Thiết kế, thi công mô hình nhà vườn tự động

Đồ án thiết kế thi công mô hình nhà vườn tự động dùng PLC S7-1200 - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Đỗ Quang Anh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Kiên
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự động điều khiển
• Đề tài: Thiết kế, thi công mô hình nhà vườn tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế thi công mô hình nhà vườn tự động

Nông nghiệp hiện đại đòi hỏi sự chính xác cao. Phương pháp canh tác truyền thống phụ thuộc lớn vào thời tiết. Sự biến đổi khí hậu gây ra nhiều rủi ro cho năng suất. Việc thiết kế và thi công mô hình nhà vườn tự động giải quyết triệt để vấn đề này. Mô hình áp dụng kiến trúc điều khiển kín với trung tâm là bộ xử lý PLC S7-1200. Thiết bị này thu thập tín hiệu liên tục từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và bức xạ ánh sáng. Màn hình điều khiển HMI hiển thị trạng thái vận hành theo thời gian thực. Người quản lý dễ dàng giám sát toàn bộ hoạt động mà không cần can thiệp thủ công. Khi thông số môi trường vượt ngưỡng an toàn, hệ thống kích hoạt ngay cơ cấu chấp hành. Quạt hút, máy bơm phun sương, rèm che và đèn LED tự động bật tắt kịp thời. Cây trồng luôn được phát triển trong điều kiện sinh thái tối ưu nhất. Giải pháp này giúp tiết kiệm tài nguyên nước và điện năng tiêu thụ. Năng suất cây trồng tăng trưởng ổn định qua từng mùa vụ.

1.1. Khái niệm và vai trò của nhà vườn tự động

Nhà vườn tự động là mô hình khép kín ứng dụng công nghệ tự động hóa. Cấu trúc gồm khung nhà kính, hệ thống che chắn và thiết bị điều hòa môi trường. Vai trò chính của mô hình là loại bỏ tính thất thường của tự nhiên. Cây trồng được bảo vệ trước sâu bệnh và thời tiết cực đoan. Hệ thống tự động duy trì ngưỡng nhiệt và độ ẩm lý tưởng theo từng chu kỳ phát triển. Nguồn dinh dưỡng và lượng nước tưới được cấp chính xác đến từng gốc cây. Nhờ đó, chi phí nhân công giảm mạnh. Năng suất cây trồng tăng cao và chất lượng sản phẩm đồng đều. Đây là bước đột phá quan trọng của nền nông nghiệp sạch.

1.2. Các thành phần cơ bản trong kiến trúc hệ thống

Hệ thống gồm bốn khối chức năng chính liên kết chặt chẽ. Khối cảm biến chịu trách nhiệm đo đạc nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ rọi sáng. Khối điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển PLC để xử lý dữ liệu đầu vào. Khối hiển thị giám sát gồm màn hình cảm ứng HMI kết nối qua giao thức công nghiệp. Người vận hành theo dõi trạng thái thiết bị trực tiếp qua đồ thị trực quan. Khối cơ cấu chấp hành nhận lệnh trực tiếp từ khối điều khiển. Khối này bao gồm quạt hút thông gió, rèm che động cơ bước, máy bơm tưới nước và tấm làm mát cooling pad. Tất cả phối hợp nhịp nhàng tạo nên chu trình vận hành bền bỉ.

II. Phân tích thách thức thiết kế thi công mô hình nhà vườn tự động

Môi trường canh tác kín tiềm ẩn nhiều biến số phức tạp. Nhiệt độ tăng cao đột ngột khiến cây thoát hơi nước nhanh. Hoạt tính enzyme sụt giảm mạnh làm gián đoạn chu trình sinh hóa. Ngược lại, nhiệt độ quá thấp gây ức chế khả năng hấp thụ dưỡng chất rễ cây. Độ ẩm không khí là thách thức lớn tiếp theo. Độ ẩm thấp làm lá cây héo úa và rụng hoa non. Nhưng độ ẩm quá cao tạo điều kiện cho nấm mốc phát triển mạnh. Yếu tố ánh sáng cũng tác động sâu sắc đến hiệu suất quang hợp. Thiếu sáng khiến thân cây còi cọc và chậm ra hoa. Dư thừa ánh sáng gay gắt lại gây cháy bề mặt biểu bì lá. Khó khăn kỹ thuật nằm ở việc tích hợp đồng bộ các cảm biến công nghiệp. Tín hiệu đo lường từ môi trường thực tế thường bị nhiễu do đường truyền dài. Động cơ bơm và quạt hút công suất lớn gây sụt áp đường dây. Việc kiểm soát sai lệch thông số là bài toán hóc búa cần giải quyết triệt để.

2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ độ ẩm và ánh sáng

Ba thông số môi trường quyết định sự sinh tồn của thực vật. Nhiệt độ điều chỉnh tốc độ trao đổi chất và hô hấp tế bào. Khi nhiệt độ vượt quá ba mươi lăm độ C, cây ngừng sinh trưởng. Độ ẩm kiểm soát việc đóng mở khí khổng trên bề mặt lá cây. Độ ẩm giảm dưới năm mươi phần trăm gây hiện tượng khô hạn giả. Cây mất nước nhanh chóng và giảm sức đề kháng tự nhiên. Cường độ bức xạ ánh sáng trực tiếp cung cấp năng lượng cho chu trình quang hợp. Mỗi loài cây cần phổ quang và thời lượng chiếu sáng riêng biệt. Cân bằng ba chỉ số này là chìa khóa duy trì chất lượng nông sản.

2.2. Hạn chế từ phương pháp vận hành thủ công

Canh tác nông nghiệp thủ công bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng. Người chăm sóc không thể túc trực giám sát vườn hai mươi tư giờ. Sự phản ứng chậm trước diễn biến thời tiết gây thiệt hại lớn cho cây trồng. Việc tưới tiêu theo cảm tính dẫn đến lãng phí nguồn nước sạch. Lượng phân bón cấp vào đất không đúng định lượng làm thoái hóa môi trường rễ. Thao tác bật tắt thiết bị bằng tay tốn nhiều sức lao động và thời gian. Con người dễ nhầm lẫn hoặc quên quy trình vận hành thiết bị. Chi phí thuê nhân công bảo dưỡng vườn tăng cao liên tục qua từng năm. Mô hình canh tác cũ kém bền vững và khó mở rộng quy mô.

III. Giải pháp kỹ thuật thiết kế thi công mô hình nhà vườn tự động

Giải pháp kỹ thuật cốt lõi dựa trên nền tảng PLC Siemens S7-1200 mạnh mẽ. Bộ điều khiển này xử lý tín hiệu đầu vào từ cảm biến RS485 với tốc độ phản hồi tính bằng mili-giây. Cảm biến ánh sáng AS-ELS-02 đo đạc chính xác bức xạ mặt trời. Cảm biến nhiệt ẩm liên tục cập nhật tình trạng vi khí hậu trong nhà vườn. Hệ thống tích hợp hai chế độ vận hành linh hoạt: Tự động và Thủ công. Tại chế độ tự động, PLC thực thi thuật toán điều khiển theo ngưỡng cài đặt trước. Màn hình HMI kết nối qua giao thức Ethernet công nghiệp. Giao diện trực quan cho phép kỹ sư theo dõi đồ thị nhiệt độ và trạng thái relay. Cơ cấu chấp hành gồm hệ thống phun sương làm mát, quạt hút thông gió và rèm chắn sáng. Khi nhiệt độ vượt ngưỡng cài đặt, quạt hút lập tức vận hành phối hợp cùng màng cooling pad. Nếu ánh sáng quá mạnh, động cơ rèm hạ tấm che để ngăn cháy lá.

3.1. Thiết kế phần cứng và lựa chọn thiết bị

Quy trình thiết kế phần cứng chú trọng tính ổn định công nghiệp. Bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 đóng vai trò bộ não điều phối. Cảm biến AS-ELS-02 đo lường ánh sáng sử dụng chuẩn truyền thông RS485 chống nhiễu xa. Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm kỹ thuật số cung cấp sai số cực thấp. Khối cơ cấu chấp hành sử dụng relay trung gian và khởi động từ bảo vệ động cơ. Quạt hút công nghiệp bố trí đối diện tấm màng làm mát cooling pad nhằm tạo dòng khí đối lưu xuyên suốt. Động cơ bước điều khiển rèm che tích hợp công tắc hành trình cơ học. Tủ điện trung tâm có vỏ cách điện đạt tiêu chuẩn IP bảo vệ an toàn.

3.2. Lập trình điều khiển PLC và giao diện HMI

Chương trình điều khiển được phát triển trên phần mềm TIA Portal tiêu chuẩn. Lưu đồ thuật toán phân chia rõ ràng hai nhánh tự động và bằng tay. Tại chế độ tự động, chương trình liên tục so sánh giá trị cảm biến với ngưỡng thiết lập. Khi độ ẩm thấp, lệnh ngắt kích hoạt máy bơm nước phun sương tuần hoàn. Màn hình HMI hiển thị đồ họa động biểu diễn trạng thái từng động cơ. Người vận hành dễ dàng tùy chỉnh tham số môi trường ngay trên màn hình cảm ứng mà không cần nạp lại mã lệnh PLC. Hệ thống tự động lưu trữ nhật ký báo lỗi khi có sự cố quá tải hoặc mất kết nối tín hiệu.

IV. Đánh giá kết quả và thiết kế thi công mô hình nhà vườn tự động

Kết quả thực nghiệm khẳng định hiệu quả vượt trội của mô hình nhà vườn tự động. Các thiết bị cơ điện hoạt động trơn tru với độ tin cậy cơ học cao. PLC phản hồi chuẩn xác theo từng kịch bản biến động môi trường. Nhiệt độ bên trong mô hình luôn duy trì chênh lệch thấp hơn bên ngoài từ bốn đến sáu độ C. Độ ẩm đất và không khí được giữ vững tại khoảng tối ưu cho quang hợp. Tỷ lệ hao hụt nước tưới giảm hơn bốn mươi phần trăm nhờ chu trình tuần hoàn kín. Năng lượng điện được khai thác hiệu quả nhờ chế độ hẹn giờ và rơ le ngắt tự động. Mô hình có tính linh hoạt cao, cho phép mở rộng kết nối Internet vạn vật để giám sát từ xa qua điện thoại thông minh. Khả năng nhân rộng mô hình phục vụ sản xuất rau sạch đô thị và dược liệu quý là rất khả thi. Công nghệ tự động hóa mở ra hướng đi bền vững cho nền nông nghiệp số.

4.1. Hiệu quả kinh tế và tối ưu hóa tài nguyên

Mô hình tự động mang lại giá trị kinh tế trực tiếp và lâu dài. Năng suất cây trồng tăng mạnh nhờ môi trường vi khí hậu được duy trì ổn định. Hệ thống cắt giảm hơn bảy mươi phần trăm chi phí nhân công tưới tiêu mỗi ngày. Chu trình cấp nước nhỏ giọt kết hợp cảm biến độ ẩm giúp tiết kiệm nguồn nước tối đa. Lượng phân bón hòa tan được hấp thụ trọn vẹn, tránh thất thoát vào mạch nước ngầm. Chất lượng nông sản thu hoạch đạt độ đồng đều cao và không tồn dư hóa chất độc hại. Thời gian hoàn vốn đầu tư phần cứng ban đầu diễn ra nhanh chóng sau vài vụ canh tác.

4.2. Khả năng ứng dụng và mở rộng thực tế

Khung kiến trúc PLC S7-1200 sở hữu khả năng mở rộng module vượt trội. Mô hình dễ dàng nâng cấp để ứng dụng vào các trang trại nhà kính quy mô lớn. Người dùng có thể tích hợp thêm các module truyền thông không dây để gửi dữ liệu lên nền tảng đám mây. Việc tích hợp camera AI giúp nhận diện sâu bệnh sớm trên từng luống rau. Ngoài ra, mô hình hoàn toàn phù hợp để triển khai tại các khu vườn trên sân thượng nhà phố đô thị. Các cơ sở nghiên cứu sinh học nông nghiệp cũng có thể ứng dụng thiết kế này để thử nghiệm giống cây trồng mới. Đây là nền tảng vững chắc hướng tới nền nông nghiệp thông minh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh nền nông nghiệp hiện đại chịu tác động mạnh mẽ của biến đổi khí hậu và hiện tượng thời tiết cực đoan, việc duy trì phương thức canh tác truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, lãng phí tài nguyên nước và phụ thuộc quá mức vào lao động thủ công. Tại Việt Nam, các đợt hạn hán nghiêm trọng như thực trạng vườn thanh long bị khô hạn tại Ninh Thuận cho thấy tính cấp thiết của việc áp dụng công nghệ kiểm soát vi khí hậu. Ngược lại, tại các địa phương đi đầu về nông nghiệp công nghệ cao như Lâm Đồng, việc ứng dụng cảm biến môi trường, hệ thống nhà kính điều khiển tự động và IoT trên diện tích gần 200 ha đã mang lại doanh thu từ 5 đến 8 tỷ đồng/ha/năm. Trên phạm vi quốc tế, các đô thị lớn cũng đẩy mạnh canh tác có kiểm soát: New York đầu tư 2 triệu USD thử nghiệm canh tác đô thị, sáng kiến "Parisculteurs" tại Paris đặt mục tiêu phủ xanh 100 ha mái nhà và tường, trong khi các mô hình trang trại trong nhà chứng minh khả năng tiết kiệm nước đến 70% so với phương pháp truyền thống.

Từ nhu cầu thực tiễn đó, đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công mô hình nhà vườn tự động" do nhóm sinh viên Đỗ Quang Anh, Nguyễn Quang Chung và Nguyễn Tiến Đạt thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Lê Chí Kiên tại Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 6/2025), tập trung xây dựng giải pháp tự động hóa quá trình giám sát và điều khiển vi khí hậu nhà vườn bằng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) kết hợp màn hình giao diện người – máy (HMI).

Mục tiêu của đề tài được tác giả xác định cụ thể gồm:

1. Thiết kế và thi công mô hình nhà vườn tự động quy mô thu nhỏ.
2. Lắp ráp và kết nối phần cứng giữa PLC với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng.
3. Cấu hình và giao tiếp thành công các chuẩn kết nối Ethernet, Modbus RS-485 và tín hiệu Analog.
4. Truyền dữ liệu và hiển thị chính xác các thông số nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng môi trường từ cảm biến về hệ thống.
5. Điều khiển các thiết bị làm mát và điều chỉnh ánh sáng khi các thông số môi trường vượt ngưỡng thiết lập.

Để đạt được các mục tiêu trên, đề tài triển khai 7 nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của PLC Siemens S7-1200 và các thiết bị cảm biến, cơ cấu chấp hành sử dụng trong hệ thống.
2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ đấu nối giữa PLC, cảm biến và các thiết bị điều khiển (quạt, bơm, đèn, đầu phun sương).
3. Xây dựng chương trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal V15 để xử lý tín hiệu cảm biến và thực thi logic điều khiển.
4. Cấu hình truyền thông giữa PLC và HMI qua giao thức Modbus RS-485 hoặc Ethernet.
5. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên phần mềm EasyBuilder Pro cho màn hình HMI Weintek.
6. Thi công mô hình thực tế của nhà vườn thu nhỏ và kiểm tra tính ổn định của hệ thống.
7. Đánh giá kết quả vận hành, phân tích ưu – nhược điểm và đề xuất hướng phát triển tiếp theo.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống tự động hóa điều khiển vi khí hậu nhà vườn (nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở mô hình nhà vườn thu nhỏ vận hành bằng PLC Siemens S7-1200 làm trung tâm điều khiển, kết hợp cảm biến Analog 0–10V, cảm biến truyền thông Modbus RTU RS-485, cơ cấu chấp hành công suất nhỏ (quạt 24VDC, bơm 24VDC, động cơ rèm 24VDC, đèn 220VAC) và màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iE đặt tại phòng thí nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết về tác động của các yếu tố vi khí hậu đối với sinh lý thực vật:

• Nhiệt độ: Quyết định tốc độ quang hợp, hô hấp và thoát hơi nước. Cây trồng sinh trưởng tối ưu trong các khoảng nhiệt độ nhất định (ví dụ rau cải phát triển thuận lợi từ 18°C đến 25°C); nhiệt độ quá cao làm cháy lá và mất nước, trong khi nhiệt độ quá thấp ức chế trao đổi chất.
• Độ ẩm không khí: Ảnh hưởng đến sự thoát hơi nước qua khí khổng; ngưỡng thích hợp duy trì từ 65% đến 85%. Độ ẩm quá cao kích thích nấm bệnh phát triển, trong khi độ ẩm thấp làm khô héo thực vật.
• Ánh sáng: Cung cấp năng lượng cho quá trình quang hợp tổng hợp chất hữu cơ; thiếu sáng làm cây còi cọc, thừa sáng gây stress nhiệt và cháy lá.
• Nguyên lý làm mát đoạn nhiệt (Cooling Pad): Hệ thống sử dụng tấm màng giấy cellulose dạng tổ ong có tính thấm nước cao. Nước được bơm tuần hoàn tưới ướt màng; không khí nóng ngoài trời bị quạt hút kéo qua màng nước sẽ truyền nhiệt cho nước bay hơi, tạo ra luồng không khí mới có nhiệt độ thấp hơn và độ ẩm cao hơn đi vào nhà vườn.

Tác giả áp dụng 4 phương pháp nghiên cứu kỹ thuật thực nghiệm:

1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Tổng hợp cơ sở lý thuyết về vi khí hậu nông nghiệp, cấu trúc khung che nhà màng (vật liệu màng PE, EVA, tấm polycarbonate) và thông số kỹ thuật thiết bị công nghiệp (Siemens S7-1200, Weintek MT8071iE).
2. Phương pháp phân tích – thiết kế hệ thống điều khiển bằng PLC: Xác định số lượng ngõ vào/ra (I/O) số và tương tự; thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch điện cấp nguồn và mạch tín hiệu; xây dựng logic điều khiển theo chu trình hoạt động bằng ngôn ngữ hình thang (Ladder Diagram - LAD).
3. Phương pháp mô phỏng và thử nghiệm: Sử dụng công cụ PLCSIM tích hợp trong TIA Portal V15 để chạy thử logic điều khiển, kiểm tra điều kiện ngắt/mở thiết bị chấp hành và tinh chỉnh giải thuật trước khi nạp vào phần cứng thật.
4. Phương pháp đánh giá và hoàn thiện hệ thống: Lắp đặt thực tế trên mô hình phần cứng, đo kiểm tín hiệu điện áp analog và dữ liệu truyền thông Modbus, ghi nhận tính ổn định và thời gian đáp ứng của cơ cấu chấp hành khi môi trường giả lập biến đổi.

Nguồn dữ liệu kỹ thuật của đề tài dựa hoàn toàn vào các tài liệu tra cứu thông số của nhà sản xuất (datasheet) đối với CPU PLC S7-1200, module SM 1223, bo mạch CB 1241, màn hình HMI Weintek, cảm biến VELT-W-TH-V10 và cảm biến ánh sáng ES-ALS-02.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được phân chia thành 7 khối chức năng phối hợp đồng bộ:

• Khối nguồn: Biến đổi điện áp lưới 220VAC cung cấp trực tiếp cho bóng đèn sợi đốt, đồng thời qua bộ chuyển đổi nguồn công nghiệp hạ áp xuống 24VDC để cấp cho CPU PLC, các module mở rộng, màn hình HMI, cảm biến và các cơ cấu chấp hành DC.
• Khối điều khiển trung tâm (Control): Sử dụng PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C DC/DC/DC) chịu trách nhiệm tính toán logic, xử lý dữ liệu và điều phối lệnh điều khiển.
• Khối ngõ vào số (Digital Input): Tiếp nhận tín hiệu từ các nút nhấn cơ học trên tủ điện và công tắc hành trình giới hạn rèm che.
• Khối ngõ vào tương tự (Analog Input): Thu nhận tín hiệu điện áp 0–10V từ cảm biến nhiệt độ - độ ẩm để chuyển đổi sang giá trị số nguyên trong PLC.
• Khối truyền thông Modbus: Sử dụng module truyền thông nối tiếp RS-485 để đọc dữ liệu số từ cảm biến ánh sáng theo chuẩn Modbus RTU.
• Khối cơ cấu chấp hành: Gồm rơ le điều khiển bơm nước tưới màng Cooling Pad, bơm phun sương áp lực, quạt hút thông gió, quạt làm mát, động cơ đảo chiều đóng/mở rèm che và bóng đèn nhiệt.
• Khối hiển thị và điều khiển: Màn hình HMI Weintek MT8071iE giao tiếp trực tiếp với PLC để biểu diễn trực quan trạng thái vận hành, biểu đồ lịch sử và nhận lệnh thao tác từ người dùng.

Nhóm thiết bị	Tên thiết bị / Model	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển	Siemens S7-1200 CPU 1212C	Nguồn 24VDC; 8 DI / 6 DO (Transistor 0.5A); bộ nhớ ~50 KB; cổng PROFINET	Trung tâm xử lý logic và điều khiển toàn hệ thống
Module mở rộng I/O	Siemens SM 1223	16 DI (cách ly quang) / 16 DO (Transistor sourcing 0.5A, 24VDC)	Mở rộng số lượng cổng vào/ra cho các cơ cấu chấp hành
Bo mạch truyền thông	Siemens CB 1241 RS485	Gắn trực tiếp mặt trước CPU; tốc độ 1.2–115.2 kbps; Half-duplex; Modbus RTU	Giao tiếp mạng RS-485 với cảm biến ánh sáng
Màn hình HMI	Weintek MT8071iE	7 inch TFT (800x480 WVGA); Cortex-A8 600MHz; 128MB RAM/Flash; Ethernet, COM RS-485	Giao diện giám sát, cài đặt thông số và điều khiển trực quan
Cảm biến nhiệt - ẩm	VELT-W-TH-V10	Tín hiệu 0–10V; dải đo -40 đến 80°C, 0 đến 100% RH; nguồn 12–30VDC; vỏ ABS	Giám sát nhiệt độ và độ ẩm không khí trong nhà vườn
Cảm biến ánh sáng	ES-ALS-02	Dải đo 0–200.000 Lux; giao tiếp RS-485 Modbus RTU; sai số ±3% FS; phản hồi <1s	Đo cường độ ánh sáng tự nhiên
Động cơ kéo rèm	Động cơ hộp số 24VDC	Điện áp 24VDC; điều khiển đảo chiều ±24VDC; tuổi thọ > 10.000 chu kỳ	Đóng/mở mái che cắt nắng theo giới hạn công tắc hành trình
Thiết bị vi khí hậu khác	Bơm, quạt, đèn, béc phun	Bơm 24VDC; quạt 24VDC; béc sương áp lực; bóng đèn sợi đốt 220VAC (dây tóc tungsten)	Tạo ẩm, làm mát đoạn nhiệt, thông gió và bổ sung nhiệt/ánh sáng

Chương trình điều khiển trên TIA Portal V15 được cấu trúc hóa chặt chẽ. Khối truyền thông sử dụng hàm chuẩn MB_COMM_LOAD để khởi tạo cổng RS-485 và MB_MASTER để gửi lệnh đọc định kỳ thanh ghi dữ liệu từ cảm biến ánh sáng ES-ALS-02. Hệ thống thiết lập các khối chức năng phát hiện lỗi mất tín hiệu cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và cảm biến ánh sáng nhằm đưa ra cảnh báo kịp thời. Logic điều khiển cơ cấu chấp hành vận hành dựa trên các khối so sánh giá trị thực tế với ngưỡng cài đặt (setpoint):

• Khi nhiệt độ vượt ngưỡng cao: Kích hoạt bơm nước tưới màng Cooling Pad và quạt hút.
• Khi độ ẩm không khí thấp hơn ngưỡng cài đặt: Bật bơm áp lực phun sương.
• Khi cường độ ánh sáng vượt ngưỡng trần: Điều khiển động cơ quay thuận kéo rèm che cho đến khi chạm công tắc hành trình đóng.
• Khi cường độ ánh sáng hoặc nhiệt độ xuống quá thấp: Kích hoạt đèn sợi đốt bổ sung năng lượng quang nhiệt.

Hệ thống cho phép lựa chọn 2 phương thức vận hành thông qua công tắc chuyển mạch hoặc nút chọn trên HMI: chế độ điều khiển bằng tay (Manual - cho phép kích hoạt cưỡng bức từng thiết bị qua nút nhấn tại tủ hoặc HMI) và chế độ tự động (Auto - thiết bị tự đóng ngắt hoàn toàn theo giải thuật so sánh).

Giao diện HMI thiết kế bằng phần mềm EasyBuilder Pro bao gồm hệ thống các trang màn hình: màn hình tổng quan giám sát sơ đồ công nghệ, màn hình điều khiển trạng thái bật/tắt thiết bị, màn hình cài đặt ngưỡng thông số (setpoint), màn hình cảnh báo lỗi cảm biến/thiết bị, màn hình bảng dữ liệu số liệu thực, màn hình biểu đồ xu hướng (trend chart) và màn hình lưu trữ thông báo lịch sử vận hành.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài dựa trên phân tích bối cảnh công nghiệp hóa nông nghiệp và biến đổi khí hậu toàn cầu. Tác giả dẫn chứng số liệu thực tế về hạn hán tại Ninh Thuận đối lập với các thành tựu ứng dụng công nghệ cao tại Lâm Đồng (21 doanh nghiệp tiếp cận IoT, gần 200 ha nhà kính đạt doanh thu 5–8 tỷ đồng/ha/năm), cùng các xu hướng nông nghiệp thông minh quốc tế tại Paris và New York. Chương này xác định rõ mục đích, 5 mục tiêu cụ thể, 7 nhiệm vụ kỹ thuật, phạm vi giới hạn của đề tài trên mô hình thu nhỏ và cấu trúc luận văn gồm 5 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 phân tích chuyên sâu vai trò của các thông số vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) đối với quá trình sinh lý thực vật và các giải pháp điều khiển kỹ thuật tương ứng trong nhà màng. Tác giả trình bày cấu trúc vật lý của nhà kính thông minh (khung thép mạ kẽm, màng bao che PE, EVA, tấm polycarbonate) và nguyên lý làm mát đoạn nhiệt của hệ thống Cooling Pad sử dụng giấy cellulose tổ ong. Nội dung trọng tâm của chương là phần thuyết minh chi tiết thông số kỹ thuật phần cứng: PLC Siemens S7-1200 (CPU 1212C), module SM 1223 (16DI/16DO), bo mạch CB 1241 RS485, màn hình HMI Weintek MT8071iE, cảm biến analog VELT-W-TH-V10, cảm biến Modbus RTU ES-ALS-02, động cơ hộp số kéo rèm 24VDC, công tắc hành trình, bơm và quạt 24VDC, đèn sợi đốt 220V. Cuối chương giới thiệu tổng quan các tính năng của hai công cụ phần mềm chính: TIA Portal V15 và EasyBuilder Pro.

Chương 3: Thiết kế thi công điều khiển

Chương 3 là phần trọng tâm về kỹ thuật, bắt đầu bằng bảng yêu cầu thiết kế và sơ đồ cấu trúc phân bố các khối chức năng của hệ thống (nguồn, điều khiển, DI, Analog, Modbus, chấp hành, hiển thị). Tác giả cung cấp bản vẽ hình chiếu bố trí thiết bị trong mô hình thực nghiệm (vị trí màng Cooling Pad, quạt hút, béc phun sương, rèm che, tủ điện). Chương này mô tả chi tiết lưu đồ thuật toán điều khiển lựa chọn chế độ trên tủ/HMI, chế độ bằng tay, chế độ tự động; bảng phân bổ vùng nhớ PLC; cấu hình module SM 1223 và CB 1241; lập trình các khối hàm giao tiếp MB_COMM_LOAD, MB_MASTER, các khối bắt lỗi cảm biến và các khối logic so sánh điều khiển thiết bị chấp hành. Đồng thời, chương trình bày chi tiết thiết kế 7 màn hình chức năng trên phần mềm EasyBuilder Pro và sơ đồ đấu nối dây điện thực tế của tủ điều khiển.

Chương 4: Kết quả thực hiện

Chương 4 tổng kết kết quả thi công phần cứng và thử nghiệm phần mềm. Phần cứng hoàn thiện bao gồm mô hình nhà vườn thu nhỏ gắn đầy đủ các cơ cấu: tủ điều khiển công nghiệp bố trí PLC, rơ le, domino gọn gàng; hệ thống làm mát Cooling Pad kết hợp quạt hút; hệ thống rèm che cơ học đảo chiều đóng mở chính xác tại điểm giới hạn hành trình; hệ thống chiếu sáng đèn nhiệt và dàn béc phun sương làm ẩm. Phần mềm vận hành đạt yêu cầu với giao diện HMI Weintek hiển thị trực quan các trang giám sát, điều khiển cưỡng bức từng thiết bị, bảng cài đặt ngưỡng, bảng báo lỗi khi mất tín hiệu và biểu đồ ghi nhận diễn biến thông số môi trường theo thời gian thực.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được trong việc làm chủ công nghệ điều khiển tự động hóa bằng PLC S7-1200 ứng dụng cho nhà vườn. Dựa trên hạn chế của mô hình thực nghiệm, tác giả đề xuất 3 định hướng phát triển cụ thể:

1. Kết nối IoT – Điều khiển từ xa: Tích hợp thêm các bộ truyền thông không dây để giám sát và vận hành hệ thống qua nền tảng web hoặc ứng dụng điện thoại di động.
2. Lưu trữ và phân tích dữ liệu: Xây dựng cơ sở dữ liệu lớn để thu thập thông số môi trường dài hạn, phục vụ phân tích tối ưu hóa sinh trưởng cây trồng.
3. Mở rộng số lượng cảm biến và thiết bị điều khiển: Bổ sung các cảm biến đo độ ẩm đất, nồng độ CO₂, cảm biến dinh dưỡng pH/EC để nâng cao tính đồng bộ và hoàn thiện giải pháp canh tác thông minh.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kỹ thuật, đề tài đã thi công và vận hành thành công mô hình thực nghiệm nhà vườn tự động với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng: Lắp ráp tủ điều khiển tích hợp CPU PLC S7-1200 (1212C), module SM 1223 (16DI/16DO Transistor), board CB 1241 RS485 và màn hình HMI Weintek MT8071iE (7 inch WVGA). Đấu nối an toàn hệ thống nguồn hỗn hợp 220VAC và 24VDC cho quạt làm mát, bơm nước, béc phun sương, động cơ rèm và đèn sợi đốt.
• Xử lý đa dạng chuẩn tín hiệu: Thu thập chính xác tín hiệu analog 0–10V từ cảm biến VELT-W-TH-V10 (-40 đến 80°C; 0 đến 100% RH) và thiết lập thành công đường truyền Modbus RTU qua cổng RS-485 đọc dữ liệu cường độ sáng từ cảm biến ES-ALS-02 (dải đo lên tới 200.000 Lux, thời gian đáp ứng < 1 giây, sai số ±3% FS).
• Lập trình và vận hành ổn định: Chương trình TIA Portal V15 xử lý mượt mà logic điều khiển tự động theo ngưỡng cài đặt (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng), phát hiện lỗi mất tín hiệu cảm biến và hỗ trợ chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ tự động và bằng tay (qua nút ấn tủ điện hoặc HMI).

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc ứng dụng thành công các thiết bị tự động hóa công nghiệp tiêu chuẩn (PLC, HMI, mạng Modbus công nghiệp) thay vì các dòng vi điều khiển dân dụng vào mô hình nông nghiệp. Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh từ sơ đồ nguyên lý đấu dây, cấu hình tham số truyền thông mạng công nghiệp đến lưu đồ thuật toán điều khiển và thiết kế giao diện HMI chuyên nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế: Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm; các cơ cấu chấp hành sử dụng thiết bị công suất nhỏ; chưa hỗ trợ giao diện điều khiển qua Internet từ xa (người vận hành vẫn phải thao tác trực tiếp tại màn hình HMI cục bộ hoặc nút bấm trên tủ); chưa có cơ chế lưu trữ dữ liệu lớn dài hạn trên máy chủ đám mây.

Hướng nghiên cứu tiếp được tác giả xác định:

• Tích hợp cổng kết nối IoT nhằm mở rộng khả năng giám sát, cảnh báo và điều khiển từ xa thông qua ứng dụng di động (Mobile App) và giao diện Web.
• Bổ sung hệ thống cơ sở dữ liệu để ghi nhận lịch sử thông số môi trường dài hạn, áp dụng các giải pháp phân tích dữ liệu phục vụ nghiên cứu nông học.
• Mở rộng quy mô phần cứng: gia tăng số lượng cảm biến chuyên sâu (đo độ ẩm đất, nồng độ khí CO₂, nồng độ dinh dưỡng dung dịch tưới EC/pH) và nâng công suất các thiết bị chấp hành để sẵn sàng ứng dụng cho nhà màng thực tế quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật thực nghiệm hữu ích dành cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử và Nông nghiệp Công nghệ cao.

Các phần có giá trị tham khảo ứng dụng cao bao gồm:

• Quy trình cấu hình và lập trình khối hàm truyền thông MB_COMM_LOAD, MB_MASTER trên TIA Portal V15 để kết nối PLC S7-1200 với thiết bị trường Modbus RTU qua chuẩn RS-485.
• Kỹ thuật xử lý tín hiệu Analog 0–10V và thuật toán phát hiện sự cố đứt dây / lỗi cảm biến trong chương trình PLC.
• Thiết kế giao diện HMI công nghiệp trên nền tảng EasyBuilder Pro và phương pháp gán biến dữ liệu truyền thông đồng bộ giữa HMI Weintek với PLC Siemens.

Câu hỏi thường gặp

1. PLC Siemens S7-1200 trong đề tài sử dụng phiên bản CPU nào và được mở rộng bằng những module nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm PLC Siemens S7-1200 dòng CPU 1212C DC/DC/DC (tích hợp sẵn 8 ngõ vào số DI, 6 ngõ ra số DO dạng Transistor). Để đáp ứng đủ số lượng thiết bị và yêu cầu truyền thông, hệ thống được gắn thêm module mở rộng ngõ vào/ra số SM 1223 (16 DI / 16 DO Transistor) và bo mạch truyền thông nối tiếp CB 1241 RS485 gắn trực tiếp trên mặt CPU.

2. Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm và cảm biến ánh sáng đưa dữ liệu về PLC bằng những chuẩn giao tiếp nào?
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm VELT-W-TH-V10 truyền dữ liệu về khối ngõ vào Analog của PLC bằng tín hiệu điện áp tương tự 0–10V. Trong khi đó, cảm biến ánh sáng ES-ALS-02 truyền dữ liệu số về PLC thông qua mạng nối tiếp chuẩn RS-485 sử dụng giao thức Modbus RTU.

3. Hệ thống làm mát Cooling Pad trong đồ án hoạt động theo nguyên lý nào và gồm những bộ phận gì?
Hệ thống Cooling Pad hoạt động theo nguyên lý làm mát đoạn nhiệt (bay hơi nước): máy bơm tuần hoàn cấp nước tưới ướt màng giấy cellulose tổ ong, quạt hút gió cưỡng bức kéo luồng không khí nóng ngoài trời xuyên qua màng ướt làm nước hấp thụ nhiệt và bay hơi, từ đó hạ nhiệt độ và gia tăng độ ẩm cho không khí thổi vào nhà vườn. Cấu tạo gồm 4 bộ phận chính: tấm làm mát Cooling Pad, bình chứa nước, động cơ bơm nước tuần hoàn và quạt hút gió.

4. Cơ chế điều khiển rèm che tự động được thiết kế như thế nào để giới hạn chuyển động cơ khí?
Hệ thống rèm che sử dụng động cơ hộp số 24VDC có khả năng đảo chiều quay (thông qua tín hiệu điều khiển phân cực ±24VDC từ PLC). Để đảm bảo an toàn chuyển động cơ khí và dừng rèm chính xác tại vị trí mong muốn, hệ thống bố trí các công tắc hành trình điện cơ tại các điểm cuối hành trình đóng và mở rèm, truyền tín hiệu số về cổng Digital Input của PLC để ngắt lệnh động cơ khi chạm giới hạn.

5. Người vận hành có thể điều khiển hệ thống thông qua những phương thức và chế độ nào?
Người vận hành có thể lựa chọn 2 phương thức điều khiển vật lý: thao tác qua hệ thống nút nhấn cơ học trên mặt tủ điều khiển hoặc thao tác qua màn hình cảm ứng HMI Weintek MT8071iE (7 inch). Tại mỗi phương thức, hệ thống cho phép chọn chế độ vận hành bằng tay (Manual - bật/tắt cưỡng bức từng thiết bị chấp hành) hoặc chế độ tự động (Auto - PLC tự động kích hoạt thiết bị theo giải thuật so sánh thông số cảm biến với ngưỡng setpoint cài đặt).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công mô hình nhà vườn tự động" đã hoàn thành trọn vẹn việc nghiên cứu, tích hợp và chế tạo mô hình thực nghiệm kiểm soát vi khí hậu nông nghiệp dựa trên bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200 kết hợp màn hình HMI Weintek MT8071iE. Hệ thống giải quyết thành công bài toán thu thập tín hiệu hỗn hợp từ cảm biến Analog 0–10V và cảm biến Modbus RTU RS-485 để điều khiển tự động các cơ cấu chấp hành vi khí hậu gồm hệ thống làm mát Cooling Pad, béc phun sương, quạt thông gió, rèm che và đèn nhiệt. Kết quả nghiên cứu là minh chứng thực nghiệm có giá trị về tính khả thi của việc ứng dụng các giải pháp tự động hóa công nghiệp vào hiện đại hóa quy trình sản xuất nông nghiệp công nghệ cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Giới thiệu đề tài Trong thời đại công nghiệp 4.0, việc ứng dụng công nghệ vào nông nghiệp không còn là xu hướng mà đã trở thành nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao năng suất, giảm thiểu chi phí và chủ động thích ứng với điều kiện thời tiết ngày càng bất ổn. Trong đó, nhà vườn tự động là một trong những giải pháp tiêu biểu, giúp kiểm soát môi trường trồng trọt một cách chính xác và tự động, từ đó đảm bảo điều kiện lý tưởng cho sự phát triển của cây trồng quanh năm. Đề tài “Nhà vườn tự động” được thực hiện nhằm xây dựng một mô hình hệ thống có khả năng giám sát và điều khiển tự động các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và ánh sáng, thông qua các cảm biến và bộ điều khiển được tích hợp.

Ngoài ra, hệ thống còn được kết nối mạng để người dùng có thể theo dõi và điều khiển từ xa thông qua giao diện web hoặc ứng dụng di động. Đề tài không chỉ mang tính ứng dụng thực tiễn cao trong sản xuất nông nghiệp hiện đại, mà còn là cơ hội để vận dụng kiến thức chuyên ngành về điện - điện tử, lập trình nhúng, IoT và tự động hóa. Đây là một bước tiến nhỏ nhưng ý nghĩa trong việc từng bước hiện đại hóa nền nông nghiệp Việt Nam theo hướng bền vững, thông minh và hiệu quả hơn. Tính cấp thiết của đề tài Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, nhu cầu sản xuất nông nghiệp sạch, hiệu quả và tiết kiệm tài nguyên ngày càng tăng.

Tuy nhiên, việc chăm sóc và điều khiển môi trường trong nhà vườn hiện nay phần lớn vẫn thực hiện thủ công, dễ dẫn đến sai sót, lãng phí và năng suất thấp. Vì vậy, việc xây dựng một mô hình nhà vườn tự động hóa sử dụng PLC và cảm biến là rất cần thiết, giúp tối ưu hóa điều kiện môi trường, giảm công sức lao động, đồng thời tăng hiệu quả sản xuất và độ chính xác trong kiểm soát. 1: Vườn thanh long chết khô do hạn hán tại Ninh Thuận Trước nhu cầu ngày càng cao về nông nghiệp thông minh và tự động hóa quá trình sản xuất, việc xây dựng một mô hình nhà vườn tự động sử dụng PLC, kết hợp với các cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, cùng các thiết bị điều khiển như bơm, quạt, đèn, phun sương. là hoàn toàn cấp thiết và phù hợp với xu hướng phát triển hiện nay.

Đề tài không chỉ giúp nâng cao khả năng kiểm soát điều kiện môi trường trong nhà vườn một cách chính xác, mà còn góp phần giảm thiểu lãng phí tài nguyên, giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công, và nâng cao hiệu quả sản xuất. Ngoài ra, việc tích hợp hệ thống giao diện HMI giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều khiển từ xa, góp phần tạo tiền đề cho các mô hình nông nghiệp tự động hóa quy mô lớn trong tương lai. Tình hình nghiên cứu  Tình hình của thế giới Nhiều thành phố trên thế giới đang phát triển mô hình nông nghiệp thông minh bao gồm nông nghiệp theo chiều dọc, nhà kính thông minh và nông nghiệp mở dựa trên kết nối vạn vật (IoT) kết hợp với đội ngũ nông dân trẻ tuổi tri thức cao có khả năng quản lý nhiệt độ, hệ thống tưới nước tự động, nông nghiệp chính xác, quản lý dữ liệu để có thể làm biến đổi hệ thống sản xuất lương thực phẩm truyền thống. Lợi ích lớn nhất của nông nghiệp thông minh là bảo tồn nước.

Hệ thống thủy canh và khí canh chỉ cung cấp lượng nước vừa đủ và được tuần hoàn nhờ hệ thống. Trung bình, các trang trại và nhà kính trong nhà sử dụng ít nước hơn 70% so với cách thức trồng rau truyền 2 thống. Mặt khác, chi phí vận chuyển có thể dễ dàng hơn, nên sản phẩm rau khi đến người tiêu dùng sẽ vẫn còn giữ độ tươi nguyên, ít bị bỏ đi do hư hỏng. Nhằm đảm bảo an toàn lương thực thực phẩm cho đô thị, nhiều thành phố trên thế giới bắt đầu thực hiện chính sách khuyến khích sự tăng trưởng của nông nghiệp thông minh như một phần quan trọng của hệ thống lương thực phẩm địa phương, đặc biệt là sau khủng hoảng do đại dịch gây ra.

Chẳng hạn, New York (Mỹ) đã có chính sách đầu tư 2 triệu USD để toàn bộ nhà hoặc khu phố thử nghiệm các công nghệ canh tác đô thị. Tại Paris, sáng kiến thành phố có tên "Parisculteurs" hướng đến mục đích bao phủ mái nhà và tường với 100 héc ta không gian xanh đến năm 2020 và dành một phần ba không gian đó cho sản xuất thực phẩm. Các nhà khoa học Singapore khuyến khích phát triển trang trại đô thị như một phần của yêu cầu xây dựng xanh. 2: Mô hình trồng rau trong nhà kính  Tình hình của nước ta Về cơ hội hoạt động nông nghiệp thông minh, lợi ích cụ thể đầu tiên là người nông dân có thể tiếp cận với nhiều thông tin hơn để ra quyết định sản xuất chính xác hơn, giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất lao động, tăng hiệu quả sản xuất và giảm ô nhiễm môi trường.

Cơ hội tiếp đến là ở khâu sau thu hoạch, quản lý chuỗi giá trị, truy xuất nguồn gốc từ trang trại đến bàn ăn, truy xuất thông tin và bán hàng được thông qua thương mại điện tử với các nền tảng số do doanh nghiệp cung cấp. Các nền tảng này cũng có thể đảm nhận luôn cả công tác hậu cần, vận chuyển. Với các công nghệ số tiên tiến như blockchain, IoT, AI,. do các doanh nghiệp Việt Nam phát triển, nông dân có thể tiếp cận với mức chi phí phù hợp là hoàn toàn khả thi.

3 Trên cơ sở phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao, hiện nay, Lâm Đồng là một trong những địa phương đứng đầu cả nước về nông nghiệp thông minh 4. Toàn tỉnh hiện có 21 doanh nghiệp đã tiếp cận ứng dụng công nghệ IoT, big data, blockchain, lắp đặt camera theo dõi sự sinh trưởng của cây trồng, các loại thiết bị cảm biến môi trường, nhà kính có hệ thống tự động điều chỉnh; hệ thống cảm biến kết nối máy tính, điện thoại thông minh quản lý đồng bộ, điều khiển tự động về độ ẩm, nhiệt độ, nước tưới, dinh dưỡng,. nhằm tận dụng tối đa lợi thế, phát triển nền nông nghiệp hiện đại, có thương hiệu và chất lượng cao ở các trang trại trồng rau, hoa, dâu tây, cà chua, bò sữa,… Nhờ đó đã mang lại doanh thu từ 5-8 tỷ đồng/ha/năm. Đến nay, trên địa bàn toàn tỉnh có gần 200 ha diện tích áp dụng quy trình sản xuất nông nghiệp thông minh 4.0 với những giải pháp phù hợp để tăng năng suất và giá trị sản phẩm cây trồng, vật nuôi.

3: Mô hình nhà kính trên Đà Lạt 1. Mục đích đề tài Mục đích của đề tài “Nhà vườn tự động” là thiết kế và xây dựng một hệ thống nhà vườn có khả năng giám sát và điều khiển tự động các điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và ánh sáng nhằm:  Tăng hiệu quả canh tác: Kiểm soát tốt điều kiện môi trường giúp cây trồng phát triển ổn định, giảm thiểu rủi ro do thời tiết hoặc điều kiện bất lợi.  Tự động hoá quá trình canh tác: giảm sự can thiệp thủ công, tiết kiệm nhân lực và theo dõi các thông số thay đổi của môi trường.  Ứng dụng các thiết bị tự động hóa như PLC: Kết hợp các phương pháp giao tiếp phổ biến như Modbus RS-485 và tín hiệu Analog trong hệ thống điều khiển tự động.

4 Thông qua đề tài, người thực hiện mong muốn áp dụng kiến thức lý thuyết vào thực tiễn, nâng cao kỹ năng thiết kế hệ thống tự động hóa, lập trình điều khiển, và phát triển giao diện người dùng phục vụ cho các ứng dụng nông nghiệp thông minh. Mục tiêu đề tài Đề tài “Nhà vườn tự động” được triển khai nhằm:  Thiết kế và thi công mô hình nhà vườn tự động.  Lắp ráp và kết nối phần cứng giữa PLC với các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng.  Cấu hình và giao tiếp thành công các kiểu kết nối Ethernet, Modbus RS-485 và tín hiệu Analog.

 Truyền dữ liệu và hiển thị đúng các thông số nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng của môi trường từ cảm biến về hệ thống.  Điều khiển các thiết bị làm mát và điều chỉnh ánh sáng khi các thông số môi trường vượt quá thông số thiết lập. Nhiệm vụ nghiên cứu  Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của PLC Siemens S7-1200 và các thiết bị cảm biến, chấp hành sử dụng trong hệ thống nhà vườn tự động.  Thiết kế sơ đồ nguyên lý, sơ đồ đấu nối giữa PLC, cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng), và các thiết bị điều khiển như quạt, bơm, đèn, đầu phun sương.

 Xây dựng chương trình điều khiển trên phần mềm TIA Portal V15 để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển thiết bị theo logic thiết lập.  Cấu hình truyền thông giữa PLC và HMI qua giao thức Modbus RS-485 hoặc Ethernet.  Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên phần mềm EasyBuilder Pro để hiển thị thông số và điều khiển các thiết bị.  Thi công mô hình thực tế của nhà vườn thu nhỏ và kiểm tra khả năng hoạt động ổn định của hệ thống.

 Đánh giá kết quả vận hành, phân tích ưu – nhược điểm và đề xuất hướng phát triển trong tương lai. Phạm vi nghiên cứu  Thiết kế và thi công mô hình thu nhỏ của nhà vườn tự động nhằm kiểm soát các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và cường độ ánh sáng.  Sử dụng PLC Siemens S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm, kết nối với các cảm biến nhiệt độ – độ ẩm, cảm biến ánh sáng, và các thiết bị chấp hành như quạt, bơm, bóng đèn, đầu phun sương.  Giao tiếp giữa PLC và các thiết bị ngoại vi thông qua các chuẩn Ethernet, Modbus RS- 485 và tín hiệu Analog/Digital.

 Thiết kế và lập trình giao diện giám sát trên HMI Weintek MT8071iE bằng phần mềm EasyBuilder Pro để hiển thị thông số và điều khiển hệ thống. Phương pháp nghiên cứu 1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu  Tìm hiểu tổng quan về mô hình nhà vườn, các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến cây trồng như: nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và ánh sáng.  Nghiên cứu các loại cảm biến môi trường, thiết bị chấp hành (quạt, máy bơm, đèn, hệ thống tưới), và các giải pháp điều khiển tự động ứng dụng trong nông nghiệp.