Nghiên cứu, thiết kế mô hình chăm sóc vườn cây tự động

Nội dung text: Nghiên cứu, thiết kế mô hình chăm sóc vườn cây tự động

1. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ HÌNH CHĂM SÓC VƯỜN CÂY TỰ ĐỘNG Trịnh Thắng Anh, Vương Quốc Phong, Nguyễn Lê Thanh Điền, Dương Chí Nguyện Viện công nghệ Việt – Nhật, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh GVHD: TS. Đoàn Thị Bằng TÓM TẮT Ngày nay, ngành nông nghiệp là một cuộc đua. Nông dân phải trồng nhiều sản phẩm hơn trong khi chất lượng đất ngày một tệ hơn, diện tích ngày một giảm và biến động thời tiết ngày một phức tạp, trong khi đó chi phí cho nguồn nhân công không hề nhỏ. Ứng dụng vườn cây tự động sẽ cho phép nông dân theo dõi sản phẩm và điều kiện của họ trong thời gian thực. Bài báo này đã lựa chọn phương pháp nghiên cứu mới đã và đang được áp dụng ở các nước tiên tiến trên thế giới là sử dụng các cảm biến như: đất, nước, không khí để từ đó điều khiển các thiết bị phù hợp với nhu cầu thực tế. Mô hình này tiếp cận theo hướng tối ưu hóa quá trình chăm sóc cây trồng tự động, giúp người nông dân kiểm soát và chăm sóc tốt hơn khu vườn của mình. 1 GIỚI THIỆU Trên thế giới mô hình vườn cây tự động hay vườn cây thông minh không còn xa lạ gì, tuy nhiên, để lắp đặt được và vận hành cũng là một vấn đề lớn cần phải được nghiên cứu ở Việt Nam. Vì thế bài báo này được đưa ra giúp tối ưu hóa chi phí lắp đặt cũng như cách vận hành đơn giản hơn phù hợp với công nghệ và thị trường của Việt Nam. Mô hình vườn cây tự động cũng giống như các mô hình vườn cây thông minh khác cũng có thể giúp hẹn giờ tưới, nhắc nhở công việc, cảnh báo thời tiết trang bị các cảm biến như: đất, nước, độ ẩm, nhiệt độ để điều khiển hệ thống tưới hoặc phun thuốc tự động. Đặc biệt là có thể điều chỉnh được thời gian tưới, tự động tưới khi đến nhiệt độ cài đặt và lượng nước tưới phù hợp cho từng loại cây và cho các giai đoạn sinh trưởng của cây. Nhờ áp dụng hệ thống vườn cây thông minh mà người sử dụng đã tiết kiệm được 40-60% lượng nước tưới theo hình thức nhỏ giọt hay tưới dưới tán, giảm được 30% công lao động, đặc biệt giảm khoảng 4% chi phí đầu tư nhưng lợi nhuận tăng 9-11% so với phương pháp truyền thống. Trong phần tiếp theo của bài báo bao gồm: Phần 2 phương thức hoạt động cách kết nối của các cảm biến với arduino và các máy bơm; nguyên lý hoạt động của xe phun thuốc. Phần 3 đưa ra kết quả mô hình và bản vẽ thiết kế. 847
2. 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 2.1 Hệ thống tưới cây tự động Tưới cây tự động là phương pháp tưới cung cấp nước một cách tự động cho cây trồng. Bao gồm một số hình thức như: tưới nhỏ giọt, tưới phun sương, tưới phun mưa, Hệ thống tưới cây được tự động hóa bằng một bộ điều khiển điện tử để tưới cây, hoạt động chính xác theo chương trình đã cài đặt. Đồng thời bộ điều khiển có thể được kết hợp với các thiết bị cảm biến, tăng tính hiệu quả của hệ thống tưới cây tự động. Hình 1: Bản vẽ khu vườn mô hình Diện tích vườn: 40 x 40 = 1600 cm2 = 0,16 m2, 4 luống cây, 1 luống 4 cây. Số cây trồng: 16 cây trên đơn vị diện tích. Máy bơm dưới tán: Điện áp: 12V, lưu lượng nước: 1 – 2L/phút, áp suất: 80PSI, dòng điện tiêu thụ: 1A, công suất: 12 W. Máy bơm phun sương: Điện áp: 5V, lưu lượng nước: 1,5L/phút, dòng điện tiêu thụ: 200 mA, công suất: 1W. Tổng công suất tiêu thụ trong ngày: ( ) ( ) ( ) ( ) 848
3. ( ) ( ) ( ) ( ) ( 2 ) Mức hấp thụ năng lượng mặt trời tại Việt Nam là khoả ng 4,58 kWh/m /ngày Ampe lý thuyết cho ắc quy: ( ) Chọn ắc quy dongnai 12 V- 3,5 Ah. Lượng ampe ắc quy sạc trong 1 giờ: Chọn loại PV có 15 Wp thì số PV cần dùng là: 6,52/15 ≈ 1 tấm Chọn 1 tấm pin công suất 15 W (POLY 15W). Do đã chọn tấm pin ở trên là 15 W và sử dụng nguồn 12 V. Vậy ta chọn bộ điều khiển sạc 12 V có dòng lớn hơn 1,25 A. Chọn bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời PWM 12/24 V 30 A. Mô tả sơ lược về nguyên lý: Cảm biến: Cảm biến ở đây là cảm biến độ ẩm đất và nhiệt độ khi đạt ngưỡng cài đặt thì nó sẻ trả tín hiệu về tủ điều khiển trung tâm để bơm và ngược lại. Bộ xử lý tín hiệu cảm biến: Gồm arduino bật tắt các relay để điều khiển bơm. Sau khi nhận được tín hiệu từ cảm biến gửi về bộ xử lý sẽ xử lý tín hiệu và gửi đến bộ phận điều khiển bơm. Bộ điều khiển bơm: Điều khiển máy bơm theo cài đặt đã được lập trình. Máy bơm: Nhiệm vụ máy bơm là đẩy nguồn nước đến các ống tưới dưới tán tạo ra áp lực để hệ thống hoạt động được, việc lựa chọn máy bơm phụ thuộc vào nguồn điện, vị trí nguồn nước, diện tích cần tưới. Ống dẫn nước: Từ máy bơm nước sẻ được dẫn qua ống chính 16 mm sau đó sẽ rẽ nhánh đi qua các ống phụ 6 mm rồi đi thẳng vào đầu tưới đây là kiểu bố trí thông dụng vì nó có nhiều lợi ích hơn so với sử dụng một loại ống dẫn Pin mặt trời: Cung cấp năng lượng cho cả hệ thống thông qua bộ điều khiển và mạch của ac quy. Sơ đồ khối kết nối hệ thống của khu vườn được thể hiện trong Hình 2. Khối điiều khiển đóng vai trò bộ não của hệ thống, ta có thể trực tiếp làm việc thông qua một wed server. 849
4. Hình 2: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển 3 KẾT QUẢ THI CÔNG MÔ HÌNH TƯỚI CÂY TỰ ĐỘNG 3.1 Mô hình tưới cây tự động Kết quả gia công lắp ráp là sản phẩm thực tế như thể hiện trong Hình 4. Vật liệu chế tạo các chi tiết cơ khí là sắt và nhựa cứng. Hình 4: Hình ảnh thực tế của mô hình vườn thông minh Chi tiết kết nối đầu giữa mạch Arduino và mạch module relay như sau: Chân D3 của Arduino nối với chân tín hiệu của cảm biến đất. Chân D4 của Arduino nối với chân tín hiệu của relay máy bơm nước phun sương. Chân D5 của Arduino nối với chân tín hiệu của relay máy bơm nước tưới dưới tán. Chân số D6 của Arduino nối với chân tín hiệu của cảm biến nhiệt độ. Các chân VCC và GND của arduino được nối với các chân tương ứng của relay. 850
5. Hệ thống giúp cho người nông dân không phải đi từng cây, tưới từng gốc hay lo về vấn đề nắng nóng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây, mọi thứ đã trở nên tự động người nông dân chỉ cần theo dõi vườn cây nhà mình thông qua một chiếc laptop hay một chiếc điện thoại. 4 KẾT LUẬN Đề tài này nghiên cứu về mô hình vườn cây thông minh gồm có hệ thống tưới tự động (nhỏ giọt và phun dưới tán) điều khiển trung tâm bởi arduino WeMos D1. Trong thời gian tới nhóm tiếp tục phát triển thêm một chiếc xe phun thuốc tự động có thể điều khiển giúp cho người nông dân giảm được chi phí cho nhân công và đặc biệt là tránh được sự tiếp xúc trực tiếp thuốc sâu. Cung cấp cho người dùng một mô hình đơn giản nhưng lại tính hiệu quả cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Mạch vi điều khiển Arduino WeMos D1: [2] [3] [4] 851