Xây dựng mô hình hệ thống IoT sử dụng cảm biến môi trường nhằm ứng dụng trong nuôi trồng nấm ăn

Bài viết trình bày xây dựng một mô hình hệ thống IoT giá thành rẻ với các cảm biến môi trường (khí CO2, độ ẩm, nhiệt độ, và ánh sáng) nhằm ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp chính xác về nuôi trồng nấm ăn. Hệ thống được thiết kế trên cơ sở sử dụng bo mạch Adruino Wemos D1 R1, và các cảm biến môi trường gồm cảm biến nguyên lý hấp thụ hồng ngoại đo khí CO2, cảm biến ánh sáng nguyên lý quang trở và cảm biến nhiệt độ và độ ẩm là DHT11.

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Xây dựng mơ hình hệ thống IoT sử dụng cảm biến mơi trường nhằm ứng dụng nuôi trồng nấm ăn Đào Văn Quân1, Phạm Đình Tuân1,* Hồ Trường Giang2 Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội Viện Khoa học vật liệu, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội; *Email: tuanpd@vnu.edu.vn Hơn nữa, xu hướng phát triển giới sản phẩm nông nghiệp cần trích xuất nguồn gốc thơng tin sản phẩm liên quan đến tồn q trình ni trồng Internet vạn vật (IoT) hiểu đơn giản kết nối vật thể với định danh cụ thể với thông qua mạng internet Gần đây, IoT cho chủ đề nóng, ngành hứa hẹn có phát triển vượt bậc ứng dụng nhiều lĩnh vực khác nhau, nơng nghiệp khơng phải ngoại lệ IoT giúp cho sống người trở lên thuận lợi việc quản lý, điều khiển thiết bị tham số đo lường từ xa ứng dụng điện thoại, website, [1] Dựa phát triển nhanh chóng sản phẩm khoa học công nghệ linh kiện cảm biến, vi xử lý, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện tử, IoT có tiềm triển vọng phát triển hết với mong muốn đưa sản phẩm sáng tạo, đại, tiện ích đồng để đáp ứng nhu cầu sống Abstract— Trong báo này, chúng tơi xây dựng mơ hình hệ thống IoT giá thành rẻ với cảm biến mơi trường (khí CO2, độ ẩm, nhiệt độ, ánh sáng) nhằm ứng dụng lĩnh vực nơng nghiệp xác ni trồng nấm ăn Hệ thống thiết kế sở sử dụng bo mạch Adruino Wemos D1 R1, cảm biến môi trường gồm cảm biến nguyên lý hấp thụ hồng ngoại đo khí CO2, cảm biến ánh sáng nguyên lý quang trở cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 Trong đó, tham số khí CO2 (đóng vai trị quan trọng q trình phát triển nấm) xây dựng dựa cảm biến khí CO2 nguyên lý hấp thụ hồng ngoại theo cấu hình khơng tán sắc (NDIR) thiết kế chế tạo phịng thí nghiệm Việt Nam Hệ thống IoT có chức thu nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý tín hiệu, hiển thị thông tin thông số môi trường Web gửi thông tin qua email dựa tảng Node-Red IoT Platform với mã nguồn mở Keywords- Internet vạn vật (IoT), tảng Node-Red Platform, cảm biến khí ngun lý hấp thụ hồng ngoại (NDIR), nơng nghiệp xác Wifi Bộ mã hóa, Hiện nay, phát triển cách mạng công nghiệp 4.0 quy mơ tồn cầu Các ứng dụng khoa học công nghệ kỹ thuật cao vào lĩnh vực ngày phát triển quy mô rộng cho giá thành rẻ Trong phát triển công nghiệp 4.0, công nghệ thông tin, kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động, cảm biến đóng vai trị quan trọng Tùy vào lĩnh vực cụ thể, công nghiệp 4.0 phát triển cho phù hợp riêng ngày thực hóa Nước ta có ưu cho phát triển nông nghiệp, nông nghiệp chiếm tỷ trọng cao kinh tế Tuy thế, chất lượng sản lượng sản phẩm nông nghiệp thấp so với nước khác Ngành nơng nghiệp ta cịn lạc hậu, thiếu áp dụng công nghệ cao vào sản xuất quản lý Nơng nghiệp cơng nghệ cao hay xác áp dụng ứng dụng công nghệ đại vào việc nuôi trồng, thu hoạch, bảo quản, phân phối giúp làm giảm sức lao động người, thuận tiện quản lý, điều khiển, giám sát sản phẩm nơng nghiệp nâng cao số lượng chất lượng ISBN 978-604-80-5958-3 Lưu trữ chuẩn hóa I GIỚI THIỆU (1) Cảm biến Cảm biến oC, RH ánh sáng H2O H 2O (2) H Cảm biến CO2 co2 co co2 Bộ điều khiển (3) Internet Cell-phone Khu nuôi trồng nấm (1): cấp ánh sáng, sưởi ấm (2): cung cấp độ ẩm (3): cung cấp khí CO2 Nguồn điện Nguồn khí CO2 PC Hình Minh họa hệ thống IoT với chức cho ứng dụng nuôi trồng nấm Sản xuất nông nghiệp trải qua nhiều cơng đoạn theo thời gian, phực tạp liên quan đến nhiều đối tượng ni trồng khác nhau, tốn thực quy mơ lớn, nhiều tham số cần kiểm sốt Việc cần hệ thống đủ mạnh, hoạt động hiệu quả, tin cậy, giá thành rẻ để thực IoT giải pháp hồn tồn phù hợp [2] Trong lĩnh vực cụ thể nuôi trồng nấm, tham số giá thể loại nấm tham số mơi trường nhiệt độ, độ ẩm, khí ánh sáng đóng vai trò quan 253 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021)  Chuẩn giao tiếp: TTL  Dịng sử dụng cực đại: 2.5 mA (khi truyền trọng cần đo đạc, tác động theo giai đoạn phát triển [3,4] Tại sở nuôi trồng nấm nước, việc áp dụng công nghệ cao điều khiển, kiểm sốt tham số mơi trường (đặc biệt khí) chưa thực đầu tư phát triển, chủ yếu dựa vào điều kiện tự nhiên khí hậu, thời tiết vùng, mùa nên dẫn đến chất lượng sản lượng nấm chưa cao Vì vậy, phát triển hệ thống IoT với chức cho quản lý, giám sát, điều khiển thông số môi trường lĩnh vực nuôi trồng nấm ăn có ý nghĩa cho giải toán cụ thể [5] Hệ thống IoT định hướng xây dựng có tính linh hoạt cao (dễ thiết kế, dễ mở rộng quy mô, dễ thay đổi cho ứng dụng) giá thành rẻ Chúng đặc biệt ý đến phát triển hệ thống cho sử dụng cảm biến khí CO2 chế tạo nước Thơng số khí CO2 mơi trường trơng nấm khó kiểm sốt Việt Nam gặp khó khăn loại linh kiện cảm biến Ngồi ra, hệ thống IoT cịn điều chỉnh để áp dụng phù hợp vào nhiều lĩnh vực nông nghiệp khác liệu)  Dải độ ẩm đo 20  80 %RH, sai số: ± %RH  Dải nhiệt độ đo  50 °C, sai số ±2 °C  Tần số lấy mẫu tối đa Hz - Cảm biến ánh sáng quang trở: cảm biến hoạt động dựa thay đổi điện trở linh kiện cường độ chiếu sáng thay đổi Chúng tích hợp thêm khuếch đại (LM393) tín hiệu lối chuẩn hóa dạng tương tự (analog) Cảm biến dùng để bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường Hình 2b ảnh chụp cảm biến đo cường độ ánh sáng Thông số kỹ thuật cảm biến quang điện trở sau:  Điện áp làm việc:  VDC  Tín hiệu lối ra: tương tự cho dải cường độ ánh sáng  1023 Lux  chân đầu : VCC, GND, A0 - Cảm biến khí CO2: Cảm biến đo khí CO2 cảm biến quang học dựa tính chất hấp thụ xạ hồng ngoại đặc trưng phân tử khí CO2 vùng bước sóng 4.26 μm Cảm biến với cấu hình khơng tán sắc (NDIR) hai kênh thu hồng ngoại thiết kế chế tạo Phòng Cảm biến thiết bị đo khí, Viện Khoa học vật liệu Hình ảnh chụp cảm biến NDIR đo khí CO2 sử dụng Cảm biến có buồng đo với hai đầu nối khí vào/ra Nồng độ khí chuẩn hóa hệ thiết bị Viện Khoa học vật liệu Chi tiết thông số kỹ thuật cảm biến sau:  Điện áp sử dụng: nguồn ± 12VDC  Tín hiệu lối cho hai kênh: TTL  Dải nồng độ đo:  20 %vol  Độ phân giải: 0.0001 %vol  Tần số lấy mẫu: Hz II XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG Hệ thống IoT xây dựng bao gồm khối cảm biến để đo lường tham số mơi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khí CO2); khối mã hóa/ chuẩn hóa thơng tin môi trường từ cảm biến; khối phát wifi thực nhận gửi thông tin lên internet; thông qua internet, thông tin lưu trữ, quản lý truy xuất từ xa điện thoại thông minh máy tính; khối điều khiển thực tác động điều khiển phản hồi tham số môi trường cho giai đoạn mong muốn nuôi trồng nấm Hình minh họa sơ đồ khối chức cho hệ thống IoT điển hình nuồi trồng nấm ăn Trên phân tích này, chúng tơi xây dựng mơ hình hệ thống IoT với lựa chọn linh kiện cảm biến module bo mạch phổ biến Việt Nam a) Khối cảm biến - Module DHT11: module cảm biến thương mại đo nhiệt độ, độ ẩm Nó tích hợp mạch, dễ sử dụng giá thành rẻ Bộ tiền xử lý tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) tích hợp mã hóa giúp liệu thu nhận dễ dàng khối mã hóa/ chuẩn hóa (a) Hình Cảm biến NDIR cho đo khí CO2 b) Khối mã hóa/ chuẩn hóa, thu/phát WiFi Trong hệ thống IoT này, bo mạch Adruino Wemos D1 R1 chọn để thu nhận thơng tin tham số mơi trường (tín hiệu dạng tương tự số), sau chuẩn hóa/mã hóa phát tín hiệu WiFi Bo mạch Arduino Wemos D1 R1 bo mạch phát triển từ WeMos thiết kế gồm hai chức xử lý kiểu Arduino Uno tích hợp WiFi (SoC ESP8266EX) với firmware NodeMCU để dùng trình soạn thảo biên dịch Arduino IDE Bo mạch tích hợp dễ dàng thực lập trình cho phát triển ứng dụng IoT Hình ảnh chụp bo mạch Arduino Wemos D1 R1 (b) Hình Cảm biến DHT11 (a) cảm biến ánh sáng (b) Hình 2a ảnh chụp cảm biến DTH11 Thông số kỹ thuật cảm biến DTH11 sau:  Điện áp làm việc  VDC ISBN 978-604-80-5958-3 254 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Nền tảng Node-Red IoT Platform phát triển Node-Red cơng cụ lập trình mạnh mẽ kết nối thiết bị phần cứng, giao diện kết nối API (Application Programing Interface) dịch vụ trực tuyến với ứng dụng IoT Node-Red cung cấp luồng liệu dựa trình duyệt, sử dụng phương pháp lập trình trực quan cho phép nhà phát triển kết nối với khối mã xác định trước (gọi “node”) với để thực nhiệm vụ Mỗi ứng dụng Node-Red bao gồm node kết nối với dạng đầu vào (input), đầu (output) hoạt động (operation) Nền tảng NodeRed có số ưu điểm bật sau:  Thu thập lưu trữ liệu cách đáng tin cậy  Hỗ trợ hiển thị giao diện biểu đồ, đồ thị, v.v  Dễ dàng phù hợp cho nhiều thiết bị sử dụng rộng rãi thị trường Adruino, Raspberry Pi, thiết bị Android, v.v…  Các luồng liệu khác tạo Node-Red lưu trữ JSON, dễ dàng nhập/xuất chia sẻ với người khác  Cho phép gửi cảnh báo tới người dùng tin nhắn, email, v.v  Hỗ trợ thiết bị phải xác thực quản lý thông tin mã xác thực thiết bị  Mã nguồn mở nên sử dụng phát triển cách miễn phí c) Lưu đồ thuật tốn Việc lựa chọn bo mạch Adruino Wemos D1 R1 có số ưu điểm sau:  Giá thành rẻ, dễ sử dụng, module hoàn chỉnh sử dụng vi điều khiển dịng AVR  Kích thước nhỏ gọn  Tích hợp sẵn WiFi, cho phép người dùng thực tác vụ TCP/IP đơn giản để thực vô số ứng dụng khác nhau, đặc biệt ứng dụng IoT  Có thể quét kết nối đến mạng WiFi để thực tác vụ lưu trữ, truy cập liệu từ máy chủ (server)  Là dịng vi điều khiển mã nguồn mở, có nhiều thư viện hỗ trợ cho module chức khác Hình Bo mạch Adruino Wemos D1 R1 Bắt đầu Khởi động Node-Red, MQTT Kết nối MQTT Hình Chân kết nối bo mạch Adruino Wemos D1 R1 Đúng Hình sơ đồ kết nối chân bo mạch Arduino Wemos D1 R1 Thông số kỹ thuật bo mạch Arduino Wemos D1 R1 sau:  Vi điều khiển: ESP8266EX  Điện áp hoạt động: 3.3  VDC  Số chân I/O: 11 (tất chân I/O có Interrupt / PWM/I2C/ One-wire, trừ chân D0)  Số chân Analog Input: (điện áp vào 3.3V)  Bộ nhớ Flash: MB  Giao tiếp: Cable Micro USB  WiFi: 2.4Ghz  Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2  Tích hợp giao thức: TCP/IP  Kích thước: 34.2 mm  25.6 mm  Ngơn ngữ lập trình: C/C++, Micropython, Node MCU b) Nền tảng Node-Red IoT Platform ISBN 978-604-80-5958-3 Sai Server Node-red Sai Đúng Hiển thị liệu Node-Red Gửi liệu, cảnh báo email Hình Lưu đồ thuật tốn hệ thống Hình lưu đồ thuật tốn tồn hệ thống Hệ thống bắt đầu khởi động máy chủ Node-Red, đồng thời khởi động giao thức MQTT khởi tạo tham số hệ thống Khi máy chủ MQTT khởi 255 Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) động, hệ thống kiểm tra xem MQTT có kết nối thành cơng đồng thời sau hệ thống kiểm tra máy chủ Node-Red khởi động thành công hay chưa Sau kết nối thành công, hệ thống xử lý liệu hiển thị Node-Red, cập nhật liên tục giây lần Sau hiển thị thành công liệu, hệ thống gửi số liệu cho người dùng gửi cảnh báo có tham số vượt ngưỡng cho phép có nguy gây hại cho nấm trồng thông qua email phù hợp phát triển ứng dụng cho giám sát liên tục thông số môi trường nuôi trồng nấm trồng nhà kính Hệ thống thiết kế mức độ thử nghiệm mơ hình với thiết bị chủ (bo mạch Adruino Wemos D1 R1) cho thu thập thông tin từ cảm biến Tuy vậy, việc mở rộng hệ thống với nhiều điểm đo khác đơn giản thực sử dụng nhiều bo mạch Adruino Wemos D1 R1 thay đổi lập trình III KẾT QUẢ IV KẾT LUẬN Các tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng nồng độ khí CO2) từ cảm biến Adruino Wemos D1 R1 thu nhận (tín hiệu tương tự - analog tín hiệu số - digital) Thơng tin xử lý/ mã hóa tương ứng với tham số mơi trường Sau đó, liệu định dạng dạng chuỗi đồng thời thông tin đưa lên trang hiển thị Website giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport) theo mạng Wifi Kết hiển thị trang thông qua biểu đồ liệu tham số môi trường theo thời gian giá trị tức thời (như Hình 7) Một hệ thống IoT xây dựng thử nghiệm sở cảm biến môi trường, bo mạch Adruino Wemos D1 R1 tảng Node-Red IoT Platform nhằm đề xuất mô hình cho ứng dụng ni trồng nấm với giá thành rẻ Hệ thống có khả quản lý, truyền/nhận thông tin với độ tin cậy cao, tốc độ phản hồi nhanh vận hành liên tục Hệ thống linh hoạt với khả mở rộng quy mô điểm đo, linh hoạt thay đổi cấu trúc để đáp ứng với toán khác thực tế LỜI CẢM ƠN Cơng trình hỗ trợ Trường Đại học Công Nghệ thông qua đề tài với mã số CN20.47 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805 [2] Savaram Ravindra, "IoTs Applications in Agriculture", 2020, https://www.iotforall.com/iot-applications-in-agriculture [3] Edmund B Lambert, Efect of excess carbon dioxide on growing mushroom, Journal of Agricultural Research, 47, 1933 [4] Cliffe-Byrnes V, O' Beirne D, Effects of gas atmosphere and temperature on the respiration rates of whole and sliced mushrooms (Agaricus bisporus) - implications for film permeability in modified atmosphere packages, Journal of Food Science, 72, 2007 [5] Kitaya Y, Tani A, Kiyota M, Aiga I., Plant growth and gas balance in a plant and mushroom cultivation system, Advances in Space Research, 14, 1994 [6] Jeffrey W Fergus, 2008 A review of electrolyte and electrode materials for high temperature electrochemical CO2 and SO2 gas sensors, Sensors and Actuators B 134, 1034-1104 [7] Qiulin Tan, Licheng Tang, Mingliang Yang, Chenyang Xue, Wendong Zhang, Jun Liu and Jijun Xiong, 2015 Three-gas detection system with IR optical sensor based on NDIR technology Optics and Lasers in Engineering 74, 103-108 [8] Edmund B Lambert, Effect of excess carbon dioxide on growing mushroom, Journal of Agricultural Research, 47, 1933 [9] Guangjun Zhang and Xiaoli Wu, 2004 A novel CO2 gas analyzer based on IR absorption Optics and Lasers in Engineering 42, 219-231 [10] Hanns Erik Endres, Hildegard D Jander and Wolfgang Gottler, 1995 A test system for gas sensors Sensors and Actuators B 23, 163-172 [11] Node-Red, “Node-Red IoT Platform”, 2020, https://nodered.org/#:~:text=Node% DRED%20is%20a%20programming,runtime%20in%20a%20 single%2Dclick [12] Rodger Lea, “noderedguide”, 2016, http://noderedguide.com/nr-lecture-1/#more-14 Hình Thơng tin tham số môi trường hệ thống hiển thị Website Dữ liệu đọc từ cảm biến đẩy lên Web cách liên tục, xác khơng bị gián đoạn Trên Node-Red Server quản lý hiển thị trực quan đồ thị theo thời gian mà gửi liệu dạng email (minh họa Hình 8) Hình Minh họa gửi email tham số môi trường hệ thống Hình hình ảnh minh họa cảnh báo có thơng số mơi trường vượt qua ngưỡng thông số phù hợp cho nấm phát triển Hệ thống gửi cánh báo liên tục cách phút người quản lý tắt cảnh báo tham số môi trường trở ngưỡng quy định Hệ thống thể hoạt động ổn định khoảng thời gian dài, cảm biến hoạt động liên tục ISBN 978-604-80-5958-3 256 ... tham số môi trường cho giai đoạn mong muốn ni trồng nấm Hình minh họa sơ đồ khối chức cho hệ thống IoT điển hình nuồi trồng nấm ăn Trên phân tích này, chúng tơi xây dựng mơ hình hệ thống IoT với... số môi trường theo thời gian giá trị tức thời (như Hình 7) Một hệ thống IoT xây dựng thử nghiệm sở cảm biến môi trường, bo mạch Adruino Wemos D1 R1 tảng Node-Red IoT Platform nhằm đề xuất mơ hình. .. trình cho phát triển ứng dụng IoT Hình ảnh chụp bo mạch Arduino Wemos D1 R1 (b) Hình Cảm biến DHT11 (a) cảm biến ánh sáng (b) Hình 2a ảnh chụp cảm biến DTH11 Thơng số kỹ thuật cảm biến DTH11 sau: