Nếu q trình kết nối khơng thực hiện được, người dùng phải thực hiện việc kiểm tra kết nối trên thiết bị và trên hệ thống. Khi thực hiện kết nối thành công, người dùng sẽ tiếp tục thao tác trên giao diện chương trình để thực hiện các chức năng như: Hiển thị thông số môi trường, điều khiển thiết bị bơm tưới...
3.4.1.2. Lưu đồ thuật tốn chương trình thu thập thơng số mơi trường
Khi hệ thống hoạt động, những thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm sẽ được gửi về trung tâm điều khiển. Nếu những thông số này nằm trong ngưỡng cho phép, kết quả sẽ được hiển thị trên giao diện điện thoại người dùng. Trong trường hợp thơng số nằm ngồi ngưỡng cho phép, ngồi việc hiển thị kết quả thì thiết bị sẽ gửi thơng tin cảnh báo đến người dùng.
3.4.2 Lưu đồ thuật tốn chương trình điều khiển thiết bị bơm
Hình 3.13. Lưu đồ thuật tốn chương trình con điều khiển thiết bị
Sau khi module thu wifi nhận tín hiệu điều khiển sẽ được vi điều khiển tiến hành giải mã tín hiệu điều khiển. Lúc này mã điều khiển sẽ được kiểm tra, nếu mã điều khiển là "a", "b", thì sẽ tương ứng thực hiện chế độ điều khiển hệ thống bơm tưới bằng thủ cơng hoặc tự động theo chương trình lập trình.
3.4.3. Phần mềm Android
3.4.3.1. Giới thiệu về nền tảng Android
Android được xây dựng trên một nền tảng mở và một thư viện đa chức năng, Android đã nhanh chóng được cộng đồng lập trình viên di động hưởng ứng mạnh mẽ. Nền tảng androi tích hợp nhiều tính năng nổi bật:
-Android là một hệ điều hành nhân Linux, đảm bảo sự tương tác với các phần cứng quản lý bộ nhớ, điều khiển các tiến trình tối ưu cho các thiết bị di động.
-Máy ảo Dalvik được tối ưu cho các thiết bị di dộng, chạy các ứng dụng lập trình trên ngơn ngữ Java.
- Các thư viện cho phát triển ứng dụng mã nguồn mở bao gồm SQlite, WebKit, OpenGL và trình quản lý đa phương tiện.
- Hỗ trợ các chuẩn đa phương tiện phổ biến, thoại trên nền GSM, Bluetooth, 3G và WiFi.
- Hỗ trợ Camera, GPS, la bàn máy đo gia tốc…
-Bộ phát triển ứng dụng SDK đầy đủ các phần mềm cho thiết bị di động bao gồm thiết bị giả lập, công cụ sửa lỗi…
- Android cung cấp một tập hợp đầy đủ các phần mềm cho thiết bị di động bao gồm hệ điều hành, các khung ứng dụng và các ứng dụng cơ bản.
Android hồn tồn có tính mở, một ứng dụng có thể gọi tới bất kể một chức năng lõi của điện thoại như tạo cuộc gọi, gửi tin nhắn hay sử dụng máy ảnh, cho phép người phát triển tạo phong phú hơn, liên kết hơn các tính năng cho người dùng. Android được xây dựng trên nhân Linux mở, thêm nữa nó sử dụng một máy ảo mà đã được tối ưu hố bộ nhớ và phần cứng với mơi trường di dộng. Android là một mã nguồn mở để kết hợp tự do giữa các công nghệ nổi trội. Nền tảng này sẽ tiếp tục phát triển để tạo ra các ứng dụng di động hồn hảo.
3.4.3.2. Mơi trường lập trình trên nền tảng Android App Inventor 2
Chương trình Inventor 2 thực chất là một ứng dụng web, chạy bởi trình duyệt trên máy tính cá nhân. Tuy nhiên, người dùng vẫn phải cài đặt một phần mềm Java mang tên App Inventor Extras, có nhiệm vụ điều khiển điện thoại Android (kết nối với máy tính thơng qua cổng USB). Nhờ vậy, người dùng có thể nhanh chóng chuyển ứng dụng từ máy tính cá nhân qua điện thoại Android để chạy thử.
Các thiết bị di động (chủ yếu là điện thoại thơng minh) có năng lực xử lý thông tin ngày càng mạnh, đang trở thành một chủng loại “máy tính cá nhân”. Khác với máy tính cá nhân thơng thường, các thiết bị di động có bộ đo gia tốc, con quay hồi chuyển, bộ định vị GPS và có thể có thêm các bộ cảm ứng khác trong tương lai, từ đó mở ra những lĩnh vực ứng dụng mới mẻ và rộng lớn.
Với công cụ App Inventor, Google tạo điều kiện để mọi người có thể tự xây dựng phần mềm ứng dụng cho thiết bị di động dùng hệ điều hành Android. Để dùng được App Inventor, người dùng khơng nhất thiết là lập trình viên. Thay vì viết các câu lệnh,
người dùng có thể thiết kế bộ mặt ứng dụng theo ý mình một cách trực quan và lắp ráp các thẻ lệnh để diễn đạt chức năng của phần mềm.
3.4.3.3. Những tiêu chí cần đạt được đối với phần mềm hệ thống trên nền tảng Android:
Thiết kế, xây dựng chương trình điều khiển hệ thống có các chức năng: - Đăng nhập cho người sử dụng
- Thông tin về phần mềm điều khiển - Các chức năng điều khiển:
+ Điều khiển hệ thống bơm bằng thủ công/tự động.
+ Thực hiện cảnh báo trong trường hợp thông số quá ngưỡng hoặc bể cạn. - Các chức năng thu thập thông số môi trường:
+ Thu thập và hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường. + Thu thập thông số độ ẩm đất.
Thiết kế phần mềm trên Android: Ứng dụng Smart-Farming
Sau khi tạo thành công tài khoản giao diện ứn dụng sẽ trở về màn hình đăng nhập, lúc này chương trình nhập tài khoản và mật khẩu vừa tạo để vào giao diện chính của ứng dụng.
Hình 3.14. Giao diện chương trình
Hình 3.15. Giao diện chính của chương trình
Chức năng: Trên giao diện chính của Ứng dụng với biểu tượng nhiệt kế màu đỏ và bên cạnh là thông số °C , đây là nhiệt độ khơng khí được đo qua cảm biến DHT11 giúp người dùng có thể biết chính xác được nhiệt độ ngồi trời tại nhà trồng. Trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm nhà trồng không đạt yêu cầu, người dùng có thể cho kích hoạt hệ thống tưới tiêu để làm tăng độ ẩm cho đất.
Hình 3.16. Biểu tượng và thông số nhiệt độ
Cùng sử dụng cảm biến DHT11 cho ra dữ liệu để hiển thị trên ứng dụng ngoài nhiệt độ ra cịn là độ ẩm % khơng khí với biểu tượng giọt nước màu xanh và bên cạnh là thơng số đo được.
Hình 3.17. Biểu tượng và thơng số độ ẩm mơi trường.
Biểu tượng hình trịn màu nâu cùng thơng số bên cạnh là chỉ số của độ ẩm đất được lấy dữ liệu từ cảm biến đo độ ẩm đất gửi về.
Hình 3.18. Biểu tượng và thơng số độ ẩm đất.
Với 3 thông số: Độ ẩm, nhiệt độ khơng khí, độ ẩm đất khi đạt tới giá trị có thể gây ảnh hưởng, hư hại tới cây trồng, hệ thống sẽ tự gửi cảnh báo qua ứng dụng trên màn hình điện thoại người dùng để kịp thời xử lý…
Hình 3.19. Màn hình cảnh báo khi thơng số vượt ngưỡng giới hạn.
Hình 3.20. Thơng tin cảnh báo trên thiết bị người dùng.
Trên giao diện chính cịn một biểu tượng màu đỏ bên trong với dòng chữ “điều khiển”. Đây là chức năng điều khiển hệ thống bơm tưới cho người dùng.
Khi ấn vào biểu tượng này, màn hình người dùng sẽ chuyển sang 1 giao diện mới đây là nơi chuyển cài đặt giờ để tưới tiêu tự động trong khoảng thời gian nhất định
.
Hình 3.21. Giao diện điều khiển hệ thống bơm tưới
Trên giao diện điều khiển có 3 chức năng chính:
Điều khiển thủ cơng: Khi người dùng nhấn “BẬT” hoặc “TẮT” trên màn hình, dữ liệu sẽ được gửi về hệ thống và lệnh cho bộ điều khiển bật hoặc tắt theo đúng câu lệnh người đùng đưa ra
Hẹn giờ bơm: Khi người dùng nhấn “chọn thời gian hẹn giờ”, màn hình sẽ đưa ra đồng hồ để chọn thời gian để bật thết bị tưới tiêu, và tắt khi hết thời gian người dùng chọn. Có 2 chế độ chọn thời gian:
Nút “Quay lại” để thực hiện quay lại màn hình chính, người dùng sẽ theo dõi được nhiệt độ, độ ẩm, môi trường của vườn trồng.
3.5. Kết quả thực nghiệm và đánh giá
3.5.1. Kết quả thực nghiệm sản phẩm
Hệ thống vườn trồng thơng minh đã đạt được các tính năng gồm: -Thu thập thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm);
-Điều khiển hệ thống phun tưới qua smart phone;
-Điều khiển thủ công/tự động hệ thống phun tưới qua smartphone; -Cảnh báo mức nước trong bể;
-Cảnh báo quá hạn các thông số thu thập;
-Chương trình xây dựng trên nền tảng Android của điện thoại di động có giao diện thân thiện, dễ sử dụng đối với người dùng;
- Hệ thống có tính bảo mật, đơn giản dễ sử dụng và tương thích với điện thoại hệ điều hành Android.
Một số hình ảnh thực tế của sản phẩm:
Hình 3.23. Hệ thống nhà trồng thơng minh
Mơ hình tổng thể của nhà trồng thơng minh có đầy đủ các khối thành phần theo thiết kế của bài toán. Các thành phần của nhà trồng gồm có: Hệ thống cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm môi trường, độ ẩm đất), hệ thống bơm tưới (bể bơm, máy bơm, hệ thống ống
dẫn, vòi phun), khối xử lý trung tâm… Các khối chức năng hoạt động theo đúng yêu cầu đặt ra.
Hình 3.24. Khối xử lý trung tâm của nhà trồng thông minh
Khối xử lý trung tâm của hệ thống nhà trồng thông minh được bảo vệ trong một khối hộp bên cạnh mơ hình. Khối xử lý trung tâm thực hiện nhiệm vụ thu nhận, xử lý dữ liệu, truyền thông đến người dùng và thực hiện chức năng điều khiển hệ thống bơm tưới.
Hình 3.25. Giao diện chương trình điều khiển hệ thống bơm tưới
Hệ thống nhà trồng thông minh được điều khiển thông qua thiết bị điện thoại thông minh Android. Người dùng dễ dàng thao tác thực hiện việc điều khiển hệ thống
phun tưới theo chế độ tự động/thủ công. Chế độ điều khiển linh hoạt giúp tiết kiệm nguồn tài nguyên nước, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả việc chăm sóc cho cây trồng.
Hình 3.26. Giao diện chương trình thu thập thơng số từ cảm biến
Hệ thống nhà trồng thông minh với những cảm biến chuyên dụng cho phép thu thập chính xác những thơng số liên quan đến q trình canh tác. Những thơng số này được lưu trữ và xử lý giúp người dùng nắm bắt được tình hình và có những giải pháp can thiệp hiệu quả.
3.5.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm
* Ưu điểm
-Hệ thống có khả năng mở rộng tùy theo nhu cầu thực tế của vườn trồng. Bên cạnh đó việc sử dụng tín hiệu wifi cho phép người dùng tùy chỉnh vị trí lắp đặt phù hợp với thực tế sử dụng.
- Hệ thống hỗ trợ người dùng trong quá trình điều trị, đồng thời kiểm sốt thơng số môi trường và điều kiện độ ẩm đất, giúp tiết kiệm điện năng sử dụng và tiết kiệm nguồn tài nguyên nước.
- Ứng dụng được với điện thoại thông minh nền tảng Android. Thiết kế chương trình có giao diện đơn giản, thân thận với người dùng.
-Hệ thống tiêu tốn ít điện năng.
-Đơn giản, gọn nhẹ, giao diện chương trình thân thiệt và dễ sử dụng.
- Không sử dụng được phần mềm với các dịng điện thoại thấp và khơng chạy hệ điều hành android.
- Số lượng thiết bị điều khiển còn giới hạn, do phụ thuộc vào kinh tế thực hiện nghiên cứu.
-Phần mềm chỉ chạy hiệu quả khi đi kèm phần cứng hệ thống.
* Kết luận
Qua thời gian chạy thử nghiệm hệ thống cho thấy hệ thống hoạt động tốt và ổn định. Kết quả sản phẩm đã hồn thiện và giải quyết được u cầu bài tốn đặt ra của đề tài như:
-Kết nối, truyền nhận tín hiệu từ phần cứng (khối xử lý trung tâm) qua môi trường không dây như wifi.
- Thực hiện việc giao tiếp hai chiều với hệ thống thông qua điện thoại di động thông minh.
Với mục tiêu đặt ra trong quá trình thực hiện đề tài và qua quá trình làm việc, đề tài đã đạt được một số kết quả nghiên cứu sau:
-Hệ thống hoạt động tốt, chất lượng ổn định. -Người dùng dễ dàng thao tác sử dụng.
-Có giá trị thực tiễn cao trong thực tế và có khả năng triển khai tại Lào. -Đẩy mạnh xu hướng vừa học vừa nghiên cứu khoa học trong sinh viên.
* Hướng phát triển
- Chương trình phần mềm của hệ thống có thể phát triển trên nền tảng khác như Windows Phone, IOS…
- Thêm một số tính năng khác như giám sát hiệu năng hoạt động, điện năng tiêu thụ của mỗi thiết bị và của từng hệ thống; Giám sát thêm được nhiều thông số môi trường khác liên quan đến mơi trường vườn trồng.
- Cải thiện chương trình hệ thống với nhiều tính năng hơn để đáp ứng được nhu cầu người dùng.
-Mở rộng phương thức giao tiếp hệ thống thông qua các công nghệ không dây tiên tiến hiện nay như Internet, đặc biệt là nền tảng Internet of Things....
KẾT LUẬN
Kết quả nghiên cứu phần nào đáp ứng được yêu cầu đã đặt ra cho việc thu thập một số thông số môi trường trong nhà trồng thông minh. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng cho việc ni trồng, sản xuất có chất lượng và năng suất cao. Đặc biệt hệ thống nhà trồng thông minh giúp làm đa dạng hóa các loại cây trồng mà trước đây địa phương khơng trồng được. Bên cạnh đó, với việc điều khiển hệ thống được thực hiện hoàn toàn từ xa giúp hạn chế sức lao động của người nông dân, đồng thời cũng tiết kiệm hiệu quả các nguồn tài nguyên.
Việc ứng dụng nền tảng Androi kết hợp với các phần cứng của Arduino giúp cho quá trình lập trình dễ dàng và có thể thay đổi được tùy thuộc yêu cầu điều khiển và khả năng mở rộng của bộ xử lý trung tâm. Ngoài ra với việc giám sát và điều khiển hệ thống qua wifi giúp cho việc quản lý thuận tiện và dễ dàng hơn khi ở khoảng cách xa.
Đề tài vườn trồng thông minh được xây dựng về cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên những lợi ích và hiệu quả của hệ thống sẽ có giá trị vơ cùng to lớn khi hướng phát triển lên “intelligent farm” tích hợp các cơng nghệ xử lý big data, trí tuệ nhân tạo để hệ thống có thể tự động cung cấp dinh dưỡng, các điều kiện của nhà trồng thích nghi với từng loại cây trồng.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đỗ Kim Chung, Nông nghiệp thông minh: Các vấn đề đặt ra và định hướng cho
nghiên cứu và đào tạo, Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 2018, 16(7):
707-718.
[2]. Trịnh Lương Miên, Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong việc phát triển
nông nghiệp xanh cho cây trồng, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 178, 2016.
[3]. Nguyễn Chí Nhân, Phạm Ngọc Tuấn, Mạng cảm biến khơng dây ứng dụng cho
nơng nghiệp cơng nghệ cao, Tạp chí Phát triển Khoa học và Cơng nghệ –Khoa
học Tự nhiên, 3(4):259-270.
[4]. Ngơ Trí Dương, Nguyễn Thái Học, Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển tưới
phun sương phục vụ trồng rau trong giai đoạn vườn ươm, Tạp chí Khoa học và
Phát triển 2013, tập 11 , số 3: 397 -410.
[5]. Lê Quý Kha (2017), Tổng quan nông nghiệp 4.0 trên thế giới và khả năng áp
dụng tại Việt Nam, Tạp chí Nơng nghiệp và Phát triển Nơng thơn, kỳ 1, 8tr.
[6]. Phạm Mạnh Toàn, Xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính
nơng nghiệp dựa trên cơng nghệ mạng khơng dây wi-fi, Tạp chí KH-CN Nghệ
An, 8/2016.
[7]. O'Grady, Michael J., and Gregory MP O'Hare, Modelling the smart farm, Information processing in agriculture 4.3 (2017): 179-187.
[8]. Cho, Yongyun, et al, An agricultural expert cloud for a smart farm, Future Information Technology, Application, and Service, Springer, Dordrecht, 2012. 657-662.
[9]. Ryu, Minwoo, et al, Design and implementation of a connected farm for smart
farming system, 2015 IEEE SENSORS. IEEE, 2015.
[10]. Jindarat, Siwakorn, Pongpisitt Wuttidittachotti, Smart farm monitoring using
Raspberry Pi and Arduino, 2015 International Conference on Computer,