thiết kế hệ thống giám sát điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng của vườn rau thủy canh

TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH Mục tiêu nghiên cứu: Theo dõi các yếu tố tự nhiên bên trong nhà lưới vườn

TÓM TẮT LUẬN VĂN Tên đề tài: THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN

VÀ DINH DƯỠNG CỦA VƯỜN RAU THỦY CANH Mục tiêu nghiên cứu:

Theo dõi các yếu tố tự nhiên bên trong nhà lưới vườn rau thủy canh như: Nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng, nhiệt độ dung dịch, nồng độ hòa tan chất rắn trong dung dịch dinh dưỡng

Thiết kế hệ thống điều khiển các thiết bị: máy bơm dung dịch, đèn, quạt, phun sương, máy che

Áp dụng tổng hợp các kiến thức đã học trong chuyên ngành Cơ điện tử vào thực tế, tìm hiểu và nghiên cứu thêm các kiến thức về IoT

Kết quả nghiên cứu đạt được:

Ứng dụng được kiến thức tổng hợp vào đề tài

Tìm hiểu, làm quen và nghiên cứu về các linh kiện và cảm biến: Arduino, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí DHT21, cảm biến cường độ ánh sáng BH1705, cảm biến nhiệt độ…, cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS

Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh hệ thống tủ điện cũng như hệ thống trang web theo dõi Realtime

Có thể vận hành hệ thống theo 2 cách: tự động (Auto) hoặc tay (Manual)

MỤC LỤC

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI I NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ĐẠI HỌC II LỜI CẢM ƠN III LỜI CAM ĐOAN IV TÓM TẮT LUẬN VĂN V

MỤC LỤC i

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG x

DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT xiii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

1.1 Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.1.1 Công nghệ tưới nhỏ giọt Israel 4

1.1.2 Công nghệ trồng rau thủy canh 6

1.1.2.1 Hệ thống thủy canh dạng bấc 7

1.1.2.2 Hệ thống thủy canh tĩnh 8

1.1.2.3 Hệ thống thủy canh hồi lưu 8

1.1.2.4 Giá thể trồng rau thủy canh 9

1.1.3 Công nghệ trồng rau khí canh 10

1.2 Hệ thống IoT 11

1.2.1 Khái niệm 11

1.2.2 Ứng dụng 13

1.2.2.1 Nhà thông minh 13

1.2.2.2 Sản phẩm có thể đeo được 14

1.2.2.3 Thành phố thông minh 14

1.2.2.4 Mạng lưới thông minh 15

1.2.2.5 Internet công nghiệp 15

1.2.2.6 Xe được kết nối 16

1.2.2.7 Sức khỏe được kết nối 16

1.2.2.8 Bán lẻ thông minh 17

1.2.2.9 Chuỗi cung ứng thông minh 18

1.2.2.10 Canh tác thông minh 18

1.3 Các mô hình trồng rau công nghệ cao 19

1.3.1 Nhà kính 19

1.3.1.1 Khái niệm 19

1.3.1.2 Ưu điểm 19

1.3.1.3 Nhược điểm 20

1.3.2 Nhà lưới 20

1.3.2.1 Khái niệm 20

1.3.2.2 Ưu điểm 21

1.3.2.3 Nhược điểm 21

1.4 Giới thiệu về công ty TNHH đầu tư và phát triển Minh Hòa 22

1.5 Hiệu quả của công nghệ trồng rau thủy canh 22

1.6 Vấn đề tập trung nghiên cứu của đề tài 23

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

2.1 Cải Kale lá xoăn 24

2.1.1 Đặc tính sinh học 24

2.1.2 Điều kiện phát triển 24

2.1.3 Giá trị dinh dưỡng và kinh tế 24

2.1.4 Quy trình trồng, chăm sóc và thu hoạch cải Kale 25

2.1.4.1 Chuẩn bị hạt giống và giá thể 25

2.1.4.2 Công đoạn ươm hạt 26

2.1.4.3 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thứ cấp 26

2.1.4.4 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thường xuyên 27

2.1.4.5 Thu hoạch 27

2.2 Phương pháp nghiên cứu 28

2.3 Các thành phần cơ bản của vườn rau thủy canh 28

2.3.1 Nhà lưới 28

2.3.1.1 Thép hộp chuyên dụng 28

2.3.1.2 Màng nhựa PE 29

2.3.1.3 Màng lưới chuyên dụng 30

2.3.2 Hệ thống chiếu sáng 31

2.3.2.1 Đèn ươm 31

2.3.2.2 Đèn hỗ trợ tăng trưởng 32

2.3.3 Hệ thống phun sương, làm mát 33

2.3.3.1 Lọc nước và bơm cao áp 33

2.3.3.2 Quạt làm mát 34

2.3.4 Hệ thống chạy dinh dưỡng 35

2.3.4.1 Ống nhựa thủy canh 35

2.3.4.2 Ống dẫn dinh dưỡng 36

2.4 Thành phần hệ thống điều khiển 37

2.4.1 Arduino 37

2.4.2 NODE MCU ESP8266 39

2.4.3 Cảm biến DHT21 41

2.4.4 Cảm biến ánh sáng BH1750 42

2.4.5 Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS 43

2.4.6 Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20 45

Cảm biến nhiệt độ DS18B20 dây 45

Cảm biến nhiệt độ 45

2.4.7 Module 4 relay với Opto cách ly 46

2.4.8 Công tắc tơ 47

Công tắc tơ 47

2.4.9 Công tắc hành trình 49

2.4.10 Bàn phím mềm 1x4 50

2.4.11 Màn hình Grove -16x2 LCD 51

2.4.12 Đèn báo hiển thị điện áp 52

2.5 Phần mềm và ngôn ngữ lập trình 52

2.5.1 Arduino IDE 52

2.5.2 Sublime Text 3 54

2.5.3 Node js 55

2.5.4 Angular JS 56

2.5.5 Git 59

2.5.6 Firebase 60

2.5.7 Heroku 63

2.5.8 Ngôn ngữ lập trình 64

2.5.8.1 C, C++ 64

2.5.8.2 JavaScript 65

2.5.8.3 HTML 67

2.5.8.4 CSS 69

2.5.8.5 Visual Studio Code 70

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG 72

3.1 Bản vẽ bố trí, mặt bằng 72

3.1.1 Mặt bằng tổng thể 72

3.1.2 Bố trí mô phỏng 72

3.2 Bố trí cảm biến 73

3.3 Tủ điện 74

3.4 Sơ đồ vận hành thiết bị 75

3.4.1 Sơ đồ điều khiển quạt và mái che 75

3.4.2 Sơ đồ điều khiển phun sương 77

3.5 Thiết lập kết nối linh kiện 77

3.5.1 Danh sách linh kiện 77

3.5.2 Đấu nối cảm biến và các module 78

3.5.3 Bảng kết nối tổng hợp 79

3.5.4 Mạch in kết nối linh kiện 80

3.6 Hệ thống giám sát và điều khiển 81

3.6.1 WebSocket – giao tiếp hai chiều giữa client và server 81

3.6.2 Tạo dự án Node JS 85

3.6.3 Tạo Socket Server và Socket Client 86

3.6.3.1 Socket Server 86

3.6.3.2 Socket Client 87

3.6.3.3 Package cần thiết cho dự án 88

3.6.4 Lập trình giao diện HTML 89

3.6.4.1 Giao diện đăng nhập 89

3.6.4.2 Giao diện trang chủ 90

3.6.4.3 Giao diện tab “Công ty” 91

3.6.4.4 Giao diện tab “Điều khiển” 92

3.6.4.5 Giao diện tab Biểu đồ 94

3.6.4.6 Lập trình Webapp 95

3.6.5 Đăng kí dự án trên Heroku 96

3.6.6 Đưa dự án lên Heroku 98

3.6.7 Đăng kí Firebase và kết nối dữ liệu 99

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ 102

4.1 Kết quả 102

4.2 Hướng dẫn sử dụng với bàn phím 105

4.2.1 Chuyển chế độ 105

4.2.2 Cài đặt thông số 108

4.3 So sánh hệ thống 111

4.4 Lợi ích mang lại của hệ thống 114

4.5 Kiến nghị 114

TÀI LIỆU THAM KHẢO 115

PHỤ LỤC 116

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thống tưới nhỏ giọt 4

Hình 1.2: Ống nhỏ giọt thực tế 5

Hình 1.3: Hệ thống giàn rau thủy canh tại Minh Hòa 6

Hình 1.4: Các loại rau đa dạng tại Minh Hòa 7

Hình 1.5: Mô hình thủy canh dạng bấc 7

Hình 1.6: Hệ thống thủy canh tĩnh 8

Hình 1.7: Hệ thống thủy canh hồi lưu 8

Hình 1.8: Giá thể sơ dừa 9

Hình 1.9: Mô hình trồng rau khí canh 10

Hình 1.10: Internet of things 12

Hình 1.11: Ứng dụng nhà thông minh 13

Hình 1.12: Phụ kiện thông minh 14

Hình 1.13: Thành phố thông minh 15

Hình 1 14: Mạng lưới thông minh 15

Hình 1.15: Xe hơi tự lái 16

Hình 1.16: Kết nối hệ thống y tế 17

Hình 1.17: Bán hàng trực tuyến 17

Hình 1.18: Chuỗi cung ứng thông minh 18

Hình 1.19:Canh tác thông minh 18

Hình 1.20: Chăm sóc rau trong nhà kính 20

Hình 2 1: Cải Kale tại công ty Minh Hòa 24

Hình 2.2: Giá thể xơ dừa 25

Hình 2.3: Cải Kale trên giàn ươm 26

Hình 2.4: Cải Kale trên giàn ươm thứ cấp 26

Hình 2.5: Cải Kale 12 ngày tuổi 27

Hình 2 6: Cải Kale 2,5 tháng tuổi 27

Hình 2.7: Thép hộp các loại 28

Hình 2.8: Màng nhựa PE phủ nhà lưới 29

Hình 2.9: Màng lưới chống cồn trùng 30

Hình 2.10: Dãi ánh sáng quang phổ của đèn 31

Hình 2.11: Đèn ươm tại công ty Minh Hòa 32

Hình 2.12: Đèn pha led SMD 200W 33

Hình 2.13: Hệ thống lọc thô 34

Hình 2.14: Hệ thống lọc tinh 34

Hình 2.15:Quạt làm mát 35

Hình 2.16: Ống thủy canh lục giác 35

Hình 2 17: Ống cấp dinh dưỡng 36

Hình 2 18: Đường ống hồi lưu dinh dưỡng 37

Hình 2.19: Arduino Mega 2560 38

Hình 2.20: Sơ đồ chân của Arduino Mega 2560 39

Hình 2 21: Node MCU 0.9 (ESP-12 Module) 39

Hình 2.22: Một số Module ESP8266 40

Hình 2.23: Sơ đồ chân của Node MCU ESP-12 V1.0 41

Hình 2 24: Sơ đồ chân DHT21 42

Hình 2.25: Sơ đồ kết nối vi xử lý 42

Hình 2.26: Cảm biến ánh sáng BH1750 42

Hình 2.27: Chỉ số TDS của nước 44

Hình 2.28: Sơ đồ mạch chuyển tín hiệu 44

Hình 2.29: Sơ đồ kết nối mẫu 45

Hình 2 30: Cảm biến DS18B20 và sơ đồ đấu nối 45

Hình 2.31: Module 4 relay opto cách ly 5VDC 46

Hình 2.32: Công tắc tơ 47

Hình 2.33: Cấu tạo công tắc tơ 48

Hình 2 34: Nguyên lý hoạt đông của công tắc tơ 48

Hình 2.35: Công tắc hành trình 50

Hình 2 36: Sơ đồ kết nối bàn phím mềm 1x4 keypad 51

Hình 2.37: Mặt trước và sau của Grove-16x2 LCD (White on Blue) 52

Hình 2.38: Đèn báo pha hiển thị điện áp 52

Hình 2.39: Icon Arduino IDE 53

Hình 2.40: Giao diện soạn thảo 53

Hình 2.41: Icon Sublime Text 3 54

Hình 2.42: Giao diện soạn thảo của Sublime Text 55

Hình 2.43: Logo Nodejs 56

Hình 2.44: Angularjs 56

Hình 2.45: Tính năng cơ bản của AngularJS 58

Hình 2.46: Logo biểu trưng của Git 60

Hình 2.47: Firebase 61

Hình 2.48: Firebase xây dựng hành động tự động đăng nhập 62

Hình 2.49: Firebase cung cấp các hosting được phân phối theo tiêu chuẩn SSL 62

Hình 2.50: Giao diện Firebase 63

Hình 2.51: Đăng nhập Heroku 63

Hình 2.52: Đoạn code arduino đơn giản về điều khiển led 64

Hình 2.53: Logo JavaScript 65

Hình 2.54: Code JavaScript khi ấn F12 66

Hình 2 55: Một đoạn code đơn giản HTML 67

Hình 2.56: Giao diện thể hiện của code khi mở bằng trình duyệt Chrome 67

Hình 2.57: Cấu trúc cơ bản của trang HTML 68

Hình 2.58: Cấu trúc mở rộng của một trang web 69

Hình 2.59: Biểu trưng CSS 70

Hình 2.60: Logo Visual Studio Code 71

Hình 3.1: Mô phỏng nhà màng 72

Hình 3.2: Bố trí giàn thủy canh 72

Hình 3.3: Khoảng cách bố trí rau 73

Hình 3.4: Bố trí cảm biến ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm 73

Hình 3.5: Cảm biến TDS và nhiệt độ dung dịch 74

Hình 3.6: Tủ điện thực tế 74

Hình 3.7: Mạch điện bên trong tủ 75

Hình 3.8: Bàn phím điều khiển 75

Hình 3 9: Sơ đồ điều khiển quạt và mái che tự động 76

Hình 3 10: Quạt làm mát 76

Hình 3.11: Sơ đồ điều khiển phun sương tự động 77

Hình 3.12: Arduino kết nối với BH1750 78

Hình 3 14: Arduino kết nối cảm biến TDS 78

Hình 3.15: Mạch in của hệ thống 80

Hình 3.16: Sơ đồ nguyên lí của toàn hệ thống 81

Hình 3.17: Mô hình liên kết giữa Socket Server và Socket Client 83

Hình 3.18: Cấu trúc hoạt động của Server – Client 83

Hình 3.19: Hộp thoại Run 85

Hình 3.20: Cửa sổ Command line 85

Hình 3.21: Tiến trình khởi tạo project 86

Hình 3.22: Code tạo Socket Server 86

Hình 3.23: Chọn Git Bash Here 87

Hình 3.24: Chạy Socket Server 87

Hình 3.25: Một đoạn code tạo socket client 88

Hình 3.26: Các package sử dụng trong dự án 89

Hình 3.27: Giao diện đăng nhập vào trang web 89

Hình 3.28: Code Webapp cho phần thông báo đăng nhập 90

Hình 3.29: Giao diện tab Trang chủ 90

Hình 3.30: Code CSS định dạng style 91

Hình 3.31: Code HTML cho tab Trang chủ 91

Hình 3.32: Giao diện tab Công ty 92

Hình 3.33: Code HTML cho tab Công ty 92

Hình 3.34: Giao diện tab Điều khiển 93

Hình 3.35: Code HTML kết hợp Angular của tab “Điều khiển” 93

Hình 3.36: Biểu đồ nhiệt độ không khí 94

Hình 3.37: Biểu đồ độ ẩm không khí 94

Hình 3.38: Biểu đồ cường độ ánh sáng 95

Hình 3.39: Biểu đồ nhiệt độ dung dịch 95

Hình 3.40: Biểu đồ nồng độ hòa tan chất rắn (TDS) 95

Hình 3.41: Code Webapp 96

Hình 3.42: Đoạn code Webapp chọn chế độ “Auto” 96

Hình 3.43: Giao diện đăng ký tài khoản Heroku 97

Hình 3.44: Mail xác nhận kích hoạt từ Heroku 97

Hình 3.45: Dự án sau khi đăng ký 98

Hình 3.46: Đăng nhập Heroku từ Command Prompt 98

Hình 3.47: Các lệnh upload dự án 99

Hình 3.48: Thêm dự án trên Firebase 99

Hình 3.49: Giao diện khi tạo dự án thành công 100

Hình 3.50: Thông số dự án 100

Hình 3.51: Các thông số của Firebase trên Webapp 101

Hình 4 1: Hệ thống được lắp đặt thực tế 102

Hình 4 2: Sơ đồ hoạt động của hệ thống 103

Hình 4 3: Tủ điện nhìn từ bên ngoài 103

Hình 4 4: Bộ phận bên trong tủ điện 104

Hình 4 5: Hiển thị nhiệt độ, độ ẩm 104

Hình 4 6: Thông số hiển thị trên web 105

Hình 4 7: Màn hình cài đặt 106

Hình 4 8: Chọn chế độ 106

Hình 4 9: Chế độ Manual 107

Hình 4 10: Điều khiển quạt 107

Hình 4 11: Quạt đang hoạt động 108

Hình 4 12: Cài đặt thông số 108

Hình 4 13:Thông số ban đầu 109

Hình 4 14: Thông số đã được thay đổi 109

Hình 4 15: Giao diện biểu đồ xem từ điện thoại 110

Hình 4 16: Giao diện đăng nhập từ điện thoại 110

Hình 4 17: Giao diện đăng nhập từ máy tính 111

Hình 4 18: Cảm biến SmartLogic 111

Hình 4 19: SmartLogic nhìn gần 112

Hình 4 20: Biểu đồ dữ liệu trong 12 tiếng của SmartLogic 112

Hình 4 21: Biểu đồ dữ liệu trong 1 tuần của SmartLogic 113

Hình 4 22:Giao diện biểu đồ của đề tài 113

DANH MỤC BẢNG Bảng 3 1: Danh sách linh kiện 77 Bảng 3 2: Kết nối linh kiện 79

DANH MỤC CHỮ VIẾT TĂT

MỞ ĐẦU

Lí do chọn đề tài:

Hiện nay, nông nghiệp công nghệ cao đang được thực hiện và áp dụng rộng khắp tại nước ta Đặc biệt là các hệ thống nhà kín, nhà lưới mọc lên ngày càng nhiều Từ các máy móc gieo hạt tự động, công nghệ tưới tự động, tưới nhỏ giọt đến các hệ thống giám sát, điều khiển thông số môi trường và kể cả những máy móc thu hoạch ngày càng được áp dụng rộng rãi

Nhà lưới là mô hình được áp dụng nhiều nhất hiện nay và trồng rau thủy canh là một hướng đi mới đang được rất nhiều người thực hiện Trong hệ thống nhà lưới trồng rau thủy canh sẽ cần có sự theo dõi xuyên suốt các thông số môi trường không khí cũng như là môi trường dung dịch dinh dưỡng

Trồng rau thủy canh là một hướng đi mới trong thời đại hiện nay, người dân tại Cần Thơ đã dần bắt kịp hướng đi đó và đầu tư vào hệ thống này Việc vận hành

hệ thống hiện nay còn thủ công, tốn chi phí và bất tiện Người trồng rau không thể lúc nào cũng ở nhà lưới để theo dõi các thông số thay đổi thường xuyên của môi trường dẫn đến việc năng suất rau không cao khi các thông số thay đổi mà không được điều chỉnh

Việc vận hành các thiết bị chấp hành như quạt, máy bơm, phun sương một cách thủ công dẫn đến việc tiêu tốn năng lượng không cần thiết, ảnh hưởng đến quá trình sinh trưởng và phát triển của rau

Nếu trồng rau thủy canh mà không nắm được các thông số và sự thay đổi của các thông số này thì đó là cách trồng không khoa học Ở những thời điểm nhất định, người nông dân không biết được cây đang cần hoặc thiếu dưỡng chất hay điều kiện

gì

Để bắt kịp, đáp ứng xu hướng hiện nay và áp dụng kiến thức đã học vào thực

tế nhằm giải quyết các vấn đề hiện nay, tôi đã quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế

hệ thống giám sát điều kiện tự nhiên và dinh dưỡng của vườn rau thủy canh” Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế hệ thống tủ điện giám sát các chỉ số điều kiện môi trường qua màn hình LCD, điều khiển thiết bị bằng nút ấn vật lí và hệ thống trang web giám sát trực tuyến Realtime, điều khiển thiết bị bằng các thao tác trên trên web

Áp dụng kiến thức đã học từ chuyên ngành và kết hợp các kiến thức lập trình, thiết kế web vào thực tiễn Đưa đề tài vào sử dụng trong môi trường thực tế

Theo dõi các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của rau:

 Nhiệt độ, độ ẩm trong không khí

 Cường độ ánh sáng

 Nhiệt độ dung dịch dinh dưỡng

 Nồng độ hòa tan chất rắn trong dung dịch

Điều khiển các thiết bị chấp hành như: Máy bơm, quạt thông gió, đèn, phun sương, máy che

Hệ thống có thể chạy ở chế độ tự động để thực hiện điều chỉnh các thông số môi trường phù hợp với sự phát triển của rau

 Cảm biến nhiệt độ môi trường nước DS18B20

 Cảm biến nồng độ hòa tan chất rắn TDS

Xây dựng hệ thống IoT theo dõi thông số và quản lí các thiết bị:

 Xây dựng hệ thống Web server Realtime giám sát và điều khiển từ xa

 Thông số thu thập được biểu diễn dưới dạng số và dạng biểu đồ, thể hiện trực quan các thông số thay đổi theo thời gian thực

 Có thể sử dụng điện thoại thông minh hoặc máy tính để vận hành hệ thống Các cảm biến cho giá trị tương đối chính xác, hệ thống điều khiển thiết bị chấp hành tốt và hoạt động ổn định Dữ liệu hiển thị rõ ràng trên LCD và cả trên Web

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

Đề tài là sự kết hợp giữa kiến thức của khoa học kỹ thuật tiên tiến và kiến thức canh tác hiện đại Bằng cách kết hợp các cảm biến để theo dõi thông số của môi trường, các thiết bị chấp hành và kỹ thuật canh tác rau thủy canh hiện đại để đảm bảo các thông số đó được giữ ở mức ổn định nhằm giúp các loại rau phát triển tốt Và từ đó sẽ giảm được sức lao động của con người ở khâu quản lí và chăm sóc vườn rau của mình, đồng thời sẽ làm tăng sản lượng thu hoạch, tăng năng suất Canh tác rau thủy canh kết hợp với hệ thống quản lí và chăm sóc tự động sẽ giúp tiết kiệm lượng nước, lượng dinh dưỡng cung cấp cho cây Kiểm soát tốt, không để trong rau tồn tại trữ lượng các nguyên tố đa, vi lượng vượt mức cho phép, đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng Bên cạnh đó đề tài còn mang ý nghĩa bảo vệ môi trường, đây là giải pháp lâu dài khi đồng bằng Sông Cửu Long ngày càng phải đối mặt và chịu nhiều ảnh hưởng rõ rệt của biến đổi khí hậu toàn cầu, việc khô hạn, thiếu nước ngọt sinh hoạt và tưới tiêu cho cây trồng

Bố cục đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

Chương 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Công nghệ tưới nhỏ giọt Israel

Hệ thống tưới nhỏ giọt Isreael được mệnh danh là đột phá nhất cho nền nông nghiệp, giúp giải quyết các vấn đề về trồng trọt mà đất nước này đang gặp phải Hiện nay đã được chuyển nhượng và chuyển giao cho nhiều quốc gia trên thế giới giúp mang lại hiệu quả to lớn

Công nghệ tưới nhỏ giọt của Israel tuy không phải là sáng kiến to lớn, nhưng lại góp công rất lớn vào xử lí hiện trạng nông nghiệp của họ và đang được nhiều nước trên thế giới áp dụng học tập theo

Tại Israel, nước luôn là thứ tài nguyên khan hiếm, vô cùng quý có thể sánh ngang vàng Cho nên, bài toán đặt lên hàng đầu là phải sử dụng nguồn nước hợp lý, triệt để và mang lại hiệu quả cao nhất khi mang vào sử dụng trong cuộc sống

Mục tiêu ra đời của hệ thống tưới nhỏ giọt theo công nghệ Israel là tiết kiệm nước Nhưng với sự sáng tạo, đã tích hợp thêm nhiều tiện ích như vòi phun áp lực thấp để phun mưa loại nhỏ, lọc nhiều tầng, van điều khiển tự động Nhờ hệ thống tưới nhỏ giọt, người dân Israel đã tiết kiệm được 60% lượng nước dùng trong nông nghiệp

Các cánh đồng của Israel đều được lắp đặt mạng lưới dẫn nước này, bao gồm nhiều ống nhỏ như các mao mạch trong cơ thể để vận chuyển nước tới từng gốc cây

Hình 1.1: Hệ thống tưới nhỏ giọt

Hệ thống thông minh này được điều khiển qua máy tính kết hợp cảm biến tự động đóng mở van tưới khi phát hiện độ ẩm của rễ cây đạt mức thích hợp Hệ thống

này còn đảm nhận luôn nhiệm vụ bón phân cung cấp dinh dưỡng tới rễ cây bằng cách hòa phân bón vào bể chứa nước rồi vận chuyển theo đường ống đến từng cây

Nhận thấy lợi ích lớn lao và hiệu quả mang lại, các nhà nghiên cứu và người dân Việt Nam đã học hỏi và áp dụng công nghệ tưới nhỏ giọt này cho nền nông nghiệp nước nhà với những vật liệu hoàn toàn địa phương và đã đạt được những thành công bước đầu như:

 Giảm chi phí xăng dầu, điện cho tưới tiêu

 Giảm đáng kể lượng nước tưới

 Giảm công sức và thời gian vận chuyển nước

 Kiểm soát và tiết kiệm lượng phân bón

 Và rất nhiều lợi ích khác mà hệ thống này mang lại

Hình 1.2:Ống nhỏ giọt thực tế Một số khó khăn tại Việt Nam:

 Chưa hoàn thành được hệ thống dẫn mao mạch thật sự, vì hệ thống lọc còn kém thường gây ra tình trạng tắc, phát sinh nhiều chi phí bảo trì

 Kể cả những ống lớn đều có hiện tượng tắc nghẽn theo thời gian gây cản trở việc tưới tiêu đồng đều

 Điều khiển hệ thống vẫn còn thủ công

 Vật liệu chưa đáp ứng tốt nhất cho hệ thống tưới

1.1.2 Công nghệ trồng rau thủy canh

Thủy canh là một kỹ thuật trồng cây trong môi trường dung dịch dinh dưỡng, đơn giản bạn có thể hiểu là việc trồng cây trong nước

Nguyên lý của phương pháp này chính là dùng nước làm môi trường cung cấp đầy đủ cho cây các nguyên tố, dinh dưỡng cần thiết đúng lúc để cây phát triển Vẫn đảm bảo đầy đủ ánh sáng cho quá trình quang hợp, hô hấp của cây để cây có thể phát triển mạnh với năng suất cao

Hình 1.3:Hệ thống giàn rau thủy canh tại Minh Hòa

Ở môi trường đất, cây chỉ lấy và khả năng hấp thụ khoảng 5% dinh dưỡng từ môi trường đất, 95% dinh dưỡng còn lại là do cây tự tổng hợp trong quá trình quang hợp và sử dụng

Môi trường đất ở đây chỉ đóng vai trò làm nơi lưu trữ dinh dưỡng cho quá trình phát triển của cây, cây sẽ sử dụng từ từ lượng dinh dưỡng này trong quá trình phát triển và lớn lên

Với thủy canh, dinh dưỡng được chuyển hóa dưới dạng lỏng ( dạng dễ hấp thụ nhất cho cây) để cây dễ dàng hấp thụ trong quá trình phát triển nên ta hoàn toàn không cần dùng đất làm môi trường sống cho cây

Với phương pháp này, bạn đã tạo ra một môi trường sống khá sạch cho cây trồng, không có những ảnh hưởng ô nhiễm từ môi trường đất gây ra cho cây như nấm, sâu bệnh,…

Hình 1.4: Các loại rau đa dạng tại Minh Hòa Thủy canh được nghiên cứu là phương pháp cho ra năng suất cao hơn so với phương pháp trồng rau thổ canh, không chỉ vậy mà thủy canh còn tận dụng diện tích trồng khá tốt vì có thể chia không gian thành nhiều tầng để mở rộng diện tích 1.1.2.1 Hệ thống thủy canh dạng bấc

Đây là hệ thống thủy canh đơn giản nhất Nguyên lý hoạt động của hệ thống như nguyên tắc của đèn dầu sử dụng sợi bấc để cung cấp dinh dưỡng cho cây

Đặt một đầu sợi dây bấc chìm trong dung dịch dinh dưỡng, đầu còn lại chạm vào rễ của cây Sợ bấc sẽ có nhiệm vụ hút nước và dinh dưỡng lên để nuôi cây, như vậy cây vẫn có đủ dinh dưỡng để phát triển

Hình 1.5: Mô hình thủy canh dạng bấc

1.1.2.2 Hệ thống thủy canh tĩnh

Hệ thống này sử dụng một bể, thùng chứa dung dịch thủy canh phía dưới Phần giữ cầy thường làm bằng chất liệu nhẹ phía trên miệng Rễ cây sẽ được ngập trong dung dịch thủy canh

Hình 1.6: Hệ thống thủy canh tĩnh

Môi trường thủy canh tĩnh có một nhược điểm là thiếu khí oxy nên phải có máy tạo khối sủi bọt để cung cấp oxi cho cây Hệ thống này chỉ phù hợp với một số loại cây và thông thường chỉ được sử dụng trong giảng dạy vì chi phí khá ít vì có thể tận dụng những bình chứa không sử dụng

1.1.2.3 Hệ thống thủy canh hồi lưu

Khác với thủy canh tĩnh phần rễ cây luôn chìm trong dung dịch thì mô hình này có thêm một máy bơm để điều khiển lượng dung dịch vào khay rồi rút ra theo một chù kỳ nhất định

Như vậy bộ rễ của cây không phải lúc nào cũng ngập trong nước, tránh được ngập úng và tạo được khoảng không để cây có thể thở tự nhiên Mô hình này khá tối

ưu và hiện tại đang được ứng dụng vào sản xuất ở rất nhiều trang trại tại Việt Nam

Hình 1.7: Hệ thống thủy canh hồi lưu

1.1.2.4 Giá thể trồng rau thủy canh

Trong việc trồng rau thủy canh thì giá thể khá quan trọng, đặc biệt trong giai đoạn hạt giống nảy mầm và khi mang cây con để trồng vào các rọ thủy canh Lượng giá thể trong mỗi rọ thủy canh cũng vừa phải để tiết kiệm và tiện cho việc xử lý

 Giá thể được sử dụng trong phương pháp thủy canh phải đảm bảo được khả năng giữ ẩm và thoáng khí cho cây trồng

 Giá thể trồng rau thủy canh phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến độ PH

ổn đinh của dung dịch, khả năng sinh trưởng của rau

 Giá thể phải có khả năng thấm nước để cây có thể dễ dàng sử dụng Có thể

dễ dàng phân hủy và tái sự dụng

Hiện nay, có 3 loại giá thể được sử dụng trong thủy canh là xơ dừa, perlite, đất sét nung đang được sử dụng phổ biến

 Xơ dừa có khả năng giữ nước tốt, giá rẻ, dễ dàng kiếm

 Perlite là đá núi lửa, rỗng ruốt, khá nhẹ, giữ ẩm tốt, tạo môi trường thông thoáng khí cho bộ rễ phát triển Giá thể này khá được ưa chuộng trong quá trình ươm giống, giâm cành

 Đất sét nung là từng viên nhỏ được nung ở nhiệt độ cao, hút nước tốt, giữ ẩm cao, được ưa chuộng sử dụng trong hệ thống thủy canh ngập xả định kỳ

Hình 1.8: Giá thể sơ dừa

Mô hình không chỉ áp dụng tại các trang trại lớn với quy mô sản xuất thương mại mà ngày nay còn được sử dụng phổ biến trong các hộ gia đình cho việc trồng

rau tại nhà Phương pháp này đang là một trong những xu hướng mới trên thị trường hiện nay

1.1.3 Công nghệ trồng rau khí canh

Khí canh là một dạng mô hình của thủy canh Mô hình này chứa nhiều ưu điểm và có thể sử dụng để tự tạo ra các nguồn rau sạch cho chính ngôi nhà của bạn

Hiểu một cách đơn giản nhất, khí canh là hệ thống trồng cây không cần đất, nước mà trồng trong môi trường không khí có chứa các giọt dinh dưỡng dưới dạng sương mù

Hình 1.9: Mô hình trồng rau khí canh

Để có thể áp dụng thành công phương pháp này, người trồng cần nắm rõ các kiến thức cơ bản về thủy canh cũng như có kinh nghiệm sâu trong lĩnh vực này Cấu trúc cơ bản của hệ thống khí canh

Hệ thống khí canh được tạo thành từ 5 bộ phận cơ bản, bao gồm: giá đỡ, hệ thống cung cấp dinh dưỡng, hệ thống chiếu sáng, hệ thống cảm biến và hệ thống module sim

Giá đỡ: bộ phận này thường được khoan trên bề mặt, có tác dụng giữ rễ ở dưới kệ

Hệ thống cung cấp dinh dưỡng: bao gồm bình chứa dinh dưỡng, hệ thống ống dẫn

và đầu phun dinh dưỡng và máy bơm

Hệ thống cảm biến: có tác dụng đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và siêu âm mức nước

Ưu điểm của hệ thống:

 Kỹ thuật khí canh là phương áp ứng dụng công nghệ hiện đại, có sự tích hợp của công nghệ sinh học, tin học, tự động hóa và công nghệ vật liệu mới

 Giúp tiết kiệm tối đa lượng nước cung cấp để trồng rau (90%)

 Không cần đến đất vẫn có thể trồng rau để cung cấp nguồn rau sạch cho người tiêu dùng

 Cho phép nhân nhiều loại giống với chu kỳ nhân giống nhanh, có thể trồng

vụ quanh năm

 Giúp cây sinh trưởng và phát triển nhanh, cho năng suất cao gấp 1.5 lần so với kỹ thuật trồng cây truyền thống hạn chế được sự phụ thuộc vào yếu tố tự nhiên

 Tạo môi trường sống hoàn toàn sạch bệnh cho cây nên không cần phải có sự can thiệp của thuốc trừ sâu bệnh có chất hóa chất độc hại

 Vi khuẩn rất khó tiếp cận để làm hại bộ rễ của cây

Nhược điểm:

 Chi phí dùng để đầu tư, vận hành, sửa chữa khá lớn

 Cần phải áp dụng công nghệ cao mới có thể thực hiện thành công kỹ thuật này

 Vì mô hình cần hoạt động 24/24 giờ nên tiêu thụ lượng điện năng khá lớn

 Cần kiểm tra sâu bệnh cho cây hằng ngày để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường

1.2 Hệ thống IoT

1.2.1 Khái niệm

Internet vạn vật, hay cụ thể hơn là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc

là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things, viết tắt IoT) là một liên mạng, trong đó các thiết bị, phương tiện vận tải (được gọi là "thiết bị kết nối" và "thiết bị thông minh"), phòng ốc và các trang thiết bị khác được nhúng với các bộ phận điện tử, phần mềm, cảm biến, cơ cấu chấp hành cùng với khả năng kết nối mạng máy tính giúp cho các thiết bị này có thể thu thập và truyền tải dữ liệu.

Năm 2013, tổ chức Global Standards Initiative on Internet of Things GSI) định nghĩa IoT là "hạ tầng cơ sở toàn cầu phục vụ cho xã hội thông tin, hỗ trợ các dịch vụ (điện toán) chuyên sâu thông qua các vật thể (cả thực lẫn ảo) được kết nối với nhau nhờ vào công nghệ thông tin và truyền thông hiện hữu được tích hợp" và với mục đích ấy một "vật" là "một thứ trong thế giới thực (vật thực) hoặc thế giới thông tin (vật ảo), mà vật đó có thể được nhận dạng và được tích hợp vào một mạng lưới truyền thông"

(IoT-Hệ thống IoT cho phép vật được cảm nhận hoặc được điều khiển từ xa thông qua hạ tầng mạng hiện hữu, tạo cơ hội cho thế giới thực được tích hợp trực tiếp hơn vào hệ thống điện toán, hệ quả là hiệu năng, độ tin cậy và lợi ích kinh tế được tăng cường bên cạnh việc giảm thiểu sự can dự của con người Khi IoT được gia tố cảm biến và cơ cấu chấp hành, công nghệ này trở thành một dạng thức của hệ thống ảo- thực với tính tổng quát cao hơn, bao gồm luôn cả những công nghệ như điện lưới thông minh, nhà máy điện ảo, nhà thông minh, vận tải thông minh và thành phố thông minh Mỗi vật được nhận dạng riêng biệt trong hệ thống điện toán nhúng và

có khả năng phối hợp với nhau trong cùng hạ tầng Internet hiện hữu Các chuyên gia dự báo rằng Internet Vạn Vật sẽ ôm trọn chừng 30 tỉ vật trước năm 2020

Về cơ bản, Internet Vạn Vật cung cấp kết nối chuyên sâu cho các thiết bị, hệ thống và dịch vụ, kết nối này mang hiệu quả vượt trội so với kiểu truyền tải máy- máy (M2M), đồng thời hỗ trợ da dạng giao thức, miền (domain), và ứng dụng Kết nối các thiết bị nhúng này (luôn cả các vật dụng thông minh), được kỳ vọng sẽ mở

ra kỷ nguyên tự động hóa trong hầu hết các ngành, từ những ứng dụng chuyên sâu như điện lưới thông minh, mở rộng tới những lĩnh vực khác như thành phố thông minh

Hình 1.10: Internet of things

IoT là một kịch bản của thế giới, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó

Khi tự động hóa có kết nối internet được triển khai đại trà ra nhiều lãnh vực, IoT được dự báo sẽ tạo ra lượng dữ liệu lớn từ đa dạng nguồn, kéo theo sự cần thiết cho việc kết tập dữ liệu nhanh, gia tăng nhu cầu đánh chỉ mục, lưu trữ, và xử lý các

dữ liệu này hiệu quả hơn Internet Vạn Vật hiện nay là một trong các nền tảng của Thành phố Thông minh, và các Hệ thống Quản lý Năng lượng Thông minh

Khái niệm "the Internet of Things" do Kevin Ashton làm việc tại Procter & Gamble, sau này là MIT's Auto-ID Center, giới thiệu vào năm 1999

1.2.2 Ứng dụng

1.2.2.1 Nhà thông minh

Bất cứ khi nào chúng ta nghĩ về các hệ thống IoT, ứng dụng quan trọng, hiệu quả và nổi bật nhất được nhắc đến chính là Smart Home - ứng dụng IOT xếp hạng cao nhất trên tất cả các kênh

Số người tìm kiếm nhà thông minh tăng mỗi tháng với khoảng 60.000 người

và con số chưa hề có dấu hiệu dừng lại

Hình 1.11: Ứng dụng nhà thông minh Một điều thú vị nữa là cơ sở dữ liệu về nhà thông minh cho IoT Analytics bao gồm 256 công ty và công ty khởi nghiệp Nhiều công ty hiện đang tích cực

tham gia vào các ngôi nhà thông minh hơn là các ứng dụng tương tự khác trong lĩnh vực IoT

Số tiền tài trợ ước tính cho các phần khởi động Smart Home đã vượt quá 2,5

tỷ đô la và ngày càng tăng Danh sách các công ty khởi nghiệp bao gồm các tên công ty khởi nghiệp nổi bật như AlertMe hoặc Nest cũng như một số tập đoàn đa quốc gia như Philips, Haier hoặc Belkin, v.v

1.2.2.2 Sản phẩm có thể đeo được

Cũng giống như nhà thông minh, wearables (thiết bị đeo được) vẫn là một chủ đề nóng trong số các ứng dụng IoT tiềm năng Hàng năm, người tiêu dùng trên toàn cầu đang chờ đợi việc phát hành đồng hồ thông minh của Apple Ngoài ra, có rất nhiều thiết bị đeo được khác làm cho cuộc sống của chúng ta dễ dàng như Sony Smart B Trainer, hoặc vòng đeo tay LookSee, điều khiển cử chỉ Myo

Hình 1.12: Phụ kiện thông minh 1.2.2.3 Thành phố thông minh

Thành phố thông minh như tên gọi là một sự đổi mới rất lớn và mở rộng nhiều trường hợp sử dụng, từ phân phối nước đến quản lý giao thông, quản lý chất thải, giám sát môi trường và an ninh đô thị Lý do tại sao nó rất phổ biến là nó cố gắng để loại bỏ sự khó chịu và vấn đề của những người dân sống ở thành phố

Hình 1.13: Thành phố thông minh Các giải pháp IoT được cung cấp trong khu vực Smart City giải quyết các vấn đề liên quan đến thành phố bao gồm giao thông, giảm ô nhiễm không khí và tiếng ồn và giúp các thành phố an toàn hơn

1.2.2.4 Mạng lưới thông minh

Lưới thông minh là một lĩnh vực ứng dụng khác cũng khá nổi bật Lưới thông minh về cơ bản hứa hẹn sẽ trích xuất thông tin về hành vi của người tiêu dùng

và nhà cung cấp điện theo cách tự động nhằm nâng cao hiệu quả, kinh tế và độ tin cậy của phân phối điện 41.000 tìm kiếm trên Google hàng tháng là minh chứng cho tính phổ biến của khái niệm này

Hình 1 14: Mạng lưới thông minh 1.2.2.5 Internet công nghiệp

Một cách để nghĩ về Internet công nghiệp là kết nối các máy móc và thiết bị trong các ngành như phát điện, dầu, khí đốt và chăm sóc sức khỏe Nó cũng được sử dụng trong các tình huống mà thời gian ngừng hoạt động không mong muốn và lỗi

hệ thống có thể dẫn đến các tình huống đe dọa tính mạng

Một hệ thống được nhúng với IoT có xu hướng bao gồm các thiết bị như bang đeo khi tập thể dục để theo dõi nhịp tim hoặc các thiết bị gia dụng thông minh Các hệ thống này có chức năng và có thể cung cấp rất dễ sử dụng nhưng không đáng tin cậy vì chúng thường không tạo ra các tình huống khẩn cấp nếu xảy ra thời gian chết

1.2.2.6 Xe được kết nối

Công nghệ xe được kết nối là một mạng lưới rộng lớn và rộng lớn gồm nhiều cảm biến, ăng-ten, phần mềm nhúng và công nghệ hỗ trợ giao tiếp để điều hướng trong thế giới phức tạp của chúng tôi Nó có trách nhiệm đưa ra quyết định với sự nhất quán, chính xác và tốc độ

Hình 1.15: Xe hơi tự lái

Nó cũng phải đáng tin cậy Những yêu cầu này sẽ trở nên quan trọng hơn khi con người từ bỏ hoàn toàn việc kiểm soát tay lái và phanh cho các phương tiện tự động hoặc tự động đang được thử nghiệm thành công trên đường cao tốc của chúng

ta hiện tại

1.2.2.7 Sức khỏe được kết nối

IoT có các ứng dụng khác nhau trong chăm sóc sức khỏe, từ các thiết bị giám sát từ xa đến các bộ cảm ứng tiên tiến và thông minh để tích hợp thiết bị Nó có tiềm năng để cải thiện cách thức các bác sĩ chăm sóc và giữ cho bệnh nhân an toàn

và khỏe mạnh

Hình 1.16: Kết nối hệ thống y tế Chăm sóc sức khỏe IoT có thể cho phép bệnh nhân dành nhiều thời gian hơn

để tương tác với bác sĩ của họ nhờ đó nó có thể thúc đẩy sự tham gia của bệnh nhân

và sự hài lòng Từ cảm biến thể dục cá nhân đến robot phẫu thuật, IoT trong chăm sóc sức khỏe mang đến những công cụ mới được cập nhật với công nghệ mới nhất trong hệ sinh thái giúp phát triển chăm sóc sức khỏe tốt hơn

IoT giúp cách mạng hóa chăm sóc sức khỏe và cung cấp các giải pháp thân thiện với túi tiền cho bệnh nhân và chuyên gia chăm sóc sức khỏe

1.2.2.8 Bán lẻ thông minh

Các nhà bán lẻ đã bắt đầu áp dụng các giải pháp IoT và sử dụng hệ thống nhúng IoT trên một số ứng dụng cải thiện hoạt động lưu trữ như tăng mua hàng, giảm hành vi trộm cắp, cho phép quản lý khoảng không quảng cáo và nâng cao trải nghiệm mua sắm của người tiêu dùng

Hình 1.17: Bán hàng trực tuyến Thông qua các nhà bán lẻ vật lý IoT có thể cạnh tranh với những người thách thức trực tuyến mạnh mẽ hơn Họ có thể lấy lại thị phần bị mất của họ và thu hút người tiêu dùng vào cửa hàng, do đó làm cho nó dễ dàng hơn cho họ để mua nhiều hơn trong khi tiết kiệm tiền

1.2.2.9 Chuỗi cung ứng thông minh

Chuỗi cung ứng đã trở nên thông minh hơn trong vài năm Cung cấp giải pháp cho các vấn đề như theo dõi hàng hóa trong khi họ đang đi trên đường, khi quá cảnh hoặc giúp nhà cung cấp trao đổi thông tin khoảng không quảng cáo là một số dịch vụ phổ biến

Với một hệ thống được kích hoạt IoT, thiết bị nhà máy có chứa các cảm biến nhúng truyền dữ liệu về các thông số khác nhau như áp suất, nhiệt độ và sử dụng máy Hệ thống IoT cũng có thể xử lý quy trình làm việc và thay đổi cài đặt thiết bị

để tối ưu hóa hiệu suất

Hình 1.18: Chuỗi cung ứng thông minh 1.2.2.10 Canh tác thông minh

Canh tác thông minh là một ứng dụng IoT thường bị bỏ qua Tuy nhiên, do

số lượng các hoạt động canh tác thường là từ xa và số lượng lớn chăn nuôi mà nông dân làm việc, tất cả điều này có thể được theo dõi bởi Internet of Things và cũng có thể cách mạng hóa cách thức nông dân làm việc

Nhưng ý tưởng này vẫn chưa đạt được sự chú ý quy mô lớn Tuy nhiên, nó vẫn còn là một trong những ứng dụng IoT không nên được đánh giá thấp Chăn nuôi thông minh có tiềm năng trở thành một lĩnh vực ứng dụng quan trọng đặc thù ở các nước xuất khẩu nông sản

Hình 1.19:Canh tác thông minh

1.3 Các mô hình trồng rau công nghệ cao

1.3.1 Nhà kính

1.3.1.1 Khái niệm

Nhà kính là công trình thường có tường và mái làm bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh Vì nhà kính có mái và tường bằng kính hoặc nhựa nên chúng có khả năng

tự nóng lên do bức xạ nhìn thấy được của mặt trời khi đi qua lớp kính trong suốt bị hấp thụ bởi thực vật, đất đai và những thứ khác bên trong nhà kính

Không khí được làm ấm bởi nhiệt từ những bề mặt nóng bên trong được giữ lại bởi mái nhà và những bức tường Thêm vào đó, những cây cối và cấu trúc bên trong nhà kính sau khi được làm ấm lại bức xạ lần nữa nhiệt năng của chúng trong dải quang phổ hồng ngoại Do có thể điều chỉnh được nhiệt độ, cũng như việc tưới nước duy trì độ ẩm nhất định nên có thể quy định được khí hậu trong nhà kính Khu vườn ngoài trời và trong nhà kính có lợi thế và bất lợi khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và yêu cầu cụ thể của người làm vườn Cũng có những lợi thế và bất lợi cho các loại nhà kính được sử dụng

1.3.1.2 Ưu điểm

Hệ thống nhà kính trồng rau có ưu điểm lớn nhất là rau không bị ảnh hưởng bởi thời tiết của môi trường bên ngoài Vào mùa hè, rau không bị ảnh hưởng bởi khí hậu nóng nực và những trận mưa lớn gây dập nát rau Mùa đông hệ thống nhà kính che sương xuống rau Do đó, người canh tác có thể hoàn toàn chủ động trong việc chăm sóc và nuôi trồng những luống rau của mình

Ngoài ra, nhà kính trồng rau còn giúp che chắn khỏi những loài sâu bọ phá hoại lá cây, các loại mối, mọt, ruồi,… phá hoại mùa màng Như vậy, người nông dân sẽ không còn phải dùng quá nhiểu thuốc trừ sâu cho rau Sản phẩm thu được sẽ chất lượng, sạch sẽ và an toàn hơn rất nhiều

Thiết kế kiểu nhà vòm khi lắp đặt hệ thống nhà kính trồng rau giúp cung cấp

đủ ánh sáng cho vườn rau nhà bạn Nhìn chung, ưu điểm khi trồng rau trong nhà kính là sản phẩm thu được rất an toàn, tiết kiệm chi phí thuốc trừ sâu mà vẫn đảm bảo quá trình phát triển của vườn rau

Hình 1.20: Chăm sóc rau trong nhà kính 1.3.1.3 Nhược điểm

Nhược điểm lớn nhất của hệ thống nhà kính là thường được xây dựng ở diện tích khá nhỏ, chỉ khoảng từ 500 – 1000m2 Do đó khó có thể trồng nhiều loại rau cùng một lúc mà phải luân canh

Hơn nữa xây dựng nhà kính tốn khá nhiều chi phí, nhất là các chi tiết nhỏ như tấm kính khung sắt, lắp đặt hệ thống tưới tiêu Vì thế đầu tư vào hệ thống nhà kính cần có nguồn vốn lớn Noài ra, khi đầu tư xây dựng nhà kính, chủ đầu tư cần tính toán thật kỹ lựa chọn các vật liệu sao cho sử dụng trong khoảng thời gian dài nhất để tiết kiệm chi phí sửa chữa

Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt Mái được thiết

kế theo kiểu mái bằng hoặc mái nghiêng hai bên; có độ cao chỉ từ 2,0 - 3,9 m

Diện tích mỗi nhà lưới có thể từ 500 - 1.000 m2 theo từng điều kiện canh tác Nhà lưới kín ngăn ngừa được côn trùng phá hoại và đẻ trứng, giảm tối đa lượng thuốc trừ sâu sử dụng, tăng độ an toàn cho nông sản, tăng thời vụ sản xuất, giảm xói mòn đất, giảm cường độ ánh sáng, trồng được rau trái vụ

Do thông gió kém, nếu không có thiết bị thông gió, về mùa nắng, nhiệt độ trong nhà lưới cao hơn ở ngoài 1- 2oC sẽ ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây

Nhà lưới hở

Nhà lưới chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc một phần bao xung quanh Nhà thiết kế rất đơn giản với kiểu mái bằng, mái nghiêng hai bên.; khung nhà có thể làm bằng cột bê tông, khung sắt, khung gỗ, cây gỗ chống và căng dây kẽm, dây cáp để giữ lưới

Sử dụng nhà lưới hở giúp giảm ánh sáng, hạn chế mưa xối trực tiếp, giảm sâu bệnh hại Tuy nhiêm, không có tác dụng ngăn ngừa côn trùng

1.3.2.2 Ưu điểm

 Mô hình nhà lưới trồng rau có rất nhiều lợi ích đối với nông nghiệp

 Nó giúp bảo vệ rau khỏi côn trùng phá họai, từ đó giảm được tối đa việc sử dụng thuốc bảo vệ thực vật Từ đó, rau dễ đạt được tiêu chuẩn an toàn và giá trị cao

 Nhà lưới trồng rau còn tạo môi trường tốt cho rau sinh trưởng và phát triển

 Kết hợp với việc chăm sóc và bón phân đầy đủ sẽ làm tăng năng suất rau trồng dẫn đến người nông dân được thu lợi nhuận cao

 Nhà lưới sẽ giúp bảo vệ rau trồng khỏi tác động của thời tiết, tránh mưa làm dập nát lá rau Nhà lưới còn có hệ thống tưới phun tự động nên giảm được công lao động đáng kể

1.3.2.3 Nhược điểm

Ngoài những lợi ích của nhà lưới trồng rau, mô hình này cũng có một số hạn chế cơ bản như:

 Đó là vào mùa nóng, nhiệt độ nhà lưới sẽ cao hơn nhiệt độ bên ngoài từ 1-2

độ C nếu không được thông gió tốt

 Đây là yếu tố có thể ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng của rau trồng Tuy nhiên, bạn vẫn có thể khắc phục hạn chế này bằng cách sử dụng hệ thống phun mưa trong nhà lưới để giảm bớt nhiệt độ lúc nhiệt độ cao

 Mô hình nhà lưới còn hạn chế ở diện tích Nếu bạn không tính toán chính xác diện tích nhà lưới và diện tích cây trồng thì sẽ rất dễ phát sinh nấm bệnh

 Giá nhà lưới trồng rau cũng khá cao cho nên bà con nông dân vẫn còn rất ngần ngại chưa dám đầu tư

Mặc dù vẫn còn nhiều hạn chế, tuy nhiên, nhà lưới trồng rau vẫn là mô hình đang được khuyến khích sử dụng ở Việt Nam để nâng cao chất lượng nông nghiệp

Nếu mạnh dạn đầu tư thì trong tương lai sẽ thấy được hiệu quả cao mà chúng mang lại và gia đình bạn và cộng đồng sẽ được sử dụng rau sạch hoàn toàn

1.4 Giới thiệu về công ty TNHH đầu tư và phát triển Minh Hòa

Loại hình hoạt động: Công ty TNHH Một Thành Viên

Địa chỉ: 273 đường Nguyễn Văn Linh, Khu vực Bình Phó B, Phường Long Tuyền, Quận Bình Thủy, Thành phố Cần Thơ

Đại diện pháp luật: Lâm Việt Hòa

Ngành nghề kinh doanh: Trồng rau, đậu các loại và trồng hoa, cây cảnh (chính), Dịch vụ ăn uống…

 Vài nét về công ty

Minh Hòa là một công ty kinh doanh đa ngành nghề, nhưng sản phẩm chính của công ty là rau thủy canh và cung cấp dịch vụ lẫu chay sử dụng rau tại vườn Với diện tích gần 8000 mét vuông đất được chia thành 3 khu:

 Khu 1: Khu vực trưng bày sản phẩm và phục vụ ăn uống

 Khu 2: Sử dụng hệ thống trồng rau thủy canh hồi lưu, trồng các loại rau ăn lá phổ biến như xà lách, rau muống…

 Khu 3: Sử dụng hệ thống trồng hữu cơ kết hợp công nghệ tưới nhỏ giọt của Israel, trồng các loại rau màu thân thảo như bí ngòi, dưa leo, cà chua… 1.5 Hiệu quả của công nghệ trồng rau thủy canh

Với một hệ thống trồng rau thủy canh cơ bản, chủ vườn sẽ tiết kiệm được rất nhiều công chăm sóc, nước tưới và cả quỹ đất Do được cung cấp đầy đủ lượng nước cũng như dinh dưỡng nên các loại rau được trồng sẽ phát triển rất tốt, hàm lượng dinh dưỡng cao và kiểm soát được lượng phân bón cũng như các nguyên tố

đa, vi lượng có trong rau đảm bảo sức khỏe cho người tiêu dùng

Với cùng một diện tích canh tác, giữa người trồng rau truyền thống và người

sử dụng công nghệ thủy canh thì người trồng rau thủy canh sẽ có những lợi thế như: rút ngắn thời gian thu hoạch, giá bán cao, tiết kiệm công chăm sóc, sản phẩm đạt chất lượng, hiệu quả và năng suất cao

Không những mang lại lợi ích kinh tế mà trồng rau thủy canh còn giảm thiểu

ô nhiễm môi trường, hạn chế tuyệt đối việc phun thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật

1.6 Vấn đề tập trung nghiên cứu của đề tài

Qua các phân tích về sự cần thiết của một hệ thống theo dõi, giám sát và tự động cân bằng thông số môi trường cho thấy đây là một hệ thống rất cần thiết với người trồng rau thủy canh Ngoài việc cho các thông số trực quan, hệ thống sẽ giúp tăng năng suất cho vườn rau và giúp người trồng có được một quy trình trồng rau khép kín, hoàn thiện

Để đáp ứng những yêu cầu đó, vấn đề tập trung nghiên cứu của đề tài sẽ là:

 Hoàn thiện tủ điều khiển thông qua hệ thống IoT

 Hệ thống vận hành ở 2 chế độ: Tự động (Auto) và Tay (Manual)

 Giám sát thông số và hỗ trợ điều khiển thiết bị từ xa thông qua Web server

 Hoàn thiện quy trình trồng và chăm sóc cải Kale

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Cải Kale lá xoăn

2.1.1 Đặc tính sinh học

Cải Kale là loại cây thân thảo, lá có màu xanh hoặc tím dùng để ăn hoặc chế biến thành sinh tố Là một loại rau họ cải xanh, rất giàu dinh dưỡng

2.1.2 Điều kiện phát triển

Khí hậu: nhiệt độ thích hợp cho cải Kale sinh trưởng và phát triển tốt là từ 20 – 27℃, độ ẩm từ 75-90% Do là cây ưa nắng nên năng suất sẽ tăng vào các mùa có ngày dài hơn đêm

Thổ nhưỡng: Rễ cây sẽ phát triển tốt trong môi trường có pH từ 5.5-6.8 Sau khi trồng từ 75-90 ngày có thể thu hoạch Thời gian thu hoạch kéo dài từ 4-6 tháng

Hình 2 1: Cải Kale tại công ty Minh Hòa (Nguồn tổng hợp từ: http://farmtech.vn/blog/tag/ky-thuat-trong-cai-kale/

và kinh nghiệm trồng thực tế tại công ty Minh Hòa) 2.1.3 Giá trị dinh dưỡng và kinh tế

 Dinh dưỡng (Nguồn: USDA Food Data Central)

Cải Kale lá xoăn chứa chất xơ, chất chống oxi hóa, canxi, vitamin C, K và rất nhiều các nguyên tố dinh dưỡng khác giúp ngăn ngừa các vấn đề sức khỏe khác nhau

Chất chống oxi hóa: giúp cơ thể loại bỏ các độc tố không mong muốn trong quá trình trao đổi chất của cơ thể

Cải Kale có tác dụng tốt với một số bệnh như: tim mạch, tiểu đường, ung thư, tiêu hóa, các bệnh về da và tóc…

 Kinh tế (Nguồn tham khảo: Nongsandungha.com và Cty Minh Hòa)

Với những giá trị dinh dưỡng cao thì mức giá của loại rau này được bán tại vườn vào khoảng 100.000 đồng/ký và thị trường giao động từ 70.000 đến 130.000 đồng/ký

2.1.4 Quy trình trồng, chăm sóc và thu hoạch cải Kale

2.1.4.1 Chuẩn bị hạt giống và giá thể

 Hạt giống:

Hạt cải Kale được nhập khẩu hoàn toàn từ nước ngoài, ở tại Minh Hòa thì hạt cải được nhập khẩu từ Đức Hạt đã được qua xử lí nảy mầm, đảm bảo kích thước hạt đồng đều và tỷ lệ nảy mầm trên 90%

 Giá thể:

Xơ dừa là loại giá thể phù hợp được lựa chọn trong việc trồng các loại ràu thủy canh vì giá thành hợp lí, bảo vệ môi trường và có thể tái sử dụng làm phân hữu

cơ cho các loại cây trồng khác sau khi thu hoạch rau

Hình 2.2:Giá thể xơ dừa

Xơ dừa được xoay nhuyễn và sau đó xử lí thanh trùng để đảm bảo không có

vi sinh vật và nấm bệnh gây hại cho rau trong quá trình phát triển

2.1.4.2 Công đoạn ươm hạt

Giai đoạn này, giá thể xơ dừa được xử lí để có độ ẩm phù hợp cho hạt này mầm Khi đạt độ ẩm phù hợp, giá thể được cho vào ¾ chiều cao của rọ và tiếp theo

là cho hạt vào và thêm giá thể để lắp đầy rọ

Tiếp theo là tiếp hành đưa rọ giá thể chứa hạt lên giàn ươm Hàng ngày, chăm sóc các rọ này bằng cách phun sương để cung cấp độ ẩm lên bề mặt các rọ ươm Chăm sóc liên tiếp như thế từ 7-8 ngày đến khi cây được 3 lá mầm

Hình 2.3: Cải Kale trên giàn ươm 2.1.4.3 Giai đoạn chạy dinh dưỡng thứ cấp

Sau khi cây được 3 lá mầm sẽ được chuyển sang giàn chạy dinh dưỡng thứ cấp Ở giai đoạn này, cây sẽ được cho chạy dinh dưỡng 2 lần/ngày vào buổi sáng và buổi chiều, mỗi lần chạy dinh dưỡng như thế kéo dài trong 1-2 giờ

Hình 2.4: Cải Kale trên giàn ươm thứ cấp