Hệ thống tưới và phun thuốc trừ sâu tự động cho vườn cây ăn trái

Việc ra lệnh động cơ bơm tưới nước dựa trên nhu cầu cần nước của cây hay độ ẩm của đất. Hơn nữa, hệ thống phun thuốc cũng được thiết lập tự động dựa vào thời gian thực của PLC. Ngoài ra hệ thống điều khiển tưới và phun thuốc được điều khiển và giám sát thông qua màn hình điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition). Hệ thống thử nghiệm hoạt động tốt và ổn định. Kết quả này đã chứng minh tính khả thi và sẵn sàng áp dụng cho việc tưới và/hoặc phun thuốc tự động cho các vườn cây ăn trái.

Đối với hệ thống tưới, bộ điều khiển ra lệnh tưới và dừng đúng với độ ẩm được cài đặt trước. Độ ẩm trung bình được nội suy từ độ ẩm đo được của 8 cảm biến đặt xung quanh gốc cây ở các tầng khác nhau. Nếu độ ẩm nhỏ hơn 83% thì động cơ bơm được ra lệnh tưới ngược lại sẽ dừng tưới. Độ ẩm trong nghiên cứu này được xem như là nhu cầu cần nước của cây. Nếu thực hiện việc tưới dựa trên nhu cầu nước của cây sẽ làm giảm được chi phí đáng kể.

Đối với hệ thống phun thuốc tự động, bộ điều khiển đọc thời gian thực từ PLC và so sánh với thời gian cài đặt thực tế để điều khiển việc phun thuốc. Mục đích chính của phun thuốc tự động là để giúp nhà vườn tránh tiếp xúc trực tiếp với thuốc trừ sâu độc hại.

Bên cạnh thực hiện việc tưới và phun thuốc tự động, hệ thống còn tích hợp chức năng tưới và phun thuốc thủ công để tạo tính linh hoạt cho người sử dụng. Trong trường hợp này, người vận hành chỉ cần ấn các nút trên bo để điều khiển tưới và phun thuốc.

Hệ thống dẫn chất lỏng là ống nhựa Bình Minh, béc phun tự động xoay nên tiết kiệm nước và giúp phân bố đều độ ẩm của đất. Kết quả thử nghiệm cho thấy, hệ thống đường ống và béc phun hoạt động tốt.

Bố trí các cảm biến độ ẩm để đo độ ẩm của đất xung quanh gốc cây. Mỗi cặp cảm biến được đặt trực tiếp xuống đất. Một cảm biến sẽ đặt ở vị trí 5 cm và cái còn lại đặt ở vị trí 10 cm so với mặt đất. Ba cặp cảm biến còn lại cũng được đặt giống như cặp cảm biến trên. Các vị trí khác xung quanh sẽ được nội suy dựa vào giá trị độ ẩm của 8 cảm biến này. Giá trị độ ẩm trung bình sau khi nội suy được dùng để so sánh với giá trị độ ẩm đặt trước đó để ra lệnh tưới hoặc không tưới cho cây.

Để tránh trường hợp động cơ vừa bơm đã dừng và vừa dừng đã bơm vì ngưỡng độ ẩm đã đặt ra, giải pháp tưới phun sương đã được chọn. Một lượng nước rất ít được phun ra và thấm từ từ vào đất. Chính điều này đã làm cho nước được phân bố đều, độ ẩm của đất thay đổi rất chậm và tránh được hiện tượng nước động vũng. Hơn nữa, nếu thực hiện nội suy dựa trên các điểm độ ẩm đo được sẽ làm giảm chi phí lắp đặt cảm biến. Và giải pháp phun sương sẽ giúp người dùng tiết kiệm nước hơn.

Đối với việc phun thuốc tự động, trong trường hợp này hệ thống cảm biến độ ẩm sẽ dừng hoạt động. Trên phần mềm TIA Portal, hàm RD_SYS_T của PLC S7-1200 với kiểu dữ liệu thời gian thực DTL (12 byte) được dùng để đọc thời gian thực của PLC. Thời gian thực này được so sánh với thời gian đặt trước để thực hiện phun thuốc. Nếu hai thời gian này giống nhau thì bộ điều khiển ra lệnh cho động cơ bơm hoạt động để phun thuốc. Động cơ bơm sẽ dừng khi thời gian thực đọc được và thời gian cài đặt khác nhau. Có nhiều loại thuốc trừ sâu hoặc cỏ khác nhau sẽ có thời điểm phun thuốc khác nhau. Do đó việc chọn thời điểm phun sẽ giúp nhà vườn diệt sâu, cỏ hiệu quả hơn.

Để dễ dàng cho người vận hành, toàn bộ quá trình điều khiển tưới và phun thuốc tự động được điều khiển và giám sát qua màn hình SCADA. PLC sẽ đọc giá trị độ ẩm từ các cảm biến và thực hiện việc nội suy tuyến tính để tìm ra giá trị độ ẩm trung bình. Giá trị này sẽ được hiển thị trên màn hình để người vận hành theo dõi. Khi giá trị độ ẩm thấp hơn giá trị đã cài đặt trước (trong nghiên cứu này, giá trị độ ẩm được cài đặt là 83%) thì động cơ bơm sẽ hoạt động và đèn màu hồng trên màn hình tương ứng sẽ sáng. Nếu độ ẩm vượt quá mức cài đặt thì động cơ bơm dừng và đèn báo hiệu cũng tắt tương ứng. Quá trình phun thuốc cũng hoạt động tương tự.

Bên cạnh việc giám sát tại chỗ, người dùng cũng có thể giám sát từ xa thông qua chức năng webserver của S7-1200. Nghĩa là nếu hệ thống tại chỗ vận hành được kết nối với internet thì người điều khiển có thể thực hiện việc điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu từ xa.

Tóm lại, trong nghiên cứu này, một hệ thống tưới và phun thuốc tự động đã được thiết kế dựa trên PLC S7-1200. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh hệ thống hoạt động tốt và ổn định. Hơn nữa, hệ thống có thể điều khiển và giám sát qua màn hình SCADA từ xa. Điều này giúp cho người sử dụng có thể quan sát hệ thống tưới, phun thuốc tự động ngay cả khi họ không có mặt tại khu vườn. Hơn nữa, nghiên cứu này đã khắc phục được tình trạng trời mưa mà vẫn tưới nước cho cây: hệ thống dựa vào độ ẩm trung bình của đất, nên nếu trời mưa thì độ ẩm của đất tăng lên cho đến ngưỡng sẽ dừng tưới. Do đó, kết quả nghiên cứu có thể áp dụng ngay cho các hộ đang trồng các loại cây ăn trái (mãng cầu, chôm chôm, sầu riêng, mít, bưởi, xoài, nhãn...) nhằm giảm chi phí cho việc tưới nước hay phun thuốc và mang lại lợi ích cho nhà vườn.

Hệ thống này rất phù hợp để áp dụng ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long vì có nhiều hộ nông dân trồng cây ăn trái với diện tích lớn. Hệ thống được thử nghiệm 10 lần tưới và phun thuốc tại khu trình diễn. Kết quả thử nghiệm 10 lần đều ổn định với ngưỡng độ ẩm cho phép tưới đặt trước (83%).

Do đề tài này đang trong quá trình nghiên cứu nên thuốc trừ sâu không được thử nghiệm thực tế. Trong nghiên cứu hiện tại, nước được thay thế cho thuốc trừ sâu để minh chứng giải thuật. Do nghiên cứu chỉ dừng lại ở mô hình tưới nhỏ nên diện tích được dùng để thử nghiệm trong trường hợp này là 50 m² . Bể tưới và bể phun thuốc được dùng chung. Chiều dài đường ống từ máy bơm đến trụ phun là 5 m. Khoảng cách giữa các trụ phun là 5 m. Chiều cao ống tại trụ phun là 2 m. Công suất động cơ bơm là ½ HP. Tất cả chi phí cho đề tài này xấp xỉ 9 triệu đồng.

Nhóm nghiên cứu đã đưa ra một giải pháp điều khiển hệ thống tưới và phun thuốc tự động cho các vườn cây ăn trái. Hơn nữa, phương pháp nội suy độ ẩm giúp làm giảm được chi phí cho người đầu tư thiết bị nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác. Kết quả nghiên cứu có thể mang lại nhiều lợi ích rất thiết thực cho người dân như giúp tiết kiệm được nhiều thời gian, chi phí và công sức chăm sóc cây. Hệ thống có thể hoạt động ở hai chế độ (tự động và thủ công) để tạo tính linh hoạt cho người sử dụng. Với kết quả nghiên cứu được, nhóm tác giả mạnh dạn đề xuất áp dụng kết quả nghiên cứu vào việc tưới, phun thuốc và bón phân (phân bón lá) tại các vườn cây ăn trái ở khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nói riêng và cả nước nói chung.