Ở những nước phát triển, mặc dù tỷ trọng ngành nông nghiệp trong GDP không lớn, nhưng nhờ áp dụng công nghệ mới (hệ điều hành mã nguồn mở, Internet kết nối vạn vật - IoT, trí tuệ nhân tạo...), nên sản lượng nông sản không ngừng tăng lên, đáp ứng hiệu quả nhu cầu trong nước và xuất khẩu. Do đó, trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang diễn ra mạnh mẽ, việc ứng dụng các thành tựu khoa học và công nghệ để nâng cao năng suất, chất lượng và độ tin cậy của sản phẩm trở thành xu hướng tất yếu đối với hoạt động sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam. Trong bài báo này, các tác giả giới thiệu mô hình sử dụng hệ điều hành mã nguồn mở FreeRTOS và vi điều khiển ESP32 để tối ưu hóa các hệ thống trồng rau thủy canh dựa trên công nghệ IoT và trí tuệ nhân tạo.
Khoa học - Công nghệ đổi sáng tạo Ứng dụng hệ điều hành FreeRTOS vi điều khiển ESP32 hệ thống trồng rau thủy canh Tống Việt Hùng, Hà Quốc Trung, Ngô Minh Phước, Ngô Văn Thành, Nguyễn Thị Hồng Trung tâm Công nghệ thông tin, Bộ KH&CN Ở nước phát triển, tỷ trọng ngành nông nghiệp GDP không lớn, nhờ áp dụng công nghệ (hệ điều hành mã nguồn mở, Internet kết nối vạn vật - IoT, trí tuệ nhân tạo ), nên sản lượng nông sản không ngừng tăng lên, đáp ứng hiệu nhu cầu nước xuất Do đó, bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0 diễn mạnh mẽ, việc ứng dụng thành tựu khoa học công nghệ để nâng cao suất, chất lượng độ tin cậy sản phẩm trở thành xu hướng tất yếu hoạt động sản xuất nông nghiệp Việt Nam Trong báo này, tác giả giới thiệu mô hình sử dụng hệ điều hành mã nguồn mở FreeRTOS vi điều khiển ESP32 để tối ưu hóa hệ thống trồng rau thủy canh dựa công nghệ IoT trí tuệ nhân tạo Đặt vấn đề Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 tập trung chủ yếu vào sản xuất thông minh dựa thành tựu đột phá công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, cơng nghệ nano Nó diễn mạnh mẽ phạm vi tồn cầu, thơng qua cơng nghệ IoT, cảm biến, trí tuệ nhân tạo, thực tế ảo (VR), mạng xã hội, điện toán đám mây, di động, phân tích liệu lớn Theo chuyên gia, q trình chuyển hóa tồn giới thực thành giới số Là ngành kinh tế quan trọng Việt Nam, nơng nghiệp đóng góp gần 15% GDP năm 2018 10 năm qua GDP nông nghiệp Việt Nam đạt mức trung bình gần 249 nghìn tỷ đồng, Nhật Bản cao gấp lần Việt Nam, nhờ họ áp dụng triệt để thành tựu khoa học công nghệ vào sản xuất Bên cạnh đó, ngành nơng nghiệp Việt Nam bị cạnh tranh nhân công, 40 tài ngun đất, nước q trình thị hóa, phát triển công nghiệp dịch vụ Việc sử dụng mức vật tư đầu vào tài nguyên thiên nhiên trở thành vấn đề “nóng” vấn đề mơi trường làm cản trở tăng suất lao động, vị cạnh tranh Việt Nam Để hàng hóa nơng sản Việt Nam có độ tin cậy, chất lượng an tồn việc áp dụng thành tựu cách mạng công nghiệp 4.0 vô cần thiết cảm biến hệ mới, công nghệ IoT, trí tuệ nhân tạo… vào q trình thu thập liệu, phân tích điều khiển để thiết kế giải pháp công nghệ thông tin - truyền thông cho hệ thống thuỷ canh Giải pháp không giúp người sử dụng trồng rau tự động cách dễ dàng, mà hữu ích việc tiết kiệm nước, tiết kiệm điện… trình sản xuất Với cách mạng cơng nghiệp 4.0, Việt Nam có nhiều điều kiện thuận lợi để tiếp thu ứng dụng thành tựu công nghệ nhân loại vào phát triển hoạt động sản xuất nông nghiệp, trước hết công nghệ thông tin, công nghệ số, cơng nghệ điều khiển tự động hóa…, giúp nâng cao suất, chất lượng nông sản, mang lại lợi ích cho người nơng dân Theo xu này, đề xuất giải pháp sử dụng hệ điều hành mã nguồn mở FreeRTOS, vi điều khiển ESP32, Trong số hệ điều hành mã nguồn mở FreeRTOS hệ điều hành nhúng thời gian thực (Real Time Operating System) phát triển Real Time Engineers Ltd, phù hợp với nhiều hệ nhúng nhỏ gọn triển khai chức quản lý nhớ, thiết lập tác vụ chứa hàm API (Application Programming Interface) quan trọng cho chế đồng bộ. Cụ thể, FreeRTOS có nhiều ưu điểm: kích thước nhỏ gọn, sử dụng mã nguồn Số năm 2019 Khái qt FreeRTOS ESP32 khoa học - công nghệ đổi sáng tạo mở nên miễn phí quyền; hỗ trợ 30 kiến trúc hệ thống nhúng (ARM7 ARM Cortex-M3); viết ngơn ngữ C nên sử dụng, phát triển với nhiều trình biên dịch C khác nhau, cho phép không giới hạn tác vụ chạy đồng thời, không hạn chế quyền ưu tiên thực thi, khả khai thác phần cứng; cho phép triển khai chế điều phối tiến trình như: queues, counting semaphore, mutexes Đặc biệt, FreeRTOS hệ điều hành chạy ESP32, cho phép cập nhật firmware qua OTA mã hóa, giúp nhà phát triển sản phẩm nâng cấp phần mềm thiết bị sử dụng ESP32-WROOM-32 module đa dụng, sử dụng rộng rãi thiết kế mạch PCB Wifi-Bluetooth, BLE ứng dụng phổ biến cho nhiều ứng dụng IoT Phạm vi ứng dụng từ mạng sensor tiết kiệm lượng đến ứng dụng với nhiều tác vụ phức tạp, mã hóa âm thanh, âm nhạc trực tuyến đến giải mã MP3 Lõi module dòng chip nhúng ESP32-D0WDQ6, thiết kế với khả mở rộng tùy biến cao Có đến lõi CPU độc lập nên chip điều chỉnh tần số clock CPU từ 80 đến 240 MHz Người lập trình tắt CPU để sử dụng đồng xử lý công suất thấp, giúp theo dõi biến đổi vượt ngưỡng ngoại vi nhờ tích hợp ngoại vi phong phú từ cảm biến điện dung, cảm biến Hall, SD card, Ethernet, SPI tốc độ cao, đến UART, I2S hay I2C Việc tích hợp Bluetooth, BLE Wifi đảm bảo cho ESP32WROOM-32 có khả đáp ứng nhiều loại ứng dụng khác nhau, dù module sử dụng ngoại vi, thiết bị (wifi cho phép kết nối rộng rãi mặt vật lý Internet qua Wifi router, Bluetooth cho phép thuận tiện kết nối với smartphone ) Ở chế độ ngủ, chíp ESP32 tiêu thụ dòng µA, phù hợp với thiết kế mạch dùng pin hay thiết bị di động Tốc độ truyền thông tin lên đến 150 Mbps, công suất tín hiệu khoảng 20 dBm anten cho phép phạm vi tín hiệu xa… cho thấy module phù hợp với việc thiết kế hệ thống điện tử, tự động hóa, đòi hỏi phạm vi hoạt động rộng, tiết kiệm lượng, khả kết nối đa dạng Hệ thống thuỷ canh sử dụng FreeRTOS ESP32 Trên thị trường có số sản phẩm trồng rau thủy canh kết hợp IoT Hachi, Greenbot, Lisado Tương tự sản phẩm lại, hệ thống Hachi giám sát yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng nhiệt độ, độ ẩm, cường độ sáng, độ pH, đưa thông báo cho người dùng, dự đoán ngày thu hoạch Bên cạnh đó, người dùng điều khiển trực tiếp thiết bị giàn để chăm sóc hệ thống bán tự động Thêm vào đó, sản phẩm Hachi chưa có khả phân tích liệu để đưa chiến lược điều khiển nhằm tiết kiệm tài nguyên hệ thống Có thể khẳng định rằng, chưa có hệ thống trồng bán thủy canh tự động hoàn toàn, có khả tự phân tích hỗ trợ người dùng khơng có kiến thức trồng trọt Sau khảo sát, nhận thấy yêu cầu chung hệ thống thủy canh dựa công nghệ IoT trí tuệ nhân tạo bao gồm: xác thực thiết bị để đảm bảo thông tin gửi server xác; hệ thống mạch điều khiển thiết bị có khả kết nối wifi, gửi nhận liệu server; hệ thống cảm biến đo thông số môi trường truyền liệu máy chủ xử lý theo thời gian thực; hệ thống phân tích liệu; hệ thống module quản lý; hệ thống lưu trữ thao tác điều khiển; hệ thống lập biểu đồ từ thông số đo theo thời gian thực… Để xây dựng hệ thống này, cần thực nhiệm vụ sau: xây dựng chương trình phía server nhận liệu gửi từ sensor; xây dựng chức phân tích liệu nhận điều khiển ngược lại phía thiết bị; xây dựng website ứng dụng android hiển thị thông tin thu thập có khả gửi lệnh điều khiển thiết bị cho server; xây dựng chức quản lý đối tượng cho ứng dụng web/android thông qua API hệ thống Qua phân tích, nhóm tác giả đề xuất giải pháp, mơ hình hoạt động hệ thống hình Hình Sơ đồ hệ thống Trong hệ giải pháp này, FreeRTOS ESP32 sử dụng để thu thập liệu thuỷ canh, truyền phận trung gian hoạt động theo giao thức truyền tải thông điệp MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), sau gửi server để xử lý Việc sử dụng hệ điều hành mã nguồn mở FreeRTOS với tính lập trình mạnh mẽ cho phép nhóm tác giả tùy biến, thích nghi hệ thống để đảm bảo yêu cầu toán ứng dụng, yêu cầu phi chức tính ổn định, tiết kiệm lượng… Số năm 2019 41 Khoa học - Cơng nghệ đổi sáng tạo Khả tiết kiệm điện hệ thống thủy canh thông minh dụng hệ điều hành tùy biến, chu kỳ gửi liệu, nút phải thực tác vụ gửi, sau chu kỳ tiêu tốn đến đơn vị lượng cho nút Trong đó, sử dụng hệ điều hành tùy biến, sau chu kỳ gửi liệu, nút cụm cần gửi lần, nên hệ thống tốn đơn vị lượng cho nút (hình 2, 3) mA Đối với hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoT, việc tiết kiệm điện tiêu chí quan trọng hàng đầu Hệ thống cần lượng để hoạt động, trì mức lượng cao liên tục dẫn tới hao phí khơng cần thiết, làm giảm tính thực tiễn giá trị hệ thống Nhờ sử dụng ESP32 nên hệ thống thủy canh thông minh thiết kế có hai chế độ light sleep deep sleep (chế độ tiết kiệm lượng) Trong chế độ light sleep, thiết bị ngoại vi kỹ thuật số, hầu hết RAM, CPU bị giảm xung nhịp điện áp cung cấp Khi thoát khỏi chế độ ngủ, thiết bị ngoại vi CPU tiếp tục hoạt động, trạng thái bên chúng bảo toàn Ở chế độ deep sleep, CPU hầu hết Hình Đồ thị tiêu thụ lượng ESP32 mơcủa hình phòng thí nghiệm Đồ thị tiêu thụ lượng ESP32 RAM, thiết bị ngoại viHình kỹ thuật số có tốc độ mức APB_CLK Sau Trước (mặc định 80 MHz) tắt 3000 nguồn Các phận chip 2500 cấp nguồn là: điều 2000 khiển RTC, thiết bị ngoại vi RTC 1500 (bao gồm xử lý ULP) nhớ 1000 RTC (chậm nhanh) 500 Khi thử nghiệm môi trường thực để đánh giá khả tiết kiệm lượng nút cảm biến cho thấy, kết không chênh lệch nhiều so với phòng thí nghiệm (hình 4) Kết luận Tích hợp hệ điều hành FreeRTOS tùy biến vào ESP32 để điều khiển hệ thống thủy canh thông minh mang lại hiệu tiết kiệm điện rõ rệt Điều giúp tối ưu hóa hệ thống thủy canh thông minh, nâng cao giá trị gia tăng cho người sử dụng Ngồi ra, nhiều vấn đề khác khai thác tối ưu hiệu nhờ sử dụng tùy biến FreeRTOS ? LỜI CẢM ƠN Các nghiên cứu báo hỗ trợ đề tài “Giải pháp Hệ điều hành mã nguồn mở tiếp kiệm lượng cho thiết bị IoT” Các tác giả xin trân trọng cảm ơn TÀI LIỆU THAM KHẢO Đối với nút Đối với cụm Ngoài ra, Wifi module Giới thiệu module ESP32 hướng So sánh mức độ tiêu hao lượng ESP32 có chế độ Modemdẫn cài trình biên dịch Arduino Ide, sleep cho phép tiết kiệm http://arduino.vn/tutorial/1570-gioi-thieuHình So sánh mức độ tiêu hao lượng trước sau áp dụng kịch SoESP32 sánhtrong mức3độ hao lượng Để tận dụng tất module-esp32-va-huong-dan-cai-trinhtiết kiệmcác Hình cụm 33.nút chutiêu kỳ gửi liệu lượng trước sau áp dụng kịch bien-dich-tren-arduino-ide chức tiết kiệm lượng Khi thử nghiệm môi trường thực để đánh giá khả tiết kiệm tiết kiệm cụm nút ESP32 ESP32, việc sử dụng lượng nút cảm biến cho thấy, kết không chênh lệch nhiều so vớiTô Thị Thu Hà, Ngô Thị Hạnh, Lê chu kỳ gửi liệu phiên FreeRTOS tùy biến (tính phòng thí nghiệm (hình 4) Thị Tình, Trịnh Khắc Quang, Nguyễn mở hệ điều hành cho phép Văn Tuất, Bùi Thị Thu Hợp, Cho Von tùy biến đơn giản hơn) phù hợp Dae, Pák Chôn Keun (2012), Kỹ thuật Khi thử nghiệm hệ thống phòng thí nghiệm, kết đánh giá khả tiết kiệm lượng sử dụng hệ điều hành tùy biến hoàn toàn vượt trội Khi cụm kết nối với nhiều nút Đồ thị tiêu thụ lượng ESP32 số tiết kiệm lượngHình sẽ4.tăng luậncấp lên đáng kể, cụ thể tăngKết theo số nhân Một ví dụ đơn giản, cụm nút cảm biến kết Hình Đồ thị tiêu5thụ lượng nối bao gồm nút, không sử ESP32 mơ hình thực nghiệm 42 Số năm 2019 trồng chăm sóc xà lách, cải củ, bí ngồi Hàn Quốc miền Bắc Việt Nam, Nhà xuất Nông nghiệp T.T Thủy (2018), Ứng dụng công nghệ thông tin vào nông nghiệp với giải pháp thông minh Hachi, http:// dantri.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/ ung-dung-cong-nghe-thong-tin-vaonong-nghiep-voi-giai-phap-thong-minhhachi-20161116060455163.htm ... Kết luận Tích hợp hệ điều hành FreeRTOS tùy biến vào ESP32 để điều khiển hệ thống thủy canh thông minh mang lại hiệu tiết kiệm điện rõ rệt Điều giúp tối ưu hóa hệ thống thủy canh thông minh, nâng... Trong đó, sử dụng hệ điều hành tùy biến, sau chu kỳ gửi liệu, nút cụm cần gửi lần, nên hệ thống tốn đơn vị lượng cho nút (hình 2, 3) mA Đối với hệ thống thủy canh ứng dụng công nghệ IoT, vi c tiết... sử dụng ESP32- WROOM-32 module đa dụng, sử dụng rộng rãi thiết kế mạch PCB Wifi-Bluetooth, BLE ứng dụng phổ biến cho nhiều ứng dụng IoT Phạm vi ứng dụng từ mạng sensor tiết kiệm lượng đến ứng dụng