Hệ thống tưới cây cao su thông minh (tóm tắt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  KEOVILAY SONEPHET HỆ THỐNG TƢỚI CÂY CAO SU THÔNG MINH Chuyên ngành: Khoa Học Máy Tính Mã số: 8480101 C C R UT.L D TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KHOA HỌC MÁY TÍNH Đà Nẵng – Năm 2021 Cơng trình đƣợc hồn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS HUỲNH HỮU HƢNG Phản biện 1: TS LÊ TRẦN ĐỨC Phản biện 2: TS HOÀNG THỊ MỸ LỆ Luận văn đƣợc bảo vệ trƣớc Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật khoa học tính họp Trƣờng Đại học Bách khoa vào ngày 10 tháng 04 năm2021 C C R UT.L D Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu truyền thông Trƣờng Đại học Bách khoa - ĐHĐN  Thƣ viện Khoa Công nghệ thông tin, Trƣờng Đại học Bách khoa – ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, nhu cầu nƣớc cho sản xuất sinh hoạt ngày tăng cao trình biến đổi khí hậu ngày rõ rệt khó lƣờng gây sức ép thiếu nƣớc lớn cho ngành sản xuất nông nghiệp Cao su cơng nghiệp có tiềm kinh tế lớn, thu nhập từ cao su giúp phận lớn ngƣời dân Lào nâng cao mức sống Tuy nhiên, để cao su đạt suất cao cần đảm bảo lƣợng nƣớc tƣới phù hợp theo giai đoạn Trƣớc bối cảnh tại, đề xuất phƣơng án ứng dụng hệ thống tƣới nƣớc thơng minh cho cao su nói riêng nơng nghiệp nói chung để đảm bảo lƣợng nƣớc tƣới tiết kiệm nhƣng đáp ứng đƣợc nhu cầu sinh trƣởng phát triển trồng Với lí trên, tơi đề xuất chọn đề tài luận văn cao học: “Hệ thống tưới cao su thơng minh” Mục đích nghiên cứu Mục tiêu đề tài xây dựng hệ thống tƣới nƣớc thông minh Để thỏa mãn mục tiêu cần phải đạt đƣợc mục tiêu cụ thể sau: + Tìm hiểu trình sinh trƣởng phát triển cao su để nắm bắt đƣợc nhu cầu nƣớc tƣới theo giai đoạn + Nghiên cứu giải pháp tƣới nƣớc tự động để thiết lập quy trình tƣới nƣớc phù hợp trình phát triển cao su Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu ® Đối tượng nghiên cứu - Nghiên cứu, khảo sát quy trình trồng chăm sóc cao su - Nghiên cứu hệ thông tƣới nƣớc tự động - Tìm hiểu cơng nghệ Fuzzy Logic hệ thống tƣới nƣớc tự động ® Phạm vi nghiên cứu -Nghiên cứu quy trình trồng trọt chăm sóc cao su tỉnh Savannakhet , Lào Trong q trình phát triển, cao su có nhiều giai đoạn D C C R UT.L -Trong phạm vi luận văn, tác giả chọn giai đoạn hình thành để sản xuất giống - Nghiên cứu phƣơng pháp tƣới nƣớc tự động Phƣơng pháp nghiên cứu + Phương pháp nghiên cứu lý thuyết -Nghiên cứu tài liệu chăm sóc, trồng trọt cao su -Tìm hiểu phƣơng pháp tƣới nƣớc tự động hiệu giới + Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Để xây dựng đƣợc hệ thống tƣới nƣớc thông minh cho cao su mơ hình đề xuất cần thực vấn đề sau: -Nghiên cứu quy trình chăm sốc,tƣới tiêu thực cho cao su địa bàn tỉnh -Xây dựng kịch ứng dụng kết nghiên cứu vào thực tế Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài +Ý nghĩa khoa học Kết thu đƣợc sở để thực nghiên cứu hệ thống tƣới nƣớc tự động cho trồng theo nhu cầu chu kỳ phát triển +Ý nghĩa thực tiễn Xây dựng hệ thống tƣới nƣớc tự động hiệu quả, tiết kiệm cao su nói riêng trồng nói chung.Giải đƣợc vấn đề nhân lực sản xuất nông nghiệp Laò thực tế Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn đƣợc trình bày bao gồm phần nhƣ sau: CHƢƠNG TỔNG QUAN Chƣơng giới thiệu bối cảnh mơ hình phổ biến đƣợc áp dụng hệ thống tƣới nƣớc thông minh vào việc trồng cao su Q trình chăm sóc, tƣới tiêu theo giai đoạn sinh trƣởng phát triển cao CHƢƠNG TẬP MỜ - LOGIC MỜ Chƣơng đƣa lý thuyết tập mờ với loạt báo cho việc phát triển ứng dụng lý thuyết mờ Với “Fuzzy Sét tạp chí Information and control, 1965 Zadeh L.A biểu diễn liệu D C C R UT.L tốn học cho thơng tin khơng chắn: lạnh, không lạnh, lạnh, ấm CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG Chƣơng phân tích thiết kế đƣợc hệ thống chăm sóc trồng gồm thành phần gồm phần mềm điều khiển phía client phần mềm xử lý server Trong phần điều khiển đƣợc lập trình nhận tín hiệu từ phía server để tƣơng tác với hệ thống CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN, KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Chƣơng thực đƣợc mục đích luận văn tìm hiểu phát triển đƣợc phần ngành cao su cho đất nƣớc Với việc tƣới, thời gian tƣới thông qua hệ việc lấy nhiệt độ, độ ẩm từ internet nhƣ kiểu tiên lƣợng liệu D C C R UT.L CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Khoa học kỹ thuật phát triển mạnh mẽ làm thay đổi sống ngƣời Làm cho sống ngƣời ngày trở nên tiện nghi đại Kỹ thuật điện tử phát triển ngƣời tạo thiết bị máy móc đại thay cho ngƣời cơng việc nặng nhọc địi hỏi xác cao Kỹ thuật điện tử phát triển nhanh chóng đƣợc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực : công nghiệp, giao thông vận tải,hàng không vũ trụ Các thiết bị điều khiển tự động giữ vai trò quan trọng góp phần lớn cho tiến không ngừng lĩnh vực Cao su cơng nghiệp dài ngày, thời gian chăm sóc cao su từ lúc bắt đầu trồng đến lúc bắt đầu thu hoạch mủ kéo dài từ - năm thu hoạch liên tục nhiều năm Do thời gian thu hoạch mủ kéo dài nhiều năm nên việc thu hoạch mủ kỹ thuật có ý nghĩa quan trọng việc đảm bảo suất cao bền vững nhiều năm Việc thu hoạch mủ cao su thƣờng kéo dài liên tục – 10 tháng năm không theo mùa vụ nhƣ loại trồng khác 1.1.1 Nhu cầu nƣớc Cộng hòa Dân chủ Nhân dân Lào có nguồn tài nguyên phong phú lâm nghiệp, nơng nghiệp, khống sản thuỷ điện; địa nhiều núi non, 47% diện tích rừng, có 800.000 đất canh tác nơng nghiệp với 85% dân số sống nghề nông Du nhập vào Nam Lào từ năm 1930 ngƣời Pháp, diện tích ban đầu khoảng Hecta, sau cao su dần đƣợc phổ biến nhiều địa phƣơng khác trở thành cơng nghiệp có tiềm kinh tế lớn Đến năm 2000, có thời điểm giá cao su đạt đỉnh mức 18 nghìn Kíp/Kg, đƣợc xem thời điểm vàng cho bà nơng dân trồng cao su mức thu nhập tƣơng đối tốt Hiện số 300 nghìn Hecta cao su có khoảng 150 nghìn Hecta giai đoạn lấy mủ Diện tích cao su Lào đứng thứ khu vực Đơng Nam Á, sau vị trí lần lƣợt Thái Lan, Indonesia, Việt D C C R UT.L Nam, Malaysia Myanmar Các địa phƣơng có diện tích cao su lớn, chiếm 70% tổng diện tích nƣớc có Champasak phía Nam, Bokeo, Luangnamtha, Udomxay phía Bắc [3] 1.1.2 Thị trƣờng Việt Nam Từ năm 2011 đến 2018, diện tích cao-su nƣớc tăng từ 801 nghìn lên 965 nghìn ha, so với định hƣớng quy hoạch cao-su nƣớc đƣợc Chính phủ phê duyệt, diện tích cao-su vƣợt khoảng 165 nghìn Năm 2011, sản lƣợng cao-su nƣớc đạt gần 790 nghìn tấn, đến năm 2018 tăng lên 1,1 triệu Năm 2018 khối lƣợng xuất cao-su đạt 1,56 triệu với kim ngạch xuất tỷ USD tăng 13,2% lƣợng nhƣng giảm 7,1% giá trị 1.1.3 Nhu cầu khác Sản lƣợng cao su thiên nhiên giới dự báo tăng 5,8% Việc tiêu dùng cao su tự nhiên bị chậm lại nguồn cung sẵn sàng tăng giá cao su mức hấp dẫn dẫn đến áp lực thị trƣờng cao su Mặc dù dự báo thấp mức tăng 5,2% năm 2018, tiêu thụ cao su tự nhiên toàn cầu dự kiến tăng 4,2% năm 2019, đạt 14,59 triệu Tại Trung Quốc, tiêu thụ cao su tự nhiên dự báo tăng trƣởng 3,2% năm 2019 lên 5,85 triệu tấn, tiêu thụ Ấn Độ dự báo tăng 4% năm 2019 [5] 1.2 Các kỹ thuật trồng cao su giống Mỗi sở sản xuất giống phải lập kế hoạch sản xuất, báo cáo tiến độ Nhật ký trình chồng chăm sóc Q trình chăm sóc kỹ lƣởng từ thời gian xuống giống, nguồn hạt, phân bón, tƣới nƣớc, chăm sóc Ứng với giai đoạn trồng có kỹ thuật riêng Kiểm định giống cao su, sở sản xuất giống phải đƣợc quan chủ quản kiểm định đƣợc học tập kỹ thuật trồng 1.2.1 Trang trại Là nơi đƣợc nhân giống thực trình chăm sóc cao su Lựa chọn nơi có điều kiện khí hậu phù hợp, có nguồn nƣớc tƣới, đất có kết cấu nhẹ dễ nƣớc, thuận tiện việc lại cận chuyển Trang trại phải đạt u cầu chống xói mịn, chóng úng vào mùa mƣa Thuận tiện việc chăm sóc quản lý D C C R UT.L Vƣờn đƣợc chia thành nhiều ô, kích thƣớc dài từ 50 100m, rọng 20 – 30 m, ô cách đƣờng rộng 3m Đƣờng vận chuyển rộng 5m Cây trồng theo hàng đơn, cách 0.5m, hàng cách hàng 1.0m Mật độ khoản 20 ngàn gốc/ha Đối với vƣờn ƣơm bố trí trồng hàng đơi có khoảng cách khoản 90 cm x 20 cm Hàng cách 30 cm, hàng đôi cách 90cm cách 20cm 1.2.2 Chọn giống Chọn giống trình quan trọng, đƣợc kiểm đinh quan chủ quản để trình trồng đƣợc phù hợp Ƣu tiên sử dụng dịng hạt vơ tính GT1 PB 260 Kỹ thuật nên chọn hạt rụng có vỏ sáng bóng Bảo quản hạt nơi thống mát có Ƣm có mái che rải hạt khơng q ngày 1.2.3 Nƣớc tƣới Tƣới đẫm nƣớc trồng nhằm mục đích đƣợc đất đè chặt quanh rễ Trong mùa khơ tƣới nƣớc lần/tuần với lƣợng nƣớc tƣới khoảng 10 lít/m2/lần Đặt biệt tƣới lúc trời mát, vào sáng sớm xế chiều Nếu trình vào mùa ghép khơng tƣới nƣớc cho cao su Tƣới đẫm nƣớc sau trồng để lèn đất chặt quanh rễ - Trong mùa khơ, tƣới nƣớc lần/tuần với lƣợng nƣớc khoảng 10 lít/m2 /lần Tƣới nƣớc lúc trời mát, vào sáng sớm xế chiều Tƣới đủ nƣớc vào ngày trƣớc sau ghép, không tƣới nƣớc vào ngày ghép [6] 1.3 Một số giải pháp phù hợp 1.3.1 Bộ định thời Giải pháp sử dụng định thời hẹn mở bơm tắt Đây giải pháp tiết kiệm chi phí sử dụng đơn giản hiệu Với mơ hình trồng gia đình thƣờng xun vắng Với tính hẹn giờ, lên lịch, kết nối loa cảnh báo, thiết bị gia đình, … Thời gian cài đặt tối thiểu phút, có pin lƣu trữ trạng thái cấu hình Điện áp sử dụng 220V AC/50Hz, dòng tải tiếp điểm 25A 1.3.2 Hệ thống điều khiển bơm điều áp Bơm điều áp bơm dùng để điều khiển áp suất đƣờng ống cấp nƣớc ổn định theo giá trị mong muốn cài đặt Hệ thống D C C R UT.L sử dụng biến tần để khởi động, điều khiển bơm làm cho hệ thống mềm hóa Nếu hệ thống khơng có biến tần điều khiển xảy nghĩa động bơm nƣớc hoạt động đột ngột Sau có biến tần hệ thống tăng giảm tốc theo thời gian cài đặt nhƣ giây, 10 giây, … tùy theo yêu cầu trạng hệ thống sử dụng Những hệ thống áp dụng nhƣ hệ thống bơm nƣớc, HVAC cho chung cƣ tòa nha Các trạm cung cấp nƣớc, hệ thống bơm nƣớc tƣới, … Hệ thống điều khiển bơm điều áp giúp điều khiển áp suất đƣờng ống cấp ổn định đƣợc cài đặt giá trị mong muốn Sử dụng biến tần CPC316 Mọi bơm đƣợc khởi động biến tần biến tần điều khiển nhiều bơm 1.3.3 Hệ thống tƣới nhỏ giọt Phƣơng pháp tƣới nhỏ giọt có nguồn gốc từ Israel, tiết kiệm đƣợc nƣớc phân bón cho cách cho phép nƣớc tƣới nhỏ giọt từ từ vào rễ mà bạn muốn tƣới nhỏ giọt lên bề mặt đất thông qua hệ thống gồm nhiều thiết bị nhƣ: Van, đƣờng ống dẫn nƣớc, loại béc tƣới cây, mục đích giảm bay nƣớc Mơ hình hệ thống tƣới nhỏ giọt mạng lƣới gồm nhiều thiết bị: Timer hẹn điều khiển tƣới tự động, ống dẫn nƣớc, lọc nƣớc, co nối, máy bơm, … đƣợc tạo thành hệ thống tƣới hoàn chỉnh [7] Kết luận Luận văn khảo sát vài giải pháp đƣợc ứng dụng tƣới nƣớc trồng Trong gồm có phƣơng pháp định thời, hệ thống điều khiển bơm, hệ thống tƣới nhỏ giọt Nhìn chung giải pháp có ƣu điểm riêng, định thời dễ dàng C C R UT.L D thực mơ hình nhỏ áp dụng đƣợc gia đình, mơ hình tƣới nhỏ giọt phù hợp cho nhiều trồng giá thành đầu tƣ cao Mơ hình hệ thống điều khiển bơm đƣợc trang bị đầy đủ tính nhƣ phƣơng pháp quản lý Tuy nhiên phƣơng pháp áp dụng vào tƣới cao su Lào chƣa thực tối ƣu Do tơi nghiên cứu giải pháp mới, nhắm tạo hệ thống tƣới cao su thông minh Hệ thống tƣới nƣớc tự động để đảm bảo cung cấp lƣợng nƣớc đầy đủ cho trình sinh trƣởng phát triển nhƣng khơng lãng phí nƣớc Chƣơng cung cấp sở lý thuyết cho nghiên cứu CHƢƠNG TẬP MỜ - LOGIC MỜ 2.1 Lý thuyết tập mờ 2.1.1 Tập mờ Ngƣời đƣa lý thuyết tập mờ với loạt báo cho việc phát triển ứng dụng lý thuyết mờ Với “Fuzzy Sét tạp chí Information and control, 1965 Zadeh L.A biểu diễn liệu toán học cho thông tin không chắn: lạnh, không lạnh, lạnh, ấm Và đƣợc gọi tập mờ khái quát trực tiếp tập hợp tập rõ ràng Theo định nghĩa tập mờ A đƣợc định khơng gian X bao gồm phần tử mà phần tử cặp ánh xạ C C R UT.L D { (2.1) Cho X không gian (hay gọi tập hợp tham chiếu) tập rõ; A tập X; hàm x biểu thị mức độ thuộc tập A, A đƣợc gọi tập mờ khi: } (2.2) Trong đó:  A tập mờ X  hàm thành viên (hay gọi hàm thuộc) A  gọi độ thuộc x vào tập mờ A Nhƣ ta coi tập rõ trƣờng hợp đặc biệt tập mờ, hàm thuộc nhận giá trị Ví dụ 2.1: Cho X không gian  X tập nhiệt độ đo đƣợc ngày nông trại  A1 tập nhiệt độ đo đƣợc vào buổi sáng A1 tập rõ X 10  100% thuộc A, hay độ thuộc  0% thuộc A hay độ thuộc Khi đó, tập hợp A biểu diễn hàm mà giá trị độ thuộc Ví dụ 2.3:  X tập hợp mức độ ẩm ngày - tập tham chiếu  Tập hợp mức độ ẩm cao ngày tập hợp mờ (tập hợp A) với tập tham chiếu X  Tập hợp mức nhiệt độ ngày tập hợp không mờ tập hợp rõ Ví dụ Zadeh:  Giả sử tuổi ngƣời thuộc khoảng [1,100] theo năm Theo Zadeh, khái niệm trẻ biểu diễn tập hợp nhƣ sau:  Xét tập A ngƣời đƣợc xem trẻ, ngƣời có tuổi x, thuộc tập hợp A nhƣ nào? Chọn X= {1, 25, 30, 50, 100}  Có thể coi ngƣời có tuổi từ 1-25 chắn thuộc vào tập hợp A với độ thuộc  Nhƣng ngƣời có tuổi 30 có lẽ thuộc vào tập hợp A với độ thuộc 0.6, cịn ngƣời có tuổi 50 thuộc vào tập với độ thuộc 0.0, …  Khi đó, ngữ nghĩa khái niệm trẻ đƣợc biểu diễn hàm số :X , dạng khái quát trực tiếp từ khái niệm hàm đặc trƣng tập hợp cổ điển Với C C R UT.L D { (2.5) Nhƣ vậy: tập tham chiếu X rút từ tập rõ tập mờ  Tập rõ tập hợp có chứa phần tử với phân cách (đƣờng biên) rõ ràng  Tập mờ có đƣờng biên khơng rõ ràng 11 2.1.2 Biến ngôn ngữ L.A Zadeh viết: “Khi thiếu hụt tính xác bề ngồi vấn đề phức tạp, cách tự nhiên tìm cách sử dụng biến ngơn ngữ, biến mà giá trị chúng số mà từ câu ngôn ngữ tự nhiên nhân tạo Động lực cho việc sử dụng từ, câu số đặc trƣng ngôn ngữ từ, câu thƣờng xác định số” Định nghĩa 2.4: Biến ngơn ngữ biến có giá trị ngơn ngữ Các giá trị đƣợc xây dựng từ phần tử sinh nguyên thủy biết tác động gia tử liên từ Biến ngôn ngữ đƣợc xác định năm (X, T(X), U, R, M), với:  X tên biến ngơn ngữ ví dụ: “Xếp loại”, “Nhiệt độ”, “Tốc độ”, “Độ ẩm”,…  T(X) tập giá trị ngôn ngữ biến x Ví dụ: x “Độ ẩm” T(X) {“Cao”, “Vừa”, “Hơi thấp”, “Thấp”…}  U tập tham chiếu biến ngôn ngữ Ví dụ X “Độ ẩm” U {…10%, 20%, 30%, 50%, 60%, 70%, 80% }  R quy tắc cho phép sinh phần tử T(X)  M luật ngữ nghĩa ứng phần tử T(X) tập mờ At U Biến ngơn ngữ X có hai đặc trƣng sau:  Tính phổ qt biến ngơn ngữ: Trong thực tế có nhiều biến ngơn ngữ khác giá trị ngun thủy, ví dụ nhƣ biến ngơn ngữ Nhiệt độ có giá trị nguyên thủy nóng, ấm, vừa, mát, lạnh…, biến ngơn ngữ độ ẩm có giá trị nguyên thủy cao, thấp… Tuy nhiên kết nghiên cứu với miền giá trị biến ngôn ngữ cụ thể giữ đƣợc ý nghĩa mặt cấu trúc miền giá trị biến cịn lại  Tính độc lập ngữ cảnh gia tử liên từ: Ngữ nghĩa gia tử liên từ hoàn toàn độc lập với ngữ cảnh, điều khác với giá trị nguyên thủy biến ngôn ngữ lại phụ thuộc vào ngữ cảnh: D C C R UT.L 12 Ví dụ Nhiệt độ hơm nóng, ta hiểu Nhiệt độ hôm khoảng 35o, ta nói độ ẩm đất cao đƣợc hiểu độ ẩm đất đo khoảng 80% Do tìm kiếm mơ hình cho gia tử liên từ không quan tâm đến giá trị nguyên thủy biến ngôn ngữ ta xét 2.1.3 Các phép tính tập mờ Xét biến ngơn ngữ X nhƣ đƣợc định nghĩa Trƣớc hết, có nhận xét rằng, nhìn chung, tập ảnh tập T(X) qua ánh xạ M(X) khơng có cấu trúc đại số, khơng định nghĩa đƣợc phép tính tập mờ Một lý làm cho không quan tâm đến điều cấu trúc đại số tập gốc T(X) chƣa đƣợc phát Trong chƣa phát cấu trúc đại số miền T(X), mục định nghĩa tập F(U, [0, 1]) cấu trúc đại số Trƣớc định nghĩa phép tính F(U, [0, 1]), xem đoạn [0, 1] nhƣ cấu trúc dàn L[0,1] = ([0, 1], , , –) với thứ tự tự nhiên đoạn [0, 1] Khi đó, với a, b [0, 1], ta có: a b = max {a, b}, a b = {a, b} – a = b (2.6) Chúng ta kiểm chứng L[0,1] = ([0, 1], , , –) đại số De Morgan, có tính chất sau: Các phép tính hợp và giao có tính giao hốn (2.7) a b = b a a b = b  a Các phép tính hợp và giao có tính chất phân phối lẫn a (b c) = (a b) (a c) a (b c) = (a b) (a  c) (2.8) - Tính chất nuốt (absorption) nuốt đối ngẫu (dual absorption): (2.9) - Tính chất nuốt: a (a b) = a, (2.10) - Tính chất nuốt đối ngẫu: a (a b) = a (2.11) - Tính lũy đẳng: a a = a a a = a - Tính chất phủ phủ định: –(–a) = a (2.12) D C C R UT.L 13 - Tính đơn điệu giảm: - Tính chất De Morgan: – – – (2.13) – – – Dựa cấu trúc L[0,1] định nghĩa phép tính tập mờ thơng qua phép tính dàn L[0,1] 2.1.3.1 Phép hội Phép tốn hội hai tập hợp mờ A, B ký hiệu A B có hàm thuộc theo định nghĩa sau: (2.14) } (2.15) } (2.16) } 2.1.3.2 Phép giao Phép toán giao ký hiệu A∩B có hàm thuộc theo định nghĩa sau: (2.17) } (2.1 } C C R UT.L D 8) (2.19 ) 2.1.3.3 Phép bù Phép toán bù tập hợp mờ A ký hiệu ¬A có (2.2 hàm thuộc là: 0) 2.1.3.4 Sự tập mờ Hai tập mờ A B đƣợc gọi hàm thuộc chúng lấy giá trị với phần tử X: (2.21) Hai tập mờ A B X (2.22) 2.1.3.5 Phép cộng đại số tập mờ Cho hai tập mờ A B tập vũ trụ U Tổng đại số hai tập mờ tập mờ, ký hiệu AB, đƣợc định nghĩa đẳng thức sau: (2.23) ∑ 14 Trong trƣờng hợp U vô hạn continuum: (2.24) ∫ Giá trị biểu thức ln ln thuộc [0,1] định nghĩa phép tính đắn 2.1.3.6 Phép nhân đại số tập mờ Nhân đại số hai tập mờ A B tập mờ, ký hiệu AB, đƣợc xác định nhƣ sau: Trong trƣờng hợp U hữu hạn hay vô hạn đếm đƣợc, ∑ (2.25) Trong trƣờng hợp U vô hạn continuum: C C R UT.L ∫ (2.26) 2.1.4 Một số khái niệm đặc trƣng tập mờ 2.1.4.1 Giá đỡ Giá tập mờ A (hay miền xác định A) phận X hàm thuộc A lớn không } (2.27) 2.1.4.2 Chiều cao Chiều cao tập mờ A giá trị lớn mà hàm thuộc có } thể lấy đƣợc Tập mờ A đƣợc chuẩn hóa h(A) = 2.1.4.3 Hạt nhân Hạt nhân (hay miền tin cậy) tập mờ A tập phần tử x mà độ thuộc vào A có giá trị { } (2.28) D 2.1.4.4 Lực lƣợng tập mờ Lực lƣợng tập mờ A tập tham chiếu X đƣợc định nghĩa tổng độ thuộc tất phần tử X Ký hiệu lực lƣợng tập mờ A |A| Nhƣ | | ∑ (2.29) 15 2.2 Quan hệ mờ Quan hệ mờ R(X,Y) xác định tập mờ R tích Descarter XxY Trƣờng hợp X Y hữu hạn, R đƣợc biểu diễn ma trận với giá trị mức độ quan hệ cặp (x,y)  Phép đảo quan hệ mờ R(X,Y) R-1 (X,Y) cho bởi: R-1 (x,y)=R(x,y)  Phép kết nối quan hệ mờ P(X,Y) Q(X,Z) cho ta quan hệ mờ R(X,Z) định nghĩa bởi: } (2.30) 2.3 Quy trình hoạt động Logic mờ Đầu tiên ta sử dụng liệu thực tế (dữ liệu rõ) liệu đầu vào, qua bƣớc mờ hoá cho ta liệu mờ, kết đƣợc sử dụng làm đầu vào cho hệ xử lý logic mờ (Fuzzy Logic) cho kết liệu mờ đầu ra, liệu tiếp tục đƣợc sử dụng làm liệu đầu vào cho hệ thống giải mờ, sau bƣớc cuối cho ta kết liệu rõ (đƣợc mô tả nhƣ Error! Reference source not found.) Kết đƣợc thực thi dƣới dạng điều khiển hệ thống đạt yêu cầu nhƣ [9] 2.3.1 Mờ hóa Thực biến đổi giá trị rõ đầu vào thành miền giá trị mờ với hàm thuộc biến ngôn ngữ tƣơng ứng 2.3.2 Thiết bị Khâu thiết bị hợp thành (Fuzzy logic FAM): biến đổi giá trị mờ biến ngôn ngữ đầu vào thành giá trị mờ biến ngôn ngữ đầu dựa luật hợp thành xây dựng 2.3.3 Giải mờ Biến đổi giá trị mờ biến ngôn ngữ đầu thành giá trị rõ để thực điều khiển tự động 2.4 Phương pháp xây dựng mơ hình Trong hệ thống Fuzzy logic, có nhiều mơ hình phục vụ cho việc xây dựng hệ fuzzy logic Trong luận văn sử dụng hai mơ hình mơ hình tam giác mơ hình hình thang Sau tìm hiểu kỹ hai mơ hình ứng dụng cụ thể D C C R UT.L 16 2.4.1 Mơ hình tam giác Đây mơ hình Fuzzy logic đƣợc sử dụng trƣờng hợp mà giá trị biến ngôn ngữ đƣợc xác định cách nhạy cảm độ mờ biến thiên nhanh Hình 2.1 Mơ hình tam giác việc xác định tốc độ Ví dụ nhƣ biết Tốc độ bao gồm có ba giá trị ngơn ngữ nhanh, chậm trung bình nhiên với tốc độ thực tế 40km/giờ tuỳ ngữ cảnh ta cho nhanh, tuỳ ngữ cảnh lại cho không nhanh Nhƣ với tốc độ đua xe đạp chậm nhƣng tốc độ ngƣời bình thƣờng xe đạp lại nhanh, trƣờng hợp khác ta lại coi tốc độ mức trung bình Hơn ngữ cảnh cụ thể lại tuỳ lúc coi nhanh mà có lúc lại coi chậm, ví dụ nhƣ đua vận động viên xuất sắc, đƣợc coi tốc độ chậm nhƣng so với mặt chung coi trung bình Nhƣ có nghĩa mơ hình tam giác, hồn cảnh lại có đánh giá khác hay nói cách khác độ mờ biến thiên nhanh 2.4.2 Mơ hình hình thang Nếu nhƣ mơ hình hình tam giác (Hình 2.) mơ hình Fuzzy logic đƣợc sử dụng trƣờng hợp mà giá trị biến ngôn ngữ đƣợc xác định cách nhạy cảm độ mờ biến thiên nhanh mơ hình hình thang lại mang tính chất gần với Boolean logic có độ biến thiên mờ tƣơng đối thấp Ta xét ví dụ sau: Một hệ thống Logic mờ đo nhiệt độ xác định mức độ nóng lạnh với ba khoảng cold, warm hot 2.5 Các phương pháp giải mờ Khâu mờ hố đƣợc áp dụng cách áp ánh xạ mờ hoá nhƣ trình bày phần biến ngơn ngữ Để giải mờ sau D C C R UT.L 17 áp dụng luật suy diễn, hệ điều khiển cần áp dụng phƣơng pháp giải mờ sau: 2.5.1 Phƣơng pháp cực đại Phƣơng pháp tìm giá trị rõ y’=y1 hay y’=y2 thơng qua giá trị mờ cực đại H Ứng với miền đạt giá trị cực đại H, ta có khoảng G=[y1,y2] Bất giá trị giá trị rõ cần tìm sau giải mờ 2.5.2 Phƣơng pháp điểm trọng tâm Cơng thức để tính đƣợc giá trị y’ đƣợc cung cấp nhƣ sau: ∫ ∫ (2.31) Với S miền xác định tập mờ B’ Tuỳ theo nhu cầu mà hệ điều khiển nên áp dụng phƣơng pháp giải mờ thích hợp để tìm đƣợc giá trị rõ C C R UT.L CHƢƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Giới thiệu Hệ thống chăm sóc trồng gồm thành phần gồm phần mềm điều khiển phía client phần mềm xử lý server Trong phần điều khiển đƣợc lập trình nhận tín hiệu từ phía server để tƣơng tác với hệ thống Mơ hình đƣợc thiết kế theo dạng thu thập số liệu nông trại lấy liệu từ nguồn internet để đƣa trạng thái thay đổi thời gian bơm  Trung tâm xử lý thu thập vận hành hệ thống Sử dụng máy tính để chạy trao đổi thơng tin giữ Hệ thống xử lý số liệu thu thập từ nông trại Micro Control Unit ESP8266, dùng Nodejs Giao tiếp chúng thông qua socket.io ESP yêu cầu nhận liệu trả Đồng thời lƣu lại dƣới thông số nhiệt độ, độ ẩm từ internet, nhiệt độ, độ ẩm từ nông trại kết giải  Hệ thống thu thập số liệu từ nơng trại Qua trình thu thập phải xác, xử lý Sử dụng ESP8266 kết hợp với cảm biến để đọc, xử lý điều khiển hệ thống ESP8266 dịng chip tích hợp wifi 2.4Ghz lập trình đƣợc, rẻ tiền đƣợc sản xuất công ty bán dẫn Trung Quốc: Espressif Systems D 18  Dữ liệu cảm biến Sử dụng cảm biến DTH11 kết hợp thƣ viện DTH11 Là cảm biến thông dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thông qua giao tiếp 1-wire (giao tiếp digital 1-wire truyền liệu nhất) Cảm biến đƣợc tích hợp tiền xử lý tín hiệu giúp liệu nhận đƣợc xác mà khơng cần phải qua tính tốn 3.2 Thành phần hệ thống 3.2.1 Hệ thống server Để giải vấn đề giao tiếp trao đổi thông tin ESP8266 M5Go, luận văn xây dựng thêm server nodejs Server đƣợc lập trình để giao tiếp với ESP8266 thông qua socket.io, ESP8266 yêu cầu liệu thời tiết gửi liệu cảm biến với liệu thời gian bơm đƣợc tính cho server Server gửi liệu thời tiết cho ESP8266 có yêu cầu nhận liệu trả từ ESP8266, đồng thời lƣu lại liệu file với định dạng csv để dùng cho việc thống kê kết sau Dạng API openweathermap.com để lấy liệu Cấu trúc URL API lấy liệu thời tiết nhƣ sau: Luận văn sử dụng máy tính cá nhân để làm server Đƣợc kết nối với internet để lấy liệu từ openweathermap 3.2.2 Thiết bị M5Go M5GO Kit học lập trình dành cho trẻ em M5Stack M5GO sử dụng MCU ESP32, có khả kết nối WiFi, Bluetooth Bên có tích hợp cảm biến trục (9DOF) MPU9250 Màn hình hiển thị inch TFT LCD - ILI9342 đầy đủ màu sắc M5GO lập trình thơng qua Arduino, MicroPython, công cụ ESP-IDF đặc biệt lập trình Blockly (kéo-thả) từ trang web http://flow.m5stack.com C C R UT.L D 3.2.3 Thiết bị input output hệ thống Dữ liệu đầu vào (input) luận văn bao gồm thông tin sau: nhiệt độ độ ẩm đƣợc lấy từ internet, nhiệt độ độ ẩm đƣợc đo khu vực trồng từ cảm biến DHT11 Kết trả (output) thời gian tƣới cho phù hợp với tình trạng thời tiết Để tính 19 tốn đƣợc kết quả,sử dụng hệ thống giải mờ (fuzzy), dùng để lập trình cho ESP8266 thực tính tốn có liệu cảm biến liệu thời tiết Sở dĩ tác giả kết hợp thông tin từ Internet thực tế liệu từ Internet mang tính chất dự đốn tƣơng lai kết hợp với thực tế gíp hệ thống có khả điều chỉnh phù hợp, có cố xảy với cảm biến 3.2.3.1 Cảm biến DTH11 Đề tài sử dụng cảm biến DTH11 cấu tạo chân nhƣ Error! Reference source not found có sơ đồ kết nối nhƣ Hình Thơng số kỹ thuật:  Do độ ẩm: 20%-95%  Nhiệt độ: 0-50ºC  Sai số độ ẩm ±5%  Sai số nhiệt độ: ±2ºC Nguyên lý hoạt động: C C R UT.L D Hình 3.1 Sơ đồ kết nối cảm biến DHT11 Để giao tiếp với DHT11 theo chuẩn chân vi xử lý thực theo bƣớc: Gửi tín hiệu muốn đo (Start) tới DHT11, sau DHT11 xác nhận lại Khi giao tiếp đƣợc với DHT11, Cảm biến gửi lại byte liệu nhiệt độ đo đƣợc Bƣớc 1: Gửi tín hiệu bắt đầu đọc liệu MCU thiết lập chân DATA Output, kéo chân DATA xuống khoảng thời gian >18ms Khi DHT11 hiểu MCU muốn đo giá trị nhiệt độ độ ẩm MCU đƣa chân DATA lên 1, sau thiết lập lại chân đầu vào 20 Sau khoảng 20-40us, DHT11 kéo chân DATA xuống thấp Nếu >40us mà chân DATA ko đƣợc kéo xuống thấp nghĩa ko giao tiếp đƣợc với DHT11 Bƣớc 2: đọc giá trị DHT1 DHT11 trả giá trị nhiệt độ độ ẩm dƣới dạng byte Trong đó: Byte 1: giá trị phần nguyên độ ẩm (RH%) Byte 2: giá trị phần thập phân độ ẩm (RH%) Byte 3: giá trị phần nguyên nhiệt độ (TC) Byte 4: giá trị phần thập phân nhiệt độ (TC) Byte 5: kiểm tra tổng Nếu Byte = (8 bit) (Byte1 +Byte2 +Byte3 + Byte4) giá trị độ ẩm nhiệt độ xác, sai kết đo khơng có nghĩa Đọc liệu: Sau giao tiếp đƣợc với DHT11, DHT11 gửi liên tiếp 40 bit MCU, tƣơng ứng chia thành byte kết Nhiệt độ độ ẩm Sau tín hiệu đƣợc đƣa 0, ta đợi chân DATA MCU đƣợc DHT11 kéo lên Nếu chân DATA khoảng 26-28 us 0, cịn tồn 70us Đoạn code thể cách đọc thông số nhiệt độ độ ẩm 3.2.3.2 Rolay điều khiển bơm Với bơm hệ thống điều khiển bật tắt theo thời gian luận văn sử dụng điều khiển relay nhƣ Error! Reference source not found 3.3 Quá trình thực hệ thống Luận văn chọn fuzy để làm tín tốn thời gian bơm nƣớc, để xây dựng hệ thống qua bƣớc sau: + Khai báo liệu biến ngôn ngữ + Xây dựng hàm thuộc + Thiết lập tập mờ dựa nguyên tắc kỹ thuật trồng + Giải mờ với liệu đầu vào, gọi q trình mờ hóa + Thử nghiệm đánh giá luật đƣợc thiết lập Các liệu biến ngôn ngữ hệ thống có giá trị nhập vào Nhiệt độ lấy từ internet, Độ ẩm lấy từ internet, Nhiệt độ lấy khu D C C R UT.L 21 vườn, Độ ẩm lấy khu vườn Các giá trị đƣợc thu nhận từ API sensor nhiệt độ, độ ẩm 3.3.1 Xây dựng biến ngôn ngữ  Với biến ngôn ngữ Nhiệt độ từ internet (Temperature) ta có tập mờ Ti:{ti.Low, ti.Normal, ti.High } + Thấp (ti.Low) +Vừa (ti.Normal) +Cao (ti.High)  Biến ngôn ngữ Độ ẩm từ internet (Humidity) H có tập mờ Hi: { hi.Low, hi.Normal, hi.High } + Thấp (hi.Low) +Vừa (hi.Normal) +Cao (hi.High)  Với biến ngôn ngữ Nhiệt độ vƣờn (Temperature) ta có tập mờ Tl:{tl.Low, tl.Normal, tl.High } + Thấp (tl.Low) +Vừa (tl.Normal) +Cao (tl.High)  Biến ngôn ngữ Độ ẩm vƣờn (Humidity) H có tập mờ Hl: { hi.Low, hi.Normal, hi.High } + Thấp (hl.Low) +Vừa (hl.Normal) +Cao (hl.High)  Biến ngôn ngữ xác định Thời gian Bơm nƣớc có tập mờ T:{pum.Low, pum.Normal, pum.High, pum.VeryHigh } + Thấp: {pum.Low} + Vừa (pum Normal) + Cao (pum High) + Rất cao (pum VeryHigh) D C C R UT.L 22 3.3.2 Thu thập tín hiệu Sau đăng ký có nguồn lấy liệu thời tiết, lập trình hàm để server lấy liệu từ URL trên, đồng thời lƣu thời gian để sau thuận tiện cho việc tra cứu thống kê liệu: 3.3.3 Xây dựng tập luật Qui tắc mang tính trực giác: “Nếu thông tin từ internet nhiệt độ cao độ ẩm thấp nhiệt độ cao nhiệt độ vƣờn thấp độ ẩm thấp thời gian bơm mức cao”, “độ ẩm thấp máy bơm phun mạnh” Sự khác luật đƣa qui tắc cần thiết để xây dựng điều khiển bơm 3.3.4 Thể ngơn ngữ lập trình Sử dụng thƣ viện fuzzy chạy phần cứng ESP8266 cung cấp cho ngƣời dùng đối tƣợng FuzzySet để khai báo tập input, output tập luật (rule): 3.4 Xây dựng chương trình Để hồn thiện hệ thống luận văn xây dựng chƣơng trình dựa tín hiệu đầu vào, tín hiệu đầu xử lý trung tâm Chức phía client – input làm nhiệm vụ lấy thơng tin nhiệt độ khơng khí, độ ẩm, tốc độ gió, thực mờ hố tín hiệu ngõ vào đƣa lên phía server để nơi lƣu trữ Chức phía client – output làm nhiệm vụ nhận tín hiệu input đƣợc mờ hố từ phía server sau lấy tín hiệu ngõ vào đƣợc mờ hố dụng tập luật đƣợc xây dựng để điều khiển bật tắt ngõ CHƢƠNG KẾT QUẢ THỰC HIỆN, KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Mơ hình hệ thống Tác giả tiến hành khảo sát thực nghiệm quy trình trồng cao su Savannakhet Cây cao su giống có nhiều giai đoạn sinh trƣởng khu vực thử nghiệm bao gồm: Cây vừa đƣợc cắt chồi thực sinh, tỉa chọn cành mạnh khỏe, giống có chồi, giống có chồi Hiện trạng Savannakhet đa phần đƣợc tƣới nƣớc với phƣơng pháp sử dụng bơm, công nhân nông dân kéo dây vị trí D C C R UT.L 23 giống để tƣới Quá trình tƣới đƣợc diễn vào sáng sớm chiều tối Tùy thuộc theo mua mà nhà nông sẻ tƣới phù hợp Hình 4-1 Hệ thống tưới cao su thơng minh 4.2 Phương pháp điều khiển hệ thống Hệ thống thử nghiệm đƣợc thiết kế phần gồm: hệ thống dẫn nƣớc tƣới, hệ thống điện điều khiển dùng cho bơm hệ thống thiết bị thu nhận tín hiệu, xử lý Sử dụng cao su giống Thiết kế xây dựng hệ thống mẫu, đánh giá kết Hệ thống đƣợc thiết kế với nguồn nƣớc tƣới lấy từ bồn, đƣợc bơm hút lên tƣới quanh gốc với phƣơng pháp dùng bec phun nƣớc Mỗi trụ cao 70 cm, chiều rộng 100 cm dài 300 cm Kết nối ống nƣớc lại với Mỗi cao su đƣợc đặt cách 20 cm 4.2.1 Phƣơng pháp thủ công Với phƣơng pháp thủ công công nhân nhà nông tƣới từ sáng sớm chiều mát Mỗi lần tƣới kéo đƣờng ống tới gốc Khi có cảm nhận nơng dân gốc cao su khơng đƣợc tƣới Trung bình 1m2 nông dân tƣới khoảng phút Tác giả sử dụng bơm 0.5 HP để thử nghiệm thời gian tƣới Sau có kết quả: C C R UT.L D Theo luận văn nhận thấy thời gian tƣới nông dân phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm ngƣời tƣới Cũng có ảnh hƣởng thời tiết nhiên thời điểm ghi số liệu khơng bị ảnh hƣởng thời tiết 4.2.2 Phƣơng pháp điều khiển mờ Thực nghiệm phƣơng pháp hệ thống, tác giả tiến hành lắp đặt hoàn thiện hệ thống sử dụng vùng diện tích tƣới khoảng 3m2 24 50 cao su Cùng thời gian tƣới ngƣời nông dân Tác giả nhận đƣợc bảng số liệu sau: Với bảng số liệu tác giả nhận thấy thời gian tƣới phƣơng pháp luận văn cao hơn, lâu so với nông dân Tuy nhiên vùng diện tích số cao su giống lại nhiều Đó kết cho thấy việc tƣới hiệu hệ thống 4.3 Kết luận hƣớng phát triển Qua thời gian thực luận văn tác giả vận dụng đƣợc kiến thức học suốt trình học tập, ứng dụng để hồn thành luận văn Mục đích luận văn tìm hiểu phát triển đƣợc phần ngành cao su cho đất nƣớc Bằng công việc nhỏ tác giả Với việc hệ thống tƣới thông minh, thời gian tƣới thông qua hệ việc lấy nhiệt độ, độ ẩm từ internet nhƣ kiểu tiên lƣợng liệu Mặc khác nhận nhiệt độ độ ẩm từ vƣờn để kết hợp với điều tiên lƣợng đƣa hệ thống điều khiển bơm tƣới cho hợp lý Hƣớng phát triển đề tài : Đo thông báo đƣợc thông số môi trƣờng xung quanh - Đo đƣợc thông số độ ẩm môi trƣờng xung quanh - Đo thông số nhiệt độ thời tiết địa phƣơng - Thông báo trạng thái thời tiết - Đƣa thông tin đo lên thẻ nhớ liệu thông báo việc tƣới tiêu Phát triển giao diện giám sát mô phần mềm - Phát triển lập trình qua cổng COM lập trình arduino - Thêm phần điều khiển động bơm, trực tiếp giao diện C# - Có thể up load file liệu nhận trục tiếp từ cổng COM lên giao diện 3.Đƣa đề tài phát triển rộng rãi vào thực tế - Trƣớc hết áp dụng mơ hình trồng cây, rau, hoa cảnh hộ gia đình - Có thể phát triển khu sản xuất rau diện rộng -Trên thực tế điều khiển từ xa lấy thơng tin qua máy tính D C C R UT.L