10446_Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện khí hậu Lào

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

SOUDTIPANYA SAMLETH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
NHÀ TRỒNG THÔNG MINH
TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU LÀO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Nguyên – 2020
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

SOUDTIPANYA SAMLETH

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG
NHÀ TRỒNG THÔNG MINH
TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU LÀO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH
Mã số: 84 8 01 01

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phùng Trung Nghĩa

Thái Nguyên – 2020
I

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: Soudtipanya Samleth
Lớp cao học: CK17A Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại
học Thái Nguyên.
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhà trồng thông minh
trong điều kiện khí hậu Lào” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS Phùng Trung Nghĩa – Giảng viên trường Đại học Công nghệ Thông
tin và Truyền thông.
Tôi xin cam đoan những nội dung, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là
trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các thông
tin trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn gốc.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2020
Tác giả luận văn

Soudtipanya Samleth

II

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sỹ, tôi đã nhận
được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp. Trước hết cho phép
tôi được cảm ơn quý thầy, cô trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông
Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học vừa qua. Vốn
kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình
nghiên cứu luận văn mà còn là hành trang quý báu trong công việc và trong cuộc
sống.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phùng Trung Nghĩa đã tận tình
hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và người
thân, những người đã bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn
thành luận văn.

Trân trọng cảm ơn !

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2020
Tác giả luận văn

Soudtipanya Samleth
III

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN …………………………………………………………………………………………. I
LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………………………………… II
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT …………………………………………
V
DANH MỤC CÁC BẢNG
…………………………………………………………………………….
VI
DANH MỤC HÌNH …………………………………………………………………………………… VII
MỞ ĐẦU
………………………………………………………………………………………………………
1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ TRỒNG THÔNG MINH……………………………..
3
1.1. Khái niệm nhà trồng thông minh
………………………………………………………..
3
1.1.1. Nông nghiệp thông minh (smart agriculture) …………………………………….
3
1.1.2. Nhà trồng thông minh (smart farm)………………………………………………….
5
1.2. Các thành phần của trong nhà trồng thông minh
…………………………………
14
1.3. Mục tiêu của luận văn
……………………………………………………………………..
15
Chương 2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG NHÀ TRỒNG THÔNG MINH TRONG
ĐIỀU KIỆN LÀO ………………………………………………………………………………………..
17
2.1. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh
…………………………………………..
17
2.1.1. Phần cứng điển hình …………………………………………………………………….
18
2.1.2 Phần mềm ……………………………………………………………………………………
22
2.2. Thực trạng và khả năng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào ………….
24
2.2.1. Thực trạng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào …………………………
24
2.2.2. Khó khăn và thuận lợi trong việc ứng dụng nhà trồng thông minh trong
nông nghiệp tại Lào ………………………………………………………………………………
25
2.2.3. Các đặc trưng của hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện Lào 26
Chương 3 XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM NHÀ TRỒNG THÔNG MINH
……………
28
3.1. Mô hình thử nghiệm ……………………………………………………………………….
28
3.2. Lựa chọn phương án thiết kết
…………………………………………………………..
29
3.2.1. Phương án thiết kế thứ nhất
…………………………………………………………..
29
3.2.2. Phương án thiết kế thứ hai
…………………………………………………………….
30
3.3. Thiết kế phần cứng …………………………………………………………………………
31
IV

3.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống ……………………………………………………………..
31
3.3.2. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống………………………………………………..
32
3.4. Thiết kế phần mềm …………………………………………………………………………
37
3.4.1. Lưu đồ thuật toán hệ thống
……………………………………………………………
37
3.4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển thiết bị bơm
…………………….
39
3.5. Kết quả thực nghiệm và đánh giá ……………………………………………………..
45
3.5.1. Kết quả thực nghiệm sản phẩm ……………………………………………………..
45
3.5.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm
……………………………………………………….
47
KẾT LUẬN …………………………………………………………………………………………………
49
TÀI LIỆU THAM KHẢO
……………………………………………………………………………..
50

V

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

TT
Chữ viết tắt
Ý nghĩa
1.
GPS
Viết tắt bởi Global Positioning System
2.
BVTV
là một danh từ không còn xa lạ gì, nhất là đối với những
người trong ngành nông nghiệp
3.
RTOS
Hệ điều hành thời gian thực
4.
GPIO
GPIO (General Purpose Input Output) chính là cửa ngõ
giao tiếp vào/ra của vi điều khiển.
5
MCU
Multipoint control unit (viết tắt của cụm từ)
6
LED
light emitting diode (điốt phát sáng)
VI

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1. Chỉ tiêu kĩ thuật khối MCU …………………………………………………………….
19
Bảng 2.2: Chỉ tiêu kĩ thuật khối ZigBee ………………………………………………………….
20
Bảng 2.3: Đặc điểm kĩ thuật khối Wifi ……………………………………………………………
20
Bản khối nguồn ……………………………………………………………………………………………
21

VII

DANH MỤC HÌNH

Hình 1. Mô hình nhà trồng thông minh tưới tiêu tự
……………………………………………
1
Hình 1.1. Nhà lưới kín ……………………………………………………………………………………
8
Hình 1.2 Mô hình nhà lưới hở
………………………………………………………………………….
9
Hình 1.3 Mô hình nhà màng …………………………………………………………………………
11
Hình 2.1 Sơ đồ khối nhà trồng thông minh
……………………………………………………..
17
Hình 2.2 Sơ đồ khối của Main – board …………………………………………………………..
18
Hình 2.3 Sơ đồ khối Sub – board …………………………………………………………………..
20
Hình 2.4 Sơ đồ nối dây cảm biến IC đo nhiệt độ cơ bản …………………………………..
21
Hình 2.5 Hình ảnh IC đo độ ẩm cơ bản ………………………………………………………….
22
Hình 2.6 Giao diện Arduino IDE …………………………………………………………………..
23
Hình 2.7 Mô hình nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào ………………….
27
Hình 3.1 Mô hình thiết kế thử nghiệm nhà trồng thông minh ……………………………
28
Hình 3.2 Thiết kế hệ thống trên nền tảng mạng cảm biến không dây …………………
29
Hình 3.3 Thiết kế thử nghiệm hệ thống nhà trồng thông minh
…………………………..
30
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống
…………………………………………………….
31
Hình 3.5 Module ESP8266 ……………………………………………………………………………
32
Hình 3.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 …………………………………………………….
34
Hình 3.7 Cảm biến độ ẩm đất và LM393
…………………………………………………………
35
Hình 3.8 Cảm biến mức nước ………………………………………………………………………..
35
Hình 3.9 Module Relay 2 kênh 5V …………………………………………………………………
36
Hình 3.10 Máy bơm 12V ………………………………………………………………………………
37
Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán hệ thống …………………………………………………………….
38
Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán thu thập thông số môi trường ……………………………….
38
Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển thiết bị
………………………
39
Hình 3.14 Giao diện chương trình ………………………………………………………………….
41
Hình 3.15 Giao diện chính của chương trình ……………………………………………………
42
Hình 3.16 Biểu tượng và thông số nhiệt độ ……………………………………………………..
42
Hình 3.17 Biểu tượng và thông số độ ẩm môi trường. ………………………………………
42
VIII

Hình 3.18 Biểu tượng và thông số độ ẩm đất …………………………………………………..
43
Hình 3.19 Màn hình cảnh báo khi thông số vượt ngưỡng giới hạn ……………………..
43
Hình 3.20 Thông tin cảnh báo trên thiết bị người dùng
……………………………………..
43
Hình 3.21 Giao diện điều khiển hệ thống bơm tưới
…………………………………………..
44
Hình 3.22 Thiết lập thời gian điều khiển hệ thống bơm tưới
………………………………
44
Hình 3.23 Hệ thống nhà trồng thông minh ………………………………………………………
45
Hình 3.24 Khối xử lý trung tâm của nhà trồng thông minh
………………………………..
46
Hình 3.25 Giao diện chương trình điều khiển hệ thống bơm tưới
……………………….
46
Hình 3.26 Giao diện chương trình thu thập thông số từ cảm biến
……………………….
47

1

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề:
Hiện nay, nền kinh tế Lào ngày càng phát triển, đời sống của người dân cũng
ngày càng được nâng cao. Nhu cầu tiêu dùng hàng hóa chất lượng cao nói chung và sản
phẩm nông nghiệp sạch, an toàn nói riêng càng trở nên cấp thiết với người dân. Để đáp
ứng nhu cầu thiết yếu này, một vài doanh nghiệp tại Lào đã đầu tư xây dựng nhà trồng
rau, hoa quả, nấm sạch (nhà màng, nhà lưới, nhà kính,… gọi chung là nhà trồng thông
minh). Nhà trồng từ lâu đã được phát triển ở các nước phát triển và có khí hậu ôn đới như
Âu – Mỹ. Tuy nhiên với cụ thể về kinh tế và khí hậu của Lào thì cần có những giải pháp
thiết kế phù hợp. Do vây, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nông nghiệp
thông minh có khả năng ứng dụng tại Lào” làm luận văn thạc sĩ của mình.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nhà trồng thông minh và giải pháp thiết kế
phù hợp với điều kiện Lào.
Phạm vi của luận văn bao gồm nghiên cứu về kiến trúc hệ thống, phương pháp
thiết kế, thông số kỹ thuật của các thành phần trong hệ thống nhà trồng thông minh,
giải pháp thiết kế nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện thực tế tại Lào.

Hình 1. Mô hình nhà trồng thông minh tưới tiêu tự động.

2

3. Hướng nghiên cứu của luận văn:
Hướng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu về giải pháp thiết kế nhà trồng
thông minh phù hợp với điều kiện của Lào.
4. Những nội dung nghiên cứu chính:
Chương 1. Tổng quan về nhà trồng thông minh
1.1.
Khái niệm nhà trồng thông minh
1.2.
Thành phần trong nhà trồng thông minh
1.3.
Mục tiêu của luận văn
Chương 2. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào
2.1.
Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh
2.2.
Thực trạng và khả năng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào
Chương 3. Thiết kế thử nghiệm nhà trồng thông minh.
3.1.
Mô hình thử nghiệm
3.2.
Thiết kế phần cứng
3.3.
Thiết kế phần mềm
3.4.
Thử nghiệm hệ thống
5. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có trên thế
giới [1-12] để phân tích, đánh giá về kiến trúc nhà trồng thông minh. Dựa trên các cơ sở
lý thuyết và các phân tích, đánh giá, luận văn cũng sẽ nghiên cứu các giải pháp phù hợp
với điều kiện của Lào để thực nghiệm và đánh giá một mô hình demo.
6. Ý nghĩa khoa học của luận văn:
Như đã trình bày trong phần 1, nghiên cứu về nhà trồng thông minh có vai trò
quan trọng trong nền kinh tế thông minh 4.0 hiện nay. Đây không phải vấn đề nghiên
cứu mới trên thế giới nhưng còn khá mới mẻ ở Lào. Do vậy vấn đề nghiên cứu trong
luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NHÀ TRỒNG THÔNG MINH

1.1. Khái niệm nhà trồng thông minh
1.1.1. Nông nghiệp thông minh (smart agriculture)
Nông nghiệp là ngành sản xuất vật chất cơ bản của xã hội, sử dụng đất đai để
trồng trọt và chăn nuôi, khai thác cây trồng và vật nuôi làm tư liệu và nguyên liệu lao
động chủ yếu để tạo ra lương thực thực phẩm và một số nguyên liệu cho công nghiệp.
Nông nghiệp là một ngành sản xuất lớn, bao gồm nhiều chuyên ngành: Trồng trọt, chăn
nuôi, sơ chế nông sản; theo nghĩa rộng, còn bao gồm cả lâm nghiệp, thủy sản. [1] Nông nghiệp bền vững là vấn đề thời sự được nhiều nhà khoa học thuộc nhiều
lĩnh vực khác nhau quan tâm, như: nông học, sinh thái học, xã hội học… Hiện có nhiều
định nghĩa khác nhau, trong đó đáng quan tâm là định nghĩa của tổ chức sinh thái và
môi trường thế giới bởi tính tổng hợp và khái quát cao: nông nghiệp bền vững là nền
nông nghiệp thoả mãn được các yêu cầu của thế hệ hiện nay, mà không giảm khả năng
ấy đối với các thế hệ mai sau. Có nghĩa là nền nông nghiệp không những cho phép các
thế hệ hiện nay khai thác tài nguyên thiên nhiên vì lợi ích của họ mà còn duy trì được
khả năng ấy cho các thế hệ mai sau, cũng có ý kiến cho rằng sự bền vững của hệ thống
nông nghiệp là khả năng duy trì hay tăng thêm năng suất và sản lượng nông sản trong
một thời gian dài mà không ảnh hưởng xấu đến điều kiện sinh thái. Như vậy, nền nông
nghiệp bền vững phải đáp ứng được hai yêu cầu cơ bản là: đảm bảo nhu cầu nông sản
của loài người hiện nay và duy trì được tài nguyên thiên nhiên cho các thế hệ mai sau,
bao gồm gìn giữ được quĩ đất, quĩ nước, quĩ rừng, không khí và khí quyền, tính đa dạng
sinh học v.v… Xây dựng nền nông nghiệp bền vững là việc làm cấp thiết và là xu hướng
tất yếu của tiến trình phát triển.
Theo định nghĩa của Codex Alimentarius, cơ quan Liên hợp quốc giám sát các
tiêu chuẩn về lương thực trên toàn thế giới, nông nghiệp sạch là một hệ thống quản lý
sản xuất nông nghiệp tránh sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu tổng hợp, giảm tối đa ô
nhiễm không khí, đất và nước, tối ưu về sức khỏe và hiệu quả của các cộng đồng sống
phụ thuộc lẫn nhau giữa cây trồng, vật nuôi và con người.
4

Nông nghiệp chính xác còn được gọi là canh tác chính xác là tất cả mọi thứ giúp
cho hoạt động nông nghiệp chính xác hơn và được kiểm soát tốt hơn đối với sự phát
triển của cây trồng và chăn nuôi gia súc. Một thành phần quan trọng của phương pháp
quản lý trang trại này là sử dụng công nghệ thông tin và một loạt các công cụ như điều
hướng GPS, hệ thống điều khiển, cảm biến, rô bốt, máy bay, xe tự hành, kỹ thuật xử lý
với định lượng thay đổi, lấy mẫu dựa trên GPS, phần cứng tự động, viễn thông và phần
mềm. [2] Theo định nghĩa của tổ chức Nông nghiệp Liên hiệp Quốc FAO, nông nghiệp
thông minh là một khái niệm quản lý canh tác sử dụng công nghệ hiện đại để tăng số
lượng và chất lượng nông sản. Nông dân trong thế kỷ 21 có thể truy cập GPS, bản đồ
đất, quản lý dữ liệu và công nghệ Internet of Things (IoT). Bằng cách thu thập các dữ
liệu chính xác và điều chỉnh chiến lược sản xuất phù hợp, nông dân có thể tăng đáng
kể hiệu quả của thuốc trừ sâu và phân bón, nông dân có thể theo dõi tốt hơn nhu cầu
của thực vật, động vật và điều chỉnh dinh dưỡng tương ứng, từ đó ngăn ngừa bệnh tật
và tăng cường sức khỏe của cây trồng và đàn gia súc. [3] Sự phát triển nông nghiệp nông minh ở các quốc gia trên thế giới tập trung vào
các vấn đề chủ yếu sau:
– Ứng dụng cảm biến kết nối vạn vật hầu hết các trang trại nông nghiệp; các thiết bị
cảm biến, thông minh được kết nối và điều khiển tự động trong suốt quá trình sản xuất nông
nghiệp giúp ứng phó với biến đổi khí hậu, cải thiện vi khí hậu trong nhà kính;
– Công nghệ đèn LED sử dụng đồng bộ trong canh tác kỹ thuật cao để tối ưu hóa
quá trình sinh trưởng, ứng dụng ở các quốc gia có quỹ đất nông nghiệp ít hoặc nông
nghiệp đô thị;
– Canh tác trong nhà kính, nhà lưới, sử dụng công nghệ thủy canh, khí canh nhằm
cách ly môi trường tự nhiên, chủ động ứng dụng đồng bộ công nghệ;
– Tế bào quang điện nhằm sử dụng hiệu quả không gian, giảm chi phí năng lượng;
hầu hết các thiết bị trong trang trại/doanh nghiệp được cấp điện mặt trời và các bộ pin
điện mặt trời;
– Sử dụng người máy thay cho việc chăm sóc cây trồng, vật nuôi ngày càng trở
nên phổ biến, được ứng dụng tại các quốc gia già hóa dân số và quy mô sản xuất lớn;
5

– Sử dụng các thiết bị bay không người lái và các vệ tinh khảo sát thực trạng, thu
thập dữ liệu, từ đó phân tích, khuyến nghị trên cơ sở dữ liệu cập nhật để quản lý trang
trại;
– Công nghệ tài chính phục vụ các hoạt động từ trang trại được kết nối bên ngoài,
nhằm đưa ra công thức quản trị trang trại đạt hiệuquả nhất.
Hiện nay, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều nhận thức rõ sự cần thiết phải
phát triển nông nghiệp thông minh bởi những tác động tiêu cực từ biến đổi khí hậu ngày
một rõ rệt trên phạm vi toàn cầu; Sức ép từ đảm bảo an ninh lương thực do tăng dân số;
Nhu cầu thị trường thay đổi theo hướng yêu cầu ngày càng cao hơn đối với nông sản,
thực phẩm không chỉ về sản lượng mà còn về chất lượng, dinh dưỡng, an toàn, tốt cho
sức khỏe… [3], [5] 1.1.2. Nhà trồng thông minh (smart farm)
Nhà trồng là khu vực trồng trọt có sử dụng các kết cấu nhà cơ khí để giảm ảnh
hưởng, tác động của môi trường tự nhiên tới cây trồng.
Các loại nhà trồng phổ biến bao gồm nhà kính, nhà lưới, nhà màng.
1.1.2.1. Nhà kính
Nhà kính là công trình thường có tường và mái làm bằng kính (hoặc vật liệu tương
tự) dùng để trồng rau quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh.
Vì nhà kính có mái và tường bằng kính hoặc nhựa nên chúng có khả năng tự nóng lên do
bức xạ nhìn thấy được của mặt trời khi đi qua lớp kính trong suốt bị hấp thụ bởi thực vật,
đất đai và những thứ khác ở bên trong nhà kính. [6] Không khí được làm ấm bởi nhiệt từ những bề mặt nóng bên trong được giữ lại
bởi mái nhà và những bức tường. Thêm vào đó, những cây cối và cấu trúc bên trong nhà
kính sau khi được làm ấm lại bức xạ lần nữa nhiệt năng của chúng trong dải quang phổ
hồng ngoại. Do có thể điều chỉnh được nhiệt độ, cũng như việc tưới nước duy trì độ ẩm
nhất định nên có thể quy định được khí hậu trong nhà kính. Khu vườn ngoài trời và trong
nhà kính có lợi thế và bất lợi khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và yêu cầu cụ thể của
người làm vườn.
Sử dụng nhà kính để mở rộng mùa trồng trọt. Điều này giúp trồng sớm và thu
hoạch trễ. Sử dụng nhà kính để trồng nhiều loại thực vật vì khả năng điều khiển chính
6

xác khí hậu và đất. Quản lý là cần thiết cho nhà kính trong những tháng nghỉ ngơi để
đảm bảo điều kiện thích hợp được duy trì.
Sử dụng nhà kính là một lợi thế cho việc kiểm soát sâu bệnh. Kiểm soát nấm hoặc
vi khuẩn trong không khí từ các nguồn bên ngoài, chúng vẫn có thể nhập vào nhà kính
nếu gió được phép vào nhà kính. Kiểm soát chính xác nhiệt độ và điều kiện phát triển là
cần thiết cho phát triển thảm thực vật chung cho các vùng đang phát triển. Giống cây
trồng trong nhà kính khi bạn muốn tránh hạt bị thổi bay đi hoặc bị chim và động vật ăn.
Nhà kính thường được phân chia thành hai loại, nhà bằng kính và nhựa. Nhựa được
sử dụng chủ yếu là polyetylen, polycacbonat hoặc polyhouses (màng nhà kính PE).
Sử dụng nhà kính thủy tinh khi nhà kính cần cấu trúc ổn định lâu dài. Sử dụng
khi nhà kính có thể cần di chuyển, vì trọng lượng nhựa PE nhẹ và dễ dàng hơn thủy tinh
để di chuyển đến một vị trí mới. Chi phí xây dựng nhà kính có thể thay đổi rất nhiều khi
sử dụng các vật liệu có sẵn. Sử dụng màng nhà kính PE sẽ cho chi phí thấp hơn trong
việc xây dựng và làm ấm không khí. So với nhà kính thủy tinh, nhà kính PE có ánh sáng
truyền qua giảm hơn và giữ độ ẩm cao hơn.
Những ưu điểm của hệ thống nhà kính trong nông nghiệp:
– Mô hình nhà kính trồng cây, trồng rau có ưu điểm đáng kể nhất đó chính là
không bị tác động bởi những yếu tố thời tiết như trời mưa to, gió lớn, thì cây trồng,
rau xanh, cây ăn quả sẽ không bị các trận gió, mưa lớn gây dập nát, đổ ngã. Hay những
tháng 5 nắng bức, cây trồng sẽ không bị khô khan, léo lụi, vàng úa và nó còn kết hợp
với hệ thống thủy canh, sẽ cung cấp lượng nước vừa phải cho cây trồng.
– Ruồi vàng, sâu bọ, ong bướm, cào cào, mối… là những côn trùng gây phá hoại
nông sản khiến nhiều người lo ngại. Nhưng với hệ thống xung quanh các bức tường đều
được làm bằng kính và cả mái che cũng bằng kính sẽ giúp cây trồng, rau xanh được che
chắn khỏi tác nhân gây hại này. Chính điều này, sẽ giúp người nông dân hạn chế việc
dùng thuốc trừ sâu cho rau, cây trồng. Sản phẩm thu lại đảm bảo an toàn, sạch sẽ hơn
nhiều.
– Với thiết kế thông minh, mái vòm nhà kính khi lắp đặt sẽ cung cấp đầy đủ lượng
ánh sáng cho cây trồng, đảm bảo quá trình quang hợp diễn ra tốt. Đặc biệt, khi kết hợp
với phương pháp thủy canh tự động sẽ giúp tiết kiệm nhiều chi phí hoạt động, cắt giảm
chi phí lao động cho việc tưới nước, chất dinh dưỡng. Mô hình nhà kính giúp tiết kiệm
7

nước hơn nhờ việc giữ hơi nước hiệu quả, giúp giữ môi trường luôn ẩm ướt thuận lợi
cho cây phát triển.
– Hệ thống nhà kính tối ưu nhất vì có thể điều khiển vi khí hậu và áp dụng công
nghệ cao bao gồm hệ thống làm mát, hệ thống tưới, hệ thống lưu thông không khí, các
loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm… Nhìn chung, trồng cây trong nhà kính là mô hình mang
đến nhiều ưu điểm, đặc biệt là có thể thu lại năng suất, chất lượng đạt hiệu quả cao nhất.
[7] 1.1.2.2. Nhà lưới
Nhà lưới là một trong những mô hình nhà kính trồng trọt được tìm hiểu rất nhiều
trong những năm gần đây. Tùy vào thiết kế và mục đích sử dụng mà loại vật liệu sử
dụng sẽ khác nhau. Nhà lưới đúng theo tên gọi của nó, sử dụng bộ lưới để che nắng,
giảm thế năng của hạt mưa, giảm cường độ ánh sáng, chắn côn trùng và chắn gió. Một
bộ lưới không thể thỏa mãn nhiều mục đích cùng một lúc. Sẽ có những dạng lưới chuyên
để chắn côn trùng nhưng khả năng cản gió sẽ giảm đi. Tùy vào đặc điểm sinh học của
loại cây trồng sẽ phù hợp với các loại lưới khác nhau. Thiết kế sẽ có hai dạng là nhà lưới
kín và nhà lưới hở.
Nhà lưới kín sẽ bảo vệ khu vườn tốt hơn nhà lưới hở. Tuy nhiên cần lưu ý rằng
vào cao điểm mùa hè, hiệu ứng nhà kính khiến nhiệt độ trong nhà lưới kín sẽ luôn cao
hơn bên ngoài từ 1oC ÷ 2oC. Nhà lưới được phủ hoàn toàn bằng lưới cả trên mái cũng
như xung quanh, có cửa ra vào cũng được phủ kín bằng lưới. Được sử dụng để che chắn
ngăn ngừa côn trùng thâm nhập, giảm được tối đa lượng thuốc trừ sâu sử dụng, sản phẩm
rau an toàn hơn. Tăng được số vòng quay thời vụ do trồng được cả mùa mưa mà chất
lượng vẫn đảm bảo.
8

Hình 1.1. Nhà lưới kín
Nhà lưới hở chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc một phần bao xung quanh. Mục
đích sử dụng nhà lưới hở chủ yếu là che nắng, giảm cường độ sáng và ngăn cản mưa.
Khả năng ngăn cản côn trùng gây bệnh sẽ không hiệu quả nhưng bù lại đối lưu không
khí sẽ không làm nhiệt độ nhà lưới cao hơn bên ngoài. Về thiết kế với kiểu mái bằng và
mái nghiêng hai bên. Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt hàn
hoặc bắt ốc vít. Độ cao chỉ từ 2,0 – 3,9 m. Quy mô diện tích: từ 500 – 1.000 m2 theo
từng hộ gia đình sử dụng canh tác.
Đa số các loài cây trồng đều thích hợp canh tác trong nhà lưới. Ngay cả một số
cây ăn quả lâu năm cũng được nghiên cứu trồng theo cách này. Tuy nhiên cần lưu ý rằng
quá trình thụ phấn tự nhiên trong nhà lưới hở sẽ giảm sút. Đối với nhà lưới kín thì gần
100% không xảy ra. Cần phải có các biện pháp thụ phấn nhân tạo. Đầu tư cho nhà lưới
sẽ không quá tốn kém như dạng nhà kính khác khi mà thiết kế không cầu kỳ phức tạp.
Một số vật tư bà con có thể tự làm, tận dụng được để thay thế các cột kèo nhà lưới. Thế
nhưng, tuổi thọ của công trình không cao, dễ gây nguy hiểm, đòi hỏi phải kiểm tra và
thay thế vật tư theo thời gian.
9

Hình 1.2. Mô hình nhà lưới hở
Ngoài ra, thiết kế của nhà lưới hiện đại cũng rất phức tạp, yêu cầu phải có đội
ngũ thi công chuyên nghiệp. Nhà lưới hiện đại có mái lưới di động để căng phủ vào
ngày nắng gắt hay thu về khi độ sáng có lợi cho cây sinh trưởng. Cột hay xà có các gá
trượt giúp thay thế lưới hỏng nhanh chóng.
Những ưu điểm của hệ thống nhà lưới trong nông nghiệp:
– Ngăn côn trùng gây hại: Nhà lưới là mô hình trồng rau sạch khép kín, toàn bộ
được bao phủ bởi lớp lưới chống côn trùng. Bởi vì thế, nhà lưới trồng rau sẽ ngăn các
loại sâu, rầy, bọ phá hoại vườn rau.
– Giảm và hạn chế một số bệnh hại do côn trùng gây ra trực tiếp hoặc gián tiếp:
Nhà lưới cách li rau với côn trùng gây hại lẫn môi trường xung quanh do đó cây được
trồng trong nhà lưới sẽ khỏe mạnh hơn không bị nhiễm một số bệnh từ môi trường.
– Giảm thuốc BVTV và công phun thuốc: Với ưu điểm là ngăn côn trùng và mầm
bệnh nên sẽ hạn chế sử dụng thuốc bảo vệ thực vật cho những sản phẩm rau sạch mà lại
tiết kiệm công phun thuốc.
10

– Giảm cỏ dại theo thời gian canh tác và công làm cỏ: Môi trường nhà lưới tách
biệt, đất được xử lí trước khi trồng và áp dụng tưới tiết kiệm nên trong nhà lưới hạn chế
được sự phát triển của cỏ dại và công làm cỏ.
– Giảm áp lực mưa, tránh làm dập lá và cây con à giúp cây con phát triển tốt và ít
bệnh: Trên nóc nhà lưới được bao phủ bởi lưới sẽ làm giảm áp lực của những giọt mưa
tránh làm hiện tượng giập lá, gãy mầm non của rau. Ngược lại nước mưa xuyên qua lưới
sẽ mịn hơn góp phần tạo độ ẩm giúp cho cây phát triển hơn.
– Giảm sự ô nhiễm môi trường: Nhà lưới giảm sức mưa, làm giảm sự xói mòn đất
cũng như rửa trôi phân bón và thuốc BVTV xuống tầng đất sâu hơn và mạch nước ngầm.
– Giảm chi phí đầu tư về phân bón: Nhà lưới hạn chế được sự bốc thoát hơi và rửa trôi
phân bón do mưa và nhiệt nên giúp giảm thất thoát phân bón và chi phí phân bón
– Giảm sức gió tác động trực tiếp lên rau: Nhà lưới hạn chế sự va chạm giữa các
lá rau với nhau giúp hạn chế tổn thương cho cây và giảm sự xâm nhiễm và lây lan của
mầm bệnh.
– Giảm ánh nắng trực tiếp: Lớp lưới bao phủ bên trên nhà lưới giúp rau phát triển
tốt hơn, hạn chế bốc thoát hơi nước và giúp tiết kiệm nước tưới.
– Tăng chất lượng sản phẩm, giúp tăng thời gian tươi tự nhiên của sản phẩm: Sản
phẩm rau được trồng nhà lưới không bị sâu rầy phá hoại có mẫu mã đẹp, hạn chế sử
dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật nên chất lượng cao hơn và an toàn cho sức khỏe,
thời gian bảo quản sản phẩm cũng lâu hơn.
– Tăng vụ trồng vào những tháng mưa: Giúp tăng thu nhập cho người dân khi có
thể trồng nhiều vụ trong năm hơn kể cả những tháng mưa.
1.1.2.3. Nhà màng
Nhà màng là kiểu nhà kính cách ly hoàn toàn khu vườn với môi trường tự nhiên.
Ứng dụng nhà màng chủ yếu để sản xuất thực phẩm sạch, thủy canh, nghiên cứu và canh
tác cây trồng có giá trị thương phẩm cao.
Những yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, thành phần không khí hay thậm chí ánh sáng
sẽ được kiểm soát bằng hệ thống thiết bị chuyên biệt. Do là môi trường kín nên nhiệt độ
sẽ cao hơn rất nhiều so với bên ngoài. Vì thế nhà màng thích hợp cho khí hậu lạnh vùng
núi và trồng những cây sinh trưởng vùng ấm hơn. Ngược lại, khí hậu nhiệt đới mùa hè
sẽ làm chênh lệch nhiệt độ lên cao, đòi hỏi phải tiêu tốn phí điện năng để vận hành hệ
11

thống làm mát. Ở các nước tiên tiến, nhà màng thường hay kết hợp với pin mặt trời để
cắt giảm phí điện năng. Chi phí thuốc trừ sâu, phân hóa học có thể được loại bỏ hoàn
toàn.

Hình 1.3. Mô hình nhà màng
Ngoài ra nhà màng còn kết hợp rất tốt với hệ thống tưới nhỏ giọt đảm bảo sử
dụng nguồn nước hiệu quả và tiết kiệm. Chi phí bảo dưỡng cho nhiều loại thiết bị cũng
sẽ tốn kém hơn so với nhà lưới. Quy trình đôi khi bắt buộc công nhân khi vào nhà màng
phải qua các bước khử trùng trước khi làm việc. Thi công thiết kế nhà màng yêu cầu đội
ngũ kỹ sư phải có trình độ chuyên môn về nông nghiệp và xây dựng. Nếu tính toán diện
tích bên trong không hợp lý, khiến độ ẩm cao quá quy định, dễ gây nấm mốc ảnh hưởng
tới cây trồng. Ngoài ra, phần mái che cũng phải có hệ thống rửa bụi bẩn lâu ngày, ánh
nắng sẽ không đủ để cây sinh trưởng tốt.
So sánh ưu nhược điểm giữa nhà kính, nhà lưới và nhà màng:
– Đa số cây trồng đều thích hợp canh tác trong nhà lưới. Ngay cả một số cây ăn
quả lâu năm cũng được nghiên cứu trồng theo cách này. Đầu tư nhà lưới sẽ không quá
tốn kém như các dạng nhà kính hay nhà màng, một số vật tư còn có thể tự làm, tận dụng
12

được để thay thế các cột kèo của nhà lưới. Thế nhưng tuổi thọ của công trình sẽ không
cao, dễ gây nguy hiểm, đòi hỏi phải kiểm tra và thay thế vật tư theo thời gian.
– Nhà lưới hiện đại còn có loại có mái lưới di động, có thể căng ra che phủ cho
ngày nắng hoặc thu về khi ánh sáng đang thích hợp, có lợi cho quá trình sinh trưởng của
cây. Cột hay xà có các gá trượt giúp thay thế lưới hỏng nhanh chóng, thuận tiện.
– Đối với nhà màng hay nhà kính thì nhiệt độ, độ ẩm hay thành phần không khí,
ánh sáng đều có thể được điều chỉnh, kiểm soát bằng hệ thống thiết bị chuyên biệt. Do
là môi trường kín nên nhiệt độ sẽ cao hơn nhiều so với bên ngoài. Vì thế nhà màng thích
hợp cho khí hậu lạnh của các vùng miền núi, vùng cao và trồng những cây sinh trưởng của
vùng ấm hơn. Sử dụng ở những vùng có nhiệt độ cao hoặc trồng những cây cần có nhiệt độ
thấp hơn, sẽ đòi hỏi chi phí vận hành hệ thống làm mát nhiều hơn. Ở các nước tiên tiến, nhà
màng thường kết hợp với các tấm pin mặt trời để giảm phí điện năng.
– Ngược lại, chi phí thuốc trừ sâu hay phân bón hóa học có thể được loại bỏ hoàn
toàn do trong điều kiện cách ly. Sử dụng nhà màng còn có thể áp dụng hệ thống tưới
nhỏ giọt giúp đảm bảo sử dụng nguồn nước tiết kiệm mà vẫn hiệu quả. Do vậy nên chi
phí xây dựng lẫn bảo dưỡng bảo trì đều sẽ cao hơn so với nhà lưới.
– Việc thi công thiết kế nhà màng còn đòi hỏi công nhân xây dựng có trình độ
chuyên môn và hiểu biết cao, tránh tình trạng tính toán diện tích bên trong không hợp lý
làm độ ẩm tăng cao, dễ gây nấm mốc ảnh hưởng cây trồng. Ngoài ra, mái che còn phải có
hệ thống rửa bụi bám lâu ngày, nếu không ánh nắng sẽ không đủ làm cây phát triển
không tốt.
– Chính vì những đặc điểm trên mà người dân Việt Nam thường lựa chọn nhà lưới
hơn, do đặc tính cây trồng không có giá trị thương phẩm cao và quy mô nhỏ. Nhưng nếu
bạn đang có dự định trồng một loại cây trồng có khả năng sinh lời cao, đủ vốn và kiến thức
chuyên môn thì nhà kính mới đủ đáp ứng điều kiện để thực hiện. Xu hướng thị trường sẽ là
kim chỉ nam cho nhà nông mạnh dạn đầu tư vào hệ thống nhà màng.
1.1.2.4. Nhà trồng thông minh
Trong xã hội hiện đại, vai trò của khoa học kỹ thuật ngày càng trở nên quan trọng.
Những tiến bộ của Công nghệ thông tin trong hai thập kỷ qua đã làm thay đổi căn bản
tư duy và chiến lược của nhiều quốc gia. Bên cạnh đó, IoT đang dần là xu thế của thế
giới tương lai, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng
13

mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất
mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính.
IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử
và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với
Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Sự lớn mạnh và
phát triển nhanh chóng của IoT là một điều kiện lý tưởng để phát triển các ứng dụng
nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh ứng dụng vào thực tiễn. [8] Việc ứng dụng công nghệ cao tích hợp vào các loại nhà trồng (nhà kính, nhà lưới,
nhà màng) sẽ giúp nâng cao hiệu quả, tạo đột phá về năng suất, chất lượng nông sản,
đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững. Các loại nhà trồng ứng dụng công nghệ
cao (bao gồm chủ yếu là các công nghệ điều khiển, tự động hóa, công nghệ thông tin,
IoT,…) thường được gọi là nhà trồng thông minh (smart farm). Khái niệm thông minh
(smart) ở đây với hàm ý các nhà trồng phải có khả năng thích ứng linh hoạt với các điều
kiện tự nhiên, khí hậu khác nhau (bằng các giải pháp tự động hóa), người nông dân có
thể tương tác linh hoạt, nhanh chóng với từng thông số của nhà trồng thông qua hệ thống
quản lý, giám sát từ xa. [9] Khái niệm thông minh trong nhà trồng thông minh chưa bao gồm hàm ý thông
minh về mặt tri thức (intelligent) là một vấn đề phức tạp hơn, vốn yêu cầu hệ thống phải
có khả năng thu thập dữ liệu lớn, phân tích, xử lý để đưa ra các giải pháp nuôi trồng,
canh tác tự động đảm bảo năng suất, chất lượng sản phẩm.
Những ưu điểm đối với hệ thống nhà trồng thông minh:
– Tạo ra các nông sản chất lượng, năng suất cao ngay cả trong những điều kiện
bất thuận.
– Điều kiện làm việc của người lao động tốt hơn, thông qua kết nối di động, ngồi
ở nhà mà nông dân vẫn có thể biết được diễn biến của hệ thống nhà trồng để ra các quyết
định đúng, hiệu quả.
– Canh tác nhà trồng thông minh là một phương pháp giúp nâng cao năng suất
trồng rau, quả, hoa màu, v.v … Nhà trồng thông minh kiểm soát các thông số môi trường
thông qua can thiệp thủ công hoặc cơ chế kiểm soát tỷ lệ. Vì sự can thiệp thủ công dẫn
đến mất sản xuất, mất năng lượng và chi phí lao động, các phương pháp này ít hiệu quả
hơn. Một nhà trồng thông minh thông minh có thể được thiết kế với sự trợ giúp của IoT;
14

thiết kế này giám sát thông minh cũng như kiểm soát khí hậu, loại bỏ sự cần thiết phải
can thiệp thủ công.
– Để kiểm soát môi trường trong nhà trồng thông minh thông minh, các cảm biến
khác nhau đo các thông số môi trường theo yêu cầu của nhà máy được sử dụng. Chúng
ta có thể tạo một máy chủ đám mây để truy cập hệ thống từ xa. Điều này giúp loại bỏ sự
cần thiết phải theo dõi thủ công liên tục. Bên trong nhà trồng thông minh, máy chủ đám
mây cũng cho phép xử lý dữ liệu và áp dụng hành động kiểm soát. Thiết kế này cung
cấp các giải pháp tối ưu và hiệu quả cho nông dân với sự can thiệp thủ công tối thiểu.
– Các cảm biến trong nhà trồng thông minh cung cấp thông tin về mức độ ánh
sáng, áp suất, độ ẩm và nhiệt độ… Các cảm biến này có thể tự động điều khiển bộ truyền
động để mở cửa sổ, bật đèn, điều khiển lò sưởi, bật mister hoặc bật quạt, tất cả được
điều khiển thông qua tín hiệu WiFi.
– Một số ưu điểm của hệ thống nhà trồng thông minh khác như: Tiết kiệm diện
tích đất trồng; Tránh việc lây lan sâu bệnh; Cách ly với môi trường và thời tiết bên ngoài
để đảm bảo cây có thể phát triển tốt; Cung cấp cho cây đầy đủ chất dinh dưỡng và lượng
nước cần thiết; Có thể điều chỉnh môi trường theo từng giai đoạn phát triển của cây…
[10] 1.2. Các thành phần của trong nhà trồng thông minh
Có rất nhiều mô hình nhà trồng ngoài mô hình trồng rau thổ canh trên đất truyền
thống. Mô hình trồng khí canh là phương pháp trồng cây không cần đất, không cần nước,
cây rau, củ được cố định trên một tháp trồng. Rễ cây lơ lửng trong không khí và chất
dinh dưỡng được phun trực tiếp vào rễ sau một khoản thời gian nhất định nhờ vào hệ
thống cảm biến).
Mô hình trồng rau thủy canh sử dụng hệ thống bơm dung dịch tự động để cung
cấp chất dinh dưỡng và nước cho cây trồng thay thế hoàn toàn việc trồng cây bằng đất,
với mô hình này cây trồng được luân phiên cung cấp chất dinh dưỡng để phát triển một
cách nhanh nhất nhờ vào hệ thống bơm nước tuần hoàn khép kín.
Mô hình trồng rau Aquaponics là mô hình kết hợp giữa nuôi thủy sản và trồng
rau dựa trên sự vận hành của tự nhiên. Nước từ dưới hồ cá được bơm ngược lên để tưới
cho rau trồng, cung cấp dinh dưỡng nhờ chất thải của cá. Cá có được nguồn nước sạch
nhờ sự lọc nước của đất trồng rau, theo một mô hình tuần hoàn khép kín.
15

Ứng với mỗi mô hình có một hệ thống chăm sóc hỗ trợ sản xuất khác nhau nhưng
tổng thể trong một nhà trồng thông minh, sẽ gồm có các thành phần chính như sau:
– Phần khung cơ khí, trang thiết bị cho phần nhà kính.
– Phần hệ thống điện, điện tử, tin học và tự động hóa để quản lý, điều khiển, giám
sát môi trường sinh trưởng của cây trồng trong nhà gồm có:
+ Hệ thống các cảm biến thu thập các thông số về môi trường sinh trưởng và phát
triển cho cây trồng như: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm môi trường, cảm biến độ ẩm trong
đất, cảm biến chất lượng không khí, cảm biến tia tử ngoại UV, cảm biến cường độ ánh
sáng, cảm biến độ pH,…
+ Bộ xử lý trung tâm: Tiếp nhận thông tin từ cảm biến, xử lý tính toán và đưa ra
tín hiệu tới cơ cấu chấp hành, hoặc gửi dữ liệu lên trung tâm lưu trữ, giám sát. Hoặc
nhận lệnh từ máy chủ xuống để điều khiển phần thiết bị động lực.
+ Bộ phận chấp hành: Nhận lệnh điều khiển thực thi từ MCU, như: quạt thông
gió, đèn chiếu sáng, máy bơm nước,…
+ Máy chủ: Lưu trữ dữ liệu nhận được từ MCU gửi lên hoặc đẩy lệnh điều khiển
từ giao diện người dùng xuống thiết bị chấp hành.
+ Giao diện giám sát: Có thể là trình duyệt Web, những ứng dụng trên
Smartphone hoặc phần mềm trên máy tính, giúp người dùng có thể quản trị, theo dõi hệ
thống.
+ Hệ thống truyền thông: Đảm nhận thông tin liên lạc 1 chiều hoặc 2 chiều giữa
bộ xử lý trung tâm với các thành phần còn lại trong hệ thống
+ Bên cạnh đó có thể có thêm các camera giám sát. [11], [12] 1.3. Mục tiêu của luận văn

Xuất phát từ những phân tích trên, để giải quyết các vấn đề về phát triển Nông
sản sạch và bền vững, tác giả đề xuất giải pháp đưa công nghệ thông tin, công nghệ điện
tử vào việc thu thập, giám sát các thông số về môi trường sống của cây trồng, từ đó có
những phương án điều khiển thích hợp nhất. Hệ thống đã áp dụng khoa học kỹ thuật vào
quá trình tự động hóa sản xuất Nông nghiệp, giúp tăng năng suất, giảm sức lao động của
con người, hạn chế được sâu bệnh, kí sinh trùng gây hại, giảm thiểu được sự tác động
của khí hậu, biến đổi thời tiết đến sự tăng trưởng và chất lượng nông sản, ngay cả giống