2.1.1. Đặc tính quang hợp của cây xanh
Quang hợp ở cây xanh là quá trình trong đó năng lượng ánh sáng mặt trời được diệp lục hấp thụ để tạo ra cacbonhidrat từ khí CO2 và nước.
Như vậy đặc tính quang hợp của cây trồng phụ thuộc vào các yếu tố chính như: cường độ ánh sáng, nhiệt độ, lượng CO2 và nước.
2.1.2. Ảnh hưởng của ánh sáng đến quang hợp
Ánh sáng ảnh hưởng đến quang hợp về hai mặt: cường độ sáng và quang phổ sáng.
2.1.2.1. Cường độ sáng
Hình 2. 1: Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến cường độ quang hợp khi nồng độ CO2 tăng [5]
Có hai trị số liên quan đến quang hợp đó là điểm bù sáng và điểm bão hòa ánh sáng.
− Điểm bù sáng: là cường độ sáng mà tại đó cường độ quang hợp cân bằng với cường độ hô hấp.
− Điểm bão hòa ánh sáng: là trị số ánh sáng mà từ đó cường độ quang hợp không tăng thêm (đạt cực đại) mặc dù cường độ ánh sáng tiếp tục tăng. [5]
Quan sát Hình 2.1, ta có thể thấy được ảnh hưởng của cường độ ánh sáng đến cường độ quang hợp khi nồng độ CO2 tăng.
2.1.2.2. Quang phổ của ánh sáng
Các tia sáng khác nhau ảnh hưởng khác nhau đến quang hợp. Quang hợp chỉ xảy ra khi ở miền ánh sáng xanh, đỏ và tím như trong Hình 2.2 bên dưới. Thành phần ánh sáng biến động phụ thuộc vào độ sâu (trong môi trường nước), thời gian của ngày, cây mọc dưới tán.
Hình 2. 2: Cường độ hấp thụ ánh sáng của các loại sắc tố quang hợp [5]
2.1.3. Ảnh hưởng của nồng độ CO2
Cây quang hợp được ở nồng độ CO2 thấp nhất là 0.008-0.01%. Khi tăng nồng độ CO2 lúc đầu cường độ quang hợp tăng tỉ lệ thuận sau đó tăng chậm cho tới khi đến trị số bão hòa CO2. Vượt quá mức đó thì cường độ quang hợp lại giảm. Sự phụ thuộc của quang hợp vào nồng độ CO2 được biểu diễn như trong hình 2.3.
2.1.4. Ảnh hưởng của nước
Hàm lượng nước trong không khí và lá ảnh hưởng đến quá trình thoát hơi nước, do đó tác động đến sự đóng mở khí khổng, trực tiếp ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ CO2 vào lá để tiến hành các phản ứng quang hợp. Nước quyết định tốc độ vận chuyển các sản phẩm quang hợp ra khỏi lá. Thiếu nước sản phẩm quang hợp sẽ bị tắc nghẽn dẫn đến ức chế quang hợp. Khi cây thiếu nước đến 40-60% thì quang hợp sẽ giảm hoặc ngưng quang hợp. Khi thiếu nước, cây chịu hạn hạn có thể duy trì quang hợp hơn cây trung sinh và cây chịu ẩm. Bên cạnh đo nước cũng là nguyên liệu trực tiếp cho quá trình quang hợp với việc cung cấp H+ và electron cho phản ứng sáng. [5]
2.1.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ
Nhiệt độ ảnh hưởng đến các phản ứng Enzim chủ yếu trong pha tối của quang hợp. Đối với một số loại cây khả năng quang hợp tăng theo nhiệt độ đến giá trị tối ưu. Trên ngưỡng đó quang hợp sẽ giảm dần.
Khi nhiệt độ quá lạnh 0˚C, một số cây trồng sẽ có hiện tượng chết rét; thời tiết nóng ở trên 40˚C. Cây khô héo và có thể bị chết. Cây trồng quang hợp hiệu quả ở nhiệt độ như sau: 12˚C-24˚C; 18˚C-21˚C; 24˚C, … tùy theo từng loại cây trồng.
Hình 2.3 miêu tả sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quang hợp của cây cà chua và cây khoai tây.
2.1.6. Ảnh hưởng của nguyên tố khoáng
Các nguyên tố khoáng tham gia vào việc cấu thành nên Enzim quang hợp và diệp lục của lá cây, điều tiết độ đóng mở của khí khổng và liên quan đến quá trình phân ly nước.
2.2. Tăng năng suất cây trồng
Để tăng năng suất cây trồng có nhiều cách như lựa chọn giống mới, cải tạo đất, tuy nhiên biện pháp hữu hiệu nhất là tăng năng suất cây trồng thông qua sự điều khiển hệ số kinh tế.
Tăng diện tích lá: là áp dụng các biện pháp kĩ thuật như chăm sóc, bón phân, tưới nước hợp lý phù hợp với loài và giống cây trồng.
Tăng cường độ quang hợp: Tuyển chọn và tạo giống mới có cường độ và hiệu suất quang hợp cao kết hợp áp dụng kĩ thuật chăm sóc hợp lý.
Tăng hệ số kinh tế: tăng hệ số kinh tế của cây trồng bằng biện pháp chọn giống và bón phân. [5]
2.3. Các phương án có thể áp dụng
Đặc tính quang hợp rất quang trọng cho năng suất cây trồng, quyết định 90-95% năng suất cây trồng. Do đó việc tìm hiểu về đặc tính quang hợp của cây trồng, giúp cho việc điều chỉnh ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm tốt hơn và làm cho cây trồng phát triển tốt và cho năng suất cao.
Để duy trì được các thông số khí hậu cơ bản trên phù hợp với yêu cầu về nông học của cây rau và hoa thì thiết bị kiểm soát khí hậu trong vườn có một tập hợp tiểu hệ thống linh hoạt:
− Hệ thống điều khiển cường độ ánh sáng: Hệ thống lưới cắt nắng, vật liệu che phủ mái, bổ sung cường độ ánh sáng.
− Hệ thống tưới phun sương.
− Hệ thống tưới tiêu.
Đối với các yêu cầu về hệ thống như trên, ta có thể xây dựng hệ thống theo hai cách như sau:
− Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát tập trung.
− Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát phân tán.
2.3.1. Hệ thống điều khiển, giám sát tập trung
Trong một hệ thống điều khiển tập trung, một thành phần được chỉ định làm bộ điều khiển và chịu trách nhiệm quản lý việc thực thi các thành phần khác trong hệ thống. Nếu ta thực hiện việc xây dựng hệ thống giám sát tập trung, ta sẽ phải sử dụng một vi điều khiển dùng để thu nhận dữ liệu từ cảm biến, xử lý, tính toán dữ liệu để thực hiện các tiến trình xử lý vận hành, hiển thị lên giao diện người dùng như hình 2.5:
Hình 2. 5: Sơ đồ mô hình điều khiển tập trung của hệ thống thời gian thực Mô hình này thường được sử dụng trong các hệ thống thời gian thực mềm không có giới hạn thời gian quá chặt chẽ. Bộ điều khiển trung tâm quản lý việc thực hiện một tập hợp các quy trình liên kết với các cảm biến và cơ cấu chấp hành. Các cảm biến và cơ cấu chấp hành nối trực tiếp, điểm – điểm với bộ điều khiển trung tâm qua các cổng vào ra của nó.
Đây là cấu trúc điều khiển tiêu biểu trong những năm 1965 – 1975. Ngày nay, cấu trúc mô hình điều khiển tập trung thích hợp cho các ứng dụng điều khiển tự động hóa vừa và nhỏ, điều khiển các loại máy móc và thiết bị bởi sự đơn giản, dễ thực hiện
và giá thành một lần cho bộ điều khiển. Điểm chú ý ở đây là sự tập trung toàn bộ trí tuệ, tức chức năng xử lý thông tin trong một thiết bị điều khiển duy nhất. [6]
Quá trình hoạt động của bộ điều khiển hệ thống quyết định khi nào các quá trình nên được bắt đầu hoặc dừng tùy thuộc vào các biến trạng thái của hệ thống. Nó kiểm tra xem các quá trình khác có tạo ra thông tin cần xử lý hay không hoặc chuyển thông tin cho chúng để xử lý. Bộ điều khiển thường lặp lại liên tục việc thăm dò cảm biến và các quy trình khác để kiểm tra các sự kiện hoặc sự thay đổi trạng thái. Vì lý do này, mô hình này đôi khi được gọi là mô hình vòng lặp sự kiện.
2.3.2. Hệ thống điều khiển, giám sát phân tán
Trong đa số các ứng dụng có quy mô vừa và lớn, phân tán là tính chất cố hữu của hệ thống. Một hệ thống thường được phân chia thành nhiều phân đoạn, có thể bố trí tại nhiều nơi cách xa nhau. Để khắc phục sự phụ thuộc vào một bộ điều khiển trung tâm trong cấu trúc điều khiển tập trung và tăng tính linh hoạt của hệ thống, ta có thể điều khiển mỗi phân đoạn bằng một hoặc một số trạm điều khiển cục bộ, như Hình 2.6 minh họa.
Hình 2. 6 Cấu trúc điều khiển phân tán
Các trạm điều khiển cục bộ thường được đặt rải rác tại các khu vực của từng phân đoạn, ở vị trí không xa với quá trình kĩ thuật. Các phân đoạn có liên hệ, tương tác với nhau, do đó muốn điều khiển quá trình tổng hợp cần có sự điều khiển phối hợp giữa các bộ điều khiển trung tâm. Trong phần lớn trường hợp, các trạm điều khiển trung tâm được nối mạng với nhau và với một hoặc nhiều trạm điều khiển trung tâm
thông qua bus hệ thống. Giải pháp này dẫn đến các hệ thống có cấu trúc điều khiển phân tán, hay được gọi là các hệ điều khiển phân tán.
Ưu thế của cấu trúc điều khiển phân tán không chỉ dừng lại ở độ linh hoạt cao hơn so với cấu trúc tập trung. Hiệu năng cũng như độ tin cậy tổng thể của hệ thống được nâng cao nhờ sự phân tán chức năng xuống các cấp dưới. Việc phân tán chức năng xử lý thông tin và phối hợp điều khiển có sự giám sát từ các trạm vận hành mở ra khả năng ứng dụng mới, tích hợp trọn vẹn trong hệ thống như lập trình cao cấp, điều khiển trình tự, điều khiển theo công thức và ghép nối với cấp điều hành sản xuất. [6]
2.4. Kết luận
Dựa trên hai cách xây dựng hệ thống đã nêu ở trên, ta sẽ chọn một trong hai phương án để xây dựng mô hình hệ thống cho đề tài. Để có thể chọn phương án phù hợp, ta cần nắm giữ được những ưu nhược điểm của cả hai phương pháp trên.
Bảng 2. 1:So sánh hai phương án xây dựng mô hình hệ thống
So sánh Điều khiển tập trung Điều khiển phân tán
Đặc điểm − Phù hợp trong các hệ thống vừa và nhỏ − Chỉ cần một bộ điều khiển trung tâm − Phù hợp với các hệ thống lớn, phức tạp
− Cần nhiều trạm điều khiển trung tâm và trạm điều khiển khu vực Thời gian
thực hiện 1 chu trình
− Thời gian thực hiện một vòng quét ngắn
− Thời gian thực hiện một vòng quét lớn hơn 10 – 50 lần so điều khiển tập trung.
Khả năng
mở rộng − Vài chục, vài trăm đến vài ngàn I/O
− Từ vài ngàn đến vài chục ngàn I/O, thậm chí hàng triệu I/O Khả năng
hồi tiếp − Không có tính năng hồi tiếp
− Có chức năng hồi tiếp, chống gián đoạn đường truyền Lập trình − Tập trung toàn bộ tinh hoa vào
trong một bộ điều khiển chính
− Phân tán chương trình ra cho từng phân đoạn
Ưu thế − Dễ lắp đặt, vận hành
− Tính linh hoạt
− Ổn định, độ tin cậy cao
Nhược điểm
− Công việc nối dây phức tạp
− Việc mở rộng hệ thống gặp khó khăn
− Độ tin cậy kém
− Việc lập trình, quản lý hệ thống phức tạp hơn
Từ sự so sánh trên ta có thể quyết định ngay việc lựa chọn phương án nào phù hợp với đề tài của mình. Đó chính là xây dựng hệ thống theo cấu trúc phân tán. Lý do là vì hệ thống vườn thông minh yêu cầu thu thập dữ liệu từ rất nhiều nơi trong vườn, thậm chí thu thập dữ liệu tại vài ngàn vị trí trong một diện tích vườn vài hecta. Đó là điều mà hệ thống điều khiển tập trung không thể đáp ứng vì chi phí quá cao cũng như sự rườm rà khi đi dây. Bên cạnh đó việc xử lý tín hiệu dữ liệu tại nhiều nơi như vậy thì bộ điều khiển trung tâm không thể làm được. Trái ngược với những mặt hạn chế của hệ thống điều khiển trung tâm, hệ thống điều khiển phân tán bộ lộ ra những ưu điểm vượt trội. Việc thu thập, xử lý tín hiệu dường như quá sức đối với hệ thống điều khiển tập trung thì lại tỏ ra nhẹ nhàng đối với hệ thống điều khiển phân tán. Bởi vì việc thu thập, xử lý dữ liệu từ cảm biến đã được trạm khu vực thực hiện. Bên cạnh đó nhóm sử dụng mạng không dây Lora làm cho việc truyền nhận dữ liệu giữa trạm trung tâm và trạm khu vực trở nên dễ dàng, thuận tiện rất nhiều, cũng như tiết kiệm chi phí. Đồng thời, khi mô hình hệ thống vườn thông minh áp dụng cấu trúc điều khiển phân tán thì khả năng mở rộng của hệ thống trở nên rất khả thi thi. Ta chỉ cần lắp đặt thêm trạm điều khiển trung tâm cũng như trạm khu vực ở những khu vực ta cần mở rộng, tiền đề là mô hình hệ thống sử dụng Lora.
CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH VƯỜN THÔNG MINH PHÂN TÁN TRONG ĐỀ TÀI
3.1. Sơ đồ khối và chức năng của toàn bộ hệ thống
Từ ý tưởng ban đầu, nhóm em đã đưa ra sơ đồ mô tả toàn bộ hệ thống vườn thông minh như Hình 3.1 và Hình 3.2 sau:
Hình 3. 1: Sơ đồ toàn bộ hệ thống vườn thông minh
Từ hai sơ đồ trên, ta có thể hình dung được quy trình hoạt động của hệ thống. Đối với đề tài này, thay vì sử dụng dây điện để truyền dẫn tín hiệu như truyền thống hoặc là các phương thức truyền dữ liệu khác, nhóm em sử dụng mạng Lora để truyền nhận dữ liệu từ ESP8266 với Arduino. Lý do là vì Lora có thể truyền dữ liệu với khoảng cách rất xa mà tiêu tốn năng lượng rất thấp. So với Lora thì dùng dây điện để truyền thì tiêu hao năng lượng trên dây dẫn khá lớn, khó truyền khoảng cách xa đối với vi điều khiển. Cũng có nhiều phương thức truyền dữ liệu không dây như ZigBee, Wi-Fi, Bluetooth, … Nhưng so với Lora, các chuẩn truyền thông này không đáp ứng được nhu cầu của đề tài. Vậy thì mạng Lora là gì? Có ưu điểm như thế nào? Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu trong mục 3.3.
Trong mô hình hệ thống này bao gồm 4 bộ phận chính, đó là:
− Trạm điều khiển trung tâm.
− Trạm thu thập dữ liệu khu vực.
− Server.
− Giao diện người dùng (giám sát).
Trạm điều khiển trung tâm bao gồm một vi điều khiển ESP8266 chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu nhận từ trạm thu thập dữ liệu khu vực và gửi lên Server. Đồng thời nhận các tín hiệu điều khiển từ Server về xử lý. Trạm trung tâm truyền và nhận dữ liệu với trạm khu vực thông qua mạng Lora. Các dữ liệu mà ESP8266 nhận về bao gồm nhiệt độ, độ ẩm và trạng thái thiết bị. Bên cạnh việc giao tiếp với trạm khu vực, trạm trung tâm còn giao tiếp, truyền nhận dữ liệu với Server thông qua Internet. Các dữ liệu nhận từ Server là tín hiệu điều khiển, chế độ làm việc được đưa vào từ người dùng.
Trạm thu thập dữ liệu khu vực bao gồm một vi điều khiển Arduino xử lý việc thu thập dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm tại khu vực nhất định, và đồng thời điều khiển trạng thái các thiết bị vận hành. Khi có tín hiệu yêu cầu dữ liệu từ trạm trung tâm thì trạm khu vực sẽ gửi các dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm đã thu thập được cho trạm trung tâm để xử lý. Ngược lại nếu đó là tín hiệu điều khiển thiết bị thì Arduino sẽ thực hiện điều khiển trạng thái của thiết bị tương ứng với tín hiệu điều khiển.
Server là nơi chứa các dữ liệu mà trạm trung tâm gửi lên, đồng thời cũng là nơi lưu các tín hiệu điều khiển từ người dùng. Nơi lưu dữ liệu ở đây là Database.
Giao diện người dùng là giao diện giám sát, điều khiển thiết bị dành cho người dùng. Trong giao diện giám sát bao gồm các dữ liệu nhiệt độ, độ ẩm tại vườn cập nhật theo thời gian và các biều đồ biểu diễn các giá trị đó trong một khoảng thời gian nhất
định. Ngoài ra còn có giao diện điều khiển thiết bị vận hành cho phép người dùng điều khiển các thiết bị bằng tay hoặc tự động tùy theo chế độ được chọn.
Trong phần tiếp theo, việc lựa chọn linh kiện phần cứng trong mô hình và các giao thức truyền thông kết nối để áp ứng được yêu cầu của điều khiển vườn thông