Nhà kính thông minh

Nhà kính là một hệ thống cơ sở rất hữu ích và quan trọng trong việc sản xuất nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao.Nhà kính có vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất rau, hoa cho năng suất hiệu quả kinh tế cao, sản phẩm đạt được tiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo kiểu công nghiệp. Nhà kính cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số quá trình sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trong thời vụ, do nhà kính đáp ứng được yêu cầu cho sự sinh trưởng phát triển tốt nhất của cây trồng (như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí oxy...) và kiểm soát được sâu bệnh hại cho cây.

dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo chúng em trong Chuyên đề thực tế này Thầy đã giúpchúng em giải quyết các vấn để nảy sinh trong quá trình làm và hoàn thành đề tàiđúng thời gian định hướng ban đầu Đặc biệt là học hỏi được những kinh nghiệm

và thái độ làm việc của thầy để chúng em áp dụng sau này

Chúng em xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô khoa Điện -Điện tử của trường

ĐH Sư Phạm Kĩ Thuật TP Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy truyền đạt chochúng em những kiến thức về chuyên ngành Đó là những kiến thức và kinhnghiệm quý báu mà chúng em đã học được trong suốt thời gian qua

Kính chúc quý thầy cô dồi dào sức khỏe

Nhóm sinh viên thực hiện đồ án:

Ngày… tháng… năm 2018 Giáo viên phản biên

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH THÔNG MINH Ở

ĐÀ LẠT 2

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG SCADA DÙNG PLC ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH 3

2.1 Giới thiệu về hệ thống SCADA 3

2.2 Sơ đồ hệ thống SCADA 4

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG NHÀ KÍNH 7

3.1 Vai trò của hệ thống ánh sáng đối với nhà kính 7

3.2 Các loại đèn dung trong chiếu sáng nhà kính 7

4 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THÔNG GIÓ NHÀ KÍNH 10

4.1 Vai trò của hệ thống thông gió đối với nhà kính 10

4.2 Các phương pháp thông gió nhà kính 10

4 2 1 H ệ t h ố n g t h ô n g k h í t ự n h i ê n 10

4.2.2 H ệ T h ố n g T h ô n g K h í Á p Đ ặ t 13

5 CHƯƠNG 5 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM 15

5.1 Vai trò của hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm 15

5 2 Các loại hệ thống làm mát 15

5 2 1 H ệ T h ố n g C á c T ấ m L à m M á t B ằ n g H ơ i N ư ớ c 15

5.2.2 L à m M á t V à T ạ o Đ ộ Ẩ m B ằ n g H ệ T h ố n g P h u n S ư ơ n g 16

6 CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG TƯỚI NƯỚC TỰ ĐỘNG CHO CÂY TRỒNG 20

6.1 Vai trò của hệ thống tưới nước tự động 20

6.2 Yêu cầu khi thiết kế hệ thống tưới nước tự động 21

6.3 Các hình thức thức tưới nước tự động 23

6.3.1 Tưới nước tự động kiểu phun mưa 23

6.3.1.1 Tưới phun mưa là gì 23

6.3.1.2 Cấu tạo hệ thống tưới phun mưa 23

6.3.1.3 Ưu điểm và khuyết điểm hệ thống tưới phun mưa 24

6.3.2 Tưới nước tự động kiểu nhỏ giọt 27

MỞ ĐẦU

Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt tựđộng ho á 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,tăng cường sức cạnh tranh nội địa cũng như trên thị trường thế giới thì việc áp dụngsản xuất Nông nghiệp công nghệ cao là điều cần thiết

Nhà kính là một hệ thống cơ sở rất hữu ích và quan trọng trong việc sản xuất nôngnghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao

Nhà kính có vai trò rất quan trọng trong việc sản xuất rau, hoa cho năng suất hiệu quảkinh tế cao, sản phẩm đạt được tiêu chuẩn xuất khẩu và có thể sản xuất theo kiểu côngnghiệp Nhà kính cho phép kiểm soát đầy đủ và chặt chẽ hầu hết các thông số quá trình

sản xuất, kể cả việc sử dụng tối ưu đất canh tác và sản lượng cây trồng trong thời vụ,

do nhà kính đáp ứng được yêu cầu cho sự sinh trưởng phát triển tốt nhất của cây trồng(như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, khí carbonic, khí oxy ) và kiểm soát được sâu bệnhhại cho cây

Từ những vấn đề cần thiết như đã trình bày ở trên cùng với sự giúp đỡ của thầy

hướng dẫn, nhóm đã tiến hành thực hiện đề tài “Hệ thống nhà kính thông minh” nhằm

khảo sát các dạng nhà che phủ nông nghiệp hiện đang được sử dụng tại thành phố ĐàLạt, so sánh các đặc điểm cấu trúc chi tiết nhằm đưa ra đề nghị một cấu trúc nhà chephủ kết hợp tối đa các ưu điểm, hạn chế các nhược điểm để phù hợp cho điều kiệnkinh tế - xã hội, điều kiện tự nhiên cũng như tập quán canh tác của nông dân địaphương

Do thời gian nghiên cứu có hạn nên không thể tránh khỏi nhưng sai sót, nhómnghiên cứu rất mong nhận đựoc sự góp ý, phê bình và sửa chữa từ quý thầy cô và cácbạn sinh viên để đề tài này hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG NHÀ KÍNH THÔNG MINH Ở

ĐÀ LẠT

Lâm Đồng là một trong những tinh đầu tiên của cả nước từng được ghi nhận vềứng dụng nhà lưới, nhà kính trong sản xuất nông nghiệp Từ đầu năm 2004 đã khởiđộng chương trình ừọng điểm trong đó có chương trình phát triển trồng rau và các loạicây cảnh có hiệu quả kinh tế cao trong nhà lưới, nhà kính

Nhà kính, nhà lưới đang được ngành Nông Nghiệp - Phát Triển Nông ThônLâm Đồng xác định như là bước đột phá trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao.Ngoài việc điều tiết nhiệt độ, ánh sáng , nhà lưới, nhà kính còn có tác dụng cao trongphòng chống sâu bệnh để cây trồng phát triển cả về năng suất và chất lượng, quaynhanh vòng sử dụng và hạn chế rửa trôi đất

Thống kê của Trung tâm Nông nghiệp Đà Lạt, tới thời điểm hiện nay thànhphố đã có 800 ha nhà kính và 50 ha nhà lưới; từ 35-40% diện tích đất nông nghiệpđược tưới nước tự động, trong đó có 700 ha rau hoa đã được tưới phun mưa

Với những kết quả khảo nghiệm đạt được về mối tương quan giữa nhữngthông số kỹ thuật được thiết lập liên quan đến kết cấu, vật liệu, cách lắp đặt vớiđặc trưng sinh thái của các đối tượng cây trồng chuyên biệt, thiết nghĩ mô hình cầnthiết cần triển khai đến các hộ dân vì những tiện ích mà nó mang lại Mô hình tựđộng mà đề tài thiết kế và chế tạo tuy giá thành còn khá cao nhưng là tiền đề mở rahướng nghiên cứu cho nhiều công trình khoa học khác nữa nhằm tự động hóa quátrình sản xuất khi mà nhu cầu phát triển của nông dân Lâm Đồng ngày một nângcao

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG SCADA DÙNG PLC ĐIỀU KHIỂN NHÀ KÍNH 2.1 Giới thiệu về hệ thống SCADA

SCADA System: Hệ thống thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát, hệ thống thuthập dữ liệu và điều khiển giám sát tự động nhà máy, tổ hợp nhà cao tầng, điều khiểnthông minh,… nhằm hỗ trợ con người giám sát và điều khiển từ xa hệ thống,

SCADA là viết tắt của Supervisory Control And Data Acquisition - là tên gọichung cho Hệ thống Thu thập dữ liệu và điều khiển giám sát

Vai trò, nhiệm vụ của hệ thống SCADA trong nhà máy nói chungNhư tên gọi, hệ thống SCADA có 2 nhiệm vụ chính là thu thập số liệu và ra lệnh điềukhiển

Dữ liệu thể hiện các thông tin về đối tượng công nghệ cần phải điều khiển đượcthu thập bằng các thiết bị cảm biến đặt tại hiện trường phân xưởng của nhà máy vàđược truyền về máy chủ đặt tại phòng điều khiển trung tâm Tại đây, các số liệu nàyđược quản lý bằng các công cụ quản lý cơ sở dữ liệu từ đó đưa ra thông tin cho ngườiquản lý dưới dạng các báo cáo, đồ thị hoặc hình ảnh

Dựa vào các số liệu đưa về, hệ thống tự động phân tích nhờ các chương trìnhđược lập trình sẵn sau đó đưa ra tác động điều khiển truyền đến các cơ cấu chấp hành(động cơ, van đóng mở ) tại hiện trường phân xưởng nhà máy để thực hiện việc điềukhiển Tác động điều khiển có thể được đưa ra tự động hoặc có thể từ việc nhận lệnh

từ người quản lý thông qua giao diện người – máy HMI

Một hệ thống SCADA nói chung bao gồm 3 phân cấp:

Phân cấp hiện trường

Bao gồm các thiết bị đo lường như cảm biến (sensor), bộ chuyển đổi tín hiệu đolường (transducer), bộ truyền tín hiệu đo (transmiter)… và các thiết bị chấp hành nhưđộng cơ, biến tần và các bộ điều khiển động cơ ( motor, inverter, motor controller… ),van và các bộ điều khiển van (valve, valve controller)…

Các thiết bị này có nhiệm vụ đo đếm các đại lượng vật lý của đối tượng côngnghệ cần điều khiển và ra tác động điều khiển trực tiếp đến các đối tượng này.

Với vai trò là một thành phần của hệ thống SCADA, các thiết bị này đều có khảnăng truyền tín hiệu ở cự ly gần thông qua hệ thống truyền thông hiện trường

Phân cấp điều khiển

Bao gồm các thiết bị như Thiết bị trạm đầu xa RTU (Remote Terminal Unit),hoặc Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC (Programable Logic Controller)

Các thiết bị này đóng vai trò kết nối máy chủ tại trung tâm điều khiển với cácthiết bị thuộc cấp hiện trường Thiết bị này nhận tín hiệu từ các thiết bị đo, lưu trữ tạm

và truyền về trung tâm điều khiển đồng thời và nhận lệnh từ trung tâm điều khiển để ralệnh cho các cơ cấu chấp hành

Thiết bị này thường được đặt ở phòng vận hành của phân xưởng hoặc ngay tạigian máy

Phân cấp điều khiển giám sát

Bao gồm hệ thống các máy chủ, màn hình giao diện HMI (Human- MachineInterface), các máy trạm vận hành và các máy tính văn phòng dùng để khai thác thôngtin từ máy chủ thông qua hệ thống mạng LAN văn phòng

2.2 Sơ đồ hệ thống SCADA

Hình 2 Hệ thống thiết bị điều khiển nhà kính

Hình 3 Sơ đồ kết nối thiết bị với PLC

PLC: Là thiết bị quan trọng nhất của hệ thống điều khiển, nhận tín hiệu analog từ cáccảm biến nhiệt độ, độ ẩm sau đó xử lý các tín hiệu đó theo yêu cầu cho trước để chúng

ta có thể biết được lượng gió và lượng nước cần dùng để đảm bảo cho cây trồng cótiêu chuẩn tốt nhất thông qua biến tần

Hình 4 PLC S7-300 của Siemens

Hình 5 Giao diện màn hình làm việc HMI SCADA

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG NHÀ KÍNH 3.1 Vai trò của hệ thống ánh sáng đối với nhà kính

Cây trồng đáp ứng với độ dài tương ứng với các giai đoạn sáng và tối cũng nhưcường độ và chất lượng của ánh sáng Ánh sáng nhân tạo đã được sử dụng rộng rãi đểkiểm soát quá trình tăng trưởng thực vật trong điều kiện khác nhau Cây khác nhau về

sự cần thiết ánh sáng, một số phát triển mạnh với ánh nắng mặt trời, những loại khácphát triển tốt nhất trong bóng râm Hầu hết các cây sẽ lớn lên tỉ lệ theo nhiều ánh sáng

tự nhiên hoặc nhân tạo Ánh sáng nhân tạo có thể được sử dụng trong các cách sau:

Để cung cấp ánh sáng cường độ cao khi mong muốn tăng trưởng thực vật tăng

Để mở rộng giờ của ánh sáng ban ngày tự nhiên hoặc để cung cấp một sự giánđoạn bóng tối về đêm để duy trì các điều kiện ban ngày dài hơn

Ánh sáng phù hợp không chỉ kéo dài ngày làm vườn bằng cách cho phép ngườilàm vườn làm việc trong các nhà kính trong buổi tối mùa đông và đầu mùa xuân,nhưng nó hỗ trợ tăng trưởng thực vật

3.2 Các loại đèn dung trong chiếu sáng nhà kính

 Đèn huỳnh quang

Có lợi thế về hiệu quả ánh sáng cao hơn với nhiệt độ thấp Đây là loại đèn được

sử dụng rộng rãi nhất đối với ánh sáng bổ sung Nó có sẵn nhiều màu sắc nhưng đènmát -trắng là phổ biến nhất Cường độ cao (1500 ma) đèn huỳnh quang đòi hỏi côngsuất cao hơn cũng thường được sử dụng để đạt độ sáng bằng 2.000 ngọn nến

Hình 6 Đèn huỳnh quang

 Bóng đèn sợi đốt

Những thay đổi từ 60 watt đến 500 watt Chúng được sử dụng để mở rộng ngàytrong nhà kính Người trồng có thể thay đổi mức độ chân nến bằng cách điều chỉnhkhoảng cách và chiều cao gắn trên cây

Hình 7 Chiếu sáng bằng đèn sợi đốt

 Đèn LED

Hiện nay, đèn Led trồng cây ứng dụng trong việc trồng trọt, can thiệp vào quátrình sinh trưởng và trao đổi chất ở cây trồng đang là một hướng đi mới và đột phátrong ngành công nghiệp điện và ánh sáng Giờ đây, cây không còn phụ thuộc hoàntoàn vào ánh sáng Mặt Trời, không có ánh sáng Mặt Trời, cây vẫn sinh trưởng và pháttriển bình thường

Đèn Led trồng cây có rất nhiều ưu điểm, nhưng nổi bật hơn cả đó là tính năng tiếtkiệm điện năng và tăng năng suất cho cây trồng Tùy công suất của mỗi loại bóng đènnhưng hầu hết các bóng đèn Led trồng cây đều rất tiết kiệm điện Đèn Led mang lạiánh sáng giả lập ánh sáng Mặt Trời cho cấy trồng, giúp cây quang hợp và trao đổi chất

để phát triển, giúp người trồng có thể chủ động và dễ dàng hơn khi trồng cây trongtrường chỗ trồng thiếu sáng hoặc không có ánh sáng

Hình 8 Chiếu sáng bằng đèn LED

4 CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THÔNG GIÓ NHÀ KÍNH 4.1 Vai trò của hệ thống thông gió đối với nhà kính

Mái nhà kính giúp bảo vệ hoa màu không bị ảnh hưởng bởi các điều kiện khí hậu

khắc nghiệt bên ngoài như: phơi nắng quá độ, nhiệt độ thấp, mưa to, gió mạnh,

v.v nhưng cũng giới hạn việc thay đổi mới không khí và làm chậm sự di chuyển của

không khí bên trong nhà kính

Không khí rất cần thiết cho quá trình trao đổi khí và quang hợp của cây trồng.Việc thay đổi cùng với sự di chuyển đầy đủ của không khí bên trong nhà kính theo mộtnhịp độ thích hợp có thể tạo ra những điều kiện nhiệt độ tối ưu, giảm độ ẩm và tậptrung đồng đều khí CO2 trong toàn bộ không gian nhà kính

4.2 Các phương pháp thông gió nhà kính

4 2 1 H ệ t h ố n g t h ô n g k hí t ự n h i ên

Hệ thống thông khí tự nhiên bao gồm những chỗ mở ra được trên mái, hônghay/và mặt tiền của nhà kính như: cửa sổ, lối ra vào, tấm che cuộn lên được, v.v… vớinhững kiểu dáng và góc độ khác nhau, và có thể được mở ra và đóng vào nhờ những

cơ cấu khác nhau, vận hành bằng tay và bằng động cơ, hoặc tự động theo một mô hìnhthông khí đã ấn định sẵn của một thiết bị điều khiển khí hậu

Sự khác biệt về nhiệt độ giữa bên ngoài và bên trong nhà kính cùng với áp suấttạo ra bởi gió sẽ làm phát sinh sự trao đổi và làm mới không khí trong nhà kính có hệthống thông khí tự nhiên

Phương pháp thông khí này được sử dụng trong hầu hết các mẫu nhà kính với độcao tương xứng của nhà kính, với tỉ lệ thích hợp giữa các phần che lợp và thông khí,

và một hệ thống lối ra vào phù hợp

Thông thường một hệ thống thông khí tự nhiên gồm:

 Cửa Sổ

Cửa sổ được xếp hay mở nghiêng, v.v…, bởi các giải pháp cơ khí khác nhau, cho phép

sử dụng các loại vật tư dùng lắp nhà kính và được lắp vào trong cấu trúc của nhà kính

Hình 9 Cửa sổ

 Lưới Chống Côn Trùng

Lưới chống côn trùng che tại các chỗ mở ra để không cho côn trùng vật hại xâm nhập

và đến được cây trồng

 Hệ Thống Truyền Động

Hệ thống truyền động gồm các bộ phận bằng sắt (trục, hộp thanh răng, thanh răng,khớp nối, v.v…) và bộ giảm số (tự động), dùng để đóng và mở các cửa sổ

Hình 11.Hệ thống truyền động

 Hệ Thống Điện cho bộ phận truyền động

Lắp đặt hệ thống điện cho mô-tơ giảm số gồm tủ điện, các thiết bị bảo vệ mạch, thiết

bị an toàn đổi pha, bộ khởi động được bảo vệ tự động với máy đổi điện xoay vòng

Hình 12 Tủ điện điều khiển hệ thống truyền động

4.2.2 H ệ T h ố n g T h ô n g K h í Á p Đ ặ t

Hệ thống gồm một tập hợp những quạt xoắn ốc nhỏ phân bố theo các cách khácnhau trên toàn bộ diện tích của nhà kính, ở độ cao phía trên chiều cao của cây trồng.Việc vận hành các quạt này tạo nên những luồng không khí nhỏ có tác dụng trộn lẫn vàlàm đồng đều điều kiện không khí trong nhà kính

Khi đóng cửa sổ mái nhà kính hay khi mức độ trao đổi không khí thấp hoặc bằng

0 trong nhà kính thì việc thổi một luồng không khí nhỏ trên tán cây sẽ giúp cải thiệnđáng kể sự trao đổi các chất khí, tránh sự bảo hòa hơi nước do độ ẩm cao gặp nhiệt độthấp và tăng cường sự thải khí trong điều kiện nhiệt độ cao Hệ thống này sẽ phụ thêmvào việc sử dụng các thiết bị sưởi, phun sương, cấp khí CO2, v.v , nhằm mục đíchbình ổn nhiệt độ, độ ẩm và các điều kiện về nồng độ khí CO2

Hệ thống thông khí áp đặt để chống sự phân tầng của không khí gồm có:

 Quạt chống phân tầng: loại xoắn ốc, có thân hình ống, có nhiều cánh vàdùng mô-tơ điện, và được mạ chống rỉ sét Chúng được thiết kế để thổi xa vàmạnh

 Bộ chỉnh tốc độ (nếu có nhu cầu): tạo ra một luồng không khí “đượcđiều khiển” thổi nhẹ dọc tán lá của hoa màu

 Lắp đặt về điện: bảng điện với các thiết bị bảo vệ mạch, bộ khởi động,dây điện, đường điện, và hệ thống truyền động đến các quạt

Hình 14.Hệ thống thông khí áp đặt Hình 13.Quạt thông gió

5 CHƯƠNG 5 : HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHIỆT ĐỘ VÀ ĐỘ ẨM 5.1 Vai trò của hệ thống điều khiển nhiệt độ và độ ẩm

Giảm nhiệt độ của nhà kính ở khí hậu nóng là một thách thức về kỹ thuật liên quan đếnviệc đánh giá sự cân bằng về khối lượng và năng lượng, hệ thống thông khí, và những quá trình sinh học và vật lý nội tại của hoa màu

5.2 Các loại hệ thống làm mát

5 2 1 H ệ T h ố n g C á c T ấ m Là m M á t B ằ n g H ơ i N ư ớ c

Hệ thống các tấm làm mát bằng hơi nước hướng đến mục tiêu cung cấp nhiệt độ

và độ ẩm thích hợp nhất trong các khu vực khác nhau cần được điều hòa về nhiệt độ,

ta đạt được điều này bằng cách làm mới không khí bên trong với không khí bên ngoài

đã được giảm nhiệt độ và tăng độ ẩm bằng hơi nước khi đi qua tấm làm mát có những

ô với độ nghiêng và cách bố trí khác nhau, mang lại hiệu quả cao cho quá trình làmmát

Không khí được làm mát đi qua khu vực bên trong, làm giảm nhiệt và tạo ranhiệt độ và độ ẩm cần thiết cho cây trồng, vật nuôi hay người làm việc Phương pháp thông khí này được sử dụng trong hầu hết các mẫu nhà kính với độ caotương xứng của nhà kính, với tỉ lệ thích hợp giữa các phần che lợp và thông khí, vàmột hệ thống lối ra vào phù hợp

Hệ thống các tấm làm mát bằng hơi nước gồm có

 Quạt ly tâm hút đẩy: cung cấp đầy đủ lượng không khí mới cho khu vực cầnđược làm mát Thông thường là loại quạt Li tâm với các lá sách đóng mở được,hoạt động theo hướng hút đẩy