CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1 Lý do chọn đề tài Với những yêu cầu về ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất, đặc biệt tự động hoá quá trình sản xuất đang là vấn đề bức bách nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm 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 dụng sản 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 nông nghiệp theo hướng nông nghiệp công nghệ cao. Đặc biệt là ở các nước có điều kiện môi trường bất thuận (Như Hà Lan và vùng Bắc Âu), hay những quốc gia có điều kiện tự nhiện khó khăn (như Israel). Đây là những nước nổi tiếng với sự phát triển nông nghiệp vượt trội về cả số lượng và chất lượng; cây trồng sinh trưởng và phát triển rất tốt trong nhà kính với điều kiện được điều khiển tự động như: nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng… hay cả chế độ tưới nước và hàm lượng các chất khí có hại và có lợi cho cây trồng.
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. Hiện nay ở các nước phát triển trên thế giới như Hà lan, Ixrel, Nhật bản, Pháp, Mỹ và Trung quốc.đã và đang phát triển ứng dụng rất rộng rãi các mô hình nhà kính trồng rau, hoa quy mô tăng nhanh trong các năm gần đây, các nhà kính tuơng đối hiện đại có các dạng cấu trúc và kết cấu khác nhau phù hợp với điều kiện khí hậu, kinh tế mỗi nước. Hiện nay với những tác động của con người thì mẹ thiên nhiên đang dần khắc nghiệt với chúng ta.
Hiện tượng nóng lên toàn cầu cũng như các hiện tượng thiên nhiên bất thường ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình sản xuất của người dân đồng thời còn gây thiệt hại rất nhiều đối với nông nghiệp nước ta. Cũng như đã đề cập về những ưu điểm của phương pháp canh tác trong nhà kính. Nhưng hiện tại bà con nông dân chỉ dừng lại ở phương pháp canh tác thủ công thì vẫn chua mang lại nhiều lợi ích khi đã phải đầu tư chi phí không ít cho nhà kính nhưng vẫn phải sử dụng quá nhiều sức lao động cũng như các phương pháp thủ công làm ảnh hưởng đến năng suất cũng như lợi nhuận. Với những kiến thức đã được học cũng như sự định hướng của giáo viên hướng dẫn và niềm đam mê và thôi thúc mong muốn được ứng dụng những kiến thức đã học vào thực tiễn thì nhóm của chúng em đã chọn đề tài “Điều khiển và giám sát vườn rau thông minh tiêu chuẩn VietGAP bằng andruino và Sim900“ với mong muốn mang những kiến thức vào thực tiễn để cải thiện cuộc sống cho người nông dân.2 Yêu cầu và giới hạn đề tài Đề tài thực hiện nghiên cứu, thiết kế và thi công bộ điều khiển và giám sát vườn rau thông minh theo tiêu chuẩn VietGAP bằng Arduino và Kit SIM900, trong đó: - Nghiên cứu về các dạng nhà vườn hiện tại đang được bà con sử dụng phổ biến để tiến hành thiết kế và gia công mô hình nhà vườn trồng rau thật chính xác để kết quả thực hiện trên mô hình có thể ứng dụng tốt nhất khi đưa vào thực tế.
- Nguyên cứu về tiêu chuẩn VietGAP những yêu cầu, tiêu chí cảu tiêu chuẩn đối với quá trình canh tác qua đó sẽ đưa ra những giải pháp cho quá trình nghiên cứu. - Tìm hiểu về các giống cây trồng phổ biến hiện tại.Thông qua quá trình tìm hiểu về các tập tính, nhu cầu về nước, ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm cũng nhu chất dinh dưỡng để đưa ra phương pháp thiết kế hệ thống thứ cấp cho vườn. - Lập trình hoàn thiện cho mô hình có thể điều chỉnh các yếu tố quan trọng cho cây trồng như nhiệt độ, độ ẩm cũng như nước thích hợp cho cây trồng theo sự biến đổi của thời tiết bên ngoài. - Lập trình cho hệ thống có thể giúp người nông dân có thể tương tác tốt hơn với vườn rau của mình dù không có mặt tại vườn thông qua chiếc điện thoại di động cảu mình.
Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn nên nhóm chỉ thiết kế và điều khiển các yếu tố quan trọng nhất đối với cây trồng, trên thực tế đề tài có thể điều khiển thêm các yếu tố khác như ánh sáng, gió, chất dinh dưỡng cho cây trồng.3 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là Bộ điều khiển, giám sát thông minh cho vườn rau tiêu chuẩn VietGAP (tập trung vào việc điều khiển các yếu tố liên quan đến sự sinh trưởng của cây trồng thông qua bộ điều khiển Arduino), khả năng điều khiển hệ thống từ xa (cụ thể dùng module SIM900), và các vấn đề liên quan đến việc thiết kế mạch điện tử cho bộ điều khiển.4 Mục tiêu – Nhiệm vụ nghiên cứu a. Mục tiêu của đề tài Thiết kế hoàn thiện phần mô hình của một nhà kính theo đúng tiêu chuẩn. Tìm hiểu lý thuyết và ứng dụng Andruino vào đề tài. - Thu nhận tín hiệu từ các sensor và xử lý.
- Kết nối bộ điều khiển với kit SIM900 để thực hiện tương tác từ xa thông qua SMS. Nhiệm vụ nghiên cứu Đồ án nghiên cứu phương pháp điều khiển hệ thống phun sương, tưới nước để giữ độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm không khí, cường độ ánh sáng theo yêu cầu của từng loại cây trồng khác nhau. Các cảm biến sẽ thu dữ liệu và gửi về vi điều khiển. Tùy từng loại dữ liệu từ cảm biến mà vi điều khiển sẽ đưa ra hướng giải quyết phù hợp.
Nhiệm vụ chính của đồ án là xây dựng giải thuật điều khiển cho mạch arduino theo sơ đồ sau: Hình 1.1 : Sơ đồ khối tổng quan đề tài 1.5 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan đến Andruino, thiết kế cơ khí và gia công nhà kính, thiết kế điện tử cho bộ điều khiển, tài liệu về nhu cầu và ảnh hường của các yếu tố thiết yếu đối với cây trồng, cách kết nối hệ thống với Kit mở rộng SIM900. Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm: các đồ án, các thiết kế mạch có liên quan đã được thi công đưa vào sử dụng ổn định, và sự tham vấn trực tiếp của các giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện tử. Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: qua những lần thử nghiệm trên test board, kết hợp với tính toán giải tích mạch để rút ra giải pháp mạch điện tốt nhất. Cơ sở lý thuyết và các số liệu thực tế từ kết quả những lần thực nghiệm.2 Các công trình nghiên cứu liên quan 1.1 Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài Khi mà khí hậu đang thay đổi theo một chiều hướng khắc nghiệt cùng với thực trạng các nguồn tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt đi.
Trong khi nông nghiệp vẫn chiếm tỉ trọng lớn trong cơ cấu kinh tế của hầu hết các nước thì vấn đề ứng dụng công nghệ vào trong nông nghiệp đang nước phần lớn các nước trên thế giới hướng đến với rất nhiều giải pháp cũng như đề tài để cải tiện nền nông nghiệp giúp nền nông nghiệp phát triển bền vững tránh các ảnh hưởng của thời tiết đến nền sản xuất cũng như sử dụng tốt nguồn tài nguyên. Nhà kính tại Israel Israel là một quốc gia nhỏ bé (với diện tích 21.000 km2), nổi tiếng với khí hậu và địa hình phức tạp, có nơi cận nhiệt đới nơi lại khô cằn, có khu vực thấp hơn mực nước biển 400m, lại có những vùng là đụn cát, gò đất phù sa…. Hơn nửa diện tích đất đai của quốc gia này là hoang mạc và bán hoang mạc, nửa còn lại là rừng và đồi dốc; trong đó, chỉ 20% diện tích đất đai (khoảng 4.100 km2) là có thể trồng trọt. Trước áp lực từ việc dân số tăng nhanh lại thêm lượng người nhập cư đổ về ồ ạt từ cuối những năm 1980 dẫn đến nhu cầu về các sản phẩm nông nghiệp gia tăng đáng kể, Israel đã không ngừng nghiên cứu, đẩy mạnh ứng dụng công nghệ cao trong nông nghiệp.
Kết quả là chỉ trong thời gian ngắn quốc gia này đã chuyển từ tình trạng thiếu lương thực đến tự túc lương thực, thực phẩm và trong 5 năm gần đây, giá trị sản xuất nông nghiệp luôn vượt con số 3,5 tỷ USD/năm, trong đó xuất khẩu chiếm trên 20%. Luôn đi đầu trong ứng dụng khoa học vào sản xuất nông nghiệp, Israel đã trở thành một điển hình nông nghiệp của thế giới. Và canh tác nhà kính được xem như một giải pháp công nghệ chìa khoá trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao của Israel. Theo các nhà khoa học nông nghiệp nước này, nhà kính nông nghiệp công nghệ cao (Hi-tech greenhouses) là loại hình nhà kính ứng dụng các công nghệ cao, hiện đại để tạo lập ra một môi trường sinh thái thuận lợi nhất có thể cho cây trồng sinh trưởng phát triển; để thực hiện các công nghệ thâm canh cao; để tối thiểu hoá thậm chí có thể loại trừ các yếu tố ngoại cảnh bất lợi cho sản xuất; để sản xuất ra loại nông sản thực phẩm mà thiên nhiên không ưu đãi (trái vụ), thậm chí không sản xuất được ngoài môi trường tự nhiên (như sản xuất nấm mỡ trên sa mạc); để tối đa hoá năng suất chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất; tối thiểu hoá các khoản chi phí sản xuất và đặc biệt là để tiết kiệm nước.
Ngoài mục tiêu sản xuất ra các nông sản thực phẩm “sạch” an toàn cho sử dụng, canh tác nhà kính đã tạo ra một cuộc cách mạng về năng suất cho các loại cây trồng. Nhờ canh tác nhà kính mà năng suất cà chua ở Israel đã đạt mốc 500 tấn. ha/ vụ hay 3 triệu bông hồng/ ha; cũng nhờ công nghệ canh tác nhà kính mà Israel đã biến sa mạc Negev toàn cát đá (chiếm 65% diện tích đất nước) trở thành một “cánh đồng xanh công nghệ cao” có năng suất cây trồng cao nhất thế giới.