Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong việc phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng

Áp dụng khoa học công nghệ, đặc biệt là kỹ thuật đo lường trong việc phát triển nông nghiệp xanh đã mang lại những hiệu quả hết sức to lớn. Với quy mô nhà trồng hay nông trại rộng, thì việc sử dụng thiết bị đo kết nối theo phương pháp đi dây truyền thống sẽ gặp nhiều khó khăn. Chính vì vậy nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây nhằm giám sát nhiệt độ độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng đã được trình bày trong bài báo này. Bài báo tập trung khái quát về một giải pháp xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu đo nhiệt độđộ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng dựa trên mạng cảm biến không dây coi mỗi điểm đo, đặt cảm biến là một nút mạng, sau đó thiết kế sơ bộ cảm biến đo thông minh tại mỗi nút mạng sử dụng IC đo nhiệt độ độ ẩm cơ bản. Các cảm biến đo thông minh này được tích hợp chip điều khiển và module truyền thông cho phép truyền số liệu không dây đến trạm thu thập số liệu, từ đây số liệu đo được gửi về trung tâm giám sát.

Ứng dụng mạng cảm biến không dây việc phát triển nơng nghiệp xanh cho trồng Tóm tắt Áp dụng khoa học công nghệ, đặc biệt kỹ thuật đo lường việc phát triển nông nghiệp xanh mang lại hiệu to lớn Với quy mơ nhà trồng hay nơng trại rộng, việc sử dụng thiết bị đo kết nối theo phương pháp dây truyền thống gặp nhiều khó khăn Chính nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến khơng dây nhằm giám sát nhiệt độ - độ ẩm môi trường sinh trưởng trồng trình bày báo Bài báo tập trung khái quát giải pháp xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu đo nhiệt độ-độ ẩm môi trường sinh trưởng trồng dựa mạng cảm biến không dây - coi điểm đo, đặt cảm biến nút mạng, sau thiết kế sơ cảm biến đo thông minh nút mạng sử dụng IC đo nhiệt độ & độ ẩm Các cảm biến đo thơng minh tích hợp chip điều khiển module truyền thông cho phép truyền số liệu không dây đến trạm thu thập số liệu, từ số liệu đo gửi trung tâm giám sát Đo lường thông số phát triển nông nghiệp xanh cho trồng Theo FAO (Food and Agriculture Organization) UNEP (United Nations Environment Programme), nông nghiệp xanh liên quan đến việc quản lý thành công nguồn tài nguyên nông nghiệp áp dụng ngày tăng công nghệ đại vào trang trại - nông trường nhằm đáp ứng nhu cầu người trì nâng cao chất lượng môi trường bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, cụ thể phải đạt đồng thời tiêu chí sau: Duy trì làm tăng suất - lợi nhuận nông nghiệp đảm bảo việc cung cấp thực phẩm dịch vụ hệ sinh thái sở bền vững; giảm thiểu tác động tiêu cực bên ngồi, xói mịn đất, nhiễm hố chất vơ nơng nghiệp, khí thải nhà kính nơng nghiệp; tái tạo lại nguồn tài nguyên sinh thái, chẳng hạn màu mỡ đất, nước, khơng khí đa dạng sinh học bao gồm động vật đa dạng thực vật di truyền Ngồi ra, tác dụng lâu dài nơng nghiệp xanh mang lại cho vụ thu hoạch trồng nhiều vật nuôi tăng trưởng tốt chịu tác động khí hậu tiêu cực [1,2] Hình 1 Mơ hình phát triển nơng nghiệp xanh Ngày thị trường hàng hóa, sản phẩm nơng nghiệp xanh nhận diện với số chứng thương hiệu GAP (Good Agricultural Practices) Ở Việt Nam, sản phẩm nông nghiệp xanh nhận diện thương hiệu VietGAP (hoạt động sản xuất nông nghiệp tốt Việt Nam) - ngun tắc, trình tự, thủ tục hướng dẫn tổ chức, cá nhân sản xuất nông nghiệp, thu hoạch, xử lý sau thu hoạch sản phẩm nơng nghiệp nhằm đảm bảo an tồn, nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo phúc lợi xã hội, sức khỏe người sản xuất người tiêu dùng; đồng thời bảo vệ môi trường biết rõ nguồn gốc sản xuất sản phẩm Nông nghiệp xanh lĩnh vực trồng trọt thường đòi hỏi khắt khe việc trì nhiệt độ độ ẩm cho mơi trường sinh trưởng trồng theo loại thời gian sinh trưởng chúng Điều đòi hỏi cần phải giám sát thu thập số liệu nhiệt độ độ ẩm nhiều vị trí khác môi trường sinh trưởng trồng Nhờ giám sát thu thập số liệu nhiệt độ - độ ẩm, nhà nơng theo dõi độ ẩm loại hạt để định thời điểm thu hoạch thích hợp (độ ẩm hạt phải đạt yêu cầu) Biết độ ẩm đất, độ ẩm - nhiệt độ khơng khí cho phép nhà nơng điều chỉnh hoạt động canh tác cách thích hợp để đạt tối ưu suất trồng Như vậy, thấy việc đo lường nhiệt độ - độ ẩm điều quan trọng phát triển nông nghiệp xanh cho trồng Tuy nhiên số vấn đề phát sinh liên quan đến việc áp dụng cảm biến độ ẩm nhiệt độ vào phát triển nơng nghiệp xanh khơng gian lớn, khoảng cách truyền liệu xa, số lượng cảm biến nhiều Ngồi cịn số khó khăn khác vấn đề tiêu thụ điện cảm biến, ăn mòn cảm biến thách thức đặt thiết kế mạng cảm biến giám sát thu thập số liệu nhiệt độ - độ ẩm ứng dụng ngành nông nghiệp xanh Bài báo trình bày giải phát thiết kế mạng cảm biến không dây để giám sát nhiệt độ - độ ẩm môi trường sinh trưởng trồng mơ hình phát triển nơng nghiệp xanh Nội dung báo tập trung vào đề xuất giải pháp xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu nhiệt độđộ ẩm môi trường sinh trưởng trồng dựa mạng cảm biến không dây Sau đưa đề xuất thiết kế nút mạng cảm biến không dây sử dụng cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm Hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm theo mơ hình phát triển nông nghiệp xanh cho trồng Cấu trúc hệ thống sát nhiệt độ độ ẩm môi trường sinh trưởng trồng nông trường theo mô hình phát triển nơng nghiệp xanh trình bày hình Các thành phần hệ thống chia thành cấp độ: cấp trung tâm giám sát vận hành; cấp trạm thu thập liệu sở; cấp bao gồm cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm không khí, đất trồng nơng trường Tùy theo quy mơ diện tích đất canh tác nơng trường yêu cầu cấp độ giám sát ta triển khai xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu phù hợp Trung tâm giám sát gồm đường mạng tốc độ cao kết nối đến trạm thu thập liệu sở; máy chủ với hệ sở liệu lưu trữ thông tin hệ thống; máy tính giám sát vận hành với hình theo dõi quan sát tình trạng mơi trường sinh trưởng trồng, đồng thời đưa cảnh báo để nhà nông điều chỉnh phương pháp canh tác phù hợp Tùy vào nhu cầu người dùng, trung tâm giám sát cho phép người quản lý từ xa truy cập vào sở liệu hệ thống qua mạng Wi-Fi (phạm vi hoạt động tối đa 100m), GSM/GPRS (phạm vi không giới hạn) trang bị phần cứng tương ứng Trạm thu thập liệu sở, hiểu trạm chủ với cảm biến đo (các điểm đo) tạo thành mạng cảm biến với cấu hình (star) Cấu trúc mạng cảm biến khơng dây hình phù hợp với diện tích giám sát khơng q rộng, số lượng điểm đo khơng q lớn Khi diện tích rộng, điểm đo lớn ta sử cấu trúc mạng cảm biến khơng dây hình (tree) hình lưới (mesh) Trạm thu thập liệu cấu tạo từ module sau: module điều khiển xử lý thu thập liệu; module truyền thông tốc độ cao để truyền liệu trung tâm; module truyền thông không dây theo chuẩn mạng GSM/GPRS Wi-Fi để nhận liệu nhiệt độ - độ ẩm từ cảm biến truyền Tùy vào thiết kế chọn, trạm thu thập liệu dựa mạng Wi-Fi, GSM/GPRS cho phép cấu hình để người quản lý truy cập xem liệu gốc từ cảm biến đo gửi Cấp độ cảm biến đo trường, báo tập trung vào cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm đất trồng, khơng khí mơi trường sinh trưởng trồng Dựa vào nhu cầu sử dụng, thiết bị đo nhiệt độ - độ ẩm đầu đo sở, tích hợp kèm theo module khuếch đại - xử lý - chuyển đổi tín hiệu đo, hình hiển thị, nhớ, module điều khiển, module nguồn mudle truyền thông theo chuẩn mạng GSM/GPRS Wi-Fi Dựa công nghệ truyền thông không dây tương ứng cảm biến đo trạm sở liệu đo trao đổi với Hình Cấu trúc hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trồng Thiết kế nút mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ độ ẩm môi trường sinh trưởng trồng Như phân tích trên, cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm đóng vai trị vơ quan trọng việc phát triển mơ hình nơng nghiệp xanh cho trồng Và giới hạn báo cáo này, tập trung vào thiết kế nút mạng cảm biến khơng dây - sở cho phát triển hệ thống sau 3.1 Cấu trúc nút mạng cảm biến không dây Trong mạng cảm biến khơng dây, nút mạng cảm biến thông minh Cảm biến thông minh tích hợp dựa cảm biến bản, mơ tả hình Cảm biến thơng minh gồm thành phần sau: cảm biến (ở đầu đo nhiệt độ, độ ẩm), module khuếch đại - xử lý - chuyển đổi tín hiệu đo (ví dụ chuyển đổi A/D), hình hiển thị, nhớ, module điều khiển, module nguồn mudle truyền thông theo chuẩn mạng GSM/GPRS Wi-Fi Tùy theo yêu cầu người dùng mà số lượng thành phần cấu thành lên thiết bị đo thơng minh giảm đi, từ giảm giá thành thiết bị Các nút mạng cảm biến không dây phụ thuộc mạnh mẽ vào nguồn điện cung cấp cho Vì cần thực bổ sung nguồn lượng và/hoặc thực tối ưu hóa việc tiêu thụ nguồn điện cho cảm biến thông minh thiết kế Nhờ giải pháp kết hợp đặc tính đầu đo với vi xử lý để làm giảm thời gian tiền xử lý giá trị đo nên làm giảm mức tiêu thụ điện tổng thể Cấu trúc hệ đo gồm nút cảm biến có nhiệm vụ thu thập số liệu đo, truyền thông liệu nút cảm biến trung tâm điều hành thực theo chuẩn mạng không dây Wifi dựa module ESP8266 Hình Sơ đồ cảm biến IC LM 35 đo nhiệt độ Một số cảm biến đo độ ẩm kể đến Honeywell HCH 1000, Humirel S110x [3] Hình 3 Hình ảnh IC đo độ ẩm Hình Sơ đồ khối hệ đo Ngày số cảm biến đo nhiệt độ sử dụng để chế tạo thiết bị đo nhiệt độ thông minh IC đo nhiệt độ: LM 134, LM235, LM335 cho đầu 10mV/oK; LM 35 cho đầu 10mV/oC, LM 34 cho đầu 10mV/oF (hình 4) [4] Ngồi thị trường có số loại IC tích hợp đo đồng thời nhiệt độ độ ẩm, Texas Instruments HDC1000, Silicon Labs Si701x/2x 3.2 Thiết kế nút mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ độ ẩm Sơ đồ nút cảm biến mơ tả hình 3.4, mạch ngun lý mơ tả hình 3.5 hình 3.6 Trên hình 3.5 mơ tả khối đo nhiệt độ sử dụng cảm biến đo nhiệt độ LM35 cảm biến đo độ ẩm HS1101 Hình Sơ đồ khối nút cảm biến Hình Khối đo nhiệt độ độ ẩm Hình Mạch nguyên lý nút cảm biến Trên hình 3.6 cho thấy, nút cảm biến sử dụng PIC16F877A làm xử lý trung tâm Hiển thị sử dụng LCD Khối truyền trông không dây Wi-fi sử dụng card ESP8266 Ngồi khối có thêm mạch nguồn, mạch phím bấm dùng để thiết lập giá trị theo yêu cầu Thiết kế nút mạng cảm biến không dây nghiên cứu thiết kế trạm đo thông minh sử dụng cảm biến đo nhiệt độ đo độ ẩm bản: IC LM 35 IC HS1101 Trạm đo thơng minh (cịn gọi cảm biến thơng minh) tích hợp module ESP8266 để truyền liệu đo qua mạng không dây Wi-Fi trạm thu thập liệu sở, xử lý điều khiển hiển thị, truyền thông tin, quản lý nguồn nhờ vi điều khiển PIC16F887 Nguyên lý xác định độ ẩm sử dụng cảm biến HS1101: độ ẩm mơi trường thay đổi điện dung tụ điện tương đương HS1101 thay đổi theo, làm thay đổi thời gian phóng nạp tụ HS1101 qua R1 R2, xung đầu Fout NE555 thay đổi khoảng từ Fmin-Fmax [Hz] tương ứng với độ ẩm thay đổi từ 0%-100% Xung đầu Fout NE555 đưa đến chân ngắt vi điều khiển PIC chương trình ngắt lập trình vi điều khiển thực tăng biến đếm lên đơn vị có sườn xuống xung tín hiệu đưa vào chân ngắt (đếm số xung N chu kỳ ngắt) Với chu kỳ ngắt PIC thiết lập Tng [s] (thường lấy Tng=20ms) xác định tần số xung chân NE555 Từ tần số xung Fout tính giá trị điện dung HS1101 tương ứng với độ ẩm môi trường [4] Nguyên lý xác định nhiệt độ dựa cảm biến LM35 sau: IC đo nhiệt độ chuyên dụng cung cấp điện áp đầu ra: Vot=10T, [mV], với T [oC] nhiệt độ môi trường cần đo Do cần mắc thêm vào cảm biến đo LM35 mạch khuếch đại tín hiệu đo, sau đưa tín hiệu sau khuếch đại đến chân ADC vi điều khiển PIC Chương trình đọc ADC PIC tính tốn xử lý số liệu đo cho ta giá trị điện áp Vout tương ứng với nhiệt độ cần đo T, từ xác định nhiệt độ cần đo [5] Kết Cấp nguồn cho khối mạch, tiến hành cài đặt tập lệnh AT (bao gồm: cấu hình, tên Wi-Fi, pass Wi-Fi ) thông qua chân RX TX cho module ESP8266 trình thiết lập vi xử lý trung tâm gửi thông báo lên LCD Quá trình kết nối thiết lập cài đặt xong thơng số cho module Wi-Fi ESP8266 q trình xử lý số liệu của module Wi-Fi theo chu kỳ 2ms/lần để thực đo nhiệt độ độ ẩm Thực nghiệm cho thấy sử dụng hệ thống đo cho kết đo xác với sai số nhiệt độ 0.5% độ ẩm 1% Kết luận Nghiên cứu thiết kế mạng cảm biến không dây sở sử dụng cảm biến nhiệt độ độ ẩm nhằm xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu môi trường sinh trưởng trồng trình bày báo Mỗi nút mạng cảm biến không dây coi trạm đo nhiệt độ - độ ẩm thông minh, từ tiến hành thiết kế trạm đo Trạm đo thơng minh tích hợp chip điều khiển, có khả xử lý sơ thơng tin đo, hiển thị số liệu đo trường thực truyền thông không dây số liệu đo đến trạm thu thập liệu sở Điều tạo tiền đề quan trọng cho việc xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu môi trường sinh trưởng trồng, góp phần quan trọng việc ứng dụng công nghệ đại vào phát triển bền vững nông nghiệp, giai đoạn quan trọng tiến tới phát triển nông nghiệp xanh diện rộng cho đông đảo nhà nông Tuy nhiên việc áp dụng vào nông nghiệp nước nhà cần phải trải qua giai đoạn, triển khai theo phần để phù hợp với mức đầu tư việc nắm bắt công nghệ nhà nông Tài liệu tham khảo FAO (2012), Trade, Exports, Commodities by Country, Ecuador, Foodand Agricultural Organization of the United Nations Trịnh Lương Miên, “Ứng dụng mạng cảm biến không dây việc phát triển nông nghiệp xanh cho trồng”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 178, 2016 Sparkfun, WiFi Module ESP8266, 2016 Humirel, RelativeHumidity sensor, 2014 Texas Instruments, LM35 Precision Centigrade Temperatre Sensors, 2016  ... vào thiết kế nút mạng cảm biến khơng dây - sở cho phát triển hệ thống sau 3.1 Cấu trúc nút mạng cảm biến không dây Trong mạng cảm biến khơng dây, nút mạng cảm biến thông minh Cảm biến thông minh... trưởng trồng dựa mạng cảm biến không dây Sau đưa đề xuất thiết kế nút mạng cảm biến không dây sử dụng cảm biến đo nhiệt độ độ ẩm Hệ thống giám sát nhiệt độ độ ẩm theo mơ hình phát triển nông nghiệp. .. điện cảm biến, ăn mòn cảm biến thách thức đặt thiết kế mạng cảm biến giám sát thu thập số liệu nhiệt độ - độ ẩm ứng dụng ngành nông nghiệp xanh Bài báo trình bày giải phát thiết kế mạng cảm biến