CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu đề tài 1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện tử mà trong đó là kỹ thuật tự động điều khiển đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin. Do đó là một sinh viên chuyên ngành Cơ điện tử chúng ta phải biết nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điện tử nói riêng. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Như chúng ta cũng đã biết, gần như các thiết bị tự động trong nhà máy, trong đời sống của các gia đình, trong sản xuất nông nghiệp ngày nay đều hoạt động độc lập với nhau, mỗi thiết bị có một quy trình sử dụng khác nhau tuỳ thuộc vào sự thiết lập, cài đặt của người sử dụng.
Chúng chưa có một sự liên kết nào với nhau về mặt dữ liệu. Nhưng đối với hệ thống điều khiển thiết bị từ xa thông qua mạng Ethernet thì lại khác. Ở đây, các thiết bị điều khiển tự động được kết nối với nhau thành một hệ thống hoàn chỉnh qua một một thiết bị trung tâm và có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu. Điển hình của một hệ thống điều khiển thiết bị trong vườn từ xa thông qua mạng Ethernet gồm có các thiết bị như bóng đèn, quạt thông hơi, bơm nước, các cảm biến … Nó hoạt động như một vườn thông minh.
Nghĩa là tất cả các thiết bị này có thể giao tiếp với nhau về mặt dữ liệu thông qua một đầu não trung tâm. Đầu não trung tâm ở đây có thể là một máy vi tính hoàn chỉnh hoặc có thể là một bộ xử lí đã được lập trình sẵn tất cả các chương trình điều khiển. Bình thường, các thiết bị trong khu vườn này có thể được điều khiển từ xa thông qua mạng Ethernet của chủ vườn. Chẳng hạn với chế độ manual ta có thể test một bộ phận của hệ thống như bơm, quạt, đèn.
Bên cạnh đó nó cũng gửi dữ liệu của các cảm biến cho người điều khiển biết nhiệt độ, độ ẩm của từng khu vực trong vườn hiện tại là bao nhiêu, đồng thời phát tín hiệu cảnh báo khi khi một số cảm biến quá giới hạn cho phép. Ngoài ra, hệ thống còn mang tính bảo mật. 1 do an Từ những yêu cầu thực tế, những đòi hỏi ngày càng cao của hoạt động sản xuất, cộng với sự hợp tác, phát triển mạnh mẽ của mạng internet nên em đã chọn đề tài " Điều khiển và giám sát vườn thông minh qua mạng Internet " để đáp ứng được nhu cầu ngày càng cao của con người và góp phần vào sự tiến bộ, văn minh, hiện đại của nước nhà.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 thông minh bằng Arduino và Module Ethernet Shield, 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 các tiêu chuẩn, yêu cầu, tiêu chí, quá trình canh tác của một số loại cây trồng.
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. - Xây dựng giao diện web cho người dùng dễ sử dụng.
- 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 mạng internet. 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 khu vườn (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 Ethernet Shield), 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. 2 do an - Kết nối bộ điều khiển với module Ethernet Shield để thực hiện tương tác từ xa thông qua giao diện Web. 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.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 module Ethernet Shiled. 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. Trong mấy thập kỷ qua, nhà kính ở Israel chủ yếu sử dụng cho canh tác hoa, rau, các loại cây màu thực phẩm đòi hỏi chất lượng sản phẩm cao, như ớt, hành, tỏi, dưa v.
Hiện tại, Israel đang phát triển loại hình nhà kính dùng để sản xuất một số loại cây cảnh, cây ăn quả lưu niên vì mục tiêu thương mại và 4 do an xuất khẩu như nho, táo, đào, lê, vv.