Báo cáo khoa học Thiết kế điều khiển phục vụ sản xuất rau an tồn theo cơng nghệ thuỷ canh Thiết kế điều khiển phục vụ sản xuất rau an toàn theo công nghệ thuỷ canh Designing a control device for safe vegetable production using hydroponics technology Ng« TrÝ D−¬ng1 SUMMARY The paper describes the design a control device for safe vegetable production using hydroponics technology The design was based on safe vegetable production package and data of vegetable species in such a way to ensure the operation of three systems: nutrients and water supplying system, climate regulatory system, and drop irrigation system The micro-control system PSoC of Cypress represents a possible programming on chips The chips manufactured by PSoC technology are smart control chips with high flexibility but low cost, technically supportive with the software The control device possesses automatic and manual working regime, LCD monitor and user’s interface through keyboard In addition, the controller is protected to ensure that it can work under uncontrolled conditions to supply the plants with nutrients and water Key words: Safe vegetable, hydroponics, automatic control, controller ĐặT VấN Đề Hiện nay, ë n−íc ta s¶n xt rau an to n ®ang l mét vÊn ®Ị cÊp thiÕt ®Ỉt ®èi với nh nghiên cứu, ngời sản xuất v ngời tiêu dùng Việc Việt Nam gia nhập WTO đ tạo cạnh tranh lớn cho ng nh sản xuất rau n−íc víi rau s¶n xt ë n−íc ngo i Vì vậy, yêu cầu đặt mặt h ng rau l phải đảm bảo an to n vƯ sinh v chÊt l−ỵng, cịng nh− mÉu m đáp ứng nhu cầu tiêu dùng ngời dân, nhu cầu rau cung cấp cho nh h ng, khách sạn, khu du lịch v phục vụ xuất Trong năm gần đây, Đảng v Nh nớc đặc biệt quan tâm đến sản phẩm nông nghiệp an to n ®ã cã rau an to n Nhiều sách, qui định đ đợc đa v nhiều Chơng trình v Dự án đ đợc triển khai nhằm thúc đẩy sản xuất rau an to n phát triển (Bùi Thị Gia, 2006; Nguyễn Hùng Anh v Ngô Thị Thuận, 2005 - Để sản xuất rau đảm bảo "Rau an to n" Khoa Cơ Điện, Trờng Đại học Nông ngjiệp I- H Nội với đặc điểm bị sâu bệnh phá hại, kỹ thuật gieo trồng đơn giản, không cần sử dụng lợng phân vô lớn, thời gian sinh trởng ngắn, có khả tăng vụ, luân canh trồng gối, phơng pháp đáp ứng đợc yêu cầu l trồng rau phơng pháp thuỷ canh nh lới Bằng đờng lùa chän tèi −u l øng dơng c«ng nghƯ cao v o sản xuất nông nghiệp tự động hoá khâu chăm sóc, tới tiêu, thu hoạch v bảo quản, tiến h nh nghiên cứu thiết kế điều khiển phục vụ sản xuất rau an to n theo công nghệ thuỷ canh PHƯƠNG PHáP THIếT Kế Phơng pháp thiết kế dựa quy trình công nghệ sản xuất rau an to n nh lới phơng pháp thuỷ canh v số liệu thông kê từ xác định đợc biến cần ®iỊu khiĨn v biÕn ®iỊu khiĨn HƯ thèng trång rau an to n phơng Ngô Trí Dơng pháp thuỷ canh với hệ thống tới nhỏ giọt (Ngô Trí Dơng, 2005) đợc thiết kế cho luống rau, cung cấp dinh dỡng dới dạng lỏng bình A, B, C máy bơm v bình trộn D với hệ thống trộn dung dịch Từ tiến h nh lựa chọn biến cần điều khiển với khoảng l m việc nh sau: Xác định dinh dỡng hệ thống cung cấp dung dịch bình A, B, C Từ đặt chế độ l m việc cho bơm ứng với thời gian t1, t2 v t3 v xác định đợc tỷ lệ phối trộn theo yêu cầu quy trình công nghệ cho loại rau Trong t1 thời gian bơm dung dịch A, t2 thời gian bơm dung dịch B v t3 thời gian bơm dung dịch C Sau đặt thời gian t4 cho động trộn dung dịch bình D Việc xác định thông số n y đợc nhËp tõ b n phÝm víi thêi gian tÝnh b»ng giây Trong hệ thống có hệ thống báo cố bình dung dịch không hoạt động v trình tự động cung cấp dung dịch từ bình A, B v C dung dịch bình trộn D báo hết Hệ thống điều tiết khí hậu nh kính nh lới thông qua hệ thống quạt gió, phun sơng v mái che cụ thể: Nếu nhiệt độ t 270C hệ thống quạt gió l m việc; Nếu nhiệt độ t 370C hệ thống quạt gió v phun sơng l m việc; Nếu nhiệt độ t 270C hệ thống quạt gió v phun sơng ngng l m việc khoảng l m việc nhiệt độ < t < 600C Đối với cờng độ ánh sáng: Nếu cờng độ ánh sáng CDAS 70000 lux thả mái che với l m việc động điện ngợc lại mái (các số liệu chọn thay đổi) Xác định lợng n−íc cÇn t−íi phơ thc v o nhiỊu u tè Đối với phơng pháp trồng rau an to n phơng pháp thuỷ canh nh lới, phơng pháp tới nhỏ giọt đợc lựa chọn với u điểm tới tiết kiệm nớc phù hợp với quy trình công nghệ Theo chuyên gia nông học, việc tới v cung cấp dinh d−ìng th«ng qua t−íi nhá giät th−êng t−íi tõ sáng đến 19 Khi đ xác định đợc lợng nớc v dinh dỡng cần tới, cần tiến h nh chia khoảng thời gian tới lần v thời gian nghỉ lần Theo giáo trình Lý Thuyết khai thác hợp lý nguồn t i nguyên khí hậu Nông nghiệp, (Trần Đức Hạnh & cs, 1997), lợng nớc cần tới cho trồng đợc xác định theo công thức: WR = PET.Kc (mm) Trong đó: WR (Water Requirement) nhu cầu nớc trồng PET: Bốc thoát nớc tiềm (mm) Kc (k.crops): Hệ số trồng l đặc trng trồng v phụ thuộc v o giai đoạn phát triển Hệ số n y loại rau nh da chuột, c chua, ®Ëu v ng, ngät, ®Ëu ®ịa v thời gian sinh trởng đ đợc xác định (Bảng v Bảng 2) Bảng Hệ số trồng Kc số rau Các giai đoạn sinh trởng Cây rau Nảy mầm Phân nhánh Giữa vụ Cuối vơ Thu ho¹ch D−a cht 0,45 0,75 1.00 0,85 0.70 C chua 0,45 0,75 1,15 0,90 0,75 §Ëu v ng 0,35 0,75 1,10 0,75 0,45 ngät 0,45 0,75 1,15 0,90 0,75 Đậu đũa 0,35 0,75 1,10 0,75 0,45 Bảng Thêi gian sinh tr−ëng cđa mét sè c©y rau Loại Số ng y Số ng y tơng ứng giai đoạn K1 K2 K3 K4 K5 Da chuét 120 5 40 40 30 C ch−a 130 5 50 40 30 §Ëu v ng 90 5 30 40 10 ngät 110 5 50 30 20 Đậu đũa 100 5 40 20 30 Trong đó: K1: giai đoạn mọc mầm; K2: giai đoạn phát triển; K3: giai đoạn vụ; K4: giai đoạn cuối vụ; K5: giai đoạn thu hoạch Thiết kế ®iỊu khiĨn phơc vơ s¶n xt rau an to n theo công nghệ thuỷ canh PET (Potential Evapotranspiration) Bốc thoát nớc tiềm đợc xác định nh sau: PET = Qs (0, 025Ta + 0, 08) 59 Trong ®ã: Qs: xạ tổng cộng ng y tuần Ta: nhiệt độ trung bình ng y tuần 59: Lợng nhiệt cần thiết để bốc mm nớc PET dùng để xác định cân nớc v chẩn đoán lợng nớc tới cho vùng cho trồng Vậy lợng nớc cần tới đợc xác định: WR = K c Qs (0, 025Ta + 0, 08) mm 59 Nếu xét đến hệ số mùa cần tới th×: WR = K m K c Qs (0, 025Ta + 0, 08) mm 59 Trong ®ã Km hƯ sè mïa cÇn t−íi (nÕu cã) NÕu diƯn tÝch cÇn t−íi (S); lợng nớc ma (LNM) v lu lợng máy bơm (LLMB) thời gian t đóng máy bơm nớc đợc xác định nh sau: Q ( 0, 025.Ta + 0, 08 )    − LNM   s / LLMB t = K m K c  s 59      (s) Trong trờng hợp tới nhỏ giọt với số lần tới l N thời gian tới lần l : t5 = t N (s) Để điều khiển trình tới nhỏ giọt cần điều khiển góc mở van đầu đờng ống Trong trình khảo nghiệm ®iỊu khiĨn, lùa chän ®iỊu khiĨn ®éng c¬ b−íc øng với luống cần tới lúc tới 2, luống m điều khiển góc mở khác §Ĩ thiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn, bé vi ®iỊu khiĨn PSoC (Programmable System on Chip) cña h ng Cypress l hệ thống khả lập trình chíp đợc sử dụng Các chíp chế tạo theo công nghệ PSoC l chíp điều khiển thông minh có tính linh hoạt cao, chi phí công nghệ phục vụ nghiên cứu v phát triển thấp, giá th nh chíp thấp, hỗ trợ kỹ thuật tốt với phần mềm phát triển dễ sử dụng Th nh phần chíp bao gồm khối ngoại vi sè v t−¬ng tù, mét bé vi xư lý bít, nhớ chơng trình (EEROM) lập trình đợc v có nhớ RAM lớn Để lập trình hệ thống v c i chơng trình điều khiển v o chíp, cần có phần mềm lập trình v kit phát triển h ng chế tạo chíp cung cấp THIếT Kế V ĐáNH GIá 3.1 Thiết kế phần cứng Sơ đồ thiết bị phần cứng Các chíp đợc chọn theo yêu cầu quy trình công nghệ trồng rau v nghiên cứu vi điều khiĨn vỊ chÝp PsoC, gåm chÝp: PSoC Master CY8C29466 v PSoC Slave CY8C27443, chíp có 28 chân (Hình 1) LCD HƯ thèng c¶m biÕn PSoC Master CY8C29466 PSoC Slave CY8C27443 Phím ấn Hình Sơ đồ khối điều khiển Tín hiệu điều khiển cấu chấp h nh Ngô Trí Dơng PSoC Master CY8C29466 nhận liệu từ phím ấn, cảm biến nhiệt độ, xạ, cờng độ ánh sáng, lợng nớc ma, áp suất đầu đờng ống v đợc thể hiển qua m n hình tinh thể lỏng LCD Mặt khác PSoC Master CY8C29466 xư lý v trun tÝn hiƯu ®iỊu khiĨn sang PSoC Slave CY8C27443 để điều khiển hệ thống bơm dung dịch A, B, C, bình trộn D, hệ thống quạt gió, phun sơng, mái che v điều khiển động bớc Sơ đồ nguyên lý tổng thể điều khiển tự động (Hình 2) Ma trận 16 phím PsoC Master Master Chip P1 P2 16x2 Select Keypad TÝn hiƯu v o Analog: hc COM Pa Qs P0 LNM P0 PC _R X PC _T X CDAS GND PSoC_TX v Max232 TÝn hiệu điều khiểu đầu PSoC_RX BA P0 Đầu Phun s−¬ng P1 BB BC DT B P0 Quạt gió V1 Mái che V2 V3 Slave Chip Đầu v o: biến dùng để bảo vệ GHA +5V P0 Ta PC LCD 4 P0 P2 GHB Van tiÕt lu tín hiệu điều khiển động bớc CD1 GHC CD2 GHD CD3 CD4 PSoC Slaver Phần tạo nguồn điện + 5V DC cho hệ thống điều khiển Hình Sơ đồ nguyên lý tổng thể điều khiển Thiết kế điều khiển phục vụ sản xuất rau an to n theo công nghệ thuỷ canh Hình Sơ đồ mạch in xử lý Sơ đồ mạch in (hình v 4) Hình Sơ đồ mạch in phím ấn v hiển thị LCD Ngô Trí Dơng Thiết kế điều khiển phục vụ sản xt rau an to n theo c«ng nghƯ thủ canh Các chức b n phím a Chế độ tự động nhập liệu từ nút ấn Việc nhập liệu đợc thiết kế ma trận nút ấn ®−ỵc bè trÝ h ng cét, ®−ỵc sư dụng chân từ P1.0 đến P1.7 PSoC Master CY8C29466 đợc thể hình Với việc sử dụng nút nh sau: Nút 1: Đặt hệ số mùa; chọn lu lợng máy mở tính đến góc mở van điều khiển động bớc; chọn diện tích cần tới Nút 2: Lựa chọn loại Nút 3: Chọn tỷ lệ phối trộn thông qua t1, t2, t3 v thêi gian trén t4 Nót 4: Chän thêi gian nghØ; Sè chu kú cÇn t−íi; Nót 5: Chọn chế độ mở van Nút 6: Khởi tạo trình l m việc, tức l chọn giai đoạn bắt đầu sống Nút 7: chuyển sang chế ®é l m viƯc b»ng tay Nót 8: Ngõng qu¸ trình l m việc Nút : Chuyển chế độ l m viƯc PC v xo¸ ký tù tr−íc nã Nót M: Về chế độ ban đầu b n phím Nút C: Chọn chế độ l m việc Nút X: Theo dõi thông số v o v kết sau đ xử lý b Chế độ tay nhËp d÷ liƯu tõ b n phÝm Khi chun sang chế độ l m việc tay cách ấn nút 7, cần nhập số liệu nh sau: - Thêi gian t−íi - Thêi gian nghØ - Sè chu kú t−íi - Lùa chän lng cÇn t−íi 3.2 Thiết kế phần mềm điều khiển Sơ đồ giải thuật điều khiển (Hình 5) bao gồm chơng trình hai phần: Phần 1: Chơng trình l m việc b n phím đợc thiết kế hai chế độ tự động v tay, bao gồm chơng trình chÝnh víi nhiỊu h m thĨ nh− sau: - H m đo biến điều khiển: Nhiệt độ h m void ADC_Ta(void), bøc x¹ nhiƯt h m void ADC_Qs(void), áp suất h m void ADC_Pa (void), lợng nớc ma h m void ADC_LNM(void) v cờng độ ánh sáng h m void ADC_CDAS (void) tõ ADC - H m cập nhật thời gian thực thông qua ngắt UserModule Counter void On_Update_time (void) - H m dùng quÐt b n phím ma trận 4x4 đồng thời giải m để nhận biết xem phím n o đợc nhấn từ cho phép đa hớng tiếp cận tơng ứng unsigned char ButtonMatrix() - H m nhập giá trị tham số cho hệ thống đợc điều khiển thông qua biến ButtonPress đợc giải m từ b n phím ng−êi dïng nhÊn phÝm void Nhap_solieu (char ButtonPress) - H m xóa dòng LCD void LCD_clearLine0() v xãa dßng thø hai cđa LCD void LCD_clearLine1() - H m đợi khoảng thời gian thông qua biến wait: void delay(int wait) - H m chän tham sè cÇn nhËp void select_paramet(void) - H m hiĨn thÞ menu giao diƯn cho phÐp ng−êi dïng chän tham sè cÇn nhËp void MenuDisplay(void) - H m l m hai nhiƯm vơ: Thø nhÊt cËp nhËt c¸c tham sè nhËp tõ b n phím, thứ hai truyền tham số điều khiển cho PsoC Slaver void update_variable(char sokytu) - H m truyÒn mảng liệu từ Psoc Master sang PSoC Slaver void Transmit_To_PSoC(char tx_data[16],char nbyte) - H m chØ b¸o thêi gian mô cho loại đợc chọn từ Menu void thoigianmophong(void) - H m tÝnh thêi gian t−íi void Thoigiantuoicayt5(void) - H m chuyển mảng chuỗi nhËp tõ b n phÝm th nh sè phÈy ®éng (float giaima(char chuoi[16],char sokytu) Ngô Trí Dơng Bắt đầu Khởi tạo biến v cấu hình Gọi h m quÐt b n phÝm Gäi h m cËp nhËt thêi gian thực Đọc giá trị mà quét b n phím: Máy tính PC B n phím Kiểm tra chế độ l m viƯc ChÕ ®é b n phÝm ChÕ ®é máy tính PC Tắt chế độ b n phím Bằng tay kiĨm tra chÕ ®é l m viƯc Gäi h m ti b»ng tay Tù ®éng Gäi h m ®o biến điều khiển Đọc tham số tơng tự Gọi h m nhập số liệu: thông số đầu v o sau gọi h m giải mà để thực h m chức Nhập: Thời gian tới Thêi gian nghØ Sè chu kú t−íi Lùa chän luèng cần tới Gọi h m giải mà Gọi h m trun d÷ liƯu Gäi h m trun d÷ liƯu Gäi h m tÝnh thêi gian t−íi Gäi h m điều khiển quạt thông gió; phun sơng; mái; động bớc; mở van cho luống cần tới Cập nhËt h m thêi gian thùc Gäi h m ®iỊu khiển hệ thống tới Hình Sơ đồ thuật giải bé ®iỊu khiĨn ThiÕt kÕ bé ®iỊu khiĨn phơc vơ sản xuất rau an to n theo công nghệ thuỷ canh - H m tÝnh l thõa cđa sè mị int luythua (int X,BYTE mu) - H m chuyÓn mét số phẩy động th nh chuỗi để hiển thị LCD void Fchuoi(float ftimer) - H m dïng ®Ĩ thay đổi việc hiển thị giá trị tơng tự m n h×nh LCD void GiatriTuongtu(void) - H m cËp nhật thờng xuyên thay đổi giá trị tơng tự cần hiển thị void HienthiTuongtu(void) - H m nhằm giới hạn chữ số nhập v o từ b n phím, chẳng hạn nh dấu chấm '.' không đợc nhập hai lần dấu phẩy động void LimitInput(char keycode) Ngo i có h m biến cần ®iỊu khiĨn nh− ®iỊu khiĨn ®éng c¬ b−íc; ®iỊu khiĨn quạt gió, phun sơng; động mái, thả mái; máy bơm tới; loại máy bơm A, B, C v động trộn Phần 2: Chơng trình l m việc máy tính PC, việc kết nối với PC với điều khiển thông qua Max232 (Hình 2) 3.3 Thẩm định v đánh giá 3.3.1 Qui trình thẩm định Bộ điều khiển với chức đợc thử nghiƯm b»ng c¸ch thiÕt kÕ c¸c biÕn v o nh− nhiệt độ, xạ, lợng nớc ma, cờng độ ánh sáng v áp suất đợc thay tín hiệu tơng tự điện áp thay đổi từ ữ V Quá trình mô chơng trình tơng øng cø mét ng y lÊy b»ng t−¬ng ứng với 240 s v xác định thời gian mô (Bảng 5) Bảng Thời gian tơng ứng giai đoạn mô Loại Tổng thời gian D−a chuét C ch−a 28800 31200 K1 1200 1200 Thêi gian tơng ứng giai đoạn (s) K2 K3 K4 1200 9600 9600 1200 12000 9600 K5 7200 7200 §Ëu v ng 21600 1200 1200 7200 9600 2400 26400 1200 1200 12000 7200 4800 Đậu đũa 24000 1200 1200 9600 4800 7200 3.3.2 KÕt qu¶ - ë chÕ ®é tù ®éng: NhËp sè liƯu v ®iỊu chØnh tín hiệu tơng tự từ đầu v o, cụ thĨ: Chän Km = 1; T−íi lng øng víi góc mở động bớc l 4680 lu lợng máy bơm tới l 0,08 (l/s) diện tích cần tới l m2 Lựa chọn cần tới l da chuột Đặt tỷ lệ phối trộn tơng ứng với bình trộn, giả sử tỷ lệ 1: 2: dung dịch bình đợc đa v o bình trộn máy bơm có lu lợng máy l 1,8 (l/s) Khi lấy bình A l 18 lít ứng với điều khiển bơm l t1 =10 (s); lÊy b×nh B l 36 lÝt øng với điều khiển bơm l t2 = 20 s; lấy bình C l 54 lít ứng với điều khiển bơm l t3 = 30 s v thêi gian trén t4 = 40 s Chän thêi gian nghØ l (s); Sè chu kú cÇn t−íi l : 10 ; Chän chế độ mở van l van cho luống Lúc khởi tạo trình l m việc nút 6, từ điều khiển nhận thông số từ môi trờng bên ngo i, thời gian m« pháng øng víi ng y thực, lúc số liệu nhận đợc nhiệt độ trung b×nh Ta = 27.760C v Qs = 301,4 (Cal/cm2/ng y) để đa kết lần tới cho ng y: lần 1: thời gian cần tới ng y thø nhÊt l 133 (s) víi sè lÇn t−íi l 10, thời gian lần tới l 13 (s), sau nghỉ (s) lại tiếp tục 10 lần; Lần lấy số liệu từ ng y thø nhÊt v thùc hiƯn quy tr×nh nh− lần thứ Các lần đợc thực tơng tự với số liệu đợc đo từ ng y tr−íc ®ã - ë chÕ ®é b»ng tay: Chun sang nút 7, sau v o yêu cầu tới ng y, giả sử tới 77 lít øng víi thêi gian t−íi 100 (s) NÕu chän 25 lần lúc lần 40s, thời gian nghỉ chọn 300 (s), sau ®ã chän chÕ ®é lng t−íi l luống Ngô Trí Dơng 3.4 Một số hình ảnh điều khiển tự động Hình Nhập số liệu v hiển thị LCD Hình Bộ điều khiển tự động Hình Hệ thống rơ le điều khiển Hình Hệ thống thiết bị chăm sóc Hình 10 Khảo nghiệm hệ thống Hình 11 Điều khiển động bớc Thiết kế điều khiển phục vụ sản xt rau an to n theo c«ng nghƯ thủ canh KếT LUậN Thông qua việc chạy thử với loại cây: Da chuột; c cha; đậu v ng; ớt v đậu đũa điều khiển phục vụ sản xuất rau an to n phơng pháp thuỷ canh nh lới l m việc ổn định Chơng trình phần mềm dễ d ng thay đổi để phù hợp với quy trình công nghệ trồng rau to n theo loại rau khu vực trồng rau Bộ điều khiển đợc nhập thông số quy trình sản xuất rau an to n nút ấn đợc hiển thị m n hình tinh thể lỏng LCD, thay đổi theo quy trình trồng rau Quá trình sử dụng điều khiển đơn giản, kích thớc nhỏ gọn, linh kiện có thị trờng Việt Nam T i liệu tham khảo Trần Đức Hạnh, Đo n Văn Điếm, Nguyễn Văn Viết (1997) Lý thuyết khai thác hợp lý nguồn t i nguyên khí hậu Nông nghiệp, Viện khoa học kỹ thuật N«ng nghiƯp ViƯt Nam, trang 79 - 80 Ng« TrÝ Dơng (2005) Thiết kế hệ thống điều khiển trình t−íi nhá giät phơc vơ nh l−íi hc nh kính, Tạp chí khoa học kỹ thuật Nông nghiệp, tập III sè 4/2005, trang 321 - 326 Bïi ThÞ Gia (2006) HiƯu qu¶ s¶n xt rau an to n nh l−íi ë ngo¹i th nh H Néi T¹p chÝ khoa häc kü tht n«ng nghiƯp, tËp IV, sè 2/2006, trang 157 - 162 Nguyễn Hùng Anh, Ngô Thị Thuận (2005) Rau hữu vùng phụ cận H Nội Tạp chí khoa học kỹ thuật nông nghiệp, tập III, số 5/2005, trang 426-433 Nguyễn Văn Song, Đỗ Thị Diệp, TrÇn TÊt NhËt ... cứu thiết kế điều khiển phục vụ sản xuất rau an to n theo công nghệ thuỷ canh PHƯƠNG PHáP THIếT Kế Phơng pháp thiết kế dựa quy trình công nghƯ s¶n xt rau an to n nh l−íi phơng pháp thuỷ canh. .. bớc Thiết kế điều khiển phục vụ sản xuất rau an to n theo c«ng nghƯ thủ canh KếT LUậN Thông qua việc chạy thử với loại cây: Da chuột; c cha; đậu v ng; ớt v đậu đũa điều khiển phục vụ sản xuất rau. .. khiển phục vụ sản xuất rau an to n theo công nghệ thuỷ canh Hình Sơ đồ mạch in xử lý Sơ đồ mạch in (hình v 4) Hình Sơ đồ mạch in phím ấn v hiển thị LCD Ngô Trí Dơng Thiết kế điều khiển phục vụ