Nghiên cứu xây dựng hệ thống tưới cây thông minh dựa trên nền tảng IOT

Nội dung text: Nghiên cứu xây dựng hệ thống tưới cây thông minh dựa trên nền tảng IOT

1. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT Lê Hùng Lân1, Nguyễn Văn Hải1, Cồ Như Văn1, Trần Ngọc Tú1* 1 Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội * Tác giả liên hệ: Email: tntu@utc.edu.vn Tóm tắt: Trước tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay thì vấn đề đảm bảo nguồn nước tưới cho cây trồng là một trong những vấn đề được các nhà vườn đặc biệt quan tâm. Và một trong những giải pháp được nhiều đơn vị áp dụng để đảm bảo ổn định việc tưới tiêu, giúp cây trồng sinh trưởng, phát triển tốt, đó là áp dụng công nghệ tưới thông minh. Bài viết này sẽ phân tích lựa chọn giải pháp, công nghệ thiết kế hệ thống tưới cây thông minh, phù hợp với điều kiện khí hậu và canh tác tại Việt Nam. Từ khóa: IoT, mạng vô tuyến, Lora, giám sát, điều khiển. 3. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, ngành nông nghiệp trên thế giới đang phát triển theo hướng ứng dụng công nghệ cao, chuyển sản xuất nông nghiệp sang sản xuất mang tính công nghiệp mà điển hình là ngành nông nghiệp Israel, Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn Việt Nam cũng đang khuyến khích các hộ gia đình, các tổ chức trong và ngoài nước đầu tư sản xuất nông nghiệp theo hướng này, đây là hướng đi đúng, thúc đẩy phát triển nông nghiệp sạch phục vụ cho người tiêu dùng và xuất khẩu. Theo các chuyên gia công nghệ, việc áp dụng IoT vào sản xuất nông nghiệp được xem là một nền tảng để hình thành nền nông nghiệp thông minh. Trước sự ưu việt của IoT mang lại, nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã áp dụng vào sản xuất nông nghiệp, mang lại hiệu quả bất ngờ về năng suất, sản phẩm đạt chất lượng và hạ giá thành sản xuất. Một số công ty ở Việt Nam và trên thế giới cũng đã nghiên cứu chế tạo được các hệ thống tưới cây thông minh, tuy nhiên các hệ thống vẫn chưa phát huy hết hiệu quả, một số hệ thống chưa cho phép cài đặt linh hoạt các tham số hoạt động tùy biến của hệ thống cho người dùng hoặc một số hệ thống bị hạn chế số lượng cảm biến và loại cảm biến. Đặc thù như hệ thống tưới cây thông minh của công ty Murata là sản phẩm phát triển khá mạnh và được ứng dụng ở nhiều nơi, tuy nhiên bộ transmitter tối đa chỉ kết nối được 3 cảm biến, không thể kết nối được với cảm biến khác mà chỉ có thể kết nối và truyền dữ liệu với cảm biến của hãng đó, như vậy hệ thống áp dụng tốt ở các mô hình nông nghiệp tiêu chuẩn mà khó có thể mở rộng phát triển để ứng dụng ở các mô hình khác nhau trong nông nghiệp đặc thù như ở Việt Nam. Ngoài ra, trong nước mô hình theo dõi và tưới cây tự động của AgrHub với sản phẩm là Farmbox có nhiều chức -249-
2. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải năng theo dõi cây trồng và tưới cây tự động, tuy nhiên hệ thống sử dụng loại cảm biến đo lường có giao thức kết nối kiểu BLE4.0 với khoảng cách truyền rất ngắn và IP5 nên không phù hợp với các vườn cây có diện tích lớn và không thể hoạt động liên tục ngoài trời. Đồng thời, việc tưới tiêu của các hệ thống trên không có sự linh hoạt trong việc điều khiển độc lập từng vùng tưới riêng biệt – tưới chế độ khác nhau cho mỗi vùng cây nhằm phù hợp với mỗi thời kỳ sinh trưởng phát triển của cây. 4. NỘI DUNG 4.1. Phân tích lựa chọn giải pháp tưới cây Nước là một vật chất rất quan trọng cho sự sống, được con người sử dụng vào các mục đích khác nhau, như: sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp, giải trí và môi trường . Sự gia tăng dân số và sự phát triển của kinh tế - xã hội ngày càng cao đã khiến nhu cầu về nước không ngừng gia tăng. Tuy nhiên, tài nguyên nước là một tài nguyên có hạn, nếu không sử dụng hợp lý và tiết kiệm thì sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến sự sống con người. Đến nay, hệ thống tưới nhỏ giọt là biện pháp tưới tiêu tiết kiệm nước nhất, giảm đến 30-60% nước so với phương pháp tưới truyền thống. Nông dân có thể cung cấp nước, phân bón đến đúng vùng rễ tích cực với liều lượng nhỏ, vừa đủ để cây trồng hấp thu hết thông qua hệ thống máy bơm, van, đường ống dẫn nước, đường ống nhỏ giọt, và hiện đại hơn là kết nối với hệ thống máy tính kiểm soát. Hệ thống tưới sẽ được điều khiển bằng lưu lượng, thời gian hay bằng những sensor cảm biến ẩm độ hay nhiệt độ. Hệ thống điều khiển sẽ đóng mở máy bơm và van điện để tưới theo rất nhiều những chương trình tưới được lập trình sẵn hoặc tự động điều khiển hệ thống tưới phù hợp với thực tế. Hệ thống điều khiển có thể truyền tín hiệu bằng dây Cable hay tín hiệu sóng radio cho những diện tích lớn từ vài trăm đến hàng ngàn hecta. Ưu điểm dễ nhận thấy khi ứng dụng công nghệ tưới nhỏ giọt vào canh tác rau và hoa trong nhà kính, là người nông dân có thể tiết kiệm được từ 30 đến 50% lượng nước tưới, tiết kiệm đến 30% chi phí phân bón, tiết kiệm công chăm sóc, làm cỏ, bón phân. Thông qua hệ thống này, việc duy trì độ ẩm phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của cây cũng được thuận tiện và chính xác hơn rất nhiều so với phương pháp tưới khác. Như vậy nhìn một cách tổng thể, sử dụng hệ thống tưới nhỏ giọt này sẽ giúp người nông dân nâng cao mật độ canh tác, tăng năng suất, và quan trọng hơn là chất lượng nông sản luôn được đảm bảo qua việc quản lý được dinh dưỡng cây trồng. Ngoài việc lập lịch tưới cây hoặc điều khiển cưỡng bức, để hệ thống trở nên thông minh hơn và không cần sự can thiệp của con người thì hệ thống cần có chế độ hoạt động tự động thích ứng với điều kiện khí hậu, điều kiện đất trồng, như vậy hệ thống cần tích hợp các cảm biến đo lường – quan trắc môi trường đất, không khí và lượng mưa, làm nguồn thông tin dữ liệu đầu vào cho hệ thống có thể hoạt động hoàn toàn tự động phù hợp, giúp tiết kiệm nguồn nước, phân bón, đồng thời giúp cây luôn được cung cấp đủ nước và chất dinh dưỡng để có thể đem lại năng suất cao cho nhà nông. -250-
3. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải 4.2. Xây dựng mô hình và các thành phần chức năng của hệ thống Thông qua khảo sát đánh giá các hệ thống tưới cây trên thế giới cũng như đặc thù canh tác nông nghiệp trong nước, nhóm nghiên cứu đưa ra mô hình tổng quan của hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống tưới cây thông minh như sau: Hình 1. Mô hình tổng quan hệ thống tưới cây thông minh dựa trên nền tảng IoT. Hệ thống van, ống nước làm nhiệm vụ đưa và điều tiết nước tưới đến các gốc cây. Diện tích vườn thí điểm ứng dụng khoảng 2 ha (dài 90m, ngang 80m), được chia thành 10 liếp, số lượng cây xoài: khoảng 100 cây, phương pháp tưới được lựa chọn như trên là phương pháp tưới nhỏ giọt tại các gốc cây. Đường ống nước được bố trí -251-
4. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải đường tổng dẫn đến các đầu đường ống tưới của mỗi liếp. Tại đầu mỗi liếp có thiết kế van từ trường, có thể điều khiển độc lập việc tưới cây đến từng liếp. Bên cạnh đó, hệ thống có thiết kế bồn chứa dung dịch phân để có thể dẫn theo hệ thống tưới đưa phân đến cung cấp cho từng gốc cây. Hệ thống trạm quan trắc bao gồm 02 trạm quan trắc được lắp đặt tại 2 vị trí phù hợp tại vườn cây. Trạm quan trắc có nhiệm vụ chính như đo các tham số về thời tiết, độ ẩm của đất, độ mặn, độ PH, Thông tin đo lường từ các cảm biến sẽ truyền về tủ điều khiển trung tâm tại vườn cây(truyền thông vô tuyến), trạm quan trắc sử dụng nguồn điện năng lượng mặt trời (pin năng lượng mặt trời và ắc quy tích điện tại trạm). Tủ điều khiển thực hiện tiếp nhận các thông tin đo lường từ 02 trạm quan trắc tại vườn, từ đó tự động điều khiển hệ thống van tưới phù hợp, tự động điều khiển máy bơm nước, bơm nước từ hồ chứa lên bồn trên cao khi mức nước trong bồn xuống thấp, cho phép điều khiển tại chỗ việc tưới nước đến các liếp, cho phép cấu hình, cài đặt các chế độ tưới theo ngày, tháng, truyền trạng thái làm việc thông tin quan trắc và nhận các thông tin cài đặt các chế độ hoạt động của hệ thống đến phần mềm server, gửi cảnh báo đến điện thoại di động khi hệ thống gặp sự cố như động cơ không làm việc, lỗi van, hết nước tưới, Phần mềm điều khiển, giám sát trên máy tính và điện thoại thông minh cho phép giám sát online hoạt động của hệ thống cũng như thực hiện việc vẽ biểu đồ thể hiện trực quan các thông số quan trắc: nhiệt độ, độ ẩm, độ Ph, độ mặn, theo ngày, tháng, năm; lưu trữ truy xuất cơ sở dữ liệu dưới dạng file excel/word và cho phép cài đặt các chế độ hoạt động của hệ thống hoặc điều khiển cưỡng bức hoạt động của hệ thống. 4.3. Lựa chọn giải pháp truyền thông và thiết kế chế tạo các thành phần của hệ thống ❖ Lựa chọn giải pháp truyền thông: Qua phân tích đánh giá về các giải pháp truyền thông, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn giải pháp truyền thông giữa máy chủ và tủ điều khiển sử dụng mạng thông tin di động GSM, việc truyền thông giữa các trạm quan trắc đến tủ điều khiển sử dụng công nghệ truyền thông Lora là tối ưu nhất. LoRa là một công nghệ không dây được phát triển để cho phép truyền tốc độ dữ liệu thấp trên một khoảng cách lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho M2M và IoT cũng như các ứng dụng IoT. LoRa hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn. Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng . Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến khoảng 30kbps. Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài. Thực tế các thiết bị LoRa có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng lượng pin. Mô hình mạng cảm biến không dây được đề xuất thiết kế (hình 3) gồm : 02 nút cảm biến (Node), 01 trạm thu thập dữ liệu (Gateway), 01 trung tâm dữ liệu (Cloud Server - Blynk Server) và ứng dụng trên điện thoại thông minh (Blynk App). -252-
5. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 3. Mô hình mạng cảm biến không dây Trong đó module thu phát LoRa SX1278 (E32-TTL-100) được sử dụng trong thiết kế mô hình mạng cảm biến không dây, để truyền dữ liệu giữa các Node đến Gateway. Module này sử dụng chip SX1278 của Semtech, tần số 433Mhz, khoảng cách truyền trong điều kiện lý tưởng là 3000m, t ốc độ truyền 0,3 - 19,2Kbps (mặc định 2,4Kbps), công suất phát 100mW, điện áp hoạt động 2,3 - 5,2VDC, giao tiếp UART (8 bit Data, 1 Stop bit, None Parity bit, Baud rate 1200-115200). Nút mạng cảm biến (Node) là thiết bị giao tiếp với cảm biến được lắp đặt tại các vị trí làm việc ở xa để thu thập dữ liệu và truyền dữ liệu thu thập được đến Gateway. Phần cứng của node gồm: module thu phát LoRa SX1278, board mạch điều khiển, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí, cảm biến độ ẩm đất, .Thuật toán xử lý trên Node như sau: Hình 4. Thuật toán xử lý trên Node. -253-
6. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Lưu đồ thuật toán xử lý trên Node được trình bày ở hình 4. Các bước xây dựng thuật toán xử lý trên Node như sau: Bước :1 Khởi tạo và cấu hình hàm setup(): khởi tạo UART, cấu hình chân tín hiệu, khởi tạo ngắt timer 5s. Bước :2 Xây dựng hàm lưu chuỗi dữ liệu Data_str (), định dạng chuỗi dữ liệu gồm: [NodeID, nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất] Bước :3 Xây dựng hàm Node1() và Node2() để đọc giá trị của các cảm biến và truyền chuỗi dữ liệu gồm giá trị của các cảm biến đã đọc được đến Gateway. Trạm xử lý chính – Gateway: Gateway có chức năng thu thập dữ liệu từ các Node và đồng thời truyền lên Cloud Server. Phần cứng của Gateway gồm: module thu phát LoRa SX1278, board mạch điều khiển (NodeMCU) có tích hợp module kết nối mạng WiFi (ESP8266). Gateway thường được đặt tại một vị trí có nguồn cung cấp và có các kết nối mạng như WiFi /LAN để có thể truyền dữ liệu lên Cloud Server. Tùy vào loại module thu phát LoRa thì khoảng cách truyền giữa Node và Gateway có thể lên đến hàng km. Thuật toán xử lý trên Gateway như sau: Hình 5. Thuật toán xử lý trên Gateway. Lưu đồ thuật toán xử lý trên Gateway được trình bày trong 5. Các bước xây dựng thuật toán xử lý trên Gateway như sau: -254-
7. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải Bước 1: Khởi tạo và cấu hình hàm setup(): khởi tạo UART, cấu hình chân tín hiệu, cấu hình Blynk.begin (auth, ssid, pass) để kết nối đến Blynk Server, cấu hình gọi hàm senddata sau mỗi giây : timer.setInterval (1000L, senddata). Bước 2: Xây dựng hàm senddata () để truyền lên Cloud Server (Blynk Server) các giá trị của cảm biến từ Node gửi đến. Bước :3 Xây dựng hàm loop(): Phân tích chuỗi và khôi phục lại các giá trị nhận được. Bước 4: Kiểm tra NodeID (0: Node1; 1: Node2) trong chuỗi dữ liệu đã nhận, nếu đúng Node1 hoặc Node2 thì lưu dữ liệu vào cấu trúc của Node tương ứng. Truyền dữ liệu lên Blynk Server mỗi 1s một lần. Trung tâm dữ liệu (Cloud Server): Cloud Server có chức năng nhận các gói dữ liệu từ Gateway truyền lên và dữ liệu được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu trên Cloud Server. Thông qua ứng dụng (App) trên điện thoại thông minh thì người dùng có thể giám sát những dữ liệu đã lưu trữ trên Cloud Server. 5. KẾT LUẬN Bài viết đã đưa ra các phương pháp, lựa chọn và xây dựng hệ thống tưới cây thông minh một cách tự động được áp dụng cho khu vườn xoài có diện tích khoảng 2ha tại xã An Thạnh 1, huyện Cù Lao Dung tỉnh Sóc Trăng. Hệ thống được thiết kế mở về phần mềm và phần cứng, dễ dàng áp dụng cho các khu vườn có loại cây trồng và diện tích khác nhau cũng như ở các vùng khác nhau. Hệ thống có thể lập lịch – kế hoạch tưới trong ngày, trong tuần, trong tháng và trong năm, cho phép điều khiển cưỡng bức việc tưới cũng như châm phân đến từng gốc cây, ngoài ra, hệ thống có tích hợp các cảm biến tự động quan trắc môi trường đất, không khí và lượng mưa để từ đó có thể tự động đưa ra các chế độ tưới phù hợp với điều kiện thời tiết thực tế mà không cần đến sự can thiệp của con người. LỜI CẢM ƠN Cảm ơn UBND tỉnh Sóc Trăng đã tài trợ cho cho nghiên cứu này trong khuôn khổ đề tài “Xây dựng hệ thống tưới cây tự động và chiếu sáng công cộng dựa trên nền tảng Internet Vạn Vật (IoT) kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ phát triển mô hình xã nông thôn mới thông minh tại huyện Cù Lao Dung, tỉnh Sóc Trăng”. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đề tài KHCN cấp tỉnh: Xây dựng hệ thống tưới cây tự động và chiếu sáng công cộng dựa trên nền tảng Internet Vạn Vật (IoT) kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ phát triển mô hình xã nông thôn mới thông minh tại huyện Cù Lao Dung, tỉnh Sóc Trăng. [2]. Lê Hoàng An, Làng thông minh - hướng tiếp cận mới cho phát triển nông thôn trong kỷ nguyên số, Hợp tác xã nông nghiệp số ngày 09/04/2019. -255-
8. Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII Trường Đại học Giao thông vận tải [3]. Co Nhu Van, Pham Huy Duy, Chu Thi Thu Ha, Ngo Thanh Binh, Design and implementation of an automatic hydrological monitoring system for hydropower plants. J. Viet. Env. 2013, Vol. 4, No. 2, pp. 34-42. [4]. Thông tư số 33 /2011/TT-BTNMT, ngày 01 tháng 8 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ tài nguyên và môi trường về Quy định quy trình kỹ thuật quan trắc môi trường đất. [5]. Sai Sreekar Siddula, Water level monitoring and managenment of dams using IoT, EE Department Shiv Nadar University G. Noida-201314, India. [6]. Ly Lan, LoRa: Giải pháp cho triển khai mạng IoT, tạp chí công nghệ thông tin và truyền thông 10/2016. [7]. Nguyen Chi Nhan, Pham Ngoc Tuan, Nguyen Huy Hoang, A wireless sensor network for high-tech agriculture, Science & Technology Development Journal– Natural Sciences, 3(4):259-270. -256-