Nông nghiệp công nghệ cao với mạng cảm biến không dây - ứng dụng trên cây trồng có giá trị cao

Bài viết tập trung khái quát về giải pháp xây dựng hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu về cây trồng dựa trên công nghệ không dây LoRa (Long Range). Trong hệ thống, mỗi điểm đo bao gồm các cảm biến tích hợp vi xử lý và module truyền thông, được gọi là một nút mạng. Mỗi điểm đo sử dụng năng lượng mặt trời để thu thập dữ liệu liên quan đến cây trồng, sau đó gửi đến trung tâm giám sát qua module LoRa. Mời các bạn cùng tham khảo!

Nông nghiệp công nghệ cao với mạng cảm biến không dây - ứng dụng trồng có giá trị cao Nguyễn Hoàng Nam Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội Email: nam.nguyenhoang@hust.edu.vn Abstract— Bước sang kỉ 21, với hỗ trợ mạnh mẽ khoa học kĩ thuật, ngành kinh tế có bước tiến quan trọng đặt biệt nông nghiệp Với việc ứng dụng khoa học cơng nghệ, nơng nghiệp chuyển mạnh mẽ từ nông nghiệp thủ công sang nông nghiệp tự động hóa Trong nơng nghiệp, khoa học cơng nghệ đưa vào nhằm tăng suất trồng, giảm chi phí, cơng sức người Các hệ thống đo đạc thiết kế giúp người, giám sát chặt chẽ thông số nông nghiệp Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, điều kiện tiên đến suất trồng Trong báo này, tập trung khái quát giải pháp xây dựng hệ thống giám sát, thu thập liệu trồng dựa công nghệ không dây LoRa (Long Range) Trong hệ thống, điểm đo bao gồm cảm biến tích hợp vi xử lý module truyền thông, gọi nút mạng Mỗi điểm đo sử dụng lượng mặt trời để thu thập liệu liên quan đến trồng, sau gửi đến trung tâm giám sát qua module LoRa Tại trung tâm giám sát, liệu lưu trữ, xử lý đưa lên WebServer giúp người dùng dễ dàng theo dõi đưa biện pháp xử lý, điều khiển tự động, điều khiển từ xa 2.1.1 Cảm biến đo độ ẩm đất Sử dụng cảm biến điện hóa, cảm biến tích cực, đo tiếp xúc, nguyên lí hoạt động dựa hiệu ứng Galvanic Cảm biến độ ẩm đất đo hàm lượng nước chứa đất gián tiếp cách sử dụng phản ứng oxy hóa tự nhiên Nó thường bao gồm hai kim loại khác Nước đất đóng vai trị chất điện phân Hoạt động giống pin điện hóa Do đó, xác định điện áp hai cực ta xác định hàm lượng nước chứa đất Keywords- Nông nghiệp công nghệ cao, công nghệ LoRa, pin lượng, solarcell, tự chủ lượng I ĐẶT VẤN ĐỀ Thực tế, việc ứng dụng khoa học kĩ thuật nhằm giám sát trồng áp dụng nhiều sở sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên, khoa học không ngừng phát triển, công nghệ đời lược bỏ hạn chế công nghệ trước Tại nơng trại qui mơ nhỏ, hệ thống giám sát có dây tin tưởng tính ổn định nó, với nơng trại qui mơ lớn hệ thống trở nên phức tạp khó quản lý Công nghệ không dây đời, chiếm lĩnh phần lớn thị trường nhờ nhỏ gọn, đa tính linh hoạt, nhiên lại đắt đỏ tốn lượng Hình Đường đặc tính cảm biến 2.1.2 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường Sử dụng cảm biến BME 280 đo thông số: nhiệt độ, độ ẩm môi trường Cảm biến thụ động sản xuất theo công nghệ vi cảm biến Khi hoạt động với chức đo nhiệt độ độ ẩm mơi trường, dịng tiêu thụ khoảng 1.8 A Cảm biến tiêu thụ lượng thấp phù hợp cho giải vấn đề tự chủ lượng cho node mạng Việc phát triển hệ thống giám sát đảm bảo tiêu chí nhỏ gọn, ổn định sử dụng lượng xanh hướng nghiên cứu nhà phát triển Công nghệ LoRa đời với nhiều ưu việt, áp dụng rộng rãi vào phát triển nông nghiệp II 2.2 Xây dựng mạng cảm biến không dây dựa công nghệ LoRa - Module Ra01 2.2.1 Giới thiệu công nghệ LoRa LoRa Alliance tổ chức phi lợi nhuận, thành lập để nghiên cứu định nghĩa chuẩn giao tiếp LPWAN Network dựa tảng LoRa LoRa kỹ thuật điều chế dựa kỹ thuật Spread-Spectrum biến thể Chirp Spread Spectrum (CSS), cho phép truyền thơng khoảng cách xa đáng kể kỹ thuật khác CẤU TRÚC HỆ THỐNG 2.1 Đo, phân tích ảnh hưởng thơng số trồng Các thông số cho phát triển trồng độ ẩm đất, nhiệt độ độ ẩm môi trường 282 Bộ nhớ Sx1278 chia làm phần: ghi chức hai đệm liệu FIFO Các ghi Sx1278 chia thành nhóm sau: Ngun lý hoạt động: Dữ liệu trước truyền anten băm xung cao tần để tạo tín hiệu có dãy tần số cao tần số liệu gốc; sau tín hiệu cao tần tiếp tục mã hố theo chuỗi Chirp Signal (là tín hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có loại Chirp Signal Up-chirp có tần số tăng theo thời gian Down-chirp có tần số giảm theo thời gian; việc mã hoá theo nguyên tắc bit sử dụng Up-chirp, bit sử dụng Down-chirp   Cấu trúc mạng LoRa xây dựng mơ hình mạng hình điểm đo gửi liệu đến Gateway LoRa, từ liệu chuyển lên máy tính, server liệu xử lý    Mạng LoRaWan gồm thành phần sau:   Device Node: thiết bị trường chứa cảm biến đo Gateway: Là thiết bị trung chuyển có nhiệm vụ làm cầu nối, chuyển tiếp liệu từ Device Node tới Server trung tâm mạng Thanh ghi cài đặt chức (bắt buộc): chế độ sleep, RX, TX, standby, … tần số truyền, Preamble, header, … Nhóm ghi FIFO: để giao tiếp với đệm bắt buộc phải dùng ghi Nhóm ghi báo trạng thái ngắt Nhóm ghi cấu hình thơng số đặc biệt CR, BW, SF (các thông số đề cập bên dưới) Các ghi khác nhóm RF block, RSSI, Invert IQ, … Nhóm ghi bắt buộc cần thiết cho giao tiếp với vi xử lý phần phân tích thông số đặc trưng chip LoRa LoRa phương thức điều chế lớp vật lý tín hiệu RF, có yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới khả truyền liệu chip LoRa: Spreading Factor – SF: SF xác định số lượng Chrip  Signal mã hóa tín hiệu điều chế tần số (Chipped Signal) liệu Ví dụ SF = 12 có nghĩa mức logic Chipped Signal mã hóa 12 xung Chirp Signal  Bandwidth – BW: BW xác định tần số mà Chirp Signal thay đổi  Coding Rate – CR: Số lượng bit thêm vào Payload nhằm phục hồi liệu sai Thời gian truyền ký tự mã hóa nhị phân tính theo cơng thức: Hình Cấu trúc mạng LoRa [1] Trong báo này, khơng phân tích sâu mặt mã hóa bảo mật liệu mạng LoRa Bài báo phân tích cách lập trình chip LoRa nhằm kết nối thiết bị Với: Có thể nói SF, BW CR thơng số quan trọng chipset LoRa Trong đó, SF BW ảnh hưởng thời gian khoảng cách truyền liệu; CR ảnh hưởng thời gian truyền liệu Tùy yêu cầu ứng dụng, chọn giá trị hợp lý để tối ưu trình truyền nhận qua LoRa 2.2.3 Frame truyền LoRa Hình Kết nối thiết bị mạng LoRa [2] 2.2.2 Các thông số hoạt động Module Ra01 Module Ra01 sản xuất AI-Thinker, sử dụng chip Sx1278 Semtech, loại thông dụng thị trường Để truyền tin với Module Ra01, ta cần cấu hình cho ghi chip Sx1278 thông qua giao thức SPI Hình Một frame truyền LoRa [3] 283 Trong đó:  Preamble: chuỗi binary để nhận detect tín hiệu LoRa packet khơng gian Độ dài Preamble ảnh hưởng tới tốc độ truyền liệu nên cần lưu ý  Header: chứa thơng tin size Payload có PayloadCRC hay không Giá trị Header check CRC kèm theo  Payload: liệu ứng dụng truyền qua LoRa phần kiểm tra liệu PayLoad CRC III Hình Mơ hình trường ỨNG DỤNG HỆ THỐNG MẠNG GIÁM SÁT CHO MƠ HÌNH NƠNG TRẠI Tín hiệu đầu đưa qua khối khuếch đại sử dụng LM358, tín hiệu qua khuếch đại đưa vào ADC vi xử lí Tín hiệu đo liên tục, tín hiệu đưa vào mảng có độ dài xác định, vi xử lí xử lí tín hiêu theo mảng để đảm bảo tính xác, chống nhiễu tín hiệu Để tự chủ lượng nút mạng, liệu không gửi mà lưu nhớ vi xử lí Với việc sử dụng pin mặt trời công suất 1,8W, để tối ưu cơng suất, tín hiệu gửi sau giờ, đủ đáp ứng kịp thời tối ưu công suất cho thiết bị Áp dụng mơ hình nơng trại lớn: diện tích Hình Cấu trúc hệ thống giám sát thơng số sinh trưởng trồng Hệ thống giám sát xây dựng dựa mơ hình mạng đề cập mục 2.2.1 bao gồm:  Thiết bị trường (End Node)  Trạm thu thập liệu trung gian (Gateway)  Các thiết bị lưu trữ, xử lý giám sát liệu (Application) Hình Ghép nối cảm biến với vi xử lí Mơ hình nơng trại gồm nhiều nút mạng trên, nút mang thông số xử lí khác yêu cầu loại trồng Mỗi mã nút đính kèm gói tín gửi tới trạm thu thập liệu 3.1 Thiết bị trường Với việc sử dụng truyền thông LoRa, vấn đề cơng suất giải hợp lí, thơng tin truyền ổn định, thiết lập mạng lưới hình dễ dàng Mỗi thiết bị trường hiểu nút mạng hệ thống mạng giám sát không dây Mỗi nút mạng cảm biến thơng minh, đánh tên cụ thể, đồng thời giám sát xử lí số liệu thơng số trồng Thực chất chúng gồm cảm biến thơng dụng, ghép nối xử lí vi điều khiển Các tín hiệu thu đầu cảm biến truyền tới vi điều khiển Vi xử lí xử lí số liệu tiến hành gửi đến trạm thu thập liệu thơng qua truyền thông LoRa Mỗi nút mạng phải tự chủ lượng hoạt động tối ưu với lượng sử dụng thấp Xây dựng nút mạng – giám sát trường sở cảm biến Các cảm biến có đầu khoảng 10-500mV Hình Một mạch đo nút mạng 284 Mặt khác, để hoạt động trời với thời tiết nóng ẩm Việt Nam, nút mạng phải đóng hộp nhằm chống ẩm, chống nắng giúp tăng thời gian sử dụng, tránh nhiễu trường   Tại liệu xử lý sơ lược nhằm phục vụ cho chế độ điều khiển tự động Relay bật tắt máy bơm Van đóng mở cấp nước Đồng thời, liệu gửi lên máy tính thơng qua cổng kết nối USB hay đưa lên WebServer hay điện thoại người dùng thông qua module Wifi SIM Bên cạnh đó, ta gắn thêm LCD trực tiếp lên GateWay nhằm tiện quan sát trường hợp không kết nối máy tính hay Wi-Fi/GSM/GPRS Hình Mơ hình vỏ hộp Vỏ thiết kế đảm bảo tiêu chí:  Chống nóng vị trí đặt pin  Chống nước, sử dụng gioăng silicon  Tháo mở dễ dàng  Tính thẩm mĩ cao Hình 11 Đỉnh mái – nơi đặt pin mặt trời Hình 10 thiết bị trường với mạch đo truyền thông LoRa Thiết bị đo độ ẩm đất lắp vỏ kết nối mạch để đo giám sát khơng dây Nhưng trường hợp có hỏng hóc, mạch mang sửa chữa thiết bị hiển thị dạng kim nằm lại trường Việc nhằm đảm bảo việc theo dõi trồng tưới tiêu hợp lý, tránh bị khơ héo, chết Hình 11 thiết bị gắn pin mặt trời nghiêng góc 30 độ nhằm lấy lượng cung cấp cho toàn mạch đo truyền thông 3.2 Trạm thu thập liệu trung gian (Gateway) Hình 12 Sơ đồ khối Gateway Sơ lược thiết kế phần cứng Nguồn: chia làm phần nguồn 5V, 4.1V 3.3V sử dụng loại IC 2596S Sơ đồ nguyên lý xây dựng dựa datasheet IC Truyền thông: sử dụng module truyền thông SIM, LoRa ESP8266 cho Wi-Fi Vì module vi xử lý có mức điện áp khác nên để mạch hoạt động ổn định ta thiết kế thêm mạch chuyển đổi mức logic vi xử lý module dựa Mosfet BSS138 USB: sử dụng IC CH340 mạch nguyên lý dựa datasheet Vi xử lý: sử dụng chip ATmega2560 Hình 10 Một thiết bị trường Thời gian thực: sử dụng IC DS1307 Nguyên lý hoạt động  LCD: hình LCD Nokia 5110 Dữ liệu từ thiết bị trường gửi/nhận thông qua module LoRa chuyển tới vi xử lý Việc lựa chọn điện trở tụ chủ yếu dựa datasheet Hình 13 thiết bị Gateway hoàn thiện với 285 chuẩn truyền thông: LoRa cho thiết bị trường, Wi-Fi chuyển tiếp liệu hệ thống lên Trung tâm liệu Datacenter 3G trường hợp kết nối Internet qua chuẩn Wi-Fi Hình 15 Giao diện điều khiển Hình 15 thể giao diện điều khiển với chế độ thông dụng, cho người dùng dễ dàng điều khiển chỉnh sửa thông số cài đặt Hình 13 Mạch PCB Gateway Điều giúp cho hệ thống ln trạng thái có backup để bảo toàn liệu đo, giúp hệ thống phần mềm ln online tình 3.3 Các thiết bị lưu trữ, xử lý giám sát liệu Nhằm giúp người dùng dễ dàng việc quan sát liệu, nhóm xây dựng phần mềm giám sát máy tính thiết lập WebServer ứng dụng điện thoại dành cho người dùng Hình 16 Giao diện cài đặt Hình 16 giao diện cài đặt cho việc hoạt động truyền thông cảnh báo cho thiết bị người dùng có cố hay ngưỡng cho phép Phần mềm giám sát máy tính Hình 17 Dữ liệu lưu trữ Hình 14 Giao diện giám sát Các liệu thử nghiệm đo được lưu vào sở liệu để người dùng dễ xem lại theo rõi thể Hình 17 Giao diện Hình 14 cho biết thơng số độ ẩm đất, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí thu thập từ thiết bị trường Qua số liệu thống kê để người dùng theo rõi có điều chỉnh hợp lý với thời kì trồng Sau hồn thiện sản phẩm đưa vào thử nghiệm thực tế thiết bị hoạt động với yêu cầu đặt Các liệu môi trường đươc đo truyền không dây qua thiết bị LoRa đảm bảo thông tin, tốc độ khoảng cách truyền xa 286 IV KẾT LUẬN thể với loại trồng có giá trị cao Thiết lập mạng giám sát thông minh bao gồm tất thiết bị, từ giám sát tới quản lí chấp hành Nhóm tin tưởng thời gian ngắn, hệ thống ứng dụng thực tế, thúc đẩy nông nghiệp theo hướng tự động hóa Bước đầu giai đoạn thử nghiệm, hệ thống mạng giám sát trồng sử dụng công nghệ truyền thông LoRa cho kết đáng mong đợi Hệ thống mạng kiểu lược bỏ bớt hạn chế hệ thống mạng kiểu cũ Nhỏ gọn hơn, giá thành mức trung bình, tín hiệu truyền ổn định, cập nhật nhanh chóng TÀI LIỆU THAM KHẢO David Manners, “LoRaWAN specs for firmware updates over the air,” Electronic Weekly, 25th October 2018 https://www.electronicsweekly.com/news/business/lorawa n-specs-firmware-updates-air-2018-10/ [2] I-scoop,“ LoRa and LoRaWAN: the technologies, ecosystems, use cases and market” Internet of Things guide, 2017 https://www.i-scoop.eu/internet-of-things-guide/iotnetwork-lora-lorawan/ [3] Aloys Augustinet al.,”A study of LoRa: long range & low power networks for the Internet of Things”, Sensor, Sensors, 2016, 16, 1466; DOI:10.3390/s16091466 [1] Tuy nhiên, thành công bước đầu giai đoạn thử nghiệm Khả tự chủ lượng chưa thật ổn định Thời hạn sử dụng thiết bị trường cần quan sát, đánh giá thêm Đặc biệt thiết bị cấu chấp hành tưới tiêu, mái vòm, hệ thống phun sương chưa tích hợp hệ thống thông minh, cần tác động người phần nhiều khâu quản lí Hiểu rõ vấn đề, nhóm nghiên cứu ln nỗ lực cải tiến hệ thống với mục tiêu ứng dụng sở ngông nghiệp cụ 287 ... LoRa Mỗi nút mạng phải tự chủ lượng hoạt động tối ưu với lượng sử dụng thấp Xây dựng nút mạng – giám sát trường sở cảm biến Các cảm biến có đầu khoảng 1 0-5 00mV Hình Một mạch đo nút mạng 284 Mặt... thể với loại trồng có giá trị cao Thiết lập mạng giám sát thông minh bao gồm tất thiết bị, từ giám sát tới quản lí chấp hành Nhóm tin tưởng thời gian ngắn, hệ thống ứng dụng thực tế, thúc đẩy nông. .. nút mạng cảm biến thông minh, đánh tên cụ thể, đồng thời giám sát xử lí số liệu thông số trồng Thực chất chúng gồm cảm biến thông dụng, ghép nối xử lí vi điều khiển Các tín hiệu thu đầu cảm biến