Trong lĩnh vực nông nghiệp, các cảm biến được sử dụng để thu thập các thông số quan trọng đối với cây trồng như nhiệt độ và độ ẩm trong không khí, độ ẩm trong đất và cường độ ánh sáng mặt trời bên trong nhà màng.
Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ Số Thiết kế hệ thống thu thập liệu môi trường nhà màng sử dụng cảm biến máy tính Raspbery Pi Lê Trường Giang1*, Nguyễn Duy Trinh2 Viện Khoa học Công nghệ Công nghiệp 4.0, Đại học Nguyễn Tất Thành Phòng Khoa học Cơng nghệ, Đại học Nguyễn Tất Thành *letruonggiang2211@gmail.com ltgiang@ntt.edu.vn Tóm tắt Trong lĩnh vực nông nghiệp, cảm biến sử dụng để thu thập thông số quan trọng trồng nhiệt độ độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất cường độ ánh sáng mặt trời bên nhà màng Một hệ thống sử dụng nhiều cảm biến cho phép truyền liệu không dây thiết kế để theo dõi nhiều thông số môi trường nhà màng Các liệu đo từ cảm biến xử lí máy tính nhỏ Raspberry Pi B+, hoạt động trung tâm trung chuyển liệu thông qua chuẩn truyền không dây Trước gửi đến máy chủ xa, liệu thu thập từ cảm biến lưu trữ sở liệu (CSDL) cục xử lí máy tính Raspberry Pi B+ thơng qua chuẩn kết nối WiFi (thuộc tiêu chuẩn IEEE 802.11g, hoạt động tần số 2.4GHz), để giao tiếp với định tuyến cảm biến kết nối trực tiếp vào GPIO Raspberry Pi Một giao diện website thiết kế cho thí nghiệm, cho phép hiển thị liệu thu thập bên nhà màng Hệ thống thiết kế ứng dụng minh chứng kĩ thuật truyền liệu có dây khơng dây, với cảm biến cần thiết sử dụng để theo dõi liệu nông nghiệp điều khiển thiết bị bên nhà màng, nhằm hỗ trợ nông dân giảm bớt nguồn nước tưới tiêu, vật tư nông nghiệp, giảm bớt sức lao động mà đạt hiệu cao Nhận 09.01.2019 Được duyệt 15.05.2019 Cơng bố 26.06.2019 Từ khóa mạng cảm biến không dây, giám sát liệu nông nghiệp, cảm biến hóa học, cảm biến khí hậu, mơi trường giám sát ® 2019 Journal of Science and Technology - NTTU Giới thiệu Ngày nay, nông nghiệp ngành cung cấp lương thực quan trọng người nhiều người, nhiều quốc gia quan tâm Đã có nhiều cơng nghệ khơng dây có dây ứng dụng cho hệ thống giám sát môi trường nông nghiệp, ứng dụng kỹ thuật theo dõi chất lượng lương thực, thực phẩm phát triển siêu thị, ngành tự động hóa vận chuyển Các hệ thống sử dụng công nghệ Radio Frequency Identify (RFID) để thu thập thông tin chất lượng thực phẩm[1,2] đưa cảnh báo cho người dùng biết tránh ngộ độc thực phẩm[3,4] Đặc biệt, đời công nghệ truyền dẫn vô tuyến RFID, WiFi, Zigbee-Z Wave, LoraWan[5-7] mở rộng đa dạng ứng dụng thu thập theo dõi liệu theo thời gian thực từ xa điều khiển thiết bị tải xa[8] Việc chọn lựa công nghệ tùy thuộc vào yêu cầu mục đính sử dụng người dùng[9,10, 11, 12] Nhìn chung, cơng nghệ chủ yếu dựa vào hai yếu tố khoảng cách tốc độ truyền liệu Có nhiều yếu tố bên ảnh hưởng, liên quan đến môi trường nhà màng độ pH, độ dẫn điện, khí carbon dioxide, khí oxy, khơng khí, nhiệt độ độ ẩm Trong đó, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí cường độ ánh sáng mặt trời yếu tố quan trọng tác động lên trình sinh trưởng trồng[3] Trong năm gần đây, nút cảm biến ứng dụng công nghệ truyền liệu khơng dây thiết kế nhanh chóng phát triển với độ ổn định cao, giá thành thấp, ghi lại thông tin trồng cho phép số cảm biến tiêu tốn công suất thấp thêm vào cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất để đo nhiệt độ bên môi trường trồng phát triển[5] Hơn nữa, cảm biến không dây thuận tiện việc sử dụng kết nối có dây nhiều kết nối có dây có khoảng cách bị giới hạn tính chất dẫn điện loại cáp truyền thông tin Tùy thuộc vào thuộc tính u cầu ứng dụng có tiêu chuẩn khác cho phạm vi truyền thông không dây tốc độ truyền liệu Trong nghiên cứu này, thiết kế truyền liệu theo tiêu Đại học Nguyễn Tất Thành Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số chuẩn IEEE 802.11g với tốc độ liệu cao khoảng cách truyền đáp ứng yêu cầu khoảng vài chục mét chúng sử dụng rộng rãi tần số 2,4GHz[6] khi[7] giao tiếp khoảng cách lớn hoạt động dải tần số siêu cao (UHF), chẳng hạn tần số hệ thống tin nhắn tồn cầu cho truyền thơng di động (GSM) 900MHz đến 915MHz Ngược lại, khoảng cách công nghệ RFID không đủ cho ứng dụng nhà màng GSM giải tất vấn đề với khu vực lớn khoảng vài kilomet, xa yêu cầu cho nhà màng Với tính phần trên, WiFi kỹ thuật truyền dẫn lựa chọn phù hợp để theo dõi yếu tố môi trường điều khiển thiết bị bên nhà màng Thiết kế hệ thống Cấu trúc hệ thống thiết kế chia thành ba phần Khối giao tiếp cảm biến (Sensor interface) có chức kết nối cảm biến với khối Vi điều khiển (Microcontroller Unit) Khối vi điều khiển (MCU) khối xử lí hệ thống, mã nguồn lập trình trước bên tích hợp sở liệu tảng CSDL MySql cài đặt trước cho phép điều khiển qua giao diện website điều khiển tảng trung tâm Apache 2.0 giao tiếp website truy xuất liệu cho phép ghi/xóa liệu Nó định hiệu suất thiết bị, khả mở rộng, giao tiếp với cảm biến, kiểm soát tất truyền động đặt giới hạn độ phức tạp chương trình Giao diện trang website (web interface) cho phép người dùng sử dụng hệ thống xem tất kết đo đạt từ cảm biến Các cảm biến (sensor 1, sensor 2… sensor n) cảm biến vi khí hậu chọn lựa để kết nối vào hệ thống thông qua chuẩn kết nối thông dụng I2C, Analogue to digital (ADC), 1-Wire Các thành phần hệ thống trình bày Hình I2C, 1-Wire, smBus, ADC Actuators interface Sensor Sensor interface Sensor Sensor n Microcontroller Unit Web interface Database micro SD card Wire connection Wireless connection Hình Sơ đồ khối hệ thống thu thập liệu 2.1 Các loại cảm biến Có ba loại cảm biến sử dụng để thử nghiệm mơ hình Chúng đo bốn thông số giới thiệu trên, bao gồm cảm biến DS18B20, cảm biến AM2315 cảm biến BH1750 Một mạch in thiết kế để kết nối tất cảm biến với MCU Một yêu cầu thiết kế hệ thống khả mở rộng tương thích để giảm thiểu can thiệp sâu liên quan đến kĩ thuật chuyên môn người dùng cho phần cứng phần mềm giao diện (web) Để đạt điều này, cảm biến bảng mạch cảm biến phải xác định trước cho hệ thống theo cách Phương pháp cho phép nhiều tùy chọn Xem có bảng cảm biến, có chứa nhiều cảm biến bên bảng mạch in Bảng điều khiển (website) có cấu trúc cụ thể Đại học Nguyễn Tất Thành kết nối với bo mạch chủ dựa giao diện thiết kế tiêu chuẩn phổ biến cho kết nối có dây tiêu chuẩn I2C tương tự với chuyển đổi kĩ thuật số (ADC), 1-dây (One-wire) Do có vi điều khiển nên dễ dàng hơn, phải viết chương trình để giao tiếp với cảm biến xử lí tác vụ theo yêu cầu Vấn đề khó khăn sử dụng nhiều MCU kết nối với nhau, đòi hỏi kĩ thuật giao tiếp vi điều khiển Do đó, nghiên cứu này, chọn Raspberry Pi B+ (RPi3) với 2GB RAM, 16GB nhớ hệ điều hành chương trình để thiết kế hệ thống thu thập liệu môi trường nhà màng Bên thông số cảm biến triển khai nghiên cứu trình bày Bảng Tạp chí Khoa học & Công nghệ Số Bảng Các thông số kỹ thuật cảm biến AM2315 cảm biến DS18B20 Mô tả Phạm vi đo AM2315 C -1000C, 10%90% DS18B20 -550C to 1250C Độ xác ±2% , ±10C ±0.5 0C over range (-100C to 850C) Nhiệt độ hoạt động 00C - 800C, 0%-90% -550C -1250C Điện áp cung cấp 3.3-5.0VDC 3.0-5.5VDC Thời gian đáp ứng ≤100ms ≤750ms Chuẩn kết nối I2C 1-Wire Interface Kích thước 16mm x 98mm pins Việc kết nối cảm biến với MCU thực với chuẩn truyền thơng kết nối có dây Trong hệ thống, cảm biến sử dụng chuẩn truyền thông I2C (AM2315, BH1750) 1-Wire (DS18B20) Các liệu đo đạt từ cảm biến vi điều khiển đọc vào nhớ tạm lưu trữ CSDL MySQL Từng loại cảm biến hoạt động hệ thống riêng biệt giao tiếp với MCU cảm biến thay người sử dụng cách dễ dàng thông qua đầu nối xoắn ốc Trong Bảng mô tả đặc điểm chuẩn kết nối khơng dây ứng dụng rộng rãi Bảng The comparison of wireless communication technology Tên gọi Dãy tần số Phạm vi truyền thơng Tốc độ liệu Kỹ thuật mã hóa Ứng dụng Zigbee 2.4GHz