Bài viết này trình bày kết quả nghiên cứu và thiết kế tủ thông minh trồng rau sạch cho căn hộ chung cư ứng dụng công nghệ IoT nhằm mục đích cung cấp nguồn thực phẩm an toàn cho sức khỏe gia đình và tạo ra không khí trong lành cho ngôi nhà.
TNU Journal of Science and Technology 226(07): 293 - 300 INTELLIGENT PLANTS FOR CLEAN VEGETABLES FOR APARTMENTS WITH INTERNET OF THINGS TECHNOLOGY Hoang Van Thuc*, Dao Thi Phuong, Doan Thi Thanh Thao TNU - University of Information and Communication Technology ARTICLE INFO Received: 08/4/2021 Revised: 31/5/2021 Published: 31/5/2021 KEYWORDS IoT solutions for clean vegetable growing systems Internet of things technology Clean vegetable growing equipment at home Smart vegetable pots FireBase web ABSTRACT Currently, along with the development of science and technology in general, electronic technology plays an important role in all fields such as industry, agriculture, life, information management However, in recent years, the scale as well as quality and output of our country's agriculture have always been lower than that of other countries, the main reason is that our country's production technology is too out of date, mainly based on hands and feet So hence, the inclusion of science and technology in agriculture is extremely necessary This papper presents research results and design of smart cabinets to grow clean vegetables for apartments using IoT technology to provide safe food sources for family health and create fresh air for House Besides, in each vegetable growing cabinet, there is a function of reading temperature, air humidity, light and soil moisture through sensors and the data is displayed directly on the LCD screen At the same time, the data is also displayed on the application interface, creating favorable conditions for users to monitor the system remotely via the Internet THIẾT KẾ TỦ THÔNG MINH TRỒNG RAU SẠCH CHO CĂN HỘ CHUNG CƯ ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ INTERNET OF THINGS Hồng Văn Thực*, Đào Thị Phượng, Đoàn Thị Thanh Thảo Trường Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông - ĐH Thái Ngun THƠNG TIN BÀI BÁO TĨM TẮT Ngày nhận bài: 08/4/2021 Hiện với phát triển ngành khoa học kỹ thuật nói chung cơng nghệ kỹ thuật điện tử đóng vai trị quan trọng lĩnh vực như: công nghiệp, nông nghiệp, đời sống, quản lý thông tin Tuy nhiên, nhiều năm gần quy mô chất lượng sản lượng nông nghiệp nước ta thấp so với nước khác mà ngun nhân việc cơng nghệ sản xuất nước ta lạc hậu, chủ yếu dựa vào tay chân Nên việc đưa khoa học kỹ thuật vào nông nghiệp vô cần thiết Bài báo trình bày kết nghiên cứu thiết kế tủ thông minh trồng rau cho hộ chung cư ứng dụng công nghệ IoT nhằm mục đích cung cấp nguồn thực phẩm an tồn cho sức khỏe gia đình tạo khơng khí lành cho ngơi nhà Bên cạnh đó, tủ trồng rau có chức đọc nhiệt độ, độ ẩm khơng khí, ánh sáng độ ẩm đất thơng qua cảm biến liệu hiển thị trực tiếp hình LCD Đồng thời liệu hiển thị giao diện ứng dụng tạo điều kiện thuận lợi cho người dùng giám sát hệ thống từ xa thơng qua Internet Ngày hồn thiện: 31/5/2021 Ngày đăng: 31/5/2021 TỪ KHÓA Giải pháp IoT cho hệ thống trồng rau Công nghệ vạn vật kết nối Internet Thiết bị trồng rau nhà Chậu trồng rau thông minh Web FireBase DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.4287 * Corresponding author Email: hvthuc@ictu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 293 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 293 - 300 Giới thiệu Ở Việt Nam có nhiều hệ thống trồng rau như: Mơ hình trồng rau thủy canh BKFAST Đại học bách khoa sáng chế, hệ thống trồng rau thủy canh viện nông nghiệp nhiều hệ thống trồng rau khác Tuy nhiên hệ thống cần diện tích rộng chi phí lắp đặt lớn Vì khả ứng dụng thực tế chưa rộng rãi [1] Trong nghiên cứu Chúng thiết kế hệ thống tủ thông minh trồng rau cho hộ chung cư ứng dụng công nghệ Internet Of Things Hệ thống có tính ổn định cao, độ xác tin cậy, giao diện trực quan, giá thành hợp lý, diện tích lắp đặt tương đối nhỏ ứng dụng rộng rãi thực tế [2] Hệ thống bắt nguồn ý tưởng từ IoT tối ưu sở hạ tầng kết nối sẵn có thơng qua việc ứng dụng tích hợp thêm cảm biến, truyền động, công nghệ truyền liệu thiết bị Trong 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 IoT [3] Kết thực nghiệm khảo sát hệ thống nhiều đối tượng tương đối phù hợp với kết mơ Các sai số xảy từ nhiều nguyên nhân khác Nếu điều chỉnh tốt, ý tưởng kết hợp với mơ hình trang trại thực tế với quy mô lớn trở thành hệ thống lớn đáp ứng nhu cầu điều khiển, quản lý tất thiết bị cách đại nâng cao đời sống tiện ích nơng nghiệp Vì vậy, IoT tin tưởng kỳ vọng mang lại lợi ích lớn nơng nghiệp cơng nghệ cao ngành sản xuất khác, đặc biệt nước phát triển Việt Nam [4], [5] Đóng góp nghiên cứu việc tích hợp áp dụn kỹ thuật IoT thiết bị trồng rau Chẳng hạn, tín hiệu bật, tắt thiết bị điện tự động khơng địi hỏi thao tác trực tiếp hệ thống [6], kỹ thuật thiết kế dựa tảng cấu trúc truyền thông IoT [7], sử dụng giao diện đồ họa cho phép thực thi tảng Android [8], truy cập qua mạng Wifi [9] Internet [10] 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 IoT Hệ thống sử dụng cho mơ hình tủ trồng rau cho hộ chung cư, ý tưởng kết hợp với mơ hình trang trại thực tế với quy mơ lớn trở thành hệ thống lớn đáp ứng nhu cầu điều khiển, quản lý tất thiết bị cách đại, nâng cao đời sống tiện ích trồng trọt Hệ thống thu thập xử lý liệu sử dụng công nghệ truyền thông IoT Ngồi hệ thống cịn có máy chủ liệu sử dụng App Inventor Hình Sơ đồ khối thiết kế hệ thống Hình Mơ hình hệ thống 2.1 Thiết kế hệ thống http://jst.tnu.edu.vn 294 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 293 - 300 Với ý tưởng xây dựng hệ thống theo kiến trúc tham chiếu sơ đồ khối hệ thống 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 2.2 Quy trình hoạt động hệ thống Khi cấp điện vào hệ thống, khởi động module wifi ESP8266, cảm biến nhiệt độ - độ ẩm DHT11, LCD, Sau khởi động xong, mặc định hiển thị giá trị cảm biến LCD hệ thống chạy chế độ tự động Muốn đổi chế độ nhấn phím chế độ điều khiển tương ứng với chức chế độ tay, sau nhấn nút bảng điều khiển điều khiển trực tiếp Module ESP8266 Hình Sơ đồ chân Module 8266 Hình Sơ đồ chân module UART TTL RS4-85 V2 Trên Hình Mạch điều khiển Module Node MCU ESP8266 đóng vai trị điều khiển trung tâm (Master), tiếp nhận giao tiếp với module Node MCU ESP8266 khác (Slave) thông qua chuẩn truyền Modbus Các slave giao tiếp với module cảm biến nhiệt độ - độ ẩm, cảm biến độ ẩm đất, cảm biến ánh sáng truyền thông số lại cho Master để hiển thị lên LCD Còn Master gửi chức để yêu cầu slave thực điều khiển Module UART TTL RS-485 TO V2 Trên Hình Mạch chuyển giao tiếp UART TTL to RS485 V2 thiết kế với khả chống nhiễu cao, tích hợp đệm, Cầu chì tự phục hồi, Diode chống nhiễu giúp hệ thống chạy ổn định, an toàn không làm cháy board điều khiển trung tâm Phần chân giao tiếp RS485 mạch có chân Mass, hệ thống có đường dây mass tiếp đất sử dụng để nối vào chân Mass giúp tăng khả chống nhiễu chống sét Mạch hỗ trợ kết nối nhiều điểm RS485 đường Bus, mạch thiết kế để điểm nối "nóng" mà không sợ tượng module bị chết chưa ngắt đường truyền tổng Module LCD 2004-20X4 Hình Hình ảnh mặt trước LCD 20x4 http://jst.tnu.edu.vn Hình Cảm biến độ ẩm đất 295 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 293 - 300 Ở báo sử dụng LCD 20x4 Hình có nghĩa có hàng, hàng có 20 kí tự Màn hình LCD 20x4 sử dụng IC Driver HD44780 Hỗ trợ giao tiếp liệu bits bit có khả hiển thị dòng, dòng 20 ký tự hình có độ bền cao, hình LCD 20x4 bao gồm điểu khiển vùng nhớ Cảm biến độ ẩm đất Trên Hình Module cảm biến độ ẩm đất sử dụng cho ứng dụng nông nghiệp, tưới nước tự động cho vườn đất khô, dùng ứng dụng hệ thống nhà thông minh Module cảm biến độ ẩm đất gồm hai phần: Đầu dò: Hai đầu đo đầu dò cắm vào đất để phát độ ẩm Dùng dây nối cảm biến module chuyển đổi, độ ẩm đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu DO chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao Thông tin độ ẩm đất đọc gởi tới module chuyển đổi Cảm biến nhiệt độ - độ ẩm (DHT11) Hình Cảm biến DHT11 Hình Cảm biến ánh sáng Trên Hình DHT11 cảm biến nhiệt độ, độ ẩm thơng dụng chi phí rẻ dễ lấy liệu thơng qua giao tiếp 1-wire (Giao tiếp digital 1-wire truyền liệu nhất) Cảm biến tích hợp tiền xử lý tín hiệu giúp liệu nhận xác mà khơng cần phải qua tính tốn Cảm biến ánh sáng Trên Hình Cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở có khả thay đổi điện trở theo cường độ ánh sáng chiếu vào Tín hiệu xuất cảm biến digital HIGH (5V) LOW tượng trưng cho trạng thái bật, tắt thiết bị điện tự động mà không cần phải thao tác trực tiếp hệ thống [6] 2.3 Giải pháp công nghệ cho truyền thông IoT Từ phân tích thiết kế trên, báo đưa giải pháp công nghệ cho truyền thông IoT mô tả Hình 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] Trên Hình 10 hình ảnh thực tế sản phẩm: Tủ thông minh trồng rau cho hộ chung cư ứng dụng cơng nghệ Internet Of Things Mơ hình làm gỗ mica ghép với Ống tưới PVC đường kính 8mm với 08 đầu tưới nhỏ giọt Bộ điều khiển Module Node MCU ESP8266 chế độ bơm hẹn tự động Hệ thống tự động điều khiển tùy thuộc vào thông số mơi trường hiển thị hình LCD 20x4 http://jst.tnu.edu.vn 296 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology Hình Sơ đồ giải pháp cơng nghệ cho truyền thơng IoT 226(07): 293 - 300 Hình 10 Hình ảnh thực tế sản phẩm Truyền thơng Internet Qúa trình truyền thơng lên Internet mơ tả Hình 11 thực thu thập liệu từ Arduino, thơng qua trang web để theo dõi hệ thống từ xa Công 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, App Inventor Ở sử dụng tảng App Inventor cho nghiên cứu Hình 11 Truyền thơng lên Internet với Giao diện phần mềm Inventor Hình 12 Giao diện thiết kế Với giao diện đồ họa thể Hình 12, tảng cho phép người dùng kéo thả khối mã (blocks) để tạo ứng dụng chạy thiết bị Android [8] Giao diện chia thành thành phần chính: Palette: Chứa đối tượng để thiết kế ứng dụng Properties: Chứa thuộc tính đối tượng chọn Screen Viewer: Nơi cho phép thiết kế screen cho ứng dụng cách kéo thả đối tượng vào Components: Nơi bạn quản lý screen chế độ thiết kế/ khối lệnh Qua giao diện hình tủ Hình 13 thu thập nhiệt độ độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất từ môi trường truyền nhận liệu cho tủ điều khiển http://jst.tnu.edu.vn 297 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 293 - 300 Các yếu tố môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất cách: Khi nhiệt độ cao bật quạt để giảm nhiệt độ, trời tối tự động bật đèn ngược lại thời gian với thời gian cài đặt tự động tưới nước Hệ thống tưới nước tự động xác theo thời gian Có thể điều chỉnh tay thiết bị trực tiếp thông qua bảng điều khiển giám sát từ xa thông số môi trường thông qua Internet Thiết kế ứng dụng điện thoại để giám sát từ xa điện thoại thông minh thơng qua Wifi [9] Hình 13 Giao diện hình tủ Mơ hình thực nghiệm sử dụng truyền thơng IoT Mơ hình thực nghiệm dựa cấu trúc tảng truyền thông IoT ứng dụng nông nghiệp, cụ thể sử dụng cảm biển độ ẩm, cảm biến nhiệt độ cảm biến ánh sáng để giám sát thông số độ ẩm đất, độ ẩm khơng khí, ánh sáng nhiệt độ cho mơ hình tủ trồng rau 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 [10] Ví dụ theo dõi tham số truyền cảm biến độ ẩm Nếu thấy độ ẩm thấp mức quy định (trong trường hợp cho rau xà lách 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 ta thay đổi ánh sáng nhiệt độ theo thời tiết ngày Quá trình theo dõi điều khiển thể qua bảng kết chạy thực nghiệm hệ thống Được thực Nút nhấn của: Đèn, máy bơm, quạt, Mod Các thông số môi trường hiển thị Led App điện thoại Nhìn chung mơ hình hoạt động đạt 100% yêu cầu đề ban đầu Độ ổn định đạt 87,9% Hệ thống sử dụng nguồn cấp nhỏ từ 12V trở xuống nên an toàn cho người sử dụng trước nguy điện giật Ứng dụng điện thoại giám sát hệ thống có giao diện dễ sử dụng quan sát Ứng dụng điện thoại hoạt động tốt dễ dàng điều khiển từ xa theo mong muốn người dùng http://jst.tnu.edu.vn 298 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 293 - 300 Thời gian điều khiển khoảng - giây Thời gian đáp ứng cập nhật liệu lên website liên tục có người cập nhật lâu chút khoảng từ - giây Bảng Kết chạy thực nghiệm Kết luận Bài báo nghiên cứu thiết kế hệ thống tủ thông minh trồng rau cho hộ chung cư dựa tảng IoT, kỹ thuật truyền thông áp dụng giải nhiều hạn chế phương pháp giám sát cho thiết bị trồng rau nói riêng nơng nghiệp nói chung trước Mở nhiều ứng dụng 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 Công nghệ truyền thông IoT phát triển mạnh mẽ có tính ứng dụng cao nơng nghiệp Vì nghiên cứu phát triển, mở rộng thêm như: Thiết kế nguồn điện dự phòng điện sử dụng nguồn lượng lượng gió, lượng mặt trời để thay Thiết kế trang web riêng hiển thị, cập nhật thơng tin từ thực tế giá đầu đầu vào Cập nhật loại giống mới, đặc tính sinh học chế độ chăm sóc riêng cho loại Tuy nhiên, giao tiếp Module Node MCU ESP8266 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/ REFERENCES [1] A Zanella, N Bui, A Castellani, L Vangelista, and M Zorgi, “Internet of things for smart cities,” IEEE IoT-J., vol 1, no 1, pp 22-32, 2014 [2] Malhotra, S Som, and S K Khatri, “IOT-enabled engineering for agriculture,” Journal Information Systems and Computer Networks (ISCON), vol 2, no 3, pp 129-133, 2019 [3] X Wang and Liu, “The application of internet of things in agricultural means of production supply chain management,” Journal of Chemical and Pharmaceutical Research, vol 6, no 7, pp 23042310, 2014 [4] S R Prathibha, A Hongal, and M P Jyothi, “IOT Based Monitoring System in Smart Agriculture,” International Conference on Recent Advances in Electronics and Communication Technology ICRAECT, 2017, pp 81-84 http://jst.tnu.edu.vn 299 Email: jst@tnu.edu.vn TNU Journal of Science and Technology 226(07): 293 - 300 [5] K E Adetunji and M K Joseph, “Development of a Cloud-Based Monitoring System Using 4Duino: Applications in Agriculture,” Advances in Big Data Computing and Data Communication Systems (icABCD) 2018 International Conference, 2018, pp 4849-4854 [6] D P Nguyen, Microprocessor Textbook Publishing National University Ho Chi Minh City, 2016 [7] R Gunawan, I Taufik, E Mulyana, O T Kurahman, M A Ramdhani, and Mahmud, “Chatbot Application on Internet Of Things (IoT) to Support Smart Urban Agriculture,” 2019 IEEE 5th International Conference on Wireless and Telematics (ICWT), 2019, pp 1-6 [8] J M Talavera et al., “Review of IoT applications in agro-industrial and environmental fields,” Comput Electron Agric, vol 142, no 7, pp 283-297, 2017 [9] Malhotra, S Som, and S K Khatri, “IOT Aided Techniques for Agriculture,” 4th International Conference on Information Systems and Computer Networks (ISCON), 2019, pp 129-133 [10] S Gertphol, P Chulaka, and T Changmai, “Predictive models for Lettuce quality from Internet of Things-based hydroponic farm,” 22nd International Computer Science and Engineering Conference (ICSEC), 2018, pp 1-5 http://jst.tnu.edu.vn 300 Email: jst@tnu.edu.vn ... nghiệm Kết luận Bài báo nghiên cứu thiết kế hệ thống tủ thông minh trồng rau cho hộ chung cư dựa tảng IoT, kỹ thuật truyền thông áp dụng giải nhiều hạn chế phương pháp giám sát cho thiết bị trồng rau. .. IoT application [7] Trên Hình 10 hình ảnh thực tế sản phẩm: Tủ thông minh trồng rau cho hộ chung cư ứng dụng công nghệ Internet Of Things Mơ hình làm gỗ mica ghép với Ống tưới PVC đường kính... thống trồng rau khác Tuy nhiên hệ thống cần diện tích rộng chi phí lắp đặt lớn Vì khả ứng dụng thực tế chưa rộng rãi [1] Trong nghiên cứu Chúng thiết kế hệ thống tủ thông minh trồng rau cho hộ chung