Thiết kế mô hình điều khiển từ xa thiết bị nhà kính

Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU 2

1 Giới thiệu đề tài 2

2 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

3 Mục đích nghiên cứu 3

4 Giới hạn đề tài 3

5 Sản phẩm khoa học của đề tài 3

6 Cấu trúc của báo cáo 3

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN 5

1.1 Đặt vấn đề 5

1.2 Ý tưởng thiết kế 6

1.3 Phương pháp nghiên cứu 6

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG 8

2.1 Giới thiệu về nhà kính tự động 8

2.2 Thiết kế nhà kính 9

2.3 Hệ thống cảm biến 10

2.4 Hệ thống cơ cấu chấp hành 10

2.5 Hệ thống cung cấp nguồn 12

2.6 Kết luận 13

Chương 3: TỔNG QUAN VỀ MODULE ESP 8266 14

3.1 Giới thiệu về module ESP8266 14

3.2 Thông số kỹ thuật 14

3.3 Chân kết nối của mudunle ESP8266 15

3.4 Chức năng của mudule ESP8266 16

3.5 Giao tiếp với module ESP 8266 với tập lệnh AT 16

3.6 Kết luận 17

Chương 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH BẰNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG 18

4.1 Hệ thống điều khiển 18

4.2 Xây dựng phần mềm trên điện thoại di động 19

4.3 Kết luận 21

Chương 5: KẾT LUẬN 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu đề tài

Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần thiết Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện

tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông tin

Trong thời kỳ phát triển hiện nay, điện thoại di động là một thiết bị không thể thiếu trong cuộc sống Ngoài chức năng nghe và nhận cuộc gọi còn có khả năng nhắn tin, giải trí, xem phim, chơi game, chụp ảnh… điện thoại còn có khả năng giám sát và điều khiển thiết bị từ khoảng cách xa Thay vì phải tự tay khởi động các thiết bị thì chúng ta chỉ cần ngồi một chỗ mà vẩn điều khiển được các thiết bị của mình giống như một chiếc điều khiển từ xa chỉ với một chiếc điện thoại di động thông qua kết nối Internet/Wifi

Mô hình nhà kính là nền tảng cho tiêu chuẩn về chất lượng, công năng và giá trị của sản phẩm trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao Tính linh hoạt của nhà kính giúp cho người trồng trọt có thể trồng trọt trên bất cứ môi trường nào, diện tích trồng trọt có thể từ vài trăm mét đến hàng chục héc-ta Nhà kính

có khả năng loại bỏ các điều kiện môi trường bất lợi, cung cấp một môi trường phát triển tối ưu, tạo ra mùa sinh trưởng dài hơn, có thể trồng các loại cây trái mùa và các giống cây khác nhau, bảo vệ cây trồng khỏi thời tiết lạnh, mưa đá, gió, mưa gây thiệt hại, loại bỏ dịch bệnh, sâu bệnh hại, tăng tốc độ sinh trưởng nhanh hơn và năng xuất cao hơn, chất lượng tốt hơn Các cơ cấu chấp hành điều khiển môi trường trong nhà kính như ánh sáng, gió, nhiệt độ, độ ẩm Tất cả được điều chỉnh và điều khiển hoàn toàn tự động và áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào quy trình giám sát và sản xuất Việc sử dụng nhà kính tự động giúp chúng ta có thể tiết kiệm nhân lực, tăng độ chính xác trong giám sát và điều khiển môi trường

Trên cở sở và yêu cầu từ thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nông nghiệp công nghệ cao, cộng với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ, đặc biệt

là công nghệ thông tin, kỹ thuật điện-điện tử Phát triển kỹ thuật điều khiển tự động từ khoảng cách xa trong nông nghiệp đang là xu thế phát triển nông nghiệp cao nói chung

và nhà kính tự động nói riêng Chúng tôi đề xuất đề tài “Thiết kế mô hình điều khiển

từ xa thiết bị nhà kính”

2 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng Trong đó, mô hình nhà kính tự động được điều khiển từ xa đã phát triển rất mạnh mẽ trên thế giới [1-3] Với sự kết hợp chặt chẽ giữa các thiết bị điện tử tinh vi và phần mềm xây dựng tương ứng, mô hình nhà kính được tự động hoàn toàn và còn cho phép điều khiển từ xa thông qua một bộ điều khiển trung tâm

Từ những nhu cầu thực tế đó, chúng tôi xây dựng một hệ thống điều khiển thiết

bị nhà kính từ xa thông qua điện thoại di động (ĐTDĐ) nhằm giám sát và điều khiển môi trường nhà kính từ xa Từ đó, giảm nhân công, cập nhật 24/7, tăng chất lượng sản phẩm trong nông nghiệp Việc sử dụng ĐTDĐ để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí và linh động cao (nghĩa là ở chỗ nào có phủ sóng mạng ĐTDĐ, wifi chúng ta cũng có thể điều khiển thiết bị được)

3 Mục đích nghiên cứu

Đồ án được nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích thiết kế một hệ thống điều khiển tự động nhà kính từ xa bằng ĐTDĐ hoàn chỉnh Hệ thống tích hợp module điều khiển và giám giám sát nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm trong nhà kính cùng thông qua

hệ thống cơ cấu chấp hành và hệ thống cảm biến Việc sử dụng ĐTDĐ để điều khiển thiết bị nhà kính giúp chúng ta thuận tiện hơn trong việc kiểm soát, tiết kiệm được nhiều thời gian, nhân lực trong việc điều khiển các thiết bị một cách chủ động và ở một khoảng cách xa

4 Giới hạn đề tài

Để thực thi một hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua ĐTDĐ áp dụng cho một ngôi nhà kính hoàn chỉnh là rất phức tạp và rất tốn kém, đòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tài chính Với lượng thời gian

và kiến thức có hạn, trong đề tài này chúng tôi chỉ thực thi một phần của hệ thống hoàn chỉnh Do đó, chúng tôi tập chung vào các vấn đề sau:

- Nghiên cứu điều khiển các thiết bị nhà kính từ xa bằng ĐTDĐ;

- Xây dựng phần mềm trên ĐTDĐ

5 Sản phẩm khoa học của đề tài

Đề tài được trình giới thiệu trong bài viết khoa học:

[1] Đào Xuân Quy, Lê Ngọc Phong, Lê Văn Hùng, Từ Ngọc Thịnh Giám sát và điều khiển môi trường nhà kính bằng điện thoại smartphone Hội thảo khoa học

Khoa Kỹ thuật-Công nghệ, Trường Đại học Quảng Bình, tháng 4, năm 2016

6 Cấu trúc của báo cáo

Báo cáo được trình bày như sau:

Chương 1: Cơ sở lý luận

Trình bày cơ sở vấn đề cần nghiên cứu, ý tưởng thực hiện

Chương 2: Tổng quan về hệ thống nhà kính tự động

Trình bày cơ bản về hệ thống nhà kính, hệ thống cảm biến, hệ thống cơ cấu chấp hành và hệ thống cấp nguồn

Chương 3: Tổng quan về module ESP8266

Trình bày tổng quan về module truyền\nhận wifi ESP8266 và cách thức sử dụng

Chương 4: Xây dựng mô hình điều khiển nhà kính bằng điện thoại di động

Thiết kế và xây dựng mô hình điều khiển nhà kính bằng ĐTDĐ thông qua module truyền\nhận wifi ESP8266

Chương 5: Kết luận

Đưa ra một số kết luận và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Chương 1: CƠ SỞ LÝ LUẬN

1.1 Đặt vấn đề

Cùng với sự phát triển của công nghiệp hóa hiện đại hóa, nông nghiệp cũng đang phát triển không ngừng bằng việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, tự động hóa quá trình sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp, hạ giá thành sản phẩm, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng Việc áp dụng tiến bộ khoa học vào sản xuất nông nghiêp là hướng đi tất yếu, đúng đắn để xây dựng một nên nông nghiệp hiện đại

Nhà kính tự động là một thành tựu quan trọng trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao Đặc biệt là áp dụng nhà kính tự động để tạo lập một môi trường mà tự nhiên không cho phép như các nước như Israel, Hà Lan hay các nước vùng Bắc Âu, đây là các nước có điều kiện tự nhiên khó khăn, môi trường bất thuận, nhưng là những nước nổi tiếng với sự phá triển nông nghiệp vượt trội về cả

số lượng và chất lượng Đặc biệt ở đây là đất nước Israel, là một quốc gia nhỏ bé, nổi tiếng với khí hậu và địa hình phức tạp Hơn nữa diện tích đất đai của quốc gia này là hoang mạc và bán hoang mạc, nửa còn lại là rừng và đồi dốc, trong khi đó, diện tích đất đai có thể trồng trọt chiếm rất ít chỉ khoảng 20% Israel đã không ngừng nghiên cứu, đẩy mạnh ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp Kết quả là chỉ trong thời gian ngắn quốc gia này đã chuyển từ tình trạng thiếu lương thực đến tự túc lương thực

và xuất khẩu Vì vậy, Israel luôn đi đầu trong ứng dụng khoa học – kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp và đã trở thành một điển hình nông nghiệp của thế giới Công nghệ nhà kính được xem như một giải pháp công nghệ và là chìa khoá trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao của Israel Nhà kính công nghệ cao Israel, ngoài việc đảm bảo yêu cầu kết cấu bền vững, yêu cầu cho việc thực hiện cơ giới hoá đến mức cao nhất các công đoạn sản xuất, nhà kính còn có thể cho phép đáp ứng đến mức cao nhất các nhu cầu về kiểm soát “tiểu khí hậu nhà kính”; kiểm soát “sinh học nhà kính”; kiểm soát “dịch hại” nhà kính; và thực hiện các biện pháp điện toán điều chỉnh các yếu tố môi trường sinh thái nhà kính Việc ứng dụng công nghệ thông tin vào nông nghiệp đã mang lại nhiều lợi ích thiết thực Theo đó, chỉ cần một chiếc máy tính bảng hay điện thoại thông minh có kết nối mạng, các thiết bị cảm ứng và phần mềm điều khiển tự động từ xa sẽ giúp nông dân biết vườn cây nào cần bón phân gì, số lượng bao nhiêu, diện tích nào cần tưới nước, tưới bao nhiêu là vừa Căn cứ vào các dữ liệu đó, máy tính

sẽ cho nông dân biết cần phải điều chỉnh các chỉ tiêu nào và mọi hoạt động đều được điều khiển thông qua các thiết bị thông minh Việc áp dụng công nghệ kỹ thuật, khoa học kỹ thuật đặc biệt là điều khiển tự động hóa quá trình sản xuất thật sự đã mang lại

hiệu quả to lớn và là yếu tố quyết định đến sự phát triển của ngành nông nghiệp hiện đại

Ở nước ta ngành nông nghiệp là một ngành kinh tế mũi nhọn Đi cùng với sự phát triển của thế giới, nhà kính (hay đúng hơn là nông nghiệp công nghệ cao) đã bắt đầu xuất hiện ở nước ta từ cuối thế kỷ XX đầu thế kỹ XXI Và đến nay việc sản xuất rau sạch, các sản phẩm nông nghiệp bằng công nghệ cao đã trở nên phổ biến và được

áp dụng một cách rộng rãi và không ngừng phát triển Đặc biệt ở Đà Lạt là vùng sản xuất rau và hoa trọng điểm của cả nước Rau sạch được sản xuất trong các nhà lưới, nhà kính mà ở đó các yếu tố môi trường được điều chỉnh phù hợp, đồng thời ngăn côn trùng xâm nhập, tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng bằng việc ứng dụng công nghệ hiện đại của các nước trên thế giới Áp dụng công nghệ tiên tiến, khoa học kỹ thuật, điều khiển tự động vào quá trình sản xuất Vì thế mà luôn đạt được năng suất và chất lượng cao

So với việc canh tác truyền thống thì hệ thống chăm sóc cây trồng theo mô hình nhà kính hiện đại điều khiển tự động thực sự mang lai hiều lợi ích như: tiết kiệm đến 1/3 công lao động, năng suất tăng gấp 10 – 15 lần, cây trồng đảm bảo tuyệt đối sạch và quan trọng là chủ động, kiểm soát được sản lượng thu hoạch mà không bị các yếu tố rủi ro như điều kiện khí hậu, ảnh hưởng của dịch bệnh Vậy nên việc sử dụng mô hình nhà kính điều khiển tự động vào nông nghiệp cần được phát triển và áp dụng rộng rải hơn để nước ta sẽ trở thành một nước nông nghiệp hiện đại trong tương lại

Việc phát triển ứng dụng công nghệ khoa học tiên tiến và khoa học kỹ thuật đặc biệt là kỹ điều khiển tự động trong nông nghiệp củng như các ngành khác rất quan trọng Là một trong những yếu tố quyết định đến sự phát triển kinh tế trong một quốc gia Từ đó, chúng tôi đưa ra ý tưởng đó là điều khiển thiết bị nhà kính từ xa bằng ĐTDĐ nhằm giúp giám sát nhà kính một cách chủ động, thuận tiện, tiết kiệm thời gian, nhân lực

1.2 Ý tưởng thiết kế

Điều khiển các thiết bị trong nhà kính từ xa bằng ĐTDĐ thông qua module truyền nhận wifi module ESP8266, giá thành thấp hiệu suất cao rất phù hợp với sản xuất nông nghiệp Xây dựng phần mềm điều khiển trên ĐTDĐ giúp chúng ta có thể tự động điều khiển và giám sát môi trường nhà kính một cách chủ động và tiện lợi và đặc biệt là ở một khoảng cách xa thông qua hệ thống cơ cấu chấp hành và hệ thống cảm

biến

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Trong đề tài này chúng tôi đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu:

- Phương pháp tham khảo tài liệu: bằng cách thu thập thông tin từ sách, tạp chí

về điện tử và truy cập từ mạng Internet

- Phương pháp quan sát: khảo sát một số mạch điện thực tế đang có trên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ mạng Internet

- Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kiến thức vốn có của mình kết hợp với sự hướng dẫn của giáo viên, chúng tôi đã lắp ráp thử nghiệm một vài mô hình

từ đó chọn lọc những mô hình tối ưu

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG

2.1 Giới thiệu về nhà kính tự động

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa, nông nghiệp cũng đang theo xu hướng ứng dụng khoa học công nghệ vào sản xuất, nuôi trồng Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt

tự động hoá quá trình sản xuất đang là vấn đề bức bách nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm, tăng cường sức cạnh tranh nội địa cũng như trên thị trường thế giới thì việc áp dụng sản xuất nông nghiệp công nghệ cao là điều cần thiết

Một trong những ứng dụng sản xuất rất được phát triển hiện nay đó là mô hình nhà kính Nhà kính là một mô hình hữu ích và quan trọng trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt nhà kính cho phép kiểm soát đầy đủ

và chặt chẽ hầu hết các thông số của quá trình sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trong thời vụ, do nhà kính đáp ứng được yêu cầu cho

sự sinh trưởng phát triển tốt nhất của cây trồng (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí oxy…) và chủ động kiểm soát được sâu bệnh hại cho cây Do vậy, nhà kính có vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất rau, hoa cho năng suất hiệu quả kinh

tế cao, ổn định, sản phẩm đạt được tiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo kiểu công nghiệp

Hình 1: Hình ảnh về mô hình nhà kính

Hiện nay, ở nhiều nước phát triển trên thế giới như Hà Lan, Israel, Nhật bản, Pháp,

Mỹ và mới đây là Trung Quốc đã và đang phát triển ứng dụng rất rộng rãi các mô hình nhà kính trồng rau, hoa…Các nhà kính hiện đại có các dạng cấu trúc và kết cấu khác nhau phù hợp với điều kiện khí hậu, kinh tế mỗi nước

Ở Việt nam, với hơn 70% dân số làm nông nghiệp, ngành nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn Trong hơn 10 năm qua, sản xuất nông nghiệp ở nước ta đã đạt được những thành tựu trong các lĩnh vực chọn tạo giống, kỹ thuật canh

tác…tạo ra khối lượng sản phẩm, hàng hoá đáng kể góp phần thúc đẩy tăng trưởng nền kinh tế quốc dân Việc áp dụng mô hình nhà kính trong sản xuất nông nghiệp mang lại hiệu quả kinh tế cao, đảm bảo chất lượng và số lượng

2.2 Thiết kế nhà kính

Nhà kính được cấu tạo gồm: khung nhà kính và các thiết bị điện Ở đây, chúng

ta tập chung đề cập đến các thiết bị điện bao gồm: hệ thống cảm biến, hệ thống cơ cấu chấp hành và hệ thống cấp nguồn (Hình 2)

Hình 2: Sơ đồ hệ thống

Hình 3: Khung nhà kính

Mô hình nhà kính bao gồm 2 phần: nhà chính và các phần phụ Nhà chính có kích thước theo yêu cầu Đây là phần để nuôi trồng và lắp đặt các hệ thống cảm biến

Nhà kính tự động

đôđđôđộng

Nguồn điện

Độ ẩm Nhiệt độ

Ánh sáng

Quạt thông gió

Cơ cấu chấp hành Cảm biến

Bơm tưới

Mái che Năng lượng sạch Nguồn từ lưới điện

và các thiết bị trong nhà kính Ngoài ra, còn có thêm một số các phần phụ thêm như động cơ, bồn nước

2.3 Hệ thống cảm biến

Hệ thống cảm biến (Hinh 4): gồm nhiều bộ cảm biến để đo nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng Trong đó, một bộ cảm biến gồm: cảm biến nhiệt độ và độ ẩm

DHT11; cảm biến ánh sáng BH1750 Hệ thống cảm biến có nhiệm vụ cập nhật thông

số môi trường theo thời gian thực và gửi đến bộ điều khiển trung tâm

về nhiệt độ, độ ẩm, hệ thống hông khí sẽ hoạt động để ổn định lại môi trường thông qua một bộ cảm biến nhiệt

Hình 6: Quạt gió

2.4.2 Hệ thống mái che

Hệ thống mái che gồm hai mái hoặc nhiều mái Mái che có nhiệm vụ ngăn tia

tử ngoại từ ánh sáng mặt trời Hoạt động của hệ thống mái che: khi môi trường không thỏa mãn yêu cầu về nhiệt độ và ánh sáng, hệ thống mái che sẽ hoạt động để ổn định lại môi trường thông qua hệ thống cảm biến ánh sáng để điều khiển mái che đóng hoặc