Đồ án: Xây dựng hệ thống giám sát thông số môi trường nông nghiệp trên máy tính

Đồ án hệ thống giám sát môi trường nông nghiệp ứng dụng PLC S7-300, WinCC. Tài liệu gồm thiết kế, lựa chọn thiết bị, code và kết quả mô phỏng.

• Tác giả: Trương Tuấn Nam
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Trọng Chưởng
• Trường học: Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Điện
• Đề tài: Xây dựng hệ thống giám sát một vài thông số môi trường trong nông nghiệp trên máy tính
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống giám sát môi trường nông nghiệp

Hệ thống giám sát môi trường nông nghiệp bằng PLC S7-300 là một giải pháp công nghệ hiện đại để tối ưu hóa điều kiện trồng trọt trong nhà kính thông minh. Hệ thống này cho phép theo dõi và điều khiển các thông số môi trường quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và nước tưới một cách tự động và hiệu quả. Việc sử dụng PLC S7-300 giúp nông dân có thể quản lý trang trại từ xa, đảm bảo cây trồng phát triển tối ưu trong mọi điều kiện thời tiết. Công nghệ này không chỉ tiết kiệm chi phí lao động mà còn nâng cao năng suất cây trồng, hỗ trợ phát triển nông nghiệp bền vững. Đồ án này tập trung vào thiết kế hệ thống tưới hoa lan tự động với giao diện giám sát trên máy tính.

1.1. Vai trò của PLC S7 300 trong nông nghiệp

PLC S7-300 là bộ điều khiển logic khả trình được thiết kế để điều khiển tự động các quá trình trong nhà kính. Thiết bị này có khả năng xử lý thông tin từ các cảm biến môi trường, từ đó ra quyết định điều khiển các thiết bị như bơm tưới, quạt thông gió, và hệ thống chiếu sáng. PLC giúp tối ưu hóa chi phí năng lượng và nước, đồng thời tăng hiệu suất sản xuất nông sản một cách bền vững.

1.2. Ứng dụng công nghệ SCADA trong giám sát

Phần mềm WinCC cho phép thu thập dữ liệu real-time từ PLC S7-300 và hiển thị trên giao diện máy tính. Công nghệ SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) cung cấp giám sát và điều khiển từ xa, giúp người dùng nắm bắt tình trạng nhà kính bất kỳ lúc nào. Hệ thống này lưu trữ dữ liệu lịch sử, hỗ trợ phân tích và cải thiện quản lý nông sản.

II. Các thông số môi trường cần giám sát

Để đảm bảo sinh trưởng tối ưu của cây trồng, hệ thống cần giám sát và điều chỉnh nhiều thông số quan trọng. Nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ chuyển hóa và phát triển của cây, yêu cầu duy trì trong khoảng 18-28°C tùy loại cây. Độ ẩm cần được kiểm soát để ngăn ngừa bệnh và tối ưu quang hợp, thường từ 60-80%. Ánh sáng đóng vai trò quyết định trong quang hợp, cần cung cấp đủ chiếu sáng qua đèn LED hoặc đèn halogen. Nước tưới phải được phân phối đều qua hệ thống tưới phun sương, đảm bảo cây không bị khô cằn hoặc ngập úng. Hệ thống PLC S7-300 tự động điều chỉnh tất cả các thông số này dựa trên cảm biến cài đặt.

2.1. Giám sát nhiệt độ và độ ẩm

Cảm biến DHT22 hoặc các loại cảm biến analog được kết nối với PLC S7-300 để đo liên tục nhiệt độ và độ ẩm. Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng, quạt thông gió tự động hoạt động để hạ nhiệt. Khi độ ẩm thấp, hệ thống bơm phun sương kích hoạt để tăng ẩm độ. Các giá trị này được hiển thị real-time trên giao diện WinCC, cho phép người dùng can thiệp thủ công khi cần thiết.

2.2. Kiểm soát ánh sáng và tưới nước

Cảm biến ánh sáng (LUX sensor) đo cường độ sáng trong nhà kính, tự động bật đèn chiếu sáng khi ánh sáng tự nhiên không đủ. Hệ thống tưới nhỏ giọt hoặc phun sương được điều khiển bởi PLC, đảm bảo phân phối nước đều và tiết kiệm tài nguyên. Timer được lập trình để tưới vào các khung giờ tối ưu, giảm bốc hơi và tăng hiệu quả hấp thu.

III. Thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

Hệ thống giám sát nhà kính thông minh bao gồm ba thành phần chính: lớp cảm biến (sensors), lớp điều khiển (PLC S7-300), và lớp giao diện người dùng (WinCC). Module CPU 312C của PLC đảm nhận xử lý logic và điều khiển các thiết bị ngoại vi. Module analog SM334 chuyển đổi tín hiệu analog từ cảm biến thành tín hiệu digital để PLC xử lý. Bơm nước, quạt thông gió, đèn chiếu sáng được kết nối qua rơle điều khiển để PLC có thể bật tắt các thiết bị. Cảm biến độ ẩm, cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng cung cấp dữ liệu thực thời cho PLC. Toàn bộ hệ thống được thiết kế modular, cho phép mở rộng và bảo trì dễ dàng.

3.1. Cấu trúc phần cứng hệ thống

PLC S7-300 là bộ xử lý trung tâm với CPU 312C xử lý tốc độ cao. Các module mở rộng được cắm thêm vào để tăng số lượng đầu vào/ra. Module cấu nguồn cung cấp 24V DC cho toàn bộ hệ thống. Các rơle điều khiển chuyển mạch tín hiệu từ PLC tới các thiết bị điều khiển công suất như bơm và quạt. Cảm biến được lắp đặt tại các vị trí quan trọng trong nhà kính để đo đạc môi trường.

3.2. Phần mềm điều khiển và giám sát

STEP 7 dùng để lập trình PLC bằng ngôn ngữ LAD (Ladder) hoặc STL. WinCC tạo giao diện đồ họa cho người dùng với biểu đồ thực thời, cảnh báo khi vượt ngưỡng, và lịch sử dữ liệu. Kết nối MPI hoặc Ethernet giữa PC và PLC cho phép truyền tải lệnh và nhận dữ liệu từ PLC một cách ổn định và nhanh chóng.

IV. Kết quả mô phỏng và ứng dụng thực tế

Đồ án xây dựng hệ thống giám sát được thực hiện tại Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội, khoa Điện, dưới sự hướng dẫn của TS. Trịnh Trọng Chưởng. Hệ thống được mô phỏng trên PLC S7-300 thực tế và giao diện WinCC để kiểm chứng tính hiệu quả. Kết quả cho thấy hệ thống tưới hoa lan tự động hoạt động ổn định với độ chính xác cao. Các thông số môi trường được giám sát liên tục và điều chỉnh tự động dựa trên logic điều khiển đã lập trình. Đèn sưởi bật khi nhiệt độ thấp, quạt thông gió hoạt động khi ẩm độ cao, và bơm tưới chạy theo thời gian biểu. Giao diện WinCC hiển thị tất cả thông số một cách rõ ràng, giúp người dùng điều khiển nhà kính hiệu quả. Ứng dụng này chứng tỏ tiềm năng của công nghệ PLC trong nông nghiệp hiện đại.

4.1. Kết quả mô phỏng trên PLC S7 300

Các bài kiểm tra chức năng cho thấy PLC S7-300 có thể xử lý tất cả logic điều khiển với tốc độ vòng quét tối ưu. Module analog SM334 chuyển đổi tín hiệu cảm biến một cách chính xác. Khi các ngưỡng được đặt, PLC phản ứng nhanh để kích hoạt các thiết bị. Dữ liệu được lưu trữ trong bộ nhớ PLC cho mục đích phân tích và tối ưu hóa.

4.2. Ứng dụng thực tế trong nông nghiệp

Hệ thống này có thể triển khai cho nhà kính trồng hoa lan, rau sạch, và cây trồng cao giá khác. Tiết kiệm chi phí lao động và tăng hiệu suất sản xuất là lợi ích chính. Người nông dân có thể quản lý trang trại từ xa qua giao diện WinCC, giảm thiểu rủi ro mất mùa. Công nghệ này hỗ trợ nông nghiệp bền vững và sản xuất organic.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ NHÀ KÍNH 1. NGHIÊN CỨU VỀ CÁC ĐIỀU KIỆN ẢNH HƯỞNG ĐẾN SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN CỦA CÂY TRỒNG Tất cả các loài cây trồng đều có yêu cầu ánh sáng , nhiệt độ không khí, đất, nước, phân bón thích hợp và không có sâu bệnh gây hại xâm nhiễm. Đương nhiên mỗi loài cây có những điều kiện khác nhau, cho nên người nông dân phải tìm hiểu tập tính riêng của từng loài cây theo các điều kiện thích nghi. Nếu đánh đều tất cả các cây có cùng điều kiện ánh sáng, nhiệt độ, phân bón,… hoặc không phận biết cây đã nhiễm sâu bệnh thì người đó sẽ không thể trồng cây kết quả tốt được.

Ảnh hưởng của ánh sáng đến sự sinh trưởng và phát triển của cây. Ánh sáng có tác dụng vô cùng quan trọng trong quá trình sinh trưởng và phát triển của cây. Bất cứ một loài thực vật nào cung phải dựa vào lá để hấp thu ánh sáng, tiến hành quang hợp, tạo ra dinh dưỡng vần thiết. Ánh sáng đầy đủ, tác dụng quang hợp mạnh, cây trồng sẽ sinh trưởng khỏe, cho sản phẩm tốt, ngược lại thiếu ánh sáng cây trồng sẽ sinh trưởng chậm.

Mỗi loài cây yêu cầu ánh sáng không như nhau, cho nên người ta chia ra cây ưa sáng, cây ưa bóng, cây ưa nửa bóng nửa sáng. Một số loài cây có đặc tính ra hoa liên quan mật thiết đến thời gian chiếu sáng; căn cứ vào yêu cầu khác nhau về thời gian chiếu sáng người ta cũng có thế chia ra cây ưa chiếu sáng dài, cây ưa chiếu sáng ngắn và cây ưa chiếu sáng vừa. Cây ưa chiếu sáng dài thường ở vùng nhiệt đới và thường ra hoa vào mùa hè. Loài cây này mỗi ngày cần 1 2 - 1 4 giờ chiếu sáng mới có thế cho ra hoa.

Cây ưa chiếu sáng ngắn thường mỗi ngày cần tới 8 - 10 giờ chiếu sáng mới có thể nở hoa. Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Trọng Chưởng 13 Đồ án tốt nghiệp Đại học Khoa: Điện Cây ưa chiếu sáng vừa yêu cầu thời gian chiếu sáng không rõ, nói chung mỗi ngày chiếu sáng 1 0 - 1 2 giờ là có thể nở hoa. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự sinh trưởng và phát triển của cây Nhiệt độ bao gồm nhiệt độ không khí, nhiệt độ đất và nhiệt độ nước, là điều kiện sống rất quan trọng của cây trồng.

Các loài cây trồng nguyên sản ở vùng phía Nam có đặc tính ưa ấm áp, nếu trồng ở miền Bắc thì phải có biện pháp bảo quản ấm nếu không sẽ chết cóng. Ngược lại những cây nguyên sản ở phía Bắc muốn di chuyển xuống phía Nam phải để trong điều kiện mát mẻ nếu không sẽ rất khó sống. Dựa vào tính thích ứng với nhiệt độ, người ta chia ra cây không chịu rét, cây chịu rét, cây nửa chịu rét.  Cây trong nhà kính nhiệt độ thấp yêu cầu nhiệt độ 8-15 °C  Cây trong nhà kính nhiệt độ vừa yêu cầu nhiệt độ 1 2 - 2 1 °C  Cây trong nhà kính nhiệt độ cao yêu cầu nhiệt độ 17-29 °C Một số cây trong nhà kính không chịu rét thường phải sưởi ấm để đảm bảo cho chúng qua mùa đông.

Ảnh hưởng của nước đến sự sinh trưởng và phát triền của cây Nước là một điều kiện quan trọng ảnh hưởng đến sinh trưởng, phát triển của cây. Nước trong đất và độ ẩm không khí thích hợp với cây trồng là một nhân tố mấu chốt làm cho cây mọc khoẻ. Hàm lượng nước trong cây thường trên 80%, cho nên nước là một yếu tố quan trọng của cây. Nước còn là nguyên liệu để tiến hành quang hợp, chất dinh dưỡng mà cây hấp thụ phải được tan trong nước mới có thể hút vào cây được, các hoạt động sinh lý của cây đều được tiến hành khi có nước.

Ngoài ra nước còn đảm bảo cho tế bào cầy trao đổi chất bình thường, không có nước thì cây không sống được. Tuy nước quan trọng như vậy nhưng nếu hấp thu vượt quá mức tiêu hao, lượng nước trong cây quá nhiều thì cây sinh trưởng yếu ớt, khả năng chống rét Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Trọng Chưởng 14 Đồ án tốt nghiệp Đại học Khoa: Điện kém, sức đề kháng giảm, dễ gây ra thối rễ, rụng lá và có thể làm cho cây chết. Khi tưới nước phải chú ý tới chất lượng nước và phải nắm vững thời gian tưới nước.

Thời gian tưới nước cần căn cứ vào mùa, vào nhiệt độ và độ ẩm của không khí. Ngoài ra khi tưới nước phải căn cứ vào đặc tính và tình hình sinh trưởng của cây mà xác định lượng nước tưới. Như vậy, điều mấu chốt của việc tưới nước là tưới vừa phải; tưới nhiều hay ít đều ảnh hưởng tới sinh trưởng của cây. Tưới quá nhiều làm cho đất bị nén chặt, không khí khó thông gây ra thiếu ôxy làm ức chế hô hấp của rễ, khi thiếu ôxy các loài vi khuẩn yếm khí hoạt động mạnh, dễ làm cho bộ rễ bị thối.

Nếu tưới nước không đủ cũng gây ra bệnh khô héo lá, thậm chí làm cho cây chết. Ảnh hưởng của phân bón đến sự sinh trưởng và phát triển của cây: Bón phân cho cây trồng là một trong những biện pháp quan trọng của việc trồng cây. Vấn đề mấu chốt của việc bón phân là bón đúng lúc cây yêu cầu, và lượng bón thích hợp. Bón đúng liều lượng là cần nắm vững bón bao nhiêu phân, nếu bón ít thì không có tác dụng, nếu bón quá nhiều không những không đạt yêu cầu mà còn làm cho cành hoa bị khô.

Ta còn chú ý đến mùa bón phân, mùa xuân hè cây sinh trưởng nhanh có thể bón nhiều phân, mùa thu cây sinh trưởng chậm nên bón ít, sang mùa đông thì không cần bón phân. Thường bón phân vào lúc chiều tối, đặc biệt chú ý đến mùa nóng nực, không nên bón vào buổi trưa, vì nhiệt độ cao phân dễ gây tổn thương cho rễ. Tóm lại, để xây dựng được hệ thống nhà kính thì ta phải chú trọng việc đảm bảo các thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng một cách ổn định và thích hợp cho cây trồng phát triển. GIỚI THIỆU CÁC LOẠI HÌNH NHÀ KÍNH Kỹ thuật trồng cây trong nhà có mái che cũng giống như trồng ngoài trời, trồng ngoài trời đầu tư ít, yêu cầu kỹ thuật thấp nhưng sản lượng, chất lượng và Cán bộ hướng dẫn: TS.

Trịnh Trọng Chưởng 15 Đồ án tốt nghiệp Đại học Khoa: Điện hiệu quả kinh tế cũng thấp. Trồng trong “nhà kính” đảm bảo sinh trưởng quanh năm, tránh được những bất lợi về thời tiết, sâu bệnh. Tuy đầu tư lớn nhưng sản lượng và hiệu quả kinh tế cao. Hình thức này chỉ cần một diện tích đất không nhiều và thích họp với những hộ gia đình có khả năng vốn đầu tư.

“Nhà kính” là kiểu nhà quan trọng nhất với nghề làm vườn và được ứng dụng rộng rãi ở các nước sản xuất hoa công nghiệp hiện đại. “Nhà kính” (greenhouse) là công trình thường có cạnh (vách bao che xung quanh) và mái làm bằng nilon (film), bằng màng nhựa (plastic), hoặc bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau hoa quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh và sự thâm nhập của côn trùng gây hại. “Nhà kính” sử dụng các thiết bị tăng, giảm nhiệt bằng nước nóng, hơi đốt, bàn điện. Kiểu nhà vườn này đảm bảo hoàn toàn chủ động về điều kiện tự nhiên, có thể trồng trọt quanh năm.

Hiện nay sẽ tiến tới tiêu chuấn hoá, điều khiển tự động, chăm sóc cơ giới hoá và áp dụng các biện pháp trồng trọt khoa học tiên tiến. “Nhà kính” có thiết bị điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, do vậy có thể sản xuất quanh năm. “Nhà kính” là một khu sản xuất bậc cao của vườn ươm. Nước ta cần có nhà kính để sản xuất cây hoa nhiệt đới và sản xuất cây cảnh cắt hoa mùa đông.

”Nhà kính” có nhiều loại, thông thường dựa vào yêu cầu sử dụng, nhiệt độ, kết cấu kiến trúc để phân loại.  Các loại nhà kính a/ Dựa vào nhiệt độ mà chia ra các nhà kính nhiệt đô cao, nhà kính nhiệt độ vừa, nhà kính nhiệt độ thấp và nhà lạnh. - Nhà kính nhiệt độ cao để trồng các loại cây nhiệt đới, đòi hỏi nhiệt độ từ 18- 32 °C, thích hợp nhất là 24 °C. Nhà kính này có thể gieo hạt cây hoa thân cỏ 1 đến 2 năm.

- Nhà kính nhiệt độ thấp để trồng các loại câý nhiệt đới và một phần cây nguyên sản ôn đới. Nhiệt độ trong nhà này thường từ 6-18 °C, thích hợp nhất là 14°C ra còn có nhà kính ở nhiệt độ 6 °C để bảo quản các loài cây hoa. Các nhà Cán bộ hướng dẫn: TS. Trịnh Trọng Chưởng 16 Đồ án tốt nghiệp Đại học Khoa: Điện kính nhỏ tuỳ theo kinh phí mà lập chung với các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

b/ Dựa vào nhu cầu cây trồng mà chia ra. - Nhà kính để thăm quan, thường dùng cho công viên, vườn thực vật, viện nghiên cứu thực vật, trường đại học, yêu cầu phải đẹp, lối đi rộng, bố trí các giá cao thấp khác nhau trong nhà kính, đồng thời bố trí các loài cây có nhiệt độ, độ ẩm khác nhau mà trưng bày các loài cây thích hợp. - Nhà kính sinh sản để cung cấp cho gieo hạt, giâm cành, chăm sóc cây con. Luống thường bố trí trên đất.

Luống giâm cành có thể có thiết bị ấm để tăng nhiệt độ mặt đất. - Nhà kính sản xuất dùng để sản xuất và nuôi dưỡng các loài hoa chậu vào mùa đông. Do chậu hoa có kích thước khác nhau, nhà kính nên có bờ tường cao 2,5- 3m để tiện cho việc lắp đặt chậu. Trong nhà có thể đặt các giá bậc thang để lợi dụng không gian.

Nhà kính trồng cây lớn dùng để trồng các loài hoa mùa đông, cung cấp thoả mãn nhu cầu ngày tết và các ngày lễ lớn. Nhiệt độ trong nhà kính dần dần được nâng cao theo sinh trưởng của nụ hoa, kết cấu nhà kính tuỳ theo nhu cầu, không nên quá to. c/ Dựa vào các loài thực vât: Chia ra các loại nhà kính khác nhau như nhà kính hoa lan, nhà kính hoa cúc, nhà kính các loài cây cọ, nhà kính các loại cây ăn quả nhiệt đới, nhà cây họ quyết, nhà cây họ hoa hồng. d/ Dựa vào kết cấu nhà kính: Chia ra nhà một mái, nhà hai mái, nhà hai mái không bằng nhau.

Ngoài ra còn có nhà hình yên ngựa, nhà hình tam giác, nhà hình tròn. ra còn có nhà kính lạnh ở nhiệt độ 6 °C để bảo quản các loài cây hoa.