Đặt vấn đề Hiện nay trên thế giới, việc ứng dụng các công nghệ điều khiển vào trong sản xuất là rất nhiều và cần thiết trong các ngành nghề kể cả trong nông nghiệp. Trong nông nghiệp, nhờ ứng dụng các công nghệ điều khiển hiện đại mà năng suất và chất lƣợng cây trồng tăng lên đáng kể. Với công nghệ trồng rau trong nhà màng có sự hỗ trợ của các thiết bị điều khiển đã cho những kết quả ngoài mong đợi nhƣ năng suất cao, chất lƣợng tốt, sạch, an toàn mà còn có thể trồng những loại cây mà từ trƣớc không phải là truyền thống của vùng miền. Ở Việt Nam, việc trồng rau trong nhà màng đang phát triển nhanh chóng, đem lại lợi ích cao cho ngƣời nông dân.
Tuy nhiên, do chi phí đầu tƣ cao nên việc ứng dụng chỉ hạn chế trong các nông trang lớn có khả năng về kinh tế, hoặc chỉ điều khiển ở dạng bán tự động nên vẫn cần nhiều nhân công trong việc điều khiển vì hầu hết các trang thiết bị điều khiển đều phải nhập từ nƣớc ngoài nên giá thành cao. Do đó cần phải có hƣớng nghiên cứu, thiết kế và chế tạo những thiết bị này ngay ở trong nƣớc để giảm chi phí, phù hợp với điều kiện kinh tế của ngƣời nông dân và điều kiện môi trƣờng ở Việt Nam. Luận văn đã trình bày kết quả thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển tiểu môi trƣờng trong mô hình nhà màng một cách tự động và có sự hỗ trợ của máy tính và đặc biệt có thể điều khiển qua điện thoại Smarphone. Kết quả thực nghiệm cho thấy với nhà màng đƣợc điều khiển tự động sẽ làm cho điều kiện môi trƣờng sinh trƣởng của cây trồng tốt hơn, phù hợp yêu cầu môi trƣờng đặt ra cho từng loại cây trồng.
Mặt khác với khả năng điều khiển từ xa qua Smarphone làm cho việc giám sát và điều khiển trở nên sễ dàng hơn.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài Ở Việt Nam, diện tích trồng rau xanh rất lớn. Hầu hết phƣơng thức canh tác chủ yếu theo cách truyền thống nên cho năng xuất thấp và chất lƣợng không cao. Do đó cần phải có một phƣơng thức mới nhằm nâng cao chất lƣợng sản phẩm và năng xuất cây trồng. Hiện nay cũng đã có nhiều nơi ở Việt Nam đã ứng dụng công nghệ trồng cây trong nhà màng và công nghệ này cũng đã phát huy tính hiệu quả đã giúp cho các nhà đầu tƣ đạt đƣợc lợi nhuận.
Tuy nhiên các thiết bị điều khiển của các nhà màng trồng rau lớn ở Việt Nam hầu hết đƣợc nhập từ nƣớc ngoài nên giá thành cao, do đó những hộ nông dân nhỏ khó tiếp cận đƣợc với công nghệ này hoặc có thì ở mức đơn giản và còn nhiều khâu phải làm thủ công. Vì lý do này, tác giả đã chọn lựa đề tài “nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển thông minh chăm sóc vƣờn cây trồng tự nhiên”. Đề tài thực hiện cho phép giải quyết: - Áp dụng công nghệ tự động để điều khiển tiểu khí hậu của nhà màng giúp giảm bớt sức lao động, nguồn nƣớc, phân bón, thuốc trừ sâu và nâng cao chất lƣợng điều chỉnh. - Ứng dụng công nghệ thông tin để quan sát, quản lý thiết bị điều khiển.
- Mô hình nhà màng có thể sử dụng ở qui mô nhỏ hộ gia đình nhất là những nơi có khuôn viên nhỏ của hộ gia đình ở khu đô thị. - Làm tăng giá trị của sản phẩm cây trồng, giúp cải thiện chất lƣợng cuộc sống và tăng thu nhập cho ngƣời trồng.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Đề tài triển khai nghiên cứu hƣớng tới mục tiêu sau: - Tự động hóa quá trình tƣới nƣớc - Tự động hóa quá trình tạo độ ẩm và thông khí. - Tự động hóa quá trình che, cắt nắng. - Thiết kế, chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh nhà màng 2 1.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đặc tính quang hợp của cây xanh.
- Tiểu khí hậu trong nhà màng. - Cách thức điều khiển tiểu khí hậu trong nhà màng. - Cách thức giám sát và điều khiển qua mạng internet.5 Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu phân tích lý thuyết: Thu thập tài liệu từ các nguồn báo chí, tạp chí, sách, từ internet có liên quan đến nội dung nghiên cứu. - Phƣơng pháp thực nghiệm: Tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm, thử nghiệm hoạt động và hoàn chỉnh thiết kế.
3 Chƣơng 2 TỔNG QUAN 2.1 Giới thiệu chung Các sản phẩm rau xanh là nguồn thực phẩm không thể thiếu trong bữa ăn hàng ngày của con ngƣời. Nhu cầu về rau xanh là rất lớn, do đó cần phải có nguồn cung cấp rau lớn. Hiện nay nƣớc ta có diện tích trồng rau xanh rất lớn, việc trồng rau xanh ở nƣớc ta mang tính tự phát và không theo qui chuẩn an toàn chất lƣợng nào. Vì vậy rất khó kiểm soát về chất lƣợng của sản phẩm, nhất là dƣ lƣợng về các thuốc bảo vệ thực vật.
Ngoài ra năng suất cây trồng cũng là yếu tố để giúp tăng lợi nhuận cho ngƣời trồng vì vậy cần phải có nghiên cứu một qui trình trồng rau xanh hiệu quả an toàn và chất lƣợng tốt. Một trong các cách làm hiệu quả của việc trồng rau là trồng rau trong nhà màng. Đây là một công nghệ mới, cho phép ngƣời trồng rau tạo ra các sản phẩm chất lƣợng, an toàn và năng suất cao. Việc trồng rau trong màng hiện đã trở nên phổ biến do tính hiệu quả của nó, không những đối với những trang trại lớn mà còn có thể ứng dụng cho từng hộ gia đình, tùy theo khả năng kinh tế và qui mô sản sản xuất.
Ở Việt Nam việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển vào điều khiển khí hậu của nhà trồng rau cũng đã có khắp nơi, các thiết bị điều khiển hầu nhƣ là nhập từ các nƣớc có công nghệ tiến tiến nhƣ Nhật, Isareal, Ustralia,. Giá thành các thiết bị này tƣơng đối cao, rất khó cho ngƣời nông dân Việt Nam tiếp cận. Vì vậy cần phải có những nghiên cứu và chế tạo các thiết bị trong nƣớc sao cho đảm bảo đƣợc ngƣời nông dân có thể đầu tƣ đƣợc và dể sử dụng. Đây cũng chính là mục đích của ngƣời nghiên cứu cần hƣớng tới nhằm tạo ra một sản phẩm tốt và hiện đại cho ngƣời nông dân Việt Nam.
Trong đề tài này chúng tôi cũng nghiên cứu hệ thống điều khiển qua mạng truyền thông Internet nhằm nâng cao khả năng giám sát điều kiện môi trƣờng của 4 nhà trồng để đƣa quyết định kịp thời cho việc điều khiển tiểu khí hậu nhà trồng tốt hơn.2 Một số công trình nghiên cứu liên quan 2.1 Nhà màng trên thế giới Hiện nay trên thế giới đã có rất nhiều thành công với mô hình trồng cây trong nhà kính. Các ứng dụng khoa học vào nông nghiệp đã đem lại những kết quả cao, điển hình nhƣ Ustralia, Israel, Hà lan,.trên đây là một số nƣớc có kỹ thuật nông nghiệp tiên tiến. Israel: Nhà kính công nghệ cao Israel, ngoài việc đảm bảo yêu cầu kết cấu bền vững, yêu cầu cho việc thực hiện cơ giới hoá đến mức cao nhất các công đoạn sản xuất, nhà kính còn có thể cho phép đáp ứng đến mức cao nhất các nhu cầu về kiểm soát “tiểu khí hậu nhà kính”, kiểm soát “sinh học nhà kính”, kiểm soát “dịch hại” nhà kính, và thực hiện các biện pháp điện toán điều chỉnh các yếu tố môi trƣờng sinh thái nhà kính [6]. Về kết cấu và cấu trúc: Kết cấu và cấu trúc nhà kính cần đảm bảo nguyên tắc cứng, nặng, đủ độ bền vững để chống lại gió mạnh (tuỳ theo đặc trƣng thời tiết khí hậu địa phƣơng).
Hiện nay, Israel sử dụng toàn bộ loại hình nhà kính tiên tiến. Các bộ phận thƣờng có của một nhà kính tiêu chuẩn là hệ thống rèm "cửa ánh sáng" và hệ thống lƣới tạo bóng râm, các hệ thống kiểm soát và điều chỉnh môi trƣờng sinh thái để tạo lập ra một môi trƣờng sinh thái tƣơng thích đáp ứng nhu cầu sinh hóa cây trồng, nhƣ hệ thống kiểm soát và điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống kiểm soát và điều chỉnh ẩm độ không khí/ẩm độ đất, hệ thống kiểm soát và điều chỉnh ánh sáng, hệ thống thông khí. Cùng với việc nghiên cứu phát triển công nghệ tổng hợp, Israel đang tập trung khai thác và tận dụng các đặc trƣng đặc tính của “vật liệu thông minh” để xây dựng nhà kính [6].1: Một Nông trang ở sa mạc Israel [6] Về công nghệ kiểm soát tiểu khí hậu nhà kính công nghệ cao (Technologies for hi-tech greenhouses climate control): Nhà kính của Israel phải đảm bảo các tiêu chuẩn công nghệ quy định, ví dụ nhƣ tiêu chuẩn thích ứng nhiệt “làm mát vào ban ngày và toả ấm vào ban đêm”. Việc thiết kế và xây dựng nhà kính nhƣ thế nào đó để sao cho việc kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố môi trƣờng để tạo ra " miền tiểu khí hậu tối thích " cho cây trồng phát triển trong khi chỉ cần "mức chi phí năng lượng tối thiểu".
Vì ngƣời sản xuất không thể sản xuất với bất cứ giá thành nào. Thông thƣờng, việc điều chỉnh chế độ nhiệt thƣờng đựơc kết hợp với việc điều chỉnh chế độ ẩm và đựơc thực hiện thông qua hệ thống "phun mù”. Các "hạt phun" có chức năng hấp thụ nhiệt dƣ thừa trong nhà kính vào ban ngày và lƣu trữ lƣợng nhiệt năng này để làm ấm nhà kính vào ban đêm. Nhƣ vậy, việc kiểm soát và điều chỉnh chế độ nhiệt/ẩm của nhà kính diễn ra liên tục suốt ngày đêm.
Để tự động hoá việc kiểm soát và điều chỉnh các thông số môi trƣờng nhà kính, hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ đƣợc cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và đƣợc kết nối trực tiếp đến computer để thực hiện các lệnh tƣới, bón, điều chỉnh nhiệt ẩm, tạo lập môi trƣờng sinh thái tối thích cho cây trồng sinh trƣởng phát triển [6].2: Hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ đƣợc cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và kết nối đến các computer [6] Về công nghệ điện toán nhà kính: Israel là đất nƣớc có nền công nghệ thông tin phát triển sớm, bao gồm cả công nghệ phần cứng và công nghệ phần mềm. Israel luôn nỗ lực khai thác ứng dụng đến mức cao nhất lợi thế và ƣu việt của công nghệ thông tin vào phát triển sản xuất nông nghiệp nói riêng. Đối với sản xuất nhà kính, toàn bộ các hệ thống tƣới nƣớc hay bón phân, hệ thống cấp và điều chỉnh ẩm độ nhiệt độ, hệ thống kiểm soát tiểu khí hậu đều đƣợc thực hiện tự động hoá thông qua các hệ thống phần mềm quản lý kỹ thuật [6].