b, Phần mềm nhúng cho hệ thống
Trước đây các hệ điều khiển số thường do các máy tính lớn đảm nhiệm, ngày nay chức năng điều khiển số này do các chíp vi xử lý, các hệ nhúng đã thay thế. Phần mềm điều khiển ngày càng tinh sảo tạo nên độ thông minh của thiết bị và ngày càng chiếm tỉ
trọng lớn trong giá thành của thiết bị.
Một số đặc trưng của hệ thống nhúng hiện nay:
- Phần mềm nhúng phát triển theo hướng chức năng hóa đặc thù. - Hạn chế về tài nguyên bộ nhớ
- Yêu cầu thời gian thực
Phần mềm nhúng là một chương trình được viết, biên dịch trên máy tính và nạp vào một hệ thống khác (gọi tắt là KIT) bao gồm một hoặc nhiều bộ vi xử lý đã được cài sẵn một hệ điều hành, bộ nhớ ghi chép được, các cổng giao tiếp với các phần cứng khác… Hiện nay phần lớn các phần mềm nhúng nằm trong các sản phẩm truyền thông và các sản phẩm điện tử tiêu dùng, tiếp đến là trong các sản phẩm ơ tơ, phương tiện vận chuyển, máy móc thiết bị y tế, các thiết bị năng lượng, các thiết bị cảnh báo bảo vệ và các sản phẩm đo và điều khiển…
Những bộ vi xử lý và phần cứng trong hệ thống nhúng gồm: Texas Instrument, Freescale, ARM, Intel, Motorola, Atmel, AVR, Renesas…
Những hệ điều hành trong hệ thống nhúng gồm: QNX, uITRON, VxWorks, Windows CE/XP Embedded, Embedded Linux, Osek, Symbian…
Những ngơn ngữ lập trình trong hệ thống nhúng gồm: C/C++, B#, Ada, Assembly, PMC, LabView, PLC…
Đối với nền tảng Arduino, mơi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, Macintosh OSX và Linux. Do có tính chất nguồn mở nên mơi trường lập trình này hồn tồn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dùng có kinh nghiệm. [22]
Ngơn ngữ lập trình có thể được mở rộng thơng qua các thư viện C++. Và do ngơn ngữ lập trình này dựa trên nền tảng ngơn ngữ C của AVR nên người dùng hồn tồn có thể nhúng thêm code viết bằng AVR C vào chương trình.
2.2. Thực trạng và khả năng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào
2.2.1. Thực trạng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào
Từ trước tới nay nơng nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công nghệ nhất. Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nơng dân về đặc tính của cây
trồng, về thời tiết... Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”.
Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính tồn cầu. Ngành nơng nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu quả sản xuất.
Với hơn 70% dân số là nông dân, Lào là một nước nông nghiệp. Tuy nhiên, ngành nơng nghiệp Lào đang có dấu hiệu phát triển kém bền vững, giá trị đóng góp khơng tương xứng với quy mô. Để không bị tụt hậu so với thế giới và khu vực, có thể cạnh tranh được, nơng nghiệp Lào cần phải đẩy nhanh q trình tiếp cận với những nền khoa học công nghệ ở các nước phát triển, đặc biệt là những nước có nền kinh tế nơng nghiệp phát triển. Bên cạnh đó, cần nhanh chóng đưa cơng nghệ thông tin vào ứng dụng rộng rãi để tăng hiệu quả sản xuất, đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng.
Xuất phát từ thực tiễn và yêu cầu phát triển của đất nước, chính phủ Lào ngày càng quan tâm và chú ý tới phát triển nông nghiệp trong tổng thể sự phát triển chung của đất nước. Nông nghiệp đã mở đường cho quá trình đổi mới, tạo nền tảng, động lực cho tăng trưởng kinh tế và là nhân tố quan trọng bảo đảm sự ổn định kinh tế, xã hội, chính trị của đất nước. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất của nông nghiệp hiện nay là khả năng cạnh tranh, năng suất, chất lượng sản phẩm nơng nghiệp của Lào cịn thấp. Sở dĩ như vậy là do sản xuất nông nghiệp ở Lào cịn nhỏ lẻ, việc ứng dụng khoa học cơng nghệ vào nông nghiệp chưa cao so với khu vực và thế giới. [16]
2.2.2. Khó khăn và thuận lợi trong việc ứng dụng nhà trồng thông minh trong nôngnghiệp tại Lào nghiệp tại Lào
2.2.2.1. Khó khăn
Hiện nay, chi phí ban đầu cho một mơ hình nơng nghiệp thơng minh là khơng nhỏ, đặc biệt là chi phí mua các cảm biến từ Mỹ, Đức rất cao. Ý thức đổi mới canh tác là rất khó khăn vì người dân chủ yếu dựa vào kinh nghiệm. Vì thế, khơng phải muốn là có thể làm được ngay.
Hơn nữa, về trình độ người nơng dân Lào cũng đặt ra nhiều khó khăn cho cơng tác quản lý và điều hành mơ hình sản xuất. Mặt khác, điều khó khăn là làm thế nào phối hợp được với người nông dân, kỹ sư nông nghiệp để đưa sản phẩm ra thị trường.
Một khó khăn khác là làm thế nào có thể sản xuất những thiết bị nhà trồng thơng minh đơn giản ban đầu, tập huấn nghiệp vụ canh tác trong nhà trồng thơng minh như thế nào, phân tích, đánh giá nhu cầu người nông dân, nhu cầu thị trường như thế nào đối với sản phẩm nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh.
2.2.2.2. Thuận lợi
Theo số liệu dự báo thì vào năm 2020 trên thế giới sẽ có 4 tỷ người kết nối với nhau, 4 ngàn tỷ USD doanh thu, hơn 25 triệu ứng dụng, hơn 25 tỷ hệ thống nhúng và hệ thống thông minh, 50 ngàn tỷ GB dữa liệu và có 6 nhà cung cấp giải pháp IoT việc này sẽ dẫn đến thị phần còn rất nhiều, tạo điều kiện cho việc phát triển IoT, làm tiền đề để phát triển các hệ thống nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh. Mặt khác, các tổ chức quốc tế đầu tư thúc đẩy cho mảng IoT trong nông nghiệp rất lớn như: Quý 3 năm 2016 có 41 lần cam kết tổng đầu tư là 269 triệu đô cho startup nông nghiệp thông minh.
Hơn nữa, vấn đề nhức nhối được người tiêu dùng cùng các doanh nghiệp quan tâm rất nhiều hiện nay đó là vấn đề về an tồn thực phẩm, điều này sẽ làm cho việc phát triển các hệ thống nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh để đảm bảo chất lượng rau củ quả được nhiều nhà đầu tư và doanh nghiệp quan tâm.
2.2.3. Các đặc trưng của hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện Lào
Xuất phát từ các phân tích về điều kiện kinh tế, xã hội của Lào ở trên, hệ thống
nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh hiện nay ở Lào là các hệ thống đầu tiên được thiết kế nên cần phải đơn giản hóa mơ hình, cơ cấu thiết bị ở mức tối thiểu. Sản phẩm nhà trồng thông minh được chế tạo trước hết là để giúp người
dân, doanh nghiệp hình dung rõ được mơ hình sản xuất nơng nghiệp mới ứng dụng cơng nghệ cao, từ đó làm thay đổi tư duy và nhận thức để có thể hướng tới việc nhà nước và nhân dân Lào cùng tham gia vào việc xây dựng các hệ thống nơng nghiệp cao hồn thiện hơn, đầy đủ tính năng hơn, có thể sản xuất và ứng dụng ở phạm vi rộng hơn trong thực tiễn.
Một đặc trưng khác của Lào là khí hậu nhiệt đới gió mùa do nằm chủ yếu ở đới khí hậu nhiệt đới. Trong đó, nhiệt độ trung bình tháng trên 18oC trong mỗi tháng và có mùa mưa (độ ẩm cao) và mùa khơ (độ ẩm thấp) đặc trưng, với gió mùa có hướng thay
đổi theo mùa. Mùa mưa vào tháng 5 - 10; có gió mùa hạ mát, gây mưa, mùa khô vào tháng 11 - 4 (năm sau) có gió mùa đơng lạnh khơ.
Do các đặc điểm về khí hậu trên, việc điều khiển hệ thống tưới, hệ thống gió để đảm bảo độ ẩm, nhiệt độ của môi trường, hay độ ẩm của đất trong nhà trồng thơng minh là các yếu tố chính cần đảm bảo của nhà trồng thông minh tại Lào.
Từ những phân tích về điều kiện kinh tế xã hội và điều kiện tự nhiên, khí hậu của Lào, kiến trúc của mơ hình nhà trồng thơng minh phù hợp với điều kiện Lào được trình bày trong hình sau.
Hình 2.7. Mơ hình nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào
Trong đó, các thành phần của hệ thống đã được tối giản. Những thành phần chính của hệ thống bao gồm:
- Hệ thống cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm)
- Hệ thống bơm (bể bơm, máy bơm, hệ thống dẫn nước..)
- Trạm điều khiển (điều khiển hoạt động thu nhận thông tin, điều khiển hệ thống bơm qua giao tiếp không dây)
Chương 3
XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM NHÀ TRỒNG THƠNG MINH 3.1. Mơ hình thử nghiệm
Những mơ hình nhà trồng thơng minh thường u cầu rất cao trong việc duy trì nhiệt độ và độ ẩm cho môi trường sinh trưởng của cây trồng theo từng loại cây cũng như thời gian sinh trưởng của chúng. Điều đó địi hỏi người quản lý cần thu thập và theo dõi sát sao các chỉ số sinh trưởng của cây trồng trong từng thời kỳ. Nhờ quá trình giám sát và thu thập số liệu nhiệt độ, độ ẩm, nhà nơng có thể theo dõi được độ ẩm của các loại hạt để quyết định thời điểm thu hoạch thích hợp (độ ẩm của hạt phải đạt mức yêu cầu). Biết được độ ẩm của đất, độ ẩm, nhiệt độ của khơng khí sẽ cho phép người canh tác điều chỉnh hoạt động canh tác (phun tưới) một cách phù hợp để đạt được năng suất tối ưu của cây trồng.
Hình 3.1. Mơ hình thiết kế thử nghiệm nhà trồng thông minh
Một số chức năng chính của mơ hình thiết kế gồm: -Thu thập thơng 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;
3.2. Lựa chọn phương án thiết kết
3.2.1. Phương án thiết kế thứ nhất
Hệ thống được thiết kế dựa trên nền tảng công nghệ mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều bộ đầu cuối giám sát, thiết kế xây dựng theo mơ hình mạng hình sao. Mỗi đầu cuối giám sát là một thiết bị tích hợp cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, thiết bị máy bơm. Các thiết bị này sẽ được bố trí tại các khu vực khác nhau và liên kết với trung tâm điều khiển của hệ thống. Khi hệ thống hoạt động, các thông số về nhiệt độ, độ ẩm của mỗi khu vực sẽ được giám sát và báo về cho khối điều khiển của thiết bị. Khối điều khiển của thiết bị sẽ gửi bản tin báo cáo về trung tâm điều khiển qua môi trường không dây và hiển thị trên màn hình điện thoại người dùng. Quá trình điều khiển hệ thống bơm cũng được thực hiện qua trên nền tảng truyền thơng với module ZigBee.
Hình 3.2. Thiết kế hệ thống trên nền tảng mạng cảm biến không dây
Trong phương án thiết kế này, các nốt mạng tích hợp (gồm module truyền thông, cảm biến nhiệt độ/độ ẩm) sẽ được đặt tại các khu vực khác nhau trong trang trại, các thông số tại mỗi khu vực sẽ được thu thập và truyền về khối xử lý trung tâm thông qua module ZigBee. Dữ liệu sẽ được truyền về thiết bị điện thoại di động của người dùng. Quá trình điều khiển hệ thống bơm cũng được thực hiện tương tự.
Đánh giá: Do mục tiêu của đề tài xây dựng mơ hình thử nghiệm do đó việc thiết kế nhiều nốt mạng mặc dù mang tính chính xác cao hơn, tuy nhiên trong điều kiện khơng gian khơng lớn thì thiết kế hệ thống nêu trên sẽ tốn kém về mặt kinh phí trong xây dựng hệ thống. Vì vậy, tác giả xây dựng phương án thiết kế thứ hai dựa trên những ưu điểm của thiết kế hệ thống thứ nhất.
3.2.2. Phương án thiết kế thứ hai
Trong phương án thiết kế hệ thống thứ hai, các thông số thu thập được từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm sẽ được truyền trực tiếp về khối xử lý trung tâm và truyền đến thiết bị điện thoại người dùng thông qua module thu phát Wifi. Quá trình điều khiển hệ thống bơm cũng được thực hiện tương tự.
Hình 3.3. Thiết kế thử nghiệm hệ thống nhà trồng thông minh
Thiết kế hệ thống có đầy đủ các thành phần cảm biến, các thiết bị chấp hành để thử nghiệm các chức năng hoạt động của nhà trồng thông minh.
Các khối thành phần
Khối nguồn Khối cảm biển
Khối xử lý trung tâm
Khối điều khiển bơm
3.3. Thiết kế phần cứng
3.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Thiết kế hệ thống có sơ đồ ngun lý như sau:
Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống
Nguyên lý hoạt động:
-Sau khi cấp nguồn, hệ thống sẽ tiến hành đo nhiệt độ và độ ẩm đất của nhà trồng thông minh. Cảm biến nhiệt độ DTH11 sẽ đo độ hơi nước có trong khơng khí. Cịn cảm biến độ ẩm đo độ ẩm trong đất, khi đất thiếu nước sẽ cho ra mức cao. Tất cả các tín hiệu thu được sẽ truyền về Node MCU để phân tích và đưa ra kết quả là các thông số về nhiệt độ và độ ẩm. Từ đó, đưa kết quả lên sever, người sử dụng có thể xem kết quả đo trên ứng dụng cài đặt trên điện thoại thông minh.
- Cảm biến mực nước dạng phao sẽ kiểm tra mực nước có trong bế chứa và chỉ hoạt động khi đã có đủ nước trong bể. Khi người sủ dụng ấn “ON” trên ứng dụng điều khiển, cảm biến sẽ nhận tín hiệu và truyền cho Rơ-le (mạch xử lý đóng, ngắt) đóng mạch điện tử, khi mạch điện tử được đóng sẽ tác động một lệnh cấp điện cho bơm áp lực hoạt động cho phép bơm dung dịch. Đồng thời, bơm áp lực sẽ hút nước và phun ra vịi nước thơng qua ống dẫn. Từ đây, nước sẽ được phun qua hệ thống tưới tiêu. Hệ thống sẽ dùng bơm nước khi người sử dụng ấn “OFF”.
- Bộ công tắc chuyển đổi (CD): Được sử dụng để chuyển từ điều khiển từ sang thủ công. Nếu công tắc đang ở trạng thái mức cao, vi xử lý sẽ nhận tín hiệu thơng qua ứng dụng trên điện thoại được điều khiển từ người dùng. Ngược lại, nếu công tắc ở mức
thấp vi xử lý sẽ nhận tín hiệu điều khiển thơng qua công tắc điều khiển (DK) tại bảng điều khiển.
3.3.2. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống
3.3.2.1. Module ESP 8266
ESP8266 là một mạch vi điều khiển dùng để điều khiển các thiết bị điện tử. Thêm vào đó nó được tích hợp wi-fi 2.4GHz có thể dùng cho lập trình. Module có khả năng kết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm. Hiện nay tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266, ví dụ như: ESP8266E01, ESP8266 E02, ESP8266 E06, ESP8266 E10, ESP8266 E11, ESP8266 E12, ESP8266 E12E…. [23]
Hình 3.5. Module ESP8266
Module ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp WiFi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sửa dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên borad. Bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi xử lý vì thế có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà khơng cần thêm bất kì vi xử lý nào nữa. Hiện tại có hai ngơn ngữ thơng dụng nhất có thể lập trình cho ESP8266 là sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình với bộ thư viện riêng hoặc sử dụng phần mềm Node MCU.
Thông số kĩ thuật
- WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n - Điện áp hoạt động:
- Điện áp đầu vào (khuyên dùng): 7-12V - Điện áp đầu vào (giới hạn): Max 3.6V
- Chân Digital I/O: 11
- Chân PWM Digital I/O: 10 chân trừ chân D0 - Chân đầu vào Analog: 1 chân 10bit (max 3.3V) - Dòng sử dụng I/O Pin: 70mA
- Dòng sử dụng 3.3V Pin: MAX 200mA