ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

TS. LÊ HOÀI NAM
PHAN NGỌC HIẾU
NGUYỄN BÁ THẮNG

Đà Nẵng, 06/2017


TĨM TẮT

Tên đề tài: Vườn cây thơng minh – Farmbot
Sinh viên thực hiện: Phan Ngọc Hiếu
Số thẻ sinh viên: 101120292 Lớp:12CDT1
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng
Số thẻ sinh viên: 101120316 Lớp:12CDT1

Đồ án trình bày về quá trình thiết kế và chế tạo vườn cây thông minh
(farmbot), phục vụ cho cơng cuộc nghiên cứu các giống cây trồng mới, hoặc
tìm hiểu các tác động của các yếu tố tự nhiên đến cây trồng trong phịng thí

nghiệm. Ngồi ra hệ thống cịn nâng cao đời sống của các gia đình thơng
qua việc cung cấp các loại rau sạch phục vụ cho nhu cầu hằng ngày mà
khơng tốn cơng chăm sóc.
Trong q 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 cơng nghệ tự động vào trồng trọt là bước đầu để hiện đại hóa và
ứng dụng các cơng nghệ cao trong nông nghiệp.

i


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

CỘNG HỊA XÃ HƠI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

KHOA: CƠ KHÍ

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT

Họ tên sinh viên

Số thẻ SV

Lớp


Ngành

1

Phan Ngọc Hiếu

101120292

12CDT1 Cơ – Điện Tử

2

Nguyễn Bá Thắng

101120316

12CDT1 Cơ – Điện Tử

1. Tên đề tài đồ án: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT
2. Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực
hiện
3. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
- Kích thước máy: 1000x700x500 mm
- Phạm vi hoạt động: 700x550x300 mm
- Chức năng máy:
• Gieo hạt
• Tưới nước
• Quản lí dữ liệu cây trồng
4. Nội dung các phần thuyết minh và tính tốn:
a. Phần chung:

TT

Họ tên sinh viên

1

Phan Ngọc Hiếu

2

Nguyễn Bá Thắng

Nội dung
-

Lựa chọn phương án thiết kế

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

Nội dung

1

Phan Ngọc Hiếu

-


Lựa chọn và thiết kế mơ hình

2

Nguyễn Bắ Thắng

-

Thiết kế hệ thống điều khiển
Lập trình phần mềm và thiết kế giao diện điều
khiển

5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
ii


a. Phần chung:
TT

Họ tên sinh viên

1

Phan Ngọc Hiếu

2

Nguyễn Bá Thắng

Nội dung

-

Sơ đồ tổng quan hệ thống (A0)

b. Phần riêng:
TT

Họ tên sinh viên

1

Phan Ngọc Hiếu

2

Nguyễn Bá Thắng

Nội dung
-

Bản vẽ sơ đồ động (A0)
Bản vẽ lắp hệ thống (A0)
Bản vẽ sơ đồ mạch điện (A0)
Bản vẽ giao diện điều khiển (A0)

6. Họ tên người hướng dẫn:

Phần/ Nội dung:

TS. Lê Hoài Nam


7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án:
8. Ngày hoàn thành đồ án:

01/01/2017
25/05/2017
Đà Nẵng, ngày 19 tháng 05 năm 2017

Trưởng Bộ môn……………………….

iii

Người hướng dẫn


LỜI NĨI ĐẦU
Từ lâu, nơng nghiệp đã trở thành một lĩnh vực quan trọng và không thể tách
rời trong đời sống con người. Ngoài nhiệm vụ cung cấp lương thực cơ bản cho đời
sống thì chỉ số về sự phát triển nông nghiệp cũng đã trở thành một thước đo cho sự
phát triển của một quốc gia trên thế giới. Dựa trên cơ sở của nền nông nghiệp truyền
thống, từ lâu ở các quốc gia phát triển đã nghiên cứu và ứng dụng thành công nhiều
thành tựu khoa học vào nơng nghiệp, điển hình là các cơng nghệ trồng rau thủy
canh, mơ hình aquaponics, các thiết bị cơ khí phục vụ sản xuất nơng nghiệp,...vv.
Từ đó, giúp nền nơng nghiệp tiến lên một nấc thang mới, cải thiện cả về số lượng
lẫn chất lượng của sản phẩm ( Sản lượng của ngành nông nghiệp công nghệ cao
chiếm tới 80% tổng sản lượng nông nghiệp của một quốc gia). Nước ta tiền thân là
một nước nông nghiệp, với hơn 70% dân số làm về nơng nghiệp nhưng chỉ đóng
góp 20% GDP. Trong khi đó ở những quốc gia phát triển, tỷ lệ lao dộng nông
nghiệp chỉ chiếm 2% đến 4% dân số nhưng đóng góp tới 40% GDP. Từ đó cho thấy
rằng giá trị mang lại và hiệu quả của ngành nông nghiệp ở nước ta thấp hơn rất

nhiều so với các nước trong cùng khu vực và trên thế giới. Nguyên nhân chủ yếu do
sản xuất còn manh mún, nhỏ lẻ, việc đầu tư khoa học kĩ thuật vào nông nghiệp chưa
được thực sự đẩy mạnh.
Từ những lí do trên, nhóm tác giả quyết định nghiên cứu, thiết kế, chế tạo
một hệ thống trồng cây thông minh (Farm Bot), tất cả các khâu từ khâu gieo hạt,
tưới nước, quản lí thơng tin cây trồng... đều hồn tồn tự động. Đây sẽ là một thiết
bị mang lại hiệu quả cao trong các lĩnh vực nghiên cứu về giống cây trồng cũng như
những yếu tố liên quan đến sự sinh trưởng của cây như ánh sáng, phân bón, nhiệt
độ, độ ẩm... Khơng những vậy, nó cịn là dụng cụ hỗ trợ đắc lực trọng việc chăm
sóc khu vườn một cách tự động, khơng tốn q nhiều cơng sức chăm sóc mà cây
trồng vẫn đạt năng suất và hiệu quả nhất.
Nhóm chúng em xin cảm ơn sự giúp đỡ và hướng dẫn của các thầy trong
khoa cơ khí đặc biệt là TS. Lê Hồi Nam đã tận tình giúp đỡ nhóm trong suốt q
trình làm đồ án. Do thời gia có hạn và còn thiếu kinh nghiệm trong thiết kế, hiểu
biết thực tế cịn ít nên trong q trình thực hiện đồ án tốt nghiệp khơng tránh khỏi
những sai sót. Em kính mong nhận được sự thông cảm chỉ bảo của các thầy cơ giáo.
Em xin chân thành cám ơn.
Nhóm sinh viên thực hiện
iv


Phan Ngọc Hiếu – Nguyễn Bá Thắng

CAM ĐOAN

Tôi tên là: Nguyễn Bá Thắng
Lớp: 12CDT1 ................... Khoa: Cơ khí
Tơi tên là: Nguyễn Bá Thắng
Lớp: 12CDT1 ................... Khoa: Cơ khí
Chủ nhiệm đề tài: Vườn cây thông minh - FARMBOT

Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu của riêng tơi thực hiện dưới
sự hướng dẫn của TS Lê Hoài Nam là đề tài làm mới, không sao chép hay
trùng với đề tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã
nêu trong báo cáo.
Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được
ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

v


MỤC LỤC

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. Ngơn ngữ lập trình PLC................................................................... 49
5.1.2. Lưu đồ thuật tốn............................................................................. 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 nơng nghiệp tự nhiên ........................ 2
Hình 1.2: Máy gặt được Cyrus McCormick phát minh ............................................ 3
Hình 1.3: Cơ giới hóa trong nơng 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: Vịng trịn 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: Nhơm 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 cơng 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 ngun 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 ngun lí hoạt động của CB dịng 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 tốn q trình gieo hạt ...................................................... 50
Hình 5.3: Lưu đồ thuật tốn q 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 mơ 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, hoặc
tìm hiểu các tác động của các yếu tố tự nhiên đến cây trồng trong phịng thí nghiệm.
Ngồi ra hệ thống còn nâng cao đời sống của các gia đình thơng qua việc cung cấp
các loại rau sạch phục vụ cho nhu cầu hằng ngày mà không tốn công chăm sóc.
Trong q 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 sốt thơng 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 nơng nghiệp
Trong phần lớn lịch sử lồi 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 nơng nghiệp có thể được định
nghĩa là giây phút chúng ta khơng cịn săn đuổi theo lương thực và bắt đầu tự nuôi
trồng lương thực.
Khi con người cải tiến nơng nghiệp, nơng 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 ngun mới trong lịch sử lồi người, nơng nghiệp đối mặt với những
thử thách mới và những trách nhiệm mới.

Hình 1.1: Từ lâu con người đã thuần hóa nền nơng 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 dự đốn được, lồi người nảy ra sáng kiến
sinh sống ở nguyên một chỗ. Các thành phố bắt đầu hình thành.
Bằng cách này, nơng nghiệp bắt đầu khơng 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 dụng cụ từ gỗ và đá để phục
vụ cho các công việc săn bắt và hái lượm, đó cũng chính là những cơng 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 thơ sơ trong cách chế tạo, nhưng đã có thể chặt phá rừng. Cũng sẽ rất bình
thường khi nhận định rằng hầu hết dụng cụ thời kỳ này làm bằng gỗ, vì sự phát triển
của nơng 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 cơng cụ trong NN cũng được cơ giới hóa.
Đây là thời kì cơng nghiệp hóa của nền nông nghiệp thế giới. Những hiệu quả công
nghệ mới giúp cho nơng dân kiểm sốt 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 nơng 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 cịn lại hiện nay là thích hợp cho
cây trồng, khơng những thế sự biến đổi khí hậu trên tồn 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 địi hỏi các nhà nghiến cứu phải đẩy mạnh nghiên cứu, tìm tịi 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 phương
thức 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 CƠNG NGHỆ VÀO NƠNG NGHIỆP

Nơng nghiệp cơng nghệ cao là nền sản xuất nông nghiệp theo hướng hiện
đại, với sự tích hợp của nhiều ngành từ cơng nghệ cơ khí, điện tử, tự động hóa, hóa
học, cơng nghệ số thơng tin truyền thơng, cơng nghệ sinh học, khí tượng, tài chính quản trị kinh doanh, chế biến, bảo quản... để hình thành sản phẩm nơng 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 nơng nghiệp hiện đại
Ngày nay ngồi các phương pháp nơng 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 hoặc 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” hoặc “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 q
trình hơ 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 phải 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 TƠT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THƠNG MINH - FARMBOT

Hình 2.1: Phương pháp thủy canh tĩnh

Hình 2.2: Phương pháp thủy canh hồi lưu
❖
Ưu điểm của kỹ thuật thủy canh:
- Không cần đất, chỉ cần không gian để đặt hộp dụng cụ trồng, do vậy có thể
triển khai ở những vùng đất cằn cỗi như hải đảo, vùng núi xa xôi cũng như
-

tại gia đình sân thượng, balcon.
Khơng phải làm đất, khơng có cỏ dại, khơng cần tưới.
Trồng được nhiều vụ, có thể trồng trái vụ,
Khơng phải sử dụng thuốc trừ sâu bệnh và các hóa chất độc hại khác.


-

Năng suất cao vì có thể trồng liên tục.
Sản phẩm hồn tồn sạch, đồng nhất. Giàu dinh dưỡng và tươi ngon.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

6


ĐỒ ÁN TƠT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THƠNG MINH - FARMBOT

-

Khơng tích lũy chất độc, khơng gây ơ nhiễm mơi trường.
Khơng đòi hỏi lao động nặng nhọc, người già trẻ em đều ó thể tham gia hiệu
quả.

❖
Nhược điểm của kỹ thuật thủy canh
- Vốn đầu tư ban đầu cao do chí phí về trang thiết bị. Tuy nhiên, chi phí này
khơng phải là cao so với những chi phí phải trả để diệt sâu bệnh và côn
trùng, thuê nhân công. Hơn nữa các máy móc thiết bị được tái sử dụng nhiều
-

lần nên chỉ tốn chi phí đầu tư cho ban đàu.
Địi hỏi trình độ chun mộ kỹ thuật cao để sản xuất có hiệu quả. Điều này

gây trở ngại cho việc đưa phương pháp thủy canh mở rộng đại trà.
Trong quá trình hấp thu các chất dinh dưỡng, thực vật làm thay đổi độ pH
trong dung dịch thủy canh. Do đó, cần phải điều chỉnh pH mồi ngày. Giá trị

-

pH tối thích từ khoảng 5.8 - 6.5. giá trị pH càng chênh lệch khỏi khoảng này
thì mức độ ảnh hưởng khơng tốt lên hệ thống thủy canh càng lớn.
Ngồi ra, những yếu tố thay đổi đột ngột môi trường cũng như việc cung cấp
chất dinh dưỡng hay tưới nước không đúng có thể gây ra những triệu chứng
rối loạn sinh lý ở cây

2.1.2. Phương pháp khí canh
Khí canh thực chất là một trong những phương pháp của thủy canh, đã được
nghiên cứu từ thế kỷ XVII và phát triển phổ biến gần đây. Với khí canh, rễ cây lơ
lững trong khơng khí, được cungcấp nước và chất dinh dưỡng bằng phun sương và
khơng khí xung quanh ln được giữ ẩm. Nguyên tắc cơ bản của hệ thống khí canh
là phun một màn sương giàu dinh dưỡng trực tiếp lên rễ hay củ. Việc phun sương
thường được thực hiện mỗi vài phút, như vậy, cây vừa có đủ thức ăn, vừa có đủ
nước uống và ln có khơng khí để thở. Phương pháp này làm tăng quá trình trao
đổi chất của cây gấp mười lần so với trồng cây trong đất. Được cung cấp đầy đủ cái
ăn, bảo đảm đủ ánh sáng cho q trình quang hợp, khí cho q trình hô hấp, cây
trồng sẽ phát triển khỏe mạnh và cho sản phẩm theo ý muốn. Bí quyết của khí canh
là cung cấp đủ và đúng lúc cho cây trồng các chất dinh dưỡng cần thiết.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

7



ĐỒ ÁN TƠT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THƠNG MINH - FARMBOT

Hình 2.3: Phương pháp khí canh
❖ Ưu điểm:
-

Giảm lượng nước và phân bón (tiết kiệm 90 – 95% so với phương
pháp địa canh)
Hạn chế bệnh và không cần thuốc bảo vệ thực vật
Cây có thể mọc dày mà khơng làm ảnh hưởng tới nhau

-

Chiếm ít khơng gian và có thể tăng mùa vụ quanh năm
❖ Nhược điểm:

-

Khí canh yêu cầu kĩ thuật cao, địi hỏi người dùng phải nắm rõ và
chính xã trong khâu cung cấp và kiểm soát nước, dưỡng chất,
khơng khí, ánh sang tùy thuộc mỗi loại cây trồng.

-

Chi phí đâu tư ban đầu lớn
Mơi trường trồng cây phải được giữ cho sạch bênh, phụ thuộc vào
nhiều yếu tố như sử dụng hạt, giống cây sạch bệnh và hệ thống khí
canh trong nhà kính cần có điều kiện vệ sinh thật sạch, nước tưới

sạch và dưỡng chất phun sương cần tiệt trùng…

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

8


ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT

2.2. Mốt số ứng dụng của khoa học công nghệ và tự động hóa trong trồng trọt

Hình 2.4: Tủ trồng rau trong gia đình

Hình 2.5: Vịng trịn trồng rau

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

9


ĐỒ ÁN TƠT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THƠNG MINH - FARMBOT

Hình 2.6: Máy trồng rau trong gia đình

Hình 2.7: Trồng rau thủy canh trong nhà
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu


Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

10


ĐỒ ÁN TƠT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THƠNG MINH - FARMBOT

Hình 2.8: Trồng rau thủy canh trên mặt nước
❖ Nhận xét:
Hiện nay, trên thế giới đã áp dụng rất nhiều các thành tựu về KHKT vào
ngành NN. Có rất nhiều phương pháp để nghiên cứu ứng dụng tự động hóa trong
NN, nhưng với mục đích tạo ra sản phẩm phục vụ cho phịng nghiên cứu về cây
trồng nên nhóm tác giả lựa chọn phương án thổ canh (trồng cây trên đất), là một
phương pháp truyền thống thể hiện rõ nhất các đặc tính của cây trồng. Ngồi ra, cịn
phục vụ cho các các gia đình có nhu cầu sử dụng khoảng khơng gian nhỏ của gia
đình mình để trồng cây nên thiết kế mà nhóm tác giả lựa chọn phải đơn giản và hiệu
quả, để mọi người điều có thể dễ dàng sử dụng.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

11


ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT

THIẾT KẾ HỆ THỐNG FARMBOT
3.1. Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D onshape

3.1.1. Giới thiệu cad và các phần mềm thiết kế cad
Computer aided design, viết tắt là CAD trong tiếng Anh (thiết kế được sự hỗ
trợ của máy tính), được dùng rộng rãi trong các thiết bị nền tảng bằng máy tính hỗ
trợ cho các kỹ sư, kiến trúc sư và các chuyên viên thiết kế khác. Các sản phẩm từ hệ
thống nền tảng vectơ 2D đến các bề mặt và hình khối 3D tạo hình.
CAD dùng nhiều hình thức khác nhau trong các cơng ty sản xuất. Mơ hình
đơn giản nhất là họa hình 2D. Tuy nhiên trong 20 năm trở lại đây thì mơ hình các
kết cấu bằng 3D được dùng đến. Các thiết bị được tạo nên từ việc tạo bề mặt hay
tạo hình khối, hay kết hợp cả hai. Các bộ phận riêng lẻ được lắp thành một sản
phẩm hồn chỉnh. Mơ hình lắp ráp giúp cho việc định hướng các bộ phận có ăn
khớp đến giai đoạn cuối cùng. Việc kiểm tra các tính chất có thể được thực hiện trên
mơ hình để bảo đảm độ bền. Các năm trở lại đây các kỹ thuật và phương pháp phát
triển từ A đến Z trong việc thiết kế với CAD. Bắt đầu từ việc tạo hình sản phẩm; có
thể chia nhỏ thành các chi tiết; tạo hình các chi tiết nhỏ có liên quan chặt chẽ đến
từng hệ thống kế tiếp. Thiết kế chi tiết các bộ phên chun biệt sau đó được hồn tất
trước khi xây dựng nên việc lắp ráp cuối cùng.

Hình 3.1: Cơ cấu cánh tay robot được thiết kế trên phần mềm cad
Đây là một ngành công nghiệp luôn biến động với các sản phẩm nổi tiếng và
các công ty nắm vai trị chủ đạo và liên hiệp với các cơng ty. Có nhiều sản phẩm
CAD có mặt trên thị trường. Hơn nữa là các sản phẩm là từ 4 tổ hợp PLM
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam

12


ĐỒ ÁN TÔT NGHIỆP: VƯỜN CÂY THÔNG MINH - FARMBOT


Corporation Autodesk, Dassault Systemes, PTC và UGS Corp, tuy nhiên có các
phần mềm CAD khác thích hợp với dữ liệu cho người dùng nhỏ.
Các sản phẩm có thể chia làm 3 loại: hệ thống họa hình 2D như là AutoCad,
Microstation...; tạo mơ hình khối 3D trung gian như là SolidWorks, SolidEdge...; và
hệ thống phối hợp cho sản phẩm 3D cuối cùng như là Catia, NX (unigraphics)...
Tuy nhiên khơng có một định nghĩa rõ ràng về sự phân loại này vì một số sản phẩm
2D có thể làm mơ hình 3D và các chương trình trung gian đang tăng dần chức năng
bề mặt, các sản phẩm thuộc nhóm sau cùng tăng mặt phân giới với hướng của hệ
điều hành Windows.
❖ Nhận xét: Các công cụ thiết kế cad trên thị trường hiện nay với các công
cụ thiết kế linh động và hữu ích đã giúp ích rất nhiều trong việc thiết kế
các bản vẽ 2D và 3D, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí trong khâu hồn
thiện sản phẩm. Tuy nhiên các cơng cụ trên vẫn cịn một số nhược điểm
sau.
- Phần mềm thiết kế khá nặng, địi hỏi máy tính có cầu hình cao
- Chỉ có máy tính đã cài phần mềm mới có thể sử dụng nên khơng
-

linh động
Bản quyền các phần mềm khá mắc

Trong khuôn khổ đồ án này, nhóm tác giả chọn thiết kế bản vẽ 2D và 3D trên
onshape, với những ưu điểm của phần mềm thiết kế thì onshape đã giải quyết được
những vấn đề nêu trên.
3.1.2. Thiết kế bản vẽ cad 2D và 3D trên onshape

Hình 3.2: Phần mềm thiết kế onshape
Sinh viên thực hiện: Nguyễn Bá Thắng – Phan Ngọc Hiếu

Hướng dẫn: TS. Lê Hoài Nam


13