Bài viết trình bày xây dựng một mô hình hệ thống IoT giá thành rẻ với các cảm biến môi trường (khí CO2, độ ẩm, nhiệt độ, và ánh sáng) nhằm ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp chính xác về nuôi trồng nấm ăn. Hệ thống được thiết kế trên cơ sở sử dụng bo mạch Adruino Wemos D1 R1, và các cảm biến môi trường gồm cảm biến nguyên lý hấp thụ hồng ngoại đo khí CO2, cảm biến ánh sáng nguyên lý quang trở và cảm biến nhiệt độ và độ ẩm là DHT11.
Trang 1Xây dựng mô hình hệ thống IoT sử dụng cảm biến môi trường nhằm ứng dụng trong nuôi
trồng nấm ăn
Đào Văn Quân1, Phạm Đình Tuân1,* và Hồ Trường Giang2
1Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội
2Viện Khoa học vật liệu, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội;
*Email: tuanpd@vnu.edu.vn
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi xây dựng một
mô hình hệ thống IoT giá thành rẻ với các cảm biến môi
trường (khí CO 2 , độ ẩm, nhiệt độ, và ánh sáng) nhằm
ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp chính xác về nuôi
trồng nấm ăn Hệ thống được thiết kế trên cơ sở sử dụng
bo mạch Adruino Wemos D1 R1, và các cảm biến môi
trường gồm cảm biến nguyên lý hấp thụ hồng ngoại đo
khí CO 2 , cảm biến ánh sáng nguyên lý quang trở và cảm
biến nhiệt độ và độ ẩm là DHT11 Trong đó, tham số khí
CO 2 (đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển
của nấm) được xây dựng ở đây là dựa trên cảm biến khí
CO 2 nguyên lý hấp thụ hồng ngoại theo cấu hình không
tán sắc (NDIR) đã được thiết kế và chế tạo tại phòng thí
nghiệm tại Việt Nam Hệ thống IoT này có chức năng
thu nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý tín hiệu, hiển thị
thông tin về các thông số môi trường trên Web và gửi
thông tin qua email dựa trên nền tảng Node-Red IoT
Platform với mã nguồn mở
Keywords- Internet vạn vật (IoT), nền tảng Node-Red
Platform, cảm biến khí nguyên lý hấp thụ hồng ngoại
(NDIR), nông nghiệp chính xác
I GIỚITHIỆU Hiện nay, sự phát triển của cuộc cách mạng công
nghiệp 4.0 đang ở quy mô toàn cầu Các ứng dụng
khoa học công nghệ và kỹ thuật cao vào các lĩnh vực
ngày càng phát triển ở quy mô rộng và cho giá thành
rẻ Trong phát triển công nghiệp 4.0, công nghệ thông
tin, kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động, cảm biến
đóng vai trò hết sức quan trọng Tùy vào mỗi lĩnh vực
cụ thể, công nghiệp 4.0 được phát triển cho phù hợp
riêng và ngày càng hiện thực hóa Nước ta có ưu thế
cho phát triển nông nghiệp, và hiện nông nghiệp chiếm
tỷ trọng khá cao trong nền kinh tế Tuy thế, chất lượng
và sản lượng của sản phẩm nông nghiệp của chúng ta
thấp vẫn còn hơn so với các nước khác Ngành nông
nghiệp của ta còn lạc hậu, thiếu những áp dụng công
nghệ cao vào trong sản xuất và quản lý Nông nghiệp
công nghệ cao hay chính xác là áp dụng ứng dụng
công nghệ hiện đại vào trong việc nuôi trồng, thu
hoạch, bảo quản, phân phối sẽ giúp làm giảm sức lao
động của con người, thuận tiện trong quản lý, điều
khiển, giám sát và do đó sản phẩm nông nghiệp sẽ
được nâng cao cả về số lượng cũng như chất lượng
Hơn nữa, một xu hướng phát triển hiện tại trên thế giới
về sản phẩm nông nghiệp là cần trích xuất được nguồn gốc thông tin sản phẩm liên quan đến toàn bộ quá trình nuôi trồng
Internet vạn vật (IoT) được hiểu đơn giản là sự kết nối các vật thể với định danh cụ thể với nhau thông qua mạng internet Gần đây, IoT được cho là chủ đề nóng,
là một ngành hứa hẹn sẽ có phát triển vượt bậc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, do đó nông nghiệp không phải là ngoại lệ IoT giúp cho cuộc sống của con người trở lên thuận lợi trong việc quản lý, điều khiển các thiết bị và tham số đo lường từ xa bằng ứng dụng như điện thoại, website, [1] Dựa trên sự phát triển nhanh chóng các sản phẩm khoa học công nghệ như linh kiện cảm biến, vi xử lý, công nghệ thông tin,
kỹ thuật điện tử, thì IoT càng có tiềm năng và triển vọng phát triển hơn bao giờ hết với mong muốn đưa ra các sản phẩm sáng tạo, hiện đại, tiện ích và đồng bộ để
có thể đáp ứng các nhu cầu của cuộc sống
co2co2 co2
H2O H2O
Cảm biến
o C, RH
Cảm biến
CO 2
(1)
(2)
(3)
Wifi
Lưu trữ
Internet
PC Cell-phone
Nguồn khí
CO 2
Nguồn điện
Khu nuôi trồng nấm (1): cấp ánh sáng, sưởi ấm (2): cung cấp độ ẩm (3): cung cấp khí CO2
Bộ điều khiển
Bộ mã hóa, chuẩn hóa
Cảm biến ánh sáng
Hình 1 Minh họa hệ thống IoT với các chức năng cho ứng
dụng nuôi trồng nấm
Sản xuất nông nghiệp trải qua nhiều công đoạn theo thời gian, nó khá phực tạp khi liên quan đến rất nhiều đối tượng nuôi trồng khác nhau, bài toán thực hiện ở quy mô lớn, và nhiều tham số cần kiểm soát Việc này cần một hệ thống đủ mạnh, hoạt động hiệu quả, tin cậy, và giá thành rẻ để thực hiện khi đó IoT là giải pháp hoàn toàn phù hợp [2] Trong lĩnh vực cụ thể là nuôi trồng nấm, ngoài các tham số về giá thể và loại nấm thì các tham số về môi trường như nhiệt độ, độ
ẩm, khí và ánh sáng đóng một vai trò hết sức quan
Trang 2trọng cần đo đạc, tác động theo từng giai đoạn phát
triển [3,4] Tại các cơ sở nuôi trồng nấm trong nước,
việc áp dụng công nghệ cao trong điều khiển, kiểm
soát các tham số môi trường (đặc biệt là khí) chưa
thực sự được đầu tư và phát triển, chủ yếu vẫn dựa
vào điều kiện tự nhiên về khí hậu, thời tiết của mỗi
vùng, mỗi mùa nên dẫn đến chất lượng và sản lượng
nấm chưa được cao Vì vậy, phát triển được hệ thống
IoT với chức năng cho quản lý, giám sát, điều khiển
các thông số môi trường trong lĩnh vực nuôi trồng
nấm ăn là hết sức có ý nghĩa cho giải quyết bài toán cụ
thể [5] Hệ thống IoT được định hướng xây dựng có
tính linh hoạt cao (dễ thiết kế, dễ mở rộng quy mô, dễ
thay đổi cho từng ứng dụng) và giá thành rẻ Chúng
tôi cũng đặc biệt chú ý đến phát triển hệ thống cho sử
dụng cảm biến khí CO2 chế tạo trong nước Thông số
về khí CO2 trong môi trường trông nấm khó kiểm soát
nhất và hiện tại Việt Nam đang gặp khó khăn về loại
linh kiện cảm biến này Ngoài ra, hệ thống IoT này
còn có thể điều chỉnh để áp dụng phù hợp vào nhiều
lĩnh vực nông nghiệp khác
Hệ thống IoT ở đây được xây dựng bao gồm khối
các cảm biến để đo lường các tham số môi trường
(nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khí CO2); khối mã hóa/
chuẩn hóa các thông tin về môi trường từ các bộ cảm
biến; khối phát wifi thực hiện nhận và gửi thông tin lên
internet; thông qua internet, thông tin được lưu trữ,
quản lý và truy xuất từ xa bằng điện thoại thông minh
và máy tính; và khối điều khiển thực hiện những tác
động điều khiển phản hồi các tham số môi trường cho
từng giai đoạn mong muốn của nuôi trồng nấm Hình 1
minh họa sơ đồ các khối chức năng cho một hệ thống
IoT điển hình trong nuồi trồng nấm ăn Trên phân tích
này, chúng tôi đã xây dựng một mô hình hệ thống IoT
với sự lựa chọn các linh kiện cảm biến và các module
bo mạch phổ biến tại Việt Nam
a) Khối các cảm biến
- Module DHT11: là module cảm biến thương mại
đo nhiệt độ, và độ ẩm Nó được tích hợp trong một
mạch, dễ sử dụng và giá thành rẻ Bộ tiền xử lý tín hiệu
tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) đã tích hợp
và mã hóa giúp các dữ liệu được thu nhận dễ dàng ở
khối mã hóa/ chuẩn hóa
Hình 2 Cảm biến DHT11 (a) và cảm biến ánh sáng (b)
Hình 2a là ảnh chụp cảm biến DTH11 Thông số kỹ
thuật của cảm biến DTH11 như sau:
Điện áp làm việc 3 5 VDC
Chuẩn giao tiếp: TTL
Dòng sử dụng cực đại: 2.5 mA (khi truyền dữ
liệu)
Dải độ ẩm đo 20 80 %RH, sai số: ± 5 %RH
Dải nhiệt độ đo 0 50 °C, sai số ±2 °C
Tần số lấy mẫu tối đa 1 Hz
- Cảm biến ánh sáng quang trở: cảm biến này hoạt
động dựa trên thay đổi điện trở của linh kiện khi cường
độ chiếu sáng thay đổi Chúng tôi đã tích hợp thêm bộ khuếch đại (LM393) để cho tín hiệu lối ra được chuẩn hóa ở dạng tương tự (analog) Cảm biến này cũng có thể dùng để bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi trường Hình 2b là ảnh chụp cảm biến đo cường độ ánh sáng Thông số kỹ thuật của cảm biến quang điện trở như sau:
Điện áp làm việc: 3 5 VDC
Tín hiệu lối ra: tương tự cho dải cường độ ánh sáng 0 1023 Lux
3 chân đầu ra : VCC, GND, A0
- Cảm biến khí CO 2 : Cảm biến đo khí CO2 là cảm biến quang học dựa trên tính chất hấp thụ bức xạ hồng ngoại đặc trưng của phân tử khí CO2 tại vùng bước sóng 4.26 μm Cảm biến này với cấu hình không tán sắc (NDIR) hai kênh thu hồng ngoại được thiết kế chế tạo tại Phòng Cảm biến và thiết bị đo khí, Viện Khoa học vật liệu Hình 3 là ảnh chụp cảm biến NDIR đo khí
CO2 được sử dụng Cảm biến có một buồng đo với hai đầu nối khí vào/ra Nồng độ khí được chuẩn hóa tại hệ thiết bị của Viện Khoa học vật liệu Chi tiết thông số
kỹ thuật của cảm biến như sau:
Điện áp sử dụng: nguồn ± 12VDC
Tín hiệu lối ra cho hai kênh: TTL
Dải nồng độ đo: 0 20 %vol
Độ phân giải: 0.0001 %vol
Tần số lấy mẫu: 1 Hz
Hình 3 Cảm biến NDIR cho đo khí CO2
b) Khối mã hóa/ chuẩn hóa, và thu/phát WiFi
Trong hệ thống IoT này, bo mạch Adruino Wemos D1 R1 được chọn để thu nhận thông tin về các tham số môi trường (tín hiệu ở cả dạng tương tự và số), sau đó chuẩn hóa/mã hóa và phát tín hiệu WiFi Bo mạch Arduino Wemos D1 R1 là bo mạch phát triển từ WeMos được thiết kế gồm hai chức năng xử lý kiểu Arduino Uno và tích hợp WiFi (SoC ESP8266EX) với firmware NodeMCU để dùng được trình soạn thảo và biên dịch Arduino IDE Bo mạch tích hợp này dễ dàng thực hiện lập trình cho phát triển các ứng dụng IoT Hình 4 là ảnh chụp bo mạch Arduino Wemos D1 R1
Trang 3Việc lựa chọn bo mạch Adruino Wemos D1 R1 này
là do nó có một số ưu điểm sau:
Giá thành rẻ, dễ sử dụng, là module hoàn chỉnh
sử dụng vi điều khiển dòng AVR
Kích thước nhỏ gọn
Tích hợp sẵn bộ WiFi, cho phép người dùng có
thể thực hiện những tác vụ TCP/IP đơn giản để
thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc
biệt trong ứng dụng về IoT
Có thể quét và kết nối đến một mạng WiFi bất
kỳ để thực hiện các tác vụ như lưu trữ, truy cập
dữ liệu từ máy chủ (server)
Là dòng vi điều khiển mã nguồn mở, có nhiều
thư viện hỗ trợ cho các module chức năng khác
nhau
Hình 4 Bo mạch Adruino Wemos D1 R1
Hình 5 Chân kết nối của bo mạch Adruino Wemos D1 R1
Hình 5 là sơ đồ kết nối các chân của bo mạch
Arduino Wemos D1 R1 Thông số kỹ thuật bo mạch
Arduino Wemos D1 R1 như sau:
Vi điều khiển: ESP8266EX
Điện áp hoạt động: 3.3 5 VDC
Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có
Interrupt / PWM/I2C/ One-wire, trừ chân D0)
Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào 3.3V)
Bộ nhớ Flash: 4 MB
Giao tiếp: Cable Micro USB
WiFi: 2.4Ghz
Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2
Tích hợp giao thức: TCP/IP
Kích thước: 34.2 mm 25.6 mm
Ngôn ngữ lập trình: C/C++, Micropython, Node
MCU
b) Nền tảng Node-Red IoT Platform
Nền tảng Node-Red IoT Platform được phát triển bởi Node-Red là một công cụ lập trình mạnh mẽ kết nối các thiết bị phần cứng, giao diện kết nối API (Application Programing Interface) và các dịch vụ trực tuyến với nhau trong các ứng dụng về IoT Node-Red cung cấp các luồng dữ liệu dựa trên trình duyệt, nó sử dụng phương pháp lập trình trực quan cho phép các nhà phát triển kết nối với các khối mã xác định trước (gọi là các “node”) với nhau để thực hiện một nhiệm
vụ Mỗi ứng dụng Node-Red bao gồm các node được kết nối với nhau dưới dạng đầu vào (input), đầu ra (output) và các hoạt động (operation) Nền tảng Node-Red có một số ưu điểm nổi bật sau:
Thu thập và lưu trữ dữ liệu một cách đáng tin cậy
Hỗ trợ hiển thị các giao diện biểu đồ, đồ thị, v.v
Dễ dàng phù hợp cho nhiều thiết bị được sử dụng rộng rãi trên thị trường như Adruino, Raspberry Pi, thiết bị Android, v.v…
Các luồng dữ liệu khác nhau được tạo trong Node-Red được lưu trữ bằng JSON, có thể dễ dàng nhập/xuất và chia sẻ với người khác
Cho phép gửi cảnh báo tới người dùng bằng tin nhắn, email, v.v
Hỗ trợ các thiết bị phải được xác thực và quản lý thông tin mã xác thực của thiết bị
Mã nguồn mở nên có thể sử dụng và phát triển một cách miễn phí
c) Lưu đồ thuật toán
Bắt đầu
Khởi động Node-Red, MQTT
Hiển thị dữ liệu trên Node-Red
Gửi dữ liệu, cảnh báo về email
Kết nối MQTT
Server Node-red
Sai
Sai Đúng
Đúng
Hình 6 Lưu đồ thuật toán hệ thống
Hình 6 là lưu đồ thuật toán của toàn hệ thống Hệ thống khi bắt đầu sẽ khởi động máy chủ Node-Red, đồng thời sẽ khởi động giao thức MQTT và khởi tạo tham số hệ thống Khi máy chủ MQTT được khởi
Trang 4động, hệ thống sẽ kiểm tra xem MQTT có kết nối
thành công đồng thời sau đó hệ thống sẽ kiểm tra máy
chủ Node-Red đã khởi động thành công hay chưa Sau
khi đã kết nối thành công, hệ thống sẽ xử lý dữ liệu và
hiển thị trên Node-Red, được cập nhật liên tục 1 giây
một lần Sau khi hiển thị thành công dữ liệu, hệ thống
sẽ gửi số liệu về cho người dùng và gửi cảnh báo nếu
có các tham số vượt ngưỡng cho phép và có nguy cơ
gây hại cho nấm trồng thông qua email
III KẾTQUẢ Các tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng
và nồng độ khí CO2) từ các cảm biến được Adruino
Wemos D1 R1 thu nhận (tín hiệu tương tự - analog và
tín hiệu số - digital) Thông tin này được xử lý/ mã hóa
tương ứng với mỗi tham số môi trường Sau đó, dữ liệu
được định dạng ở dạng chuỗi và đồng thời thông tin
này được đưa lên trang hiển thị Website bằng giao thức
MQTT (Message Queue Telemetry Transport) theo
mạng Wifi Kết quả được hiển thị trên trang thông qua
biểu đồ dữ liệu tham số môi trường theo thời gian và
giá trị tức thời (như trên Hình 7)
Hình 7 Thông tin về các tham số môi trường của hệ thống
được hiển thị trên Website
Dữ liệu đọc được từ cảm biến được đẩy lên Web
một cách liên tục, chính xác và không bị gián đoạn
Trên Node-Red Server không những quản lý và hiển
thị trực quan các đồ thị theo thời gian mà còn gửi dữ
liệu dạng email (minh họa trên Hình 8)
Hình 8 Minh họa gửi về email các tham số môi trường của
hệ thống
Hình 8 là hình ảnh minh họa cảnh báo khi có một
hoặc các thông số môi trường vượt qua ngưỡng thông
số phù hợp cho cây nấm phát triển Hệ thống gửi cánh
báo liên tục cách nhau 5 phút cho đến khi người quản
lý tắt cảnh báo hoặc các tham số môi trường trở về
ngưỡng quy định
Hệ thống đã thể hiện hoạt động ổn định trong một
khoảng thời gian dài, các cảm biến hoạt động liên tục
phù hợp phát triển ứng dụng cho giám sát liên tục các thông số môi trường cơ bản trong nuôi trồng nấm hoặc cây trồng trong nhà kính Hệ thống đã được thiết kế ở mức độ thử nghiệm một mô hình với một thiết bị chủ (bo mạch Adruino Wemos D1 R1) cho thu thập thông tin từ 4 cảm biến Tuy vậy, việc mở rộng hệ thống với nhiều điểm đo khác nhau là đơn giản khi thực hiện sử dụng nhiều bo mạch Adruino Wemos D1 R1 và thay đổi về lập trình
IV KẾTLUẬN Một hệ thống IoT đã được xây dựng thử nghiệm trên cơ sở các cảm biến môi trường, bo mạch Adruino Wemos D1 R1 và nền tảng Node-Red IoT Platform nhằm đề xuất một mô hình cho ứng dụng nuôi trồng nấm với giá thành rẻ Hệ thống này có khả năng quản
lý, truyền/nhận thông tin với độ tin cậy cao, tốc độ phản hồi nhanh và vận hành liên tục Hệ thống linh hoạt với khả năng mở rộng quy mô điểm đo, linh hoạt trong thay đổi cấu trúc để có thể đáp ứng với các bài toán khác trong thực tế
Công trình này được hỗ trợ bởi Trường Đại học Công Nghệ thông qua đề tài với mã số CN20.47
[1] Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805 [2] Savaram Ravindra, "IoTs Applications in Agriculture", 2020, https://www.iotforall.com/iot-applications-in-agriculture [3] Edmund B Lambert, Efect of excess carbon dioxide on growing mushroom, Journal of Agricultural Research, 47,
1933
[4] Cliffe-Byrnes V, O' Beirne D, Effects of gas atmosphere and temperature on the respiration rates of whole and sliced mushrooms (Agaricus bisporus) - implications for film permeability in modified atmosphere packages, Journal of Food Science, 72, 2007
[5] Kitaya Y, Tani A, Kiyota M, Aiga I., Plant growth and gas balance in a plant and mushroom cultivation system, Advances in Space Research, 14, 1994
[6] Jeffrey W Fergus, 2008 A review of electrolyte and electrode materials for high temperature electrochemical CO 2 and SO 2
gas sensors, Sensors and Actuators B 134, 1034-1104 [7] Qiulin Tan, Licheng Tang, Mingliang Yang, Chenyang Xue, Wendong Zhang, Jun Liu and Jijun Xiong, 2015 Three-gas detection system with IR optical sensor based on NDIR technology Optics and Lasers in Engineering 74, 103-108 [8] Edmund B Lambert, Effect of excess carbon dioxide on growing mushroom, Journal of Agricultural Research, 47,
1933
[9] Guangjun Zhang and Xiaoli Wu, 2004 A novel CO 2 gas analyzer based on IR absorption Optics and Lasers in Engineering 42, 219-231
[10] Hanns Erik Endres, Hildegard D Jander and Wolfgang Gottler, 1995 A test system for gas sensors Sensors and Actuators B 23, 163-172
[11] Node-Red, “Node-Red IoT Platform”, 2020, https://nodered.org/#:~:text=Node%
DRED%20is%20a%20programming,runtime%20in%20a%20 single%2Dclick
[12] Rodger Lea, “noderedguide”, 2016, http://noderedguide.com/nr-lecture-1/#more-14.
