Đồ án: Nhà kính trồng rau thông minh ứng dụng xử lý ảnh phát hiện sâu bệnh

Nghiên cứu chuyên sâu Nhà kính trồng rau thông minh: Phát hiện sâu bệnh bằng AI ứng dụng cao trong học thuật và nghiên cứu thực tiễn

• Tác giả: Đặng Huy Hoàng
• Người hướng dẫn: Ths. Phạm Quốc Phương
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế - Thi Công Hệ Thống Nhà Kính Trồng Rau Thông Minh Ứng Dụng Xử Lý Ảnh Phát Hiện Sâu Bệnh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nhà kính trồng rau thông minh Giải pháp nông nghiệp hiện đại

Nhà kính trồng rau thông minh đại diện cho sự kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ tiên tiến và nông nghiệp truyền thống. Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, việc tìm kiếm không gian để trồng trọt tự cung tự cấp trở thành thách thức lớn. Hệ thống nhà kính cung cấp giải pháp hiệu quả, cho phép người nông dân và các hộ gia đình sản xuất rau xanh sạch ngay trong thành phố. Các nhà kính thông minh tích hợp công nghệ điều khiển tự động, cảm biến hiện đại và hệ thống xử lý ảnh AI để tối ưu hóa các điều kiện trồng trọt. Đặc biệt, công nghệ này giúp tiết kiệm thời gian chăm sóc cây trồng và nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm đáng kể. Với nhu cầu sản phẩm sạch ngày càng cao, nhà kính thông minh trở thành lựa chọn hàng đầu cho những ai quan tâm đến vệ sinh thực phẩm.

1.1. Khái niệm và ứng dụng nhà kính trồng rau

Nhà kính trồng rau là công trình sản xuất nông nghiệp được thiết kế để tạo ra môi trường kiểm soát cho cây trồng. Hệ thống này sử dụng công nghệ điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và chất dinh dưỡng. Ứng dụng nhà kính giúp giảm tác động của thời tiết bất lợi, tăng năng suất từ 3-4 lần so với nông nghiệp truyền thống. Đặc biệt, hệ thống tự động hóa cho phép quản lý toàn bộ quá trình từ tưới nước đến xử lý sâu bệnh mà không cần can thiệp thủ công liên tục.

1.2. Lợi ích của công nghệ nhà kính hiện đại

Lợi ích nhà kính thông minh rất đa dạng: tiết kiệm tài nguyên nước lên đến 70%, giảm sử dụng hóa chất độc hại, tăng năng suất cây trồng, và sản xuất rau sạch có chất lượng cao. Công nghệ tự động hóa giúp giảm chi phí nhân công, quản lý dễ dàng hơn. Ngoài ra, hệ thống điều khiển linh hoạt cho phép trồng nhiều loại cây trong cùng một không gian, tối ưu hóa diện tích sử dụng.

II. Phát hiện sâu bệnh bằng AI Công nghệ xử lý ảnh tiên tiến

Phát hiện sâu bệnh bằng AI là bước ngoặt quan trọng trong quản lý cây trồng hiệu quả. Công nghệ xử lý ảnh sử dụng các thuật toán học máy để phân tích ảnh từ camera giám sát, xác định nhanh chóng những dấu hiệu bệnh và sâu bộ sưu tập trên lá cây. Hệ thống AI phát hiện sâu bệnh có khả năng nhận dạng hơn 95% các loại sâu bệnh phổ biến với độ chính xác cao. Điều này cho phép nông dân can thiệp sớm, ngăn chặn sự lây lan bệnh dịch trước khi gây thiệt hại nghiêm trọng. Công nghệ Computer Vision tích hợp trong nhà kính thông minh có thể hoạt động 24/7, liên tục giám sát tình trạng cây trồng và cảnh báo ngay khi phát hiện bất thường.

2.1. Nguyên lý hoạt động của xử lý ảnh AI

Xử lý ảnh AI dựa trên các mạng nơ-ron nhân tạo được huấn luyện từ hàng ngàn hình ảnh cây bệnh. Hệ thống phân tích ảnh có thể phát hiện những thay đổi nhỏ trên lá cây như: bệnh nấm, bệnh virus, tổn thương sâu ăn. Thuật toán machine learning liên tục cải thiện độ chính xác qua từng lần phân tích. Khi phát hiện bất thường, hệ thống cảnh báo sẽ thông báo cho người quản lý, cho phép xử lý kịp thời.

2.2. Lợi ích của công nghệ phát hiện sâu bệnh

Công nghệ phát hiện sâu bệnh giúp giảm thiệt hại cây trồng lên đến 85%, tiết kiệm chi phí xử lý bệnh, giảm sử dụng thuốc độc hại. Hệ thống cảnh báo sớm cho phép nông dân chủ động trong quản lý, nâng cao chất lượng sản phẩm và đảm bảo sản phẩm sạch không có dư lượng thuốc. Ngoài ra, xử lý ảnh tự động tiết kiệm thời gian giám sát, giải phóng nhân công để làm các công việc quan trọng khác.

III. Hệ thống tự động hóa trong nhà kính thông minh

Hệ thống tự động hóa nhà kính tích hợp nhiều thiết bị và bộ điều khiển thông minh để quản lý toàn bộ quy trình canh tác. Bộ điều khiển PLC (FX3G-24MT) là trung tâm điều khiển, nhận tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị như bơm lưu hồi, bơm phun sương, đèn chuyên dụng và hệ thống tưới nước thuỷ canh. Phần mềm Gxwork2 được sử dụng để lập trình logic điều khiển, cho phép tự động điều chỉnh các thông số như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng theo nhu cầu của từng loại cây. Hệ thống này giảm can thiệp thủ công đáng kể, nâng cao hiệu suất sản xuất và đảm bảo chất lượng rau sạch ổn định.

3.1. Các thành phần chính của hệ thống tự động

Hệ thống tự động hóa bao gồm: bộ điều khiển PLC điều phối toàn bộ hoạt động, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, camera phát hiện sâu bệnh, bơm cấp nước tự động, hệ thống đèn LED điều chỉnh được, thùng chứa dung dịch dinh dưỡng. Các thiết bị này kết nối thông qua mạng điều khiển cho phép hoạt động đồng bộ, hiệu quả. Phần mềm quản lý tự động ghi lại dữ liệu hoạt động, hỗ trợ phân tích và tối ưu hóa quy trình.

3.2. Quy trình hoạt động của hệ thống tự động

Quy trình tự động bắt đầu khi cảm biến phát hiện tín hiệu yêu cầu như thiếu nước, thiếu sáng hoặc sâu bệnh. Bộ điều khiển PLC xử lý tín hiệu, so sánh với các thông số định sẵn, sau đó phát lệnh điều khiển. Camera AI liên tục quét các cây, phát hiện sâu bệnh và gửi cảnh báo. Bơm nước hoạt động tự động theo lịch định sẵn, đèn điều chỉnh cường độ sáng. Toàn bộ quá trình được giám sát, ghi nhận để tối ưu hóa liên tục.

IV. Tương lai và hướng phát triển của nhà kính thông minh

Nhà kính trồng rau thông minh đang trở thành xu hướng toàn cầu, với nhiều hướng phát triển tiềm năng. Công nghệ AI phát hiện sâu bệnh sẽ ngày càng được cải thiện, có khả năng nhận dạng nhiều loại sâu bệnh hơn với độ chính xác tuyệt đối. Hệ thống dữ liệu đám mây sẽ được tích hợp để lưu trữ và phân tích thông tin sâu bệnh, cho phép các nông dân chia sẻ kinh nghiệm và học hỏi lẫn nhau. Kết nối IoT sẽ mở rộng, cho phép quản lý nhiều nhà kính từ xa qua điện thoại thông minh. Công nghệ năng lượng tái tạo như pin mặt trời sẽ được tích hợp để giảm chi phí năng lượng. Tương lai sẽ thấy nông nghiệp 4.0 trở thành chuẩn, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm sạch và tính bền vững của hệ thống.

4.1. Những cải tiến công nghệ dự kiến

Công nghệ tương lai sẽ bao gồm: hệ thống lưu trữ dữ liệu đám mây để quản lý thông tin sâu bệnh và hiệu suất cây trồng, robot tự động để thu hoạch và chăm sóc cây, cảm biến sinh học để đo chất lượng cây chính xác hơn. Hệ thống AI sẽ được huấn luyện nhận dạng hàng chục loại sâu bệnh khác nhau. Kết nối 5G sẽ cho phép truyền dữ liệu nhanh chóng, điều khiển hệ thống từ xa một cách hiệu quả.

4.2. Tiềm năng phát triển bền vững

Nhà kính thông minh có tiềm năng to lớn trong phát triển bền vững: giảm lượng nước tiêu thụ đến 90%, không sử dụng hóa chất độc hại, sản xuất rau sạch chất lượng cao. Hệ thống này có thể áp dụng rộng rãi tại các thành phố lớn, giải quyết vấn đề vệ sinh thực phẩm. Kinh tế tuần hoàn sẽ được thúc đẩy qua tái sử dụng nước, chất thải hữu cơ. Nông nghiệp đô thị sẽ phát triển mạnh, tạo việc làm mới và góp phần bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Hiện nay, vấn đề an toàn thực phẩm luôn được quan tâm, đặc biệt là khi các vụ việc do thực phẩm bẩn gây nên ngày càng tăng. Vì thế, nhằm nâng cao mức độ an toàn và năng suất sản xuất của rau xanh, nhiều người đã ứng dụng mô hình trồng rau trong nhà kính. Nhà kính là công trình có mái che được làm bằng kính hoặc các vật liệu tương tự nhằm tránh các tác hại từ thời tiết, tạo một lớp chắn cho cây trồng khỏi sâu bệnh, tia cực tím hoặc các chất độc hại giúp cây có môi trường sinh sống thuận lợi. Vì vậy, trồng cây trong nhà kính sẽ giúp gia tăng năng suất hơn.

Ngoài trồng rau bằng đất và phân bón như thông thường thì trồng rau thủy canh trong nhà kính là một trong những giải pháp trồng rau sạch và an toàn được rất nhiều nhà vườn áp dụng hiện nay. Mô hình trồng rau sạch trong nhà kính mang lại ưu điểm là chống và hạn chế tối đa được hư hỏng rau do mưa bão hoặc sâu bệnh gây ra cho cây. Về mặt kỹ thuật, với phương pháp thủy canh người ta có thể sản xuất hầu hết các loại rau ăn lá và rau ăn quả. Ngoài ra, việc xây dựng hệ thống thủy canh trong nhà màng/nhà kính giúp chúng ta kiểm soát tốt hơn các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,… Chính vì vậy, nếu nắm bắt tốt công nghệ, chúng ta có thể trồng được nhiều loại cây trồng khác nhau trong những thời tiết khắc nghiệt nhất.

Những năm gần đây, sự hoàn thiện về kỹ thuật trồng thuỷ canh cũng giúp cho chất lượng chung của rau trồng với công nghệ này tăng cao. Trong khi đó, nhu cầu về thực phẩm sạch ngày càng tăng cao dẫn đến thị trường tiêu thụ rau thuỷ canh dễ tiếp cần hơn. Thị trường sản phẩm tươi sạch luôn thu hút nhiều khách hàng, đòi hỏi sản phẩm cạnh tranh phải đảm bảo chất lượng đồng thời giữ giá tốt nhất. Mô hình thủy canh 1 được thiết kế để tạo ra một môi trường cho cây phát triển ở mức tối ưu, do đó tạo ra năng suất chất lượng cao nhất có thể.

Rất nhiều tiềm năng và không thiếu thách thức, có thể khẳng định trong nhiều năm tới, đây vẫn sẽ là mô hình nhận được nhiều sự chú ý và không ngừng mở rộng ở Việt Nam cũng như trên thế giới. Nắm bắt những điều kiện, cũng như những ưu điểm mà việc nuôi trồng thủy canh mang lại, nhóm chúng em quyết định phát triển đề tài mang tên “ Hệ thống nhà kính thông minh trồng rau thủy canh kết hợp xử lý ảnh phát hiện sâu bệnh” để đáp ứng nhu cầu của thị trường hiện nay.2 Giới hạn đề tài Hệ thống nhà kính thông minh là một đề tài đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu. Hiện nay, ở các tỉnh miền Tây và Tây Nguyên có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn bởi những tính năng sau: - Hệ thống điều khiển: PLC, Labview, Arduino, OPC.

- Hệ thống bơm làm mát, đèn nông nghiệp hoạt động theo thời gian thực. - Cơ cấu đón gió trời và phát hiện mưa, giúp tối ưu việc cây trồng nhận được các điều kiện phát triển tốt từ thiên nhiên.3 Các phần mềm hỗ trợ thiết kê, mô phỏng 1.1 Phần mềm LabVIEW - LabVIEW được dùng nhiều trong các phòng thí nghiệm, lĩnh vực khoa học kỹ thuật như tự động hóa, điều khiển, điện tử, cơ điện tử, hàng không, hóa sinh, điện tử y sinh,. Hiện tại ngoài phiên bản LabVIEW cho các hệ điều hành Windows, Linux, Hãng NI đã phát triển các mô - đun LabVIEW cho máy hỗ trợ cá nhân (PDA). Các chức năng chính của LabVIEW có thể tóm tắt như sau: - Thu thập tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài như cảm biến nhiệt độ, hình ảnh từ webcam, vận tốc của động cơ,.

2 - Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi thông qua nhiều chuẩn giao tiếp thông qua các cổng giao tiếp: RS232, RS485, USB, PCI, Ethernet - Mô phỏng và xử lý các tín hiệu thu nhận được để phục vụ các mục đích nghiên cứu hay mục đích của hệ thống mà người lập trình mong muốn - Xây dựng các giao diện người dùng một cách nhanh chóng và thẩm mỹ hơn nhiều so với các ngôn ngữ khác như Visual Basic, Matlab,. - Cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển như PID, Logic mờ (Fuzzy Logic), một cách nhanh chóng thông qua các chức năng tích hợp sẵn trong LabVIEW. - Cho phép kết hợp với nhiều ngôn ngữ lập trình truyền thống như C, C++,… 1.2 Phần mềm GX - Work 2 - Phần mềm GX - Work 2 là phần mềm được Mitsubishi nâng cấp và thay thế cho GX Developer trong lập trình PLC với giao diện trực quan đẹp hơn hơn, thao tác mượt mà và có hỗ trợ thêm các ngôn ngữ lập trình khác như là FBD (Function Block Diagram), SFC (Sequential Function Chart) - Chức năng: - Lập trình: o Chương trình có thể được tạo ra trong một Dự án đơn giản theo cách tương tự với GX Developer. o Lập trình cấu trúc trong một dự án cấu trúc cũng khả thi với GX Works2.

- Cài đặt tham số o Tham số cho CPU điều khiển khả trình và tham số cấu hình mạng có thể được đặt với GX Works2. o Tham số cho khối chức năng thông minh cũng có thể được cài đặt 1.3 Phần mềm Auto CAD - AutoCAD là phần mềm soạn thảo để vẽ hoặc tạo bản vẽ kỹ thuật bằng vectơ 2D hay bề mặt 3D được phát hành vào cuối năm 1982 bởi tập đoàn Autodesk. 3 - Phần mềm AutoCAD thường được mọi người sử dụng chủ yếu trong các lĩnh vực về công nghiệp, xây dựng, kiến trúc. Bởi những lĩnh vực này khi sử dụng CAD sẽ giúp người dùng tạo ra những bản thiết kế để sáng tạo theo mong muốn cá nhân, đồng thời còn hỗ trợ các bước kỹ thuật khác được thực hiện chính xác và tốt hơn.

- Hỗ trợ vẽ theo tỷ lệ một cách dễ dàng. - Các công cụ điều chỉnh kích thước và căn chỉnh giúp tăng độ chính xác. - Xác định nhanh chóng kích thước thực tế của mô hình. - Tính toán số lượng vật liệu sản xuất chi tiết.4 Phần mềm Arduino IDE - Arduino IDE là một phần mềm với một mã nguồn mở, được sử dụng chủ yếu để viết và biên dịch mã vào module Arduino.

Nó bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng chứa đến 300,000 board mạch được thiết kế sẵn với các cảm biến, linh kiện. Phần mềm giúp bạn có thể sử dụng các cảm biến, linh kiện ấy của Arduino một cách linh hoạt phù hợp với mục đích sử dụng.5 Phần mềm Proteus - Phần mềm Proteus là phần mềm cho phép mô phỏng hoạt động của mạch điện tử bao gồm phần thiết kế mạch và viết chương trình điều khiển cho các họ vi điều khiển như MCS - 51, PIC, AVR, … Proteus là phần mềm mô phỏng mạch điện tử của Lancenter Electronics, mô phỏng cho hầu hết các linh kiện điện tử thông dụng, đặc biệt hỗ trợ cho cả các MCU như PIC, 8051, AVR, Motorola.4 Giới thiệu về hệ thống nhà kính 1.1 Khái niệm nhà kính Nhà kính hay còn gọi là nhà lưới, nhà màn,… là công trình có mái che được làm bằng kính hoặc các vật liệu tương tự nhằm tránh các tác hại từ thời tiết, tạo một lớp chắn cho cây trồng khỏi sâu bệnh, tia cực tím hoặc các chất độc hại giúp cây có môi trường sinh sống thuận lợi. Vì vậy, trồng cây trong nhà kính sẽ giúp gia tăng năng suất hơn.2 Các mô hình nhà kính phổ biến - Tùy theo diện tích canh tác và đặc điểm của cây trồng cũng như khí hậu từng tỉnh thành mà các loại nhà kính khác nhau có thể đáp ứng đầy đủ những yêu cầu đa dạng.

Phân loại theo kiểu mái thông gió thường áp dụng 3 loại nhà kính sau: - Hệ thống nhà kính mái hở cố định một bên + Mái nhà kính được thiết kế có độ nhô lên theo hình cung tròn lệch, với cửa thông gió nằm giữa phần lệch của 2 cung tròn đó. Điều này làm giảm diện tích bị nung nóng, đồng thời làm phân tầng không khí bên trong nhà kính, từ đó làm tăng hiệu quả làm mát, kiểm soát tốt sự ngưng đọng hơi nước. Khi xây dựng mô hình nhà kính này, cần phải lưu ý đến hướng gió sao cho phù hợp với phần hở của mái. 1 Hệ thống nhà kính mái hở cố định một bên ( Nguồn: https://nhakinh.net/mo-hinh-nha-kinh-mai-ho-co-dinh-1-ben/) - Hệ thống nhà kính mái hở cố định hai bên + Với hệ thống này thì cửa thông gió đôi làm thoáng không khí hơn nữa, thiết kế mái mái nhô lên theo dạng cung tròn, trên đỉnh mái được cố định bởi 2 cửa thông gió để tránh khỏi việc mưa, tuyết, băng đọng trên mái gây sập nhà.

Điều này cũng có tác dụng tương tự với nhà kính mái hở cố định một bên đó là giúp giảm diện tích nung nóng và phân tầng không khí bên trong 5 nhà kính. Từ đó làm tăng hiệu quả làm mát và kiểm soát sự ngưng tụ hơi nước của cây trồng. 2 Hệ thống nhà kính mái hở cố định hai bên ( Nguồn: https://hachi.vn/nha-mang-hachi-loi-giai-cho-bai-toan-nhiet-do/) - Hệ thống nhà kính đóng mở kiểu cánh bướm + Về cơ bản thì hệ thống này giống với hệ thống nhà kính mái hở cố định, chỉ khác mái của nhà kính dạng này có thể mở đóng được. Nó có thể giúp lưu thông không khí cho cây trồng một cách tự nhiên, tạo được môi trường khí hậu cưỡng bức trong các điều kiện thời tiết khác nhau.

Đây cũng là lợi thế của hệ thống này so với các kiểu nhà kính khác, đáp ứng được yêu cầu canh tác đòi hỏi chuyên môn cao, nhất là cây trồng có giá trị kinh tế lớn. 3 Hệ thống nhà kính đóng mở kiểu cánh bướm ( Nguồn: http://novagap.com/thi-cong-nha-kinh-nong-nghiep-nha-mang-nong- nghiep.3 Nhà kính trồng rau - Nhà kính trồng rau là một công trình có mái hay tường được làm bằng kim loại hoặc những vật liệu tương tự được sử dụng trong nông nghiệp để tránh những tác động không tốt từ thời tiết, cung cấp cho cây trồng môi trường tốt nhất với mục đích tăng năng suất và đảm bảo an toàn. - Nhà kính trồng rau thường được thiết kế bằng kính hay cũng có thể được thay thế bằng nhựa bởi chúng có khả năng tự nóng lên dưới tác động của bức xạ của mặt trời khi đi qua lớp kính trong suốt sẽ bị hấp thụ bởi đất đai, thực vật và những thứ khác bên trong nhà kính. 4 Mô hình trồng rau trong nhà kính ( Nguồn: https://www.vn/trong-trot/mo-hinh-trong-rau-trong-nha-kinh/) 1.