Nghiên cứu Thiết kế điều khiển Fuzzy tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) nhằm ứng dụng cho nông nghiệp trong nhà kính i thiết kế mô hình nông nghiệp chính xác trong nhà kính với điều khiển logic mờ (Fuzzy logic) với các tham số môi trường là nhiệt độ và độ ẩm không khí. Hệ thống gồm cảm biến DHT22 ghép nối với bo mạch ESP32 để đo các tham số môi trường. Quạt thông gió, làm mát và thiết bị phun sương dùng điều khiển tham số trong nhà kính. Mời các bạn cùng tham khảo!
Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Thiết kế điều khiển Fuzzy tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm) nhằm ứng dụng cho nơng nghiệp nhà kính Nguyễn Duy Hiếu1, Đặng Tuấn Đạt1, 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 Abstract- Trong cơng trình này, chúng tơi thiết kế mơ hình nơng nghiệp xác nhà kính với điều khiển logic mờ (Fuzzy logic) với tham số môi trường nhiệt độ độ ẩm khơng khí Hệ thống gồm cảm biến DHT22 ghép nối với bo mạch ESP32 để đo tham số mơi trường Quạt thơng gió, làm mát thiết bị phun sương dùng điều khiển tham số nhà kính Thuật tốn Fuzzy logic thiết kế lập trình dựa ngơn ngữ Matlab sau nhúng vào ESP32 để tác động điều khiển đến chấp hành cho thiết bị kể Kết cho thấy thông qua điều khiển Fuzzy tham số môi trường giữ ổn định tốt so với điều khiển tắt/mở (on/off) rời rạc Với kỹ thuật này, tham số nhiệt độ môi trường khống chế tốt gần với giá trị mục tiêu, hệ thống đem lại tối ưu mặt lượng điện tiêu thụ ẩm, tham số vốn điều khiển qua thiết bị phun sương Do đó, áp dụng kỹ thuật điều khiển theo logic mờ (Fuzzy logic) cho điều khiển hệ với tham số mà có liên hệ tương quan với đem lại giải cách tối ưu đạt giá trị tham số mong muốn lượng sử dụng [8,9] Cơng trình nghiên cứu vào thiết kế điều khiển Fuzzy cho điều khiển tự động tham số môi trường nhằm ứng dụng nơng nghiệp nhà kính, hướng vào hai thơng số quan trọng nhiệt độ độ ẩm Đây ví dụ thử nghiệm hồn tồn phát triển mở rộng cho quy mô lĩnh vực khác Keywords- Logic mờ (Fuzzy logic), điều khiển tắt/mở (on/off), Internet vạn vật (IoT), nơng nghiệp xác a) Tổng quan hệ thống II PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG Mơ hình nhà kính (theo thể Hình 1) hoạt động thử nghiệm đặt phịng thí nghiệm có diện tích 80 m2 với điều hòa để đặt nhiệt độ phòng đạt cỡ 20 oC độ ẩm khơng khí cỡ 50 %RH Nhà kính chiếu đèn từ bên ngồi sử dụng bịng đèn điện dây tóc có cơng suất 25 W, nhằm mơ giống mặt trời Mơ hình nhà kính với tham số cần khống chế điều khiển độ ẩm nhiệt độ Mục tiêu hệ thống điều khiển trì nhiệt độ 25 oC độ ẩm 95 %RH, chọn nhằm tạo môi trường cho nuôi trồng nấm ăn Nhà kính có dạng hình hộp với kích thước 20 cm 30 cm 40 cm Hệ thống IoT gồm phần đo đạc tham số môi trường đầu vào cảm biến, thiết bị tạo thay đổi cho tham số môi trường; phần thu nhận phân tích liệu từ cảm biến; phần đầu tác động điều khiển đến chấp hành Cảm biến môi trường DHT22 đo đạc thu thập số liệu đầu vào nhiệt độ độ ẩm khơng khí [10] Các số liệu ESP32 ghi nhận, xử lý chuyển thành giá trị Fuzzy sử dụng hàm Trapezoidal Fuzzy cho điều khiển Rơle đóng mở cho điều khiển tương ứng hoạt động quạt thơng gió, làm mát thiết bị phun sương, từ tác động đến độ ẩm khơng khí nhiệt độ Các giá trị Fuzzy thông qua thuật toán Fuzzy kiểm tra giá trị Fuzzy I GIỚI THIỆU Những nghiên cứu ứng dụng IoT nông nghiệp phát triển mạnh năm gần [1,2] IoT mạnh giá thành rẻ, cấu hình linh hoạt cho mơ hình thực tế, kiểm sốt tốt q trình ni trồng, thu hoạch, đóng gói, trích xuất nguồn gốc [2] Một xu hướng nông nghiệp đại nuôi trồng nhà kính kiểm sốt tốt chất lượng, sản lượng sản phẩm đặc biệt phù hợp cho diện tích nhỏ [3] Do đó, nơng nghiệp nhà kính, IoT phát huy tối đa mạnh kể Nuôi trồng nấm ăn biết đến lựa chọn hàng đầu nuôi trồng nhà kính, chúng địi hỏi khơng gian, tham số mơi trường cần kiểm sốt theo giai đoạn phát triển [46] Có nhiều cơng trình nghiên cứu thực cho nuôi trồng nấm phát triển hệ thống điểu khiển tham số môi trường sử dụng logic rõ, thực việc điều khiển cách độc lập tham số [7] Như thế, điểm yếu rõ ràng gây lãng phí tài nguyên, lượng áp dụng ngưỡng cứng tính độc lập tham số vốn có mối liên hệ tương quan với [8] Ví dụ, điều khiển quạt thơng gió, làm mát để giảm nhiệt độ thay đổi độ ISBN 978-604-80-7468-5 441 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) đầu vào, áp dụng luật, đưa điều khiển Fuzzy đầu tương ứng Các liệu tham số mơi trường mơ hình ghi lại thành tệp Excel Hình minh họa phần cứng cấu thành mơ hình nhà kính Cảm biến DHT22: module cảm biến thương mại đo nhiệt độ độ ẩm khơng khí Nó tích hợp tiền xử lý tín hiệu tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) chuẩn hóa cho dễ dàng tích hợp vào bo mạch ESP32 Thông số kỹ thuật cảm biến DHT22 sau: - Điện áp hoạt động: VDC - Khoảng đo độ ẩm: 100% RH, sai số 2% RH - Khoảng đo nhiệt độ: -40 80 oC sai số 0.5 oC - Tần số lấy mẫu tối đa 0.5 Hz (2 giây / lần) - Kích thước: 28 mm 12 mm 10 mm Hỗ trợ đa dạng nhiều loại giao tiếp vào/ra: + cổng DAC (8 bit) + cổng ADC (12-bit) + cổng I²C + cổng UART + cổng SPI + cổng I²S + 34 cổng GPIOs + SD card /SDIO/MMC host + Slave (SDIO/SPI) + Ethernet MAC (DMA IEEE 1588) + CAN bus 2.0 + IR (TX/RX) - Băm xung PWM (tất chân ) - Nguồn điện hoạt động 2.2 3.6V - Nhiệt độ hoạt động -40 + 85 oC Thiết bị chấp hành điều khiển: phận chấp hành hệ thống sử dụng hai Rơ-le điện từ (nguồn ni VDC, kích hoạt mức cao 3,3 VDC) để đóng mở quạt thơng gió, làm mát thiết bị phun sương Rơ-le cách ly nguồn điện để tránh gây nhiễu ảnh hưởng đến hoạt động cho ESP32 - Nhà kính Cảm biến DHT22 b) Thuật toán Fuzzy logic Xây dựng thuật toán Fuzzy logic gồm xác định biến ngôn ngữ đầu vào/ra; xây dựng hàm thành viên luật tương ứng Hai biến đầu vào bao gồm nhiệt độ độ ẩm; biến ngơn ngữ nhiệt độ chia thành mức {Q Lạnh, Lạnh, Trung Bình, Nóng, Q Nóng} hàm thành viên theo hàm Trapezoidal thiết kế Hình 2a Mức nhiệt độ “Trung bình” coi điều kiện mong muốn điều khiển hướng tới ESP32 Quạt thơng gió, làm mát Rơ-le Q lạnh Thiết bị phun sương Lạnh Nóng Trung bình Q nóng Rơ-le (a) 16 Bộ nguồn 18 20 22 24 26 28 30 34 32 36 Nhiệt độ (oC) Hình 1: Minh họa phần cứng mơ hình nhà kính Q khơ Bo mạch ESP32: thiết bị phổ biến cho thiết kế hệ thống IoT có giá thành thấp đáp ứng nhiều chức ghi nhận tham số môi trường từ cảm biến, xử lý số liệu, tác động điều khiển truyền số liệu khơng dây Wifi Thơng số kỹ thuật bo mạch ESP32 [11]: - Chíp CPU Xtensa hai nhân LX6 - Chạy hệ 32 bit - Tốc độ xử lý 160 240 MHz - Bộ nhớ SRAM: 520 KByte - Hỗ trợ giao tiếp không dây Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/I Bluetooth: v4.2 BR/EDR - BLE ISBN 978-604-80-7468-5 Khơ Trung bình Ẩm Q ẩm (b) 30 40 50 60 70 80 90 100 Độ ẩm (% RH) Hình 2: Chia dải nhiệt độ (a) độ ẩm (b) thuật toán Fuzzy 442 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Biến ngôn ngữ độ ẩm chia thành mức {Quá khô, Khô, Trung Bình, Ẩm, Quá Ẩm}, hàm thành viên Trapezoidal thiết kế Hình 2b Dải độ ẩm mong muốn cần đạt từ 71đến 85% RH Khi đó, khoảng thời gian cho bật Rơ-le để chạy quạt gió phun sương biến đầu Biến ngôn ngữ đầu {Ngắn, Trung Bình, Dài} cho điều khiển thời gian đóng/mở quạt gió thiết bị phun sương Các hàm thành viên hai biến đầu thể Hình 3a-b Bảng thể 25 luật Fuzzy thiết kế cơng trình Các luật viết nhằm mục đích định mức độ hoạt động quạt thơng gió thiết bị phun sương Ngắn Trung bình Hệ thống Fuzzy giải Fuzzy với trạng thái tham số đầu vào (nhiệt độ, độ ẩm) trạng thái điều khiển (thời gian quạt gió phun sương) thể Hình Quá trình Fuzzy hóa sử dụng luật “và” Ví dụ: nhiệt độ “Nóng” độ ẩm “Trung bình” quạt phun sương hoạt động chế độ “Dài” Hệ thống Fuzzy chạy thử nghiệm dựa liệu thu thập từ cảm biến giá trị nhiệt độ độ ẩm tác động điều khiển Thuật tốn Fuzzy lập trình dựa Matlab sau mã chuyển sang ngơn ngữ C nạp vào ESP32 để hệ thống hoạt động cách tự động tự động Nhiệt độ Độ ẩm Thời gian đk quạt Thời gian đk phun sương Dài (a) 50 100 150 200 250 Thời gian (giây) Ngắn Trung bình Dài Hình 6: Giải Fuzzy cho trường hợp điều khiển (b) 50 100 150 Thời gian (giây) 200 250 Hình 4: Khoảng thời gian đóng/mở quạt gió (a) khoảng thời gian đóng/mở phun sương (b) Bảng 1: Các trạng thái điều khiển Fuzzy hệ thống Nhiệt Quá Ẩm độ/Độ ẩm ẩm Quá F: Dài F: Dài lạnh Lạnh Khô F: Trung bình F: Ngắn P: Ngắn P: Trung bình Q khơ F: Ngắn P: Dài F: Trung F: Ngắn P: bình Ngắn F: Ngắn P: Trung bình F: Ngắn P: Dài Trung F: Dài bình F: Ngắn F: Ngắn P: Ngắn F: Ngắn P: Trung bình F: Ngắn P: Dài Nóng F: Ngắn F: Ngắn P: Ngắn F: Ngắn P: Trung bình F: Ngắn P: Dài F: Dài P: Dài F: Dài P: Dài F: Dài P: Dài Quá nóng F: Dài Bình thường F: Dài F: Dài P: Dài F: Dài P: Dài Hình 7: Lưu đồ thuật tốn Hình lưu đồ thuật tốn lập trình cho nạp vào ESP32 Sau khởi động, hệ thống xác nhận/đọc cảm biến DHT22 Nếu thông số đầu vào null, liệu nhiệt độ độ ẩm tính tốn theo thuật tốn Fuzzy đưa tác động điều khiển cho quát gió phun sương Điều kiện biên F: Quạt gió P: Thiết bị phun sương ISBN 978-604-80-7468-5 443 Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) xác lập tương ứng với khoảng giá trị gắn cho vùng nhiệt độ {Q Lạnh, Lạnh, Trung Bình, Nóng, Q Nóng} độ ẩm {Q khơ, Khơ, Trung Bình, Ẩm, Q Ẩm} trị điều kiện biên khoảng thời gian áp điều khiển Fuzzy cho đóng/mở quạt gió phun sương để đạt giá nhiệt độ đô ẩm mong muốn (Bảng 2) III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Bảng 2: Điều kiện biên khoảng thời gian đóng/mở quạt gió phun sương điều khiển Fuzzy Dữ liệu kết nhiệt độ độ ẩm biểu thị đồ thị Hình Hình Nhiệt Quá lạnh Lạnh độ [0 18 [17.5 20] 20.5 22.5 24.5] Độ ẩm Quá khô Khơ Trung Nóng Q nóng bình [23.5 24 [26 29 [32.5 34 25 26.5] 31.5 34] 36 36] Trung Ẩm ướt Quá ẩm bình ướt [3.75 [37 46 [75 78 80 [80 84 91 [90 94 27.08 36 67.92 82] 93] 107 163] 44] 77] Thời Ngắn Trung Dài gian bình quạt [0 65 93] [80 90 [165 170 250 250] đóng/m 155 173] Thời Ngắn Trung Dài gian bình phun [0 75 93] [66 90 [146 160 250 250] sương 145 173] mở Thời Ngắn Trung bình gian phun 10 20 30 20 30 50 50 sương đóng Hình 8: Kết nhiệt độ độ ẩm ghi nhận nhà kính trường hợp không điều khiển Fuzzy Không chạy [0 0 0] Không chạy [0 0 0] Kết cho thấy, kiểm nghiệm, hệ thống Fuzzy cho thấy tính ổn định tốt thời gian nhiệt độ độ ẩm ngưỡng mục tiêu nhiều 5% 2% so với điều khiển theo logic rõ (điều khiển đóng/mở rời rạc IV KẾT LUẬN Mơ hình nhà kính áp dụng điều khiển Fuzzy xây dựng thử nghiệm cho hai số môi trường nhiệt độ độ ẩm Hệ sử dụng bo mạch ESP32, cảm biến DHT22, rơ-le đóng ngắt quạt gió phun sương để tạo mơ hình gần với ứng dụng thực tế Hệ thiết bị thể hoạt động ổn định tin cậy Việc áp dụng điều kiện biên phù hợp để giữ tham số môi trường vùng mong muốn hoàn toàn khả thi với kỹ thuật Fuzzy Ngồi ra, kỹ thuật đem đến tối ưu mặt lượng điện tiêu thụ so điều khiển khác logic rõ Hình 9: Kết nhiệt độ độ ẩm ghi nhận nhà kính trường hợp có điều khiển Fuzzy Hình thể biểu đồ theo thời gian nhiệt độ độ ẩm nhà kính khơng có điều khiển Fuzzy, sử dụng điều khiển đóng/mở quạt gió cho nhiệt tham số nhiệt độ phun sương cho độ ẩm Kết cho thấy nhiệt độ dao động từ 22 đến 32 o C độ ẩm thay đổi từ 60 đến 95 %RH Tại thời điểm ban đầu tham số dao động mạnh khó giữ ổn định tham số nhà kính theo thời gian Hình kết điển hình tham số nhiệt độ độ ẩm nhà kính có điều khiển Fuzzy Kết cho thấy nhiệt độ giữ ổn định lân cận 26 oC độ ẩm biến thiên khoảng hẹp từ 78 đến 90 %RH Các giá trị vùng giá trị mong muốn Kết Hình áp dụng giá ISBN 978-604-80-7468-5 Tài liệu tham khảo 444 Safianu Omar, Internet of Things (IoT) for Smart Farming: A Systematic Review, International Journal of Computer Applications, 174 (2021) 47-54 Himani Mittal, Smart Farming Enabling Technologies: A Systematic Review, Chapter: November 2021, (2021) Mai Ha Thi, Le Hoang Son, Nguyen Tran Quoc Vinh, Nguyen Thi Huong Quynh, Computing Hội nghị Quốc gia lần thứ 25 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2022) Infrastructure Of IoT Applications In Smart Agriculture: A Systematical Review, 6th International Conference on Innovative Technology in Intelligent System and Industrial Applications (CITISIA) | 978-1-6654-1784-6/21, (2022) Sampada Singh, Sneha Anand, Simran, Sushma S J., Smart Mushroom Cultivation using IoT, International Journal of Engineering Research & Technology, IETE-2020 Conference Proceedings (2020) S.Pravinth Raja, A.P.Roger Rozario, S.Nagarani, N.S.Kavitha, Intelligent Mushroom Monitoring System, International Journal of Engineering & Technology, (2018) 1238-1242 P.K Angral, Ritula Thakur, Different Automatic Monitoring and Controlling Technique for Mushrooms, Turkish Journal of Computer and Mathematics Education 12 (2021) 3363-3369 Paweł Chwietczuk, Mateusz Siarnowski, Seweryn Lipiński, Optimizing Mushroom Cultivation Process - Concepts for Control and Monitoring System, Agricultural Engineering 24 (2020) 13-22 Angga Prasetyo, Moh.Bhanu Setyawan, Yovi Litanianda, Sugianti, Fauzan Masykur, Fuzzy Method Design for IoT-Based Mushroom Greenhouse Controlling, Jurnal Ilmiah Penelitian dan Penerapan Teknologi Sistem Informasi, (2022) 81-91 Navod Neranjan Thilakarathne, Muhammad Saifullah Abu Bakar, Pg Emeroylariffion Abas, Internet of Things in Smart Agriculture: Challenges, Opportunities and Future Directions, 2021 IEEE Asia-Pacific Conference on Computer Science and Data Engineering (CSDE), (2021) 10 http://www.aosong.com/, 11 https://www.espressif.com/, ISBN 978-604-80-7468-5 445 ... nhận nhà kính trường hợp có điều khiển Fuzzy Hình thể biểu đồ theo thời gian nhiệt độ độ ẩm nhà kính khơng có điều khiển Fuzzy, sử dụng điều khiển đóng/mở quạt gió cho nhiệt tham số nhiệt độ phun... nhiệt độ độ ẩm ngưỡng mục tiêu nhiều 5% 2% so với điều khiển theo logic rõ (điều khiển đóng/mở rời rạc IV KẾT LUẬN Mơ hình nhà kính áp dụng điều khiển Fuzzy xây dựng thử nghiệm cho hai số môi trường. .. cứng mơ hình nhà kính Quá khô Bo mạch ESP32: thiết bị phổ biến cho thiết kế hệ thống IoT có giá thành thấp đáp ứng nhiều chức ghi nhận tham số môi trường từ cảm biến, xử lý số liệu, tác động điều