LINK TẢI LUẬN VĂN MIỄN PHÍ CHO AE KET-NOI
Thiết kế vườn cây thông minh - Farmbot
Vườn cây thông minh (farmbot)
Công nghệ tự động
Công nghệ cao trong nông nghiệp
Thiết kế và chế tạo
Cơ khí. Đồ án trình bày về quá trình thiết kế và chế tạo vườn cây thông minh (farmbot), phục vụ cho công cuộc nghiên cứu các giống cây trồng mới, hay tìm hiểu các tác động của các yếu tố tự nhiên đến cây trồng trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra hệ thống còn nâng cao đời sống của các gia đình thông qua việc cung cấp các loại rau sạch phục vụ cho nhu cầu hằng ngày mà không tốn công chăm sóc. Trong quá trình thiết kế máy, nhóm tác giả đã phân tích các phương án thiết kế sao cho phù hợp nhất với chức năng trồng và chăm sóc cây. Việc đưa các công nghệ tự động vào trồng trọt là bước đầu để hiện đại hóa và ứng dụng các công nghệ cao trong nông nghiệp.
TÓM TẮT ............................................................................................................... i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ....................................................................... ii LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................... iv CAM ĐOAN........................................................................................................... v MỤC LỤC ............................................................................................................. vi DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ............................................................... viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................. xi MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
SƠ LƯỢT NỀN NÔNG NGHIỆP VÀ CÁCH CON NGƯỜI TÁC ĐỘNG VÀO NỀN NÔNG NGHIỆP TRÊN THẾ GIỚI .......................................... 2
1.1. Sơ lượt lịch sử nền nông nghiệp ................................................................... 2 1.2. Lịch sử phát triển công cụ ............................................................................ 3 1.3. Nhận xét ...................................................................................................... 4
GIỚI THIỆU MỘT SỐ THÀNH TỰU CỦA VIỆC ỨNG DỤNG KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀO NÔNG NGHIỆP ........................................................... 5
2.1. Một số phương pháp nông nghiệp hiện đại................................................... 5 2.1.1. Phương pháp thủy canh ..................................................................... 5 2.1.2. Phương pháp khí canh ....................................................................... 7
2.2. Mốt số ứng dụng của khoa học công nghệ và tự động hóa trong trồng trọt ... 9 Hình 2.6: Máy trồng rau trong gia đình ..................................................... 10 THIẾT KẾ HỆ THỐNG FARMBOT .................................................. 12 3.1. Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D onshape.................................................. 12 3.1.1. Giới thiệu cad và các phần mềm thiết kế cad ................................... 12 3.1.2. Thiết kế bản vẽ cad 2D và 3D trên onshape ..................................... 13 3.2. Thiết kế các bộ phận truyền động............................................................... 15
3.2.1. Lựa chọn phương án thiết kế............................................................ 15 vi
3.2.2. Các phương án thiết kế bộ truyền động cơ khí ................................. 15 3.3. Sơ đồ truyền động theo 3 trục .................................................................... 27 3.3.2. Lựa chọn và thiết kế các bộ phận của máy ....................................... 28 3.4. Thiết kế đầu công cụ .................................................................................. 30 3.5. Thông số kĩ thuật của máy farmbot ............................................................ 31 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................... 33 4.1. Các thiết bị ngoại vi ................................................................................... 33 4.1.1. Động cơ bước .................................................................................. 33 4.1.2. Cảm biến tiệm cận (Proximity sensor) ............................................. 35 4.2. Các linh kiện và module trong tủ điện điều khiển....................................... 36 4.2.1. Driver stepper motor TB6560 .......................................................... 36 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................ 49 5.1. Lập trình PLC ............................................................................................ 49 5.1.1. Ngôn ngữ lập trình PLC................................................................... 49 5.1.2. Lưu đồ thuật toán............................................................................. 50 5.2. Lập trình giao diện..................................................................................... 51 5.2.1. Machine – Human Interface (HMI).................................................. 51 5.2.2. Xây dựng giao diện.......................................................................... 52 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................. 55 6.1. Kết luận ..................................................................................................... 55 6.2. Hướng phát triển đồ án............................................................................... 55 PHỤ LỤC 1: Chương trình PLC ........................................................................... 59 PHỤ LỤC 2: Chương trình VBScript.................................................................... 67
vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1: Từ lâu con người đã thuần hóa nền nông nghiệp tự nhiên ........................ 2 Hình 1.2: Máy gặt được Cyrus McCormick phát minh ............................................ 3 Hình 1.3: Cơ giới hóa trong nông nghiệp ................................................................ 4 Hình 2.1: Phương pháp thủy canh tĩnh .................................................................... 6 Hình 2.2: Phương pháp thủy canh hồi lưu ............................................................... 6 Hình 2.3: Phương pháp khí canh ............................................................................. 8 Hình 2.4: Tủ trồng rau trong gia đình...................................................................... 9 Hình 2.5: Vòng tròn trồng rau ................................................................................. 9 Hình 2.6: Máy trồng rau trong gia đình ................................................................. 10 Hình 2.7: Trồng rau thủy canh trong nhà............................................................... 10 Hình 2.8: Trồng rau thủy canh trên mặt nước........................................................ 11 Hình 3.1: Cơ cấu cánh tay robot được thiết kế trên phần mềm cad ........................ 12 Hình 3.2: Phần mềm thiết kế onshape ................................................................... 13 Hình 3.3: Giao diện thiết kế của onshape .............................................................. 14 Hình 3.4: Hai phương án thiết kế .......................................................................... 15 Hình 3.5: Truyền động bánh răng.......................................................................... 17 Hình 3.6: Bộ truyền động trục vít.......................................................................... 18 Hình 3.7: Cấu tạo bộ truyền xích........................................................................... 19 Hình 3.8: Hệ thống truyền động xích .................................................................... 20 Hình 3.9: Bộ truyền trục vít đai ốc ........................................................................ 21 Hình 3.10: Các cách sử dụng bộ truyền trục vít đai ốc........................................... 21 Hình 3.11: Các loại trục vít đai ốc......................................................................... 22 Hình 3.12: Vít me đai ốc bi ................................................................................... 23 Hình 3.13: Bộ truyền đai....................................................................................... 24 Hình 3.14: Các bộ phận của bộ truyền đai............................................................. 24 Hình 3.15: Các loại đai và kết cấu bánh đai........................................................... 26
viii
Hình 3.16: Sơ đồ truyền động trục x ..................................................................... 27 Hình 3.17: Sơ đồ truyền động trục y ..................................................................... 27 Hình 3.18: Sơ đồ truyền động trục z...................................................................... 28 Hình 3.19: Nhôm định hình 20x40 và 20x20......................................................... 28 Hình 3.20: Các phương án sử dụng cho khớp trượt ............................................... 29 Hình 3.21: Bản thiết kế 3D của khớp trượt............................................................ 29 Hình 3.22: Vít me – đai ốc .................................................................................... 30 Hình 3.23: Đầu công cụ được thiết kế trên phần mềm onshape ............................. 31 Hình 3.24: Thiết kế máy trên onshape ................................................................... 32 Hình 4.1: Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước ............................................... 33 Hình 4.2: Động cơ bước nema 23.......................................................................... 35 Hình 4.3: Cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z-BX...................................................... 36 Hình 4.4: Driver động cơ bước TB6050 ................................................................ 37 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lí driver tb6560 ............................................................... 38 Hình 4.6: Nguồn xung 24v-10A............................................................................ 39 Hình 4.7: Sơ đồ khối nguồn xung.......................................................................... 39 Hình 4.8: Nguồn omron S8VS-06024 ................................................................... 40 Hình 4.9: Bản thiết kế nguồn omron S8VS-06024................................................. 40 Hình 4.10: Terminal 3 tầng ................................................................................... 41 Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của CB dòng điện cực đại .......................... 43 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của CB điện áp thấp................................... 44 Hình 4.13: Aptomat Mitsubishi NF50-ZKC .......................................................... 45 Hình 4.14: PLC..................................................................................................... 47 Hình 4.15: PLC S7-1200-CPU1212C DC/DC/DC ................................................ 47 Hình 5.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống ...................................................................... 50 Hình 5.2: Lưu đồ thuật toán quá trình gieo hạt ...................................................... 50 Hình 5.3: Lưu đồ thuật toán quá trình tưới nước ................................................... 51 Hình 5.4: Cấu hình chuẩn giao thức kết nối........................................................... 52
ix
Hình 5.5: Màn hình trang chủ ............................................................................... 53 Hình 5.6: Màn hình cài đặt.................................................................................... 53 Hình 5.7: Màn hình tự động .................................................................................. 53 Hình 5.8: Màn hình Jogging.................................................................................. 54 Hình 5.9: Màn hình giám sát ................................................................................. 54
x
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
- PH: Chỉ số PH
- HC: Chỉ số HC
- V: Đơn vị điện áp
- A: Đơn vị dòng điện
- Ω: Đơn vị điện trở
- Hz: Đơn vị tần số
CHỮ VIẾT TẮT:
- TCN: Trước công nguyên
- NN: Nông nghiêp
- CNC: Công nghệ cao
- TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
- CAD: Computeraided design
- HMI: Human-Machine-Interface
- PLC: Programmable Logic Controller
xi
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
MỞ ĐẦU
Với mục đích tạo ra một mô hình vườn cây thông minh với các chức năng trồng cây cơ bản phục vụ cho công cuộc nghiên cứu các giống cây trồng mới, hay tìm hiểu các tác động của các yếu tố tự nhiên đến cây trồng trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra hệ thống còn nâng cao đời sống của các gia đình thông qua việc cung cấp các loại rau sạch phục vụ cho nhu cầu hằng ngày mà không tốn công chăm sóc.
Trong quá trình thiết kế máy, nhóm tác giả đã phân tích các phương án thiết kế sao cho phù hợp nhất với chức năng trồng và chăm sóc cây. Ngoài các chức năng cơ bản của việc trồng cây như gieo hạt và tười nước thì nhóm tác giả cũng hướng tới các chức năng nâng cao của máy như quản lí dữ liệu cây trồng, xử lí mọi thao tác cũng như kiểm soát thông tin và dữ liệu qua mang truyền thông. Việc đưa các công nghệ tự động vào trồng trọt là bước đầu để hiện đại hóa và ứng dụng các công nghệ cao trong nông nghiệp.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 1
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
SƠ LƯỢT NỀN NÔNG NGHIỆP VÀ CÁCH CON NGƯỜI TÁC ĐỘNG VÀO NỀN NÔNG NGHIỆP TRÊN THẾ GIỚI
1.1. Sơ lượt lịch sử nền nông nghiệp
Trong phần lớn lịch sử loài người, chúng ta đã là những người săn bắn và hái lượm. Và sau đó, cách đây khoảng 10.000 năm, chúng ta bắt đầu thuần hóa thực vật và động vật như một cách để đảm bảo nguồn cung cấp lương thực được dễ tiếp cận và dễ dự báo hơn. Theo nhiều cách, sự ra đời của nông nghiệp có thể được định nghĩa là giây phút chúng ta không còn săn đuổi theo lương thực và bắt đầu tự nuôi trồng lương thực.
Khi con người cải tiến nông nghiệp, nông nghệp đã tái định hình nền văn minh nhân loại. Hầu hết những thay đổi này là tích cực. Nhưng khi chúng ta bước vào một kỷ nguyên mới trong lịch sử loài người, nông nghiệp đối mặt với những thử thách mới và những trách nhiệm mới.
Hình 1.1: Từ lâu con người đã thuần hóa nền nông nghiệp tự nhiên
Trước khi nông nghiệp khai sinh, con người là dân du mục, thường xuyên di chuyển để tìm động vật và hạt trong tự nhiên. Với sự phát triển của nông nghiệp giúp tạo ra nguồn thực phẩm tập trung và đoán được, loài người nảy ra sáng kiến sinh sống ở nguyên một chỗ. Các thành phố bắt đầu hình thành.
Bằng cách này, nông nghiệp bắt đầu không chỉ thay đổi chế độ ăn của con người, mà còn làm thay đổi nền văn minh nhân loại.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 2
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
1.2. Lịch sử phát triển công cụ
Từ thời nguyên thủy con người đã sử dụng các công cụ từ gỗ và đá để phục vụ cho các công việc săn bắt và hái lượm, đó cũng chính là những công cụ đầu tiền mà con người sử dụng trong công việc trồng trọt.
Thời kỳ đồ đá mới (7000 TCN đến 3000 TCN), Sự phổ biến ngành trồng trọt và làm đồ gốm chính là đặc trưng của thời kỳ đồ đá mới. Rìu đá và công cụ microlith rất phổ biến vào thời kỳ này, dù chúng xuất hiện từ trước đó. Chiếc rìu đá, tuy thô sơ trong cách chế tạo, nhưng đã có thể chặt phá rừng. Cũng sẽ rất bình thường khi nhận định rằng hầu hết công cụ thời kỳ này làm bằng gỗ, vì sự phát triển của nông nghiệp và sự ra đời của đòn gánh và lưỡi cày bằng gỗ.
Thời kỳ đồ đồng (3,000 TCN đến 700 TCN), các công cụ bằng đá và gỗ được thay thế bằng công cụ kim loại chắc hơn, hiệu quả hơn. Tuy nhiên, làm nông vẫn là một công việc tốn thời gian và tốn sức có sự tham gia của gần 80% dân số thế giới.
Từ năm 800 sau Công Nguyên, công cụ nông nghiệp về cơ bản không thay đổi. Những thực dân ban đầu ở Bắc Mỹ sử dụng cày không khác hay tốt hơn cày được sử dụng trong thời đại Đế Chế La Mã.
Trong thế kỷ 18 và 19, đổi mới nông nghiệp bùng nổ. Thiết kế chiếc cày được cải tiến và một người Anh tên là Jethro Tull đã phát minh ra máy gieo hạt đầu tiên trên thế giới, một thiết bị cho phép gieo hạt nhanh chóng theo những hàng đều đặn, thẳng tắp. Những thiết bị thu hoạch dùng sức ngựa, cơ khí hóa—như máy gặt của Cyrus McCormick—nhanh chóng xuất hiện tiếp theo.
Hình 1.2: Máy gặt được Cyrus McCormick phát minh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 3
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
Trong thế kỷ 20, máy móc chạy xăng bắt đầu thay thế cho các thiết bị dùng sức ngựa truyền thống, từ đó các máy công cụ trong NN cũng được cơ giới hóa. Đây là thời kì công nghiệp hóa của nền nông nghiệp thế giới. Những hiệu quả công nghệ mới giúp cho nông dân kiểm soát được nhiều đất đai hơn và kết quả mang lại cho nền nông nghiệp là một bước nhảy vọt.
Hình 1.3: Cơ giới hóa trong nông nghiệp
1.3. Nhận xét
Sau khi trải qua các giai đoạn phát triển đặc biệt là sau cuộc cách mạng NN, sản lượng và chất lượng của các sản phẩm NN tăng rõ rệt nhưng trong khoảng thời gian từ năm 1900 đến năm 2012, dân số thế giới tăng từ 1,6 tỉ người lên hơn 7 tỉ người. Vào năm 1700, chỉ có 7% bề mặt trái đất được sử dụng cho nông nghiệp. Ngày nay là hơn 40%. Và chỉ có một phần đất đai còn lại hiện nay là thích hợp cho cây trồng, không những thế sự biến đổi khí hậu trên toàn cầu đang ảnh hưởng rất nhiều đến nền NN. Từ đó đặt ra một thách thức lớn cho nền nông nghiệp trên thế giới. Nó đòi hỏi các nhà nghiến cứu phải đẩy mạnh nghiên cứu, tìm tòi các giống cây trồng mới thích hợp với khí hậu biến đổi đồng thời tăng năng suất cây trồng. Ngoài ra phải cùng kết hợp với các biện pháp tự động hóa, cũng như các cách trồng trọt mới để đầy nền nông nghiệp tiến đến một kỉ nguyên mới, đáp ứng được nhu cầu cơ bản cho sự phát triển của con người.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 4
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
GIỚI THIỆU MỘT SỐ THÀNH TỰU CỦA VIỆC ỨNG DỤNG KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀO NÔNG NGHIỆP
Nông nghiệp công nghệ cao là nền sản xuất nông nghiệp theo hướng hiện đại, với sự tích hợp của nhiều ngành từ công nghệ cơ khí, điện tử, tự động hóa, hóa học, công nghệ số thông tin truyền thông, công nghệ sinh học, khí tượng, tài chính - quản trị kinh doanh, chế biến, bảo quản... để hình thành sản phẩm nông nghiệp chất lượng và hiệu quả cao. NN CNC đã đưa nền nông nghiệp truyền thống lên một tầm cao mới, nâng cao về sản lượng cũng như chất lượng của sản phẩm nông nghiệp
2.1. Một số phương pháp nông nghiệp hiện đại
Ngày nay ngoài các phương pháp nông nghiệp sử dụng đất (địa canh) thì có một số phương pháp trồng cây không sử dụng đất như phương pháp thủy canh và khí canh
2.1.1. Phương pháp thủy canh
Trồng cây trong dung dịch (thủy canh) là kỹ thuật trồng cây không dùng đất mà trồng trực tiếp vào môi trường dinh dưỡng hay giá thể mà không phải là đất. Các giá thể có thể là cát, trấu, vỏ xơ dừa, than bùn, vermiculite perlite... Thường được định nghĩa như là “trồng cây trong nước” hay “trồng cây không cần đất”, kỹ thuật thủy canh là một trong những nghề làm vườn hiện đại. Bí quyết của kỹ thuật này là cung cấp đủ và đúng lúc cho cây trồng các nguyên tố khoáng cần thiết. Cung cấp đầy đủ cái ăn, bảo đảm đủ ánh sáng, CO2 cho quá trình quang hợp, O2 cho quá trình hô hấp, cây trồng có thể phát triển khỏe mạnh theo ý muốn của người trồng.
Thủy canh có 2 loại đó chính là thủy canh tĩnh và thủy canh hồi lưu. Phương pháp trồng thủy canh tĩnh là hình thức thủy canh mà bạn dùng dung dịch thủy canh ở trong chậu đã được pha sẵn và nuôi những cây giống trên đó, phương pháp này thì cần có thời gian khuấy nước nhiều hơn để rễ cây có oxy phát triển. Phương pháp thủy canh hồi lưu được hiểu đơn giản là quá trình dung dịch được tự động bơm lên tưới cho rau trong kệ trồng rau thủy canh bằng máy bơm đi theo kệ, nước sẽ được luân hồi trong kệ để đảm bảo sự phát triển của cây. Đối với phương pháp thủy canh lượng dung dịch được pha với tỉ lệ chuẩn nên khi trồng bạn cần chú ý lượng dung dịch dinh dưỡng phù hợp với từng loại rau theo hướng dẫn.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 5
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
Ưu điểm của HMI:
• Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin.
• Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết.
• Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.
• Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và
nhiều loại giao thức.
• Khả năng lưu trữ cao.
Quy trình xây dựng hệ thống HMI:
• Lựa chọn phần cứng:
o Lựa chọn kích cở màn hình: trên cơ sở số lượng thông số/thông
tin cảm biến hiển thị đồng thời. nhu cầu về đồ thị, đồ họa (lưu
trình công nghệ...).
o Lựa chọn số phím cứng, số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng
cùng lúc.
o Lựa chọn các cổng mở rộng nếu có nhu cầu in ấn, đọc mã
vạch, kết nối các thiết bị ngoại vi khác.
o Lựa chọn dung lượng bộ nhớ: theo số lượng thông số cần thu
thập số liệu, lưu trữ dữ liệu, số lượng trang màn hình cần hiển
thị.
• Xây dựng giao diện:
o Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng, chuẩn giao thức... o Xây dựng các màn hình.
o Gán các biến số (tag) cho các đối tượng.
o Sử dụng các đối tượng đặc biệt.
o Viết các chương trình script (tùy chọn). o Mô phỏng và gỡ rối chương trình.
o Nạp thiết bị xuống HMI.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
Thiết kế vườn cây thông minh - Farmbot
Vườn cây thông minh (farmbot)
Công nghệ tự động
Công nghệ cao trong nông nghiệp
Thiết kế và chế tạo
Cơ khí. Đồ án trình bày về quá trình thiết kế và chế tạo vườn cây thông minh (farmbot), phục vụ cho công cuộc nghiên cứu các giống cây trồng mới, hay tìm hiểu các tác động của các yếu tố tự nhiên đến cây trồng trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra hệ thống còn nâng cao đời sống của các gia đình thông qua việc cung cấp các loại rau sạch phục vụ cho nhu cầu hằng ngày mà không tốn công chăm sóc. Trong quá trình thiết kế máy, nhóm tác giả đã phân tích các phương án thiết kế sao cho phù hợp nhất với chức năng trồng và chăm sóc cây. Việc đưa các công nghệ tự động vào trồng trọt là bước đầu để hiện đại hóa và ứng dụng các công nghệ cao trong nông nghiệp.
TÓM TẮT ............................................................................................................... i NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ....................................................................... ii LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................... iv CAM ĐOAN........................................................................................................... v MỤC LỤC ............................................................................................................. vi DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ ............................................................... viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................. xi MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1
SƠ LƯỢT NỀN NÔNG NGHIỆP VÀ CÁCH CON NGƯỜI TÁC ĐỘNG VÀO NỀN NÔNG NGHIỆP TRÊN THẾ GIỚI .......................................... 2
1.1. Sơ lượt lịch sử nền nông nghiệp ................................................................... 2 1.2. Lịch sử phát triển công cụ ............................................................................ 3 1.3. Nhận xét ...................................................................................................... 4
GIỚI THIỆU MỘT SỐ THÀNH TỰU CỦA VIỆC ỨNG DỤNG KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀO NÔNG NGHIỆP ........................................................... 5
2.1. Một số phương pháp nông nghiệp hiện đại................................................... 5 2.1.1. Phương pháp thủy canh ..................................................................... 5 2.1.2. Phương pháp khí canh ....................................................................... 7
2.2. Mốt số ứng dụng của khoa học công nghệ và tự động hóa trong trồng trọt ... 9 Hình 2.6: Máy trồng rau trong gia đình ..................................................... 10 THIẾT KẾ HỆ THỐNG FARMBOT .................................................. 12 3.1. Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D onshape.................................................. 12 3.1.1. Giới thiệu cad và các phần mềm thiết kế cad ................................... 12 3.1.2. Thiết kế bản vẽ cad 2D và 3D trên onshape ..................................... 13 3.2. Thiết kế các bộ phận truyền động............................................................... 15
3.2.1. Lựa chọn phương án thiết kế............................................................ 15 vi
3.2.2. Các phương án thiết kế bộ truyền động cơ khí ................................. 15 3.3. Sơ đồ truyền động theo 3 trục .................................................................... 27 3.3.2. Lựa chọn và thiết kế các bộ phận của máy ....................................... 28 3.4. Thiết kế đầu công cụ .................................................................................. 30 3.5. Thông số kĩ thuật của máy farmbot ............................................................ 31 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................... 33 4.1. Các thiết bị ngoại vi ................................................................................... 33 4.1.1. Động cơ bước .................................................................................. 33 4.1.2. Cảm biến tiệm cận (Proximity sensor) ............................................. 35 4.2. Các linh kiện và module trong tủ điện điều khiển....................................... 36 4.2.1. Driver stepper motor TB6560 .......................................................... 36 LẬP TRÌNH HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ............................................ 49 5.1. Lập trình PLC ............................................................................................ 49 5.1.1. Ngôn ngữ lập trình PLC................................................................... 49 5.1.2. Lưu đồ thuật toán............................................................................. 50 5.2. Lập trình giao diện..................................................................................... 51 5.2.1. Machine – Human Interface (HMI).................................................. 51 5.2.2. Xây dựng giao diện.......................................................................... 52 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................. 55 6.1. Kết luận ..................................................................................................... 55 6.2. Hướng phát triển đồ án............................................................................... 55 PHỤ LỤC 1: Chương trình PLC ........................................................................... 59 PHỤ LỤC 2: Chương trình VBScript.................................................................... 67
vii
DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ
Hình 1.1: Từ lâu con người đã thuần hóa nền nông nghiệp tự nhiên ........................ 2 Hình 1.2: Máy gặt được Cyrus McCormick phát minh ............................................ 3 Hình 1.3: Cơ giới hóa trong nông nghiệp ................................................................ 4 Hình 2.1: Phương pháp thủy canh tĩnh .................................................................... 6 Hình 2.2: Phương pháp thủy canh hồi lưu ............................................................... 6 Hình 2.3: Phương pháp khí canh ............................................................................. 8 Hình 2.4: Tủ trồng rau trong gia đình...................................................................... 9 Hình 2.5: Vòng tròn trồng rau ................................................................................. 9 Hình 2.6: Máy trồng rau trong gia đình ................................................................. 10 Hình 2.7: Trồng rau thủy canh trong nhà............................................................... 10 Hình 2.8: Trồng rau thủy canh trên mặt nước........................................................ 11 Hình 3.1: Cơ cấu cánh tay robot được thiết kế trên phần mềm cad ........................ 12 Hình 3.2: Phần mềm thiết kế onshape ................................................................... 13 Hình 3.3: Giao diện thiết kế của onshape .............................................................. 14 Hình 3.4: Hai phương án thiết kế .......................................................................... 15 Hình 3.5: Truyền động bánh răng.......................................................................... 17 Hình 3.6: Bộ truyền động trục vít.......................................................................... 18 Hình 3.7: Cấu tạo bộ truyền xích........................................................................... 19 Hình 3.8: Hệ thống truyền động xích .................................................................... 20 Hình 3.9: Bộ truyền trục vít đai ốc ........................................................................ 21 Hình 3.10: Các cách sử dụng bộ truyền trục vít đai ốc........................................... 21 Hình 3.11: Các loại trục vít đai ốc......................................................................... 22 Hình 3.12: Vít me đai ốc bi ................................................................................... 23 Hình 3.13: Bộ truyền đai....................................................................................... 24 Hình 3.14: Các bộ phận của bộ truyền đai............................................................. 24 Hình 3.15: Các loại đai và kết cấu bánh đai........................................................... 26
viii
Hình 3.16: Sơ đồ truyền động trục x ..................................................................... 27 Hình 3.17: Sơ đồ truyền động trục y ..................................................................... 27 Hình 3.18: Sơ đồ truyền động trục z...................................................................... 28 Hình 3.19: Nhôm định hình 20x40 và 20x20......................................................... 28 Hình 3.20: Các phương án sử dụng cho khớp trượt ............................................... 29 Hình 3.21: Bản thiết kế 3D của khớp trượt............................................................ 29 Hình 3.22: Vít me – đai ốc .................................................................................... 30 Hình 3.23: Đầu công cụ được thiết kế trên phần mềm onshape ............................. 31 Hình 3.24: Thiết kế máy trên onshape ................................................................... 32 Hình 4.1: Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước ............................................... 33 Hình 4.2: Động cơ bước nema 23.......................................................................... 35 Hình 4.3: Cảm biến tiệm cận LJ12A3-4-Z-BX...................................................... 36 Hình 4.4: Driver động cơ bước TB6050 ................................................................ 37 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lí driver tb6560 ............................................................... 38 Hình 4.6: Nguồn xung 24v-10A............................................................................ 39 Hình 4.7: Sơ đồ khối nguồn xung.......................................................................... 39 Hình 4.8: Nguồn omron S8VS-06024 ................................................................... 40 Hình 4.9: Bản thiết kế nguồn omron S8VS-06024................................................. 40 Hình 4.10: Terminal 3 tầng ................................................................................... 41 Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của CB dòng điện cực đại .......................... 43 Hình 4.12: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của CB điện áp thấp................................... 44 Hình 4.13: Aptomat Mitsubishi NF50-ZKC .......................................................... 45 Hình 4.14: PLC..................................................................................................... 47 Hình 4.15: PLC S7-1200-CPU1212C DC/DC/DC ................................................ 47 Hình 5.1: Sơ đồ tổng quan hệ thống ...................................................................... 50 Hình 5.2: Lưu đồ thuật toán quá trình gieo hạt ...................................................... 50 Hình 5.3: Lưu đồ thuật toán quá trình tưới nước ................................................... 51 Hình 5.4: Cấu hình chuẩn giao thức kết nối........................................................... 52
ix
Hình 5.5: Màn hình trang chủ ............................................................................... 53 Hình 5.6: Màn hình cài đặt.................................................................................... 53 Hình 5.7: Màn hình tự động .................................................................................. 53 Hình 5.8: Màn hình Jogging.................................................................................. 54 Hình 5.9: Màn hình giám sát ................................................................................. 54
x
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
KÝ HIỆU:
- PH: Chỉ số PH
- HC: Chỉ số HC
- V: Đơn vị điện áp
- A: Đơn vị dòng điện
- Ω: Đơn vị điện trở
- Hz: Đơn vị tần số
CHỮ VIẾT TẮT:
- TCN: Trước công nguyên
- NN: Nông nghiêp
- CNC: Công nghệ cao
- TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam
- CAD: Computeraided design
- HMI: Human-Machine-Interface
- PLC: Programmable Logic Controller
xi
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
MỞ ĐẦU
Với mục đích tạo ra một mô hình vườn cây thông minh với các chức năng trồng cây cơ bản phục vụ cho công cuộc nghiên cứu các giống cây trồng mới, hay tìm hiểu các tác động của các yếu tố tự nhiên đến cây trồng trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra hệ thống còn nâng cao đời sống của các gia đình thông qua việc cung cấp các loại rau sạch phục vụ cho nhu cầu hằng ngày mà không tốn công chăm sóc.
Trong quá trình thiết kế máy, nhóm tác giả đã phân tích các phương án thiết kế sao cho phù hợp nhất với chức năng trồng và chăm sóc cây. Ngoài các chức năng cơ bản của việc trồng cây như gieo hạt và tười nước thì nhóm tác giả cũng hướng tới các chức năng nâng cao của máy như quản lí dữ liệu cây trồng, xử lí mọi thao tác cũng như kiểm soát thông tin và dữ liệu qua mang truyền thông. Việc đưa các công nghệ tự động vào trồng trọt là bước đầu để hiện đại hóa và ứng dụng các công nghệ cao trong nông nghiệp.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 1
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
SƠ LƯỢT NỀN NÔNG NGHIỆP VÀ CÁCH CON NGƯỜI TÁC ĐỘNG VÀO NỀN NÔNG NGHIỆP TRÊN THẾ GIỚI
1.1. Sơ lượt lịch sử nền nông nghiệp
Trong phần lớn lịch sử loài người, chúng ta đã là những người săn bắn và hái lượm. Và sau đó, cách đây khoảng 10.000 năm, chúng ta bắt đầu thuần hóa thực vật và động vật như một cách để đảm bảo nguồn cung cấp lương thực được dễ tiếp cận và dễ dự báo hơn. Theo nhiều cách, sự ra đời của nông nghiệp có thể được định nghĩa là giây phút chúng ta không còn săn đuổi theo lương thực và bắt đầu tự nuôi trồng lương thực.
Khi con người cải tiến nông nghiệp, nông nghệp đã tái định hình nền văn minh nhân loại. Hầu hết những thay đổi này là tích cực. Nhưng khi chúng ta bước vào một kỷ nguyên mới trong lịch sử loài người, nông nghiệp đối mặt với những thử thách mới và những trách nhiệm mới.
Hình 1.1: Từ lâu con người đã thuần hóa nền nông nghiệp tự nhiên
Trước khi nông nghiệp khai sinh, con người là dân du mục, thường xuyên di chuyển để tìm động vật và hạt trong tự nhiên. Với sự phát triển của nông nghiệp giúp tạo ra nguồn thực phẩm tập trung và đoán được, loài người nảy ra sáng kiến sinh sống ở nguyên một chỗ. Các thành phố bắt đầu hình thành.
Bằng cách này, nông nghiệp bắt đầu không chỉ thay đổi chế độ ăn của con người, mà còn làm thay đổi nền văn minh nhân loại.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 2
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
1.2. Lịch sử phát triển công cụ
Từ thời nguyên thủy con người đã sử dụng các công cụ từ gỗ và đá để phục vụ cho các công việc săn bắt và hái lượm, đó cũng chính là những công cụ đầu tiền mà con người sử dụng trong công việc trồng trọt.
Thời kỳ đồ đá mới (7000 TCN đến 3000 TCN), Sự phổ biến ngành trồng trọt và làm đồ gốm chính là đặc trưng của thời kỳ đồ đá mới. Rìu đá và công cụ microlith rất phổ biến vào thời kỳ này, dù chúng xuất hiện từ trước đó. Chiếc rìu đá, tuy thô sơ trong cách chế tạo, nhưng đã có thể chặt phá rừng. Cũng sẽ rất bình thường khi nhận định rằng hầu hết công cụ thời kỳ này làm bằng gỗ, vì sự phát triển của nông nghiệp và sự ra đời của đòn gánh và lưỡi cày bằng gỗ.
Thời kỳ đồ đồng (3,000 TCN đến 700 TCN), các công cụ bằng đá và gỗ được thay thế bằng công cụ kim loại chắc hơn, hiệu quả hơn. Tuy nhiên, làm nông vẫn là một công việc tốn thời gian và tốn sức có sự tham gia của gần 80% dân số thế giới.
Từ năm 800 sau Công Nguyên, công cụ nông nghiệp về cơ bản không thay đổi. Những thực dân ban đầu ở Bắc Mỹ sử dụng cày không khác hay tốt hơn cày được sử dụng trong thời đại Đế Chế La Mã.
Trong thế kỷ 18 và 19, đổi mới nông nghiệp bùng nổ. Thiết kế chiếc cày được cải tiến và một người Anh tên là Jethro Tull đã phát minh ra máy gieo hạt đầu tiên trên thế giới, một thiết bị cho phép gieo hạt nhanh chóng theo những hàng đều đặn, thẳng tắp. Những thiết bị thu hoạch dùng sức ngựa, cơ khí hóa—như máy gặt của Cyrus McCormick—nhanh chóng xuất hiện tiếp theo.
Hình 1.2: Máy gặt được Cyrus McCormick phát minh
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 3
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
Trong thế kỷ 20, máy móc chạy xăng bắt đầu thay thế cho các thiết bị dùng sức ngựa truyền thống, từ đó các máy công cụ trong NN cũng được cơ giới hóa. Đây là thời kì công nghiệp hóa của nền nông nghiệp thế giới. Những hiệu quả công nghệ mới giúp cho nông dân kiểm soát được nhiều đất đai hơn và kết quả mang lại cho nền nông nghiệp là một bước nhảy vọt.
Hình 1.3: Cơ giới hóa trong nông nghiệp
1.3. Nhận xét
Sau khi trải qua các giai đoạn phát triển đặc biệt là sau cuộc cách mạng NN, sản lượng và chất lượng của các sản phẩm NN tăng rõ rệt nhưng trong khoảng thời gian từ năm 1900 đến năm 2012, dân số thế giới tăng từ 1,6 tỉ người lên hơn 7 tỉ người. Vào năm 1700, chỉ có 7% bề mặt trái đất được sử dụng cho nông nghiệp. Ngày nay là hơn 40%. Và chỉ có một phần đất đai còn lại hiện nay là thích hợp cho cây trồng, không những thế sự biến đổi khí hậu trên toàn cầu đang ảnh hưởng rất nhiều đến nền NN. Từ đó đặt ra một thách thức lớn cho nền nông nghiệp trên thế giới. Nó đòi hỏi các nhà nghiến cứu phải đẩy mạnh nghiên cứu, tìm tòi các giống cây trồng mới thích hợp với khí hậu biến đổi đồng thời tăng năng suất cây trồng. Ngoài ra phải cùng kết hợp với các biện pháp tự động hóa, cũng như các cách trồng trọt mới để đầy nền nông nghiệp tiến đến một kỉ nguyên mới, đáp ứng được nhu cầu cơ bản cho sự phát triển của con người.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 4
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
GIỚI THIỆU MỘT SỐ THÀNH TỰU CỦA VIỆC ỨNG DỤNG KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀO NÔNG NGHIỆP
Nông nghiệp công nghệ cao là nền sản xuất nông nghiệp theo hướng hiện đại, với sự tích hợp của nhiều ngành từ công nghệ cơ khí, điện tử, tự động hóa, hóa học, công nghệ số thông tin truyền thông, công nghệ sinh học, khí tượng, tài chính - quản trị kinh doanh, chế biến, bảo quản... để hình thành sản phẩm nông nghiệp chất lượng và hiệu quả cao. NN CNC đã đưa nền nông nghiệp truyền thống lên một tầm cao mới, nâng cao về sản lượng cũng như chất lượng của sản phẩm nông nghiệp
2.1. Một số phương pháp nông nghiệp hiện đại
Ngày nay ngoài các phương pháp nông nghiệp sử dụng đất (địa canh) thì có một số phương pháp trồng cây không sử dụng đất như phương pháp thủy canh và khí canh
2.1.1. Phương pháp thủy canh
Trồng cây trong dung dịch (thủy canh) là kỹ thuật trồng cây không dùng đất mà trồng trực tiếp vào môi trường dinh dưỡng hay giá thể mà không phải là đất. Các giá thể có thể là cát, trấu, vỏ xơ dừa, than bùn, vermiculite perlite... Thường được định nghĩa như là “trồng cây trong nước” hay “trồng cây không cần đất”, kỹ thuật thủy canh là một trong những nghề làm vườn hiện đại. Bí quyết của kỹ thuật này là cung cấp đủ và đúng lúc cho cây trồng các nguyên tố khoáng cần thiết. Cung cấp đầy đủ cái ăn, bảo đảm đủ ánh sáng, CO2 cho quá trình quang hợp, O2 cho quá trình hô hấp, cây trồng có thể phát triển khỏe mạnh theo ý muốn của người trồng.
Thủy canh có 2 loại đó chính là thủy canh tĩnh và thủy canh hồi lưu. Phương pháp trồng thủy canh tĩnh là hình thức thủy canh mà bạn dùng dung dịch thủy canh ở trong chậu đã được pha sẵn và nuôi những cây giống trên đó, phương pháp này thì cần có thời gian khuấy nước nhiều hơn để rễ cây có oxy phát triển. Phương pháp thủy canh hồi lưu được hiểu đơn giản là quá trình dung dịch được tự động bơm lên tưới cho rau trong kệ trồng rau thủy canh bằng máy bơm đi theo kệ, nước sẽ được luân hồi trong kệ để đảm bảo sự phát triển của cây. Đối với phương pháp thủy canh lượng dung dịch được pha với tỉ lệ chuẩn nên khi trồng bạn cần chú ý lượng dung dịch dinh dưỡng phù hợp với từng loại rau theo hướng dẫn.
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam 5
ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
Ưu điểm của HMI:
• Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin.
• Tính mềm dẻo, dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết.
• Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa.
• Tính “Mở”: có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và
nhiều loại giao thức.
• Khả năng lưu trữ cao.
Quy trình xây dựng hệ thống HMI:
• Lựa chọn phần cứng:
o Lựa chọn kích cở màn hình: trên cơ sở số lượng thông số/thông
tin cảm biến hiển thị đồng thời. nhu cầu về đồ thị, đồ họa (lưu
trình công nghệ...).
o Lựa chọn số phím cứng, số phím cảm ứng tối đa cùng sử dụng
cùng lúc.
o Lựa chọn các cổng mở rộng nếu có nhu cầu in ấn, đọc mã
vạch, kết nối các thiết bị ngoại vi khác.
o Lựa chọn dung lượng bộ nhớ: theo số lượng thông số cần thu
thập số liệu, lưu trữ dữ liệu, số lượng trang màn hình cần hiển
thị.
• Xây dựng giao diện:
o Cấu hình phần cứng: chọn phần cứng, chuẩn giao thức... o Xây dựng các màn hình.
o Gán các biến số (tag) cho các đối tượng.
o Sử dụng các đối tượng đặc biệt.
o Viết các chương trình script (tùy chọn). o Mô phỏng và gỡ rối chương trình.
o Nạp thiết bị xuống HMI.
Do Drive thay đổi chính sách, nên một số link cũ yêu cầu duyệt download. các bạn chỉ cần làm theo hướng dẫn.
Password giải nén nếu cần: ket-noi.com | Bấm trực tiếp vào Link để tải:
You must be registered for see links