XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP CHÍNH XÁC DỰA TRÊN INTERNET OF THINGS

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THÔNG SỐ MÔI TRƯỜNG PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP CHÍNH XÁC DỰA TRÊN INTERNET OF THINGS TS Lê Đình Tuấn – Phó Hiệu Trưởng Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An, www.daihoclongan.edu.vn Email: le.tuan@daihoclongan.edu.vn Tóm tắt: Bài báo mô tả việc thiết kế, xây dựng triển khai hệ thống giám sát thông số môi trường mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp xác dựa Internet of Things (IoT) trường đại học Kinh tế Công nghiệp Long An Nông nghiệp xác canh tác xác kỹ thuật áp dụng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu, v.v…) vào vị trí vào thời điểm để tăng cường sản xuất nâng cao chất lượng [1] Mạng cảm biến không dây xây dựng nhằm phục vụ yêu cầu nông nghiệp xác Thông qua mạng cảm biến không dây, người nông dân thu thập thông số đến quy trình sản xuất nông nghiệp nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, ánh sáng, độ ẩm đất, độ pH, v v Các thông tin thu thập, lưu trữ truyền tải không dây đến trạm quản lý để phân tích xử lý, qua người sử dụng điều khiển đưa định phù hợp nhằm tăng cường sản xuất nâng cao chất lượng trồng Về phần cứng, hệ thống gồm phần chính: nút cảm biến DHLA-WSN khu vực giám sát, nút quản lý vùng DHLA-WMN, trung tâm điều hành (server) Tại nút phần mềm xây dựng để đảm bảo hệ thống hoạt động theo yêu cầu Hệ thống xây dựng chạy thử nghiệm trường bước đầu hoạt động tốt hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích đáng kể hệ thống sản xuất nông nghiệp Giới thiệu: Trong năm qua với nỗ lực cao Chính phủ bộ, sở ban ngành, kinh tế nông nghiệp, nông thôn nước ta nói chung Đồng Bằng Sông Cửu Long nói riêng đạt thành tựu định, giá trị sản xuất sản lượng xuất tăng trưởng nhanh, cấu kinh tế chuyển dịch tích cực, đảm bảo an ninh lương thực quốc gia,… Bên cạnh thành tựu đạt được, suất lao động ngành nông nghiệp có tăng nhiều năm trở lại đây, nhiên, theo báo cáo khoa học ngành nông nghiệp Việt Nam Bộ nông nghiệp Phát triển nông thôn, suất lao động nhìn chung chưa cao, chất lượng sản phẩm thấp không đồng đều, dẫn đến khả cạnh tranh hạn chế thiếu bền vững Do đó, công nghệ mà cải thiện liên tục suất, nâng cao hiệu sản xuất, chất lượng sản phẩm, đảm bảo tính bền vững hệ thống nông nghiệp yêu cầu cấp bách cần thiết, phù hợp với định hướng phát triển ngày Theo truyền thống nông nghiệp thực cách thực nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn trồng, chăm sóc, tưới tiêu thu hoạch với lịch trình định trước Nhưng cách thu thập liệu thời gian thực thời tiết, đất chất lượng không khí v.v nhằm theo dõi trưởng thành trồng chí trang thiết bị chi phí lao động, phân tích sử dụng để đưa định thông minh Đây gọi nông nghiệp xác (hoặc canh tác xác - precision agriculture) Một định nghĩa nông nghiệp xác [2]: kỹ thuật áp dụng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu, v v ) vào vị trí vào thời điểm để tăng cường sản xuất nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp Vấn đề thách thức với nông nghiệp xác cần công nghệ để thời điểm cho phép thu thập thông tin điều kiện sống trồng để đưa định cụ thể (như khối lượng nước đầu vào, khối lượng phân bón, tăng giảm nhiệt độ, áp suất, cường độ sáng v v ) thời điểm nhằm tối ưu hóa toàn chu kỳ trồng trọt Thay đưa định dựa vào số điều kiện trung bình giả thuyết, hay ý kiến chủ quan cá nhân, không tồn nơi thực tế, cách tiếp cận nông nghiệp xác nhận khác biệt điều chỉnh hoạt động quản lý phù hợp Để thúc đẩy thông minh tự động hoá nông nghiệp, xu hướng áp dụng công nghệ IoT Hệ thống giám sát môi trường dựa IoT đáp ứng phép đo nhanh, xác liên tục yêu cầu nông nghiệp xác Các kỹ thuật IoT cung cấp phương pháp tiếp cận với kỹ thuật thông tin môi trường nông nghiệp Ứng dụng mạng cảm biến không dây cho nông nghiệp xác hướng đáp ứng yêu cầu quan trọng lĩnh vực đại hóa nông nghiệp Mạng cảm biến không dây cho phép giám sát quản lý điều khiển thông số liên quan đến quy trình sản xuất nông nghiệp thông số liên quan đến môi trường (nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, ánh sáng, v v ), thông số liên quan đến điều kiện đất trồng (độ ẩm đất, độ pH, v v ) sức khỏe trồng (độ xanh lá, côn trùng bệnh tật, cỏ dại, v v ) Các liệu thu thập, lưu trữ truyền tải không dây đến người dùng để xử lý, qua họ điều khiển đưa biện pháp thích hợp sản xuất nông nghiệp nhằm tăng xuất, nâng cao chất lượng đồng sản phẩm thu hoạch Mô hình giải pháp: 2.1 Mô hình tổng thể giải pháp Hình mô tả mô hình tổng thể giải pháp mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp xác dựa IoT Tại khu vực canh tác (ví dụ cánh đồng, nông trường v v.), nút cảm biến (sensor nodes) triển khai nhằm theo dõi thông số kỹ thuật liên quan đến quy trình sản xuất nông nghiệp thông số liên quan đến môi trường (nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, ánh sáng, côn trùng, cỏ dại v v ) thông số liên quan đến điều kiện đất trồng (độ ẩm đất, độ pH, v v ) Tại khu vực, liệu thu thập, lưu trữ truyền tải không dây nút quản lý vùng, sau liệu tiếp tục truyền tải đến trung tâm điều hành cuối Hình - Mô hình tổng thể giải pháp trung tâm tổng điều hành thông qua mạng Internet Dựa thông số thu thập được, người dùng xử lý điều khiển từ trung tâm điều hành trung tâm tổng điều hành để đưa biện pháp thích hợp sản xuất nông nghiệp nhằm tăng cường sản xuất nâng cao chất lượng Ví dụ, xác định độ ẩm đất khu vực A thấp, người dùng lệnh từ xa kích hoạt máy bơm nước khu vực để cải thiện độ ẩm Do giải pháp có khả mở rộng nên hệ thống vừa triển khai quy mô nhỏ (như cánh đồng canh tác cá thể) triển khai quy mô lớn khu vực diện rộng cấp huyện, cấp thị xã, chí cấp quốc gia 2.2 Mô hình chi tiết khu vực giám sát Hình mô tả chi tiết cấu trúc hệ thống khu vực giám sát, bao gồm nút cảm biến nút quản lý vùng a Nút cảm biến (Sensor nodes): Nút cảm biến (Sensor nodes) thiết bị trang bị khả cảm biến môi trường độ ẩm không khí, nhiệt độ, độ pH, lượng mưa, tốc độ hướng gió, cường độ Hình - Mô hình chi tiết khu vực giám sát ánh sáng, hình ảnh v v (tùy vào cảm biến trang bị) Ngoài ra, nút cảm biến có khả giao tiếp với nút cảm biến khác vùng phủ sóng truyền tải không dây liệu thu thập trạm trung gian nội b Nút quản lý vùng (Manager node): Nút quản lý vùng nút có nhiệm vụ quản lý nút cảm biến vùng phủ sóng đóng vai trò nút trung gian nút cảm biến trung tâm điều hành, nhận liệu từ nút cảm biến khu vực truyền liệu trung tâm điều hành gần Ngoài ra, nút quản lý vùng có nhiệm vụ nhận truyền lệnh từ trung tâm điều hành đến nút cảm biến để thực thi lệnh theo yêu cầu trung tâm điều hành 2.3 Phần cứng phần mềm Phần mô tả phần cứng phần mềm hệ thống triển khai khu vực giám sát trung tâm điều hành 2.3.1 Nút cảm biến (DHLA-WSN)  Cấu trúc nút cảm biến (DHLA-WSN)  Hình - Mô hình tổng thể khu vực trung tâm điều hành Hình mô tả cấu trúc nút cảm biến hệ thống Một nút cảm biến gồm thành phần sau đây:  Khối cung cấp lượng: khối cấp nguồn điện 12V cho thiết bị hoạt động Nguồn lượng lấy từ lượng mặt trời, pin dự trữ …  Khối thu thập liệu: bao gồm cảm biến: o Ánh sáng: thu thập cường độ ánh sáng o Nhiệt độ: thu thập nhiệt độ môi trường o Độ ẩm: thu thập thông số độ ẩm đất, độ ẩm không khí o Độ pH: đo độ pH nước  Khối trung tâm xử lý: Đảm nhận việc tập hợp liệu từ khối thu thập liệu sau điều khiển khối giao tiếp để truyền nút quản lý vùng, lệnh cho khối thị xuất hình  Khối giao tiếp: Sau khối trung tâm xử lý tập hợp liệu gửi cho khối giao tiếp, khối giao tiếp thực công việc truyền liệu nút quản lý vùng  Khối lưu trữ: Công việc lưu lại liệu vào thẻ nhớ 2.3.2 Nút quản lý vùng DHLA-WMN Nút quản lý vùng DHLA-WMN nơi nhận liệu từ nút cảm biến truyền cho trung tâm điều hành đồng thời nhận lệnh từ trung tâm điều hành truyền cho nút cảm biến để thực thi  Cấu trúc nút quản lý vùng DHLA-WMN Hình - Cấu trúc thiết bị nút quản lý vùng DHLA-WMN Hình mô tả cấu trúc nút quản lý vùng DHLA-WMN Một nút quản lý vùng thành phần sau:  Khối cung cấp lượng: khối cấp nguồn điện 12V cho thiết bị hoạt động Nguồn lượng lấy từ nguồn lượng mặt trời nguồn pin dự trữ …  Khối trung tâm xử lý: xử lý thông tin nhận từ khối giao tiếp trả liệu cần  Khối giao tiếp: đảm nhận công việc giao tiếp nút cảm biến trung tâm điều hành  Khối điều khiển: thực nhiệm vụ điều khiển đóng, mở thiết bị máy bơm, máy phun sương, đèn, quạt gió v v 2.3.3 Trung tâm điều hành DHLA_CENTER Trung tâm điều hành nơi nhận xử lý số liệu Tại trung tâm nhận liệu lưu hiển thị máy tính giúp nhà quản lý, nhà nghiên cứu sử dụng phân tích điều khiển hệ thống từ xa Với liệu lưu máy tính số thuật toán phân tích số liệu đặc thù giúp cho nhà quản lý, nhà nghiên cứu có góc nhìn tổng thể khu vực họ cần giám sát, hỗ trợ cho họ số định (hệ hỗ trợ định ) Ngoài ra, từ trung tâm điều hành, nhà quản lý giám sát điều khiển từ xa hoạt động hệ thống lập lịch tưới tiêu cho hệ thống, kích hoạt máy phun sương, kích hoạt hệ thống chiếu sáng v v  Phần cứng  Máy tính: chức quản lý thiết bị ngoại vi  Modem SMS: gửi, nhận SMS qua nhà mạng  Modem wireless: thiết bị thu phát liệu không dây  Modem ADSL: thiết bị thu phát mạng băng thông rộng  Phần mềm giám sát, điều kiển DHLA_SOFT Phần mềm DHLA_SOFT triển khai trung tâm điều hành tổng trung tâm điều hành Phần mềm DHLA_SOFT gồm chứng sau:  Hiển thị liệu thu thập từ nút quản lý vùng gửi  Lưu trữ thông liệu thông số môi trường phục vụ việc theo dõi lâu dài cho người dùng  Lập lịch lập kế hoạch điều khiển tự động vùng giám sát quản lý Các nhà sản xuất, nghiên cứu lập kế hoạch cho hệ thống hoạt động theo chu trình Ví dụ hệ thống tưới tiêu xác lập kích hoạt từ đến ngày từ thứ đến thứ Tuy nhiên việc lập lịch linh hoạt theo thay đổi môi trường, nên hệ thông phần mềm cung cấp cho việc lập kế hoạch điều khiển tự động dựa vào thông số mà nút quản lý vùng gửi Ví dụ nhiệt độ tăng cao 30oC hệ thống phun sương để làm mát môi trường tăng độ ẩm, đến nhiệt độ hạ xuống 26oC hệ thống tắt phun sương  Hệ hỗ trợ định khai thác liệu mà hệ thống thu thập theo thời gian, với liệu trồng, phần mềm giúp nhà sản xuất chăm sóc trồng, vật nuôi … tốt Kết triển khai trường Đại học KT-CN Long An Hiện nay, hệ thống thử nghiệm triển khai trường Đại học KTCN Long An (hình hình 6) Quá trình thực nghiệm trồng nấm Hồng chi nấm Sò xám nhà trồng thử nghiệm trường sử dụng công nghệ mạng cảm biến không dây tháng 03/2013 đến Đặc điểm nhà trồng thử nghiệm: - Diện tích 3.8 X 5.5 X 3.2 m - Mái nhà vách lợp tole, xi măng - Nhiệt độ trung bình từ 10h – 15h: 320C - Có mùng lưới chống côn trùng Đặc điểm yêu cầu môi trường trồng: cần giữ nhiệt độ độ ẩm môi trường sau - Nhiệt độ: o Giai đoạn ủ tơ: 27 – 300C o Giai đoạn phát triển: 26 – 280C - Ẩm độ không: o Giai đoạn ủ tơ: 40 -60% o Giai đoạn phát triển: 65-80% Hệ thống cảm biến nhiệt độ độ ẩm triển khai để điều khiển chênh lệch nhiệt độ ẩm độ nhà trồng môi trường phát triển nấm Kết theo dõi sau: - Với hệ thống mạng cảm biến hệ thống tưới phun sương hoạt động tốt liên tục trung bình 8h/ngày (5 bec phun, chiều dài ống dẫn nước 6.5m) - Mạng cảm biến có nhiệm vụ theo dõi nhiệt độ độ ẩm nhà trồng Ở giai đoạn (ủ tơ, phát triển), nhiệt độ độ ẩm nhà trồng trì điều kiện yêu cầu Nếu nhiệt độ độ ẩm thấp hơn/cao khoảng cho phép, hệ thống kích hoạt tự động thiết bị điều khiển môi trường khác phun sương hệ thống quạt để trì nhiệt độ độ ẩm nhà nấm miền giá trị mong muốn Ngoài ra, thông qua mạng cảm biến không dây người dùng theo dõi kích hoạt từ xa thiết bị điều khiển môi trường cần thiết qua điện thoại di động (gởi sms qua kích hoạt chương trình điều khiển web) - Kết nuôi trồng: o Hồng chi: số lượng 105 bịch phôi, kết thể tương đối sau 12 ngày ủ tơ (nhập phôi giống ngày 24/7/2013) giai đoạn phát triển, dự kiến thu hoạch lần ngày 30/9/2013 - Sò xám: số lượng 130 bịch phôi đợt 2, nhập ngày 15/8/2013 giai đoạn tưới đón nấm 100 bịch phôi đợt 3, nhập ngày 7/9/2013 giai đoạn đầu tưới đón nấm Dự kiến bắt đầu thu hái vào khoảng cuối tháng 9/2013 Hình - Hình ảnh nhà trồng nấm trường ĐH KTCN Long An Hình - Giao diện thông tin nút cảm biến Trong tương lai, tiếp tục thử nghiệm triển khai hệ thống với giống trồng khác cà chua, dưa lưới với yêu cầu khác Kết luận: Để thúc đẩy thông minh tự động hoá nông nghiệp, xu hướng áp dụng công nghệ IoT Hệ thống giám sát môi trường dựa IoT đáp ứng phép đo nhanh, xác liên tục yêu cầu nông nghiệp xác Hệ thống xây dựng, triển khai chạy thử nghiệm trường bước đầu hoạt động tốt hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích đáng kể Đây công nghệ giúp nông dân doanh nghiệp dễ dàng tiếp cận ứng dụng vào sản xuất nông nghiệp, tiết kiệm nguyên liệu đầu vào, nâng cao hiệu quả, suất lợi nhuận hệ thống sản xuất nông nghiệp Đặc biệt, với việc làm chủ công nghệ hoàn toàn từ việc thiết kế xây dựng phần cứng đến phần mềm cho nút cảm biến hoạt động nên giá thành sản phẩm không cao, phụ thuộc vào công nghệ nước phù hợp với thị trường Việt Nam Mô hình phát triển ứng dụng rộng rãi với chuyên gia nông nghiệp để tìm thông số tối ưu cho loại trồng phù hợp cho địa phương, phát huy tiềm mạnh sản xuất địa phương để tạo sản phẩm suất cao giá trị lợi nhuận đầu tư cách tiết kiệm chi phí có liên quan Mạng cảm biến không dây phục vụ cho nông nghiệp hướng cho nông nghiệp đồng sông Cửu Long nói riêng nước nói chung để hướng tới nông nghiệp bền vững Nông nghiệp bền vững tìm cách để đảm bảo nguồn cung cấp liên tục thực phẩm giới hạn sinh thái, kinh tế xã hội cần thiết để trì sản xuất dài 10 hạn Do nông nghiệp xác cách sử dụng mạng cảm biến không dây cho phép theo đuổi mục tiêu Tài liệu tham khảo: [1] A Thiagarajan et al., “VTrack: Accurate, Energy-Aware Traffic Delay Estimation Using Mobile Phones,” Proc 7th ACM SenSys, Berkeley, CA, Nov 2009 [2] UC Berkeley/Nokia/NAVTEQ, “Mobile Millennium”; http://traffic.berkeley.edu/ [3] E Miluzzo et al., “Sensing meets Mobile Social Networks: The Design, Implementation, and Evaluation of the CenceMe Application,” Proc 6th ACM SenSys, 2008, pp 337–50 [4] M Mun et al., “Peir, the Personal Environmental Impact Report, as a Platform for Participatory Sensing Systems Research,” Proc 7th ACM MobiSys, 2009, pp 55–68 [5] S Consolvo et al., “Activity Sensing in the Wild: A Field Trial of Ubifit Garden,” Proc 26th Annual ACM SIGCHI Conf Human Factors Comp Sys., 2008, pp 1797–1806 [6] AL-HAMDI, Ali, Ahmed Monjurul HASAN, and Muhammad AKRAM "WSNbased Support for Irrigation Efficiency Improvements in Arab Countries." [7] KSHITIJ SHINGHAL, ARTI NOOR, etc, Wireless Sensor Networks in agriculture: for potato farming [8] Xiong, S.-M.; Wang, L.-M.; Qu, X.-Q.; Zhan, Y.-Z Application Research of WSN in Precise Agriculture Irrigation In Proceedings of International Conference on Environmental Science and Information Application Technology, Wuhan, China, 4–5 July 2009; Volume 2, pp 297-300 [9] de Lima, G.H.E.L.; e Silva, L.C.; Neto, P.F.R WSN as a Tool for Supporting Agriculture in the Precision Irrigation In Proceedings of International Conference on Networking and Services, Cancun, Mexico, 7–13 March 2010; pp 137-142 [10] Kim, Y.; Evans, R.; Iversen, W Remote Sensing and Control of an Irrigation System Using a Distributed Wireless Sensor Network IEEE Trans Instrum Meas 2008, 57, 1379-1387 11