Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)

Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NG HỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Đỗ Hữu Thao GIẢI PHÁP HỖ TRỢ HỆ THỐNG TƯỚI VƯỜN CÂY MANG TÍNH TỰ ĐỘNG Chuyê n ngành: Hệ thống thơng tin M ã s ố: 60.48.01.04 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM – 2017 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Văn Lăng Phản biện 1: … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Phản biện 2: … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc : ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thông MỞ ĐẦU Việt Nam nước dựa chủ yếu vào nơng nghiệp (75%), nâng cao suất sản xuất nông nghiệp việc làm cần thiết Từ xa xưa người dân đúc kết kinh nghiệm “Nhất nước, nhì phân, tam cần, tứ giống”, qua khẳng định vai trò quan trọng nước phát triển trồng Tài nguyên trái đất ngày cạn kiệt, đường sống nhân loại sử dụng chúng cách hợp lý hiệu Tuy nhiên chưa thực tốt việc sử dụng tài nguyên, điển hình Nước tài nguyên gần gũi quan trọng cho sống khai thác, sử dụng cách lãng phí thiếu hiệu Vấn đề phổ biến đất nước nông nghiệp phát triển Việt nam, kỹ thuật canh tác nặng thủ cơng, làm theo thói quen dễ dẫn đến việc cung cấp nhiều lượng nước so với nhu cầu thực trồng khiến khơng có điều kiện tốt để phát triển, chí làm chết úng nước thiếu nước Để khắc phục vấn đề để tiết kiệm tối đa chi phí nhân cơng nhằm nâng cao suất, sản lượng trồng, trước hết phải chủ động xây dựng hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng nguồn nước có cho phù hợp Muốn ta cần phải xác định xác cần nước, cần nước để cung cấp đủ lượng nước cần, tức ln kiểm sốt lượng nước, độ ẩm khu vực đất canh tác Bên ca ̣nh đó, nhu cầ u rau xanh cung cấ p cho bữa ăn hàng ngày của người dân là rấ t lớn nhưng chấ t lươ ̣ng các loa ̣i rau hiệ n bán trên thi ̣ truơ ̛ ̀ ng không thể kiể m soát đươ ̣c Cho nên, dù sở hữu ngôi nhà có diện tích, khơng gian lớn hay nhỏ, nhiều gia đình đặc biệt thành phố thić h có đuơ ̛ ̣c một khu vườn nhỏ để trồng loại yêu thích, từ hoa, cây cảnh để giải trí cho tới rau, củ, để phu ̣c vu ̣ cho bữa ăn hàng ngày gia đình Những khu vườn phần sân thượng, hay khoảng đất trống không phục vụ cho việc xây dựng Nhưng không phải cuñ g có thời gian chăm sóc hay có điều kiện để trang bị hệ thống tưới đắt tiền, lúc có mặt nhà để trực dõi, kiểm tra Vậy xây dựng hệ thống tưới tự động đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu với chi phí thấp đặc biệt giám sát, theo dõi hoạt động hệ thống khơng có mặt nhà? Với mục đích áp dụng tự động hóa công nghệ thông tin vào nông nghiệp, cụ thể việc tưới nước cho trồng để giúp tiết kiệm nước, lượng đồng thời đảm bảo điều kiện phát triển tốt cho trồng với chi phí thấp, cho phép giám sát theo dõi hoạt động hệ thống từ xa Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ lĩnh vực công nghệ thông tin, đề tài “Giải pháp hỗ trợ hệ thống tưới vườn mang tính tự động” góp phần giải vấn đề đặt 4 Chương - TỔNG QUAN Giới thiệu: Chương trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu, việc áp dụng tự động hóa ứng dụng điều khiển mờ Giới thiệu phương pháp tưới sử dụng, đánh giá ưu nhược điểm phương pháp tưới, từ đưa phương pháp tưới thích hợp Nội dung: 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu Với phát triển internet, smartphone đặc biệt thiết bị cảm biến , Internet of Thing (IoT) trở thành xu hướng giới IoT định nghĩa thứ có khả kết nối internet tức giao tiếp, điều khiển thiết bị từ nơi cần có internet IoT biết đến nhiều qua ứng dụng nhà thông minh, thành phố thơng minh, … có tiềm lớn nơng nghiệp xác Nơng nghiệp xác hay canh tác xác khái niệm Việt nam Tuy nhiên, Mỹ nhiều nước phát triển khác, với đà phát triển cơng nghệ thơng tin nơng nghiệp xác hình thành Từ đầu kỷ 21 nông nghiệp giới chuyển biến mạnh với việc áp dụng kỹ thuật xác để khai thác xa mạc, canh tác dòng lương thực siêu sản, chuyển qua tưới nhỏ giọt thay cho hệ thống mương máng tưới tiêu thay việc bón phân hóa học phân khoảng 300 lồi vi khuẩn bón theo đường nước Mỗi định cần kết từ việc xử lý máy vi tính Tin học hóa hay vi tính hóa nơng nghiệp coi cách mạng xanh nhằm nuôi sống nhân loại, nơng nghiệp cơng nghệ thơng tin khơng phương tiện hỗ trợ mà trở thành lực lượng lao động trung tâm, từ hình thành nên cộng đồng chun gia tin học nơng nghiệp có tên tiếng anh Information Technology in Agriculture - ITA, với ba thành phần chuyên gia, hệ thống đồng trang bị tin học, phần mềm chuyên dụng Hiện thị trường có nhiều hệ thống tưới tiêu hỗ trợ nông nghiệp triển khai chủ yếu hoạt động theo chế thiết lập sẵn thời điểm, thời gian tưới cách cố định chưa xử lý dựa theo thay đổi ngoại cảnh, hay hệ thống tưới từ nước ngồi có giá thành cao Bên cạnh việc cung cấp nước cho có nhiều biện pháp đề cập tưới ngập, tưới rãnh, tưới ngầm, tưới phun, tưới nhỏ giọt tưới dải 1.2 Các phương pháp tưới Tưới nước biện pháp kỹ thuật quan trọng ảnh hưởng lớn đến suất chất lượng trồng Mỗi phương pháp tưới có ưu điểm nhược điểm riêng, ứng với địa hình, chủng loại trồng có cách thức tưới phù hợp hiệu 1.2.1 Tưới ngập 1.2.2 Tưới rãnh 1.2.3 Tưới ngầm 1.2.4 Tưới phun 1.2.5 Tưới dải 1.2.6 Tưới nhỏ giọt 1.3 Ứng dụng điều khiển mờ Ứng dụng điều khiển mờ phải nói đến nhóm Mamdani Assilian năm 1974 Từ phạm vi ứng dụng thực tiễn điều khiển mờ lĩnh vực khác rộng rãi Robot, xe hơi, hệ thống sản xuất công nghiệp,… Chúng ta không nhắc tới thiết bị gia dụng sử dụng hàng ngày như: máy điều hòa nhiệt độ, máy giặt,… 1.4 Kết luận Từ phân tích luận văn đưa giải pháp để thiết kế hệ thống điều khiển tưới nước tự động cho trồng ứng dụng logic mờ để thiết kế hệ thống điều khiển, sử dụng phương pháp tưới nhỏ giọt kết hợp với phun sương để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí tạo điều kiện tốt cho trồng phát triển Hệ thống tưới nước tự động triển khai thiết bị có khả kết nối internet giúp ln giám sát theo dõi hoạt động từ nơi có internet 8 Chương - ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG VIỆC TƯỚI TIÊU Giới thiệu: Chương giới thiệu logic mờ điều khiển mờ, trình bày khái niệm đặc trưng logic mờ Lý thuyết tập mờ, biến ngôn ngữ, phép tính tập mờ, phương pháp xây dựng mơ hình phương pháp giải mờ Giới thiệu đưa khái niệm điều khiển mờ, thành phần điều khiển mờ Ứng dụng điều khiển mờ để giải toán điều khiển hệ thống tưới tự động Nội dung: 2.1 Logic mờ Khái niệm logic mờ giáo sư L.A Zadeh đưa lần năm 1965, trường Đại học Berkeley, bang Califonia – Mỹ Từ lý thuyết mờ phát triển ứng dụng rộng rãi Năm 1970 trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani dùng logic mờ để điều khiển máy nước mà ông điều khiển kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann dùng logic mờ cho hệ định Tại Nhật logic mờ ứng dụng vào nhà máy xử lý nước Fuji Electronic vào 1983, hệ thống xe điện ngầm Hitachi vào năm 1987 Lý thuyết mờ đời Mỹ, ứng dụng Anh phát triển mạnh mẽ Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa, logic mờ ngày ứng dụng rộng rãi Nó thực hữu dụng với đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ giải vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm 2.1.1 Lý thuyết logic mờ 2.1.2 Quy trình hoạt động logic mờ 2.1.3 Phương pháp xây dựng mô hình 2.1.4 Các phương pháp giải mờ 2.2 Điều khiển mờ 2.2.1 Giới thiệu điều khiển mờ Điều khiển mờ chiếm vị trí quan trọng điều khiển học kỹ thuật đại Ngay từ buổi đầu, điều khiển mờ mang lại ngạc nhiên đáng kể hoàn toàn trái ngược với tên gọi nó, kỹ thuật điều khiển đồng nghĩa với độ xác khả thực Tuy ngành kỹ thuật điều khiển non trẻ ứng dụng công nghiệp điều khiển mờ thật rộng rãi như: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông, lĩnh vực sản xuất hàng hóa dân dụng … Các điều khiển thiết kế dựa sở logic mờ 10 gọi điều khiển mờ Chúng có chung đặc điểm làm việc theo nguyên tắc chép lại kinh nghiệm, tri thức người điều khiển, vận hành máy móc So với giải pháp kỹ thuật từ trước đến áp dụng để tổng hợp hệ thống điều khiển, phương pháp tổng hợp hệ thống logic mờ ưu điểm như: - Khối lượng công việc thiết kế giảm đáng kể không cần sử dụng mơ hình đối tượng, với tốn thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính tốn hạ giá thành sản phẩm - Bộ điều khiển mờ dễ hiểu so với điều khiển khác (cả kỹ thuật) dễ dàng thay đổi - Trong nhiều trường hợp điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững chất lượng điều khiển cao 2.2.2 Bộ điều khiển mờ Một điều khiển mờ gồm ba thành phần bản: - Mờ hóa - Thực luật hợp thành - Giải mờ Nguyên lý điều khiển mờ: Hệ thống điều khiển mờ khơng có khác với hệ thống điều khiển tự động thông thường khác Sự khác biệt điều khiển mờ làm việc có tư não dạng trí tuệ nhân tạo, hoạt động 11 điều khiển phụ thuộc vào kinh nghiệm phương pháp rút kết luận theo tư người, sau cài đặt vào máy tính sở logic mờ Hệ thống điều khiển mờ thiết kế dựa trên: - Giao diện đầu vào: bao gồm khâu mờ hóa, khâu phụ trợ thêm để thực tốn động tích phân, vi phân… - Thiết bị hợp thành mà chất triển khai luật hợp thành R xây dựng sở luật điều khiển - Giao diện đầu gồm khâu giải mờ khâu giao diện trực tiếp với đối tượng Nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào phương pháp toán học sở định nghĩa biến ngôn ngữ vào/ra lựa chọn luật điều khiển Do điều khiển mờ có khả xử lý giá trị vào/ra biểu diễn dạng dấu phảy động với độ xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng yêu cầu tốn điều khiển rõ ràng xác Các bước thiết kế điều khiển mờ: B1: Định nghĩa tất biến ngôn ngữ vào/ra B2: Xác định tập mờ cho biến vào/ra B3: Xây dựng luật hợp thành (luật điều khiển) B4: Chọn thiết bị hợp thành 12 B5: Chọn nguyên lý giải mờ, Tối ưu 2.3 Ứng dụng điều khiển mờ để thiết kế hệ thống tưới tự động 2.3.1 Xây dựng biến ngôn ngữ 2.3.2 Thu nhận chuẩn hóa liệu 2.3.3 Xây dựng hàm phụ thuộc 2.3.4 Xây dựng tập luật 2.3.5 Làm mờ liệu đầu vào 2.3.6 Giải mờ 2.4 Kết luận Qua việc nghiên cứu sở lý thuyết logic mờ điều khiển mờ luận văn nhận thấy điều khiển mờ lựa chọn phù hợp để điều khiển việc tưới tiêu cho trồng Với việc liên tục giám sát, thu thập thông tin từ mơi trường xử lý tính tốn máy tính giúp cho hệ thống ln hoạt động ổn định, liên tục giúp cho việc tưới nước cho không bị gián đoạn, đảm bảo tạo ngưỡng độ ẩm thích hợp để trồng phát triển tốt 13 Chương - THIẾT KẾ HỆ THỐNG Giới thiệu: Một hệ thống điều khiển bao gồm hai thành phần: Phần cứng phần mềm Phần cứng gồm toàn thiết bị kết nối với để có khả giải vấn đề theo yêu cầu đặt Phần mềm chương trình xây dựng để điều khiển thiết bị phần cứng nhằm giải vấn đề Nội dung: 3.1 Giới thiệu hệ thống, thiết bị 3.1.1 Giới thiệu hệ thống Hình 3.1: Mơ hình hệ thống 14 Hệ thống điều khiển tưới tự động có đầu vào trạng thái mưa, nhiệt độ, độ ẩm đất độ ẩm khơng khí, đầu thời gian mở van tưới với kết hợp phương pháp tưới nhỏ giọt tưới phun sương để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí tạo điều kiện thuận lợi trồng phát triển Với liệu thu từ cảm biến, vi xử lý tiến hành cơng việc tính tốn đưa lệnh điều khiển tới trạm điều khiển, đồng thời thông tin liệu thu về, lệnh đưa ra, trạng thái hoạt động hệ thống đưa lên hình hiển thị gửi tới địa Web ta giám sát hệ thống từ nơi cần có internet 3.1.2 Thiết bị, hạ tầng phần cứng hệ thống 3.2 Xây dựng chương trình IoT Wifi Uno sử dụng làm trung tâm xử lý hệ thống điều khiển, nơi thực công việc tính tốn, điều khiển, truyền dẫn sau nhận thông tin liệu từ thiết bị, cụ thể sau: - Input: cảm biến mưa, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm khơng khí, cảm biến độ ẩm đất - Output: module tưới phun sương, module tưới nhỏ giọt, sử dụng cảm biến đo lưu lượng dòng chảy để xác định xem có dòng nước chảy qua hay khơng để xác định thiết bị có hoạt 15 động hay không để báo cho server biết - Server: IoT wifi Uno sau nhận liệu từ cảm biến tiến hành tính tốn cho lệnh để điều khiển van tưới, kiểm tra trạng thái hoạt động thiết bị đầu cách đọc tín hiệu trả từ phía output Thơng tin hiển thị hình cho biết nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái hoạt động, … đồng thời thông tin đưa lên địa internet thông qua ESP8266 tích hợp thiết bị 3.2.1 Thiết lập biến vào, 3.2.2 Thiết lập luật điều khiển 16 Chương - KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Kết quả: Với việc áp dụng logic mờ để giải toán tưới tự động với thiết bị phần cứng lựa chọn, luận văn xây dựng thành công hệ thống điều khiển tưới nước tự động mục tiêu đề Hình 4.1: Mơ hình triển khai hệ thống điều khiển tưới tự động Các số liệu từ cảm biến truyền trung tâm điều khiển để xử lý tính tốn lệnh điều khiển, sau thơng 17 tin hệ thống đưa lên địa web để truy cập từ nơi Hình 4.2: Giao diện web hệ thống giám sát (1/2) Hình 4.3: Giao diện web hệ thống giám sát (2/2) 18 Bàn luận: Hoạt động điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm phương pháp rút kết luận theo tư người, sau cài đặt vào máy tính sở logic mờ nên khơng thể ln xác hồn cảnh, điều kiện khác Với hệ thống tưới tự động việc thiết kế hệ thống hướng đến loại trồng, loại đất, giai đoạn phát triển điểm hạn chế lớn đến tính năng, linh hoạt hệ thống, luận văn đưa giải pháp việc cấu hình hệ thống để hoạt động linh hoạt, phù hợp với đặc tính loại trơng mong muốn thiết lập hệ thống dựa số như: loại trồng, loại đất, … Hơn nữa, độ xác hệ thống đánh giá cải thiện thông qua thử nghiệm thực tế Vì vậy, cần thường xuyên cải tiến, hiệu chỉnh lại thông số nhằm cải thiện, nâng cao độ xác hiệu làm việc hệ thống Phương pháp cập nhật từ xa OTA (Over the Air) lựa chọn phù hợp để cập nhật hệ thống điều khiển sau đến tay người sử dụng 19 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Luận văn thực mục tiêu đặt thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển tự động hoàn thiện phục vụ cho việc tưới nước cho trồng, bao gồm việc: - Lựa chọn phương pháp điều khiển, phương pháp tưới; - Xây dựng thông số đầu vào, đầu ra; - Xây dựng tập luật điều khiển; - Lựa chọn thiết bị phần cứng, thiết kế điều khiển; - Nạp chương trình lên thiết bị; - Tiến hành thử nghiệm thực tế Hệ thống điều khiển đáp ứng tiêu chí như: - Có thể giám sát hệ thống từ nơi cần có kết nối internet; - Giá thành rẻ; - Tiết kiệm nước, điện năng, đảm bảo cung cấp đủ lượng nước cần Kiến nghị: Việc sử dụng hệ thống tưới thời gian dài xuất hiện tượng ống dẫn nước bị tắc gây ảnh hưởng tới hoạt động hệ thống, tác giả kiến nghị: 20 - Bổ xung thêm lọc để kiểm soát nguồn nước cung cấp cho hệ thống, ngăn không cho vật cản chui vào đường ống nước - Có thể sử dụng loại ống để dễ dàng nhận thấy điểm bị tắc nghẽn  ... sát theo dõi hoạt động hệ thống từ xa Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ lĩnh vực công nghệ thông tin, đề tài Giải pháp hỗ trợ hệ thống tưới vườn mang tính tự động góp phần giải vấn đề đặt 4... bị hệ thống tưới đắt tiền, lúc có mặt nhà để trực dõi, kiểm tra Vậy xây dựng hệ thống tưới tự động đảm bảo hệ thống ln hoạt động hiệu với chi phí thấp đặc biệt giám sát, theo dõi hoạt động hệ thống. .. hệ thống tưới tự động việc thiết kế hệ thống hướng đến loại trồng, loại đất, giai đoạn phát triển điểm hạn chế lớn đến tính năng, linh hoạt hệ thống, luận văn đưa giải pháp việc cấu hình hệ thống