CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 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 đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lí, công nghiệp, cung cấp thông tin. Do đó, đội ngũ kỹ thuật, kỹ sư, chuyên gia, nhà khoa học 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. Bên cạnh đó còn là sự thúc đẩy sự phát triển của nền kinh tế nước nhà. Hiện nay, hầu như tất cả các nhà kính trên thế giới đều sử dụng những công nghệ thô sơ và lạc hậu.
Các công việc như bón phân, tưới cây… đều phải thông qua bàn tay con người. Đặc biệt với những vấn đề thời tiết như nhiệt độ, độ ẩm, độ sáng, tốc độ gió… đều phụ thuộc nhiều vào thời tiết. Vì vậy mà chất lượng, năng suất nông sản không đạt mà lại tốn quá nhiều nhân công, thời gian, chi phí. Nhà kính thông minh ra đời để đáp ứng nhu cầu trên.
Với những tính năng tự động con người chỉ cần giám sát thông qua Web, hoặc điều khiển trực tiếp trên nền Web. Sau đó hệ thống sẽ tự động thu thập dữ liệu để phân tích, đưa ra các cảnh báo và tối ưu hóa hệ thống điều khiển bằng các thuật toán. Mọi tính năng của nhà kính đều có khả năng tự vận hành hoặc dưới sự điều khiển của người dùng thông qua điện thoại di động sử dụng mạng 3G hay Internet và cung cấp nhiều chế độ sử dụng. Người dùng có thể truy cập từ xa vào hệ thống quản lý để xem 1 tình trạng hoạt động nhà kính.
Ví dụ như theo dõi nhiệt độ, độ ẩm không khí,độ ẩm đất, độ PH, độ sáng… Hình 1.1: Các thành phần chính của nhà kính thông minh Các thành phần chính của nhà kính thông minh: Các cảm biến thu thập dữ liệu nhà kính, các cơ cấu chấp hành, các cổng kết nối I/O, phần điều khiển trung tâm, các thiết bị giao tiếp qua mạng, các thiết bị điều khiển giám sát và cơ sở dữ liệu… 1.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài Ngày nay cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, các thiết bị điện- điện tử ra đời ngày càng nhiều về chủng loại cũng như tính năng sử dụng. Bên cạnh đó, nhu cầu sử dụng các thiết bị một cách tự động ngày càng cao, con người ngày càng muốn có nhiều thiết bị giải trí cũng như các thiết bị sinh hoạt với kỹ thuật và công nghệ ngày càng hiện đại. Tuy nhiên, trong lĩnh vực nhà kính thông minh vẫn chưa được đầu tư và phát triển. Từ những nhu cầu thực tế đó, tác giả muốn đưa một phần những kỹ thuật hiện đại của thế giới áp dụng vào điều kiện thực tế trong nước những năm trở lại đây đang phát triển đó là ý tưởng điều khiển và giám sát nhà kính từ xa ra đời, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người.
Đề tài lấy cơ sở là dùng Web Server để điều 2 khiển và giám sát nhà kính, kết hợp thuật toán Support vector machines để phân lớp dữ liệu, đánh giá độ chính xác phân lớp và dự đoán trạng thái nhà kính để đưa ra lệnh điều khiển cho nhà kính. Với sự kết hợp của IoT và thuật toán Support Vector Machines con người chỉ cần giám sát và không cần điều khiển bất cứ quá trình nào. Việc sử dụng Web để điều khiển thiết bị có thuận lợi là tiết kiệm chi phí, mang tính cạnh tranh. Ngoài ra, sản phẩm của đề tài này có tính mở, có thể áp dụng cho nhiều đối tượng khác nhau trong dân dụng cũng như trong công nghiệp.3 Mục đích nghiên cứu và giới hạn của đề tài.
Luận văn “Điều khiển và giám sát mô hình nhà kính thông minh sử dụng IoT (Internet of things) và thuật toán Support Vector Machines” với mục đích ứng dụng công nghệ Iot vào nhà kính, kết hợp với thuật toán Support Vector Machines để đánh giá phân lớp, đưa ra dự đoán, quyết định về trạng thái nhà kính.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.1 Ngoài nước Trên thế giới với sự phát công nghệ thông tin và viễn thông phát triển vượt bậc như hiện nay ở các nước phát triển, điều khiển và giám sát không khó để thể thực hiện và ngày càng được nhân rộng. Tuy nhiên nhà kính thông minh vẫn chưa được phát triển rộng, nhưng tầm thiết thực thì vô cùng lớn, một số nước lớn như Hà Lan đã áp cụng công nghệ Iot cho nhà kính và đạt được những lợi ích thiết thực. Nhà kính nông nghiệp công nghệ cao Israel ( Nguồn: Liên hiệp các hội khoa học và kỹ thuật tỉnh Thái Bình) [1] Canh tác nhà kính được xem như một giải pháp công nghệ chìa khoá trong phát triển nông nghiệp công nghệ cao, là bước phát triển đột phá trong "nền văn minh nông nghiệp". Mục tiêu của canh tác nhà kính không có gì khác ngoài việc nâng cao hay tạo ra các mốc phát triển đột phá về năng suất, chất lượng sản phẩm, giảm thiểu rủi ro trong sản xuất; và để đạt được mục tiêu cao nhất cho người sản xuất là mục tiêu năng suất, chất lượng sản phẩm và sau cùng là mục tiêu hiệu quả kinh tế và giá trị thu nhập/đơn vị diện tích hay đồng vốn đầu tư.
Nhà kính công nghệ cao Israel, ngoài việc 3 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 trường sinh thái nhà kính. 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 trưng thời tiết khí hậu địa phương). Hiện nay, Israel sử dụng toàn bộ loại hình nhà kính tiên tiến. Các bộ phận thường có của một nhà kính tiêu chuẩn là hệ thống rèm; "cửa ánh sáng" và hệ thống lưới tạo bóng râm; các hệ thống kiểm soát và điều chỉnh môi trường sinh thái để tạo lập ra một môi trường sinh thái tối thích đáp ứng nhu cầu sinh lý cây trồng, như 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, vv.
Cùng với việc nghiên cứu phát triển công nghệ tổng hợp, Israel đang tập trung khai thác và tận dụng các đặc trưng đặc tính của “vật liệu thông minh” để xây dựng nhà kính. Về độ cao: Nhà kính trước hết cần đảm bảo tiêu chuẩn độ cao phù hợp với đặc điểm sinh lý và sinh khối từng loại cây trồng cụ thể, (tạo lập một môi trường sinh thái tối thích cho cây trồng sinh trưởng phát triển). Độ cao nhà kính cũng là yếu tố tạo điều kiện thuận lợi cho việc thông gió, thông khí, tạo điều kiện thuận lợi phù hợp với các loại cây trồng. Nhà kính cần đảm bảo và đáp ứng tốt mọi tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật, đáp ứng các yêu cầu đòi hỏi cho công tác chăm sóc, công tác quản lý kỹ thuật sản xuất, bảo vệ thực vật, vv, ví dụ như tiêu chuẩn ngăn chặn côn trùng, ngăn chặn viruts, vi khuẩn xâm nhập, gây bệnh, vv.
Và đặc biệt, chiều cao nhà kính đôi khi còn phụ thuộc vào chiều cao của các loại máy móc, các trang thiết bị, các phương tiện cơ giới hoạt động trong nhà kính - thực hiện công việc chăm sóc/thu hoạch sản phẩm, tăng năng suất lao động. Về công nghệ kiểm soát tiểu khí hậu nhà kính công nghệ cao (Technologies for hi-tech greenhouses climate control)[2]: Nhà kính của Israel phải đảm bảo các 4 tiêu chuẩn công nghệ quy định, ví dụ như tiêu chuẩn thích ứng nhiệt “làm mát vào ban ngày và toả ấm vào ban đêm”. Việc thiết kế và xây dựng nhà kính như thế nào đó để sao cho việc kiểm soát và điều chỉnh các yếu tố môi trường 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". Để tự động hoá việc kiểm soát và điều chỉnh các thông số môi trường nhà kính, hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ được cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và được kết nối trực tiếp đến computer để thực hiện các lệnh tưới, bón, điều chỉnh nhiệt ẩm, tạo lập môi trường sinh thái tối thích cho cây trồng sinh trưởng phát triển.2: Hệ thống cảm biến nhiệt độ và ẩm độ được cài đặt tại nhiều vị trí khác nhau và kết nối đến các computer Về công nghệ kiểm soát sinh học và dịch bệnh nhà kính, việc kiểm soát sinh học nhà kính đóng vai trò quyết định tới năng suất, chất lượng nông sản và hiệu quả kinh tế sản xuất.
Để sớm phát hiện các tác động bất lợi của dịch bệnh, côn trùng, các "Tấm chỉ thị" khác nhau được đặt trong nhà kính để thu hút và phát hiện các loại côn trùng gây hại xuất hiện trong nhà kính để từ đó các kỹ sư cây trồng đi đến quyết định sử dụng biện pháp bảo vệ thực vật nào cho phù hợp. Để giúp các loại cây trồng đạt tỷ lệ đậu quả cao nhất có thể, trong nhà kính được đặt các tổ ong sinh học, ong sinh học trong nhà kính được thả bay tự do để thụ phấn cho cây. Đối với các cây trồng thụ 5 phấn như các loại dưa, cà chua … thì ong sinh học "Bio-bee"[3] đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc thụ phấn - làm tăng năng suất quả.3: Các kỹ sư nông học kiểm tra dịch bệnh nhà kính, Kibbutz Masharap, Israel Về công nghệ điện toán nhà kính: Israel là đất nước 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 mưc cao nhất lợi thế và ưu 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 tưới nước/bón phân, hệ thống cấp và điều chỉnh ẩm độ nhiệt độ, hệ thống kiểm soát tiểu khí hậu đều được thực hiện tự động hoá thông qua các hệ thống phần mềm quản lý kỹ thuật.