Đồ án: Thiết kế mô hình hệ thống tưới tự động vườn thông minh (HUTECH)

Khám phá đồ án thiết kế hệ thống tưới tự động cho vườn thông minh. Mô hình ứng dụng PLC S7-1200 và cảm biến giúp tưới tiêu chính xác, tiết kiệm.

• Tác giả: Phan Tuấn Đạt
• Người hướng dẫn: Ths. Huỳnh Phát Huy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Hệ Thống Tưới Tự Động: Thiết Kế Mô Hình Vườn Thông Minh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống Tưới Tự Động Vườn Thông Minh

Hệ thống tưới tự động đã trở thành giải pháp hiệu quả cho nông nghiệp hiện đại. Nước ta hiện đang trong giai đoạn công nghiệp hoá và hiện đại hoá, nên việc áp dụng công nghệ tưới thông minh là cần thiết để nâng cao năng suất canh tác. Vườn thông minh sử dụng các thiết bị tự động giúp giảm nhân lực đáng kể và đảm bảo cây phát triển bình thường. Trước đây, tưới nước được thực hiện theo cách thủ công, không đảm bảo đúng yêu cầu nông học, dễ gây hạn chế trong sinh trưởng cây trồng. Hệ thống tưới tự động giải quyết vấn đề này bằng cách tưới đúng lúc, đúng lượng, giúp hạn chế sâu bệnh và tăng năng suất hiệu quả cao. Đây là bước tiến quan trọng trong ứng dụng khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp Việt Nam.

1.1. Tầm Quan Trọng của Tưới Nước trong Nông Nghiệp

Tưới nước là một trong những khâu quan trọng nhất trong trồng trọt. Để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, việc tưới phải chính xác cả về thời gian và lượng nước. Hệ thống tưới tự động giúp tưới đúng yêu cầu nông học, hạn chế bệnh tật, giảm sử dụng thuốc trừ sâu, và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.2. Lợi ích Ứng Dụng Công Nghệ Tưới Thông Minh

Vườn thông minh mang lại nhiều lợi ích: giảm sức lao động, tăng hiệu quả canh tác, tiết kiệm nước, và cải thiện chất lượng cây trồng. Người nông dân không cần quan tâm đến thời gian tưới, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh dựa trên điều kiện môi trường thực tế.

II. Thiết Kế Mô Hình Hệ Thống Tưới Tự Động

Mô hình hệ thống tưới tự động được thiết kế để mô phỏng thực tế hoạt động của nhà kính thông minh. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 làm trung tâm xử lý dữ liệu. Các cảm biến độ ẩm và cảm biến nhiệt độ được lắp đặt để liên tục theo dõi điều kiện môi trường. Hai động cơ bơm công suất 125W và 0,75kW được tích hợp để bơm nước theo tín hiệu điều khiển. Béc phun nước được bố trí theo các mô hình thực tế để phun nước đều khắp vườn. Hệ thống được lập trình hai chế độ: chế độ tự động (automation) dựa trên cảm biến và chế độ thủ công (manual) do người vận hành điều khiển. Tất cả dữ liệu được xử lý để đưa ra quyết định tưới nước chính xác nhất.

2.1. Các Thành Phần Chính của Hệ Thống

Hệ thống gồm PLC Siemens S7-1200 điều khiển trung tâm, cảm biến ẩm độ và cảm biến nhiệt độ để nhận biết môi trường, động cơ bơm nước công suất khác nhau tùy nhu cầu, béc phun nước phân phối nước, và hệ thống ống đường nước. Mỗi thành phần được lựa chọn kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu.

2.2. Nguyên Lý Hoạt Động của Hệ Thống

Cảm biến phát hiện độ ẩm đất và nhiệt độ, gửi dữ liệu tới PLC. PLC so sánh với giá trị đã lập trình sẵn, nếu độ ẩm thấp hơn mức cần thiết, động cơ bơm sẽ được kích hoạt. Nước được bơm và phun qua béc phun đều khắp vườn cho đến khi độ ẩm đạt mức đủ, hệ thống tự động dừng.

III. Chế Độ Điều Khiển và Lập Trình Hệ Thống

Chế độ điều khiển hệ thống được chia thành hai loại chính để phù hợp với từng nhu cầu sử dụng. Chế độ tự động (automation mode) là chế độ chính của vườn thông minh, hệ thống tự động nhận dữ liệu từ các cảm biến, xử lý thông tin và quyết định khi nào bắt đầu tưới nước dựa trên các điều kiện nhất định. Chế độ thủ công (manual mode) cho phép người vận hành kiểm soát trực tiếp, bắt/tắt động cơ bơm bằng tay khi cần thiết hoặc bảo trì. Lập trình PLC được thiết kế với logic rõ ràng, các điều kiện được lập trình sao cho hệ thống tưới tự động có thể vận hành liên tục và hiệu quả mà không cần can thiệp con người. Thời gian tưới được tính toán dựa trên độ ẩm hiện tại, nhiệt độ, và loại cây trồng.

3.1. Chế Độ Điều Khiển Tự Động

Chế độ tự động hoạt động dựa trên dữ liệu từ cảm biến độ ẩm và cảm biến nhiệt độ. Khi độ ẩm đất giảm dưới ngưỡng đã cài đặt, PLC sẽ kích hoạt động cơ bơm để bắt đầu tưới. Hệ thống liên tục giám sát tình trạng và tự động dừng khi điều kiện tối ưu được đạt. Chế độ này tiết kiệm nước và năng lượng tối đa.

3.2. Chế Độ Điều Khiển Thủ Công

Chế độ thủ công cho phép người vận hành can thiệp trực tiếp vào hệ thống. Điều này hữu ích khi cần bảo trì, kiểm tra, hoặc trong những trường hợp đặc biệt. Người sử dụng có thể bắt/tắt động cơ bơm theo ý muốn, kiểm soát lượng nước cần thiết cho các vùng khác nhau.

IV. Ứng Dụng và Triển Vọng Phát Triển

Hệ thống tưới tự động vườn thông minh có ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp hiện đại. Nhà kính công nghệ cao có thể sử dụng hệ thống này để tăng năng suất, nông trại hữu cơ sử dụng để giảm hóa chất, nông dân nhỏ lẻ có thể tối ưu hóa sản xuất với chi phí tương đối. Triển vọng phát triển của vườn thông minh rất lớn, có thể tích hợp thêm kỹ thuật AI để dự báo thời tiết, tối ưu hóa lịch tưới, hoặc kết nối IoT để quản lý từ xa. Công nghệ tưới thông minh góp phần vào nông nghiệp bền vững, giảm lãng phí nước và tài nguyên. Việc nâng cấp hệ thống với machine learning sẽ cho phép hệ thống học hỏi từ kinh nghiệm và điều chỉnh tự động theo từng loại cây và mùa vụ.

4.1. Ứng Dụng Thực Tế Hiện Nay

Hệ thống tưới tự động đã được áp dụng tại nhiều nhà kính và nông trại hiện đại. Nông dân sử dụng hệ thống này để quản lý hiệu quả cây trồng, tăng sản lượng lên 20-30%. Vườn thông minh giúp giảm nhân công, tiết kiệm nước tới 40%, và nâng cao chất lượng sản phẩm nhờ tưới cây đúng lúc, đúng lượng.

4.2. Tiềm Năng Phát Triển Trong Tương Lai

Tương lai hệ thống tưới tự động có thể tích hợp công nghệ AI để dự báo tình trạng cây, kết hợp dữ liệu thời tiết từ vệ tinh. Hệ thống có thể kết nối IoT cho phép quản lý từ xa qua ứng dụng di động. Việc mở rộng sang các loại cây khác nhau sẽ tăng giá trị ứng dụng, góp phần vào nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.Thực trạng về sản xuất rau ở việt nam 1. Thực trạng Nông nghiệp nước ta chiếm một vị trí quan trọng trong nền kinh tế quốc dân và đã đạt được những thành tựu vô cùng to lớn, từ chỗ thiếu lương thực tới nay đã trở thành một trong những nước xuất khẩu gạo đứng hàng đấu thế giới. Hàng loạt cáccây trồng mới có năng suất cao, ngắn ngày đã thay thế những giống cổ truyền, năng suất thấp. Các vùng chuyên canh rau và cây công nghiệp ngắn ngày đã được hình thành thay thế cho công thức đa canh, xen canh.

Tất cả các thay đổi đó tạo điều kiện cho nhiều loại sâu, bệnh phát triển và có thể bùng phát thành dịch. Để đề phòng sâu hại, nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, con người đã nghiên cứu và đưa vào ứng dụng nhiều công thức trồng cây mà đặc biệt là công nghệ sản suất rau an toàn không dùng đất trong nhà lưới. Với sự phát triến của nền kinh tế nước ta đời sống nhân dân ngày càng được cải thiện nhu cầu dinh dưỡng ngày càng cao, trong các bữa ăn hằng ngày rau chiếm một vị trí quan trọng vì trong rau có chứa các hợp chất như: protein, lipit, axit hữu cơ, chất khoáng, vitamin. Con người yêu cầu về rau ngày càng cao thì chủng loại rau ngày càng phong phú, đa dạng, đủ về số lượng, tốt về chất lượng và nhất là phải an toàn vệ sinh thực phẩm.

Trong (Đề án phát triển rau, quả và hoa cây cảnh thời kỳ 1999 -2010) của bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn được thủ tướng chính phủ phê duyệt ngày 03/09/1999. Có xác định mục tiêu cho ngành sản xuất rau hoa quả là:”Đáp ứng nhu cầu rau có chất lượng cao cho nhu cầu tiêu dùng trong nước, nhất là các khu dân cư tập chung(đô thị, khu công nghiệp) và suất khẩu. Phấn đấu đến năm 2010 đạt mức tiêu thụ bình quân đầu người 85kg rau/năm, giá trị kim ngạch suất khẩu đạt 690 triệu USD”. Trong những năm gần đây sản suất nông nghiệp được đảng và nhà nước quan tâm nên đã giải quyết được vần 1 đề an ninh lương thực, thực phẩm.

Trong sự phát triển chung của ngành nông nghiệp, ngành sản xuất rau cũng được quan tâm và phát triển mạnh, theo thống kê diện tích trồng rau năm 2000 là 450.000 ha tăng 70% so với năm 1990. Trong đó các tỉnh phía bắc có 249.000 ha, chiếm 56% diện tích cả nước, các tỉnh phía nam có 196.000 ha chiếm 44% diện tích canh tác. Sản lượng rau trên đất nông nghiệp được hình thành từ hai vùng sản xuất chính. Vùng sản xuất rau chuyên canh ven thành phố và khu công nghiệp chiếm 38 -40% diện tích và 45 - 50% sản lượng.

Tại đây phục vụ cho tiêu dùng của dân cư tập trung là chủ yếu, chủng loại rau vùng này rất đa dạng phong phú và năng suất cao. Vùng sản xuất luân canh với cây trồng khác chủ yếu trong vụ đông ư xuân tại các tỉnh phía bắc, miền đông nam bộ. đây là vùng sản xuất rau lớn cung cấp nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và xuất khẩu.2 Các giải pháp trước đó * Hiện nay rau đang bị ô nhiễm nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân khác nhau trong đó có: - Ô nhiễm do hoá chất bảo vệ thực vật. Theo Viện Bảo Vệ Thực Vật (1998) hiện nay ở Việt Nam đã và đang sử dụng 270 loại thuốc trừ bệnh, 160 loại thuốc trừ cỏ, 12 loại thuốc diệt chuột, 26 loại thuốc kích thích sinh trưởng với số lượng ngày càng tăng.

Tuy chủng loại nhiều song do thói quen hoặc sợ rủi do cùng với ít hiểu biết mức độ độc hại của hoá chất bảo vệ thực vật nên đa số hộ nông dân hay dùng một số loại thuốc quen có độc tố cao, thậm chí bị cấm như: monitor, wofatox,DDT.Dẫn tới ngày càng làm cho sản phẩm rau ngày càng ô nhiễm nặng. - Hàm lượng (N03 ) trong rau quá cao. Theo fao/who thì hàm lượng (no3 ) ở liều lượng 4g/ngày gây ngộ độc còn 8g/ngày thì có thể gây chết người. Ở nước ta việc sử dụng phân hoá học không cao so với các nước trong khu vực nhưng ảnh hưởng của phân hoá học tới sự tích luỹ (N03 ) trong rau là nguyên nhân làm rau không sạch.

Nước ta quy định hàm lượng (N03 ) trong rau như sau: cải bắp 500mg/kg, cà chua 150mg/kg, dưa chuột 150mg/kg. 2 - Tồn dư kim loại nặng trong sản phẩm rau. Do sự lạm dụng hoá chất bảo vệ thực vật cùng với phân bón các loại đã làm một lượng N,P,K và hoá chất bảo vệ thực vật rửa trôi xâm nhập vào mạch nước làm ô nhiễm mạch nước ngầm. Theo Phạm Bình Quân (1994) thì hàm lượng kim loại nặng, đặc biệt là asen (as) ở mai dịch trong các mương tưới cao hơn hẳn so với ruộng lúa nước các kim loại nặng tiềm ẩn trong đất hoặc từ các nguồn nước ô nhiễm qua nước tưới được rau hấp thụ.

- Vi sinh vật gây hại trong rau do sử dụng nước tưới có vi sinh vật gây hại ( ecoli, salmonella, trứng giun.) Tuy chưa được thống kê, song tác hại của nó là rất lớn. Do rau là nguồn thực phẩm quan trọng đối với đời sống con người nên giải pháp duy nhất đối với ngành trồng rau là nhanh chóng đưa tiến bộ vào sản suất. Đặc điểm chung của các cây rau là yêu cầu độ ẩm rất cao thường từ 85-95%, nếu thiếu nước cây rau sẽ không sinh trưởng và phát triển được và chúng cần một nhiệt độ ổn định, do vậy đưa cây rau vào sản xuất thuỷ canh không dùng đất là rất phù hợp. Phương pháp này sẽ nâng cao một cách đáng kể về năng xuất và cải thiện tương đối về mặt ô nhiễm.

để thực hiện được phương pháp thuỷ canh này thì khâu quan trọng là cung cấp dung dịch cho cây, nên việc áp dụng tự động hoá, cụ thể là hệ thống tưới tự động sẽ tạo một bước đột phá mới cho ngành sản xuất rau an toan ở nước ta hiện nay. Các phương pháp tưới Phương pháp và kỹ thuật tưới là một trong những biện pháp chủ yếu để sử dụng nước hợp lý, thích hợp với từng loại đất đai, theo nhu cầu sinh lý về nước của các loại cây trồng, nhằm tăng năng suất lao động và tăng năng suất cây trồng. hiện nay ở nước ta và trên thế giới, đang áp dụng các phương pháp chủ yếu: tưới ngập, tưới rãnh, tưới dải và tưới phun mưa. Ngoài ra phương pháp tưới nhỏ giọt và tưới ngầm cũng đang được nghiên cứu ứng dụng ở một số nước.

Phương pháp tưới ngập nước Tưới ngập là phương pháp tưới lâu đời nhất, chủ yếu dùng để tưới cho lúa nước trong suốt thời kỳ sinh trưởng. cũng có thể tưới ngập cho một số cây trồng khác trong 3 từng giai đoạn nhất định ngô, cói đay và một số cây thức ăn chăn nuôi. Cũng có thể dùng tưới ngập để cải tạo đất như thau chua rửa mặn, hoặc giữ ẩm cho đất trong thời kỳ khô hạn chưa canh tác. Phương pháp này có những ưu điểm như: tưới ngập thích hợp khi mặt ruộng bằng phẳng độ dốc không lớn hơn 0,001, tính thấm nước của đất yếu và mức tưới lớn.

Vì vậy năng suất lao động của người tưới cao ; một người có thể tưới cho 30-40 ha. Hệ số sử dụng ruộng đất cao, vì có thể xây dựng hệ thông tưới tiêu cho những thửa có diện tích lớn. Lớp nước trên ruộng tạo điều kiện cho bộ rễ của lúa phát triển tốt, hấp thụ các loại phân bón được thuận lợi, hạn chế được nhiều loại cỏ dại. Lớp nước trên ruộng, con làm chế độ nhiệt của ruộng lúa tốt hơn, nhất là ở những vùng có độ chênh nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm lớn.

tuy nhiên, tưới ngập có nhược điểm và hạn chế sau: tưới ngập không ứng dụng được để tưới cho các loại cây trồng cạn, nhu cầu về nước ít, hoặc ở các đất có độ dốc lớn. Tưới ngập làm cho độ thoáng khí trong đất kém quá trình phân giải các chất hữu cơ bị hạn chê. Nếu chế độ tưới không thích hợp, việc tổ chức quản lý tưới kém sẽ làm ảnh hưởng sấu đến phát triển của cây trồng, gây lãng phí nước, làm xói mòn đất và rửa trôi phân bón. Vì vậy khi áp dụng phương pháp tưới ngập cần đảm bảo các khâu kỹ thuật sau:  Quy hoạch xây dựng đồng ruộng  Xác định hệ thống kênh tưới tiêu.

Đây là khâu đầu tiên và ảnh hưởng đến toàn bộ quá trình sản xuất lúa. Có hai phương pháp tưới tiêu riêng biệt và tưới tiêu kết hợp: - Tưới tiêu riêng biệt là ở môi khoảnh ruộng có kênh tưới và kênh tiêu riêng. Mỗi kênh tưới bên hoặc hai bên, tùy hình, và cách bố trí kênh tiêu cũng có thể tiêu một bên hoặc hai bên. dùng phương pháp tưới tiêu riêng biệt, ta chu động tưới tiêu, áp dụng được tưới tiêu khoa học, đáp ứng đúng yêu cầu sinh lý của lúa và có thể dùng biện pháp tưới tiêu để cải tạo đất nhất là ở những vùng chua mặn, tăng được năng suất cây trồng và tạo điều kiện thuận lợi cho cơ khí hóa các khâu canh tác.

Nhược điểm là tốn nhiều đất và nhiều công trình, hệ số sử dụng đất thấp. 4 - Phương pháp tưới tiêu kết hợp là có một hệ thống kênh vừa làm nhiệm vụ tưới nước vừa tiêu nước. Ưu điểm là diện tích chiếm đất của hệ thống kênh ít và khối lượng công trình nhỏ. Nhược điểm là không chủ động tưới tiêu cho từng khoảnh từng thửa được, để thực hiện các biện pháp cải tạo đất, thâm canh tăng năng suất cây trồng.

Phương pháp tưới rãnh Phương pháp tưới rãnh được phổ biến nhất để tưới cho hầu hết các loại cây trồng như bông, nho, mía, các loại cây có củ, quả như khoai sắn, củ đậu, cà chua và các loại rau, như bắp cải, su hào… khi tưới rãnh nước không chảy vào khắp mặt ruộng mà chỉ vào trong rãnh tưới giữa các hàng cây trồng. Yêu cầu của tưới rãnh là xác định đúng đắn các yếu tố kỹ thuật tưới chủ yếu, như lưu lượng nước trong rãnh tưới, chiều dài rãnh tưới và thời gian tưới để đảm bảo tiêu chuẩn tưới định trước theo yêu cầu sinh lý của cây trồng, phù hợp với các điều kiện đất đai, địa hình và thời tiết khí hậu. Tùy theo cách tưới nước vào rãnh và cho thấm vào đất mà chia ra hai loại rãnh tưới: rãnh thoát và rãnh ngập. - Rãnh thoát là loại rãnh, nước vừa từ kênh tưới chảy vào rãnh, vừa thấm hai bên rãnh làm ẩm đất.