SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
THÀNH PHỐ CẦN THƠ
Hệ thống ươm rau mầm sạch tự động
Hệ thống được thiết kế mở cho phép người dùng có thể sử dụng mô hình này để làm thí nghiệm trong giảng dạy thực hành ươm mầm hoặc thực nghiệm một số loại rau mầm mới đang nghiên cứu.

Rau mầm là sản phẩm nông nghiệp sạch cung cấp nhiều dưỡng chất rất cần thiết cho sự phát triển cơ thể con người và góp phần ngăn ngừa bệnh tật. “Hệ thống ươm rau mầm sạch tự động đa năng” có thể ươm tự động được nhiều loại rau mầm sạch khác nhau với chất lượng đảm bảo và rút ngắn thời gian thu hoạch, giảm công sức lao động. Để xây dựng mô hình ươm rau mầm hoạt động hiệu quả cần phải nắm rõ các thông số về môi trường sinh trưởng lý tưởng của từng loại rau mầm để từ đó thiết kế hệ điều khiển tự động có thể điều khiển giả lập môi trường sinh trưởng nhân tạo và qui trình tưới nước hợp lý cho rau mầm. Hệ thống có khả năng hoạt động hoàn toàn tự động theo nhiệt độ và độ ẩm môi trường được thiết lập sẵn hoặc hoạt động theo chu trình do người dùng thiết lập theo thời gian thực.

Hiện nay, trên thị trường Việt Nam có rất nhiều loại máy ươm mầm với rất nhiều chủng loại có nguồn gốc rất đa dạng: sản phẩm từ nước ngoài có nguồn gốc chủ yếu từ Trung Quốc, Hàn Quốc,... có kích thước nhỏ gọn, năng suất thấp khoảng 3kg giá đỗ/ lần ươm và đang được bán ở các siêu thị với giá thành khá cao; sản phẩm của Việt Nam (máy làm giá đỗ, rau mầm đa năng BKST – của Đại học Bách Khoa Hà Nội) chủ yếu được làm thủ công, kích thức nhỏ, năng suất khoảng 5kg giá đỗ/ lần ươm, sử dụng phù hợp cho hộ gia đình. Gần đây trên thị trường cũng có giới thiệu máy làm giá tự động với giá bán 50 triệu đồng/ máy. Tuy nhiên, chế độ hoạt động chủ yếu do người dùng đặt thời gian tưới nước, chỉ dùng ươm cho một loại mầm tại cùng thời điểm, không có hệ thống giám sát và điều khiển theo nhiệt độ, độ ẩm và đặc tính sinh học của từng loại rau mầm. Đặc biệt là không tạo ra được môi trường ươm nhân tạo theo đặc tính sinh trưởng và phát triển của hạt mầm. Nhận thấy được nhu cầu thiết yếu của người dùng về các loại rau mầm sạch, qua quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và phát triển “Hệ thống ươm rau mầm sạch tự động đa năng” đã được thực hiện nhằm mục tiêu tự động hóa quá trình ươm mầm trong môi trường sinh trưởng nhân tạo của rau mầm với giá thành rẽ, giúp giảm công sức chăm sóc, rút ngắn thời gian thu hoạch, tăng tỷ lệ nảy mầm của hạt, giảm tỷ lệ hư hỏng, tiết kiệm nước tưới và thân thiện với môi trường.

Bài báo mô tả phương pháp ứng dụng cơ sở lý thuyết đặc tính sinh trưởng về môi trường các loại hạt mầm, từ đó xây dựng và thiết kế mô hình hệ thống ươm mầm rau sạch đa năng được điều khiển tự động hoàn toàn qua hệ vi điều khiển thông minh nhằm tạo ra môi trường sinh trưởng nhân tạo lý tưởng cho rau mầm phát triển tốt nhất. Hệ thống điều khiển hoạt động ở hai chế độ: tự động theo thông số môi trường được thiết lập sẵn hoặc bán tự động theo định thời của người dùng.

Rau mầm đỗ xanh là được làm từ hạt đỗ xanh nảy mầm, dài khoảng 3 đến 7cm. Đây là một loạt rau mầm có nhiều chất có giá trị dinh dưỡng và để ươm mầm giá đậu xanh đạt hiệu quả cao cần chú ý các điều kiện môi trường sinh trưởng sau:

  • Nước: là điều kiện quan trọng để khống chế và điều tiết sự nảy mầm của hạt Một số tác dụng chủ yếu của sự hút nước gồm: Thứ nhất là khi hút nước, vỏ đậu giãn nở để hút CO2, tăng tác dụng hô hấp; thứ hai là làm cho những chất hữu cơ cấu thành hạt đậu ở trạng thái ngưng tụ chuyển sang trạng thái dung hòa, tăng hoạt tính của men, tiến hành hoạt động nảy mầm bình thường; thứ ba là làm cho những vật chất hữu cơ phức tạp phân giải những hợp chất đơn giản, chuyển đổi dưới dạng nước, đưa chất dinh dưỡng đến nơi sinh trưởng, cung cấp yêu cầu cho quá trình phân hóa sinh trưởng của các tế bào. Thành phần nước cần cung cấp đầy đủ cho đậu nảy mầm, phải đủ để đậu sinh trưởng, đồng thời dùng để bài tiết chất thải, có tác dụng mang đi hàm lượng CO2 và điều tiết nhiệt độ. Điều đáng chú ý là sau khi đậu nảy mầm, lượng nước quá nhiều hay thời gian ngâm trong nước quá lâu sẽ thiếu oxy, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của giá đậu, có thể làm giá đậu bị chết.
  • Nhiệt độ: Sự sinh trưởng của mầm đậu xanh cần nhiệt độ ấm, nóng. Trong đó, nhiệt độ thấp nhất để giá đậu nảy mầm là 10oC, cao nhất là 28 – 30oC, không vượt quá 32oC. Nếu như nhiệt độ quá thấp, giá đậu sẽ sinh trưởng chậm, thời gian thu hoạch lâu, năng suất giảm. Còn nếu nhiệt độ quá cao, giá đậu sinh trưởng nhanh, sợi nhiều, chất lượng kém. Do đó, sản xuất giá đậu xanh có kết quả tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 27 – 30oC. Khi nhiệt độ cao, các mầm phát triển nhanh hơn nhưng mầm đậu xanh sẽ ốm hơn.
  • Không khí: Khí oxy có tác dụng thúc đẩy quá trình hô hấp của mầm, giúp giải phóng nhiệt lượng, cung cấp cho hoạt động sinh trưởng của các loại mầm. Đồng thời, oxy lại có thể thúc đẩy hoạt tính của men tinh bột và các dưỡng chất khác. Thành phần không khí trong môi trường buồng ươm so với môi trường bình thường là khí hydro nhiều hơn và khí oxy ít hơn, để khống chế tác dụng hô hấp và sự trao đổi chất của giá đậu, có lợi cho việc sinh trưởng và tạo nên loại giá đậu trắng, mềm và non.
  • Ánh sáng: Sản phẩm giá đậu yêu cầu thân mầm thẳng đứng, có màu trắng tinh thiết, lá  có màu vàng hoặc xanh nhạt. Ánh sáng và sự thay đổi của màu sắc của mầm đậu xanh có liên hệ mật thiết với nhau. Vì vậy, trong quá trình giá đậu sinh trưởng, cần phải tránh ánh sáng mặt trời và những nơi có điều kiện ẩm thấp. Đặc biệt khi giá đậu nảy mầm dài khoảng 1,5 cm là giai đoạn quan trọng cần phải tránh áng sáng mặt trời. Hơn nữa, khi đem ra thị trường tiêu thụ cũng cần lưu ý tránh ánh sáng mặt trời, tránh cho giá đậu bị thay đổi màu sắc để giá đậu có chất lượng tốt nhất
  • Quá trình điều khiển buồng ươm tưới và tạo môi trường sinh trưởng nhân tạo tự động được minh họa qua sơ đồ tổng quan về hệ thống phần cứng điều khiển như Hình 1. Mọi hoạt động của hệ thống đều được chip vi điều khiển trung tâm MSP430G2553 đảm nhận. Bộ xử lý trung tâm nhận các thông số về nhiệt độ và độ ẩm môi trường qua các ngõ vào là hệ thống cảm biến. Sau khi nhận dữ liệu từ các bộ cảm biến, chip vi xử lý sẽ tổng hợp xử lý và điều khiển các ngõ ra thích hợp như: bật quạt để giảm nhiệt độ và độ ẩm của môi trường, tạo nhiệt nếu nhiệt độ của nước tưới thấp,… nhằm tạo ra môi trường sinh trưởng nhân tạo cho rau mầm phát triển tốt nhất. Hệ thống sử dụng bộ cảm biến DHT11 để đo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường, cảm biến nhiệt độ DS18B20 để đo nhiệt độ của nước trước khi tưới. Những thông số quan trọng cần giám sát và đo đạt của hệ thống điều khiển là nhiệt độ nước tưới, nhiệt độ và độ ẩm môi trường. Đối với các loại rau mầm nhiệt độ nước tối ưu trong khoảng 27oC đến 30oC, độ ẩm môi trường trong buồng ươm là 60 – 65%, thoáng khí và  không có ánh sáng đối với ươm giá. Riêng đối với rau mầm thì lượng nước tưới rất ít theo dạng phun sương và cần ánh sáng cường độ tương đối với rau mầm để kích thích tăng trưởng và để rau mầm có màu xanh đẹp mắt.

Buồng ươm mầm được thiết kế từ mô hình vườn ươm rau mầm được thu nhỏ lại và có kích thước như Hình 4, vì vậy ta hoàn toàn có thể phát triển mô hình với quy mô lớn để sản xuất rau mầm sạch thương mại. Đặc điểm nổi bật của mô hình là hệ thống tự động tưới nước và khoang chứa nước được chia thành hai ngăn được tích hợp thêm màn xốp để lọc nước. Với buồng ươm mầm được thiết kế, kết hợp với hệ thống điều khiển thông minh giúp cho mô hình buồng ươm mầm hoạt động hoàn toàn tự động theo thông số môi trường cài đặt sẵn hoặc điều khiển tưới mầm theo chu trình nhất định trong ngày theo thời gian thực.

Ban đầu khi hoạt động hệ thống sẽ ở chế độ tự động tưới nước, tức là nếu độ ẩm không khí nhỏ hơn giá trị độ ẩm nhỏ nhất đã định sẵn thì hệ thống sẽ bật motor để tưới nước cho rau mầm và nếu độ ẩm không khí cao hơn giá trị cao nhất đã quy định thì hệ thống sẽ bật quạt để giảm độ ẩm xuống vào khoảng giá trị cho phép. Trong quá trình tưới hệ thống sẽ kiểm tra nhiệt độ của nước nếu nhiệt độ của nước nhỏ hơn quy định thì sẽ bật bộ tạo nhiệt còn ngược lại thì tắt.

Lưu đồ Hình 6 minh họa giải thuật tưới ở chế độ người dùng theo thời gian thực, hệ thống cho phép người dùng có thể đặt số lần tưới tối đa là 12 lần/ngày theo thời gian. Đây là giải thuật để cho người dùng có thể sử dụng để khảo sát và làm thí nghiệm ươm mầm cho các loại rau mầm mới chưa được chuẩn hóa trong chương trình ươm mầm tự động của hệ thống.

Nhóm tác giả đã thiết kế thành công mô hình ươm mầm sạch tự động và thông qua thực nghiệm trên mô hình thực tế này và nhận thấy rằng hệ thống hoạt động ổn ở hai chế độ: điều khiển tự động hoàn toàn theo các thông số môi trường đã thiết lập sẵn hoặc điều khiển chu trình theo thời gian thực do người dùng thiết lập riêng. Và cũng từ thực nghiệm để kiểm chứng được đặc tính sinh trưởng liên quan về nhiệt độ và độ ẩm môi trường, nhiệt độ nước tưới cho một số loại rau mầm giá đậu xanh, mầm cải bẹ xanh, mầm cải củ trắng và mầm cải củ Malady như sau: nhiệt độ môi trường buồng ươm tốt nhất là 300C, độ ẩm từ 60 – 65%, nhiệt độ nước tưới 27 – 30oC, lượng nước tưới cho rau mầm ít hơn nhiều so với giá đậu xanh

Với mô hình hệ thống được nghiên cứu thiết kế, người dùng có thể thiết lập các thông số môi trường mong muốn để thử nghiệm tìm ra phát đồ điều khiển nhịp phát triển sinh học tối ưu nhất cho loại rau mầm mới khác đang nghiên cứu và sản xuất thử nghiệm.

Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ. 45a: 43-51
Xem nhiều
Tin liên quan
Bản quyền @ 2017 thuộc về Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Cần Thơ
Địa chỉ: Số 02, Lý Thường kiệt, phường Tân An, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ
Điện thoại: 0292.3820674, Fax: 0292.3821471; Email: sokhcn@cantho.gov.vn
Trưởng Ban biên tập: Bà Trần Hoài Phương - Phó Giám đốc Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Cần Thơ