Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & chế tạo Robot đặt rọ thủy canh tự động - ĐH SPKT

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo robot đặt rọ thủy canh tự động. Đồ án chi tiết bao gồm bản vẽ 2D/3D, sơ đồ điều khiển và nguyên lý hoạt động thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Huy
• Người hướng dẫn: PhD. Vũ Quang Huy
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế - Chế Tạo Robot Đặt Rọ Thủy Canh Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2016 - 2020
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Robot Thủy Canh Tự động

Robot đặt rọ thủy canh tự động là một giải pháp đổi mới trong ngành nông nghiệp hiện đại, được thiết kế và chế tạo bởi nhóm sinh viên từ Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh. Đề tài này nhằm tối ưu hóa thời gian, công sức và chi phí trong quá trình xây dựng hệ thống thủy canh tự động. Mô hình máy được phát triển qua ba phiên bản liên tiếp, mỗi lần đều có những cải tiến vượt bậc. Sự kết hợp giữa công nghệ cơ khí tiên tiến và hệ thống điều khiển thông minh đã tạo nên một sản phẩm đáng tin cậy, giúp nâng cao năng suất nông nghiệp và tự động đặt rọ hiệu quả. Đây là bước tiến quan trọng để đưa nền nông nghiệp nước nhà vào kỷ nguyên công nghiệp 4.0, góp phần phát triển bền vững cho các nông trường trong tương lai.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của Robot Thủy Canh

Robot thủy canh là thiết bị tự động hóa chuyên dùng trong hệ thống nông nghiệp hiện đại. Nó thực hiện công việc đặt rọ - một khâu quan trọng trong quy trình trồng trọt thủy canh. Ứng dụng chính của robot này là giảm thiểu can thiệp của con người, nâng cao hiệu suất làm việc và đảm bảo chất lượng đồng đều cho từng rọ cây trồng. Thiết bị này đặc biệt hữu ích trong các nông trường quy mô lớn, nơi khối lượng công việc đặt rọ rất lớn.

1.2. Mục tiêu chính của Đồ án

Mục tiêu của đề tài là thiết kế và chế tạo robot đặt rọ thủy canh tự động với hiệu suất cao, độ chính xác cao và chi phí hợp lý. Nhóm nghiên cứu tập trung vào việc phát triển một hệ thống hoàn chỉnh bao gồm thiết kế cơ khí, điều khiển điện tử và lập trình máy tính. Sản phẩm cuối cùng phải hoạt động ổn định, an toàn và dễ vận hành, phục vụ thực tiễn cho các trang trại thủy canh tự động.

II. Cơ sở Lý thuyết và Nguyên lý Hoạt động

Nguyên lý hoạt động của robot đặt rọ thủy canh dựa trên sự phối hợp giữa các cơ cấu cơ khí và hệ thống điều khiển tự động. Robot được trang bị ba trục chuyển động chính (X, Y, Z) để thực hiện vị trí đặt rọ với độ chính xác cao. Hệ thống sử dụng động cơ điện kết hợp với các cơ cấu truyền động như dây đai răng để chuyển động mượt mà. Bộ điều khiển chính sử dụng các linh kiện điện tử hiện đại, kết hợp công nghệ LORA - giao tiếp không dây cho phép vận hành từ xa. Web Server Apache được tích hợp để quản lý hệ thống qua mạng máy tính. Toàn bộ quá trình được điều phối bằng lưu đồ giải thuật được lập trình sẵn, cho phép robot tự động thực hiện các bước đặt rọ liên tiếp.

2.1. Hệ thống Thủy canh Tự động

Hệ thống thủy canh tự động là phương pháp trồng cây mà không sử dụng đất, thay vào đó sử dụng dung dịch dinh dưỡng. Tất cả các quá trình như cấp nước, cấp chất dinh dưỡng được tự động hóa. Robot đặt rọ đóng vai trò quan trọng trong khâu chuẩn bị ban đầu, giúp tự động đặt rọ hiệu quả với độ chính xác cao, đảm bảo khoảng cách đều đặn giữa các rọ và tối ưu không gian sử dụng.

2.2. Cơ cấu Điều khiển và Truyền động

Robot sử dụng ba cơ cấu chuyển động chính: trục X (ngang), trục Y (dọc) và trục Z (thẳng đứng). Mỗi trục được điều khiển bởi động cơ điện và hệ thống truyền động dây đai. Xy lanh điện được sử dụng để điều khiển cơ cấu bám mặt phẳng. Các khớp lắc được thiết kế chịu tải và độ bền cao. Tất cả linh kiện được chọn lựa kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động bền bỉ, an toàn.

III. Thiết kế Cơ điện và Hệ thống Điều khiển

Thiết kế cơ điện của robot đặt rọ thủy canh bao gồm nhiều thành phần quan trọng được tính toán cẩn thận. Nhóm đã thực hiện bản vẽ thiết kế 2D chi tiết và mô hình 3D của cấu trúc máy, đảm bảo độ chính xác và khả năng gia công. Các tính toán động cơ dựa trên lực cần thiết để di chuyển tay gắp và khối lượng rọ. Dây đai răng được chọn để truyền động mượt mà, giảm tiếng ồn. Xy lanh điện được lựa chọn phù hợp với lực bám cần thiết. Hệ thống điều khiển sử dụng sơ đồ kết nối dây tiêu chuẩn, với các khối điều khiển rõ ràng. Lưu đồ giải thuật được thiết kế để robot tự động thực hiện các thao tác liên tiếp một cách tuần tự, hiệu quả và an toàn.

3.1. Tính toán và Chọn lựa Linh kiện Cơ khí

Nhóm thực hiện tính toán chi tiết cho từng bộ phận: động cơ cho chuyển động ngang, dọc, bánh xe. Dây đai răng được tính toán dựa trên momen xoắn cần thiết. Tính bền trục của khớp lắc đảm bảo chịu được lực tác động trong quá trình hoạt động. Tất cả linh kiện được chọn từ các nhà sản xuất uy tín, đảm bảo chất lượng cao, tuổi thọ dài và tự động đặt rọ hiệu quả.

3.2. Sơ đồ Điều khiển và Tích hợp Công nghệ

Hệ thống điều khiển sử dụng bộ vi điều khiển tiên tiến kết hợp với các cảm biến. LORA - giao tiếp không dây cho phép vận hành từ xa. Web Server Apache tích hợp cho phép giám sát và điều khiển qua giao diện web. Sơ đồ kết nối dây được thiết kế rõ ràng, dễ hiểu, facilitating bảo trì và nâng cấp. Lưu đồ giải thuật lập trình đảm bảo hoạt động tự động, an toàn, hiệu quả.

IV. Kết quả và Ứng dụng Thực tiễn

Sau quá trình thiết kế, chế tạo và thử nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công mô hình robot đặt rọ thủy canh tự động. Mô hình đã được kiểm tra và chạy thử với kết quả hoạt động cơ bản ổn định. Các hình ảnh sản phẩm và mô hình thực tế được xây dựng trong quá trình nghiên cứu chứng minh tính khả thi của dự án. Robot có khả năng tự động đặt rọ hiệu quả với độ chính xác cao, tiết kiệm thời gian công nhân. Các thành phần cơ khí được kiểm tra độ bền, hệ thống điều khiển được kiểm tra độ ổn định. Dự án này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các nông trại thủy canh quy mô lớn ở Việt Nam, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và tính cạnh tranh của nông sản.

4.1. Kết quả Chế tạo và Kiểm nghiệm

Mô hình robot được chế tạo thành công với tất cả các thành phần cơ khí được gia công chính xác. Kiểm nghiệm hoạt động cho thấy robot có thể tự động đặt rọ với độ chính xác cao, tốc độ ổn định. Hệ thống điều khiển hoạt động ổn định, giao tiếp không dây LORA hoạt động tốt. Các thao tác được lặp lại nhiều lần vẫn duy trì chất lượng cao, chứng minh độ tin cậy của mô hình.

4.2. Triển vọng Ứng dụng Thương mại

Robot đặt rọ thủy canh tự động có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp hiện đại của Việt Nam. Các nông trại thủy canh quy mô lớn có thể sử dụng để tự động đặt rọ hiệu quả, giảm chi phí nhân công, nâng cao năng suất. Sản phẩm có thể được chuẩn hóa, sản xuất hàng loạt, phục vụ nhu cầu thị trường ngày càng tăng, góp phần modernize nền nông nghiệp nước nhà.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1 Lý do chọn đề tài Với xu hướng hiện nay khi con người chúng ta đang nâng cao mức sống của mình qua từng ngày, trong đó nguồn thức phẩm sạch luôn là một trong những vấn đề được đặt lên hàng đầu đặc biệt là rau sạch thì kỹ thuật thủy canh sẽ dần trở thành xu hướng tất yếu thay thế phương pháp trồng trọt truyền thống, vì nó sẽ được áp dụng trong nhà màng, nơi mà thực phẩm hạn chế tối đa việc tiếp xúc với những chất độc hại từ môi trường bên ngoài .Tuy nhiên với phương pháp trồng rau thủy canh hiện tại yêu cầu phải đặt từng rọ thủy canh vào lỗ trên luống nhựa thủy canh. Điều đó rất tốn thời gian và sức lạo động của người trồng.Ở mức độ cá nhân có thể không tốn nhiều sức nhưng ở mức độ nông nghiệp công nghệ cao thì số lượng rau trồng là rất nhiều và cần rất nhiều lao động để có thể đặt hàng nghìn rọ rau trên diện tích hàng chục hecta.Thêm vào đó với cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra đòi hỏi những hệ thống nông nghiệp được tự động hóa cao. Từ đó đòi hỏi phải có giải pháp xử lý hiệu quả hơn.Với mong muốn giải quyết vấn đề trên, nhóm quyết định thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài máy đặt rọ thủy canh tự động 1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu đề tài -Nghiên cứu phương án thiết kế hệ thống -Xây dựng bản vẽ 2D và 3D -Gia công mô hình cơ khí -Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển -Thử nghiệm, đánh giá và sửa lại những sai sót trong bản thiết kế -Lập bản báo cáo đề tài -Hoàn thiện đề tài được giao 1.2 Các công trình nghiên cứu có liên quan 1.1 Nước ngoài 1 Theo tìm hiều của nhóm, hiện trong nước chưa có loại máy nào phục vụ mục đích như trên nhưng ở một số nước phát triển họ đã áp dụng một số mô hình trồng rau thủy canh tự động. Đa phần các hệ thống thủy canh tự động họ sẽ đưa ống nhựa thủy canh vào máy đặt rọ rồi sau đó sẽ đưa ống nhựa ra khu trồng.

Lấy ví dụ hệ thống trồng cây thủy canh Viscon Hydroponics của công ty Viscon. Viscon Hydroponics chuyên về hệ thống thủy canh hoàn toàn tự động đầu tiên trên thế giới. Chuyên môn của công ty là về công nghệ trồng cây giống làm tăng thêm hiệu quả và thành công của hệ thống thủy canh. Hệ thống thủy canh Viscon tập trung vào sản xuất những sản phẩm tươi và an toàn.

Hệ thống Viscon là một hệ thống phát triển khép kín trên vùng nước sâu. Viscon Hyroponics tập trung vào các loại cây trồng chu kỳ ngắn có thể trồng được trên vùng nước sâu, như thảo mộc, bắp cải và cải salad.2 Trong nước Hiện tại nhóm đã nghiên cứu và phát triển lên được 3 phiên bản với nhứng cải tiến để giúp robot có thể trở nên đa nhiệm hơn, đồng thời rút ngắn khoảng thời gian đặt rọ, tăng năng suất làm việc một cách tối ưu nhất. với phiên bản đầu tiên nhóm sử dụng cơ cấu đơn giản khi dung dây đai GT2 để kéo tất cả quá trình điều khiển. 1 Mô hình robot đặt rọ thủy canh tự động phiên bản 1 2 Với phiên bản thứ 2 tay gắp được cải tiến để có thể lấy rọ theo 2 dãy và linh hoạt hơn phiên bản thứ nhất , ở phiên bản này robot được trang bị them động cơ kéo tay gắp ngang để có thể dễ dàng di chuyển 1 cách linh hoạt hơn.

2 Mô hình robot đặt rọ thủy canh tự động phiên bản 2 Trải qua 2 phiên bản, dù hoạt động tương đối tốt nhưng vẫn không thoát khỏi những thiếu xót và một số mặt hạn chế, nên chúng e quyết định nghiên cứu tiếp phiên bản thứ 3 để có thể tối ưu hết khả năng robot có thể hoạt động được. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống thủy canh tự động Trồng rau thủy canh đã và đang trở thành một trong những giải pháp xanh cho tương lai. Mô hình này ngày càng được áp dụng tại nhiều nước trên thế giới. Tại Mỹ và Châu Âu, các quốc gia đi đầu về khoa học kỹ thuật đã áp dụng hệ thống thủy canh tự động vô cùng hiện đại.

Mô hình thủy canh này hạn chế được tối đa sức lao động của con người. Sử dụng chủ yếu hệ thống máy móc, robot và dây chuyền tự động là điểm nổi bật trong mô hình thủy canh tại các nước phát triển. Thông thường các hệ thống thủy canh tự động sẽ trải qua 5 công đoạn: 1. Gieo hạt vào rọ thủy canh 2.

Đặt rọ thủy canh vào luống nhựa 3. Cung cấp dưỡng chất qua hệ thống bơm 4. Bảo quản Hình 2. 1: Hệ thống thủy canh tự động của Viscon Hydroponics 4 2.2 Tổng quan về robot đặt rọ thủy canh Ở Việt Nam những năm gần đây mô hình trồng rau sạch cũng đang rất được ưa chuộng, đặc biệt là mô hình trồng rau thủy canh, do nó có nhiều ưu điểm như: Tốn ít công chăm sóc, thời gian thu hoach được rút ngắn, cây trồng được cách ly khỏi mầm bệnh bằng việc cách li với đất và nguồn nước được kiểm soát.

Nắm bắt được xu hướng đó nhóm chúng tôi đã thực hiện nghiên cứu và chế tạo máy đặt rọ thủy canh tự động nhằm đáp nhu cầu tự động hóa từng công đoạn của hệ thống thủy canh hiện đại. Robot đặt rọ thủy canh của chúng tôi có cấu tạo gồm 3 phần chính đó là: + Đế di chuyển gồm: 4 bánh xe di chuyển đến các vị trí cần đạt rọ và 1 khớp lắc giúp 4 bánh luôn đảm bảo bám trên mặt phẳng cần di chuyển + Tay gắp rọ thủy canh gồm: 1 cơ cấu tay gắp và 2 trục trượt giúp tay gắp di chuyển linh hoạt + Khung robot: để gá các động cơ và các cơ cấu trượt của cánh tay 2.1 Nguyên lý hoạt động: 2.1 Database – MariaDB: Database hay cơ sở dữ liệu là một tập hợp những data (dữ liệu) có liên quan với nhau, được tổ chức và sắp xếp hợp lý. Database tồn tại dưới dạng các tập tin trong hệ điều hành máy tính hoặc các hệ quản trị cơ sở dữ liệu. Chúng được lưu trữ trên thiết bị có chức năng ghi nhớ như ổ cứng, USB, đĩa CD,.

Một database được thiết kế để dễ dàng trong việc tạo lập, lưu trữ , cập nhật và khai thác thông tin. Dữ liệu có thể được cập nhật thường xuyên mà hoàn toàn không trùng lặp. Sử dụng database giúp tạo ra các sản phẩm chuyên nghiệp hơn, lưu trữ có hệ thống, dễ dàng trong công tác quản lí. Bạn có thể linh hoạt thay đổi kích cỡ và độ phức tạp của một database.

Có những database chỉ gồm vài trăm bản ghi (danh sách học sinh của một lớp) và có những database có dung lượng rất lớn (như database quản lí hàng hoá của một hệ thống siêu thị). Nhiều người có thể sử dụng database cùng lúc mà không phải qua các khâu rườm rà phức tạp nhờ vào việc truy xuất từ nhiều cách khác nhau. Do đó, bạn sẽ gặp nhiều thuận lợi trong việc việc sử dụng, quản lý, truy cập dữ liệu. Đảm bảo toàn vẹn và an toàn dữ liệu là điểm quan trọng hàng đầu trong công tác lưu trữ dữ liệu.

Và database xứng đáng nhận “điểm 10” về độ an toàn dữ liệu. 5 Với ưu điểm đó, database ngày càng phổ biến trong lĩnh vực lập trình ứng dụng nói riêng và công nghệ thông tin nói chung. Ví dụ: Hệ thống đặt vé máy bay của Vietnam Airlines: ứng dụng database được phát huy tính năng khá tốt. Trong trường hợp nhiều hành khách đặt vé cùng lúc, database sẽ giúp doanh nghiệp tránh khỏi những sai sót không mong muốn.

Điển hình như: khách hàng mua phải vé đã bán cho người khác, một vé nhưng nhiều khách hàng đặt, …. 2: Database Trong hệ thống này sử dụng database MariaDB với nhiều ưu điểm: +Hoàn toàn miễn phí +Khắc phục những hạn chế của MySQL – một database khá phổ biến, tăng 3-5% tốc độ so với MySQL +Bổ sung thêm nhiều Engine hơn 6 +Kết hợp cả SQL và NoSQL, hỗ trợ với việc không giới hạn cột, cũng như loại dữ liệu +Hỗ trợ tiếng Việt 2.2 Web Server – Apache: Web server - tiếng việt gọi là máy chủ web là từ được dùng để chỉ phần mềm máy chủ, hoặc phần cứng dành riêng để chạy các phần mềm trên máy chủ, để từ đó có thể cung cấp các dịch vụ World Wide Web. Một máy chủ web xử lí các yêu cầu (request) từ các client (trong mô hình server - client) thông qua giao thức HTTP và một số giao thức liên quan khác. Nhiệm vụ cơ bản của web server là đưa website lên internet.

Để làm được điều đó, nó hoạt động giống như là một người đứng giữa server và máy khách (client). Nó sẽ kéo nội dung từ server về cho mỗi một yêu cầu truy vấn xuất phát từ máy khách để hiển thị kết quả tương ứng dưới hình thức là một website. Nói chung chức năng cơ bản nhất của máy chủ web là lưu trữ, xử lí và phân phối nội dung các trang web đến khách hàng, cụ thể ở đây là máy tính người dùng… Hình 2. 3: Wedserver Trong hệ thống này sử dụng web server Apache.

Apache là một web server phổ biến nhất thế giới cho phép bạn thiết lập một website an toàn mà không tốn nhiều công sức. Nó thường được chọn bởi những người kinh doanh tự thân và một doanh nghiệp 7 nhỏ, để tạo thương hiệu trên mạng. Mặc dù chúng ta gọi Apache là web server, nhưng nó lại không phải là server vật lý, nó là một phần mềm chạy trên server đó. Công việc của nó là thiết lập kết nối giữa server và trình duyệt người dùng (Firefox, Google Chrome, Safari .) rồi chuyển file tới và lui giữa chúng (cấu trúc 2 chiều dạng client- server).

Apache là một phần mềm đa nền tảng, nó hoạt động tốt với cả server Unix và Windows. Khi một khách truy cập tải một trang web trên website nào đó, trình duyệt người dùng sẽ gửi yêu cầu tải trang web đó lên server và Apache sẽ trả kết quả với tất cả đầy đủ các file cấu thành nên trang đó (hình ảnh, chữ, …). Server và client giao tiếp với nhau qua giao thức HTTP và Apache chịu trách nhiệm cho việc đảm bảo tiến trình này diễn ra mượt mà và bảo mật giữa 2 máy.3 LAMP server + Cụm từ LAMP là viết tắt của L – linux, A-apache, M-mariadb/mysql, P-php/python. Cùng nhau, chúng tạo nên một bộ phần mềm mà mỗi phần mềm thực hiện một chức năng riêng trong hệ thống: - Linux: hệ điều hành.