Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và đưa vào ứng dụng các thiết bị, phương tiện và hệ thống tự động hoá cho các nhà trồng thông minh Viện NC Điện tử Tin học Tự động hoá

Nhằm góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, đặc biệt sự nghiệp phát triển nông nghiệp, nông thôn, vừa qua Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá đã được Bộ Khoa họ

VIỆN NGHIÊN CỨU ĐIỆN TỬ, TIN HỌC, TỰ ĐỘNG HOÁ

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐƯA VÀO ỨNG DỤNG CÁC THIẾT BỊ, PHƯƠNG TIỆN VÀ HỆ THỐNG

TỰ ĐỘNG HOÁ CHO CÁC NHÀ TRỒNG THÔNG MINH

CNĐT : NGUYỄN XUÂN QUỲNH

9388

HÀ NỘI – 2010

MỞ ĐẦU

Hiện nay, nền kinh tế của nước ta ngày càng phát triển, đời sống của người dân ngày càng được cải thiện, nâng cao Nhu cầu được tiêu dùng những hàng hóa chất lượng cao nói chung và sản phẩm nông nghiệp sạch, an toàn nói riêng ngày càng trở nên bức thiết với người dân Để đáp ứng được nhu cầu tất yếu này, nhiều cơ sở kinh doanh nông phẩm đã đầu tư cho hướng các mặt hàng chất lượng cao, an toàn vệ sinh thực phẩm, do đó nhiều nơi đã đầu tư, xây dựng nhà trồng rau, hoa quả sạch (nhà màng, nhà lưới, nhà kính, … gọi chung là nhà trồng thông minh hay gọi tắt là nhà trồng) Nhà trồng từ lâu đã được phát triển ở châu Âu – Mỹ, đặc biệt là ở xứ có thời tiết lạnh băng giá, nhằm đáp ứng nhu cầu về rau xanh, hoa của con người vào mùa đông Hiện nhà trồng đã được nhiều hãng, nhiều nhà sản xuất trên thế giới nghiên cứu, thiết kế và cung cấp cho thị trường

Điểm đặc biệt của quá trình phát triển nhiều năm của nhà trồng là cho thấy sự gắn kết giữa nghiên cứu công nghệ (điều khiển tự động) nhà trồng cây với công nghệ sinh học Nhà trồng tạo điều kiện để xác lập quy trình canh tác chuẩn, rồi chính quy trình này đòi hỏi phải phát triển thiết bị, nhằm nâng cao hiệu quả, tối ưu, tiết kiệm năng lượng,… Kết quả của sự phát triển kết hợp này là tạo ra một hệ thống tối ưu, có chứa hàm lượng công nghệ sinh học trong cấu tạo nhà trồng

Tuy nhiên đối với các cơ thể sống như thực vật không thể áp dụng dập khuôn các mô hình nhập ngoại mà đòi hỏi phải có các nghiên cứu sử dụng phù hợp trong điều kiện khí hậu, môi trường, giống cây tại địa phương Đặc biệt, khi phải triển khai sử dụng nhà trồng trong điều kiện kinh tế, đầu tư hạn chế với những đòi hỏi về hiệu quả sản xuất cao như ở nước ta thì việc nghiên cứu, chế tạo và phát triển nhà trồng trong nước, ngoài việc hạ thấp đáng kể chi phí đầu tư, còn cho phép tạo ra công nghệ canh tác phù hợp với các điều kiện đặc thù theo từng mùa, từng miền, của chúng ta

Hiện nay, trong nước đã có một số địa phương, nhiều nhất là Tỉnh Lâm Đồng –

đã sử dụng nhà trồng để canh tác một số loại cây – hoa – rau có giá trị kinh tế cao Ngoài các nhà trồng nhập từ nước ngoài với tính năng công nghệ trung bình trở lên có giá thành rất cao (từ 120 USD/m2 trở lên) đang dùng ở một số công ty có vốn đầu tư nước ngoài như HasFarm ở Đà Lạt, một số Viện nghiên cứu sinh học – nông – lâm nghiệp ở Hà Nội, còn lại hầu hết là những nhà trồng thô sơ, giá thành thấp (40.000 - 100.000 đ/m2), cho phép canh tác đại trà một số loại cây – hoa, cung cấp cho thị

thực vật của nước ta Nhằm góp phần vào sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, đặc biệt sự nghiệp phát triển nông nghiệp, nông thôn, vừa qua Viện NC Điện tử, Tin học, Tự động hoá đã được Bộ Khoa học Công nghệ cho phép thực hiện đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế chế tạo và đưa vào ứng dụng các thiết bị, phương tiện và hệ thống tự động hóa cho các nhà trồng thông minh Sau đây chúng tôi xin trình bày

phần khảo sát, nghiên cứu, thiết kế hệ thống mà nhóm thực hiện đề tài đã thực hiện được trong thời gian qua

Mục tiêu của đề tài (theo đăng ký):

- Nghiên cứu, hoàn thiện quy trình công nghệ sinh học (quy trình canh tác) trên

cơ sở ứng dụng công nghệ tự động hoá cho một số loại cây có giá trị kinh tế cao phục vụ cho đời sống và có khả năng xuất khẩu

- Nghiên cứu, thiết kế chế tạo thành công hệ thống tự động hoá kết hợp với công nghệ sinh học để ứng dụng trong các nhà trồng thông minh theo một số quy trình sinh học đã xây dựng

- Đưa hệ thống vào sử dụng tại một vài cơ sở sản xuất để kiểm tra, đánh giá và hoàn thiện các sản phẩm của đề tài (hệ thống tự động hoá và các quy trình canh tác)

Phương pháp nghiên cứu:

- Điều tra, thu thập thông tin từ ngành sản xuất hoa - rau sạch và công nghệ cao ở Việt Nam, phân loại, phân tích tài liệu để xác định những loại cây trồng trên từng vùng có nhu cầu sử dụng nhà màng, nhà lưới

- Điều tra, khảo sát các mô hình nhà trồng cây ngoại nhập hiện có ở nước ta, các

mô hình chào bán ở nước ngoài theo phương pháp phỏng vấn và thu thập số liệu về các thông số liên quan tới môi trường trồng cây và hiệu quả kinh tế của các dạng nhà trồng cây

- Nghiên cứu để xác định các thông số kỹ thuật canh tác một số loại rau, quả và một số loại hoa theo các phương pháp thường quy đối với các thí nghiệm đồng ruộng để có số liệu phục vụ cho việc sử dụng các thiết bị tự động hóa

- Hoàn thiện các quy trình công nghệ sinh học cho một số loại cây đã chọn dựa trên đặc điểm khí hậu, môi trường của từng vùng, miền trên cơ sở ứng dụng công nghệ tự động hoá

- Xây dựng mô hình nhà màng, nhà lưới tối ưu phù hợp với điều kiện cây trồng

và sản xuất tại Việt Nam

- Thiết kế, chế tạo và sử dụng thử nghiệm một số cấu kiện, phần tử và hệ thống

tự động hoá cho nhà trồng cây thông minh

- Sản xuất thử nghiệm một số loại rau và hoa nhiệt đới trồng trong nhà trồng cây

để xác định hiệu quả kinh tế của mô hình nhà màng được tiến hành trên diện rộng, không nhắc lại

- Liên kết với một số đơn vị có khả năng để triển khai đề tài

- Tổ chức hội nghị, hội thảo khách hàng để hợp đồng chuyển giao thiết bị & công nghệ

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH 10

PHẦN I.KHẢO SÁT, ĐIỀU TRA THỰC TRẠNG VÀ NHU CẦU SỬ DỤNG NHÀ TRỒNG HIỆN NAY 12

1 Nghiên cứu, đánh giá thực trạng ứng dụng và nhu cầu của người sử dụng về nhà trồng thông minh trên thế giới và ở Việt Nam 12

1.1 Lịch sử phát triển nhà trồng thông minh 12

1.2 Thực trạng áp dụng nhà trồng trong sản xuất nông nghiệp trên thế giới 14

1.3 Tình hình áp dụng nhà trồng trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam 17

1.4 Một số mô hình ứng dụng công nghệ nhà trồng ở Việt Nam 18

1.5 Khảo sát xác định nhu cầu của người sử dụng về nhà trồng thông minh 20

2 Điều tra, phân loại, phân tích những loại hoa, rau có nhu cầu sử dụng nhà trồng thông minh và lựa chọn loại cây trồng áp dụng cho đề tài 23

2.1 Điều tra, phân loại, phân tích những loại hoa, rau và cây trồng chủ yếu có nhu cầu sử dụng nhà trồng thông minh 23

2.2 Lựa chọn loại cây trồng cần sản xuất theo công nghệ cao 26

PHẦN II.THIẾT KẾ, CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ VÀ MỘT SỐ CẤU KIỆN CHO NHÀ TRỒNG THÔNG MINH 31

1 Tổng quan về thiết kế hệ thống cơ khí nhà trồng thông minh 31

1.1 Cơ sở, quan điểm thiết kế hệ thống cơ khí nhà trồng thông minh 31

1.2 Yêu cầu chung về nhà trồng cây 33

1.3 Các loại cấu trúc nhà trồng cây 33

2 Lựa chọn loại cấu hình cho nhà trồng cây 35

2.1 Các yêu cầu lựa chọn 35

2.2 Ảnh hưởng của các tham số môi trường đối với cấu trúc nhà trồng cây 36

2.3 Phân tích lựa chọn vật liệu cho nhà trồng 37

3 Phân tích về thiết bị công nghệ 43

3.1 Thiết bị khống chế và điều hòa nhiệt độ 43

3.2 Thiết bị khống chế và điều hòa độ ẩm 53

3.3 Thiết bị tưới 54

3.4 Kết luận 56

4 Thiết kế nhà trồng cây cho Tp Hồ Chí Minh 57

4.1 Các yêu cầu cụ thể 57

4.2 Các yếu tố khí hậu môi trường tại khu vực Tp.HCM và phía Nam 57

4.3 Địa hình bố trí xây dựng nhà mành 58

4.4 Thiết kế nhà trồng cây 59

4.5 Kết luận 63

PHẦN III.THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO NHÀ TRỒNG

THÔNG MINH 64

1.Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển 64

1.1 Cơ sở thiết kế hệ thống điều khiển 64

1.2 Quan điểm thiết kế hệ thống điều khiển 64

2 Thiết kế chi tiết các thành phần trong hệ thống 68

2.1 Trung tâm điều khiển 68

2.2 Thiết kế, chế tạo tủ điều khiển kéo rèm, nâng hạ mái 84

2.3 Thiết kế, chế tạo tủ động lực kéo rèm 89

2.4 Thiết kế, chế tạo tủ điều khiển cấp chất dinh dưỡng và tưới nhỏ giọt 90

2.5 Thiết kế, chế tạo tủ điều khiển phun sương 96

2.6 Các trạm thiết bị đo 101

2.6.1 Thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm 101

2.6.2 Thiết bị đo cường độ sáng 104

2.6.3 Thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió 108

2.6.4 Thiết bị đo nồng độ khí CO2 112

2.6.5 Thiết bị đo nồng độ oxi 116

2.6.6 Thiết bị đo độ dẫn EC và thiết bị đo độ pH 119

2.7 Kết luận 120

3 Thiết kế hệ thống tự động hóa cho nhà màng GH-300 trong Tp H ồ Chí Minh .120 3.1 Các yêu cầu điều khiển tự động 120

3.2 Thiết kế cấu hình điều khiển tự động 121

3.3.Trạm điều khiển có tích hợp các khối thực hiện chức năng điều khiển nâng hạ mái, tưới nước, cuốn rèm, …GHC-100 125

3.4.Tủ điều khiển công suất lối ra DBOX-1 126

3.5 Các thiết bị đo 127

3.6 Giao diện màn hình của hệ thống điều khiển .128

PHẦN IV.THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG QUY TRÌNH CANH TÁC .130

1 Thử nghiệm hệ thống trong phòng thí nghiệm .130

1.1 Mục tiêu, nội dung thử nghiệm và quy trình vận hành chạy thử 130

1.2 Thử nghiệm tủ trung tâm 131

1.3 Thử nghiệm tủ điều khiển kéo rèm, nâng hạ mái 133

1.4 Thử nghiệm tủ điều khiển cấp chất dinh dưỡng 136

1.5 Thử nghiệm tủ phun sương 137

2 Thử nghiệm hệ thống tại công ty TNHH1TTTV phát triển nông nghiệp Hà Nội

(HADICO) .140

2.1 Mục tiêu, nội dung thử nghiệm và quy trình vận hành chạy thử .140

2.2 Thử nghiệm phần điều khiển kéo rèm, nâng hạ mái 144

2.3 Thử nghiệm phần điều khiển cấp chất dinh dưỡng 146

2.4 Thử nghiệm phần phun sương 148

2.5 Thử nghiệm tủ trung tâm 149

2.6 Đánh giá kết quả thử nghiệm chung 151

2.7 Số liệu thử nghiệm thực tế Error! Bookmark not defined 2 8 Đánh giá kết quả thử nghiệm của người sử dụng (công ty HADICO) .152

2.8.1 Đánh giá chất lượng và sản lượng cây trồng 152

2.8.2 Đánh giá hệ thống điều khiển 154

3 Thử nghiệm nhà màng và hệ thống điều khiển tại thành phố Hồ Chí Minh 154

3.1 Mục tiêu và nội dung thử nghiệm .154

3.2 Đánh giá kết quả thử nghiệm 155

3.2.1 Đánh giá chất lượng và số lượng các cây trồng thử nghiệm .155

3.2.2 Đánh giá hệ thống điều khiển và cơ cấu nhà trồng (phần cơ khí) 159

PHẦN V.CÁC KẾT QUẢ VỀ ĐÀO TẠO VÀ 162

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 162

PHẦN VI.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 162

1 KẾT LUẬN 162

1.1 Kết quả đạt được 162

1.2 Hướng nghiên cứu tiếp theo 166

2 KIẾN NGHỊ 166

LỜI CẢM ƠN 167

TÀI LIỆU THAM KHẢO 168

PHỤ LỤC BÁO CÁO 170

Phụ lục: Một số hình ảnh thử nghiệm hệ thống tại công ty TNHH1TV phát triển nông nghiệp Hà Nội (Hadico) 170

Phụ lục: Một số hình ảnh thử nghiệm hệ thống nhánh thành phố Hồ Chí Minh 171

Phụ lục: Kết quả điều tra 172

Phụ lục: Chi tiết về giao thức truyền thông giữa tủ điều khiển trung tâm và các tủ phân tán 180

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Sản xuất rau trong nhà kính của Canada 16

Bảng 1.2: Tổng diện tích sản xuất nông nghiệp có mái che của một số quốc gia làm vườn chính trên thế giới (Costa et al., 2004) 16

Các loại rau hoa có nhu cầu sử dụng nhà trồng nhiều nhất là: xà lách, súplơ xanh, các loại cải và hoa lan, hoa ly, hoa đồng tiền Các loại cây rau cà chua, dưa chuột có nhu cầu sử dụng nhà trồng thấp hơn 24

Bảng 1.3: Đặc điểm sinh học của một số loại rau 26

Bảng 1.4: Đánh giá tiềm năng năng suất và hiệu quả kinh tế của một số chủng loại rau 28

Bảng 1.5: Tiềm năng năng suất và hiệu quả kinh tế của một số chủng loại hoa 29

Bảng 2.1: Tỷ lệ phổ ánh sáng mặt trời trên bề mặt trái đất 38

Bảng 2.2: Hệ số truyền trung bình của ánh sáng khả kiến đối với một số vật liệu: 40

Bảng 2.3: Hệ số truyền bức xạ nhiệt qua một số vật liệu nhà màng 42

Bảng 2.4: Khả năng truyền các bức xạ ánh sáng và nhiệt của tấm lợp polycarbonate 42 Bảng 2.5: Kết quả khảo sát thực nghiệm hiệu quả làm mát bằng PAD 46

Bảng 2.66 Tiêu chuẩn thiết kế hệ thống đối lưu không khí sử dụng quạt trục ngang [13] 47

Bảng 3.1 Cấu trúc frame truyền xuống tủ phân tán 83

Bảng 4.1.Bảng đánh giá sản lượng cây dưa chuột 152

Bảng 4.2.Bảng đánh giá chất lượng cây dưa chuột 152

Bảng 4.3.Bảng đánh giá chất lượng, và sản lượng cây hoa lily 153

Bảng 4.4.Bảng đánh giá chất lượng, và sản lượng cây cải ngọt 153

Bảng 4.5.Bảng so sánh đánh giá hệ thống điều khiển của VIELINA và hệ thống mà HADICO đang sử dụng 154

Bảng 4.6.Bảng so sánh đánh giá chiều cao cây và kích thước quả dưa lưới trong hai nhà trồng khác nhau .156

Bảng 4.7.Bảng ảnh hưởng của loại nhà màng đến thời gian phát dục của 2 giống dưa leo Tropical và Israel trồng trong tháng 7 năm 2009 156

Bảng 4.8.Bảng ảnh hưởng của loại nhà màng đến chiều cao cây qua các giai đoạn phát dục khác nhau của 2 giống dưa leo Tropical và Israel trồng trong tháng 7 năm 2009 156

Bảng 4.9.Động thái tăng chiều cao cây của 2 giống dưa leo trong điều kiện nhà màng khác nhau 157

Bảng 4.10.So sánh năng suất và tình trạng sau bệnh của 2 giống dưa leo trong điều kiện nhà màng khác nhau .157

Bảng 4.11.Chiều cao cây (cm) dạ yên thảo sau các đợt theo dõi trong điều kiện nhà màng khác nhau .158

Bảng 4.12.Chiều rộng tán lá (cm) dạ yên thảo sau các đợt theo dõi trong điều kiện nhà màng khác nhau .158 Bảng 4.13.Số cành hoa dạ yên thảo sau các đợt theo dõi trong điều kiện nhà màng

Bảng 4.15 Chiều cao (cm) cây thu hải đưởng sau các đợt theo dõi trong điều kiện nhà

màng khác nhau 159

Bảng 4.16 Chiều rộng tán (cm) cây thu hải đưởng sau các đợt theo dõi trong điều kiện nhà màng khác nhau 159

Bảng 4.17 Chênh lệch nhiệt độ trong nhà màng GH-100/1.2.3 so với nhiệt bên ngoài 160

Bảng 4.18 Chênh lệch độ ẩm trong nhà màng GH-100/1.2.3 so v ới độ ẩm bên ngoài 161

Bảng P.1: Điều tra tình hình sản xuất rau, hoa trong nhà có mái che ở Hà Nội và một số vùng phụ cận 172

Bảng P.2: Điều tra xác định nhu cầu của người sử dụng về nhà trồng thông minh 173

Bảng P.3: Các thông số kỹ thuật cần đảm bảo của nhà trồng thông minh 174

Bảng P.4: Điều tra những loại hoa, rau có nhu cầu sử dụng nhà trồng thông minh 176

Bảng P.5: Yêu cầu ngoại cảnh của một số loại rau 177

Bảng P.6: Đặc điểm sinh học của một số chủng loại hoa 177

Bảng P.7: Yêu cầu sinh thái của một số giống hoa 179

Bảng P.8 Cấu trúc frame truyền xuống tủ kéo rèm 180

Bảng P.9 Đặc tả dữ liệu truyền từ tủ trung tâm xuống tủ kéo rèm 180

Bảng P.10 Cấu trúc truyền lệnh lấy dữ liệu xuống tủ kéo rèm 180

Bảng P.11 Cấu trúc frame truyền lên từ tủ kéo rèm 181

Bảng P.12 Đặc tả dữ liệu truyền từ tủ kéo rèm lên tủ trung tâm 181

Bảng P.13 Frame thông báo đã cập nhật xong cơ sở dữ liệu 181

Bảng P.14 Cấu trúc frame truyền thông tin pha 1 xuống tủ dinh dưỡng 182

Bảng P.15 Đặc tả dữ liệu truyền thông tin pha 1 từ tủ trung tâm xuống tủ dinh dưỡng .183

Bảng P.16 Cấu trúc frame truyền thông tin cho phép Module làm vi ệc xuống tủ dinh dưỡng 183

Bảng P.17 Đặc tả dữ liệu truyền thông tin cho phép Module làm việc từ tủ trung tâm xuống tủ dinh dưỡng 183

Bảng P.18 Cấu trúc truyền lệnh lấy dữ liệu xuống tủ dinh dưỡng 184

Bảng P.19 Cấu trúc truyền lệnh cho phép truyền số liệu cài đặt khu vực 1 của tủ dinh dưỡng 184

Bảng P.20 Cấu trúc frame truyền lên từ tủ dinh dưỡng 185

Bảng P.21 Đặc tả dữ liệu truyền từ tủ dinh dưỡng lên tủ trung tâm 185

Bảng P.22 Cấu trúc frame truyền thông tin khu vực 1 lên tủ trung tâm 185

Bảng P.23 Đặc tả dữ liệu truyền thông tin pha 1 từ tủ dinh dưỡng lên tủ trung tâm 186 Bảng P.24 Cấu trúc frame truyền thông tin cho phép từ tủ dinh dưỡng 186

Bảng P.25: Đặc tả dữ liệu truyền thông tin cho phép từ tủ dinh dưỡng 186

Bảng P.26: Cấu trúc frame truyền thông số Module 1 xuống tủ phun sương 187

Bảng P.27: Đặc tả dữ liệu truyền thông số Module 1 từ tủ trung tâm xuống tủ phun sương 187

Bảng P.28 Cấu trúc frame truyền thông tin cho phép xu ống tủ phun sương 188

Bảng P.29: Đặc tả dữ liệu truyền thông tin cho phép từ tủ trung tâm xuống tủ phun sương 188

Bảng II.24 Cấu trúc truyền lệnh lấy dữ liệu xuống tủ phun sương 188

Bảng P.30 Cấu trúc truyền lệnh cho phép truyền số liệu cài đặt của khu vực 1 tủ phun sương 189

Bảng P.31 Cấu trúc frame truyền lên từ tủ phun sương 190

Bảng P.32 Đặc tả dữ liệu truyền từ tủ phun sương lên tủ trung tâm 190

Bảng P.33 Cấu trúc frame truyền thông tin khu vực 1 từ tủ phun sương 190

Bảng P.34 Đặc tả dữ liệu truyền thông tin khu vực 1 từ tủ phun sương 191

Bảng P.35 Cấu trúc frame truyền thông tin cho phép từ tủ phun sương 191

Bảng P.36 Đặc tả dữ liệu truyền thông tin cho phép từ tủ phun sương 191

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 Một số mô hình nhà trồng trên thế giới 33

Hình 2.2: Nhà mái dốc 34

Hình 2.3 Nhà mái răng cưa và mái vòm cong 34

Hình 2.4: Nhà mái vòm cao và nhà liên kế 35

Hình 2.5: Sự tạo thành lực nâng của gió với dạng mái vòm và mái tam giác 36

Hình 2.6: Sự tạo thành lực nâng của gió với dạng mái vòm và mái tam giác liền kề 36

Hình 2.7: Dòng khí đối lưu yếu Dòng khí đối lưu mạnh 36

Hình 2.8: Dòng khí đối lưu hướng trực tiếp lên trên mạnh 36

Hình 2.9: Phản xạ bức xạ mặt trời Hình 2.10: Phản xạ bức xạ mặt trời 37

với mái vòm với mái tam giác 37

Hình 2.11: Phổ ánh sáng mặt trời tác dụng vào nhà trồng cây 38

Hình 2.12: Cấu hình mái có gắn bộ phản xạ khử bức xạ gần đỏ NIR 39

Hình 2.13: Một số kiểu thông gió cho nhà màng 44

Hình 2.14: Phương pháp làm mát không khí nhờ sự bay hơi nước 46

Hình 2.15: Khảo sát nhiệt độ trong nhà màng theo công suất quạt hút cho hệ làm mát bằng PAD 47

Hình 2.16: Nguyên lý đảo khí bằng quạt trong nhà trồng cây 48

Hình 2.17: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của tấm che sáng 49

Hình 2.18: Hiệu ứng che ánh sáng của tấm lợp multicell 50

Hình 2.19: Che sáng bằng lưới 51

Hình 2.20: Cơ cấu điều khiển đóng - mở màn che 51

Hình 2.21: Đóng mở tấm che dưới và mặt bên nhà màng 52

Hình 2.22: Máy tạo sương – Fogmachine 53

Hình 2.23: Các đầu tưới nhỏ giọt cho bình, chậu (Bench Pots, Baskets), tưới cho luống (Bedding Plants), Bình ươm (Nursery Containers), tưới rộng (Propagation) 54

Hình 2.24: Tưới cố định dưới Tưới cố định trên 54

Hình 2.25: Một hệ thống tưới đầu phun di động 55

Hình 2.26: Tưới nhỏ giọt 56

Hình 2.27 Hướng gió Tín phong, quỹ đạo mặt trời và hướng nhà trồng cây 58

Hình 2.28 Phản xạ bức xạ ánh sáng với mái tam giác 59

Hình 2.29 Mô hình nhà liên kế lựa chọn cho nhà GH-300 59

Hình 2.30 Cấu hình nhà trồng cây GH-300 cho đề tài KC.03-11-1/06-10 61

Hình 2.31 Bố trí thiết bị trong nhà trồng cây GH-300 62

Hình 3.1 Mô hình nhà trồng thiết kế phần hệ thống điều khiển 66

Hình 3.2 Mô hình hệ thống điều khiển tại trung tâm 68

Hình 3.3 Sơ đồ khối thiết kế tủ trung tâm 70

Hình 3.4 Mối tương quan giữa các module phần mềm điều khiển trên tủ trung tâm 72 Hình 3.6 Thuật toán truyền thông 74

Hình 3.7 Thuật toán cài đặt thông số cho 1 trạm tớ 75

Hình 3.8 Thuật toán tra cứu số liệu 76

Hình 3.9 Cửa sổ giao diện chính 77

Hình 3.10 Cửa sổ tra cứu giá trị đo hiện thời phục vụ cho việc kéo rèm 78

Hình 3.11 Cửa sổ thông số cài đặt kéo rèm 78

Hình 3.12 Cửa sổ tra cứu số liệu đo phần kéo rèm theo thời gian 79

Hình 3.13 Các bảng cơ sở dữ liệu 81

Hình 3.14 Vòng quét mạng 82

Hình 3.15.Sơ đồ khối tủ điều khiển kéo rèm, nâng hạ mái và tủ động lực 86

Hình 3.16 Gián đồ chương trình điều khiển theo mưa gió 87

Hình 3.18 Cấu hình phần cứng hệ thống cấp chất dinh dưỡng và tưới nhỏ giọt 91

Hình 3.19 Sơ đồ cấu hình phần cứng hệ thống phun sương 97

Hình 3.40 Sơ đồ khối thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm 101

Hình 3.41 Lưu đồ thuật toán phần mềm của thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm .103

Hình 3.42 Sơ đồ khối thiết bị 104

Hình 3.43 Lưu đồ thuật toán cho đầu đo cường độ sáng .107

Hình 3.44.Sơ đồ khối thiết bị đo hướng gió và tốc độ gió 108

Hình 3.45 Thiết bị đo tốc độ gió và hướng gió trong hệ thống 109

Hình 3.46 Lưu đồ chương trình 111

Hình 3.47 Sơ đồ khối đầu đo CO2 112

Hình 3.48 Lưu đồ thuật toán cho đầu đo CO2 .115

Hình 3.49: Sơ đồ khối mạch cứng đầu đo Oxi 117

Hình 3.50: Lưu đồ thuật toán đầu đo Oxi 118

Hình 3.51 Sơ đồ khối mạch cứng đầu đo EC và đầu đo pH 120

Hình 3.52 Cấu hình điều khiển nhà mành 122

Hình 3.53.Sơ đồ khối điều khiển theo nhiệt độ 123

Hình 3.54 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống quạt đối lưu 124

Hình 3.55 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống bơm tưới phun 124

Hình 3.56 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống cấp dịch tưới nhỏ giọt 124

Hình 3.57 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống chiếu sáng cưỡng bức .125

Hình 3.58 Mặt tủ điều khiển công suất lối ra DBOX-1 127

Hình 3.59 Máy đo gió WIND100 127

Hình 3.60 Giao diện màn hình của hệ thống điều khiển 128

Hình 4.1 Quy trình vận hành chạy thử hệ thống trong phòng thí nghiệm 131

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí thiết bị hệ thống thử nghiệm thực tế .143

1.1 Lịch sử phát triển nhà trồng thông minh

Từ những năm giữa thế kỷ XX, các nước phát triển đã quan tâm đến việc xây dựng các khu nông nghiệp công nghệ cao Đầu những năm 80, tại Mỹ đã có trên 100 khu khoa học công nghệ Ở Anh, đến năm 1988 đã có hơn 38 khu vườn khoa học công nghệ với sự tham gia của hơn 800 doanh nghiệp Phần Lan đến năm 1996 đã có 9 khu khoa học nông nghiệp công nghệ cao Tính đến giữa thập kỷ 80, Ixraen đã xây dựng

10 khu nông nghiệp công nghệ cao đầu tiên Bên cạnh các nước tiên tiến, nhiều nước

và khu vực lãnh thổ ở Châu Á cũng đã chuyển nền nông nghiệp theo hướng số lượng

là chủ yếu sang nền nông nghiệp ứng dụng công nghệ để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, an toàn, hiệu quả tiêu biểu như các nước Trung Quốc, Đài Loan, Thái Lan… Đặc biệt, từ những năm 90, Trung Quốc đã rất chú trọng phát triển các khu nông nghiệp công nghệ cao Trung Quốc hiện đã có khoảng 500 khu nông nghiệp công nghệ cao và trên 4.000 mô hình sản xuất nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao tại các vùng sinh thái khác nhau Những khu này đóng vai trò quan trọng trong phát triển nền nông nghiệp hiện đại của Trung Quốc

Các lĩnh vực khoa học công nghệ được ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao bao gồm: công nghệ sinh học (tạo giống, nhân giống, bảo vệ thực vật), công nghệ tự động hoá, công nghệ vật liệu (các màng che nắng mưa, giảm tia nhiệt, giảm tia UV…), công nghệ bảo quản… Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các khu nông nghiệp công nghệ cao thì công nghệ trồng cây trong nhà trồng thông minh cũng ngày càng phát triển, hoàn thiện với trình độ cao để canh tác rau, hoa và quả Người ta

đã nghiên cứu và ứng dụng một số loại nhà trồng thích hợp với nhiều vùng khí hậu khác nhau như: nhà trồng ôn đới, nhiệt đới, cận nhiệt đới Tuỳ theo khả năng đầu tư

mà chia thành loại nhà thông minh đơn giản và hiện đại trên cơ sở nối ghép các mô đun tương ứng

Nhà trồng thông minh đơn giản (nhà không có mái che): chống được côn trùng truyền bệnh, hạn chế sử dụng thuốc BVTV, giảm một phần nhiệt độ và tránh được dập nát rau khi mưa Lưới có thể bằng thép, bằng polyethylen hoặc Aluminet với độ dày mắt lưới khác nhau Khung nhà bằng thép cacbon thường, thép không gỉ hoặc tre,

gỗ…Loại này có ưu điểm là vốn đầu tư ban đầu ít nhưng không có khả năng tăng nhiệt vào mùa đông, không chịu được mưa đá, tuyết vùng ôn đới

Nhà trồng thông minh hiện đại (nhà có mái che): mái che và vật liệu che phủ xung quanh bằng kính, polyethylen hoặc polycacbonat, chống côn trùng, tia cực tím Loại nhà này cần có hệ thống làm thoáng, làm mát nhất là trong những tháng nóng Các thiết bị hỗ trợ cho sự phát triển của cây: thiết bị thông gió, hệ thống làm mát, làm ẩm,

hệ thống cấp nhiệt, hệ thống kiểm soát và cung cấp CO2…Hệ thống có thể điều khiển bằng thủ công, cơ khí hoặc tự động hoàn toàn

Nhà kính (glasshouse) có thuận lợi hơn nhà plastic là có thể kéo dài thời gian chiếu sáng của mặt trời vào mùa đông và kiểm soát môi trường khi cần làm mát vào mùa hè Sự khác biệt quan trọng nhất giữa nhà kính (kiểu Hà Lan) và nhà plastic là giá xây dựng Sau Chiến tranh thế giới lần thứ hai, các quốc gia công nghiệp của châu Âu

có khí hậu lạnh (Hà Lan, Bỉ, Đức, Đan Mạch, Anh) bắt đầu xây dựng các nhà kính Do

sự cải tiến của công nghệ sản xuất kính diễn ra chậm chạp, nên diện tích nhà kính trên thế giới cơ bản vẫn không thay đổi (khoảng 30.000ha) trong suốt 25 năm Ngược lại,

số lượng plastic dùng cho nhà xanh, tấm lợp thẳng và màng phủ tăng nhanh Diện tích của nhà plastic mở rộng từ con số 0 (đầu những năm 50 thế kỷ 20) lên 60.000ha (năm 1976) Ban đầu, cấu trúc che phủ sử dụng plastic được sử dụng như một sự thay thế rẻ tiền cho nhà kính ở vùng ôn đới nơi có mùa đông lạnh giá và ánh sáng yếu Tuy nhiên, tốc độ mở rộng và thay thế nhà kính của nhà plastic tăng nhanh ở vùng Địa Trung Hải Kết quả là nhà xanh plastic đã phát triển cả trong vùng hoang mạc nhiệt đới và gần đây

là vùng nhiệt đới ẩm

Tấm lợp plastic rất phổ biến và phong phú về kích cỡ và giá cả Nó còn có các ưu điểm như: tuổi thọ thích hợp với mục đích sử dụng (từ 1 vài tháng đối với các tấm lợp đến 3 hoặc 4 năm đối với nhà xanh); thích hợp cho sự truyền năng lượng của các tia sáng không nhìn thấy với bước sóng 400 – 700nm…Ở cả bắc và nam Âu, màng polyethylen (150 – 180 micron) là dạng plastic được sử dụng chính cho nhà xanh Các báo cáo đã chỉ ra rằng, màng polyethylen làm giảm 20% sự thất thoát hơi ấm của nhà xanh ở châu Âu Gần đây ở Ixraen, người ta đã phát triển được loại polyethylen cho phép các tia UV truyền qua ở mức thấp Các vật liệu mới như polycacbonat và arcrylic

đã trở nên phổ biến hơn nhưng giá thành còn cao nên mới được sử dụng với số lượng nhỏ Ở Nhật Bản, tấm lợp polyvinyl clorid là phổ biến nhất Tấm lợp này có khả năng giữ hơi ấm tốt nhưng nó không được sử dụng ở châu Âu do khó sản xuất thành tấm

VENT, NEGEV, AVRIRIT, YEVUL, KET VENT, TUNNELS, NET HOUSE… với quy mô từ 100m2 đến vài ba hecta thậm chí hàng trăm hecta Đi đầu là các nước công nghiệp phát triển như: Mỹ, Nhật Bản, Hà Lan, Ixraen…

Hiện nay, có nhiều hãng, nhiều nước sản xuất và cung cấp các nhà trồng thông minh trên thị trường với mức độ hiện đại, khả năng tự động hoá và giá thành khác nhau như các hãng: Richel Greenhouses, Netafim, Sundance,

Công nghệ tưới: công nghệ này phát triển rất mạnh mẽ ở các nước có nền nông nghiệp phát triển, đặc biệt ở các nước khan hiếm nguồn nước tưới Với việc sử dụng

hệ thống tưới nhỏ giọt có hệ thống điều áp, có thể sử dụng trên các địa hình khác nhau làm cho việc tưới nước trở nên đơn giản và thuận tiện hơn Thông thường hệ thống tưới nhỏ giọt được gắn với bộ điều khiển lưu lượng và cung cấp phân bón cho từng loại cây trồng nhờ đó tiết kiệm được nước và phân bón Hệ thống này có thể sử dụng trên quy mô từ 100m2 đến 500m2 và có thể lớn hơn, áp lực tưới có thể từ 0,1 – 0,3at,

có thể tưới bằng trọng lực hoặc động lực Một số thiết bị tưới nhỏ giọt thường được sử dụng trên thế giới: Uniram, Ram conector, Tiran, Tiran conector, Typhoon…Đối với tưới phun sử dụng động cơ và bơm có thể chia ra tưới phun sương, phun cực nhỏ, hạt nhỏ, trung bình và lớn với áp lực 1,5 – 7at, diện tích từ vài trăm m2 đến vài hecta hoặc vài trăm hecta Một số thiết bị tưới phun thường được sử dụng: N85 – 23, N86, N95 –

12, N2000, Vibropray, Supernet, Vibromist… Ixraen là n ước ứng dụng rất thành công

và hiệu quả công nghệ tưới phục vụ cho canh tác nông nghiệp cũng như trong hệ thống nhà trồng thông minh

Ngoài ra, còn một số hệ thống thiết bị phụ trợ cho công nghệ: bộ phận điều chỉnh

áp lực, bộ phận kiểm soát pH, EC, bộ phận lọc…

Việc trồng cây trong nhà trồng chủ yếu sử dụng công nghệ trồng cây không dùng đất (kỹ thuật thuỷ canh) Trong những năm gần đây, một số nước như Thái Lan, Ixraen, Đài Loan đã phát triển mạnh công nghệ trồng rau sạch, trồng hoa để phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu bằng công nghệ này Hiện nay, các nhà khoa học Bồ Đào Nha, Đài Loan đang phát triển và thử nghiệm các cảm biến không dây để thu nhận thông tin và kiểm soát, quản lý nhà trồng thông minh (Serôdio et al.,1998, 2002; Morais et al., 1996; Liu & Ying, 2003; Mizunuma et al., 2003)

1.2 Thực trạng áp dụng nhà trồng trong sản xuất nông nghiệp trên thế giới

Việc sử dụng các loại nhà cũng như các thiết bị phục vụ cho sản xuất nông nghiệp công nghệ cao đã được sử dụng ở hầu hết các nước trên thế giới Diện tích nhà trồng thông minh, mái che plastic dạng tunnel là 1.612.380 ha trên toàn thế giới

Châu Á chiếm phần diện tích rộng nhất Tại Nhật Bản, diện tích nhà lợp plastic tăng 35.000ha trong vòng 20 năm (1965 – 1985) Năng suất cà chua đạt 130 – 140 tấn/ha/năm; dưa chuột 250 tấn/ha/năm; xà lách 700 tấn/ha/năm Tại Hàn Quốc, diện tích nhà plastic cũng tăng 6,3 lần từ 3.099ha năm 1975 đến 21.061ha năm 1986 Tuy nhiên, sự phát triển ấn tượng nhất là Trung Quốc Diện tích nhà xanh tăng từ 5.300ha (1978) lên 34.000ha (1988) trong vòng 10 năm Trung Quốc chiếm tới 55% tổng diện tích nhà plastic (gồm cả mái che plastic dạng tunnel cỡ lớn) và trên 75% mái che plastic dạng tunnel cỡ nhỏ của thế giới (Costa et al., 2004) Năng suất cây trồng tăng nhanh: lúa siêu năng suất 12 tấn/ha, các giống cà chua năng suất 140 tấn/ha, rau cải đỏ ngọt năng suất 60 tấn/ha… với chất lượng cao và đồng nhất Ở Singapore năm 1997,

kỹ thuật khí canh (aeroponic) đã cung cấp thêm 20% nhu cầu tiêu dùng rau tươi trong nước Các loại rau được trồng khí canh là: rau diếp, bắp cải, cà chua, su hào và một số loại rau ôn đới khác

Châu Âu chiếm 23% tổng diện tích nhà xanh và mái che tunnel cỡ lớn chủ yếu tập trung ở Italia và Tây Ban Nha Có rất nhiều trung tâm công nghiệp nhà xanh tập trung

ở Almeria (Tây Ban Nha) Tại đây các loại cây trồng chiếm ưu thế là: cà chua, ớt ngọt,

cà tím, dưa chuột, dưa tây và dưa hấu được trồng chủ yếu trong các nhà xanh mái phẳng kiểu Tây Ban Nha Nhà kính (glasshouse) tập trung lớn nhất ở Hà Lan, nơi đây chiếm hơn ¼ của 39.430ha nhà kính toàn thế giới Từ năm 1980 đến năm 1998, giá trị rau quả của Hà Lan đã tăng gần gấp đôi, khoảng 2,5 tỷ đô la Mỹ (Costa and Heuvelink, 2000) và giá trị hoa cắt cành khoảng 3 tỷ đô la Mỹ Các nhà sản xuất nông nghiệp ở Hà Lan chủ yếu sử dụng hệ thống thuỷ canh với giá thể trơ là rockwool, một

số khác cũng đạt được kết quả tốt với kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng

Tại Anh, nhằm tận dụng nhiệt thừa của một nhà máy điện, người ta đã xây dựng nhà xanh sử dụng kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng với diện tích 8,1ha để trồng cà chua Hiện nay, một tổ hợp khổng lồ gồm 7 nhà kính trồng rau trên diện tích gần 91ha đang được xây dựng và dự kiến sẽ khánh thành vào tháng 8 năm 2010 Tổ hợp nhà kính này sẽ trồng gần 1,3 triệu cây bằng công nghệ trồng cây không đất Việc trồng trọt trong những nhà kính lớn như thế đã từng có ở Hà Lan, Canada, Mỹ Theo tính toán thì từ tháng 2 đến tháng 10, mỗi tuần tổ hợp này sẽ thu hoạch gần 560 ngàn quả

ớt, 700 ngàn quả dưa chuột, 2,5 triệu quả cà chua Công trình này sẽ làm tăng 15% sản lượng thu hoạch rau hằng năm tại Anh Sau đây là ví dụ về tình hình sản xuất rau trong

nhà kính ở Canada (Nguồn: Statistic Canada)

Bảng 1.1: Sản xuất rau trong nhà kính của Canada

Bảng 1.2: Tổng diện tích sản xuất nông nghiệp có mái che của một số quốc gia làm

vườn chính trên thế giới (Costa et al., 2004)

Nam Triều Tiên 43.900

1.3 Tình hình áp dụng nhà trồng trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam

Trong nước hiện nay đã ứng dụng nhiều nhà trồng, các nghiên cứu về nhà trồng cũng như quy trình công nghệ ứng dụng cho các loại cây đã bắt đầu được triển khai Những năm gần đây, có nhiều tỉnh thành đã áp dụng công nghệ sản xuất rau, hoa trong nhà trồng thông minh phục vụ tiêu dùng và xuất khẩu Điển hình là tại Đà Lạt (Lâm Đồng) với các mô hình trồng hoa trong nhà có mái che plastic đạt giá trị sản lượng 605 triệu đồng/ha, trồng rau an toàn đạt 150 triệu đồng/ha Năm 2005, toàn tỉnh Lâm Đồng có 31.536ha sản xuất rau và hoa ứng dụng ông nghệ cao trong đó có 1.000ha nhà che plastic, nhà lưới Thành công nhất phải kể đến công ty Dalat Hasfarm

ở Lâm Đồng với 40 ha nhà kính để sản xuất hoa theo công nghệ tiên tiến nhất được du nhập từ châu Âu Công ty đã đầu tư hàng chục triệu USD vào cơ sở hạ tầng; đặc biệt đầu tư lắp đặt 5 dàn mái nhà kính tự động đầu tiên ở Đông Nam Á Mỗi dàn mái có 5

bộ cảm ứng về gió, mưa, độ ẩm, ánh sáng và nhiệt độ được lập trình, điều khiển bằng máy tính, đảm bảo làm mát khi thời tiết quá nóng và hệ thống sưởi nóng cho hoa khi trời giá lạnh để giữ được nhiệt độ trung bình lý tưởng nhất từ 18 – 22oC Các công đoạn sản xuất từ vườn ươm đến trồng cây, chăm sóc, thu hoạch đều được tự động hóa, trong đó hệ thống thu hoạch tự động nhằm phòng tránh tối đa tình trạng giập cánh hoa Trung bình mỗi ngày Dalat Hasfarm sản xuất 80.000 bông hoa các loại, 60% sản phẩm hoa xuất khẩu đạt doanh thu 7,1 triệu USD (năm 2003)

Miền Bắc hiện có các khu nhà trồng thông minh hiện đại trên 2ha ở Hải Phòng, Hưng Yên, Hà Nội Công ty TNHHNN1TV đầu tư và phát triển nông nghiệp Hà Nội

đồng tiền) cho năng suất và chất lượng cao Đặc biệt, hiện Hà Nội đang triển khai dự

án: “Xây dựng mô hình ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất, bảo quản hoa phục vụ

phát triển vùng hoa Tây Tựu”, với diện tích gần 500 ha trong đó có 10ha nhà trồng

thông minh ứng dụng công nghệ cao để trồng các loại hoa có giá trị kinh tế cao Trong tương lai nơi đây sẽ là vùng hoa mới cho Hà Nội phục vụ sản xuất kinh doanh và du lịch sinh thái

Thành phố Hồ Chí Minh là nơi có khá nhiều mô hình ứng dụng công nghệ cao Đã

có 1.663 ha trồng rau an toàn ứng dụng công nghệ cao, sản lượng đạt khoảng 30.000 tấn/năm, đặc biệt là diện tích rau sản xuất trong nhà lưới cho giá trị sản lượng 120 -

150 triệu đồng/ha; hơn 700 ha trồng hoa - cây cảnh, các hộ đã áp dụng công nghệ cao trong sản xuất hoa cảnh đem lại thu nhập 600 triệu đến 1 tỷ đồng/ha/năm Để tạo động lực thúc đẩy sản xuất nông nghiệp theo hướng công nghệ cao, Thành phố Hồ Chí Minh đã có dự án đầu tư xây dựng khu nông nghiệp công nghệ cao với quy mô 88,17

ha ứng dụng công nghệ canh tác kỹ thuật cao trong sản xuất rau và hoa tại Củ Chi Các

kỹ thuật cao được ứng dụng gồm: kỹ thuật trồng cây trong nhà kính, nhà lưới, trồng cây bằng giá thể không đất, thủy canh, màng dinh dưỡng, công nghệ tưới có điều khiển

tự động và bán tự động Đây là mô hình thử nghiệm đầu tiên của nước ta về một khu nông nghiệp công nghệ cao đa chức năng để nghiên cứu hoàn thiện công nghệ, trình diễn công nghệ mới và chuyển giao công nghệ

1.4 Một số mô hình ứng dụng công nghệ nhà trồng ở Việt Nam

1.4.1 Nhà trồng đơn giản

- Nhà trồng đơn giản do dân tự làm: đây là mô hình nhà có kết cấu đơn giản, có khung cột bằng bê tông hay tre, gỗ Chiều cao nhà dưới 2,5 – 3m, có 1 – 2 mái, cớ một nóc đơn lẻ, trên lợp lưới đen Nhà trồng loại này có ưu điểm chống côn trùng, giảm cường độ ánh sáng trực xạ, mưa to nhưng còn nhược điểm chưa điều tiết tốt được nhiệt độ, không hạn chế được gió rét đậm, không hạn chế được côn trùng, nấm bệnh,

sự lan truyền dịch hại

1.4.2 Nhà trồng tương đối hiện đại

- Nhà trồng tương đối hiện đại của các Viện nghiên cứu, trường đại học Loại này

có kết cấu vật liệu sắt chống rỉ, mắt lưới 0,1mm; có 1 – 2 mái, có một nóc hoặc nóc liên hoàn, che lợp 2 lớp (lớp dưới là lưới đen cắt nắng, lớp trên là nilon), xung quanh che lưới kín Độ cao nhà 4,5 – 5m; bên trong có quạt gió và các bộ phận phụ kiện khác Ưu điểm của loại nhà này là ngăn cản được nước mưa, hạn chế cường độ ánh sáng, ngăn ngừa sâu bệnh, đảm bảo mát về mùa hè, ấm về mùa đông, rất thuận lợi cho

cây sinh trưởng và phát triển Đây là loại nhà trồng được ứng dụng ở Viện Rau quả trung ương, trại giống rau Hải Phòng, Công ty giống rau quả (Thường Tín), Viện Di truyền nông nghiệp

Nhà trồng thông minh của Ixraen: Đang được sử dụng nhiều ở Việt Nam có nhược

điểm là giá thành cao, có ưu điểm là mức độ tự động hoá cao, chương trình điều khiển

đa dạng, Loại nhà này có ở Công ty Đầu tư và phát triển nông nghiệp Hà Nội, Trung tâm nông nghiệp công nghệ cao Hải Phòng, trại thực nghiệm Văn Giang (Hưng Yên), khu nông nghiệp công nghệ cao Thành phố Hồ Chí Minh

Ngoài ra, nhà trồng hiện đại còn có tại nhiều địa phương khác như: Đồng Nai, Cần Thơ, Bắc Ninh, Đà Nẵng… và các viện nghiên cứu như: Viện Di truyền nông nghiệp, Viện nghiên cứu rau quả trung ương, Viện Sinh học nông nghiệp, Trung tâm nghiên cứu cây ăn quả Long Định…

Qua quá trình sản xuất, nhà trồng hiện đại nhập ngoại đã bộc lộ những nhược điểm sau: quy trình công nghệ chưa thực sự phù hợp với điều kiện khí hậu nước ta Việc làm mát có sử dụng hệ thống phun sương khiến ẩm độ tăng cao nhất là trong những ngày hè oi bức Điều này làm ảnh hưởng đến sự sinh trưởng phát triển của cây trồng hơn nữa còn tạo điều kiện cho nấm bệnh hại và một số côn trùng phát triển mạnh Về mùa đông, nhà kính cần trang bị hệ thống làm ấm và thiết bị chiếu sáng Phần mềm điều khiển bằng tiếng Anh nên khó sử dụng Việc bảo hành, sửa chữa, nâng cấp phụ thuộc hoàn toàn vào chuyên gia nước ngoài nên thiếu tính chủ động, kịp thời

và tốn kém Hơn nữa, giá thành nhà trồng cao nên phạm vi ứng dụng mô hình này còn hạn chế Đồng thời phải tính khấu hao cơ bản nên đòi hỏi giá rau, hoa phải cao và thị trường ổn định tương ứng với chất lượng sản phẩm được đưa ra Do đó, bước đầu mới

Việc tưới nước kết hợp bón phân mới chỉ được ứng dụng ở các nhà kính nhập ngoại theo công nghệ chuyển giao của nước ngoài Trong nước vẫn chưa nghiên cứu

và ứng dụng thiết bị bón phân, chủ yếu vẫn sử dụng phương pháp thủ công

Các thiết bị điều khiển vi khí hậu trong nhà trồng rau và hoa rất đa dạng, kể cả chủng loại, vật liệu và thông số kỹ thuật Các thiết bị này được thiết kế và chế tạo từ nhiều cơ sở trong nước và nhập khẩu từ các công ty nước ngoài Sự đa dạng đó phần nào đáp ứng được nhu cầu về số lượng và chất lượng các chủng loại thiết bị phục vụ xây dựng các nhà trồng Tuy nhiên, việc chế tạo các thiết bị này chưa được chú trọng

mà mới chỉ dừng ở mức độ chép mẫu, chưa có một tính toán, thiết kế, chế tạo đầy đủ

1.5 Khảo sát xác định nhu cầu của người sử dụng về nhà trồng thông minh

1.5.1 Điều tra, đánh giá tình hình sản xuất rau, hoa trong nhà có mái che ở

Hà Nội và một số vùng phụ cận

Chúng tôi tiến hành điều tra các chủng loại nhà, diện tích và kỹ thuật canh tác được áp dụng trong sản xuất rau, hoa tại 11 điểm trên địa bàn Hà Nội, Hưng Yên và Bắc Ninh Kết quả (xem trong phụ lục) cho thấy:

- Kiểu nhà trồng phổ biến là nhà có mái che bằng nilon và nhà lưới thông gió tự nhiên Nhà có chiều cao 3 – 4m, phía mái thấp nhất cao 2,5 – 2,8m Diện tích nhà từ

100 – 1000m2 Vật liệu khung nhà bằng tre hoặc thép hình kết hợp với tre, gỗ

- Các loại rau hoa được sản xuất trong nhà có mái che tại Hà Nội, Hưng Yên và Bắc Ninh là rau cải các loại, rau xà lách, cà chua, bắp cải, rau thơm… và hoa đồng tiền, hoa ly, hoa loa kèn, hoa lan, hoa h ồng…

- Chủ yếu trồng cây trên đất, một vài nơi sử dụng giá thể trộn lẫn với đất Người dân tưới theo cách thủ công đơn giản như dùng ô roa, thậm chí có nơi vẫn sử dụng cách tưới rãnh, dải lạc hậu Một số nơi dùng vòi phun, việc tưới nhỏ giọt được ứng dụng ở rất ít nơi

- Bón phân chủ yếu theo phương pháp thủ công như: vãi, vùi trong đất, có một số loại phân hoà vào nước và bón thủ công, chưa kết hợp tưới nước với bón phân

1.5.2.Điều tra, đánh giá tình hình sản xuất rau, hoa trong nhà có mái che ở

Tp Hồ Chí Minh và một số vùng phụ cận

Việc ứng dụng kỹ thuật cao mới chỉ mới bắt đầu tại TP Hồ Chí Minh và Đà Lạt Những công nghệ được áp dụng chủ yếu là: Trồng cây trong nhà lưới và nhà màng; trồng cây có phủ màng polyethylen (PE); tưới nhỏ giọt Hiện nay có khá nhiều kiểu nhà lưới đã ghi nhận: nhà lưới dạng kín có thể ngăn chặn côn trùng, nhà lưới nửa kín

nửa hở, nhà lưới hở (chỉ che bên trên tránh tác hại của mưa lớn)… Hầu hết nhà lưới làm thấp hoặc lưới quá dày khi che phủ kín xung quanh

Đối với cây rau:

Tại TP.HCM, số hộ áp dụng áp dụng công nghệ trồng rau trong nhà lưới chiếm 9,09% số hộ điều tra Công nghệ tưới phun sương chiếm tỷ lệ rất khiêm tốn (4,04%) Công nghệ trồng rau trong dung dịch chỉ mới xuất hiện 01 đơn vị với diện tích 2000 m2, bước đầu thu được hiệu quả cao

Nhà màng (dạng tunnel – vài hécta) có hệ thống tưới nhỏ giọt và phun sương làm mát –bán tự động chỉ mới xuất hiện gần đây (2007-2008) tại Công ty giống Đông Tây, Công ty Cổ phần đầu tư phát triển Nhiệt đới (Củ Chi), Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp Công nghệ Cao (Củ Chi) và Công ty giống cây trồng Thành phố Tại đây đang thử nghiệm trồng rau ăn lá và ăn quả trong nhà màng, trên giá thể mụn dừa với tưới nhỏ giọt kết hợp với bón phân dung dịch

Tại Đà Lạt, số hộ trồng rau trong nhà màng cũng còn ở tỷ lệ thấp, chỉ chiếm 18,52% Kỹ thuật tưới nhỏ giọt ở tỷ lệ rất thấp (3,09%) và tưới phun sương ở 20,37%

số hộ điều tra Công nghệ trồng rau trong dung dịch hầu như chưa xuất hiện trên các

hộ nông dân, chỉ mới được thử nghiệm tại các cơ sở nghiên cứu và công ty đầu tư nước ngoài

Đối với cây hoa:

Tại Tp.HCM chỉ trồng hoa trong nhà lưới cho phong lan với tỷ lệ 17,65% so với tổng số hộ trồng hoa đã điều tra Nhà màng trồng hoa chỉ có ở 2 cơ sở, chiếm 5,88% số

hộ điều tra Tại Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Nông nghiệp Công nghệ Cao và Trường Trung học Kỹ thuật Nông nghiệp, có hệ thống nhà màng dạng tunnel theo mẫu của Hàn Quốc để trồng hoa phong lan, với hệ thống điều khiển tự động đóng mở lưới che, phun ẩm, làm mát bằng Pad nước và quạt hút

1.5.3 Điều tra xác định nhu cầu của người sử dụng về nhà trồng thông minh

Chúng tôi lập phiếu điều tra rồi tiến hành điều tra nhu cầu của người sản xuất về việc ứng dụng nhà trồng thông minh Phỏng vấn 51 hộ gia đình và một số doanh nghiệp sản xuất rau, hoa ở Tây Tựu, Tứ Liên, Vĩnh Tuy, Lĩnh Nam, Đông Anh, Sóc Sơn, Gia Lâm, Mê Linh (Hà Nội), Văn Giang (Hưng Yên), Đình Bảng (Bắc Ninh) Kết quả (xem trong phụ lục) cho thấy:

Người sử dụng có nhu cầu rất lớn về nhà trồng có quy mô 500 – 1000m2, chiều

hợp với khả năng đầu tư của nông dân do chỉ sử dụng một số công nghệ cao trong một

số khâu canh tác Với quy mô lớn, trên 1000m2 đến vài nghìn m2 là nhu cầu của các doanh nghiệp hoặc cá nhân có vốn lớn, có thể đầu tư phù hợp với khả năng sản xuất và tiêu thụ sản phẩm

1.5.4 Các thông số kỹ thuật cần đảm bảo của nhà trồng thông minh

Qua tham khảo ý kiến các chuyên gia, phân tích tài liệu cho thấy nhà trồng thông minh cần đảm bảo các yêu cầu về chiều cao, độ thấu quang, độ chịu lực, quy mô cơ bản về một module….Chi tiết được liệt kê trong phụ lục

2 Điều tra, phân loại, phân tích những loại hoa, rau có nhu cầu sử dụng nhà trồng thông minh và lựa chọn loại cây trồng áp dụng cho đề tài

2.1 Điều tra, phân loại, phân tích những loại hoa, rau và cây trồng chủ yếu

có nhu cầu sử dụng nhà trồng thông minh

2.1.1 Tình hình sản xuất rau hoa của nước ta

Tính đến năm 2004, tổng diện tích trồng rau, đậu trên cả nước đạt trên 600 nghìn

ha, gấp hơn 3 lần so với năm 1991.Đồng bằng sông Hồng (ĐBSH) là vùng sản xuất lớn nhất, chiếm khoảng 29% sản lượng rau toàn quốc ĐBSCL là vùng trồng rau lớn thứ 2 của cả nước, chiếm 23% sản lượng rau của cả nước Đà Lạt, thuộc Tây Nguyên, cũng là vùng chuyên canh sản xuất rau cho xuất khẩu và cho nhu cầu tiêu thụ thành thị, nhất là thị trường thành phố Hồ Chí Minh và cho cả thị trường xuất khẩu

Cũng trong giai đoạn từ đầu thập kỷ 90, tổng sản lượng rau đậu các loại đã tăng tương đối ổn định từ 3,2 triệu tấn năm 1991 lên đạt xấp xỉ 8,9 triệu tấn năm 2004 Theo điều tra của Sở NN&PTNT Hà Nội, hiện Hà Nội có 112 xã, phường sản xuất rau với tổng diện tích 7.927ha Sản lượng rau của Hà Nội đạt 175.000 tấn /năm, trong khi nhu cầu tiêu thụ của Hà Nội hiện khoảng 1.200 tấn/ngày Như vậy, cung mới chỉ đáp ứng được 40% lượng cầu Hiện nay, diện tích trồng rau an toàn của Hà Nội lên đến trên 5.600 ha với sản lượng 125.000 tấn/năm Tuy nhiên, hiện toàn thành phố mới chỉ có 42 ha nhà lưới trồng rau an toàn và chỉ có 3 cơ sở được đầu tư hệ thống giếng khoan công suất lớn có xử lý nước để tưới rau Như vậy có thể thấy rằng nhu cầu mở rộng diện tích nhà trồng rau là rất lớn

Năm 2006, diện tích hoa cây cảnh cả nước có 15000 ha, tăng 7% so với 2004 Sản xuất hoa đang cho thu nhập cao bình quân đạt khoảng 70 - 130 triệu đồng/ha nên rất nhiều địa phương trong cả nước đang mở rộng diện tích hoa trên những vùng đất có tiềm năng Một số tỉnh Duyên hải miền Trung cũng bắt đầu phát triển sản xuất hoa cắt cành theo hướng hàng hoá, chủ yếu phục vụ nhu cầu tại chỗ, với chủng loại tương đối hạn chế

Các tỉnh phía Nam, điển hình là Thành phố Hồ Chí Minh, trong đó có các huyện Hóc Môn, Bình Chánh, Gò Vấp, Thủ Đức cùng các tỉnh Đồng bằng sông Cửu Long như Tiền Giang, Đồng Tháp là nguồn cung cấp hoa và cây cảnh đáng kể Tuy nhiên, các địa bàn này chỉ sản xuất chủ yếu một số loại hoa nhiệt đới (cúc móng rồng, cúc đại đoá, huệ, mai…) Lượng hoa cắt cành truyền thống (hồng, cúc, cẩm chướng, layơn,

huyện, chiếm 84,6% diện tích canh tác toàn xã), chủ yếu trồng hoa cúc, hoa hồng, hoa đồng tiền, hoa ly, hoa loa kèn… Ngoài ra, một số huyện ngoại thành khác và một số tỉnh khác như Vĩnh Phúc, Hưng Yên, Hà Tây, Thái Bình… Dự kiến đến năm 2015 TP

Hà Nội có 3000 ha, diện tích tập trung chính ở huyện Từ Liêm (Tây Tựu), Đông Anh, Quận Tây Hồ

Tại các tỉnh tỉnh phía Nam, tập trung nhiều tại TP HCM với diện tích hoa cây cảnh hiện có 700 ha, tập trung ở 8 quận huyện như quận 12 (110 ha), Thủ Đức (87 ha)…, nhiều nhất là Củ Chi (131 ha) với khoảng 1.400 hộ sản xuất, hoa, cây cảnh đang được đề nghị đưa vào chương trình 3 cây trồng chủ lực của thành phố (cây dứa cayen, cây rau an toàn, hoa - cây cảnh) Các giống hoa cao cấp như ly, hồng môn, layơn giống mới, hoa đồng tiền giống mới, thiên điểu, tulíp đang được ưa chuộng

Việc ứng dụng công nghệ cao trong sản xuất rau hoa đã được cải thiện đáng kể, như thay đổi cơ cấu giống, nuôi cấy mô, kỹ thuật canh tác và bảo vệ thực vật tiên tiến;

áp dụng công nghệ nhà lưới có mái che sáng Tuy nhiên, sự thay đổi này diễn ra không đồng đều giữa các vùng sản xuất vì nhiều lý do (khí hậu thời tiết, trình độ thâm canh, khả năng đầu tư, khả năng tiếp cận kỹ thuật tiến bộ và thị trường…) Đà Lạt có thể coi là địa bàn có tiến bộ nhanh nhất trong cả nước về phát triển sản xuất hoa cắt cành

Hầu hết những cơ sở sản xuất hoa cắt cành ở nước ta còn ở quy mô nông hộ nhỏ,

tổ chức sản xuất đơn lẻ, với diện tích trung bình từ 2.000 đến 3.000 m2 /hộ Hộ sản xuất hoa lớn cũng chỉ từ 1 đến 2 ha Ở quy mô sản xuất này không thể áp dụng những

kỹ thuật tiến bộ như nhà kính, nhà lưới, sân bãi, mặt bằng, dây chuyền chế biến, bảo quản vận chuyển lạnh,…để đưa ngành sản xuất hoa trở thành sản xuất công nghiệp Từng hộ nông dân sản xuất cá lẻ, thiếu hợp tác là trở ngại lớn cho việc tạo nguồn hàng hóa lớn và đa dạng với chất lượng cao, đồng nhất

2.1.2 Điều tra, phân loại, phân tích những loại hoa, rau và cây trồng chủ yếu có nhu cầu sử dụng nhà trồng thông minh

Tháng 8 năm 2008, chúng tôi tiến hành điều tra người sản xuất về nhu cầu sử dụng nhà trồng thông minh cho các loại cây rau hoa Chúng tôi đã phỏng vấn 51 hộ gia đình và một số doanh nghiệp sản xuất rau, hoa ở Tây Tựu, Tứ Liên, Vĩnh Tuy, Lĩnh Nam, Đông Anh, Sóc Sơn, Gia Lâm, Mê Linh (Hà Nội), Văn Giang (Hưng Yên), Đình Bảng (Bắc Ninh) Kết quả điều tra (xem phụ lục) cho thấy:

Các loại rau hoa có nhu cầu sử dụng nhà trồng nhiều nhất là: xà lách, súplơ xanh, các loại cải và hoa lan, hoa ly, hoa đồng tiền Các loại cây rau cà chua, dưa chuột có nhu cầu sử dụng nhà trồng thấp hơn

Trồng trọt trong nhà trồng thông minh có ưu điểm là hạn chế được ảnh hưởng bất lợi của thời tiết như mưa to, gió lớn, mưa đá, sương muối, cường độ ánh sáng cao Các điều kiện khác được chủ động hơn như: khống chế được độ ẩm đất, độ ẩm không khí, tiết kiệm nước, tăng hiệu quả sử dụng phân bón, hạn chế sử dụng thuốc bảo vệ thực vật Đồng thời, cây trồng thường cho thu hoạch sớm hơn, năng suất, chất lượng cao hơn

Theo điều tra tại thành phố Hồ Chí Minh và các vùng phụ cận, hiện nay, loại rau trồng trong nhà màng tại Đà Lạt chỉ tập trung vào rau xà lách chất lượng cao vì giá bán cao, cho nhiều vụ/năm Loại rau này yêu cầu tránh mưa, nên phải trồng trong nhà màng Ngoài ra các loại quả như dưa chuột, dưa lưới, hoa dạ yên thảo, rau cải cũng là những loại cây trồng đem lại hiệu quả kinh tế cao nên được trồng nhiều trong các khu nhà lưới tại Thành phố Hồ Chí Minh và các vùng phụ cận

Qua điều tra, phân loại một số kiểu nhà trồng thích hợp trồng các loại rau hoa sau:

* Dạng nhà đơn giản (nhà lưới, nhà màng có chiều cao dưới 4m)

+ Cây rau có thời gian sinh trưởng ngắn và trung bình với thời gian sinh trưởng từ

50 đến 100 ngày Thời gian thu hoạch ngắn từ 10 đến 30 ngày

+ Cây rau có chiều cao cây từ thấp đến trung bình, cây không cần làm giàn hoặc làm giàn thấp

+ Sản phẩm rau hoa có chất lượng tốt và có giá trị kinh tế

Các loại rau xà lách, rau cải các loại, súp lơ xanh, hoa đồng tiền, hoa hồng, hoa cúc có nhu cầu sử dụng rất lớn loại nhà này

* Dạng nhà bán tự động (nhà phủ nilon, chiều cao trên 4m)

+ Cây rau có thời gian sinh trưởng từ trung bình đến dài với thời gian sinh trưởng

+ Sản phẩm rau hoa có chất lượng tốt và có giá trị kinh tế

Loại nhà này thích hợp để sản xuất cây dưa chuột, cà chua, các loại rau cải, hoa hồng, hoa đồng tiền, hoa ly, hoa lan, hoa loa kèn

+ Cây rau có chiều cao cây từ cao tới rất cao, dạng hình sinh trưởng vô hạn, cần làm giàn cao

+ Cây có khả năng thích ứng với điều kiện nhiệt độ và ẩm độ cao Khả năng chống chịu sâu bệnh tốt

+ Sản phẩm rau hoa có chất lượng tốt và có giá trị kinh tế

Loại nhà này thích hợp để sản xuất cây dưa chuột, cà chua, hoa ly, hoa lan, hoa salem

2.2 Lựa chọn loại cây trồng cần sản xuất theo công nghệ cao

Để lựa chọn được loại cây trồng cần sản xuất theo công nghệ cao dựa trên các tiêu chí: thời gian sinh trưởng ngắn, ứng dụng được các công nghệ (tưới nhỏ giọt, phun sương làm mát ), hiệu quả kinh tế tương đối cao

D¹ng c©y Yªu cÇu lµm giµn

II Rau hä bÇu bÝ

III Rau hä thËp tù

Kết quả đánh giá trình bày trong bảng trên cho thấy: các loại, giống rau có thời gian sinh trưởng dài thường có dạng hình sinh trưởng vô hạn, chiều cao cây từ cao đến rất cao Vì vậy, các loại, giống này yêu cầu kỹ thuật phải làm giàn cao Ngược lại, các giống có thời gian sinh trưởng ngắn thường có dạng hình sinh trưởng hữu hạn, có chiều cao cây thấp và không cần

làm giàn Trong 3 chủng loại rau chính thì chủng loại rau họ cà có thời gian sinh trưởng dài nhất, dạng hình sinh trưởng vô hạn đến bán vô hạn Tiếp đến là rau họ bầu bí, ngắn nhất là họ rau thập tự

Qua phân tích, đánh giá đặc điểm sinh học của 3 chủng loại rau có thể dự kiến đưa 2 chủng loại bầu bí (dưa chuột, dưa ngọt, ) và họ rau thập tự vào áp dụng trồng trong điều kiện nhà trồng thông minh của đề tài do có thời gian sinh trưởng ngắn, phù hợp với tiến độ thực hiện đề tài

2.2.1.2 Phân tích, đánh giá yêu cầu ngoại cảnh của một số loại rau

Nhà trồng thông minh có một số nhược điểm cơ bản là: tiểu khí hậu trong nhà do

bị khống chế về không gian và che chắn nên thường có nhiệt độ cao hơn ngoài trời và mức độ thông thoáng khí kém hơn mặc dù đã có hệ thống quạt, phun sương để làm giảm nhiệt độ và lưu thông không khí (trừ loại nhà hiện đại có điều chỉnh được nhiệt độ) Chính vì vậy, các giống rau trồng trong nhà trồng thông minh chủ yếu là các giống ưa nhiệt độ từ trung bình đến tối cao (20 - 300C) và yêu cầu ánh sáng đầy đủ Bảng phân tích trình bày trong phụ lục

2.2.1.3 Đánh giá tiềm năng năng suất và hiệu quả kinh tế của một số loại rau Sản xuất trong nhà trồng thông minh với các điều kiện môi trường, biện pháp canh tác thích hợp cho cây sinh trưởng, phát triển tốt sẽ cho năng suất cao hơn hẳn khi sản xuất ở ngoài trời với các điều kiện không thuận lợi

Khi sản xuất trong nhà trồng thông minh, thời gian sinh trưởng sinh dưỡng được rút ngắn lại và thời gian sinh trưởng sinh thực được kéo dài hơn Các loại rau ăn lá (sinh trưởng sinh dưỡng) khi trồng trong nhà trồng thông minh thường đạt năng suất thương phẩm nhanh hơn ở ngoài trời Các loại rau ăn hoa, quả thường ra hoa sớm, tỷ lệ đậu quả cao, thời gian thu hoạch được kéo dài, nên năng suất cao hơn và chất lượng tốt hơn so với trồng ngoài trời Năng suất cao và chất lượng tốt đem lại hiệu quả kinh tế lớn hơn trong cùng một thời gian canh tác ở trên một đơn vị diện tích

Trong 7 chủng loại rau thì nhóm rau họ cà có năng suất cao nhất do có thời gian sinh trưởng dài và thời gian cho thu hoạch dài nhất Đồng thời, giá bán trung bình của

1 kg sản phẩm của rau họ cà cũng cao Vì vậy, hiệu quả kinh tế của một số loại rau họ

cà là cao nhất, giá trị sản lượng có khả năng thu được 400 - 800 triệu đồng/ha/vụ và giá trị sản lượng thực tế thu được 175 - 480 triệu đồng/ha/vụ

Loại rau có năng suất cũng như có giá trị sản lượng thu được cao thứ hai là rau họ bầu bí (dưa chuột, dưa ngọt, dưa hấu ) Giá trị sản lượng có khả năng thu được 280 -

dạng hỡnh sinh trưởng hữu hạn, khả năng cho năng suất hạn chế thời gian thu hoạch

ngắn, đồng thời giỏ bỏn của 1 kg sản phẩm thấp Vỡ vậy, dẫn đến hiệu quả kinh tế thấp hơn Thực tế sản suất hiện nay loại rau này ớt được trồng trong nhà hiện đại, chỉ ứng dụng trồng trong nhà đơn giản hoặc trong nhà hiện đại trỏi vụ

Bảng 1.4: Đỏnh giỏ tiềm năng năng suất và hiệu quả kinh tế của một số chủng loại

rau

Qua phõn tớch đỏnh giỏ về khả năng và hiệu quả kinh tế trờn chỳng tụi nhận thấy trong 3 chủng loại rau thỡ 2 chủng loại rau họ cà và họ bầu bớ trồng trong nhà trồng thụng minh đặc bịờt là nhà hiện đại đem lại hiệu quả kinh tế cao Rau họ thập tự cho hiệu quả kinh tế thấp hơn Tuy nhiờn, để phự hợp với yờu cầu tiến độ thực hiện của đề tài, chỳng tụi lựa chọn trồng 2 loại cõy rau ứng dụng kết quả đề tài là cõy dưa chuột (trồng trờn giỏ thể) và cải ngọt (trồng trờn đất) do thời gian sinh trưởng ngắn, dễ đỏnh giỏ được hệu quả của mụ hỡnh Cõy họ cải cú thể trồng gần như quanh năm

TT Loại rau

Khối l-ợng trung bình quả (gr)

Năng suất(tấn/

ha)

Giỏ trị trung bỡnh (đ/kg)

Giá trị sản l-ợng (triệu đồng/

ha/vụ)

Hiệu quả kinh tế

ngắn (< 150 ngày) thì cho thu hoa theo mùa vụ, thời gian thu hoạch hoa ồ ạt, khó nắm bắt thị trường

Căn cứ vào các đặc điểm sinh nông học chính của một số chủng loại (bảng trích trong phụ lục) thu được cho thấy: các giống yêu cầu nhiệt độ mát mẻ, ôn hoà, ánh sáng ở mức trung bình đều thích hợp trồng trong nhà trồng thông minh

2.2.2.2.Đánh giá tiềm năng năng suất và hiệu quả kinh tế của một số loại hoa

Bảng 1.5: Tiềm năng năng suất và hiệu quả kinh tế của một số chủng loại hoa

tiÒn

Hoa hång

Hoa lily

Hoa cóc

Hoa cÈm ch-íng

Qua phân tích đặc điểm thực vật học, yêu cầu sinh thái và tiềm năng năng suất của một số chủng loại hoa, chúng tôi thấy các giống hoa hồng, hoa đồng tiền, hoa ly thích hợp trồng trong nhà trồng thông minh, cho hiệu quả kinh tế tương đối cao Trong đó, các giống hoa ly nhập nội, có thể trồng ở miền Bắc ở vụ Thu, Đông, có thời gian sinh trưởng ngắn Hoa dạ yên thảo thích hợp trồng tại miền Nam Chúng tôi lựa chọn cây

ly và dạ yên thảo để trồng trong nhà trồng thông minh ứng dụng các kết quả nghiên cứu của đề tài

Kết luận:

Trên cơ sở phân tích, đánh giá các đặc điểm sinh học, tiềm năng về năng suất, chất lượng và hiệu quả kinh tế của một số chủng loại rau, hoa đồng thời căn cứ vào đăng ký ban đầu của đề tài chúng tôi đã lựa chọn các chủng loại rau, hoa trồng thực nghiệm trong nhà trồng thông minh ứng dụng kết quả nghiên cứu của đề tài như sau:

Ở Hà Nội:

- Chủng loại rau bao gồm: cây dưa chuột và cây cải ngọt

- Chủng loại hoa bao gồm: cây hoa ly

Ở thành phố Hồ Chí Minh:

- Chủng loại rau bao gồm: rau cải, rau muống, dưa lê, dưa lưới và dưa chuột

- Chủng loại hoa bao gồm: Hoa Dạ yên thảo

PHẦN II

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO PHẦN CƠ KHÍ VÀ MỘT SỐ CẤU KIỆN CHO NHÀ

TRỒNG THÔNG MINH

1 Tổng quan về thiết kế hệ thống cơ khí nhà trồng thông minh

1.1 Cơ sở, quan điểm thiết kế hệ thống cơ khí nhà trồng thông minh

- Tham khảo mô hình của các nước khác thông qua internet, tạp chí…

- Căn cứ vào đặc điểm về vị trí địa lý, khí hậu, môi trường của Việt Nam

- Căn cứ vào nhu cầu, tập quán, trình độ canh tác, của người Việt Nam

- Căn cứ vào trình độ công nghệ của các ngành liên quan tại Việt Nam

1.1.2 Quan điểm thiết kế mô hình

Các yêu cầu có tính nguyên tắc khi thiết kế nhà trồng thông minh cần đảm bảo:

- Thích hợp với điều kiện khí hậu tại chỗ

- Thích hợp với một số loại cây trồng khác nhau

- Phù hợp với việc bổ sung các cấu kiện khác vào cấu trúc

- Sử dụng hiệu quả lao động

- Truyền tải ánh sáng

- Chịu được gió bão và tải trọng của cây

- Dễ dàng lắp đặt

Khi tính toán thiết kế cần phải chú ý tới các yêu cầu sau

- Thông gió tự nhiên

- Thích nghi với nhiều loại cây trồng khác nhau

Từ các nguyên tắc trên mô hình nhà trồng thông minh được thiết kế theo quan điểm dựa trên các module

1.1.3 Một số mô hình tham khảo cho thiết kế

Một số loại nhà trồng thông minh đang sử dụng trên thế giới và Việt Nam được tham khảo để thiết kế, chế tạo mô hình của đề tài

Richel-France Richel-France Richel-France

Pennsylvania-USA Nexus type Netafilm-Israel Sawtooth type Netafilm-Israel

Polysky – China Seattle – USA

Netafilm-Kazastan Natafilm – Russia

Netafilm – Taiwan Netfilm – Vietnam

Greenhouse - China Netafilm – Th ổ Nhĩ Kỳ

Hình 2.1 Một số mô hình nhà trồng trên thế giới

1.2 Yêu cầu chung về nhà trồng cây

Qua khảo sát, tìm hiểu chúng tôi xác định yêu cầu với nhà trồng như sau

- Yêu cầu về hướng : Tuỳ theo yêu cầu về ánh sáng Ở Việt nam, dãy nhà theo hướng Bắc – Nam cho lượng ánh sáng lớn nhất

- Năng lượng – giao thông – liên lạc luôn phải thuận tiện đảm bảo

- Hạn chế gần khu dân cư và các nhà máy – môi trường canh tác không tốt

- Cấu trúc chịu đựng được gió, mưa và các thiết bị sử dụng

- Đảm bảo ánh sáng cho việc canh tác

- Đảm bảo nhiệt độ ( làm ấm/ làm mát )

- Tuân theo code nền khi xây dựng

1.3 Các loại cấu trúc nhà trồng cây

Hình dạng cơ bản có thể chia thành một số loại như sau dựa trên các yêu cầu :

- Yêu cầu về lượng ánh sáng truyền qua

- Yêu cầu về khả năng thông gió tự nhiên

- Yêu cầu về nhiệt

- Yêu cầu về khoảng không gian bên trong

- Yêu cầu về sử dụng hiệu quả vật liệu cấu trúc

- Yêu cầu về độ bền và thời gian tái sử dụng

-

1.3.1 Nhà hai mái – Gable

Với loại nhà này (hình 2.2a) nếu có thông gió ở mái thì là loại cho khả năng thông gió tự nhiên hiệu quả nhất và cho phép ánh sáng truyền qua tốt Tuy nhiên mái nhà luôn phải có độ nghiêng tối thiểu 230 để nước không nhỏ giọt xuống diện tích canh tác phía dưới Đây là loại nhà thường hay được sử dụng nhất cho những vùng khí hậu nằm dưới vĩ tuyến 400 vì độ bền vững – thông gió tốt

a) Nhà hai mái – Gable b) Nhà m ột mái – Skillion

Hình 2.2: Nhà mái dốc

1.3.2 Nhà một mái – Skillion

Với loại nhà này (hình 2.2b) được sử dụng cho những vùng có lượng ánh sáng ít Việc thông gió tự nhiên ở mái thường được chọn những điểm cao nhất ở mái để loại trừ khí nóng

1.3.3 Nhà mái răng cưa – Sawtooth

Với loại thiết kế dạng mái răng cưa (hình 2.3a) nhất thiết phải chú ý đến việc thông khí nóng tuy nhiên loại này có diện tích canh tác lớn Nếu mái được uốn cong thì khả năng truyền ánh sáng sẽ rất lớn Với loại nhà này cần chú ý đến việc thông gió tự nhiên trên đỉnh mái và việc dẫn nước trên mái tránh nước nhỏ giọt xuống diện tích canh tác phía dưới gây ra sẽ lây nhiễm bệnh cho cây trồng trong diện tích canh tác

a) Nhà mái răng cưa – Sawtooth b) Nhà mái vòm hầm - Quonset

Hình 2.3 Nhà mái răng cưa và mái vòm cong

1.3.4 Nhà dạng hầm vòm cong – Tunnel – Quonset ( Igloo )

Đây là dạng chung nhất cho thiết kế dạng hầm (hình 2-6b) dạng này ít được dùng cho canh tác vì mái thấp, không có cột, khoảng không gian nhỏ nên giảm khả năng cải thiện môi trường bên trong

Loại nhà này thường được dùng ở vùng khí hậu ôn đới trên vĩ độ 400 vì khả năng giữ nhiệt tốt, khả năng truyền ánh sáng tốt, khả năng chịu tải mái tốt (khi có tuyết)

1.3.5 Nhà mái vòm cao – Raised Dome – Arched ridge

Đây là loại nâng cao của dạng hầm vòm cong (hình 2.4a), do có tường cao nên tiện lợi cho việc canh tác trên các giá đỡ, đồng thời tiện lợi cho việc đảo không khí trên diện tích canh tác với các cấu trúc tường cao cho phép áp dụng tốt các phương pháp cải thiện khí hậu môi trường bên trong, khả năng chịu tải mái (khi có tuyết) tốt

a) Nhà mái vòm cao – Raised Dome b) Nhà triển khai liên kế - Multispan

Hình 2.4: Nhà mái vòm cao và nhà liên k ế

1.3.6 Nhà triển khai liên kế – Multispan – Furrow ( Gable or Raised Dome )

Triển khai liên kế (hình 2.4b) nhằm sử dụng hiệu quả vật liệu xây dựng và năng lượng

Sự giải nhiệt trên diện tích bề mặt kém hơn loại đơn Chính điều đó gây ra sự tích tụ nhiệt tại vùng trung tâm nhà do đó việc thông gió cưỡng bức, thông gió mái và đảo gió bằng quạt là cần thiết Đồng thời phải chú ý việc thoát nước bằng máng xối thật tốt Thông thường tại các vùng nóng thường dùng loại kiến trúc mái vòm cao và sử dụng màn che sáng cùng với hệ thống làm mát không khí trong nhà

2 Lựa chọn loại cấu hình cho nhà trồng cây

2.1 Các yêu cầu lựa chọn

1 Quyết định loại đối tượng canh tác trong nhà cần xây dựng với các yêu cầu về ánh sáng – nhiệt độ – độ ẩm

2 Quyết định về thời gian sử dụng – sửa chữa – ngừng canh tác Bao gồm cả tác động khí hậu và môi trường bên ngoài lên nhà trồng cây

3 Lường trước các rủi ro có thể xảy ra do tác động môi trường – bao gồm cả ảnh hưởng thời tiết và môi trường được điều khiển bên trong nhà

2.2 Ảnh hưởng của các tham số môi trường đối với cấu trúc nhà trồng cây

2.2.1 Tác động của gió lên các dạng mái nhà

Hình 2.5 và 2.6 cho thấy theo Định luật Bernuli dạng mái vòm dưới tác dụng của gió chịu lực nâng lớn hơn dạng mái tam giác

Dạng mái vòm Dạng mái tam giác

Hình 2.5: Sự tạo thành lực nâng của gió với dạng mái vòm và mái tam giác

Hình 2.6: Sự tạo thành lực nâng của gió với dạng mái vòm và mái tam giác liền kề

2.2.2 Hiệu ứng dòng không khí đối lưu tự nhiên bên trong nhà

Hình 2.7 và 2.8 cho thấy dòng khí đối lưu tự nhiên trong nhà liền kề với mái vòm và dạng mái tam giác có các kiểu thông hơi trên mái

Hot air Hot air

Hot air

Hình 2.7: Dòng khí đối lưu yếu Dòng khí đối lưu mạnh

Hot air Hot air

Hot air

Hình 2.8: Dòng khí đối lưu hướng trực tiếp lên trên mạnh

2.2.3 Hiệu ứng phản xạ bức xạ lên mái và trong nhà

Bức xạ mặt trời ngoài thành phần xuyên qua tấm màng phủ ngoài nhà còn có một thành phần phản xạ trở lại

90 90

Hình 2.9: Phản xạ bức xạ mặt trời Hình 2.10: Phản xạ bức xạ mặt trời với mái vòm v ới mái tam giác

Với mái vòm cong, bức xạ mặt trời trong suốt ban ngày luôn vuông góc với mái (hình 2.9) Chính vì thế lượng bức xạ nhận được trên diện tích canh tác rất lớn Do đó loại mái vòm kiểu này thường được dùng ở những vùng có lượng bức xạ mặt trời yếu (vùng ôn đới – vùng có tuyết vì khả năng chịu tải của mái lớn)

Với loại mái tam giác (hình 2.10), bức xạ mặt trời vào sáng và chiều mới vuông góc với mái nhà, nhất là khi mái càng dốc Chính vào trưa của ngày lượng bức xạ nhận được trên diện tích canh tác lại được giảm đi vì bị phản xạ nhiều trên hai mái nhà.Vì vậy loại nhà mái tam giác thường được dùng ở những vùng có lượng bức xạ mặt trời cao hơn mức yêu cầu canh tác (vùng nhiệt đới – vùng có sa mạc nắng nóng nhiều)

2.3 Phân tích lựa chọn vật liệu cho nhà trồng

2.3.1 Vật liệu khung nhà

Với tình hình khí hậu bức xạ nhiệt cao, nóng, còn mùa mưa thì mưa nhiều và gió, việc sử dụng gỗ làm vật liệu cho khung nhà là không phù hợp Với nhôm thì loại vật liệu này tuy tốt nhất nhưng lại đắt tiền Trong tình hình hiện nay phù hợp nhất là sử dụng thép mạ và thép xây dựng là hợp lý

Tiêu chuẩn chịu tải khung nhà

Sức chịu tải của nhà cũng như các đà ngang theo quy định kiến trúc của các quốc gia khác nhau thường khác nhau Ở Mỹ tiêu chuẩn đưa ra là các thành phần phải chịu được 100pound/foot2 (90kg/929cm2) Nói một cách thực tiễn là phải đảm bảo chịu được sức nặng của một người công nhân trèo lên mái thao tác sửa chữa Ngoài ra các cấu kiện nhà phải chịu được tải trọng lớn nhất nếu có của các thiết bị hoặc tổng khối lượng thiết bị treo hay gắn trên các cấu kiện nhà

2.3.2 Vật liệu lợp cho nhà trồng cây

Loại vật liệu sử dụng phủ và lợp cho nhà trồng cây đóng vai trò quan trọng vì nó ảnh hưởng đến khả năng truyền ánh sáng cung cấp cho cây trồng, sự dẫn truyền nhiệt

Việc lựa chọn vật liệu che phủ là yếu tố quyết định cho việc điều khiển tối ưu môi trường bên trong nhà, trong đó quan trọng là cường độ bức xạ và bước sóng của ánh sáng mặt trời

Sự phát triển mạnh của vật liệu plastic hiện nay đã cho phép sử dụng chúng thay cho kính Từ nhiều loại plastic có cấu trúc hoá học khác nhau, khi lựa chọn chúng ta cần phải tính đến 2 đặc tính cho nhà trồng cây: khả năng truyền qua của bức xạ mặt trời và khả năng dẫn nhiệt (đối với xứ lạnh)

2.3.3.Khả năng truyền bức xạ mặt trời

Quá trình quang hợp của cây trồng cần bức xạ mặt trời phần ánh sáng nhìn thấy (khả kiến -PAR) có bước sóng (400~700nm), chiếm 38,2% trong tổng số các bức xạ mặt trời (Bảng 2.1) Sau khi đi qua bầu khí quyển, tỷ lệ này tăng lên 42,9% trong tổng năng lượng bức xạ khi đến mặt đất (theo Duffie và Beckman,1980 [4] và Thimijan và Heins, 1983 [5])

Bảng 2.1: Tỷ lệ phổ ánh sáng mặt trời trên bề mặt trái đất

Trên hình 2.11 cho thấy tỷ lệ phần ánh sáng khả kiến PAR cần cho cây so với những phần UV và NIR tác dụng làm tăng nhiệt độ trong nhà màng [6]

Hình 2.11: Phổ ánh sáng mặt trời tác dụng vào nhà trồng cây

Trong công trình [7] sử dụng bộ lọc để loại trừ bức xạ gần đỏ NIR Cấu hình chứa bộ phản xạ bức xạ NIR dạng cầu gắn dưới mái (hình 2.12) có bộ pin mặt trời đặt

ở tiêu cự để thu năng lượng Cấu hình này cho phép giảm nhiệt độ trong nhà màng, cho phép tiết kiệm năng lượng

Hình 2.12: Cấu hình mái có gắn bộ phản xạ khử bức xạ gần đỏ NIR

Năng lượng mặt trời bị phản xạ và hấp thụ bởi bầu khí quyển và vật liệu phủ nhà Phần truyền qua dành cho sự phát triển của cây thực tế chỉ khoảng 1 - 5 % Phần còn lại bị hấp thu và phát ra bức xạ nhiệt làm nóng không khí bên trong nhà, hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng nhà kính Đối với xứ nóng, việc nghiên cứu hiệu ứng này cho thấy bắt buộc phải làm mát không khí trong nhà thì mới đảm bảo nhiệt độ môi trường cho cây phát triển Đồng thời khả năng truyền nhiệt của vật liệu lợp nhà cần phải được xem xét kỹ khi thiết kế nhà

Bức xạ phát ra từ mặt trời (được gọi là bức xạ trực tiếp) khi vào bầu khí quyển (hoặc vật che chắn) sẽ bị phản xạ, cả hai thành phần này đều được cây hấp thu Vật liệu bao phủ nhà trồng cây cũng truyền cả hai loại bức xạ này Nhưng tuỳ thuộc vào đặc tính vật lý của vật liệu phủ có thể biến đổi tỷ lệ giữa hai thành phần này Loại vật liệu plastic chủ yếu làm tăng thành phần phản xạ và giảm thành phần trực tiếp

Hệ số truyền là đặc tính vật lý của vật liệu bao phủ Nó được định nghĩa là tỷ số cường độ bức xạ bên dưới lớp phủ (I) được đo đồng thời với cường độ bức xạ bên trên lớp phủ (Io) với cùng một bước sóng( cho các giải tần UV, FR, IR )

Hệ số truyền = (I) / (Io) Rất khó có thể xác định đúng hệ số truyền của vật liệu che phủ nhà Cách tốt nhất

là dùng thực nghiệm đề đánh giá Tuy nhiên thực tế cho thấy cũng cần phải tiến hành lặp đi lặp lại nhiều và trong thời gian khác nhau trong các mùa, vì vật liệu tấm phủ bị lão hoá theo thời gian Hệ số truyền thường được nhà cung cấp vật liệu cho biết kèm theo các thông số kỹ thuật của loại vật liệu làm tấm lợp Tuy nhiên cần lưu ý là hệ số này là của tấm lợp còn chưa sử dụng (mới 100%)