THIẾT KẾ CHẾ TẠO, ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG, NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM TRONG HỆ THỐNG TRỒNG RAU TỰ ĐỘNG

Với việc xây dựng thành công mô hình và đảm bảo độ ổn định trong vận hành suốt hơn 30 ngày. Chúng em đã có những đợt thu hoạch sản phẩm đầu tiên với chất lượng đạt những yêu cầu mà chúng em đặt ra. Dựa trên những gì thu được sau khi hoàn thành. Chúng em hy vọng đề tài này sẽ không dừng lại ở mức độ mô hình mà có thể đem vào thực tiễn và là tiền đề phát triển cho các khóa sau tìm hiểu và xây dựng. Kết quả thu được: • Khảo sát thực nghiệm cây trồng dưới tác dụng của đèn led. • Chọn loại ánh sáng nhân tạo phù hợp và thực nghiệm ứng dụng ánh sáng nhân tạo trong việc thúc đẩy quá trình tăng trưởng của cây. • Chế tạo mô hình dạng truyền thống. • Điều khiển, giám sát các thông số môi trường (nhiệt độ, cường độ ánh sáng, độ ẩm đất)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỞNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO, ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG, NHIỆT ĐỘ,

ĐỘ ẨM TRONG HỆ THỐNG TRỒNG RAU TỰ ĐỘNG

Sinh viên thực hiện: Lê Văn Cảnh

Đào Hoàng Vinh

Niên khóa : 2013-2017.

Tháng 6 năm 2017

THIẾT KẾ CHẾ TẠO, ĐIỀU KHIỂN ÁNH SÁNG, NHIỆT ĐỘ,

ĐỘ ẨM TRONG HỆ THỐNG TRỒNG RAU TỰ ĐỘNG

Tác giả

LÊ VĂN CẢNH ĐÀO HOÀNG VINH

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư Ngành

CƠ ĐIỆN TỬ

Giảng viên hướng dẫnTh.S NGUYỄN TẤN PHÚC

Tháng 6 năm 2017

CẢM TẠ

Chúng em xin trân trọng cảm ơn đến tất cả quý thầy cô trường Đại Học NôngLâm TP.HCM, quý thầy cô khoa cơ khí – công nghệ đã trang bị cho chúng em kiếnthức quý báu để chúng em có thể thực hiện đề tài một cách tốt nhất Đặc biệt, chúng

em xin trân trọng cảm ơn quý thầy cô bộ môn Cơ điện tử đã hỗ trợ em rất nhiều trongquá trình thực hiện đề tài

Chúng em xin dành lời cảm ơn chân thành đến thầy ThS NGUYỄN TẤNPHÚC đã tận tình hướng dẫn, góp ý để chúng em có thể hoàn thành đề tài một cách tốtnhất Ngoài ra, chúng em xin gửi lời cảm ơn đến các quý thầy cô trong hội đồng đãdành thời gian để nhận xét và góp ý để đề tài chúng em có thể hoàn thiện hơn

Cuối cùng chúng em xin gửi lời cảm ơn đến những người thân, các anh chị đitrước cũng như là bạn bè đã ủng hộ, động viên và giúp đỡ trong suốt quá trình làm đềtài

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Lê Văn Cảnh Đào HoàngVinh

TÓM TẮT

Đề tài nghiên cứu: “thiết kế chế tạo, điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm trong

hệ thống trồng rau tự động” được thực hiện từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2017 tại Trường Đại Học Nông Lâm TPHCM

Với việc xây dựng thành công mô hình và đảm bảo độ ổn định trong vận hànhsuốt hơn 30 ngày Chúng em đã có những đợt thu hoạch sản phẩm đầu tiên với chấtlượng đạt những yêu cầu mà chúng em đặt ra

Dựa trên những gì thu được sau khi hoàn thành Chúng em hy vọng đề tàinày sẽ không dừng lại ở mức độ mô hình mà có thể đem vào thực tiễn và là tiền đềphát triển cho các khóa sau tìm hiểu và xây dựng

Kết quả thu được:

tạo trong việc thúc đẩy quá trình tăng trưởng của cây

ẩm đất)

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Vì thế, nhu cầu rau sạch hiện tại đang được rất nhiều người quan tâm.

Ngày nay, khoa học kỹ thuật phát triển thì việc ứng dụng vào nuôi trồng sản xuất,đặc biệt là tự động hóa quá trình sản xuất là điều rất cần thiết Nhằm nâng cao chấtlượng sản phẩm, giảm công lao động, tiết kiệm năng lượng, hạ giá thành sản phẩmgiúp tăng sự cạnh tranh trong nước cũng như trên thị trường thế giới thì việc áp dụngcông nghệ cao là điều cần thiết

Nhà kính có vai trò rất quan trọng trong việc trồng rau, hoa cho năng suất hiệu quảkinh tế cao, sản phẩm đạt được tiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo quy môcông nghiệp Nhà kính cho phép kiểm soát chặt chẽ và đầy đủ hầu hết các thông sốquá trình sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trongthời vụ do nhà kính đáp ứng được yêu cầu cho sự sinh trưởng phát triển tốt nhất củacây trồng (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí cacbonic, khí oxy…) và kiểm soát đượcsâu bệnh hại cho cây Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới như: Hà Lan, Pháp,Đức, Anh, Mỹ, Israel, Nhật Bản… đã và đang phát triển ứng dụng rộng rãi các môhình nhà kính trồng rau, hoa quy mô tăng nhanh trong các năm gần đây, các nhà kínhtương đối hiện đại và có các dạng cấu trúc kết cấu khác nhau phù hợp với điều kiệnkhí hậu kinh tế của mỗi nước Ở Việt Nam một số nơi như trung tâm nghiên cứu rauquả Hà Nội, Hasfasra-Đà Lạt đã nhập các mẫu nhà kính của Pháp, Israel…Các yêu cầukhi tính toán thiết kế nhà kính là phải đảm bảo kiểm soát tối ưu các yếu tố khí hậu môitrường trong nhà kính để cây sinh trưởng phát triển tốt nhất

Ngoài những mặt tích cực của nhà kính thông thường thì vẫn tồn tại một hạn chế

là vẫn còn kén chỗ có ánh sáng để phục vụ cho cây trồng quang hợp Tuy nhiên nhờvào công nghệ đèn led (đèn cung cấp ánh sáng có bước phổ cần thiết cho thực vật nóiriêng và rau quả nói chung) thì vấn đề về ánh sáng đã được khắc phục đáng kể, nó gópphần không nhỏ vào việc tăng năng suất cây trồng, hoàn thiện việc kiểm soát điều kiệnphát triển cây rau của mô hình nhà kính Nhờ áp dụng mô hình đèn led vào trong nhàkính nên có thể trồng rau ở bất cứ nơi nào mà không phụ thuộc vào điều kiện ánh sáng

Hình 1.1: Trồng rau trong nhà kính tại Nhật

Hình 1.2: Trồng rau bằng đèn ledVới hơn 70% dân số làm nông nghiệp, đối với Việt Nam ngành nôngnghiệp là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn Đi cùng với sự phát triển của thếgiới, nhà kính đã bắt đầu xuất hiện ở nước ta từ những năm cuối thế kỉ XX đầu thế kỉXXI Và cho đến nay việc sản xuất rau sạch và các loại hoa cao cấp bằng công nghệcao đã trở nên phổ biến ở nước ta, đặt biệt ở Đà Lạt nói riêng và Lâm Đồng nói chungvùng 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 thờingăn chặn côn trùng xâm nhập, tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng sinh trưởng pháttriển tốt đạt năng suất cao.

So với canh tác truyền thống, hệ thống chăm sóc cây trồng theo mô hình nhà kínhhiện đại thực sự mang lại lợi ích như: tiết kiệm đến 1/3 công lao động, năng suất tăng,cây trồng đảm bảo tuyệt đối sạch và quan trọng là người chủ đầu tư có thế tính đượctương đối chính xác sản lượng thu hoạch mà ít bị các yếu tố rủi ro như: điều kiện khíhậu, ảnh hưởng của dịch bệnh… Vấn đề chính để phát triển mô hình này ở nước ta làphải hạ giá thành đầu tư, cải tiến phù hợp với yêu cầu canh tác Trước những lợi ích tolớn từ hệ thống chăm sóc cây trồng trong nhà kính mang lại nhóm em quyết định chọn

đề tài “Thiết kế chế tạo, điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm trong hệ thống trồng rau

tự động” làm đề tài nghiên cứu Với mục đích tìm hiểu sâu hơn về những đặc điểm

cấu trúc của một số mô hình nhà kính ở Việt Nam Thiết kế, chế tạo tự động hóa môhình nhà kính kết hợp với đèn led chiếu sáng cho một số loại rau cụ thể, góp phần đưathêm những lựa chọn phù hợp nhất cho cây trồng

1.2 Mục tiêu đề tài.

Nâng cao khả năng lập trình các chương trình trên nền tảng board Arduino

và khả năng vẽ, thiết kế trên các phần mềm thiết kế

Tìm hiểu tham khảo các mô hình trồng rau tự động ở Việt Nam và nướcngoài để hoàn thành ý tưởng cho đề tài của mình

Biết điều chỉnh, sử dụng cảm biến đo cường độ ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm

Áp dụng lí thuyết đã học ứng dụng vào trong thực tế tạo ra những sản phẩm

có tính ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày

Thiết kế, chế tạo và hoàn thiện mô hình điều khiển ánh sáng, nhiệt ẩm độtrong hệ thống trồng rau tự động

Giúp người dân giải quyết được khó khăn trong việc trồng rau của mình đặcbiệt là đối với việc trồng hoa vào dịp tết

Đánh giá nhận xét những đặc điểm cơ bản về cấu trúc chi tiết các dạng nhàkính, nhà lưới được sử dụng ở nước ta Để đề ra được những phương án những môhình tốt hơn giúp cải thiện những mô hình cũ đang sử dụng

Gắn kết cải thiện khả năng làm việc theo nhóm.

1.3 Nội dung đề tài.

Thiết kế, xây dựng mô hình trồng rau trong nhà kính

Tìm hiểu các loại đèn led dùng trong trồng trọt trong nhà kính

Tìm hiểu cảm biến đo cường độ ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm đất

Tìm hiểu thông số phát triển và chọn thực nghiệm một loại rau

Giám sát, điều khiển tín hiệu từ 3 loại cảm biến đã tìm hiểu trên nhằm duytrì thông số phù hợp cho mô hình cây rau thích hợp

1.4 Lịch sử nghiên cứu.

1.4.1 Nhà kính tại Israel.

Nhà kính sử dụng để trồng cây trong nông nghiệp đã tăng nhanh trong nhữngnăm gần đây cả về số lượng và chất lượng Bởi vì các nhà đầu tư và kinh doanhtrong lĩnh vực này đã quan tâm rất nhiều đến việc xây dựng và bảo trì nhà kính,chúng được sử dụng rộng rãi cho các loại cây trồng có giá trị gia tăng cao Phát triểnnhà kính đặc biệt phù hợp với trang trại gia đình nhỏ, nơi có khó khăn về đất đai vànước

Nhà kính ở Israel chủ yếu được sử dụng cho việc trồng hoa, rau, cây cảnh.Gần đây các thí nghiệm đã được thực hiện để điều tra tính khả thi của trồng cây ănquả được trồng trong nhà kính như: xuân đào, đào, nho, chuối cho mục đích thươngmại chủ yếu là để xuất khẩu

Cấu trúc nhà kính:

Cấu trúc của nhà kính là một hệ thống vững chắc và có đủ độ bền để phòngtrường hợp phá hủy bởi gió thổi mạnh Đó là hệ thống nhà kính đã được cải tiếntheo công nghệ cao mà hiện nay đang sử dụng tại Israel Đặc biệt hệ thống màncửa và hệ thống thông gió trên mái nhà, ngoài ra lớp lưới tự động di chuyển theo

sự phản ứng với ánh nắng mặt trời Các nhà kính mới có độ cao tới 5m điều nàygiúp cho việc thông gió tốt hơn Nó cũng cho phép các nhà che phủ sử dụng mắclưới cao như nhà kính trồng cà chua và dưa chuột

Công nghệ phát triển ở Israel cho phép làm mát nhà kính bằng cách làmmát ngày và làm nóng vào ban đêm với một lượng tối thiểu năng lượng Điều nàythực hiện thông qua một hệ thống vòi sen thống nhất kính thước giọt và được càiđặt một đầu của nhà kính với thiết kế rất thông minh.

Suốt quá trình trong ngày những giọt hấp thụ dư thừa từ nhà kính và lưu giữcho đến khi ban đêm, khi nhiệt được phát tán Phương pháp này đặc biệt hữu íchcho cây cảnh, đòi hỏi một mức độ cao của độ ẩm và sự thay đổi nhiệt độ nhỏ

Phần cứng máy tính và phần mềm đã được phát triển ở Israel cho phép điềukhiển tự động lượng nước tưới cho cây trồng trong nhà kính cũng như phân bón

và duy trì hệ thống khí hậu Phát triển phần mềm liên lạc chặt chẽ với người dùngnhằm duy trì sự phát triển mới nhất trong các hệ thống nông nghiệp và để cungcấp hiệu quả cao nhất các giải pháp tiên tiến

1.4.2 Nhà kính tại một số quốc gia khác.

Tại Hà Lan: “Nếu ai có dịp ghé vườn thí nghiệm công nghệ cao Brightbox tạitrung tâm nông nghiệp Venlo, Hà Lan nên ăn thử những búp xà lách mơn mởn,được trồng dưới các điốt phát sáng, hay còn gọi là đèn LED.” Đó là câu trích dẫn từmột bài báo của trang báo tuoitre.vn nói về công nghệ trồng rau sạch trong nhà kính

sử dụng đèn led chiếu sáng Chúng được trồng trong môi trường hoàn toàn kín,không tiếp xúc với ánh sáng mặt trời và tránh hầu hết các loại côn trùng phá hoại.Như vậy, các nhà nông càng an tâm hơn trong việc canh tác dù thời tiết thay đổi nhưthế nào hay bất kì mùa nào trong năm Kết quả qua nhiều khâu kiểm tra, các nhàkhoa học nhận thấy, các loại rau trồng trong môi trường này đạt chuẩn cao về antoàn thực phẩm

Hình 1.5: Mô hình trồng rau bằng đèn led tại Hà Lan

Tại Nhật Bản: Theo tìm hiểu của nhóm về công nghệ trồng rau bằng đèn ledtrên trang congnghenhatban.com thì đã biết được: qua thử nghiệm cho thấy côngnghệ trồng rau bằng đèn led ở Nhật Bản không những giúp thực vật phát triển, thậmchí còn thúc đẩy tăng trưởng khoảng 250%

Hình 1.6: Trồng rau bằng đèn led tại Nhật Bản

Theo như bài báo trên thì đây là trang trại trồng rau bằng đèn led trong nhà lớnnhất thế giới, có diện tích tương đương một nửa sân bóng đá Nơi đây từng là môtnhà máy chất bán dẫn nay có thể trồng 10.000 cây rau diếp mỗi ngày Nhà nghiêncứu sinh lý học cây trồng Shigeharu Shimamura là người có ý tưởng công nghệtrồng rau bằng đèn led này Trang trại rau có 17.500 bóng đèn led, trải dài trên 18khu trồng Ánh sáng màu tím từ đèn led được sử dụng để “làm giả” ánh sáng banđêm, còn ánh đèn trắng được điều chỉnh thay đổi cả ngày để giả ánh sáng mặt trời Bóng đèn led tạo ra bước sóng ánh sáng tối ưu, thúc đẩy rau tăng trưởng.Những cây rau được chiếu sáng bởi hệ thống đèn led, kết hợp với hệ thống kiểmsoát nhiệt độ và độ ẩm thúc đẩy quá trình quang hợp và phát triển của cây Cũngtheo bài báo cho biết công nghệ này còn giúp tiết kiểm lượng chất thải cũng như làlượng nước sử dụng trong một vụ thu hoạch

Tình hình ứng dụng nhà kính ở Việt Nam

Cùng với sự phát triển của công nghệ thế giới, ngành nông nghiệp nước ta hiệnnay cũng đã có những chuyển biến rõ rệt trong thời gian gần đây Chúng ta đã ápdụng cơ giới hóa nông nghiệp, điều này đã làm cho nền nông nghiệp của nước taphát triển một cách mạnh mẽ, không những đáp ứng cho nhu cầu lương thực,thực phẩm trong nước mà còn xuất khẩu với một lượng lớn Bên cạnh cơ giới hóanông nghiệp thì ngày nay nền nông nghiệp nước ta đã có những đột phá mới khi

áp dụng công nghệ cao vào sản xuất

 Tại Hà Nội: Trung tâm kỹ thuật rau quả Hà Nội đã xây dựng và đưa vào sử dụngkhu nông nghiệp công nghệ cao đầu tiên tại Hà Nội, nhằm tiếp cận và ứng dụngcông nghệ khoa học tiên tiến của thế giới để sản xuất và cung ứng cho thị trườngnhững nông sản chất lượng cao.Được đầu tư số vốn 24 tỷ đồng, trong đó một nửa

do ngân sách thành phố cấp, một nửa là của các doanh nghiệp, khu nông nghiệpcông nghệ cao có một trung tâm thực nghiệm rộng 16 ha gồm hệ thống nhà kínhtrồng hoa, trồng rau và nhà điều khiển vi tính và cùng một hệ thống nước hiệnđại Hiện trung tâm có một số chuyên gia Israel trực tiếp hướng dẫn, chuyển giaocông nghệ cho 80 công nhân kỹ thuật

Nhờ được trang bị hiện đại như hệ thống xử lí nước xung quanh, hệ thống tướitiêu, thông gió, hàng năm trung tâm có khả năng cung cấp cho Hà Nội khoảng

360 triệu tấn rau sạch, 6-7 triệu bông hoa các loại Đặc biệt trung tâm đã nhângiống thành công loại ớt cho năng suất từ 200-300 tấn/ha/năm, dưa chuột 250-

300 tấn/ha/năm và cà chua năng suất từ 300-400 tấn/ha/năm Lần đầu tiên môhình trồng rau quả trong nhà kính với sự hỗ trợ của máy tính trong hầu hết cáccông đoạn tưới tiêu, chăm sóc đã được áp dụng tại Hà Nội Người trồng có thểthiết đặt giờ tưới nước đối với từng khu vực cây trồng, hay yêu cầu hệ thống bónphân cho một nhóm cây trồng theo ngày, theo tuần, theo tháng

TP.HCM phối hợp với công ty S Lahat và CTY cổ phần xuất nhập khẩu BảoTrân tổ chức Hội thảo giới thiệu về nhà kính đồng bộ của Israel và chuyển giaocông nghệ trồng trọt trong nhà kính

Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những cái nôi nông nghiệp công nghệcao của cả nước nên những năm gần đây thu hút rất nhiều nhà đầu tư vào lĩnhvực này

Khu nông nghiệp công nghệ cao nằm ở phía Tây Bắc TP.HCM thuộc huyện CủChi có tổng diện tích 88,17 ha Khu nhà kính có thể tự động đóng mở mái chemỗi khi thừa, thiếu ánh sáng hay độ ẩm, điều này sẽ giúp cho cây trồng luôn đảmbảo điều kiện phát triển tốt nhất để cho năng suất cao và chất lượng rau, hoa quảđược bảo đảm tương đối sạch

Hình 1.7: Nhà kính trong khu nông nghiệp công nghệ cao tại TP.HCM

Đèn led trồng cây đang là một xu hướng hiện đại và là một bước đi của thờiđại mới trong việc trồng trọt Hiện nay các nền nông nghiệp hàng đầu thế giớinhư Nhật Bản, Mỹ đều đang áp dụng đèn LED để trồng rau, trồng cây trong nhà.Phòng thí nghiệm ứng dụng LED trong nông nghiệp và công nghệ sinh họcvừa được đưa vào hoạt động là phòng thí nghiệm vệ tinh của LAFTRC tại Trường

ĐH Khoa học tự nhiên

Đây là hợp tác giữa Trung tâm Nghiên cứu công nghệ tích hợp LED trongnông nghiệp và công nghệ sinh hoạc (LED Agri-Bio Fusion Technology Center,LAFTRC) thuộc ĐH Quốc gia Chonbuk (Hàn Quốc) và Trường ĐH Khoa học tựnhiên (ĐH Quốc gia TP.HCM).Tháng 9/2015, Trường ĐH Khoa học tự nhiên đã kývăn bản hợp tác với ĐHQG Chonbuk với hai nội dung: chuyển giao công nghệ LEDtrong nông nghiệp và liên kết đào tạo.Việc khai trương Phòng thí nghiệm ứng dụngLED trong nông nghiệp và công nghệ sinh học với các thiết bị do ĐHQG Chonbuktài trợ là bước khởi đầu cho việc thành lập Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng LEDtrong nông nghiệp và CNSH trong thời gian sắp tới

Mục tiêu của phòng thí nghiệm này là nghiêu cứu chuyển giao công nghệ ứngdụng LED trong lĩnh vực nông nghiệp, CNSH với kỳ vọng sẽ cho ra đời nhữngnhững giống rau quả sạch, đạt tiêu chuẩn chất lượng và chuyển giao các kỹ thuậtđiều khiển nuôi trồng rau quả và thủy sản khác.Sử dụng đèn LED trong nôngnghiệp đang là xu hướng mới được quan tâm hiện nay nhờ vào những ưu điểm vượttrội.Chiếu sáng bằng đèn LED sẽ mang lại hiệu suất năng lượng sinh học cao từ đókích thích sự phát triển của cây trồng tốt hơn so với các loại bóng đèn truyền thốngkhác Ngoài ra, đèn LED còn giúp tiết kiệm điện năng, mang lại hiệu quả kinh tếcao.

Hình 1.8: Phòng thí nghiệm ứng dụng LED trong nông nghiệp-CNSH.

Ngoài những cơ quan chức năng của Nhà nước như các Sở ban ngành nông nghiệp và phát triển nông thôn có những chính sách để phát triển nông nghiệp theo hướng hiện đại hóa thì các công ty chuyên về đèn led và trồng rau cũng ứng dụng côngnghệ này vào thực tiễn sản xuất Một vài gương mặt tiêu biểu trong lĩnh vực này có thể

kể đến: Philips, HACHI, Rạng Đông… và một vài trang web cung cấp led nông

nghiệp cho các mô hình nhỏ và các hộ gia đình như: dentrongcay.com,

trongrausach.net.com, …

Hình 1.9: Bên ngoài mô hình trồng rau trong nhà kính sử dụng đèn led chiếu sáng

Hình 1.10: Bên trong mô hình trồng rau trong nhà kính sử dụng đèn led chiếu sáng

1.5 Đối tượng nghiên cứu.

Tìm hiểu về board mạch vi xử lý Arduino Mega

Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình C trên phần mềm IDE

Tìm hiểu và lấy dữ liệu của cảm biến nhiệt độ DHT22

Tìm hiểu và lấy dữ liệu của cảm biến độ ẩm đất

Tìm hiểu và lấy dữ liệu của cảm biến cường độ ánh sáng BH1750

Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của rơ-le

Tìm hiểu và điều khiển các thiết bị ngoại vi như hệ thống tưới nước, quạt điềuchỉnh nhiệt ẩm độ, đèn sợi tóc

Tìm hiểu về các đặc tính của cây rau cải bẹ xanh như nhiệt độ, độ ẩm đất, cường

độ ánh sáng thích hợp cho sự phát triển của cây rau cải bẹ xanh

Tìm hiểu về ánh sáng xanh và ánh sáng đỏ cũng như là tỉ lệ thích hợp giữa 2 ánhsáng xanh: đỏ để có được nguồn ánh sáng tốt nhất cho sự phát triển của cây raucải bẹ xanh.

Tìm hiểu và thiết kế giao diện phần mềm Visual Basic để nhận tín hiệu và điềuchỉnh bằng tay các thông số nhiệt độ, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng của nhàkính cũng như là hiển thị các thông số đó

Tìm hiểu và thiết kế mạch led 7 đoạn dùng làm bộ phận hiển thị các thông sốnhiệt độ, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng ra bên ngoài cho người giám sát thấy

1.6. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu.

1.6.1.Vật liệu nghiên cứu.

Board vi xử lý Arduino Mega 2560

Phần mái được thiết kế bằng những thanh nhôm vuông để hạn chế trọnglượng của phần máy Mái được lợp bằng những tấm nhựa carton

Phần đáy và cửa của mô hình được thiết kế với chất liệu là mica trong2mm Mica trong sẽ giúp cho việc quan sát mô hình từ bên ngoài sẽ được rõ hơn

và độ cứng sẽ cao hơn nhựa carton Ở đáy mô hình nhóm thiết kế thêm 2 thanhchữ V để tăng độ chống đỡ

Phần xung quanh mô hình nhóm cũng sử dụng nhựa carton để bao quanh

1.6.2 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu các tài liệu, sách, báo, internet có liên quan tới đề tài

Tìm hiểu các đề tài có liên quan về việc điều khiển nhiệt độ, độ ẩm đất vàcường độ ánh sáng.

Tìm kiếm, học hỏi những kiến thức từ những người đi trước

Học hỏi và xin ý kiến hướng dẫn từ các giáo viên hướng dẫn đề tài trongkhoa cơ khí của trường

Tìm hiểu dựa trên những mô hình trồng rau tại nhà ngoài thực tế

Tìm hiểu các công trình nghiên cứu và hệ thống nhà kính ngoài thực tế

1.7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Thêm ý tưởng mới trong quá trình hiện đại hóa trong nông nghiệp côngnghệ cao

Áp dụng công nghệ, tự động làm giảm thời gian gieo trồng, tăng năng suất,chất lượng của rau

Thu hút vốn đầu tư trong và ngoài nước

1.8 Kết quả dự kiến đạt được.

Mô hình điều khiển ánh sáng đèn led, nhiệt ẩm độ nhà kính với chức năng tự độngđiều chình cường độ ánh sáng, nhiệt độ môi trường và độ ẩm đất để tạo môi trường tốtnhất cho cây rau cải bẹ xanh phát triển bao gồm các kết quả sau:

Thiết kế được mô hình nhà kính với:

Điều khiển cường độ ánh sáng đèn led để trồng cây rau cải bẹ xanh

Tìm hiểu và tạo ra được nguồn ánh sáng với tỉ lệ ánh sáng xanh: đỏ thích hợp cho

sự phát triển của cây rau cải bẹ xanh

Tìm hiểu và đọc dữ liệu cảm biến nhiệt độ, độ ẩm đất

Điều khiển các thiết bị ngoại vi để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm nhà kính phù hợpcho cây rau phát triển

Hiển thị các thông số cường độ ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm ra ngoài thông qua led

Về phần cứng, Ardunio là một bo mạch in mà trên đó có sẵn chip vi xử lý(thường là vi xử lý họ AVR của hãng Atmel) được liên kết đầy đủ với một số linh kiệnthường dùng như giắc cắm nguồn, liên kết cổng COM với máy tính qua chuẩn RS232,các chân Digital (tín hiệu số), Analog (tín hiệu tương tự) và PWM (tín hiệu xung) cùngcác linh kiện để giữ ổn định tín hiệu.

Về phần mềm, Arduino tích hợp cả môi trường lập trình, trình biên dịch và nạp

mã cho chip vi xử lý Arduino cũng như truyền-nhận dữ liệu từ bo mạch Arduino quacổng COM Người dùng viết các chương trình cho Aduino bằng ngôn ngữ C

Các board Arduino hiện nay sử dụng phổ biến bao gồm: Arduino Nano, Arduino Uno,Arduino Mega, Arduino Pro Mini, Arduino Enthernet

Arduino Mega 2560 và 1 số thông số cơ bản:

Hình 2.11: Arduino Mega 2560

Các chân năng lượng:

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino Mega Khi bạn dùngcác thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối vớinhau

5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino Mega, nối cực dương củanguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino Mega có thể được đo ởchân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy không được lấy nguồn 5V từ chânnày để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương vớiviệc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Lưu ý:

Arduino Mega không có bảo vệ cắm ngược nguồn vào Do đó phải hết sức cẩnthận, kiểm tra các cực âm – dương của nguồn trước khi cấp cho Arduino Mega Việclàm chập mạch nguồn vào của Arduino Mega sẽ biến nó thành một miếng nhựa chặngiấy Tôi khuyên bạn nên dùng nguồn từ cổng USB nếu có thể

Các chân 3.3V và 5V trên Arduino là các chân dùng để cấp nguồn ra cho cácthiết bị khác, không phải là các chân cấp nguồn vào Việc cấp nguồn sai vị trí có thểlàm hỏng board Điều này không được nhà sản xuất khuyến khích

Cấp nguồn ngoài không qua cổng USB cho Arduino ATmega2560 với điện ápdưới 6V có thể làm hỏng board

Cấp điện áp trên 13V vào chân RESET trên board có thể làm hỏng vi điều khiểnATmega2560

Cường độ dòng điện vào/ra ở tất cả các chân Digital và Analog của ArduinoATmega2560 nếu vượt quá 200mA sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cấp điệp áp trên 5.5V vào các chân Digital hoặc Analog của ArduinoATmega2560 sẽ làm hỏng vi điều khiển

Cường độ dòng điện qua một chân Digital hoặc Analog bất kì của ArduinoATmega2560 vượt quá 40mA sẽ làm hỏng vi điều khiển Do đó nếu không dùng đểtruyền nhận dữ liệu, bạn phải mắc một điện trở hạn dòng.

Một vài thông số của Arduino Mega2560

Hình 2.13: Sơ đồ chân của led 7 đoạn

Sơ lược led 7 đoạn

LED 7 đoạn là một công cụ thông dụng được dùng để hiển thị các thông số dướidạng các số từ 0 đến 9

Led 7 đoạn có 2 loại: Anode chung và cathode chung

Loại anode chung: Chân chung được nối xuống mức 0, để kích sáng các thanhled phải kích các chân còn lại với mức điện áp mức 1

Loại cathode chung: Chân chung được nối vào nguồn 5V, để kích sáng các thanhled phải kích các chân còn lại với mức 0

Ứng dụng led 7 đoạn dùng để hiển thị giao tiếp với người sử dụng nhằm giámsát, theo dõi quá trình nhất định ví dụ: thời gian, số lượng…

Hình 2.14: Mạch in led 7 đoạn

Các phương pháp cơ bản điều khiển hiển thị nội dung trên led 7 đoạn:

Phương pháp chốt: Ở phương pháp này, các chân led được nối trực tiếp với vi

các chân của vi điều khiển Do số lượng chân trên vi điều khiển có hạn nên sẽ khôngđiều khiển được nhiều led

Phương pháp quét: Nguyên lý điều khiển ở phương pháp này là cho lần lượt

từng led sáng trong 1 khoảng thời gian cực kỳ ngắn Mỗi led sẽ thể hiện 1 giá trị tươngứng với vị trí của nó Với khoảng thời gian cực ngắn này, mắt ta sẽ không thể thấyđược led tắt nên ta sẽ có cảm giác là led sáng liên tục

Nhóm đã chọn led 7 đoạn loại cathode chung với transistor A1015 để kích dòng cho led Phương pháp nhóm chọn để thực thi đồ án này là phương pháp quét.

2.2 Cảm biến

Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750

Cảm biến độ ẩm đất

Cảm biến nhiệt độ DHT22

2.2.1 Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750.

Hình 2.15: Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750

Để đo được sự thay đổi ánh sáng chúng ta có thể dùng: cảm biến quang, hỏaquang kế, cảm biến PAR… nhưng nhóm chọn BH1750 thuộc loại cảm biến quang để

sử dụng cho đề tài vì giá thành tương đối rẻ, độ chính xác tương đối ổn định

Vậy cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 là gì?

Cảm biến cường độ ánh sáng BH1750 là cảm biến cường độ ánh sáng với

bộ chuyển đổi ADC 16 bit tích hợp trong chip và có thể xuất ra trực tiếp dữ liệu theodạng digital Được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, cảm biến cóADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sánglux mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C

BH1750 sử dụng đơn giản và chính xác hơn nhiều lần so với dùng cảm biếnquang trở để đo cường độ ánh sáng với dữ liệu thay đổi trên điện áp dẫn đến việc sai

số cao Với cảm biến BH1750 cho dữ liệu đo ra trực tiếp với dạng đơn vị

là LUX không cần phải tính toán chuyển đổi thông qua chuẩn truyền I2C

Giao tiếp I2C

Khoảng đo: 1 -> 65535 lux

Kích thước: 21*16*3.3mm

Sự biến đổi ánh sáng nhỏ (+/- 20%)

Độ ảnh hưởng bởi ánh sáng hồng ngoại rất nhỏ

Tiêu hao nguồn ít

Khả năng chống nhiễu sáng ở tần số 50 Hz/60 Hz

Cường độ được tính như sau:

Ban đêm: 0.001 - 0.02 lx

Trời sáng trăng: 0.02 - 0.3 lx+ Trời mây trong nhà: 5 - 50 lx

Trời mây ngoài trời: 50 - 500 lx

Trời nắng trong nhà: 100- 1000 lx

2.2.2 Cảm biến độ ẩm đất.

Cảm biến độ ẩm đất: là cảm biến dùng để đo độ ẩm của đất, trạng thái đầu ramức thấp (0V), khi đất thiếu nước đầu ra sẽ là mức cao (5V), độ nhạy cao chúng ta cóthể điều chỉnh được bằng biến trở Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩmcủa đất, khi độ ầm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mứcthấp lên mức cao Nhờ thế, có thể sử dụng Analog hoặc Digital của Arduino để đọc giátrị từ cảm biến

Cảm biến độ ẩm đất có 4 chân: Vcc, GND, 2 ngõ ra là D0 (cho giá trị trả về mứclogic 0 1) và A0 (giúp bạn có thể đọc được chính xác hơn độ ẩm của đất) Bạn có thểdùng 1 trong 2 chân này

Cảm biến độ ẩm đất chỉ trả về cho ta giá trị analog trong khoảng từ 0-1023 tươngđương với 100-0% độ ẩm của đất Khi giá trị analog bằng 0 tức là độ ẩm tối đa 100%,còn khi giá trị analog đạt 1023 thì độ ẩm sẽ là 0% Nhóm sử dụng hàm map () để quyđổi giá trị analog của cảm biến độ ẩm đất sang giá trị phần trăm độ ẩm của đất

GND: 0V

DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1)

AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự)

− Sơ đồ nối chân cảm biến với Arduino

Cảm biến độ ẩm đất được bố trí ở các góc mô hình và ở giữa nhằm đánh giákhách quan độ ẩm của toàn bộ mô hình tránh trường hợp đo 1 vị trí sẽ làm cho giá

trị trả về chỉ là độ ẩm của vị trí cảm biến còn những vị trí khác thì đất quá ẩm hoặcquá khô.

Tuy nhiên vì phải dùng nhiều cảm biến đặt ở nhiều vị trí khác nhau nên sẽ phảidùng dây dẫn để truyền tín hiệu về bộ xử lý do đó sẽ không tránh trường hợp sai số.Bên cạnh đó bản thân cảm biến cũng có một sai số nhất định nên cần phải thay đổigiá trị độ ẩm đất dùng để điều khiển hệ thống độ ẩm để có được môi trường thíchhợp cho cây phát triển

Độ ẩm đất mà cây rau cải bẹ xanh cần là khoảng 70% đến 90 % Vì vậy hệthống điều khiển phải đảm bảo độ ẩm đất luôn nằm trong khoảng thích hợp để cây

có thể phát triển tốt Vì lý do đó độ ẩm cung cấp cho vi điều khiển phải có độ chínhxác tương đối, không sai số nhiều

Cảm biến độ ẩm đất có đầu dò là 2 thanh kim loại nên sẽ dễ bị ăn mòn Vìvậy cần phải kiểm tra thường xuyên để cảm biến có thể cho kết quả chính xác.Nhóm quyết định chọn khoảng độ ẩm đất lý tưởng dành cho cây rau là [75, 85] vì:Modul cảm biến độ ẩm đất có sai số khoảng 3% là một con số không nhỏ

Độ ẩm đất tăng rất dễ nhưng giảm thì lại rất khó Vì vậy nếu độ ẩm có tăngquá cao so với con số 85% thì nó vẫn còn nằm trong sức chịu đựng của cây Quạt sẽgiảm độ ẩm của đất tuy nhiên độ đáp ứng không cao nên cách tốt nhất vẫn là kiểmsoát lượng nước tưới vào để đảm bảo không vượt quá khả năng chịu đựng của câyrau

2.2.3 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22.

Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm DHT22 là cảm biến rất thông dụng hiện nay vì chiphí rẻ và rất dễ lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire Cảm biến độ ẩm nhiệt độDHT22 So với DHT11 thì DHT22 có độ chính xác cao và khoảng đo hoạt động rộnghơn Module truyền dữ liệu thông qua giao tiếp 1 dây nên dễ dàng kết nối và lấy dữliệu Module được thiết kế hoạt động ở mức điện áp 5V

− Thông số kĩ thuật:

Kích thước: 28mm X 12mm X 10mm

Điện áp làm việc: 3.3-5.5V DC

Một dải đo độ ẩm: 0 - 100% RH

− Sơ đồ nối chân:

Hình 2.18: Sơ đồ nối chân DHT22 với Arduino Mega

Là yếu tố quan trọng trong sinh trưởng và sự phát triển của cây rau Nhiệt độchính là yếu tố tạo nên các vùng khí hậu khác nhau trên trái đất và từ đó có các tậpđoàn rau riêng biệt cho từng vùng Mỗi loài rau đòi hỏi có nhiệt độ thích hợp đểsống

Nếu nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp sẽ làm cho quá trình quang hợp bị chậm lại Nếu vượt ngưỡng chịu đựng thì cây sẽ bị chết Do đó điều khiển nhiệt độ trong phạm vi thích hợp thì cây trồng sẽ phát triển tốt, đạt được hiệu suất quang hợp cao Tự đó có thể rút ngắn thời gian phát triển của cây trồng làm cây trồng lớn

nhanh hơn

Cây rau cải bẹ xanh phát triển tốt nhất trong khoảng nhiệt độ từ 25 độ C đến 30

độ C Nhưng nhóm quyết định chọn 31 độ C làm nhiệt độ trên thay cho 30 độ C vì:Cảm biến DHT22 có độ sai số là 0.5 độ C

Các cảm biến được bố trí ở nhiều vị trí khác nhau sẽ cần dùng dây nối để truyền

dữ liệu về vi điều khiển Tuy nhiên việc dùng nhiều dây nối sẽ tạo ra sai số

Nguồn adapter 9V- 1A dùng để cung cấp cho Arduino Mega hoạt động khikhông có kết nối với máy tính

2.3.1 Nguồn tổ ong 12V – 30A

Thông số kĩ thuật:

Điện áp đầu vào: 110VAC / 220VAC chuyển đổi (47 ~ 63Hz)

Điện áp đầu ra: DC 12V ± 10%

Dòng ra: 30A @ 120VAC

Overload: 105% đến 200% (tải định mức), kể từ khi nối lại

Chip: 115% ~ 135% (điện áp đầu ra)

Ngắn mạch bảo vệ tự động phục hồi

Bảo vệ quá nhiệt độ: 70 ° C

Môi trường làm việc: -10 ℃ ~ 50 ℃, 20% ~ 90% RH (không ngưng tụ)

Kích thước (L * W * H): 214 * 114 * 50mm

Trọng lượng: 1.0kg

Hình 2.20: Adapter 9V- 1A

2.4 Mạch điều khiển.

2.4.1 Mạch điều khiển động cơ VNH2SP30

Module điều khiển động cơ VNH2SP30 30A là mạch 1 cầu H cho Arduino côngsuất lớn (30A) Ngõ ra được thiết kế pad chì có kích thước lỗ khớp với domino đểngười dùng có thể đấu dây điện đường kính lớn

Chú ý: Nếu dùng với motor công suất cao (> 6A) ~ tỏa nhiệt lớn thì cần dán

thêm tản nhiệt để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của module

Giải pháp tản nhiệt cho mạch VNH2SP30 là thiết kế tản nhiệt từ miếng nhôm tảnnhiệt Thiết kế sao cho vừa với kích thước của mạch Áp tản nhiệt sao cho tiếp xúcvới chip của mạch để nhiệt có thể truyền ra Từ đó làm giảm nhiệt độ của chip đểmạch có thể hoạt động tốt hơn và tuổi thọ cao hơn Ngoài ra nhóm còn dùng kemtản nhiệt bôi giữa 2 bề mặt của chip và tản nhiệt để giúp quá trình truyền nhiệt đạttới mức tối đa

Hình 2.21: Mặt trước mạch cầu H 30A

Hình 2.22: Mặt sau mạch cầu H 30A

Tần số băm xung tối đa: 20kHz

Bảo vệ quá nhiệt và quá áp

2.4.2 Mạch nguồn LM2596.

Mạch Giảm Áp LM2596 là module giảm áp có khả năng điều chỉnh đượcdòng ra đến 3A LM2596 là IC nguồn tích hợp đầy đủ bên trong Tức là khi cấpnguồn 9V vào module, sau khi giảm áp ta có thể lấy được nguồn 3A < 9v như 5Vhay 3.3V Nhóm dùng mạch để cung cấp nguồn ổn định cho các cảm biến

Điện áp đầu ra được điều chỉnh bằng cách vặn biến trở trên modul

Hình 2.24: Mặt sau modul LM2596 và vị trí các chân input, output

2.4.3 Rơ le

Rơ-le là một công tắc (khóa K) Nhưng khác với công tắc ở một chỗ cơ bản, rơ-leđược kích hoạt bằng điện thay vì dùng tay người Chính vì lẽ đó, rơ-le được dùng làm

công tắc điện tử! Vì rơ-le là một công tắc nên nó có 2 trạng thái: đóng và mở

Relay đóng vai trò điều khiển các thiết bị ngoại vi trong mô hình

2 Thông số kĩ thuật:

Điện áp :220V-240V

Thông số kĩ thuật:

Điện áp : 12V

Dòng điện: 0.12A

Kích thước: 12cm

Hình 2.27: Quạt thông khí 12V

2.5.3 Đèn sợi đốt.

Cấu tạo: gồm sợi đốt, bóng thủy tinh và đuôi đèn

Sợi đốt làm bằng Vonfram, chịu được nhiệt độ cao, có chức năng biến đổi điệnnăng thành quang năng

Bóng đèn được làm bằng thủy tinh chịu nhiệt, chịu được nhiệt độ cao, bảo vệ sợiđốt

Đuôi đèn (đuôi xóay và đuôi ngạnh) được làm bằng đồng hoặc sắt tráng kẽm gắnchặt với bóng thủy tinh, có chức năng nối với mạng điện cung cấp cho đèn

Thông số kĩ thuật:

Công suất 25-250 Watt (loại một đầu), 60-2000Watt (loại hai đầu)

CT=3000 Kelvin, CRI=100

Hiệu suất 11-17 lm/W (một đầu) và 14-23 lm/W (hai đầu)

Tuổi thọ khoảng 2000 giờ (một đầu) và 3000 giờ (hai đầu)

Điện áp định mức: 127v, 220v, 110v

Công suất định mức: 15w, 25w, 60w, 75w, 100w, 300w

Hình 2.28: Đèn sợi đốt

Khi nhiệt độ bên trong mô hình xuống thấp hơn nhiệt độ phát triển mà câycần sẽ làm cho cây phát triển chậm Do đó cần phải có thiết bị sưởi ấm cho mô hình

để đưa nhiệt độ mô hình về khoảng nhiệt độ tốt nhất cho sự phát triển của cây

2.5.4 Đèn led thanh nhôm 5630

LED (viết tắt của Light Emitting Diote) hay còn gọi là diod phát quang, chiếusáng nhờ 2 điện cực với chất liệu bán dẫn

Hình 2.29: Cấu tạo của đèn led

Nguyên lý phát sáng của LED:

Led dựa trên công nghệ bán dẫn, hoạt động của Led giống với nhiều loạibán dẫn khác Khối bán dẫn loại P chứa nhiều loại lỗ trống tự do mang điện tíchdương nên khi ghép với khối bán dẫn N (Chứa các điện tử tự do) thì các lỗtrống này có xu hướng chuyển động khuyếch tán sang khối N Cùng lúc khối Plại nhận thêm các điện tử (điện tích âm) từ khối N chuyển sang Kết quả là khối

P tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dư thừa điện tử) trong khi khối N tích điện

dương (thiếu hụt điện tử và dư thừa lỗ trống) Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp,một số điện tử bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xuhường kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa Quá trình này có thểgiải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bướcsóng gần đó).

Hình 2.30: Nguyên lý phát sáng của led

Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sángphát khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau) Mức năng lượng (và màu sắccủa LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lượng của các nguyên tử chất bándẫn

SMD led: viết tắt của Surface-mount Device Led là 1 dạng module sử dụngcông nghệ SMT(surface-mount technology) để tích hợp trực tiếp các chip led lên bềmặt mạch in Led thanh nhôm SMD 5630 là dạng phát sáng trên bề mặt 5630 có ýnghĩa là kích thước tim led là 5.6mm x 3.0mm