Tài liệu Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện khí hậu lào

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG .. SOUDTIPANYA SAMLETH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ TRỒNG THÔNG MINH TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU LÀO LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên – 2020 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG SOUDTIPANYA SAMLETH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ TRỒNG THÔNG MINH TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU LÀO LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 84 8 01 01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phùng Trung Nghĩa Thái Nguyên – 2020 I LỜI CAM ĐOAN Họ và tên học viên: Soudtipanya Samleth Lớp cao học: CK17A Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên. Chuyên ngành: Khoa học máy tính Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện khí hậu Lào” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phùng Trung Nghĩa – Giảng viên trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông. Tôi xin cam đoan những nội dung, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các thông tin trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn gốc. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Soudtipanya Samleth II LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sỹ, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp. Trước hết cho phép tôi được cảm ơn quý thầy, cô trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học vừa qua. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu luận văn mà còn là hành trang quý báu trong công việc và trong cuộc sống. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phùng Trung Nghĩa đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và người thân, những người đã bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Trân trọng cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Soudtipanya Samleth III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ V DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................VI DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ VII MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ TRỒNG THÔNG MINH................................... 3 1.1. Khái niệm nhà trồng thông minh ................................................................. 3 1.1.1. Nông nghiệp thông minh (smart agriculture) ........................................... 3 1.1.2. Nhà trồng thông minh (smart farm).......................................................... 5 1.2. Các thành phần của trong nhà trồng thông minh....................................... 14 1.3. Mục tiêu của luận văn................................................................................ 15 Chương 2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG NHÀ TRỒNG THÔNG MINH TRONG ĐIỀU KIỆN LÀO ..................................................................................................... 17 2.1. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh .................................................. 17 2.1.1. Phần cứng điển hình ............................................................................... 18 2.1.2 Phần mềm ................................................................................................ 22 2.2. Thực trạng và khả năng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào ............. 24 2.2.1. Thực trạng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào .............................. 24 2.2.2. Khó khăn và thuận lợi trong việc ứng dụng nhà trồng thông minh trong nông nghiệp tại Lào .......................................................................................... 25 2.2.3. Các đặc trưng của hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện Lào 26 Chương 3 XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM NHÀ TRỒNG THÔNG MINH ............... 28 3.1. Mô hình thử nghiệm .................................................................................. 28 3.2. Lựa chọn phương án thiết kết .................................................................... 29 3.2.1. Phương án thiết kế thứ nhất .................................................................... 29 3.2.2. Phương án thiết kế thứ hai ...................................................................... 30 3.3. Thiết kế phần cứng .................................................................................... 31 IV 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống ....................................................................... 31 3.3.2. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống........................................................ 32 3.4. Thiết kế phần mềm .................................................................................... 37 3.4.1. Lưu đồ thuật toán hệ thống ..................................................................... 37 3.4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển thiết bị bơm ......................... 39 3.5. Kết quả thực nghiệm và đánh giá .............................................................. 45 3.5.1. Kết quả thực nghiệm sản phẩm .............................................................. 45 3.5.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ................................................................ 47 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 50 V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Ý nghĩa Viết tắt bởi Global Positioning System 1. GPS 2. BVTV 3. RTOS 4. GPIO 5 MCU Multipoint control unit (viết tắt của cụm từ) 6 LED light emitting diode (điốt phát sáng) là một danh từ không còn xa lạ gì, nhất là đối với những người trong ngành nông nghiệp Hệ điều hành thời gian thực GPIO (General Purpose Input Output) chính là cửa ngõ giao tiếp vào/ra của vi điều khiển. VI DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Chỉ tiêu kĩ thuật khối MCU ...................................................................... 19 Bảng 2.2: Chỉ tiêu kĩ thuật khối ZigBee ................................................................... 20 Bảng 2.3: Đặc điểm kĩ thuật khối Wifi ..................................................................... 20 Bản khối nguồn ......................................................................................................... 21 VII DANH MỤC HÌNH Hình 1. Mô hình nhà trồng thông minh tưới tiêu tự ................................................... 1 Hình 1.1. Nhà lưới kín ................................................................................................ 8 Hình 1.2 Mô hình nhà lưới hở ..................................................................................... 9 Hình 1.3 Mô hình nhà màng .................................................................................... 11 Hình 2.1 Sơ đồ khối nhà trồng thông minh .............................................................. 17 Hình 2.2 Sơ đồ khối của Main – board .................................................................... 18 Hình 2.3 Sơ đồ khối Sub – board ............................................................................. 20 Hình 2.4 Sơ đồ nối dây cảm biến IC đo nhiệt độ cơ bản ......................................... 21 Hình 2.5 Hình ảnh IC đo độ ẩm cơ bản ................................................................... 22 Hình 2.6 Giao diện Arduino IDE ............................................................................. 23 Hình 2.7 Mô hình nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào ...................... 27 Hình 3.1 Mô hình thiết kế thử nghiệm nhà trồng thông minh ................................. 28 Hình 3.2 Thiết kế hệ thống trên nền tảng mạng cảm biến không dây ..................... 29 Hình 3.3 Thiết kế thử nghiệm hệ thống nhà trồng thông minh ................................ 30 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống ............................................................. 31 Hình 3.5 Module ESP8266 ....................................................................................... 32 Hình 3.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 ............................................................. 34 Hình 3.7 Cảm biến độ ẩm đất và LM393 .................................................................. 35 Hình 3.8 Cảm biến mức nước ................................................................................... 35 Hình 3.9 Module Relay 2 kênh 5V ........................................................................... 36 Hình 3.10 Máy bơm 12V .......................................................................................... 37 Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán hệ thống ...................................................................... 38 Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán thu thập thông số môi trường ..................................... 38 Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển thiết bị ........................... 39 Hình 3.14 Giao diện chương trình ............................................................................ 41 Hình 3.15 Giao diện chính của chương trình ............................................................ 42 Hình 3.16 Biểu tượng và thông số nhiệt độ .............................................................. 42 Hình 3.17 Biểu tượng và thông số độ ẩm môi trường. ............................................. 42 VIII Hình 3.18 Biểu tượng và thông số độ ẩm đất ........................................................... 43 Hình 3.19 Màn hình cảnh báo khi thông số vượt ngưỡng giới hạn .......................... 43 Hình 3.20 Thông tin cảnh báo trên thiết bị người dùng ............................................ 43 Hình 3.21 Giao diện điều khiển hệ thống bơm tưới.................................................. 44 Hình 3.22 Thiết lập thời gian điều khiển hệ thống bơm tưới .................................... 44 Hình 3.23 Hệ thống nhà trồng thông minh ............................................................... 45 Hình 3.24 Khối xử lý trung tâm của nhà trồng thông minh ...................................... 46 Hình 3.25 Giao diện chương trình điều khiển hệ thống bơm tưới ............................ 46 Hình 3.26 Giao diện chương trình thu thập thông số từ cảm biến ............................ 47 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề: Hiện nay, nền kinh tế Lào ngày càng phát triển, đời sống của người dân cũng ngày càng được nâng cao. Nhu cầu tiêu dùng hàng hóa chất lượng cao nói chung và sản phẩm nông nghiệp sạch, an toàn nói riêng càng trở nên cấp thiết với người dân. Để đáp ứng nhu cầu thiết yếu này, một vài doanh nghiệp tại Lào đã đầu tư xây dựng nhà trồng rau, hoa quả, nấm sạch (nhà màng, nhà lưới, nhà kính,… gọi chung là nhà trồng thông minh). Nhà trồng từ lâu đã được phát triển ở các nước phát triển và có khí hậu ôn đới như Âu – Mỹ. Tuy nhiên với cụ thể về kinh tế và khí hậu của Lào thì cần có những giải pháp thiết kế phù hợp. Do vây, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nông nghiệp thông minh có khả năng ứng dụng tại Lào” làm luận văn thạc sĩ của mình. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nhà trồng thông minh và giải pháp thiết kế phù hợp với điều kiện Lào. Phạm vi của luận văn bao gồm nghiên cứu về kiến trúc hệ thống, phương pháp thiết kế, thông số kỹ thuật của các thành phần trong hệ thống nhà trồng thông minh, giải pháp thiết kế nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện thực tế tại Lào. Hình 1. Mô hình nhà trồng thông minh tưới tiêu tự động. 2 3. Hướng nghiên cứu của luận văn: Hướng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu về giải pháp thiết kế nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện của Lào. 4. Những nội dung nghiên cứu chính: Chương 1. Tổng quan về nhà trồng thông minh 1.1. Khái niệm nhà trồng thông minh 1.2. Thành phần trong nhà trồng thông minh 1.3. Mục tiêu của luận văn Chương 2. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào 2.1. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh 2.2. Thực trạng và khả năng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào Chương 3. Thiết kế thử nghiệm nhà trồng thông minh. 3.1. Mô hình thử nghiệm 3.2. Thiết kế phần cứng 3.3. Thiết kế phần mềm 3.4. Thử nghiệm hệ thống 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có trên thế giới [1-12] để phân tích, đánh giá về kiến trúc nhà trồng thông minh. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, luận văn cũng sẽ nghiên cứu các giải pháp phù hợp với điều kiện của Lào để thực nghiệm và đánh giá một mô hình demo. 6. Ý nghĩa khoa học của luận văn: Như đã trình bày trong phần 1, nghiên cứu về nhà trồng thông minh có vai trò quan trọng trong nền kinh tế thông minh 4.0 hiện nay. Đây không phải vấn đề nghiên cứu mới trên thế giới nhưng còn khá mới mẻ ở Lào. Do vậy vấn đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ TRỒNG THÔNG MINH 1.1. Khái niệm nhà trồng thông minh 1.1.1. Nông nghiệp thông minh (smart agriculture) Nông nghiệp là ngành sản xuất vật chất cơ bản của xã hội, sử dụng đất đai để trồng trọt và chăn nuôi, khai thác cây trồng và vật nuôi làm tư liệu và nguyên liệu lao động chủ yếu để tạo ra lương thực thực phẩm và một số nguyên liệu cho công nghiệp. Nông nghiệp là một ngành sản xuất lớn, bao gồm nhiều chuyên ngành: Trồng trọt, chăn nuôi, sơ chế nông sản; theo nghĩa rộng, còn bao gồm cả lâm nghiệp, thủy sản. [1] Nông nghiệp bền vững là vấn đề thời sự được nhiều nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau quan tâm, như: nông học, sinh thái học, xã hội học… Hiện có nhiều định nghĩa khác nhau, trong đó đáng quan tâm là định nghĩa của tổ chức sinh thái và môi trường thế giới bởi tính tổng hợp và khái quát cao: nông nghiệp bền vững là nền nông nghiệp thoả mãn được các yêu cầu của thế hệ hiện nay, mà không giảm khả năng ấy đối với các thế hệ mai sau. Có nghĩa là nền nông nghiệp không những cho phép các thế hệ hiện nay khai thác tài nguyên thiên nhiên vì lợi ích của họ mà còn duy trì được khả năng ấy cho các thế hệ mai sau, cũng có ý kiến cho rằng sự bền vững của hệ thống nông nghiệp là khả năng duy trì hay tăng thêm năng suất và sản lượng nông sản trong một thời gian dài mà không ảnh hưởng xấu đến điều kiện sinh thái. Như vậy, nền nông nghiệp bền vững phải đáp ứng được hai yêu cầu cơ bản là: đảm bảo nhu cầu nông sản của loài người hiện nay và duy trì được tài nguyên thiên nhiên cho các thế hệ mai sau, bao gồm gìn giữ được quĩ đất, quĩ nước, quĩ rừng, không khí và khí quyền, tính đa dạng sinh học v.v… Xây dựng nền nông nghiệp bền vững là việc làm cấp thiết và là xu hướng tất yếu của tiến trình phát triển. Theo định nghĩa của Codex Alimentarius, cơ quan Liên hợp quốc giám sát các tiêu chuẩn về lương thực trên toàn thế giới, nông nghiệp sạch là một hệ thống quản lý sản xuất nông nghiệp tránh sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu tổng hợp, giảm tối đa ô nhiễm không khí, đất và nước, tối ưu về sức khỏe và hiệu quả của các cộng đồng sống phụ thuộc lẫn nhau giữa cây trồng, vật nuôi và con người. 4 Nông nghiệp chính xác còn được gọi là canh tác chính xác là tất cả mọi thứ giúp cho hoạt động nông nghiệp chính xác hơn và được kiểm soát tốt hơn đối với sự phát triển của cây trồng và chăn nuôi gia súc. Một thành phần quan trọng của phương pháp quản lý trang trại này là sử dụng công nghệ thông tin và một loạt các công cụ như điều hướng GPS, hệ thống điều khiển, cảm biến, rô bốt, máy bay, xe tự hành, kỹ thuật xử lý với định lượng thay đổi, lấy mẫu dựa trên GPS, phần cứng tự động, viễn thông và phần mềm. [2] Theo định nghĩa của tổ chức Nông nghiệp Liên hiệp Quốc FAO, nông nghiệp thông minh là một khái niệm quản lý canh tác sử dụng công nghệ hiện đại để tăng số lượng và chất lượng nông sản. Nông dân trong thế kỷ 21 có thể truy cập GPS, bản đồ đất, quản lý dữ liệu và công nghệ Internet of Things (IoT). Bằng cách thu thập các dữ liệu chính xác và điều chỉnh chiến lược sản xuất phù hợp, nông dân có thể tăng đáng kể hiệu quả của thuốc trừ sâu và phân bón, nông dân có thể theo dõi tốt hơn nhu cầu của thực vật, động vật và điều chỉnh dinh dưỡng tương ứng, từ đó ngăn ngừa bệnh tật và tăng cường sức khỏe của cây trồng và đàn gia súc. [3] Sự phát triển nông nghiệp nông minh ở các quốc gia trên thế giới tập trung vào các vấn đề chủ yếu sau: - Ứng dụng cảm biến kết nối vạn vật hầu hết các trang trại nông nghiệp; các thiết bị cảm biến, thông minh được kết nối và điều khiển tự động trong suốt quá trình sản xuất nông nghiệp giúp ứng phó với biến đổi khí hậu, cải thiện vi khí hậu trong nhà kính; - Công nghệ đèn LED sử dụng đồng bộ trong canh tác kỹ thuật cao để tối ưu hóa quá trình sinh trưởng, ứng dụng ở các quốc gia có quỹ đất nông nghiệp ít hoặc nông nghiệp đô thị; - Canh tác trong nhà kính, nhà lưới, sử dụng công nghệ thủy canh, khí canh nhằm cách ly môi trường tự nhiên, chủ động ứng dụng đồng bộ công nghệ; - Tế bào quang điện nhằm sử dụng hiệu quả không gian, giảm chi phí năng lượng; hầu hết các thiết bị trong trang trại/doanh nghiệp được cấp điện mặt trời và các bộ pin điện mặt trời; - Sử dụng người máy thay cho việc chăm sóc cây trồng, vật nuôi ngày càng trở nên phổ biến, được ứng dụng tại các quốc gia già hóa dân số và quy mô sản xuất lớn; 5 - Sử dụng các thiết bị bay không người lái và các vệ tinh khảo sát thực trạng, thu thập dữ liệu, từ đó phân tích, khuyến nghị trên cơ sở dữ liệu cập nhật để quản lý trang trại; - Công nghệ tài chính phục vụ các hoạt động từ trang trại được kết nối bên ngoài, nhằm đưa ra công thức quản trị trang trại đạt hiệuquả nhất. Hiện nay, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều nhận thức rõ sự cần thiết phải phát triển nông nghiệp thông minh bởi những tác động tiêu cực từ biến đổi khí hậu ngày một rõ rệt trên phạm vi toàn cầu; Sức ép từ đảm bảo an ninh lương thực do tăng dân số; Nhu cầu thị trường thay đổi theo hướng yêu cầu ngày càng cao hơn đối với nông sản, thực phẩm không chỉ về sản lượng mà còn về chất lượng, dinh dưỡng, an toàn, tốt cho sức khỏe... [3], [5] 1.1.2. Nhà trồng thông minh (smart farm) Nhà trồng là khu vực trồng trọt có sử dụng các kết cấu nhà cơ khí để giảm ảnh hưởng, tác động của môi trường tự nhiên tới cây trồng. Các loại nhà trồng phổ biến bao gồm nhà kính, nhà lưới, nhà màng. 1.1.2.1. Nhà kính Nhà kính là công trình thường có tường và mái làm bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh. Vì nhà kính có mái và tường bằng kính hoặc nhựa nên chúng có khả năng tự nóng lên do bức xạ nhìn thấy được của mặt trời khi đi qua lớp kính trong suốt bị hấp thụ bởi thực vật, đất đai và những thứ khác ở bên trong nhà kính. [6] Không khí được làm ấm bởi nhiệt từ những bề mặt nóng bên trong được giữ lại bởi mái nhà và những bức tường. Thêm vào đó, những cây cối và cấu trúc bên trong nhà kính sau khi được làm ấm lại bức xạ lần nữa nhiệt năng của chúng trong dải quang phổ hồng ngoại. Do có thể điều chỉnh được nhiệt độ, cũng như việc tưới nước duy trì độ ẩm nhất định nên có thể quy định được khí hậu trong nhà kính. Khu vườn ngoài trời và trong nhà kính có lợi thế và bất lợi khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và yêu cầu cụ thể của người làm vườn. Sử dụng nhà kính để mở rộng mùa trồng trọt. Điều này giúp trồng sớm và thu hoạch trễ. Sử dụng nhà kính để trồng nhiều loại thực vật vì khả năng điều khiển chính 6 xác khí hậu và đất. Quản lý là cần thiết cho nhà kính trong những tháng nghỉ ngơi để đảm bảo điều kiện thích hợp được duy trì. Sử dụng nhà kính là một lợi thế cho việc kiểm soát sâu bệnh. Kiểm soát nấm hoặc vi khuẩn trong không khí từ các nguồn bên ngoài, chúng vẫn có thể nhập vào nhà kính nếu gió được phép vào nhà kính. Kiểm soát chính xác nhiệt độ và điều kiện phát triển là cần thiết cho phát triển thảm thực vật chung cho các vùng đang phát triển. Giống cây trồng trong nhà kính khi bạn muốn tránh hạt bị thổi bay đi hoặc bị chim và động vật ăn. Nhà kính thường được phân chia thành hai loại, nhà bằng kính và nhựa. Nhựa được sử dụng chủ yếu là polyetylen, polycacbonat hoặc polyhouses (màng nhà kính PE). Sử dụng nhà kính thủy tinh khi nhà kính cần cấu trúc ổn định lâu dài. Sử dụng khi nhà kính có thể cần di chuyển, vì trọng lượng nhựa PE nhẹ và dễ dàng hơn thủy tinh để di chuyển đến một vị trí mới. Chi phí xây dựng nhà kính có thể thay đổi rất nhiều khi sử dụng các vật liệu có sẵn. Sử dụng màng nhà kính PE sẽ cho chi phí thấp hơn trong việc xây dựng và làm ấm không khí. So với nhà kính thủy tinh, nhà kính PE có ánh sáng truyền qua giảm hơn và giữ độ ẩm cao hơn. Những ưu điểm của hệ thống nhà kính trong nông nghiệp: - Mô hình nhà kính trồng cây, trồng rau có ưu điểm đáng kể nhất đó chính là không bị tác động bởi những yếu tố thời tiết như trời mưa to, gió lớn, thì cây trồng, rau xanh, cây ăn quả sẽ không bị các trận gió, mưa lớn gây dập nát, đổ ngã. Hay những tháng 5 nắng bức, cây trồng sẽ không bị khô khan, léo lụi, vàng úa và nó còn kết hợp với hệ thống thủy canh, sẽ cung cấp lượng nước vừa phải cho cây trồng. - Ruồi vàng, sâu bọ, ong bướm, cào cào, mối… là những côn trùng gây phá hoại nông sản khiến nhiều người lo ngại. Nhưng với hệ thống xung quanh các bức tường đều được làm bằng kính và cả mái che cũng bằng kính sẽ giúp cây trồng, rau xanh được che chắn khỏi tác nhân gây hại này. Chính điều này, sẽ giúp người nông dân hạn chế việc dùng thuốc trừ sâu cho rau, cây trồng. Sản phẩm thu lại đảm bảo an toàn, sạch sẽ hơn nhiều. - Với thiết kế thông minh, mái vòm nhà kính khi lắp đặt sẽ cung cấp đầy đủ lượng ánh sáng cho cây trồng, đảm bảo quá trình quang hợp diễn ra tốt. Đặc biệt, khi kết hợp với phương pháp thủy canh tự động sẽ giúp tiết kiệm nhiều chi phí hoạt động, cắt giảm chi phí lao động cho việc tưới nước, chất dinh dưỡng. Mô hình nhà kính giúp tiết kiệm 7 nước hơn nhờ việc giữ hơi nước hiệu quả, giúp giữ môi trường luôn ẩm ướt thuận lợi cho cây phát triển. - Hệ thống nhà kính tối ưu nhất vì có thể điều khiển vi khí hậu và áp dụng công nghệ cao bao gồm hệ thống làm mát, hệ thống tưới, hệ thống lưu thông không khí, các loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm… Nhìn chung, trồng cây trong nhà kính là mô hình mang đến nhiều ưu điểm, đặc biệt là có thể thu lại năng suất, chất lượng đạt hiệu quả cao nhất. [7] 1.1.2.2. Nhà lưới Nhà lưới là một trong những mô hình nhà kính trồng trọt được tìm hiểu rất nhiều trong những năm gần đây. Tùy vào thiết kế và mục đích sử dụng mà loại vật liệu sử dụng sẽ khác nhau. Nhà lưới đúng theo tên gọi của nó, sử dụng bộ lưới để che nắng, giảm thế năng của hạt mưa, giảm cường độ ánh sáng, chắn côn trùng và chắn gió. Một bộ lưới không thể thỏa mãn nhiều mục đích cùng một lúc. Sẽ có những dạng lưới chuyên để chắn côn trùng nhưng khả năng cản gió sẽ giảm đi. Tùy vào đặc điểm sinh học của loại cây trồng sẽ phù hợp với các loại lưới khác nhau. Thiết kế sẽ có hai dạng là nhà lưới kín và nhà lưới hở. Nhà lưới kín sẽ bảo vệ khu vườn tốt hơn nhà lưới hở. Tuy nhiên cần lưu ý rằng vào cao điểm mùa hè, hiệu ứng nhà kính khiến nhiệt độ trong nhà lưới kín sẽ luôn cao hơn bên ngoài từ 1oC ÷ 2oC. Nhà lưới được phủ hoàn toàn bằng lưới cả trên mái cũng như xung quanh, có cửa ra vào cũng được phủ kín bằng lưới. Được sử dụng để che chắn ngăn ngừa côn trùng thâm nhập, giảm được tối đa lượng thuốc trừ sâu sử dụng, sản phẩm rau an toàn hơn. Tăng được số vòng quay thời vụ do trồng được cả mùa mưa mà chất lượng vẫn đảm bảo. 8 Hình 1.1. Nhà lưới kín Nhà lưới hở chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc một phần bao xung quanh. Mục đích sử dụng nhà lưới hở chủ yếu là che nắng, giảm cường độ sáng và ngăn cản mưa. Khả năng ngăn cản côn trùng gây bệnh sẽ không hiệu quả nhưng bù lại đối lưu không khí sẽ không làm nhiệt độ nhà lưới cao hơn bên ngoài. Về thiết kế với kiểu mái bằng và mái nghiêng hai bên. Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt hàn hoặc bắt ốc vít. Độ cao chỉ từ 2,0 – 3,9 m. Quy mô diện tích: từ 500 – 1.000 m2 theo từng hộ gia đình sử dụng canh tác. Đa số các loài cây trồng đều thích hợp canh tác trong nhà lưới. Ngay cả một số cây ăn quả lâu năm cũng được nghiên cứu trồng theo cách này. Tuy nhiên cần lưu ý rằng quá trình thụ phấn tự nhiên trong nhà lưới hở sẽ giảm sút. Đối với nhà lưới kín thì gần 100% không xảy ra. Cần phải có các biện pháp thụ phấn nhân tạo. Đầu tư cho nhà lưới sẽ không quá tốn kém như dạng nhà kính khác khi mà thiết kế không cầu kỳ phức tạp. Một số vật tư bà con có thể tự làm, tận dụng được để thay thế các cột kèo nhà lưới. Thế nhưng, tuổi thọ của công trình không cao, dễ gây nguy hiểm, đòi hỏi phải kiểm tra và thay thế vật tư theo thời gian. 9 Hình 1.2. Mô hình nhà lưới hở Ngoài ra, thiết kế của nhà lưới hiện đại cũng rất phức tạp, yêu cầu phải có đội ngũ thi công chuyên nghiệp. Nhà lưới hiện đại có mái lưới di động để căng phủ vào ngày nắng gắt hay thu về khi độ sáng có lợi cho cây sinh trưởng. Cột hay xà có các gá trượt giúp thay thế lưới hỏng nhanh chóng. Những ưu điểm của hệ thống nhà lưới trong nông nghiệp: - Ngăn côn trùng gây hại: Nhà lưới là mô hình trồng rau sạch khép kín, toàn bộ được bao phủ bởi lớp lưới chống côn trùng. Bởi vì thế, nhà lưới trồng rau sẽ ngăn các loại sâu, rầy, bọ phá hoại vườn rau. - Giảm và hạn chế một số bệnh hại do côn trùng gây ra trực tiếp hoặc gián tiếp: Nhà lưới cách li rau với côn trùng gây hại lẫn môi trường xung quanh do đó cây được trồng trong nhà lưới sẽ khỏe mạnh hơn không bị nhiễm một số bệnh từ môi trường. - Giảm thuốc BVTV và công phun thuốc: Với ưu điểm là ngăn côn trùng và mầm bệnh nên sẽ hạn chế sử dụng thuốc bảo vệ thực vật cho những sản phẩm rau sạch mà lại tiết kiệm công phun thuốc. 10 - Giảm cỏ dại theo thời gian canh tác và công làm cỏ: Môi trường nhà lưới tách biệt, đất được xử lí trước khi trồng và áp dụng tưới tiết kiệm nên trong nhà lưới hạn chế được sự phát triển của cỏ dại và công làm cỏ. - Giảm áp lực mưa, tránh làm dập lá và cây con à giúp cây con phát triển tốt và ít bệnh: Trên nóc nhà lưới được bao phủ bởi lưới sẽ làm giảm áp lực của những giọt mưa tránh làm hiện tượng giập lá, gãy mầm non của rau. Ngược lại nước mưa xuyên qua lưới sẽ mịn hơn góp phần tạo độ ẩm giúp cho cây phát triển hơn. - Giảm sự ô nhiễm môi trường: Nhà lưới giảm sức mưa, làm giảm sự xói mòn đất cũng như rửa trôi phân bón và thuốc BVTV xuống tầng đất sâu hơn và mạch nước ngầm. - Giảm chi phí đầu tư về phân bón: Nhà lưới hạn chế được sự bốc thoát hơi và rửa trôi phân bón do mưa và nhiệt nên giúp giảm thất thoát phân bón và chi phí phân bón - Giảm sức gió tác động trực tiếp lên rau: Nhà lưới hạn chế sự va chạm giữa các lá rau với nhau giúp hạn chế tổn thương cho cây và giảm sự xâm nhiễm và lây lan của mầm bệnh. - Giảm ánh nắng trực tiếp: Lớp lưới bao phủ bên trên nhà lưới giúp rau phát triển tốt hơn, hạn chế bốc thoát hơi nước và giúp tiết kiệm nước tưới. - Tăng chất lượng sản phẩm, giúp tăng thời gian tươi tự nhiên của sản phẩm: Sản phẩm rau được trồng nhà lưới không bị sâu rầy phá hoại có mẫu mã đẹp, hạn chế sử dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật nên chất lượng cao hơn và an toàn cho sức khỏe, thời gian bảo quản sản phẩm cũng lâu hơn. - Tăng vụ trồng vào những tháng mưa: Giúp tăng thu nhập cho người dân khi có thể trồng nhiều vụ trong năm hơn kể cả những tháng mưa. 1.1.2.3. Nhà màng Nhà màng là kiểu nhà kính cách ly hoàn toàn khu vườn với môi trường tự nhiên. Ứng dụng nhà màng chủ yếu để sản xuất thực phẩm sạch, thủy canh, nghiên cứu và canh tác cây trồng có giá trị thương phẩm cao. Những yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, thành phần không khí hay thậm chí ánh sáng sẽ được kiểm soát bằng hệ thống thiết bị chuyên biệt. Do là môi trường kín nên nhiệt độ sẽ cao hơn rất nhiều so với bên ngoài. Vì thế nhà màng thích hợp cho khí hậu lạnh vùng núi và trồng những cây sinh trưởng vùng ấm hơn. Ngược lại, khí hậu nhiệt đới mùa hè sẽ làm chênh lệch nhiệt độ lên cao, đòi hỏi phải tiêu tốn phí điện năng để vận hành hệ