Bài viết tập trung khái quát về giải pháp xây dựng hệ thống giám sát, thu thập dữ liệu về cây trồng dựa trên công nghệ không dây LoRa (Long Range). Trong hệ thống, mỗi điểm đo bao gồm các cảm biến tích hợp vi xử lý và module truyền thông, được gọi là một nút mạng. Mỗi điểm đo sử dụng năng lượng mặt trời để thu thập dữ liệu liên quan đến cây trồng, sau đó gửi đến trung tâm giám sát qua module LoRa. Mời các bạn cùng tham khảo!
Trang 1Nông nghiệp công nghệ cao với mạng cảm biến không dây - ứng dụng trên cây trồng có giá trị cao
Nguyễn Hoàng Nam Viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội Email: nam.nguyenhoang@hust.edu.vn
Abstract— Bước sang thế kỉ 21, với sự hỗ trợ mạnh mẽ của khoa
học kĩ thuật, các ngành kinh tế có những bước tiến quan trọng
đặt biệt là nông nghiệp Với việc ứng dụng khoa học công nghệ,
nông nghiệp chuyển mình mạnh mẽ từ nông nghiệp thủ công
sang nền nông nghiệp tự động hóa Trong nông nghiệp, khoa học
công nghệ được đưa vào nhằm tăng năng suất cây trồng, giảm
chi phí, công sức con người Các hệ thống đo đạc được thiết kế
giúp con người, giám sát chặt chẽ các thông số cơ bản trong nông
nghiệp Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, là điều kiện
tiên quyết đến năng suất cây trồng Trong bài báo này, chúng tôi
tập trung khái quát về giải pháp xây dựng hệ thống giám sát, thu
thập dữ liệu về cây trồng dựa trên công nghệ không dây LoRa
(Long Range) Trong hệ thống, mỗi điểm đo bao gồm các cảm
biến tích hợp vi xử lý và module truyền thông, được gọi là một
nút mạng Mỗi điểm đo sử dụng năng lượng mặt trời để thu thập
dữ liệu liên quan đến cây trồng, sau đó gửi đến trung tâm giám
sát qua module LoRa Tại trung tâm giám sát, dữ liệu được lưu
trữ, xử lý và được đưa lên WebServer giúp người dùng dễ dàng
theo dõi cũng như đưa ra các biện pháp xử lý, điều khiển tự
động, điều khiển từ xa
Keywords- Nông nghiệp công nghệ cao, công nghệ LoRa, tấm
pin năng lượng, solarcell, tự chủ năng lượng
I ĐẶTVẤNĐỀ Thực tế, việc ứng dụng khoa học kĩ thuật nhằm giám sát
cây trồng đã được áp dụng tại nhiều cơ sở sản xuất nông
nghiệp Tuy nhiên, khoa học không ngừng phát triển, các công
nghệ mới ra đời đã lược bỏ được các hạn chế của công nghệ
trước nó Tại những nông trại qui mô nhỏ, hệ thống giám sát có
dây được tin tưởng bởi tính ổn định của nó, nhưng với các
nông trại qui mô lớn thì hệ thống trở nên phức tạp và khó quản
lý Công nghệ không dây ra đời, chiếm lĩnh phần lớn thị trường
nhờ sự nhỏ gọn, đa năng và tính linh hoạt, tuy nhiên lại đắt đỏ
và tốn năng lượng
Việc phát triển hệ thống giám sát đảm bảo được các tiêu chí
nhỏ gọn, ổn định cũng như sử dụng năng lượng xanh là hướng
nghiên cứu của các nhà phát triển Công nghệ LoRa ra đời với
nhiều ưu việt, có thể áp dụng rộng rãi vào phát triển trong nông
nghiệp
II CẤUTRÚCHỆTHỐNG
2.1 Đo, phân tích ảnh hưởng các thông số của cây trồng
Các thông số cơ bản cho sự phát triển của cây trồng là độ
ẩm đất, nhiệt độ và độ ẩm môi trường
2.1.1 Cảm biến đo độ ẩm đất
Sử dụng cảm biến điện hóa, cảm biến tích cực, đo tiếp xúc, nguyên lí hoạt động dựa trên hiệu ứng Galvanic Cảm biến độ
ẩm đất đo hàm lượng nước chứa trong đất gián tiếp bằng cách
sử dụng các phản ứng oxy hóa tự nhiên Nó thường bao gồm hai kim loại khác nhau Nước ở trong đất đóng vai trò như chất điện phân Hoạt động của nó giống như một pin điện hóa Do
đó, nếu xác định được điện áp giữa hai cực ta có thể xác định được hàm lượng nước chứa trong đất
Hình 1 Đường đặc tính của cảm biến
2.1.2 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường
Sử dụng cảm biến BME 280 đo các thông số: nhiệt độ, độ
ẩm môi trường Cảm biến thụ động được sản xuất theo công nghệ vi cảm biến Khi hoạt động với chức năng đo nhiệt độ và
độ ẩm môi trường, dòng tiêu thụ chỉ khoảng 1.8 A Cảm biến tiêu thụ năng lượng thấp phù hợp cho giải quyết vấn đề tự chủ năng lượng cho node mạng
2.2 Xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ LoRa - Module Ra01
2.2.1 Giới thiệu về công nghệ LoRa
LoRa Alliance là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập
để nghiên cứu và định nghĩa các chuẩn giao tiếp LPWAN Network dựa trên nền tảng LoRa LoRa là một kỹ thuật điều chế dựa trên kỹ thuật Spread-Spectrum và một biến thể của Chirp Spread Spectrum (CSS), nó cho phép truyền thông trong một khoảng cách xa hơn đáng kể các kỹ thuật khác
Trang 2Nguyên lý hoạt động: Dữ liệu trước khi truyền ra anten
được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần
số cao hơn tần số của dữ liệu gốc; sau đó tín hiệu cao tần này
tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi Chirp Signal (là các tín
hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại Chirp
Signal là Up-chirp có tần số tăng theo thời gian và Down-chirp
có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc
bit 1 sẽ sử dụng Up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng Down-chirp
Cấu trúc mạng LoRa được xây dựng trên mô hình mạng
hình sao trong đó các điểm đo sẽ gửi dữ liệu đến các Gateway
LoRa, từ đó dữ liệu chuyển lên máy tính, server và dữ liệu
được xử lý tại đó
Mạng LoRaWan gồm 2 thành phần chính như sau:
Device Node: là các thiết bị hiện trường chứa cảm
biến đo
Gateway: Là thiết bị trung chuyển có nhiệm vụ làm
cầu nối, chuyển tiếp dữ liệu từ các Device Node tới
các Server trung tâm mạng
Hình 2 Cấu trúc mạng LoRa [1]
Trong bài báo này, chúng ta sẽ không phân tích sâu về mặt
mã hóa và bảo mật dữ liệu của mạng LoRa Bài báo sẽ đi phân
tích cách lập trình một chip LoRa nhằm kết nối các thiết bị
Hình 3 Kết nối giữa các thiết bị trong mạng LoRa [2]
2.2.2 Các thông số hoạt động của Module Ra01
Module Ra01 được sản xuất bởi AI-Thinker, sử dụng chip
Sx1278 của Semtech, là loại thông dụng nhất trên thị trường
hiện nay Để có thể truyền tin với Module Ra01, ta cần cấu
hình cho các thanh ghi của chip Sx1278 thông qua giao thức
SPI
Bộ nhớ của Sx1278 được chia làm 2 phần: một là các thanh ghi chức năng và hai là bộ đệm dữ liệu FIFO Các thanh ghi của Sx1278 được chia thành các nhóm chính sau:
Thanh ghi cài đặt chức năng cơ bản (bắt buộc): các chế độ sleep, RX, TX, standby, … tần số truyền, Preamble, header, …
Nhóm thanh ghi FIFO: để giao tiếp với bộ đệm bắt buộc phải dùng những thanh ghi này
Nhóm thanh ghi báo trạng thái và ngắt
Nhóm thanh ghi cấu hình các thông số đặc biệt CR,
BW, SF (các thông số này sẽ được đề cập bên dưới)
Các thanh ghi khác như nhóm RF block, RSSI, Invert
IQ, … Nhóm các thanh ghi là bắt buộc cần thiết cho mọi giao tiếp với vi xử lý nhưng trong phần này chúng ta sẽ phân tích các thông số đặc trưng đối với một chip LoRa bất kỳ LoRa là một phương thức điều chế ở lớp vật lý của tín hiệu RF, có 3 yếu tố
cơ bản và quan trọng ảnh hưởng tới khả năng truyền dữ liệu của một chip LoRa:
Spreading Factor – SF: SF xác định số lượng Chrip
Signal khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số (Chipped Signal) của dữ liệu Ví dụ nếu SF = 12 có nghĩa là 1 mức logic của Chipped Signal sẽ được mã hóa bởi 12 xung Chirp Signal
Bandwidth – BW: BW xác định tần số mà Chirp
Signal có thể thay đổi
Coding Rate – CR: Số lượng bit được thêm vào
Payload nhằm phục hồi các dữ liệu sai
Thời gian truyền 1 ký tự mã hóa nhị phân được tính theo công thức:
Với:
Có thể nói SF, BW và CR là 3 thông số cơ bản và quan trọng của chipset LoRa Trong đó, SF và BW sẽ ảnh hưởng thời gian và khoảng cách truyền dữ liệu; CR thì chỉ ảnh hưởng thời gian truyền dữ liệu Tùy yêu cầu của ứng dụng, chúng ta
có thể chọn giá trị hợp lý để tối ưu quá trình truyền nhận qua LoRa
2.2.3 Frame truyền của LoRa
Hình 4 Một frame truyền của LoRa [3]
Trang 3Trong đó:
Preamble: là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín
hiệu của LoRa packet trong không gian Độ dài của
Preamble sẽ ảnh hưởng tới tốc độ truyền dữ liệu nên
cần lưu ý
Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như
có PayloadCRC hay không Giá trị của Header cũng
được check CRC kèm theo
Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa và
phần kiểm tra dữ liệu là PayLoad CRC
III ỨNG DỤNG HỆ THỐNG MẠNG GIÁM SÁT CHO MÔ HÌNH
NÔNG TRẠI
Áp dụng đối với mô hình nông trại lớn: diện tích 3 ha
Hình 5 Cấu trúc hệ thống giám sát các thông số sinh trưởng của cây
trồng
Hệ thống giám sát được xây dựng dựa trên mô hình mạng
được đề cập ở mục 2.2.1 bao gồm:
Thiết bị hiện trường (End Node)
Trạm thu thập dữ liệu trung gian (Gateway)
Các thiết bị lưu trữ, xử lý và giám sát dữ liệu
(Application)
3.1 Thiết bị hiện trường
Mỗi thiết bị hiện trường được hiểu như là một nút mạng
trong hệ thống mạng giám sát không dây Mỗi nút mạng là
một cảm biến thông minh, được đánh tên cụ thể, có thể đồng
thời giám sát và xử lí các số liệu thông số cây trồng Thực chất
chúng gồm các cảm biến thông dụng, được ghép nối và xử lí
bằng vi điều khiển Các tín hiệu thu được tại đầu ra mỗi cảm
biến sẽ được truyền tới vi điều khiển
Vi xử lí sẽ xử lí số liệu và tiến hành gửi nó đến trạm thu
thập dữ liệu thông qua truyền thông LoRa Mỗi nút mạng phải
tự chủ về năng lượng và hoạt động tối ưu nhất với năng lượng
sử dụng thấp nhất Xây dựng một nút mạng – giám sát hiện
trường trên cơ sở các cảm biến cơ bản Các cảm biến có đầu ra
trong khoảng 10-500mV
Hình 6 Mô hình hiện trường
Tín hiệu đầu ra được đưa qua khối khuếch đại sử dụng LM358, tín hiệu qua bộ khuếch đại sẽ được đưa vào ADC trong của vi xử lí Tín hiệu được đo liên tục, mỗi tín hiệu sẽ được đưa vào một mảng có độ dài xác định, vi xử lí sẽ xử lí tín hiêu theo mảng để đảm bảo tính chính xác, chống nhiễu của tín hiệu Để tự chủ năng lượng đối với mỗi nút mạng, dữ liệu
sẽ không được gửi đi ngay mà sẽ được lưu trong bộ nhớ của vi
xử lí Với việc sử dụng pin mặt trời công suất 1,8W, để tối ưu công suất, tín hiệu sẽ được gửi đi sau mỗi 1 giờ, đủ đáp ứng kịp thời và tối ưu công suất cho thiết bị
Hình 7 Ghép nối cảm biến với vi xử lí
Mô hình nông trại 3 ha gồm nhiều nút mạng như trên, mỗi nút sẽ mang thông số cơ bản nhưng sẽ được xử lí khác nhau do yêu cầu từng loại cây trồng Mỗi mã nút sẽ được đính kèm trong gói tín gửi tới trạm thu thập dữ liệu
Với việc sử dụng truyền thông LoRa, vấn đề công suất được giải quyết hợp lí, thông tin được truyền khá ổn định, thiết lập mạng lưới hình sao dễ dàng
Hình 8 Một mạch đo tại mỗi nút mạng
Trang 4Mặt khác, để hoạt động ngoài trời với thời tiết nóng ẩm
tại Việt Nam, mỗi nút mạng phải được đóng hộp nhằm chống
ẩm, chống nắng giúp tăng thời gian sử dụng, tránh nhiễu mỗi
trường
Hình 9 Mô hình vỏ hộp
Vỏ được thiết kế đảm bảo các tiêu chí:
Chống nóng tại vị trí đặt pin
Chống nước, sử dụng gioăng silicon
Tháo mở dễ dàng
Tính thẩm mĩ cao
Hình 10 là thiết bị hiện trường với mạch đo và truyền
thông LoRa Thiết bị đo độ ẩm đất được lắp cùng vỏ nhưng đã
được kết nối ra mạch để có thể đo và giám sát không dây
Nhưng trong trường hợp có hỏng hóc, mạch sẽ được mang đi
sửa chữa nhưng thiết bị hiển thị dạng kim chỉ vẫn nằm lại hiện
trường Việc này nhằm đảm bảo việc theo dõi cây trồng và
tưới tiêu hợp lý, tránh cây có thể bị khô héo, chết Hình 11 là
nóc của thiết bị được gắn pin mặt trời nghiêng một góc 30 độ
nhằm lấy năng lượng cung cấp cho toàn mạch đo và truyền
thông
Hình 10 Một thiết bị hiện trường
Nguyên lý hoạt động
Dữ liệu từ các thiết bị hiện trường được gửi/nhận
thông qua module LoRa rồi chuyển tới vi xử lý
Tại đây dữ liệu sẽ được xử lý sơ lược nhằm phục vụ cho chế độ điều khiển tự động các Relay bật tắt máy bơm và Van đóng mở cấp nước Đồng thời, dữ liệu cũng được gửi lên máy tính thông qua cổng kết nối USB hay đưa lên WebServer hay điện thoại người dùng thông qua các module Wifi và SIM
Bên cạnh đó, ta cũng có thể gắn thêm LCD trực tiếp lên GateWay nhằm tiện quan sát trong trường hợp không kết nối được máy tính hay Wi-Fi/GSM/GPRS
Hình 11 Đỉnh mái – nơi đặt pin mặt trời
3.2 Trạm thu thập dữ liệu trung gian (Gateway)
Hình 12 Sơ đồ khối Gateway
Sơ lược thiết kế phần cứng Nguồn: chia làm 3 phần là nguồn 5V, 4.1V và 3.3V sử
dụng các loại IC 2596S Sơ đồ nguyên lý được xây dựng dựa trên datasheet của IC
Truyền thông: sử dụng 3 module truyền thông là SIM,
LoRa và ESP8266 cho Wi-Fi Vì các module và vi xử lý có mức điện áp khác nhau nên để mạch hoạt động ổn định ta thiết
kế thêm mạch chuyển đổi mức logic giữa vi xử lý và các module dựa trên Mosfet BSS138
USB: sử dụng IC CH340 và mạch nguyên lý dựa trên
datasheet
Vi xử lý: sử dụng chip ATmega2560 Thời gian thực: sử dụng IC DS1307 LCD: màn hình LCD Nokia 5110
Việc lựa chọn các điện trở và tụ đều chủ yếu được dựa trên datasheet Hình 13 là thiết bị Gateway hoàn thiện với 3
Trang 5chuẩn truyền thông: LoRa cho các thiết bị hiện trường, Wi-Fi
chuyển tiếp dữ liệu của hệ thống lên Trung tâm dữ liệu
Datacenter và 3G trong trường hợp mất kết nối Internet qua
chuẩn Wi-Fi
Hình 13 Mạch PCB của Gateway
Điều này giúp cho hệ thống luôn trong trạng thái có
backup để bảo toàn dữ liệu đo, giúp hệ thống phần mềm luôn
online trong mọi tình huống
3.3 Các thiết bị lưu trữ, xử lý và giám sát dữ liệu
Nhằm giúp người dùng dễ dàng trong việc quan sát dữ
liệu, nhóm đã xây dựng một phần mềm giám sát trên máy tính
và đang thiết lập WebServer và ứng dụng trên điện thoại dành
cho người dùng
Phần mềm giám sát trên máy tính
Hình 14 Giao diện giám sát Giao diện Hình 14 cho biết các thông số độ ẩm đất, nhiệt
độ, độ ẩm không khí thu thập được từ các thiết bị hiện trường
Qua đó số liệu được thống kê để người dùng có thể theo rõi và
có những điều chỉnh hợp lý với từng thời kì của cây trồng
Hình 15 Giao diện điều khiển Hình 15 thể hiện giao diện điều khiển với 3 chế độ thông dụng, cho người dùng dễ dàng điều khiển và chỉnh sửa các thông số cài đặt
Hình 16 Giao diện cài đặt Hình 16 là giao diện cài đặt cho việc hoạt động truyền thông và cảnh báo cho thiết bị và người dùng khi có sự cố hay quá ngưỡng cho phép
Hình 17 Dữ liệu lưu trữ Các dữ liệu thử nghiệm đo được được lưu vào cơ sở dữ liệu để người dùng dễ xem lại và theo rõi thể hiện ở Hình 17 Sau khi hoàn thiện sản phẩm và đưa vào thử nghiệm thực
tế thì các thiết bị hoạt động đúng với yêu cầu đặt ra Các dữ liệu môi trường đươc đo và truyền không dây qua thiết bị LoRa đảm bảo thông tin, tốc độ và khoảng cách truyền xa
Trang 6IV KẾTLUẬN Bước đầu trong giai đoạn thử nghiệm, hệ thống mạng
giám sát cây trồng sử dụng công nghệ truyền thông mới LoRa
đã cho kết quả đáng mong đợi Hệ thống mạng kiểu mới này
đã lược bỏ bớt được các hạn chế của hệ thống mạng kiểu cũ
Nhỏ gọn hơn, giá thành ở mức trung bình, tín hiệu truyền ổn
định, cập nhật nhanh chóng
Tuy nhiên, đây mới chỉ là thành công bước đầu trong giai
đoạn thử nghiệm Khả năng tự chủ năng lượng vẫn chưa thật
sự ổn định Thời hạn sử dụng các thiết bị hiện trường vẫn cần
quan sát, đánh giá thêm Đặc biệt các thiết bị cơ cấu chấp hành
như tưới tiêu, mái vòm, hệ thống phun sương vẫn chưa tích
hợp được các hệ thống thông minh, vẫn cần tác động của con
người trong phần nhiều khâu quản lí
Hiểu rõ vấn đề, nhóm nghiên cứu vẫn luôn nỗ lực cải tiến
hệ thống với mục tiêu ứng dụng trên cơ sở ngông nghiệp cụ
thể với các loại cây trồng có giá trị cao Thiết lập được mạng giám sát thông minh bao gồm tất cả các thiết bị, từ giám sát tới quản lí cho tới chấp hành Nhóm tin tưởng trong thời gian ngắn, hệ thống sẽ được ứng dụng trong thực tế, thúc đẩy nông nghiệp theo hướng tự động hóa
TÀILIỆUTHAMKHẢO
[1] David Manners, “LoRaWAN specs for firmware updates over the air,” Electronic Weekly, 25th October 2018 https://www.electronicsweekly.com/news/business/lorawa n-specs-firmware-updates-air-2018-10/
[2] I-scoop,“ LoRa and LoRaWAN: the technologies, ecosystems, use cases and market” Internet of Things guide, 2017
https://www.i-scoop.eu/internet-of-things-guide/iot-network-lora-lorawan/
[3] Aloys Augustinet al.,”A study of LoRa: long range & low power networks for the Internet of Things”, Sensor, Sensors, 2016, 16, 1466; DOI:10.3390/s16091466
