplay(void)
- Hàm làm hai nhiệm vụ: Thứ nhất cập nhật các tham số nhập từ bàn phím, thứ hai truyền các tham số điều khiển cho PsoC Slaver void update_variable(char sokytu)
- Hàm truyền một mảng dữ liệu từ Psoc
Transmit_To_PSoC(char tx_data[16],char nbyte)
- Hàm chỉ báo thời gian mô phỏng cho từng loại cây được chọn từ Menu void thoigianmophong(void)
- Hàm tính thời gian tưới cây void Thoigiantuoicayt5(void)
- Hàm chuyển một mảng chuỗi nhập từ bàn phím thành số phẩy động (float giaima(char chuoi[16],char sokytu)
Trang 9Hình 5 Sơ đồ thuật giải bộ điều khiển
Máy tính PC Bàn phím
Gọi hàm tuới bằng tay
Tự động
Bằng tay
Bắt đầu
Khởi tạo các biến và cấu hình
Gọi hàm cập nhật thời gian thực
Gọi hàm con nhập số liệu: các thông số
đầu vào sau đó gọi hàm giải mã để thực
hiện các hàm chức năng
Đọc giá trị mã quét bàn phím:
Gọi hàm đo biến điều khiển
Đọc tham số tương tự
Gọi hàm con điều khiển quạt thông gió; phun sương; cuốn mái;
động cơ bước; mở van cho các luống cần tưới
Gọi hàm con quét bàn phím
Chế độ bàn phím
Nhập: Thời gian tưới Thời gian nghỉ
Số chu kỳ tưới Lựa chọn luống cần tưới
Kiểm tra chế độ làm việc
Chế độ máy tính PC Tắt chế độ bàn phím kiểm tra chế độ làm việc
Gọi hàm tính thời gian tưới
Gọi hàm truyền dữ liệu
Gọi hàm giải mã
Cập nhật hàm thời gian thực
Gọi hàm điều khiển hệ thống tưới
Gọi hàm truyền dữ liệu
Trang 10- Hàm tính luỹ thừa của số mũ int luythua
(int X,BYTE mu)
- Hàm chuyển một số phẩy động thành
chuỗi để hiển thị trên LCD void Fchuoi(float
ftimer)
- Hàm dùng để thay đổi việc hiển thị các
giá trị tương tự trên màn hình LCD void
GiatriTuongtu(void)
- Hàm cập nhật thường xuyên sự thay đổi
của giá trị tương tự cần hiển thị void
HienthiTuongtu(void)
- Hàm nhằm giới hạn các chữ số nhập vào
từ bàn phím, chẳng hạn như dấu chấm '.'
không được nhập hai lần trong dấu phẩy động
void LimitInput(char keycode)
Ngoài ra còn có các hàm biến cần điều
khiển như điều khiển động cơ bước; điều
khiển quạt gió, phun sương; động cơ cuốn
mái, thả mái; máy bơm tưới; các loại máy bơm A, B, C và động cơ trộn
Phần 2: Chương trình làm việc trên máy tính PC, việc kết nối với PC với bộ điều khiển thông qua Max232 (Hình 2)
3.3 Thẩm định và đánh giá
3.3.1 Qui trình thẩm định
Bộ điều khiển với các chức năng trên
được thử nghiệm bằng cách thiết kế các biến vào như nhiệt độ, bức xạ, lượng nước mưa, cường độ ánh sáng và áp suất được thay thế bằng các tín hiệu tương tự điện áp thay đổi từ
0 ữ 5 V Quá trình mô phỏng trong chương trình tương ứng cứ một ngày lấy bằng 4 phút tương ứng với 240 s và xác định thời gian mô phỏng (Bảng 5)
Bảng 5 Thời gian tương ứng trong các giai đoạn mô phỏng
Thời gian tương ứng trong từng giai đoạn (s)
3.3.2 Kết quả
- ở chế độ tự động:
Nhập số liệu và điều chỉnh các tín hiệu
tương tự từ đầu vào, cụ thể:
Chọn Km = 1; Tưới 3 luống ứng với góc
mở động cơ bước là 4680 khi đó lưu lượng máy
bơm tưới là 0,08 (l/s) diện tích cần tưới là 6 m2
Lựa chọn cây cần tưới là cây dưa chuột
Đặt tỷ lệ phối trộn tương ứng với 3 bình
trộn, giả sử tỷ lệ 1: 2: 3 trong đó dung dịch
của 3 bình được đưa vào bình trộn bởi 3 máy
bơm có lưu lượng từng máy là 1,8 (l/s) Khi đó
lấy bình A là 18 lít ứng với điều khiển bơm là
t1 =10 (s); lấy bình B là 36 lít ứng với điều
khiển bơm là t2 = 20 s; lấy bình C là 54 lít ứng
với điều khiển bơm là t3 = 30 s và thời gian
trộn t4 = 40 s
Chọn thời gian nghỉ là 5 (s); Số chu kỳ cần
tưới là: 10 ; Chọn chế độ mở van là cả 3 van
cho 3 luống Lúc đó khởi tạo quá trình làm việc bằng nút 6, từ đó bộ điều khiển nhận các thông
số từ môi trường bên ngoài, trong thời gian 4 phút trong mô phỏng ứng với 1 ngày thực, lúc
đó số liệu nhận được nhiệt độ trung bình Ta = 27.760C và Qs = 301,4 (Cal/cm2/ngày) để đưa ra kết quả các lần tưới cho các ngày: lần 1: thời gian cần tưới ngày thứ nhất là 133 (s) với số lần tưới là 10, khi đó thời gian mỗi lần tưới là 13 (s), sau đó nghỉ 5 (s) lại tiếp tục cho đến 10 lần; Lần 2 lấy số liệu từ ngày thứ nhất và thực hiện quy trình như lần thứ nhất Các lần tiếp theo
được thực hiện tương tự với số liệu được đo từ ngày trước đó
- ở chế độ bằng tay:
Chuyển sang bằng nút 7, sau đó căn cứ vào yêu cầu tưới trong ngày, giả sử tưới 77 lít ứng với thời gian tưới 100 (s) Nếu chọn 25 lần lúc đó mỗi lần 40s, thời gian nghỉ chọn
300 (s), sau đó chọn chế độ luống tưới là 3 luống
