Thiết kế hệ thống quan trắc nông nghiệp thời gian thực dựa trên nền tảng IOT

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu về hệ thống quan trắc nông nghiệp thời gian thực dựa trên nền tảng công nghệ IoTs. Cụ thể là sử dụng cảm biến độ ẩm LM393, cảm biến nhiệt độ DS18B20 và cảm biến ánh sáng để giám giát 3 thông số độ ẩm, ánh sáng và nhiệt độ cho mô hình vườn ươm cây chè tại Thái Nguyên.

ISSN: 1859-2171 e-ISSN: 2615-9562 TNU Journal of Science and Technology 208(15): 111 - 116 THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUAN TRẮC NÔNG NGHIỆP THỜI GIAN THỰC DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT Hoàng Văn Thực*, Phạm Thành Nam, Nguyễn Văn Cường Trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Ngày nay, với bùng nổ phát triển mạnh mẽ Internet thiết bị di động cá nhân như: Laptop, Smartphone, Tablet,…, nhu cầu kết nối thiết bị ngày đòi hỏi cao tốc độ Truyền thông IoTs (Internet of Things) công nghệ vượt trội đáp ứng nhu cầu nhờ khả hoạt động khơng phụ thuộc vào sở hạ tầng mạng cố định, với chi phí hoạt động thấp, triển khai nhanh có tính di động cao Bài báo trình bày kết nghiên cứu hệ thống quan trắc nông nghiệp thời gian thực dựa tảng công nghệ IoTs Cụ thể sử dụng cảm biến độ ẩm LM393, cảm biến nhiệt độ DS18B20 cảm biến ánh sáng để giám giát thông số độ ẩm, ánh sáng nhiệt độ cho mơ hình vườn ươm chè Thái Ngun Từ giá trị cảm biến gửi lên Internet mà người theo dõi đưa định điều khiển thiết bị máy bơm nước để tưới cho chè Từ khóa: Cơng nghệ vạn vật kết nối Internet, Nông nghiệp thông minh, giải pháp IoT nông nghiệp thông minh, ứng dụng giám sát nông nghiệp thời gian thực, Thinkspeak Ngày nhận bài: 03/10/2019; Ngày hoàn thiện: 04/11/2019; Ngày đăng: 07/11/2019 DESIGN REAL TIME AGRICULTURAL MONITORING SYSTEM BASED ON IOT PLATFORM Hoang Van Thuc*, Pham Thanh Nam, Nguyan Van Cuong University of Information And Communication Technology - TNU ABSTRACT Today, with the boom and growth of the Internet as well as of personal mobile devices such as laptops, smartphones, tablets, , the need to connect between these devices (or IoT communication ) are also increasingly demanding on speed IoT communication is one of the cutting-edge technologies that meet the demand for connectivity, thanks to its ability to operate independent of fixed network infrastructure, with low operating costs, fast deployment, and portability high cave However, at present, IoT communication has not been widely applied and is being promoted for research to further improve communication protocols on the application layer to achieve better performance This paper presents the results of research on real-time agricultural monitoring system based on IoTs technology Specifically, using the LM393 humidity sensor, DS18B20 temperature sensor and light sensor to monitor parameters of humidity, light and temperature for tea nursery model in Thai Nguyen From the sensor values posted on the Internet that the monitor will make decisions to control equipment such as water pumps to irrigate tea plants Key words: Internet of Things, Smart Agriculture, IoT solutions in Smart Agriculture, Real-time Agricultural Monitoring Application, Thinkspeak Received: 03/10/2019; Revised: 04/11/2019; Published: 07/11/2019 * Corresponding author Email: hvthuc@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 111 Hoàng Văn Thực Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Giới thiệu Bài báo giới thiệu hệ thống có tính ứng dụng cao nơng nghiệp giám sát điều khiển thông số môi trường để giúp trồng phát triển tốt Ngoài hệ thống ứng dụng dự báo thời tiết vùng đất nước Hệ thống bắt nguồn ý tưởng từ IoTs IoTs khái niệm cách mạng hố thiết bị từ bình thường sang "thơng minh" thơng qua việc ứng dụng tích hợp thêm cảm biến, truyền động, công nghệ truyền liệu thiết bị Trong đó, việc thu thập liệu từ thiết bị, truyền liệu qua mạng thực tác vụ dựa việc trích xuất liệu thu thập ba chức ứng dụng IoTs [1] Do đó, hội tụ cơng nghệ cho thu thập liệu, phân tích vận dụng, điều khiển tự động hoá, hệ thống nhúng, truyền thông, ổn định độ tin cậy, bảo mật tạo thành công nghệ IoTs IoTs tin tưởng kỳ vọng mang lại lợi ích lớn ứng dụng chuỗi cung ứng, vận tải, nông nghiệp ngành sản xuất, đặc biệt nước phát triển Việt Nam [2] Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống nghiên cứu mơ tả Hình nhằm mục đích thu thập xử lý liệu sử dụng công nghệ truyền thông IoTs Hệ thống sử dụng cho mô hình vườn ươm chè Thái Nguyên với nút cảm biến: cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm cảm biến ánh sáng với giao thức HTTP, thu thập xử lý liệu sử dụng công nghệ truyền thơng IoTs Ngồi hệ thống có máy chủ liệu sử dụng IoTs platform Thingspeak.com 208(15): 111 - 116 2.1 IoT (Internet Of Things) Giải pháp IoT tối ưu sở hạ tầng kết nối sẵn có, với tham vọng tạo giá trị kinh doanh đáp ứng chuỗi giá trị sáng tạo, liên kết với mạng di động, giải pháp đám mây IoT mở rộng vai trò Internet để cung cấp cách thức kết nối hai vật Các vật thể giao tiếp với cách sử dụng IP để kết nối [3] 2.2 Giao thức HTTP (HyperText Transfer Protocol - Giao thức truyền tải siêu văn bản) Hoạt động giao thức HTTP mơ tả Hình giao thức cấp độ ứng dụng cho hệ thống thông tin phân phối, cộng tác, đa phương tiện giao thức không trạng thái (stateless) nằm tầng ứng dụng, đảm nhiệm việc giao tiếp hệ thống phân tán với nhau, tảng web [4] HTTP cho phép giao tiếp nhiều loại server/client với nhau, chủ yếu thông qua TCP/IP, nhiên giao thức đáng tin cậy khác dùng Giao tiếp client server dựa vào cặp request response Client khởi tạo HTTP request nhận HTTP response từ server gửi HTTP request bao gồm hai thành phần quan trọng URL Verb (phương thức), gửi từ client Hình Hoạt động giao thức HTTP Hình Mơ hình hệ thống 112 Hình mơ tả cấu trúc ứng dụng Web vị trí giao thức HTTP Dữ liệu gửi HTTP miễn Server Client biết cách để kiểm sốt nội dung liệu Nó u cầu cho Client Server để xác định kiểu nội dung sử dụng kiểu MIME thích hợp Client gửi yêu cầu tới Server theo mẫu phương thức yêu cầu, URI, http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hoàng Văn Thực Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN phiên giao thức, theo thông báo MIME chứa chỉnh sửa yêu cầu, thơng tin Client, nội dung đối tượng qua kết nối TCP/IP[5] 208(15): 111 - 116 nút cảm biến thu thập liệu từ bên môi trường đưa lên Cloud hay máy chủ liệu qua nhiều đường kết nối khơng dây có dây qua Gateway khơng qua Gateway Sau liệu lưu trữ hệ thống mà người dùng hồn tồn theo dõi, giám sát điều khiển Dữ liệu hiển thị thiết bị di động khắp nơi có mạng Internet [6] Thiết kế hệ thống Hình Cấu trúc ứng dụng Web vị trí giao thức HTTP 2.3 Mơ hình hoạt động tuyền thơng IOT Với ý tưởng xây dựng hệ thống theo kiến trúc tham chiếu sơ đồ khối hệ thống mơ tả Hình gồm khối Trong đó, khối thu thập liệu nút cảm biến, sau đưa liệu lên máy chủ liệu, máy chủ có chế lưu trữ xử lý Mơ hình hoạt động truyền thơng IoT mơ tả Hình thơng qua cảm biến gửi liệu phương thức truyền thơng có dây khơng dây lên Gateway, q trình giao tiếp phía sau mơ hình hoạt động IoT dùng IP để kết nối vật thể với Hình Sơ đồ khối thiết kế hệ thống 3.1 Khối thu thập liệu Hình Mơ hình hoạt động truyền thơng IoT Khối vi xử lý Arduino Uno mơ tả Hình có chức thu thập xử lý liệu từ cảm biến, đồng thời đưa liệu lên máy chủ liệu Hình Phương thức kết nối thiết bị Internet Phương thức kết nối thiết bị Internet mơ tả Hình bao gồm: Hệ thống http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hình Hình ảnh vi xử lý Arduino UNO 113 Hoàng Văn Thực Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN 3.2 Khối cảm biến nhiệt độ Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ mơ tả Hình với cảm biến nhiệt độ DS18B20 có dải đo từ -55oC -125oC sai số 0.5oC DS18B20 cảm biến tiêu hao điện thấp sử dụng điện áp 3-5.5V 208(15): 111 - 116 3.4 Khối cảm biến ánh sáng Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến ánh sáng mô tả hình 10 với Cảm biến ánh sáng quang trở nhạy cảm với cường độ ánh sáng môi trường thường sử dụng để phát độ sáng môi trường xung quanh cường độ ánh sáng Khi cường độ ánh sáng mơi trường xung quanh bên ngồi vượt ngưỡng quy định, ngõ module D0 mức logic thấp Hình Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến nhiệt độ dùng DS18B20 Tín hiệu cảm biến dạng tín hiệu số, cảm biến khơng bị suy hao tín hiệu dây dẫn Mỗi cảm biến nhiệt DS18B20 có mã số nhất, nên sử dụng nhiều cảm biến để lấy liệu nhiều nơi dây 3.3 Khối cảm biến độ ẩm Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến độ ẩm đất mơ tả Hình sử dụng cảm biến LM393 có điện áp hoạt động: 3.3~5V DC, trạng thái đầu mức thấp (0V) đất bị thừa nước hay độ ẩm cao Khi đất thiếu nước đầu mức cao (5V) Cảm biến độ ẩm đất sử dụng để đưa lệnh điều khiển thiết bị tưới tiêu nơng nghiệp Hình Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến độ ẩm đất LM393 114 Hình 10 Sơ đồ khối nguyễn lý mạch cảm biến ánh sáng 3.5 Giải pháp công nghệ cho truyền thông IoT Cloud Cảnh báo SMS Dữ Liệu Gateway An toàn liệu người dùng Máy chủ liệu IoT devices IoT gateway domain Dữ liệu khắp nơi thiết bị di động IoT network IoT application Hình 11 Sơ đồ giải pháp công nghệ cho truyền thông IoT Hình 12 Hình ảnh thực tế sản phẩm http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hồng Văn Thực Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Từ phân tích thiết kế báo đưa giải pháp công nghệ cho truyền thông IoT mô tả hình 11 Hệ thống thiết kế dựa tảng cấu trúc truyền thông IoT Từ lớp IoT devices đến lớp IoT gateway đến lớp IoT network cuối lớp IoT application [7] Hình 12 mơ tả hình ảnh thực tế sản phẩm ứng dụng cho mơ hình vườn ươm chè Thái Ngun Truyền thơng Internet Qúa trình truyền thơng lên Internet mơ tả Hình 13 thực thu thập liệu từ Arduino, cần trang web để theo dõi từ xa cơng cụ hỗ trợ để lưu trữ liệu lâu dài hiển thị liệu cách trực quan cho người dùng Có số trang web cung cấp máy chủ miễn phí mà ta sử dụng : Xilely, 2lemetry, exosite, carritots, grovestream, thingspeak, opennenergymonitor Ở sử dụng tảng ThingSpeak cho nghiên cứu Hình 13 Truyền thơng lên Internet Thingspeak dễ dàng đăng ký sử dụng với người bắt đầu với hệ thống lệnh API đơn giản Nó lưu trữ liệu tốt với thời gian dài hiển thị liệu cảm biến đồ thị trực quan Thingspeak sử dụng giao thức HTTP, chúng tơi sử dụng trang web sử dụng HTTPS để phù hợp với công nghệ tiên tiến [5] Mơ hình thực nghiệm sử dụng truyền thơng IoT Mơ hình thực nghiệm dựa cấu trúc tảng truyền thông IoT ứng dụng http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 208(15): 111 - 116 nông nghiệp, cụ thể sử dụng cảm biển độ ẩm LM393, cảm biến nhiệt độ DS18B20 cảm biến ánh sáng để giám giát thông số độ ẩm, ánh sáng nhiệt độ cho mơ hình vườn ươm Từ giá trị thu cảm biến mà ta thấy qua Internet người theo dõi đưa định điều khiển thiết bị để thay đổi tham số [7] Ví dụ theo dõi tham số truyền cảm biến LM393 thấy độ ẩm thấp mức quy định (trong trường hợp cho chè có độ ẩm thích hợp tối thiểu 60% lớn 80%) dựa đặc tính mà độ ẩm báo nhỏ 60% hệ thống gửi lệnh điều khiển máy bơm nước để tăng độ ẩm cho đất, độ ẩm lớn 80% đưa lệnh tắt máy bơm nước Thời gian trễ kênh truyền 3s (tức lệnh điều khiển thời gian truyền liệu thực sau 3s) nên đáp ứng yêu cầu hệ thống Điều chấp nhận hệ thống khơng u cầu q khắt khe tính thời gian thực Hệ thống điều khiển cách tự động nhiên để chủ động khơng lãng phí chúng tơi chọn phương pháp điều khiển thủ cơng Ví dụ kiểm tra thơng số độ ẩm gửi từ cảm biến nhỏ 60% không đưa lệnh điều khiển máy bơm nước thấy trời mưa chủ động giảm chi phí hơn, lý chọn phương pháp điều khiển thủ cơng Mặc dù hệ thống hồn tồn làm việc cách tự động giá trị cảm biến độ ẩm gửi nhỏ 60% máy bơm tự động bật độ ẩm đạt 80% rơle tự động ngắt máy bơm mà không cần thao tác người sử dụng, số trường hợp việc tự động gây lãng phí khơng cần thiết nêu Cũng tương tự độ ẩm khu vườn ươm chè che bạt tự động kéo bạt hay thu bạt để thay đổi ánh sáng nhiệt độ vào nắng lớn Thái Nguyên, bạt gắn với hai động cơ, nhiệt độ từ cảm biến gửi đạt 115 Hồng Văn Thực Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN q 25oC (nhiệt độ thích hợp với chè từ 20oC-25oC) động tự động kéo bạt để che mát cho vườn ươm chè Tuy nhiên, bước đầu thí nghiệm diện tích nhỏ cảm biến có độ xác chưa cao Q trình theo dõi điều khiển thể qua Hình 14 208(15): 111 - 116 ngành nông nghiệp Việt Nam Hệ thống thiết kế Độ ổn định cao, độ xác tin cậy giao diện trực quan, dễ dàng mở rộng tùy biến ứng dụng khác thuận tiện Kết thực nghiệm khảo sát nhiều đối tượng tương đối phù hợp với kết mô Các sai số xảy từ nhiều nguyên nhân khác Nghiên cứu phát triển, mở rộng cơng nghệ truyền thơng IoT mẻ với chúng ta, Hệ thống ứng dụng đo đạc thời tiết vùng đất nước làm phận cảnh báo, bảo vệ nhà, cảnh báo thiên tai (với cảm biến phù hợp) Tuy nhiên, giao tiếp arduino với internet Chúng ta hồn tồn đo nhiều liệu khác điều khiển arduino linh hoạt để tạo nhiều sản phẩm hữu ích TÀI LIỆU THAM KHẢO Hình 14 Kết hiển thị Thinkspeak.com Nút “turn on” “turn off “ hình 14 để điều khiển thiết bị qua Internet thay đổi tham số cảm biến nhiệt độ, độ ẩm ánh sáng truyền Chúng sử dụng trường thingspeak để hiển thị, có trường hiển thị tham số cảm biến, trường lại trường điều khiển rơle cho biết trạng thái điều khiển bật hay tắt thiết bị, kết trình điều khiển thiết bị thực Kết luận Bài báo nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc nông nghiệp thời gian thực dựa tảng IoT, kỹ thuật truyền thông áp dụng giải nhiều hạn chế phương pháp giám sát cho vườn ươm nói riêng nơng nghiệp nói chung trước Mở nhiều ứng dụng 116 [1] D Boswarthik, O Elloumi, and O Hersent, IoT Communications, A Systems Approach UK: John Wiley & Sons Ltd, 2016 [2] Koustav Routh, Tannistha Pal, International Conference On Internet of Things, Smart Innovation and Usages (IoT-SIU), 2017 [3] Shulong Wang, Yibin Hou, Fang Gao, Xinrong Ji, A novel IoT access architecture for vehicle monitoring system, 2016 [4] D J Bonde, R S Sende, K S Gaikwad, Machina Research, Internet Of Things (IoT), 2011 [5] J Holler, V Tsiatsis, C Mulligan, S Karnouskos, S Avesand, and D Boyle, From Machine-to-Machine to the Internet of Things: Introduction to a New Age of Intelligence Amsterdam, The Netherlands: Elsevier, 2014 [6] Chen, J Wan,and F Li, Internet Of Things communications, Architectures, standards and applications, UK: John Wiley & Sons Ltd, 2012 [7] Boswarthick, O Elloumi, and O Hersent, IoT Communications, A Systems Approach, 1st ed Wiley Publishing, 2012 http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn Hoàng Văn Thực Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN http://jst.tnu.edu.vn; Email: jst@tnu.edu.vn 208(15): 111 - 116 117 ... thái điều khiển bật hay tắt thiết bị, kết trình điều khiển thiết bị thực Kết luận Bài báo nghiên cứu thiết kế hệ thống quan trắc nông nghiệp thời gian thực dựa tảng IoT, kỹ thuật truyền thông... Văn Thực Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ĐHTN Từ phân tích thiết kế báo đưa giải pháp công nghệ cho truyền thông IoT mơ tả hình 11 Hệ thống thiết kế dựa tảng cấu trúc truyền thông IoT Từ lớp IoT. .. khiển thời gian truyền liệu thực sau 3s) nên đáp ứng yêu cầu hệ thống Điều chấp nhận hệ thống khơng yêu cầu khắt khe tính thời gian thực Hệ thống điều khiển cách tự động nhiên để chủ động khơng lãng