bài tập lớn đo lường và cảm biến hệ thống vườn rau sạch thông minh

đây là bài tập lớn môn đo lường và cảm biến của trường đại học công nghiệp Hà Nội Đề tài : về hệ thống vườn rau sạch thông minh không những giúp đỡ các bạn sinh viên về mặt tài liệu mà nó còn rất phù hợp cho các mô hình trồng rau sạch trong tương lai

Mục lục

1 Giới thiệu đề tài 3

2 Ý nghĩa khoa học của đề tài 3

3 Mục đích nghiên cứu 4

4 Giới hạn đề tài 4

5 Sản phẩm khoa học của đề tài 4

6 Cấu trúc của báo cáo 5

B CƠ SỞ LÝ LUẬN 6

1 Tình hình trong nước và ngoài nước 6

2 Ý tưởng thiết kế 7

3 Phương pháp nghiên cứu 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG VƯỜN RAU THÔNG MINH 8

2.1 Giới thiệu về nền nông nghiệp công nghệ cao 8

2.2 Giới thiệu hệ thống vườn rau thông minh 9

2.3 Sơ đồ mô hình hệ thống vườn rau thông minh 9

2.4 Kết luận 10

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG CẢM BIẾN VÀ CƠ CẤU CHẤP HÀNH 11

2.1 Nguyên lý của hoạt động giám sát và điều khiển môi trường vườn rau thông mi nh .11

2.2 Hệ thống cảm biến 12

a Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT11 12

b Cảm biến ánh sáng BH1750 12

c Thiết kế bộ cảm biến 13

2.3 Hệ thống cơ cấu chấp hành 15

a Hệ thống quạt thông khí 15

b Hệ thống bơm tưới 15

c Hệ thống mái che 15

2.4 Hệ thống cấp nguồn 16

2.5 Kết luận 16 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MẠCH ĐIỆN CHÍNH VÀ LẬP TRÌNH VI ĐIỀU KHIỂN 17

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 22 TÀI LIỆU THAM KHẢO 23

Đề tài 12: Phân tích và xây dựng hệ thống trồng rau sạch công nghệ cao.

Yêu cầu:

1 Tìm hiểu tổng quan về các hệ thống vườn rau công nghệ cao ?

2 Giới hạn các điều kiện thiết kế

3 Lựa chọn các cảm biến cần sử dụng cho hệ thống (nêu lý do lựa chọn cảm biến trong thiết kế) vị trí đặt cảm biến ?

4 Lựa chọn và bố trí các thiết bị khác?

5 Sơ đồ khối hệ thống?

6 Lựa chọn thiết bị điều khiển?

7 Đánh giá độ chính xác của hệ thống (giới hạn,nguyên nhân và biện pháp khắc phục)

8 Hạn chế của bản thiết kế và cách khắc phục?

A PHẦN MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu đề tài

Nông nghiệp công nghệ cao hiện nay là một lĩnh vực đang nhận được nhiều sựquan tâm trên thế giới Dưới sự tác động của con người vào thiên nhiên, làm thay đổimôi trường sống, vấn đề an ninh lương thực và môi trường sống đang là vấn đề cấpthiết trên thế giới Trong điều kiện diện tích đất nông nghiệp ngày càng hạn hẹp, điềukiện cach tác thay đổi và không thể dự đoán trước, việc giám sát và điều khiển môitrường trong sản xuất nông nghiệp giúp nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp,giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm Để làm được điềunày, cần thiết áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt tự động hóa quá trìnhsản xuất đang là vấn đề được đặt ra [1]

Nông nghiệp công nghệ cao là ứng dụng những công nghệ mới vào sản xuất từcông nghệ sinh học, đến công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, cơ giới hóa…sao cho sản xuất nông nghiệp có năng suất, chất lượng cao, đầu tư lao động thấp,không những đạt hiệu quả lớn hơn về mặt kinh tế mà còn hài hòa và thống nhất lợi ích

xã hội và sinh thái môi trường

Trồng rau theo công nghệ cao trước hết là việc gia tăng hàm lượng khoa học, kỹthuật trong sản phẩm, từ việc tạo, chọn và sử dụng các giống cây có năng suất, chấtlượng, kháng hoặc chống chịu tốt với các loại dịch hại, đây có thể là những giống laithế hệ F1, gốc ghép, nuôi cấy mô; ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến trong canh tác từgieo trồng, bón phân, tưới nước, phòng trừ dịch hại, thu hoạch, sơ chế, bảo quản vàtiêu thụ

Các kỹ thuật canh tác này có thể được thực hiện trong các nhà lưới, nhà kínhhoặc nhà màng, có thể trên mặt đất, trên không hoặc dưới lòng đất, canh tác trong môitrường đất, các loại giá thể khác nhau (địa canh), trong môi trường nước (thủy canh)hoặc trong không khí (khí canh)

Hoàn toàn chủ động, điều khiển và quản lý bằng các chương trình, trang thiết bị

và phương tiện hiện đại như việc cung cấp dinh dưỡng theo nhu cầu của cây trồng vàtheo mục tiêu năng suất, chất lượng mong muốn của nhà sản xuất và những nông dâncanh tác theo phương thức này cũng phải được đào tạo, thực hành và ứng dụng nhuần

nhuyễn có thể được gọi là các công nhân nông nghiệp Tất cả các yếu tố nêu trên sẽmang lại giá trị cao cho sản phẩm khi được đưa vào thị trường.

Sản xuất rau công nghệ cao là hướng đi tích cực, khả năng ứng dụng trên mộtvùng chuyên canh lớn có sự đầu tư cao, khai thác các lợi thế tự nhiên và lao động, tạo

ra một khối lượng hàng hóa chất lượng cao đáp ứng yêu cầu tiêu dùng của những đốitượng phù hợp Tuy nhiên cần lựa chọn các bước đi phù hợp về đối tượng cây trồng,công nghệ áp dụng, quy mô và khả năng đầu tư, đầu ra của sản phẩm và cuối cùng làphải phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội, hạ tầng của vùng đầu tư, khai thác

Từ những yêu cầu thực tế trên, những đòi hỏi ngày càng cao của phát triển nôngnghiệp 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, chúng tôi đề xuất đề tài “Thiết kế thiết

bị tự động giám sát và điều khiển môi trường mô hình nhà kính”.

• Ý nghĩa khoa học của đề tài

Việt Nam có nhiều nơi điều kiện khí hậu ít thuận lợi, đặc biệt những năm gầnđây, thời tiết biến đổi khác thường, ảnh hưởng bởi khí hậu khô hạn gió (bão, lụt, ápthấp nhiệt đới, hạn hán…) gây ra những ảnh hưởng xấu đến năng suất nông nghiệp

Do đó, để hạn chế ảnh hưởng của khí hậu thì việc ứng dụng mô hình trồng sau sạchcông nghê cao trong nông nghiệp là một trong những giải pháp có tính thực tiễn cao

Việc áp dụng thiết bị giám sát tự động và điều khiển môi trường bằng hệ thốngnhà kính nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm nhân công, giám sát môi trường

tự động 24/7 và đặc biệt có thể tạo ra một môi trường trồng rau mà điều kiện tự nhiênkhông cho phép

Giúp bà con nông dân có những hiểu biết về ứng dụng khoa học - kỹ thuật vàosản xuất để phục vụ trong nông nghiệp củng như phục vụ trong đời sống hằng ngày

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu, khảo sát và thực hiện với mục đích thiết kế thiết bị tự độnggiám sát và điểu khiển môi trường nhà kính Xây dựng mô hình nhà kính tự động giúptạo lập ra một môi trường sinh thái theo ý muốn thuận lợi nhất có thể cho cây trồngsinh trưởng phát triển; kiểm soát tiểu khí hậu nhà kính công nghệ cao giám sát khí hậunhà kính thông qua hệ thống cảm biến; công nghệ điện toán nhà kính điều khiển khíhậu nhà kính thông hệ thống cơ cấu chấp hành và phần mền quản lý

Xây dựng hệ thống thiết bị nhà kính tự động giá thành thấp và hiệu suất cao phùhợp với nông nghiêp ở Việt Nam

3 Giới hạn đề tài

Để thiết kế thiết bị tự động giám sát và điều khiển môi trường nhà kính tự độngđòi hỏi phải có một lượng thời gian, kiến thức nhất định, bên cạnh đó còn là vấn đề tàichính Với lượng thời gian và kiến thức có hạn, trong đề tài này chúng em tập trungvào những vấn đề:

 Thiết kế và xây dựng hệ thống cảm biến tự động giám sát môi trường

nhà kính: module cảm biến DHT11, BH1750

 Thiết kế và xây dựng hệ thống cơ cấu chấp hành tự động điều khiển môitrường nhà kính;

 Thiết kế và xây dựng mạch điện

 Sử dụng vi điều khiển STM32 đã được lập trình sẵn để điều khiển cho

các thiết bị

4 Sản phẩm khoa học của đề tài

Đề tài được trình bày trong báo cáo khoa học

[1] Trần Đình Quang , Trần Khắc Thịnh, Nguyễn Tiến Công,Vũ Thanh

Tùng, Đặng Vinh Quang Giám sát và điều khiển môi trường vườn rau

sạch bằng điện thoại smartphone Bài tập lớn môn Đo lường và cảm

biến (khoa Điện), Trường Đại học công nghiệp Hà Nội, tháng 11, năm

2017

5 Cấu trúc của báo cáo

Báo cáo được trình bày như sau:

Chương 1: Tổng quan các thiết bị nhà kính:

+ Giới thiệu về nhà kính tự động;

+ Sơ đồ và nguyên lý về nhà kính tự động

Chương 2: Xây dựng hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành:

+ Các đặc điểm của hệ thống cảm biến;

+ Các cơ cấu chấp hành trong nhà kính tự động.

Chương 3: Xây dựng mạch điện chính :

Trong nước

Ở Việt Nam, một số như trung tâm nghiên cứu rau quả Đà Lạt, Hà Nội đãnhập các mẫu nhà kính của Pháp, Israel các yêu cầu khi tính toán thiết kế nhà kính làphải đảm bảo kiểm soát tối ưu các yếu tố khí hậu, môi trường trong nhà kính để câytrồng sinh trưởng và phát triển tốt nhất

Với hơn 70% dân số làm nông nghiệp, đối với Việt Nam ngành nông nghiệp làmột trong những ngành kinh tế mũi nhọn Đi cùng với sự phát triển của thế giới, nhàkính hay còn gọi là nông nghiệp công nghệ cao đã bắt đầu xuất hiện ở nước ta cuối thế

kỷ XX đầu thế kỷ XXI Và cho đến nay, việc sản xuất rau sạch và các loại hoa cao cấpbằng công nghệ cao đã trở nên phổ biến ở nước ta, đặc biệt Đà Lạt nói riêng và LâmĐồng nói chung, vùng sản xuất rau và hoa trọng điểm của cả nước Rau sạch được sảnxuất trong các nhà kính mà ở đó môi trường được điều chỉnh phù hợp, đồng thời ngăncôn trùng xâm nhập, tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng vì thế mà tất yếu đạt được năngsuất cao và phẩm chất tuyệt hảo [5-6]

Hiện nay có rất nhiều mô hình vườn rau sạch công nghệ cao trên toàn quốc vớiquy mô lớn , đặc biệt gần chúng ta có vineco tại Tam Đảo – Vĩnh Phúc

VÍ DỤ : Công nghệ trồng rau tự động với diện tích lên đến 4,5ha rau sạch tại

VinEco .

Hệ thống nhà kính VinEco Tam Đảo do Tập đoàn Vingroup đầu tư có diện tích 4,5ha,

sử dụng công nghệ sản xuất rau mầm Microgreen được cung cấp duy nhất bởi công ty Teshuva Agricultural Projects (TAP) đến từ Israel Đây là công ty duy nhất trên thế giới cung cấp công nghệ sản xuất rau mầm Microgreen, rau trên hệ thống thủy canh màng mỏng dinh dưỡng (NFT) cải tiến và công nghệ trồng thủy canh tưới nhỏ giọt

Toàn bộ các giai đoạn như trộn giá thể, rập lỗ, tra hạt, phủ hạt, tưới ẩm đều được

thực hiện bằng máy để đảm bảo độ sạch tuyệt đối cho cây

Sau khi đưa hạt giống vào các khay,chúng sẽ được chuyển vào nhà ủ riêng biệt với sự kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm tự đồng bằng công nghệ hiện đại

Toàn bộ diện tích được bao bọc bởi nhà kính, cây rau được chăm sóc bằng hệ thống tưới tự động và phun sương để giữ ẩm, điều khiển khí hậu Cây trồng được sinh

trưởng trong môi trường lý tưởng, không phụ thuộc vào thời tiết nên cho năng suất

cao, ổn định và chất lượng đồng đều

Với quy trình khép kín này sẽ đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh, an toàn thực phẩm, đảm

bảo môi trường trong sạch, cách ly hoàn toàn với môi trường ô nhiễm, sâu bệnh bên ngoài

Đối với dòng rau thủy canh, khi cây phát triển đủ kích thước sẽ được nuôi dưỡng hoàn toàn bằng nguồn nước sạch

Rau được nuôi dưỡng bằng đường ống thủy canh động vừa cung cấp dinh dưỡng cho rau vừa đảm bảo không ứ đọng nước trong rễ Với cơ chế tuần hoàn, dinh dưỡng sau khi chạy từ đầu đến cuối đường ống sẽ được thu về bể chứa, để kiểm tra thành phần dinh dưỡng, bổ sung thêm dưỡng chất rồi tiếp tục trở lại đường ống Xem thêm

mục cây thủy sinh

Sử dụng công nghệ trồng rau sạch tự động, các sản phẩm rau thủy canh nhà kính được kiểm soát 100% về dinh dưỡng, không chỉ an toàn mà còn cho năng suất cao khá ứng tượng so với rau trồng bằng phương pháp thủ công

Rau sinh trưởng đồng đều, sạch sẽ nên khâu sơ chế chỉ cần bao gói đúng quy cách, dántem và chuyển kho lạnh bảo quản trước khi lên xe chở thẳng tới siêu thị.

Theo kế hoạch, từ nay đến cuối năm 2016, Công ty VinEco sẽ hoàn thiện lắp đặt 55ha nhà kính và khoảng 120ha nhà lưới, nhà màng để canh tác rau mầm, rau thủy canh và các loại rau quả khác trên toàn quốc Nhờ đó, hệ thống nhà kính rau mầm, rau thủy

canh của VinEco không chỉ đáp ứng tốt nhu cầu rau sạch trong nước mà còn hướng tới mang thương hiệu nông sản sạch Việt gia nhập thị trường quốc tế

2 Ý tưởng thiết kế

Nghiên cứu xây dựng hệ thống cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và cơ cấuchấp hành quạt thông khí, mái che, bơm tưới cho mô hình nhà kính tụ động

Thiết kế xây dựng phần cứng, phần mềm điều khiển cho các thiết bị

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 cảm biến thực tế đang cótrên thị trường và tham khảo thêm một số dạng mạch từ tại liệu thamkhảo;

 Phương pháp thực nghiệm: từ những ý tưởng và kết quả thực nghiệm,chúng tôi hiện đã lắp ráp thử nghiệm nhiều dạng mạch khác nhau để

từ đó chọn lọc những mạch điện tối ưu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG

VƯỜN RAU THÔNG MINH

2.1 Giới thiệu về nền nông nghiệp công nghệ cao

"Là nền nông nghiệp được áp dụng những công nghệ mới vào sản xuất, baogồm: công nghiệp hóa nông nghiệp (cơ giới hóa các khâu của quá trình sản xuất), tựđộng hóa, công nghệ thông tin, công nghệ vật liệu mới, công nghệ sinh học và cácgiống cây trồng, giống vật nuôi có năng suất và chất lượng cao, đạt hiệu quả kinh tếcao trên một đơn vị diện tích và phát triển bền vững trên cơ sở canh tác hữu cơ"

Trong nông nghiệp, khái niệm "công nghệ cao" hình thành, sử dụng rộng rãi là

sự kết hợp và ứng dụng các công nghệ trên để nâng cao hiệu quả trong sản xuất nôngnghiệp nhằm tạo ra bước đột phá về năng suất, chất lượng hàng hóa, thỏa mãn nhu cầungày càng cao của con người, đặc biệt là đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững(Hình 2)

Hình 2: Mô hình nhà kính trong sản xuất

Lựa chọn ứng dụng vào từng lĩnh vực sản xuất nông nghiệp hàng hoá nhữngcông nghệ tiến bộ nhất về giống, công nghệ canh tác, chăn nuôi tiên tiến, công nghệtưới, công nghệ sau thu hoạch - bảo quản - chế biến Từng bước ứng dụng công nghệthông tin vào quản lý, xây dựng thương hiệu và xúc tiến thị trường

Sản phẩm nông nghiệp công nghệ cao là sản phẩm hàng hoá mang tính đặctrưng của từng vùng sinh thái, đạt năng suất và hiệu quả kinh tế cao trên đơn vị diệntích, có khả năng cạnh tranh cao về chất lượng với các sản phẩm cùng loại trên thị

trường trong nước và thế giới, có điều kiện mở rộng quy mô sản xuất và sản lượnghàng hoá khi có yêu cầu của thị trường.

Sản xuất nông nghiệp công nghệ cao tạo ra sản phẩm phải theo một chu trìnhkhép kín, trong sản xuất khắc phục được những yếu tố rủi ro của tự nhiên và hạn chếrủi ro của thị trường

Phát triển nông nghiệp công nghệ cao theo từng giai đoạn và mức độ phát triểnkhác nhau, tuỳ tình hình cụ thể của từng nơi, nhưng phải thể hiện được những đặctrưng cơ bản, tạo ra được hiệu quả to lớn hơn nhiều so với sản xuất bình thường

2.2 Giới thiệu hệ thống trồng rau thông minh

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hóa hiện đại hóa.Nông nghiệp củng 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 sảnphẩm nông nghiệp, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩm

Một trong những ứng dụng sản xuất rất được phát triển hiện nay đó là mô hìnhvườn rau thông minh trong nhà kính Nhà kính tự động là một phát minh quan trọngnhất trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệtnhà kính tự động cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số của quátrình 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 câytrồng (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí oxy…) và chủ động kiểm soátđược sâu bệnh hại cho cây Do vậy, nhà kính tự động có vai trò rất quan trọng trongviệc sản xuất rau, hoa cho năng suất hiệu quả kinh tế cao, ổn định, sản phẩm đạt đượctiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo kiểu công nghiệp Ví dụ về nhà kính tựđộng và thiết bị trong nhà kính tự động như (Hình 3)

2.3 Sơ đồ mô hình vườn rau thông minh

Mô hình vườn rau thông minh có cấu tạo (Hình 4)

Hình 4: Sơ đồ vườn rau thông minh.

Hệ thống cảm biến: do giá trị cường độ chiếu sáng, độ ẩm ,nhiệt độ và ph củađất dùng cảm biến ánh sáng và cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, PH sensor Hệ thống cơ cấuchấp hành: quạt thông khí, bơm tưới, mái che Hệ thống cấp guồn: lưới điện và nănglượng mặt trời

2.4 Kết luận

Chúng tôi trình bày tổng quan về vườn rau thông minh, hệ thống cơ cấu chấphành, hệ thống cảm biến và hệ thống cấp nguồn Phần tiếp theo, chúng tôi thiết kế vàxây dựng hệ thống cảm biến và cơ cấu chấp hành, cũng như hệ thống cấp nguồn

Vườn rau thông

minh trong nhà kính

Cảm biến

Nhiệt độ

Độ ẩm Ánh sáng

Cơ cấu chấp hành

Quạt thông khí Bơm tưới Mái che

Năng lượng mặt trời