Môi trường nhà kính là một môi trường cực kỳ phức tạp và năng động và ảnh hưởng mạnh mẽ đến việc trồng trọt của bạn. Hiệu quả sản xuất cây trồng trong nhà kính phụ thuộc đáng kể vào việc điều chỉnh các điều kiện sinh trưởng khí hậu tối ưu để đạt được năng suất cao với chi phí thấp, chất lượng tốt và tải lượng môi trường thấp.

Để đạt được những mục tiêu này, một số thông số như nhiệt độ không khí, độ ẩm, cường độ ánh sáng và nồng độ carbon dioxide phải được theo dõi và kiểm soát. Tất cả các hệ thống này là độc lập. Chúng có thể ảnh hưởng hoặc bị ảnh hưởng bởi các chức năng khác, vì vậy việc giám sát và kiểm soát chúng trong một vấn đề tích hợp có tầm quan trọng rất lớn đối với việc đạt được sản lượng cây trồng tối đa.

Quản lý cây trồng tốt phụ thuộc vào việc có thông tin chính xác để đưa ra các quyết định cần thiết. Trước đây, người nông dân kiểm tra các điều kiện và điều chỉnh cài đặt thiết bị khi cần để tối ưu hóa sự phát triển của cây trồng khi cần thiết. Tuy nhiên phương pháp này không hiệu quả, tốn thời gian và dễ xảy ra lỗi. Người nông dân hay nhân viên không thể trực tiếp theo dõi hoạt động của nhà kính suốt ngày đêm, nhưng hệ thống giám sát và điều khiển từ xa luôn hoạt động 24/7.

Để cải thiện việc quản lý cây trồng, một số cảm biến và công cụ có thể (và nên) được sử dụng để theo dõi (cảm biến) các điều kiện của cây trồng. Sau đó, một hệ thống điều khiển có thể sử dụng thông tin này để thực hiện các điều chỉnh thường xuyên đối với cài đặt thiết bị nhằm tối ưu hóa các điều kiện phát triển. Ngày nay, các hệ thống giám sát và kiểm soát là tiêu chuẩn cho các nhà kính hiện đại, với những cải tiến liên tục khi công nghệ tiến bộ. Các điều kiện môi trường có thể được duy trì tốt nhất bởi các hệ thống điều khiển này.

Nhà kính kín
Nhà kính kín

Hệ thống giám sát môi trường nhà kính

Nhà kính là môi trường khép kín, nơi các điều kiện được tối ưu hóa cho sự phát triển của thực vật. Điều khiển tối ưu yêu cầu thông tin cả từ môi trường trong nhà và ngoài trời.

Thông thường, carbon dioxide (CO2), độ ẩm tương đối, bức xạ mặt trời, thâm hụt áp suất hơi và nhiệt độ được đo trong nhà kính. Các thông số đo lường bên ngoài bao gồm tốc độ và hướng gió, độ ẩm và lượng mưa. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây trồng trong nhà kính.

Cảm biến là thành phần chính của hệ thống giám sát nhà kính. Mỗi cảm biến liên tục đo một điều kiện cụ thể như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, thâm hụt áp suất hơi, cường độ ánh sáng, độ dẫn điện (nạp và thoát), pH (nạp và thoát), nồng độ carbon dioxide, tốc độ và hướng gió, và thậm chí có hay không trời đang mưa. Cảm biến là một thiết bị được đặt trong hệ thống tạo ra tín hiệu điện liên quan trực tiếp đến thông số cần đo.

Nói chung, có hai loại cảm biến: liên tục và rời rạc.

-Các cảm biến liên tục tạo ra tín hiệu điện liên tục, chẳng hạn như điện áp, dòng điện, độ dẫn điện, điện dung hoặc bất kỳ thuộc tính điện có thể đo lường nào khác. Cảm biến liên tục được sử dụng khi chỉ biết trạng thái bật/tắt của cảm biến là không đủ. Ví dụ: để đo áp suất giảm qua bộ lọc hoặc xác định độ căng trong chất nền bằng máy đo độ căng được trang bị bộ chuyển đổi áp suất, cần có cảm biến loại liên tục.

–  Các cảm biến rời rạc là các công tắc (cơ hoặc điện tử) cho biết tình trạng bật hoặc tắt có tồn tại hay không. Các cảm biến riêng biệt rất hữu ích để chỉ ra các ngưỡng, chẳng hạn như mở và đóng các thiết bị như van, báo động, v.v. Chúng cũng có thể được sử dụng để xác định xem đã đạt đến ngưỡng của một biến trạng thái quan trọng hay chưa. Một số ví dụ về cảm biến riêng biệt là công tắc phao để phát hiện xem mức nước trong bể có thấp hơn mức mong muốn tối thiểu hay máy đo độ ẩm chuyển đổi để phát hiện xem độ ẩm của đất có vượt quá ngưỡng mong muốn hay không.

Một hệ thống giám sát có dây cố định kết nối các cảm biến với thiết bị cơ sở bằng dây. Nói chung, đi dây điện tốn nhiều thời gian và chi phí nhưng lại tạo ra một hệ thống rất đáng tin cậy. Nếu việc đi dây cứng cảm biến nhà kính gặp khó khăn về mặt hậu cần hoặc tốn kém tại địa điểm của bạn, bạn có thể chọn một hệ thống sử dụng cảm biến không dây có bộ phát radio tích hợp để giao tiếp với thiết bị cơ sở. Một số hệ thống giám sát có thể bao gồm sự kết hợp của các cảm biến có dây và không dây. Chúng cũng có thể được sử dụng để xác định xem đã đạt đến ngưỡng của một biến trạng thái quan trọng hay chưa.

Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính
Sử dụng thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính

Cảm biến nhiệt độ

Ưu điểm lớn nhất của việc sử dụng nhà kính để trồng trọt là khả năng cung cấp nhiệt độ mong muốn cho sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng. Đo lường và kiểm soát nhiệt độ không khí là phổ biến trong nhiều hệ thống sản xuất vì nó có ảnh hưởng lớn nhất đến nhiệt độ của nhà máy. Ngoài ra, nhiệt độ của đất rất quan trọng đối với nhân giống của cây con và hạt vì có những yêu cầu nhiệt độ đất cụ thể cho sự nảy mầm của hạt, mô sẹo và sự phát triển của rễ. Cuối cùng, bằng cách đo nhiệt độ của cây, bạn có thể xác định xem cây có nhiệt độ cao hơn hay mát hơn nhiệt độ không khí.

Nhiệt độ không khí

là bộ điều nhiệt/cảm biến nhiệt độ thường được đặt trong các hộp hút khí được treo gần cây trồng mà chúng đang theo dõi. Ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào bộ điều nhiệt/cảm biến nhiệt độ sẽ dẫn đến các phép đo nhiệt độ tăng cao. Bộ phận hút khí sử dụng quạt để hút không khí đi qua, cung cấp chỉ số nhiệt độ môi trường thực tế, thay vì nhiệt độ bức xạ. Với việc sử dụng thiết bị hút khí, phạm vi nhiệt độ có thể chỉ là 2 hoặc 3 độ cộng hoặc trừ cài đặt mong muốn so với thiết bị không hút khí có phạm vi 4 hoặc 5 độ.

Nhiệt độ bề mặt

Nhiệt độ vùng rễ cũng là một yếu tố quan trọng trong việc quản lý sức khỏe của cây trồng. Cặp điều khiển (tức là cảm biến) thường được sử dụng kết nối với bộ ghi dữ liệu hoặc bộ ghi dữ liệu có cảm biến bên trong. Các cặp từ xa bao gồm hai dây kim loại khác nhau được xoắn và hàn hoặc giữ với nhau.

Nhiệt độ thực vật:

Theo dõi nhiệt độ của nhà kính có thể được sử dụng để đạt được sự kiểm soát môi trường tốt hơn cho sự tăng trưởng và quản lý dịch bệnh hiệu quả hơn. Nhiệt độ thực vật kiểm soát tốc độ phát triển của thực vật. Ví dụ, nhiệt độ của mô thực vật ảnh hưởng đến tốc độ mở rộng của lá, sự phát triển của nụ hoa và sự kéo dài của thân.

kiem tra nhiet do khong khi
kiểm soát môi trường nhà kính

Cảm biến độ ẩm

Cảm biến độ ẩm rất khó ngay cả với những cảm biến đắt tiền nhất và những cảm biến này thường không phù hợp hoặc không thiết thực cho ngành công nghiệp nhà kính. Có ba loại cảm biến độ ẩm phổ biến: điện dung, điện trở và bóng ướt/khô. Cả cảm biến trạng thái rắn điện dung và điện trở đều khá phổ biến trong nhà kính vì chúng mang lại độ chính xác hợp lý và trong phạm vi độ ẩm điển hình của hầu hết các ứng dụng làm vườn, việc bảo trì thường chỉ giới hạn ở việc làm sạch một hoặc hai lần mỗi năm.

Độ ẩm trong nhà kính
Độ ẩm cao trong nhà kính

Cảm biến ánh sáng

Nhà kính yêu cầu ánh sáng tối ưu để tối đa hóa tốc độ tăng trưởng và năng suất của cây trồng, đồng thời giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng. Các phép đo ánh sáng giúp tối ưu hóa quá trình tăng trưởng và có thể được sử dụng để tự động hóa các mức ánh sáng bổ sung trong nhà kính và hướng dẫn định vị đèn trong các cơ sở tăng trưởng trong nhà. Có hai cách phổ biến để đo ánh sáng liên quan đến thực vật: (1) bức xạ toàn cầu thường được gọi là đơn vị năng lượng và (2) Bức xạ hoạt động quang hợp (PAR).

Quang phổ kế:

Bức xạ toàn cầu là phép đo ánh sáng phổ biến nhất để kiểm soát hiệu ứng nhà kính vì nó đo toàn bộ quang phổ năng lượng tạo ra ánh sáng. Nó được đo bằng quang phổ kế và thường được biểu thị bằng đơn vị watt trên mét vuông. Đơn vị đo phổ biến là oát trên mét vuông trên giây (W/m2).

Cảm biến ánh sáng
Cảm biến ánh sáng

Cảm biến Carbon Dioxide

Phép đo nồng độ carbon dioxide (CO2) thường bị bỏ qua mặc dù carbon dioxide là yếu tố quan trọng đối với quá trình quang hợp của thực vật. Vào một buổi sáng mùa đông lạnh giá, khi các lỗ thông hơi của nhà kính được đóng chặt, chúng ta thường thấy nồng độ carbon dioxide rất thấp do quá trình quang hợp của cây cối trong nhà kính. Do đó, ít nhất có khả năng giám sát lượng khí carbon dioxide luôn luôn quan trọng đối với sản xuất của nhà kính. Cảm biến carbon dioxide được sử dụng phổ biến nhất là máy phân tích khí hồng ngoại (IRGA)

Cảm biến CO2
kiểm soát môi trường nhà kính – Cảm biến CO2

Cảm biến độ ẩm đất

Có một số công nghệ cảm biến độ ẩm của đất có thể mang lại lợi ích cho việc sản xuất cây trồng trong nhà kính bao gồm máy đo độ căng, khối điện trở và cảm biến điện môi. Các cảm biến được sử dụng để xác định lượng nước sẵn có (tức là sức căng của nước trong đất) hoặc hàm lượng nước thực tế trong đất.

Nguyên tắc của cảm biến đất

Hàm lượng nước của chất nền có thể được biểu thị dưới dạng trạng thái năng lượng của nước trong chất nền (thế năng nước) hoặc dưới dạng lượng nước trong đất (phổ biến nhất được biểu thị trên cơ sở thể tích). Cả hai phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm. Việc xác định thế nước của đất cho biết mức độ dễ dàng cung cấp nước của đất cho cây trồng, nhưng không cung cấp thông tin về lượng nước hiện có hoặc khả dụng.

kiểm soát môi trường nhà kính - Cảm biến nhiệt độ đất
kiểm soát môi trường nhà kính – Cảm biến nhiệt độ đất

Cảm biến điện môi 

Cảm biến điện môi đo hằng số điện môi của đất, một tính chất điện quan trọng phụ thuộc nhiều vào độ ẩm của đất. Hằng số điện môi của chất nền có thể được coi là khả năng truyền điện của đất và nó tăng lên khi hàm lượng nước của chất nền tăng lên. Một ưu điểm của loại cảm biến này là nó cho phép đọc gần như tức thời. Người trồng có thể kiểm tra nhanh độ ẩm vùng rễ mà không cần phải chờ đợi, như trường hợp của máy đo độ căng và cảm biến Watermark. Một ưu điểm lớn khác của loại cảm biến này là yêu cầu bảo trì; rất ít hoặc không cần bảo trì.

 

Cảm biến tốc độ và hướng gió

Nhiều máy tính kiểm soát môi trường nhà kính có tính năng bảo vệ “nước dâng do bão” phụ thuộc vào trạm thời tiết. Khi tốc độ gió vượt quá ngưỡng đặt trước, các lỗ thông hơi trên sườn núi sẽ đóng lại để chúng không bị hư hại do gió lớn. Phương pháp phổ biến nhất để đo tốc độ gió là sử dụng máy đo gió dạng cốc như thể hiện trên trạm thời tiết này. Gió làm cho các cốc xoay quanh một trục thẳng đứng và số lần quay trong một khoảng thời gian cụ thể được đo để xác định tốc độ gió.

Cảm biến gió
kiểm soát môi trường nhà kính – Cảm biến gió

cảm biến lượng mưa

Đây là những cảm biến được gắn trên các trạm thời tiết ngoài trời để đo lượng mưa. Các “lưới” mưa đơn giản cho biết có hay không có mưa chứ không phải lượng mưa. Những cảm biến đơn giản này thường được sử dụng để đóng hoặc hạn chế lỗ thông hơi trên mái nhà hoặc mái nhà có thể thu vào khi trời mưa. Chúng là những cảm biến thích hợp nhất cho mục đích này vì chúng cho phép phản hồi nhanh. Lưới mưa được sưởi ấm cho phép cảm biến tuyết và phân biệt giữa sương và mưa.

Hệ thống kiểm soát môi trường nhà kính

Môi trường nhà kính phải được kiểm soát chính xác để tạo ra các điều kiện tối ưu cho sản xuất cây trồng. Ngoài việc kiểm soát độ ẩm và nhiệt độ, các hệ thống kiểm soát môi trường có thể quản lý hệ thống bóng râm và ánh sáng, kiểm soát nồng độ carbon dioxide, lên lịch và sắp xếp các van tưới, đồng thời kiểm soát độ pH, EC và nhiệt độ của nước tưới để đặt tên cho một số thông số. Về cơ bản có bốn loại hệ thống kiểm soát môi trường: (1) bộ điều nhiệt và bộ hẹn giờ, (2) bộ điều khiển “bước” tương tự, (3) bộ điều khiển vùng máy tính và (4) bộ điều khiển máy tính tích hợp.

Bộ định nhiệt và bộ hẹn giờ

Bộ điều nhiệt và bộ hẹn giờ là những thiết bị đơn giản và chi phí thấp cung cấp khả năng kiểm soát hạn chế. Bộ điều nhiệt cho phép điều chỉnh cài đặt bật/tắt thủ công. Bộ hẹn giờ được sử dụng làm công tắc bật/tắt. Một vùng nhà kính điển hình có thể yêu cầu 3 bộ điều nhiệt riêng lẻ trở lên để điều khiển các chức năng sưởi ấm và làm mát, cộng với bộ hẹn giờ để điều khiển hệ thống tưới tiêu và chiếu sáng. Các rơle bổ sung thường cần thiết để kết nối quạt và cửa chớp và các thiết bị khác phải hoạt động cùng nhau.

Bộ điều khiển “Bước” tương tự

Cái tên bộ điều khiển “bước” có nguồn gốc từ khả năng điều khiển theo bước trong nhiều giai đoạn. Bộ điều khiển sử dụng mạch tích hợp trạng thái để theo dõi dữ liệu môi trường trong nhà kính và tạo tín hiệu đầu ra kích hoạt thiết bị dựa trên một bộ hướng dẫn được lập trình sẵn.

Bộ vi xử lý là một thiết bị đơn giản, giá thành rẻ, hoạt động tin cậy, chính xác và hoạt động tốt trong môi trường nhà kính. Bộ điều khiển bước có thể nhận tín hiệu từ hai hoặc nhiều cảm biến hơn (ví dụ: nhiệt độ, độ ẩm tương đối, ánh sáng). Ví dụ, nếu nhiệt độ tiếp tục tăng, một số quạt hút sẽ bật và nếu nhiệt độ tiếp tục tăng, các quạt còn lại sẽ bật hoặc máy bơm tấm làm mát sẽ khởi động.

Bộ điều khiển vùng máy tính

Bộ điều khiển vùng máy tính mang lại những lợi ích của việc vi tính hóa cho khái niệm bộ điều khiển trung tâm, mang lại khả năng lập trình và linh hoạt điều khiển cao hơn, đồng thời có khả năng cung cấp độ chính xác được cải thiện và phối hợp thiết bị tốt hơn. Những thiết bị này có thể hình dung như những máy tính đơn giản, hạn chế. Bộ vi xử lý thường có bàn phím và màn hình LCD hai hoặc ba dòng. Liên quan đến số lượng kết nối đầu ra (đôi khi hơn 20), việc sử dụng bộ vi xử lý sẽ rẻ hơn so với bộ điều khiển nhiều bước.

Điều khiển máy tính tích hợp (ICC)

Điều khiển máy tính tích hợp (ICC) kết hợp khả năng của một số bộ điều khiển vùng máy tính hoặc bộ điều khiển trung tâm và nhiều thiết bị điều khiển riêng lẻ khác như bộ hẹn giờ, vào một hệ thống máy tính tích hợp duy nhất. Điều khiển máy tính tích hợp có thể cung cấp điều khiển phối hợp hầu như tất cả các chức năng môi trường nhà kính. Không chỉ có thể kiểm soát nhiệt độ, thông gió và độ ẩm mà còn có thể kiểm soát nhiều yếu tố khác, chẳng hạn như truyền nhiệt độ luống, bón phân lỏng thông qua hệ thống tưới tiêu, chiếu sáng ban ngày, điều chỉnh cường độ ánh sáng bằng vải che nắng vận hành cơ học (và các tấm hoặc rèm cách nhiệt ), hoạt động của sương mù hoặc hệ thống sương mù và làm giàu carbon dioxide—tất cả đều có thể thay đổi cho các thời điểm khác nhau trong ngày và đêm.

Bộ điều khiển trung tâm
Bộ điều khiển trung tâm

Mạng cảm biến không dây nhà kính

Các cơ sở nhà kính đang được phát triển và mở rộng nhanh chóng. Các điều kiện môi trường của nhà kính ảnh hưởng trực tiếp đến sự phát triển của cây trồng. Do đó, việc giám sát và kiểm soát thời gian thực của loại môi trường trong nhà như vậy là rất quan trọng. Công nghệ điều khiển tự động môi trường là một phương tiện hiệu quả để cải thiện công nghệ điều khiển môi trường nhà kính.

Mạng cảm biến không dây (WSN) có thể tạo thành một phần hữu ích của kiến ​​trúc hệ thống tự động hóa trong nhà kính hiện đại. WSN là một nhóm các thiết bị cảm biến nhỏ hoặc các nút thu thập dữ liệu ở một vị trí nhất định. Sau đó, các nút này gửi dữ liệu thô đến một trạm cơ sở trong mạng, trạm này sẽ truyền dữ liệu đến một máy tính trung tâm để thực hiện phân tích và trích xuất thông tin có ý nghĩa. Hệ thống này cho phép các nhân viên liên quan giám sát thuận tiện nhiều dữ liệu thời gian thực khác nhau thông qua nền tảng giám sát mạng.

Giao tiếp không dây có thể được sử dụng để thu thập các phép đo, chẳng hạn như nhiệt độ, mức độ ánh sáng, carbon dioxide và độ ẩm. So với các hệ thống cáp, việc cài đặt WSN nhanh, rẻ và dễ dàng. Hơn nữa, có thể dễ dàng di chuyển các điểm đo khi cần thiết chỉ bằng cách di chuyển các nút cảm biến từ vị trí này sang vị trí khác trong phạm vi giao tiếp của thiết bị điều phối. Ví dụ, nếu hệ thực vật trong nhà kính cao và dày đặc, các nút nhỏ và nhẹ thậm chí có thể được treo lên cành cây. Một lợi thế khác biệt của các WSN này là cả hai đều có khả năng mở rộng (nghĩa là các nút và cảm biến có thể dễ dàng được thêm vào mạng) và các nút cũng có thể cấu hình lại được. Điều này có nghĩa là một hoạt động nhà kính có thể bắt đầu với một hệ thống WSN nhỏ và dần dần hoạt động với các hệ thống lớn hơn khi cần thiết. Một WSN nhỏ (tối thiểu hai hoặc ba nút với một trạm cơ sở) có thể được triển khai và sử dụng để giám sát cho đến khi người dùng đạt được mức độ hiểu biết và thoải mái.

điều khiển trung tâm
điều khiển trung tâm

trạm cơ sở

Trạm cơ sở, là bộ điều phối mạng, quản lý các hoạt động của các cảm biến riêng lẻ bằng cách yêu cầu dữ liệu định kỳ. Ngoài việc tổng hợp và phân tích dữ liệu, trạm cơ sở hoạt động như một cánh cửa vào Internet (thường là mạng cục bộ), cung cấp cho người vận hành quyền truy cập từ xa vào dữ liệu của WSN.

Nút cảm biến

Mạng cảm biến không dây (WSN) thường bao gồm một số lượng lớn các nút cảm biến đa chức năng có chi phí thấp và công suất thấp được triển khai khắp nhà kính. Một nút cảm biến điển hình trong WSN bao gồm một đơn vị giao tiếp không dây, một bộ vi xử lý, một đơn vị thu thập dữ liệu, một đơn vị bộ nhớ và các cảm biến.

Cảm biến

Cảm biến có thể được định nghĩa là bất kỳ dụng cụ nào đo một số loại đặc tính vật lý hoặc hóa học và chuyển phép đo đó thành tín hiệu mà người quan sát hoặc hệ thống thu thập dữ liệu tự động có thể đọc được. Như đã nêu trong các phần trên, tất cả các hệ thống kiểm soát nhà kính đều yêu cầu thông tin về các biến xác định môi trường nhà kính. Cảm biến cung cấp thông tin.

Theo truyền thống, những người nông dân đóng vai trò là “cảm biến” tích hợp của hệ thống, cảm nhận trực tiếp các điều kiện nhà kính mà họ cố gắng liên kết sự tăng trưởng và phát triển của cây trồng của mình. Ngày nay, có nhiều cảm biến điện tử tinh vi dành cho người nông dân để theo dõi các điều kiện nhà kính và cung cấp dữ liệu đầu vào để tự động đưa ra các quyết định kiểm soát ngày càng tinh vi và hiệu quả.

Giao diện người dùng

Giao diện người dùng được cho là phần quan trọng nhất của hệ thống này vì nó cho phép người nông dân sử dụng dữ liệu và thu được lợi ích tối đa từ hệ thống này. Giao diện người dùng chủ yếu bao gồm hiển thị dữ liệu thời gian thực, phân tích dữ liệu thống kê, hệ thống cảnh báo thời gian thực, truy vấn dữ liệu lịch sử và các chức năng khác.

Theo dõi dữ liệu

Lịch sử dữ liệu có giá trị trong việc xác định các mẫu và xu hướng trong điều kiện môi trường. Tuy nhiên, việc theo dõi và ghi lại các thông số môi trường theo cách thủ công sẽ tốn một lượng thời gian đáng kể của nhân viên và làm giảm các nhu cầu quan trọng khác tại nơi làm việc. Nhiều hệ thống giám sát tự động lưu thông tin, ghi lại hàng chục nghìn điểm dữ liệu, ngày và giờ.

One thought on “Công nghệ và vận hành nhà kính: 1.Hệ thống giám sát và kiểm soát môi trường

  1. Pingback: 10 điều cần biết về ánh sáng trong nhà kính | MÀNG PHỦ NHÀ KÍNH

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *