Bài viết trình bày thiết kế và thi công mô hình nhà vườn tự động dùng để trồng cây nông nghiệp. Giải pháp công nghệ được đưa ra là ứng dụng IOT trên nền tảng Cayenne và công nghệ nhúng vi điều khiển Arduino để thiết kế hệ thống đo lường, giám sát và điều khiển các thông số môi trường sống trong nhà vườn nông nghiệp, hạn chế tối đa các nhân tố vô sinh bên ngoài ảnh hưởng đến quá trình phát triển của cây. Mời các bạn cùng tham khảo!
ỨNG DỤNG IOT ĐỂ GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN THÔNG SỐ MƠI TRƢỜNG TRONG MƠ HÌNH NHÀ VƢỜN NƠNG NGHIỆP Nguyễn Hùng*, Nguyễn Thanh Hải, Nguyễn Di Xuân Trƣờng Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh (HUTECH) * Email: n.hung@hutech.edu.vn TĨM TẮT Bài báo trình bày thiết kế thi cơng mơ hình nhà vƣờn tự động dùng để trồng nông nghiệp Giải pháp công nghệ đƣợc đƣa ứng dụng IOT tảng Cayenne công nghệ nhúng vi điều khiển Arduino để thiết kế hệ thống đo lƣờng, giám sát điều khiển thông số môi trƣờng sống nhà vƣờn nông nghiệp, hạn chế tối đa nhân tố vô sinh bên ngồi ảnh hƣởng đến q trình phát triển Giao diện thân thiện, dễ dàng giám sát điều khiển smartphone qua internet Các liệu đo lƣờng đƣợc lƣu trữ điện toán đám mây nên dễ dàng truy xuất để dùng cho việc phân tích cần Từ khóa: Cây nơng nghiệp, Arduino, Cayenna, nhà vƣờn, internet of things (IOT) GIỚI THIỆU Ngày mơ hình sản xuất nơng nghiệp sử dụng nhà vƣờn thông minh đƣợc dùng nhiều giới nhƣ: Pháp, Israel, Tây Ban Nha, …[1,2] Khơng nằm ngồi xu hƣớng đó, ngày 04/05/2015 Thủ tƣớng phủ có Quyết định số 575/TTg việc phê duyệt quy hoạch tổng thể khu vùng nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đến năm 2020, định hƣớng đến năm 2030 [3] Sau gần năm thực nƣớc có khu vực, địa phƣơng ứng dụng công nghệ cao nơng nghiệp nhƣ: Đà Lạt, Hải Phịng, Hƣng n, Hà Nội, Hồ Chí Minh, … Với tổng quy mơ 32000 diện tích nơng nghiệp đƣợc ứng dụng công nghệ cao, cụ thể khu nhà kính, nhà lƣới đƣợc tự động hóa Tuy nhiên, phần lớn hệ thống nhập ngoại, phí để xây dựng vận hành hệ thống nhƣ cịn mức cao, gặp nhiều khó khăn khó áp dụng vào thực tế nƣớc ta [4,5,6] Trong [7], tác giả ứng dụng IoT để xây dựng hệ thống giám sát điều khiển tự động cho mơ hình nhà vƣờn trồng hoa cảnh với điều khiển dùng công nghệ PLC nên giá thành cao Từ hạn chế nêu trên, báo trình bày giải pháp ứng dụng IoT tảng Cayenne công nghệ lập trình nhúng vi điều khiển Arduino để thiết kế hệ thống đo lƣờng, giám sát điều khiển thơng số mơi trƣờng mơ hình nhà vƣờn trồng nông nghiệp Kết thực nghiệm cho thấy khả ứng dụng vào thực tế cách kinh tế hiệu THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH NHÀ VƢỜN 2.1 Sơ đồ khối Hình trình bày sơ đồ khối mơ hình nhà vƣờn trồng nông nghiệp đƣợc giám sát điều khiển thông số môi trƣờng bên nhà Hệ thống bao gồm khối chức sau đây: – Khối cảm biến: Chuyển đổi đại lƣợng vật lý nhƣ nhiệt độ độ m khơng khí, độ m đất thành tín hiệu số, thành liệu đầu vào cho khối xử lý trung tâm 1458 – Bàn phím thao tác: Cho phép ngƣời sử dụng vận hành thao tác tay – Khối nguồn: Cung cấp nguồn chiều 24V, 5V-10A cho toàn hệ thống – Khối xử lý trung tâm: Nhận tín hiệu từ khối cảm biến bàn phím để chuyển thành lệnh truyền sang khối thực thi khối hiển thị kết – Khối thực thi: Điều khiển cấu chấp hành nhƣ máy bơm, máy tạo độ m, máy điều hòa nhiệt độ – Khối hiển thị: Hiển thị thông số môi trƣờng smartphone LCD Cảm biến độ m đất Analog Cảm biến nhiệt độ môi trƣờng Digital Cảm biến độ m khơng khí Digital Internet Server Màn hình Khối điều khiển trung tâm Máy bơm Máy tạo độ m Máy điều hịa nhiệt độ Bàn phím thao tác Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Hệ thống đo lƣờng, giám sát điều khiển 2.2.1 Khối xử lý điều khiển trung tâm Hình trình bày sơ đồ khối xử lý điều khiển trung tâm (MCU) đƣợc thiết kế có chức nhận tín hiệu từ cảm biến lệnh từ bàn phím, chuyển tín hiệu điều khiển đến cấu chấp hành, hiển thị liệu lên LCD smartphone Cho phép nhận lệnh điều khiển từ smartphone thơng qua internet Hình 2: Hệ thống điều khiển trung tâm dùng Arduino 2.2.2 Khối cảm biến đo lường cấu chấp hành Cảm biến độ m đất Hình trình bày mạch cảm biến độ m đất gồm phận: Bộ phận cảm biến độ m đƣợc gắm th ng xuống đất phận điều chỉnh độ nhạy nằm phía mặt đất Cảm biến độ m đất có chân: Vcc, GND, ngõ số D0 và tƣơng tự (A0) Nguồn nuôi Vcc cho cảm biến 5V Khi đất khô, chân D0 đƣợc giữ mức cao (5V), sử dụng để kích rơ le chạy máy bơm Khi đất m, đèn LED màu đỏ sáng lên, chân D0 đƣợc giữ mức thấp (0V), cảm biến gửi tín hiệu bo Arduino để điều khiển ngắt rơ le Ngõ A0 gửi tín hiệu analog bo Arduino để đọc giá trị độ m 1459 Hình 3: Cảm biến độ m đất Hình 4: Cảm biến DTH11 Hình 5: LCD bàn phím 4x4 Cảm biến nhiệt độ, độ m khơng khí: Hình trình bày cấu tạo cảm biến DHT11 gồm có chân Tín hiệu ngõ dạng số Cảm biến hoạt động với nguồn 5Vdc Thông số kỹ thuật chi tiết nhƣ sau: Đo độ m 20%-95%, nhiệt độ: 0-50ºC, sai số độ m ±5%, sai số nhiệt độ: ±2ºC Khối hiển thị bàn phím: Màn hình LCD 20x4 dùng để hiển thị thông số môi trƣờng giao diện vận hành nhƣ Hình LCD kết nối với bo điều khiển trung tâm Arduino thơng qua đƣờng truyền I2C Bàn phím 4x4 giúp ngƣời dùng thao tác vận hành hệ thống tay Cơ cấu chấp hành: Bao gồm thiết bị nhƣ máy bơm nƣớc, máy tạo độ m, máy điều hịa nhiệt độ Nhận tín hiệu điều khiển từ khối điều khiển trung tâm thông qua trung gian mô đun rơle Thông số thiết bị cấu chấp hành đƣợc trình bày Bảng Bảng 1: Các thiết bị cấu chấp hành Tên thiết bị Thông số kỹ thuật Máy bơm nƣớc Điện áp: 12 Vdc; Dịng điện: 0,25 A; Cơng suất: 3W Lƣu lƣợng bơm: 1,8±0,1 L/phút Module tạo độ m Điện áp: 24 Vdc; Dòng điện sử dụng: 600 mA Module điều hòa nhiệt độ Điện áp: 12 Vdc; Dòng điện: A; Công suất: 60 W 2.4 Lƣu đồ giải thuật Lƣu đồ giải thuật đƣợc thiết kế theo yêu cầu quy trình điều khiển canh tác phù hợp với trồng Việt Nam Hình trình bày lƣu đồ giải thuật chƣơng trình Các chƣơng trình đọc giá trị từ cảm biến, quét bàn phím, điều khiển bơm nƣớc, tạo độ m, điều hịa nhiệt độ chế độ tự động tay đƣợc trình bày tƣơng ứng Hình đến Hình 13 Tồn giải thuật điều khiển đƣợc lập trình nhúng board Arduino Mega 2560 R3 Bắt đầu B tđ u Đọc cảm biến độ m đất số Khai o c c thư vi n, bi n v chương tr nh Đọc cảm biến độ m đất số G m c c code đư c th c hi n theo tu n t t xu ng v tr i qua hải ng l p vô h n Đ ng Auto Sai (While) Manual đư c ch h t Đ ng Tương t tr ng ph n Auto Bao g m c c c de đư c vi t như: h y Cayenne, đọc cảm bi n, g i d li u, output, … Đọc cảm biến độ m khơng khí Đọc cảm biến nhiệt độ Manual Hình 6: Lƣu đồ giải thuật 1460 Tính giá trị độ m đất trung bình từ cảm biến Kết thúc Hình 7: Chƣơng trình đọc cảm biến Bắt đầu Bắt đầu dk1==0 độ m đất >= Giá trị Min Nhấn phím số Sai Đúng Tắt máy bơm Đúng Sai ―dkmaybom‖ tăng lên đơn vị dk1=1; ―dkmaybom‖ số lẻ dk1==1 độ m đất = Giá trị Min Bắt đầu Đúng Nhấn phím số Tắt máy tạo độ m Đúng Sai ―dkdoam‖ tăng lên đơn vị dk2=1; Đúng ―dkdoam‖ số lẻ dk2==1 độ m khơng khí = Giá trị Min Nhiệt độ Giá trị Min Đúng Mở máy điều hòa Đúng Mở máy điều hòa Sai Tắt máy điều hịa Sai dk3=0; phim=0; Kết thúc Hình 12: Máy điều hòa nhiệt độ chế độ tự động Kết thúc Hình 13: Máy điều hịa nhiệt độ chế độ tay KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Mơ hình nhà vƣờn thực nghiệm trồng nông nghiệp đƣợc trình bày Hình 14 Mơ hình đƣợc thiết kế để tạo môi trƣờng sống cho trồng sinh trƣởng phát triển mà 1461 kiểm sốt đƣợc thơng số nhiệt độ độ m giúp trồng phát triển thuận lợi, hạn chế chi phối từ điều kiện tự nhiên bên ngồi, giảm trừ sâu bệnh, từ giúp tăng suất trồng Ngoài việc điều khiển thiết bị ngoại vi đƣợc gắn nhà vƣờn Với hai chế độ tự động tay, ngƣời vận hành điều khiển cài đặt chạy hệ thống với tùy biến cho phù hợp với thực tế sử dụng Mơ hình nhà vƣờn cịn đƣợc tích hợp thêm tính giám sát điều khiển qua thiết bị hiển thị có kết nối Internet nhƣ máy tính, tablet, smartphone nhƣ Hình 15 Kết thực nghiệm đƣợc thu thập để đánh giá 120 phút chạy thử nghiệm mơ hình Ở chế độ tự động, nút nhấn điều khiển máy bơm, máy điều hịa, máy tạo độ m bị vơ hiệu hóa Kết thu thập từ cảm biến đƣợc trình bày Bảng cho thấy thơng số môi trƣờng đƣợc giữ phạm vi phép tốt cho phát triển trồng Hình 14: Mơ hình nhà vƣờn thực nghiệm Hình 15: Giám sát điều khiển smartphone Bảng 2: Kết thực nghiệm mơ hình nhà vƣờn Các thơng số cảm biến Chế độ IoT Nhiệt độ (0C) Độ m đất (%) Độ m khơng khí (%) Hiển thị Độ trễ Tự động 29÷32 50÷60 70÷85 Tốt 2-3 giây Bằng tay Tùy chỉnh Tùy chỉnh Tùy chỉnh Tốt 2-3 giây KẾT LUẬN Bài báo trình bày thiết kế thi cơng mơ hình nhà vƣờn tự động dùng để trồng nông nghiệp Giải pháp kỹ thuật đƣợc đƣa ứng dụng công nghệ IoT tảng Cayenne lập trình nhúng vi điều khiển Arduino để thiết kế hệ thống đo lƣờng, giám sát điều khiển thơng số mơi trƣờng sống mơ hình nhà vƣờn trồng nông nghiệp, hạn chế tối đa nhân tố vơ sinh bên ngồi ảnh hƣởng đến q trình phát triển Giao diện thân thiện, dễ dàng sử dụng smartphone internet Các liệu đƣợc lƣu trữ điện toán đám mây nên dễ dàng truy xuất để dùng cho việc phân tích cần TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Intelligent Agricultural Solutions: www2.advantech.com.tw/catalogs/pdf/2014/08181118.pdf [2] Michael J O‘Grady, Gregory M.P O‘Hare, ―Modelling the smart farm ‖, Information Processing in Agriculture, In Press Corrected Proof, May 2017, pp.1-9 [3] Quyết định số 575/QĐ-TTg ngày 04/05/2015 Thủ tƣớng Chính phủ: Về việc phê duyệt Quy hoạch tổng thể khu vùng nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao đến năm 2020, định hƣớng đến năm 2030 1462 [4] Jeong-Hwan Hwang, Hyun Yoe, ―Design of Wireless Sensor Network based Smart Greenhouse System‖, Int'l Conf Wireless Networks ICWN'16, pp.43-48 [5] C D Singh, R C Singh and K P Singh,‖ Application of sensor networks for monitoring wheat plants under permanent raised bed cultivation in vertisols‖, Proceedings of AIPA 2012, pp.253-256, INDIA [6] Nguyễn Thế Truyện, Nguyễn Văn Cƣờng, ―Hệ Thống Tự Động Hoá cho Các Nhà Trồng Cây‖, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ Điện tử - VCM-2016, pp.123-130 [7] Phạm Ngọc Minh, Nguyễn Tiến Phƣơng, Vũ Thị Quyên, Vƣơng Huy Hoàng, Vũ Tiên Sinh, ―Tích hợp hệ thống tự động hóa trang trại trồng hoa cảnh tảng điện toán đám mây‖, Tạp chí tự động hóa ngày số 191+192, 01-02/2017, pp.45-47 1463 ... thông số môi trƣờng đƣợc giữ phạm vi phép tốt cho phát triển trồng Hình 14: Mơ hình nhà vƣờn thực nghiệm Hình 15: Giám sát điều khiển smartphone Bảng 2: Kết thực nghiệm mơ hình nhà vƣờn Các thông. .. hình nhà vƣờn tự động dùng để trồng nông nghiệp Giải pháp kỹ thuật đƣợc đƣa ứng dụng công nghệ IoT tảng Cayenne lập trình nhúng vi điều khiển Arduino để thiết kế hệ thống đo lƣờng, giám sát điều. .. Màn hình Khối điều khiển trung tâm Máy bơm Máy tạo độ m Máy điều hòa nhiệt độ Bàn phím thao tác Hình 1: Sơ đồ khối hệ thống 2.2 Hệ thống đo lƣờng, giám sát điều khiển 2.2.1 Khối xử lý điều khiển