Slide bài giảng Công nghệ 9 Nông nghiệp 4.0 chân trời Chủ đề 3: Thiết kế mạch điện ứng dụng công nghệ tưới tiêu tự động trong trồng trọt

Tóm lược nội dung

CHỦ ĐỀ 3. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG TRONG TRỒNG TRỌT

KHỞI ĐỘNG

Để thiết kế mạch điện ứng dụng công nghệ tưới tiêu tự động trong trồng trọt như minh hoạ ở Hình 3.1, người thiết kế cần thực hiện theo quy trình gồm những bước nào?

Trả lời rút gọn:

Các bước thực hiện:

- Xác định yêu cầu:

+ Xác định loại cây trồng và nhu cầu tưới nước của chúng.

+ Xác định diện tích khu vực cần tưới tiêu.

+ Xác định nguồn nước và nguồn điện available.

+ Xác định ngân sách cho dự án.

- Lựa chọn các thành phần:

+ Lựa chọn bơm nước phù hợp với nhu cầu tưới nước.

+ Lựa chọn van điện từ phù hợp với lưu lượng nước và điện áp.

+ Lựa chọn cảm biến độ ẩm phù hợp với loại đất và độ ẩm cần đo.

+ Lựa chọn bộ điều khiển phù hợp với chức năng và khả năng lập trình.

+ Lựa chọn nguồn điện phù hợp với điện áp và công suất của các thành phần.

- Thiết kế mạch điện:

+ Vẽ sơ đồ nguyên lý của mạch điện.

+ Lựa chọn các linh kiện điện tử phù hợp với sơ đồ nguyên lý.

+ Vẽ sơ đồ mạch in (PCB).

+ Gia công và lắp ráp PCB.

- Lập trình bộ điều khiển:

+ Viết chương trình điều khiển van điện từ dựa trên tín hiệu từ cảm biến độ ẩm.

+ Cài đặt chương trình vào bộ điều khiển.

- Kiểm tra và vận hành hệ thống:

+ Kiểm tra hoạt động của từng thành phần trong hệ thống.

+ Chỉnh sửa chương trình điều khiển nếu cần thiết.

+ Vận hành hệ thống và theo dõi hiệu quả tưới tiêu.

1. CÔNG NGHỆ TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG TRONG TRỒNG TRỌT

Câu 1: Quan sát Hình 3.2 và kể tên những công nghệ tưới tiêu thường được sử dụng trong trồng trọt hiện nay.

Trả lời rút gọn:

- Tưới phun mưa: Nước được phun lên cao và rơi xuống như mưa, tưới đều cho khu vực rộng lớn.

+ Ưu điểm: Tưới đều, tiết kiệm nước, dễ sử dụng.

+ Nhược điểm: Dễ làm ướt lá, tạo điều kiện cho nấm bệnh phát triển.

- Tưới phun sương: Nước được phun thành những hạt nhỏ li ti, tạo độ ẩm cao cho khu vực tưới.

+ Ưu điểm: Tiết kiệm nước, hiệu quả cao trong điều kiện khí hậu nóng, khô.

+ Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, dễ bị tắc nghẽn.

- Tưới nhỏ giọt: Nước được tưới trực tiếp vào gốc cây, hạn chế bốc hơi và thất thoát nước.

+ Ưu điểm: Tiết kiệm nước, hiệu quả cao, hạn chế nấm bệnh.

+ Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, cần thiết kế hệ thống phù hợp.

- Tưới kết hợp: Kết hợp các phương pháp tưới khác nhau để đạt hiệu quả tối ưu.

+ Ưu điểm: Tận dụng ưu điểm của các phương pháp tưới khác nhau, phù hợp với nhiều loại cây trồng và điều kiện khí hậu.

+ Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, cần thiết kế hệ thống phức tạp.

Câu 2: Quan sát Hình 3.3 và nêu các thành phần công nghệ được ứng dụng trong mô hình.

Trả lời rút gọn:

1. Hệ thống tưới:

- Tưới phun mưa: Nước được phun ra từ các béc tưới, tạo thành những tia nước nhỏ li ti tưới đều cho cây trồng.

- Bộ điều khiển:

+ Bộ hẹn giờ: Cho phép cài đặt thời gian tưới tự động, đảm bảo tưới nước đều đặn cho cây trồng.

+ Cảm biến độ ẩm: Giám sát độ ẩm đất, giúp hệ thống tưới hoạt động hiệu quả, tránh tưới quá nhiều hoặc quá ít.

- Van điện từ: Điều khiển dòng chảy của nước, giúp hệ thống tưới hoạt động tự động.

2. Hệ thống bón phân:

Bể chứa phân bón: Pha loãng phân bón với nước.

Máy bơm phân bón: Hút dung dịch phân bón từ bể chứa và đưa vào hệ thống tưới.

Bộ điều khiển: Điều khiển lượng phân bón được bón cho cây trồng.

3. Hệ thống giám sát:

- Cảm biến độ ẩm: Giám sát độ ẩm đất, giúp hệ thống tưới hoạt động hiệu quả.

- Cảm biến nhiệt độ: Giám sát nhiệt độ môi trường, giúp điều chỉnh lượng nước tưới phù hợp.

- Camera giám sát: Giám sát tình trạng cây trồng từ xa.

4. Hệ thống điều khiển:

- Bộ điều khiển trung tâm: Điều khiển toàn bộ hệ thống tưới tiêu tự động

- Kết nối internet: Cho phép điều khiển hệ thống tưới tiêu từ xa 

2. THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TƯỚI TIÊU TỰ ĐỘNG TRONG TRỒNG TRỌT

Câu 3: Những yếu tố nào ảnh hưởng đến chế độ hoạt động của mạch điện ứng dụng công nghệ tưới tiêu tự động?

Trả lời rút gọn:

- Yếu tố môi trường:

+ Nhiệt độ: ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi của nước, do đó cần điều chỉnh lượng nước tưới phù hợp với nhiệt độ.

+ Độ ẩm: ảnh hưởng đến nhu cầu nước của cây trồng. Hệ thống tưới cần được điều chỉnh để tưới nước khi độ ẩm đất xuống mức nhất định.

+ Lượng mưa: ảnh hưởng đến lượng nước cần tưới cho cây trồng. Hệ thống tưới cần được điều chỉnh để tránh tưới nước quá nhiều khi trời mưa.

- Yếu tố cây trồng:

+ Loại cây trồng: Loại cây trồng khác nhau có nhu cầu nước khác nhau. Hệ thống tưới cần được điều chỉnh để cung cấp lượng nước phù hợp cho từng loại cây trồng.

+ Giai đoạn phát triển: Cây trồng ở các giai đoạn phát triển khác nhau có nhu cầu nước khác nhau. Hệ thống tưới cần được điều chỉnh để cung cấp lượng nước phù hợp cho từng giai đoạn phát triển của cây trồng.

- Yếu tố hệ thống tưới:

+ Loại hệ thống tưới: Loại hệ thống tưới khác nhau có hiệu quả tưới khác nhau. Cần lựa chọn hệ thống tưới phù hợp với loại cây trồng và điều kiện môi trường.

+ Lưu lượng nước: Lưu lượng nước ảnh hưởng đến thời gian tưới. Cần điều chỉnh lưu lượng nước phù hợp với diện tích tưới và nhu cầu nước của cây trồng.

+ Áp suất nước: Áp suất nước ảnh hưởng đến độ đồng đều của nước tưới. Cần đảm bảo áp suất nước đủ cao để tưới nước đều cho toàn bộ diện tích tưới.

- Yếu tố kỹ thuật:

+ Bộ điều khiển: Bộ điều khiển là bộ não của hệ thống tưới, có chức năng điều khiển thời gian tưới, lượng nước tưới và các chức năng khác. Cần lựa chọn bộ điều khiển phù hợp với nhu cầu sử dụng.

+ Cảm biến: Cần lựa chọn cảm biến phù hợp với loại cây trồng và điều kiện môi trường.

+ Van điện từ: Van điện từ được sử dụng để điều khiển dòng chảy của nước. Cần lựa chọn van điện từ phù hợp với lưu lượng nước và áp suất nước

Câu 4: Quan sát Hình 3.4 và mô tả hoạt động của mô hình hệ thống ứng dụng công nghệ tưới nước tự động trong trồng trọt

Trả lời rút gọn:

- Cảm biến độ ẩm đất đo độ ẩm của đất.

- Nếu độ ẩm đất thấp hơn mức cài đặt, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển.

- Bộ điều khiển sẽ kích hoạt van điện từ mở van, cho phép nước chảy vào hệ thống tưới.

- Bơm nước sẽ hút nước từ nguồn nước và đưa nước vào hệ thống tưới.

- Hệ thống tưới sẽ tưới nước cho từng khu vực.

- Sau khi tưới đủ lượng nước cài đặt, bộ điều khiển sẽ kích hoạt van điện từ đóng van.

LUYỆN TẬP

Câu 1: Hãy mô tả công nghệ tưới nhỏ giọt, tưới phun sương và tưới phun mưa trong trồng trọt.

Trả lời rút gọn:

- Tưới nhỏ giọt: Nước chảy chậm rãi qua các béc nhỏ, tưới trực tiếp vào gốc cây.

+ Ưu điểm: Tiết kiệm nước hiệu quả, hạn chế cỏ dại, giảm nấm bệnh.

+ Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, dễ tắc nghẽn, chỉ phù hợp với cây thấp, rễ nông.

- Tưới phun sương: Nước được phun thành những hạt nhỏ li ti như sương, tưới cho cây.

+ Ưu điểm: Tiết kiệm nước, làm mát, tăng độ ẩm, giảm nấm bệnh.

+ Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, dễ tắc nghẽn, ảnh hưởng bởi gió.

- Tưới phun mưa: Nước được phun thành những tia nhỏ li ti, mô phỏng như mưa, tưới đều cho cây.

+ Ưu điểm: Tưới nhanh, hiệu quả, giảm nấm bệnh.

+ Nhược điểm: Dễ lãng phí nước, xói mòn đất, chi phí đầu tư cao.

Câu 2: Hãy giải thích hoạt động của mô hình ứng dụng công nghệ tưới tiêu tự động trong trồng trọt như minh hoạ ở Hình 3.3.

Trả lời rút gọn:

- Hệ thống điện: Cung cấp nguồn điện cho các thiết bị trong hệ thống

- Bộ điều khiển:

+ Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống tưới.

+ Nhận thông tin từ các cảm biến về độ ẩm đất, nhiệt độ, lượng mưa.

+ Đưa quyết định về thời gian tưới, lượng nước tưới và các chức năng khác.

- Cảm biến:

+ Cảm biến độ ẩm đất: Đo độ ẩm của đất để xác định thời điểm cần tưới nước.

+ Cảm biến nhiệt độ: Đo nhiệt độ môi trường để điều chỉnh lượng nước tưới phù hợp.

+ Cảm biến lượng mưa: Đo lượng mưa để điều chỉnh lượng nước tưới.

- Van điện từ: Điều khiển dòng chảy của nước, đóng mở van để tưới nước cho từng khu vực.

- Bơm nước: Hút nước từ nguồn nước và đưa nước vào hệ thống tưới.

- Hệ thống tưới: 

+ Có thể sử dụng hệ thống tưới phun mưa, tưới nhỏ giọt hoặc tưới phun sương.

+ Phân phối nước đến từng khu vực tưới.

Câu 3: Hãy nêu các bước thiết kế mạch điện ứng dụng công nghệ tưới tiêu tự động trong trồng trọt.

Trả lời rút gọn:

- Bước 1: Xác định nhiệm vụ thiết kế.

- Bước 2: Lựa chọn thiết bị điện và xác định mối liên hệ về điện giữa các thiết bị.

- Bước 3: Vẽ sơ đồ mạch điện.

VẬN DỤNG

Câu 1: Em hãy cùng bạn tìm hiểu một hệ thống tưới nhỏ giọt kết hợp tưới phun sương điều khiển bằng công nghệ loT và áp dụng các bước thiết kế đã học để thiết kế mạch điện ứng dụng công nghệ tưới tự động cho hệ thống này.

Trả lời rút gọn:

- Bước 1: Xác định yêu cầu hệ thống:

+ Loại cây trồng: Cây ăn quả, rau, hoa,...

+ Diện tích tưới: Diện tích nhỏ, vừa, lớn.

+ Nguồn nước: Nước máy, nước giếng, nước mưa.

+ Yêu cầu điều khiển: Tự động theo thời gian, theo độ ẩm, điều khiển từ xa.

- Bước 2: Lựa chọn các thành phần:

+ Bộ điều khiển: Arduino, ESP8266, Raspberry Pi,...

+ Cảm biến: Cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến mưa.

+ Van điện từ: 2 van cho hệ thống tưới nhỏ giọt và tưới phun sương.

+ Bơm nước: Bơm mini 12V hoặc 24V.

+ Hệ thống tưới: Ống dẫn, béc tưới nhỏ giọt, béc tưới phun sương.

+ Nguồn điện: Pin năng lượng mặt trời, adapter 12V hoặc 24V.

- Bước 3: Thiết kế mạch điện

- Bước 4: Lắp ráp và thử nghiệm:

+ Lắp ráp các thành phần theo sơ đồ nguyên lý.

+ Cài đặt chương trình cho bộ điều khiển.

+ Thử nghiệm hệ thống và điều chỉnh các thông số cài đặt cho phù hợp.

- Bước 5: Hoàn thiện và ứng dụng:

+ Lắp đặt hệ thống tưới vào khu vực trồng trọt.

+ Kết nối hệ thống với internet (nếu có).

+ Theo dõi và giám sát hoạt động của hệ thống.