Khảo sát một số hệ thống giám sát điều khiển môi trường trong nhà kính hiện nay
Ngoài nước
Hiện nay nông nghiệp công nghệ cao được áp dụng thành công ở nhiều nước trên thế giới như Isarel, Hà Lan Đây là những nước nổi tiếng với sự phát triển nông nghiệp vượt trội về cả số lượng và chất lượng Các nước phát triển đó đã và đang phát triển ứng dụng rộng rãi các mô hình nhà kính trồng rau, hoa quy mô tăng nhanh trong các năm gần đây, các nhà kính tương đối hiện đại có các dạng cấu trúc và kết cấu khác nhau, phù hợp với điều kiện khí hậu, kinh tế môi nước.
Hình 1.1: Mô hình nông nghiệp công nghệ cao ở nước ngoài
Trong nước
Ở Việt Nam, một số như trung tâm nghiên cứu rau quả Đà Lạt, Hà Nội đã nhập các mẫu nhà kính của Pháp, Israel các yêu cầu khi tính toán thiết kế nhà kính là phải đảm bảo kiểm soát tối ưu các yếu tố khí hậu, môi trường trong nhà kính để cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt nhất.
Với hơn 70% dân số làm nông nghiệp, đối với Việt Nam ngành nông nghiệp là một trong những ngành kinh tế mũi nhọn Đi cùng với sự phát triển của thế giới, nhà kính hay còn gọi là nông nghiệp công nghệ cao đã bắt đầu xuất hiện ở nước ta cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ XXI Và cho đến nay, việc sản xuất rau sạch và các loại hoa cao cấp bằng công nghệ cao đã trở nên phổ biến ở nước ta, đặc biệt Đà Lạt nói riêng và Lâm Đồng nói chung, vùng sản xuất rau và hoa trọng điểm của cả nước Rau sạch được sản xuất trong các nhà kính mà ở đó môi trường được điều chỉnh phù hợp, đồng thời ngăn côn trùng xâm nhập, tạo điều kiện tối ưu cho cây trồng vì thế mà tất yếu đạt được năng suất cao và phẩm chất tuyệt hảo.
Hình 1.2: Mô hình nhà kính thông minh ở Đà Lạt
Giải pháp thiết kế
Sơ đồ khối giải pháp
Trên cơ sở các khảo sát trên đề tài đưa ra giải pháp tổng thể nhằm thiết kế hệ thống điều khiển giám sát Iot trong nhà kính.
Chức năng chính của hệ thống thứ nhất là thu nhập dữ liệu môi trường trong nhà kính như nhiệt độ, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng để có thể giám sát và tiến hành điều khiển các thông số này từ xa Chức năng chính thứ hai là giám sát dữ liệu môi trường thông qua dao diện web theo thời gian thực.
Hình 1.3: Sơ đồ khối giải pháp
Chức năng các khối
Các khối cảm biến bao gồm các thiết bị cảm biến như cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng, cảm biến độ ẩm đất và camera Chúng có nhiệm vụ thu thập dữ liệu thông tin từ môi trường trong môi trường nhà kính và gửi đến khối điều khiển trung tâm để xử lý Những thiết bị này đóng vai trò giám sát trực tiếp để lấy thông tin dữ liệu cần thiết cho hệ thống điều khiển nhà kính.
Các thiết bị động cơ như máy bơm phun sương, quạt, đèn được sử dụng để điều chỉnh khí và độ ẩm trong môi trường, đồng thời hỗ trợ quá trình quang hợp của cây trong điều kiện thiếu sáng.
Khối điều khiển trung tâm: Đây là thiết bị thu nhận các thông tin dữ liệu từ khối cảm biến để xử lý theo nghiệp vụ đã định sẵn Ngoài ra đây cũng là nơi trung chuyển dữ liệu từ cảm biến lên server hay ngược lại.
Kết nối hệ thống thiết bị với mạng Internet để trao đổi dữ liệu giữa thiết bị phần cứng và phần mềm giám sát từ xa.
Khối dữ giao diện giám sát trên web: Đây là nơi người dùng có thể giao tiếp, giám sát điều khiển và xử lý tình trạng của các thiết bị trong nhà kính thông qua giao diện web.
LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ THIẾT KẾ
Công nghệ phần cứng
2.1.1 ESP32 Node MCU Để kết nối với Internet, đề tài lựa chọn Moudule ESP32 Đây là module MCU đa dạng, mạnh mẽ và được sử dụng rộng rãi trong thiết kế mạch PCB Wifi, Bluetooth, BLE được ứng dụng rất phổ biến cho nhiều ứng dụng về IoT về hiện nay Phạm vi ứng dụng của nó từ mạng cảm biến tiết kiệm năng lượng đến những ứng dụng với tác vụ phức tạp nhất, như mã hóa âm thanh, âm nhạc trực tuyến đến giải mã MP3.
- Kích thước: 18 mm x 20 mm x 3 mm
- CPU: Xtensa Dual-Core 32-bit LX6 với tần số hoạt động lên đến 240 MHz
448 KBytes ROM cho booting và các tính năng của lõi chip.
520 KBytes SRAM trên chip dùng cho dữ liệu và các lệnh instruction.
8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC SLOW Memory) để truy xuất bởi các bộ co-processor.
8 KBytes SRAM trong RTC (gọi là RTC FAST Memory) dùng cho lữu dữ liệu, truy xuất bởi CPU khi RTC đang boot từ chế độ Deep-sleep.
1 Kbit EFUSE, với 256 bit cho hệ thống (địa chỉ MAC và cấu hình chip), 768 còn lại cho ứng dụng người dùng, gồm cả mã hóa bộ nhớ Flash và định ID cho chip.
Bluetooth: BR/EDR phiên bản v4.2 và BLE.
- Ethernet MAC hỗ trợ chuẩn: DMA và IEEE 1588.
- Bus hỗ trợ mang CAN 2.0.
Bộ chuyển đổi ADC 12 bit, 16 kênh.
Bộ chuyển đổi 8-bits DAC: 2 kênh.
10 chân để giao tiếp với cảm biến chạm (touch sensor).
Ngõ ra PWM cho điều khiển Motor.
- Nhiệt độ hoat động ổn định: -40C đến 85C
- Dòng tiêu thụ ổn định: 80mA
2.1.2 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11
Hình 2.2: Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11
Dòng sử dụng: 2.5mA max (khi truyền dữ liệu).
Đo tốt ở độ ẩm 20-80%RH với sai số 5%.
Đo tốt ở nhiệt độ 0 to 50°C sai số ±2°C.
2.1.3 Cảm biến độ ẩm đất Soil Moisture Sensor
Hình 2.3: Cảm biến độ ẩm đất
Điện áp hoạt động: 3.3~5VDC
Analog: theo điện áp cấp nguồn tương ứng
Digital: High hoặc Low, có thể điều chỉnh độ ẩm mong muốn bằng biến trở thông qua mạch so sánh LM393 tích hợp.
Hình 2.4: Cảm biến ánh sáng
2.1.5 Module Relay 5VDC: Để có thể điều khiển những thiết bị có nguồn điện áp cao hơn 3.3V, 5V mà các vi xử lý cung cấp thì ta sử dụng relay (rơ-le) kích 5V Relay được sử dụng phổ biến ở các bo mạch điều khiển tự động, chuyên dụng để đóng cắt những dòng điện lớn mà những hệ thống mạch điều khiển không thể trực tiếp can thiệp thì người ta sẽ sử dụng rơ le để đóng cắt dòng điện cao.
COM: chân nối với 1 chân bất kỳ của đồ dùng điện, mắc vào dây nóng nếu dùng hiệu điện thế xoay chiều và cực dương nếu là hiệu điện 1 chiều
ON hoặc NO: nối với chân nóng nếu dùng điện xoay chiều và cực dương của nguồn nếu dòng 1 chiều OFF hoạc NC: nối với chân lạn nếu dùng điện xoay chiều và cực âm của nguồn nếu dòng 1 chiều.
Tải tối đa: AC 250V / 10A, DC 30V / 10A - Dòng kích hoạt: 5mA
DC +: nguồn điện dương (VCC).
DC -: tiêu cực cung cấp điện (GND).
IN: có thể là relay điều khiển mức cao hoặc thấp đầu ra relay.
2.1.6 Bơm 12V Để bơm nước lên vòi phun sương cho cây trồng trong nhà kính.
Áp lực nước đầu vào: 0.2Mpa.
Áp suất nước ra: 0.8Mpa.
Bảo vệ Van Loại: van thông minh (với công tắc áp suất tự động).
Kích thước: 16.5cm (L) x 9.6cm (W) x 6cm (H).
2.1.7 Raspberry pi 4 Model B+ Để thu nhập dữ liệu từ ESP32 để tiến hành xử lý và đưa lên webserver, đồng thời cũng làm nhiệm vụ host webserver và trung gian của dữ liệu gửi sử dụng MQTT Là một máy tính rất nhỏ gọn mà có thể được dung một máy vi tính bởi được đã được tích hợp mọi thứ cần thiết trong đó.
Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC @ 1.5GHz
2GB, 4GB hoặc 8GB LPDDR4-3200 SDRAM (tùy thuộc vào kiểu máy)
2,4 GHz và 5,0 GHz IEEE 802.11ac wireless
Đầu cắm GPIO 40 chân tiêu chuẩn Raspberry Pi
2 × cổng micro-HDMI (hỗ trợ lên đến 4kp60)
Cổng hiển thị MIPI DSI 2 làn
Cổng camera MIPI CSI 2 làn
Cổng video tổng hợp và âm thanh stereo 4 cực
H.265 (giải mã 4kp60), H264 (giải mã 1080p60, mã hóa 1080p30)
Khe cắm thẻ nhớ Micro-SD để tải hệ điều hành và lưu trữ dữ liệu
5V DC qua đầu nối USB-C (tối thiểu 3A *)
5V DC qua đầu cắm GPIO (tối thiểu 3A *)
Bật nguồn qua Ethernet (PoE) (yêu cầu PoE HAT riêng biệt)
Nhiệt độ hoạt động: 0-50 độ C
2.1.8 ESP32 - CAM Để làm cảm biến camera có thể đưa hình ảnh trực tiếp trong nhà kính lên giao diện web thông qua kết nối wifi Kit thu phát wifi ESP32 Camera Ai-
Thinker được phát trên nền vi điều khiển trung tâm là ESP32 SoC với công nghệ Wifi, BLE và kiến trúc ARM mới nhất hiện nay
Model: ESP32-CAM Ai-Thinker
Module trung tâm: Ai-Thinker ESP32-S
Điện năng: 5VDC (nguồn từ 2A trở lên)
Điện áp giao tiếp GPIO: 3.3VDC
Bluetooth: Bluetooth 4.2 BR/EDR and BLE standards
Hỗ trợ giao tiếp: UART, SPI, I2C, PWM
Tốc độ baud qua UART mặc định: 115200bps
2.1.9 Bóng đèn Để cung cấp ánh sáng trong nhà kính giúp cây trồng quang hợp khi điều kiện ánh sáng thấp
Điện áp hoạt động: 12VDC
Công nghệ phần mềm
Arduino IDE là môi trường phát triển tích hợp mã nguồn mở, cho phép người dùng dễ dàng viết code và tải nó lên board mạch, được viết bằng Java dựa trên ngôn ngữ lập trình và phần mềm mã nguồn mở khác.
Kể từ tháng 3 năm 2015, Arduino IDE (Intergrated Devalopment Editor – môi trường phát triển thích hợp) đã được phổ biến tại rất nhiều nơi với giao diện trực quan.
Ngôn ngữ phổ quát cho Arduino là C và C++ Do đó phần mềm phù hợp với những người dùng quen thuộc các ngôn ngữ này.
Phần mềm gồm những mảng thư viện phong phú như: EEPROM, Firmata, GSM, Servo, TFT, Wifi… Và các mảng thư viện ngày càng đa dạng nhờ sự đóng góp của cộng đồng Arduino trên toàn thế giới.
Node RED là một công cụ lập trình trực quan, được thiết kế riêng cho Internet vạn vật (IoT) Nó cho phép kết nối các thiết bị phần cứng, API và dịch vụ trực tuyến với nhau dễ dàng Nhờ thiết kế trực quan của mình, Node RED giúp người dùng liên kết nhanh chóng các luồng dịch vụ khác nhau, đơn giản hóa quá trình phát triển ứng dụng IoT.
Node-RED là mã nguồn mở và được phát triển bởi Emerging TechnologyServices của IBM và được tích hợp trong gói ứng dụng khởi động IoT Bluemix của IBM (Platform-as-a-Service hoặc PaaS) Node-RED cũng có thể được triển khai riêng bằng ứng dụng Node.js Hiện tại, Node-RED là một dự án của JS Foundation.
Node-RED cho phép người dùng kết hợp các dịch vụ Web và phần cứng bằng cách thay thế các tác vụ mã hóa cấp thấp phổ biến (như một dịch vụ đơn giản giao tiếp với một cổng nối tiếp) và điều này có thể được thực hiện với giao diện kéo thả trực quan Các thành phần khác nhau trong Node-RED được kết nối với nhau để tạo ra một luồng (flow) Hầu hết mã lệnh (code) cần thiết được tạo tự động. Ưu điểm:
Nhiều thư viện hỗ trợ
Tối ưu về xử lý dữ liệu
Giao diện web còn hạn chế
Cách cài đặt Node Red trên Raspberry Pi 4
Bước 1: Trước tiên vào giao diện terminal của pi, có thể qua giao diện terminal hoặc sử dụng Putty truy cập vào CLI thông qua SSH
Nhập dòng lệnh sau: bash