Phát Triển Hệ Thống Tưới Nước Thông Minh Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời Và Mạng Cảm Biến Không Dây Kết Hợp Công Nghệ IoT

Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu định hướng nghiên cứu chế tạo một hệ thống có khả năng đo nhiều thông số môi trường cùng một lúc, đồng thời có khả năng thu thập và đánh giá các thông s

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN

CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA

1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI KH&CN

CẤP ĐẠI HỌC QUỐC GIA

2

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

1.1 Tên đề tài:

Phát triển hệ thống tưới nước thông minh sử dụng năng lượng mặt trời và

mạng cảm biến không dây kết hợp công nghệ IoT Tiếng Anh:

Developing smart irrigation using solar energy based on wireless sensor network and integrating IoT technology 1.2 Mã số: QG.17.09

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

1 TS Lê Quang Thảo Trường ĐHKHTN,

6 KS Trần Hoàng Thành Ban Kinh tế - Xã hội,

Hội Nông dân tỉnh Yên Bái

Thành viên

7 HVCH Lưu Hoàng Long Khoa Vật lý, Trường

ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

Thành viên

8 HVCH Trần Quốc Tự Kiều Khoa Vật lý, Trường

ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội

Thành viên

1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên

1.5 Thời gian thực hiện:

1.5.1 Theo hợp đồng: 24 tháng, từ tháng 02 năm 2017 đến tháng 02 năm 2019

1.5.2 Gia hạn (nếu có): Không

3

1.5.3 Thực hiện thực tế: 24 tháng, từ tháng 02 năm 2017 đến tháng 02 năm 2019

1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): Không

(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý

kiến của Cơ quan quản lý)

1.7 Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 400 triệu đồng

PHẦN II TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Viết theo cấu trúc một bài báo khoa học tổng quan từ 6-15 trang (báo cáo này sẽ được đăng trên tạp chí khoa học ĐHQGHN sau khi đề tài được nghiệm thu), nội dung gồm các phần:

1 Đặt vấn đề

Trước tình trạng biến đổi khí hậu, sự nóng lên của trái đất, ô nhiễm môi trường do quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa Cùng với đó là sự tăng lên nhanh chóng của dân số toàn cầu dẫn đến nhu cầu về các sản phẩm nông nghiệp tăng theo, mở rộng quy mô canh tác điều này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường nước ngọt Do đó, tiết kiệm nước đang là một trong những vấn đề được nhân loại quan tâm hàng đầu

Ở Việt Nam, nền nông nghiệp phát triển lâu dài, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lương thực, thực phẩm cho người dân, sản phẩm cho công nghiệp chế biến và tham gia vào xuất khẩu Do đó, nhu cầu về hệ thống tưới tiêu mang lại hiệu quả cao vừa đáp ứng sự phát triển của cây trồng vừa tiết kiệm nguồn nước là vô cùng cần thiết Hiện nay, với những quy mô nông nghiệp vừa

và nhỏ, hộ gia đình, cung cấp nước tưới cho cây trồng chủ yếu là bằng sức lao động của con người, hoặc sử dụng các máy bơm công suất nhỏ…dựa trên những kinh nghiệm cảm tính của người nông dân Dù ít dù nhiều, việc tưới nước như vậy cũng ảnh hưởng phần nào đến sự phát triển của cây trồng Đối với những quy mô lớn, lại sử dụng những hệ thống tưới tự động đã có sẵn trên thị trường, có thể cài đặt tưới định kì theo thời gian: theo ngày chẵn, lẻ, theo tuần hoặc theo tháng, mỗi lần tưới trong một khoảng thời gian nhất định Điều này có một số những nhược điểm nhất định: hệ thống tự động sẽ tưới kể cả khi trời mưa, khi tưới trong một khoảng thời gian sẽ không đảm bảo lượng nước đó là đủ cho cây trồng, hay làm lãng phí nguồn nước tưới

Trong đề tài này, nhóm nghiên cứu định hướng nghiên cứu chế tạo một hệ thống có khả năng đo nhiều thông số môi trường cùng một lúc, đồng thời có khả năng thu thập và đánh giá các thông số

đã đo được theo thời gian thực từ nhiều trạm cảm biến khác nhau, các dữ liệu này được truyền về trạm chính điều khiển qua công nghệ mạng cảm biến không dây để xử lý và thực hiện việc điều tiết tưới nước

2 Mục tiêu

Nghiên cứu, phát triển và triển khai xây dựng một hệ thống tưới nước thông minh sử dụng năng lượng mặt trời và mạng cảm biến không dây kết hợp công nghệ IoT (Internet of Things) với các mục tiêu chính sau

- Thiết kế được hệ thống quan trắc giám sát các yếu tố ảnh hưởng đến sinh trưởng và phát

3 Phương pháp nghiên cứu

- Dựa trên dữ liệu thu được từ các cảm biến đo thông số môi trường, hệ thống xác định lượng nước cây cần và điều khiển máy bơm tưới nước

- Theo dõi, thu thập các thông số môi trường cần đo ảnh hưởng đến việc tưới cây như nhiệt

độ, đổ ẩm không khí, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng theo các phương khác nhau Dữ liệu được gửi về trạm trung tâm, xử lý, so sánh với ngưỡng đã thiết lập trước, điều khiển máy bơm cung cấp nước đến cây trồng hoặc không

- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các biến dựa trên các nghiên cứu đã thực hiện trong và ngoài nước trước đó

- Khai thác bộ dữ liệu về nhu cầu cần nước của cây từ các cơ sở nuôi trồng hoặc từ các chuyên gia nông nghiệp để làm cơ sở dữ liệu cho khối xử lý trung tâm

- Xây dựng phần mềm điều khiển hệ thống và giao diện với người dùng

- Thiết kế, chế tạo thử nghiệm, cân chỉnh và đánh giá sai số khi hệ thống chạy trong phòng thí nghiệm và chạy ngoài thực tế

4 Tổng kết kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu mà đề tài đạt được bao gồm

- 01 Hồ sơ thiết kế kỹ thuật, hồ sơ chế tạo hệ thống tưới nước tiết kiệm cho quy mô vườn trồng cây lâu năm có diện tích 360 m2

- 01 Báo cáo thuyết minh xây dựng hệ thống tưới nước thông minh gồm 4 trạm con quan trắc giám sát các yếu tố ảnh hưởng đến phát triển của cây

- 01 Bản mô tả quy trình hoạt động của trạm chính xử lý các thông số của trạm con để điều khiển việc phân phối nước có công suất 600l/h; Hệ thống cho phép tự động điều khiển, tích hợp công nghệ IoT (Internet of Things) và SMS nhằm quản lý, giám sát tiến trình cung cấp nước cho cây trồng áp dụng cho phạm vi rộng hơn

- 01 Đăng ký sở hữu trí tuệ

- 01 bài báo trên các tạp chí khoa học của ĐHQGHN

- 02 Học viên cao học

5 Đánh giá về các kết quả đã đạt được và kết luận

5.1 Xây dựng hệ thống trạm con theo dõi, giám sát các thông số môi trường

5.1.1 Khảo sát hoạt động cảm biến độ ẩm đất

Độ ẩm đất là lượng nước trong mẫu đất bị mất đi khi mẫu đất bị đốt nóng đến nhiệt độ 105°C [1], độ ẩm thường được biểu diễn theo % của khối lượng đất khô Để đánh giá độ ẩm đất, cảm biến

5

MS10 [2] được sử dụng Đây là sản phẩm của công ty Công nghệ Đại Liên Endeavour, MS10 có độ nhạy và độ chính xác cao, đây là một công cụ quan trọng để nghiên cứu độ ẩm đất bằng cách đo trực tiếp hằng số điện môi của đất từ đó xác định độ ẩm của đất

Nguyên lý đo độ ẩm đất bằng cảm biến MS10 dựa vào việc xem xét độ dẫn của đất theo phương pháp Wenner, phát dòng điện vào trong môi trường sau đó ghi nhận hiệu điện thế giữa các cực, từ

đó xác định được độ dẫn của đất xác định được độ ẩm tương ứng

Trước khi sử dụng cảm biến vào làm thiết bị cho mạng cảm biến không dây tác giả đã thực hiện

đo đạc đối chiếu, so sánh số liệu độ ẩm đất thu được khi đo bằng cảm biến MS10 với số liệu thực nghiệm đo được bằng phương pháp thủ công dựa theo tiêu chuẩn TCVN 4048:2011, kết quả cho thấy việc đo độ ẩm đất bằng cảm biến MS10 là phù hợp, với sai số rất nhỏ chỉ khoảng 1%

có nắp đậy kín để đề phòng mẫu đất ẩm bị bay hơi nước trước khi cân, hoặc mẫu đất khô sau khi sấy hoặc trước lần cân cuối cùng hút ẩm từ không khí vào Mỗi thí nghiệm xác định độ ẩm cần một hộp đựng mẫu

- Chuẩn bị mẫu: Chuẩn bị các mẫu đất thu thập từ các địa điểm cần nghiên cứu

Hình 1 Thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến MS10 theo các mẫu đất

- Trình tự thí nghiệm:

+ Cân hộp đựng mẫu đã lau sạch, khô cùng với nắp

Cho mẫu đất ẩm vào hộp, đậy nắp lại ngay và đem cân

+ Mở nắp hộp và cho hộp chứa mẫu đất ẩm này vào trong tủ sấy Sấy mẫu liên tục ở nhiệt

độ 110 ± 5oC (230 ± 9oF) cho đến khối lượng không đổi

+ Lấy hộp mẫu ra khỏi tủ sấy, đậy ngay nắp lại để mẫu vào bình hút ẩm cho mẫu nguội đến nhiệt độ phòng

5.1.3 Kết quả thực nghiệm chuẩn hóa cảm biến MS10

Với 03 loại đất làm thực nghiệm (đất nông nghiệp - A, đất sân trường - B, đất công trường xây dựng - C) mỗi loại đất chia thành 4 mẫu được để trong các điều kiện khác nhau cho có độ ẩm khác nhau, tác giả thực hiện đo độ ẩm bằng TCVN 4048:2011 như đã trình bày sau đó đo điện áp đầu ra của cảm biến MS10, kết quả thu được số liệu như bảng 1

Mẫu đất Điện áp đo được bằng cảm

Bảng1 Độ ẩm các mẫu đất đo được theo TCVN 4048:2011

và điện áp đầu ra được đo bằng cảm biến MS10

Từ bảng số liệu trên thu được đồ thị về mối liên hệ giữa điện áp ra khi đo bằng cảm biến MS10

và độ ẩm tương ứng của các mẫu đất:

7

Hình 3 Đồ thị liên hệ giữa điện áp ra và độ ẩm tương ứng

Tổng hợp thực nghiệm với 3 loại đất chia thành 12 mẫu thí nghiệm sau khi đo bằng phương pháp thủ công theo TCVN 4048:2011, và đo thực nghiệm với cảm biến MS10 ta thấy nếu hiệu điện thế

đo được là u thì độ ẩm được tính gần đúng là SM=49,48.u (%) thông số này có sự phù hợp với tài liệu [2] mà nhà sản xuất đưa ra là lấy giá trị điện áp đo được nhân với 50 sẽ ra độ ẩm của đất

5.1.4 Thông số lập trình chuyển đổi tín hiệu số của các cảm biến

Cảm biến độ ẩm đất: Cảm biến độ ẩm đất MS10 có thể đo được độ ẩm từ 0-100% với điện áp ra

từ 0- 2V, trong khi đó bộ chuyển đổi sử dụng trong trạm cảm biến là bộ ADC 10 bit [3] có điện áp hoạt động là từ 0-5V, như vậy có thể đưa ra công thức tính độ ẩm đất dựa vào số ADC đọc được là:

Cảm biến nhiệt độ độ ẩm DHT11 [4]: Là IC tích hợp sử dụng nhiệt điện trở để đo nhiệt độ và cảm biến điện dung để đo độ ẩm tương đối trong không khí Với giao tiếp 1 wire và số liệu được số hoá để giao tiếp với vi điều khiển nên được sử dụng để đo nhiệt độ, độ ẩm khá phổ biến

Cảm biến ánh sáng: Sử dụng quang trở CdS [5] là điện trở bán dẫn có trị số càng giảm khi được chiếu sáng càng mạnh Nguyên nhân là do khi ánh sáng chiếu vào chất bán dẫn (có thể là Cadmium sulfide – CdS làm phát sinh các điện tử tự do, tức sự dẫn điện tăng lên và làm giảm điện trở của chất bán dẫn Đọc ADC giá trị điện áp rơi trên quang trở chúng ta có thể biết được cường độ ánh sáng chiếu vào nó

5.1.5 Thuật toán hoạt động trên trạm con [6]

Khi được khởi tạo, trạm con sẽ lựa chọn kênh truyền đồng thời kích hoạt mô-đun thu phát vô tuyến thực hiện các giao tiếp SPI và khởi động ADC Sau đó hệ thống thiết lập thời gian chờ, nếu như thời gian chờ bằng thời gian thực bộ thu phát vô tuyến sẽ thực hiện nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu, nếu không, mô-đun thu phát vô tuyến sẽ được tắt, trở về chế độ chờ nhằm tiết kiệm năng

8

lượng Khi thời gian chờ hết, các cảm biến được khởi động thu thập dữ liệu theo thời gian thực, đưa

dữ liệu vào bộ đệm và truyền dữ liệu khi mà bộ thu phát vô tuyến đã trong chế độ sẵn sàng truyền Trong quá trình truyền tín hiệu từ trạm về trung tâm, trạm sẽ nhận được tín hiệu phản hồi từ thiết bị nhận dữ liệu gửi về để đảm bảo tín hiệu đã được truyền thành công Trong trường hợp chưa nhận được tín hiệu phản hồi, trạm sẽ tiếp tục truyền lại gói tin và sau một khoảng thời gian hoặc một số lần truyền nhần định nào đó, nếu như vẫn không nhận được tín hiệu phản hồi, trạm sẽ kết thúc quá trình truyền và quay trở về chế độ chờ

Hình 4 Sơ đồ thuật toán trên trạm con

5.1.6.Tiêu thụ năng lượng trong mạng cảm biến không dây [7]

Năng lượng trong mạng cảm biến không dây bị mất mát không chỉ do các thành phần phần cứng các cảm biến, bộ thu phát vô tuyến hay bộ vi điều khiển mà còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác như số lượng trạm con trong mạng, tốc độ dữ liệu, công suất phát sóng điện từ Hầu hết các mạng cảm biến trong các ứng dụng yêu cầu phải hoạt động trong một thời gian dài cho một nhiệm vụ cụ thể mà không có sự can thiệp của con người do đó năng lượng tiêu thụ luôn là vấn đề quan ngại cho tuổi đời cũng như độ tin cậy của mạng Để đánh giá ảnh hưởng của số lượng trạm con với năng lượng tiêu thụ trong mạng, ví dụ một mạng cảm biến giám sát các thông số môi trường gồm từ 1 đến 4 trạm được bố trí trong không gian hẹp để tiến hành thí nghiệm, các thông số thiết lập cho các trạm

con cũng như tần số lấy mẫu của các cảm biến:

 Yêu cầu tín hiệu xác thực khi đã gửi/nhận thành công dữ liệu (ACK)

 Tự động truyền dữ liệu khi lỗi xảy ra sau thời gian 250 µs

 Cấu hình số lần tự động truyền dữ liệu lại khi lỗi xảy ra: 0-15 lần

 Cấu trúc dữ liệu gồm: địa chỉ, độ dài địa chỉ, mã sửa lỗi, dữ liệu, chiều dài dữ liệu

 Cấu hình công suất phát: 0dBm, -12dBm, -18dBm

 Cấu hình tốc độ truyền dữ liệu: 250Kbps, 1Mbps, 2Mbps

 Tần số sóng mang: 2.4GHz∼2.525GHz

9

 Kích hoạt chế độ nhận dữ liệu từ nhiều luồng

 Cảm biến sử dụng: (Nhiệt độ- độ ẩm) DHT11, (Ánh sáng) CdS, (Độ ẩm đất) EMC10

 Tần số lấy mẫu: DHT11:33.5Hz; CdS: 5.18 Hz; MS10: 470.5Hz

 Vi điều khiển: Atmega8, tần số 8Mhz

 Nguồn sử dụng: Pin 18650 – 2400mAh

Thực hiện việc đo năng lượng trong mạng theo sơ đồ:

Hình 5a Sơ đồ khối bố trí đo năng lượng

mạng cảm biến

Hình 5b Bố trí đo năng lượng mạng trong Phòng thí nghiệm

Hình 5 Sơ đồ đo năng lượng tiêu thụ trong mạng cảm biến

Giải pháp quản lý năng lượng [7,8,9]

Qua quá trình phân tích, đánh giá các yếu tố tác động đến năng lượng tiêu thụ của mạng cảm biến, có thể thấy lượng năng lượng tiêu thụ thay đổi khi thay đổi các yếu tố này Năng lượng tiêu thụ tăng khi số lượng nút cảm biến tăng, số lần lấy mẫu tăng, thử lại nhiều lần hay công suất phát cao và năng lượng tiêu thụ có thể giảm khi tốc độ dữ liệu cao Năng lượng khi nút hoạt động ở các chế độ khác nhau thể hiện như hình 6

Figure 6 So sánh năng lượng ở các chế độ hoạt động khác nhau của nút cảm biến

Dưới đây là một số giải pháp giảm tiêu hao năng lượng

- Giảm số lượng trạm cảm biến

sleep active transmission

10

Trạm cảm biến là thành phần không thể thiếu trong cấu trúc mạng cảm biến không dây, tham gia vào các nhiệm vụ chuyển đổi dữ liệu, thiết bị đầu cuối, thiết bị định tuyến hoặc các trạm gốc Do vậy, một ứng dụng mạng thường có một vài hoặc nhiều hơn số trạm cảm biến Đây cũng là thành phần tham gia tiêu thụ năng lượng mạng, năng lượng tiêu thụ trên trạm cảm biến xảy ra ở vi điều khiển, đơn vị cảm biến, đặc biệt là bộ thu phát vô tuyến Số lượng trạm cảm biến càng nhiều càng tiêu tốn năng lượng do đó khi ứng dụng mạng cảm biến không dây nên giảm số trạm cảm biến đến

mức tối đa tránh mất mát năng lượng không cần thiết mà vẫn đảm bảo thực hiện được nhiệm vụ

- Thực hiện truyền trực tiếp từ các trạm đến các trạm gốc

Các mạng cảm biến không dây cần được thiết kế sao cho sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên, giải quyết vấn đề năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng Hiện nay hai cấu trúc chính của mạng cảm biến không dây là cấu trúc phẳng và cấu trúc tầng Tuy nhiên cả 2 cấu trúc này đều cần một số lượng các trạm trung gian nhất định, điều này ít nhiều làm tổn thất năng lượng do đó việc truyền trực tiếp từ các trạm đến các trạm gốc là cần thiết

- Giảm tỉ lệ lấy mẫu

Tiến hành lấy mẫu nhiều có thể làm tăng độ chính xác của dữ liệu tuy nhiên cũng tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể Bên cạnh đó, với các ứng dụng theo dõi các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng là các đại lượng tương đối không yêu cầu lấy mẫu liên tục và dữ liệu không yêu cầu độ chính xác cao do đó chỉ cần lấy mẫu định kì là đã có thể thực hiện được nhiệm vụ Nhìn chung, tùy thuộc vào từng đối tượng cụ thể để thiết lập tần số lấy mẫu

sao cho hợp lý và tiết kiệm năng lượng nhất

5.1.7 Cấu tạo trạm cảm biến con

Gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11, cảm biến ánh sáng sử dụng quang trở CdS, cảm biến

độ ẩm đất MS10 làm nhiệm vụ thu thập chuyển đổi độ ẩm tương đối của đất canh tác thành tín hiệu điện

Các tín hiệu kể trên sau khi chuyển đổi thành tín hiệu điện được vi xử lý AVR 8 bit Atmega8 [3] thuộc họ Atmel xử lý và đóng gói để khối truyền phát vô tuyến gửi dữ liệu này về trạm xử lý trung tâm bằng sóng vô tuyến

Khối truyền phát vô tuyến sử dụng chip nRF24L01 của hãng Nordic [10], đây là chíp truyền nhận hai chiều hoạt động năng lượng thấp Kết hợp với mạch khuếch đại công suất sóng cao tần và anten 2.5 dB nên khoảng cách truyền nhận có thể lên đến hàng trăm mét

11

Hình 7 Sơ đồ mạch khối thu tập dữ liệu

a Sản phẩm khi thử nghiệm đo đạc b Sản phẩm khi đóng vào hộp

c Sản phẩm khi thử nghiệm đo đạc d Sản phẩm khi triển khai ngoài thực địa

Hình 8 Trạm thu thập dữ liệu Các thông số chính của trạm cảm biến

12

- Dải tần số hoạt động: 2.400-2.4835 GHz

- Tốc độ truyền dữ liệu: 2Mbps

- Điện áp nguồn nuôi: 3.7V-2200mAh, DC (Pin lithium)

- Công suất pin mặt trời: 9V-5W

- Ánh sáng tương đối: Nắng và không nắng

5.2 Xây dựng quy trình hoạt động của trạm chính xử lý các thông số của trạm con

5.2.1 Thiết kế mạng cảm biến

Mạng cảm biến không dây giám sát độ ẩm đất trồng cây nông nghiệp với diện tích 360 m2 gồm 4 trạm cảm biến thu thập thông số độ ẩm đất tại các vị trí, một trạm xử lý trung tâm và các đường ống dẫn nước phân bố đều trên khu vực canh tác như hình 9

Hình 9 Sơ đồ bản thiết kế giám sát các thông số môi trường

Hệ thống đường ống và ống dẫn tưới được thiết kế gồm 1 ống chính và 8 ống phụ chạy dọc theo hàng cây bố trí như hình 9 Ứng với mỗi cây sẽ có 1 ống pet phun nước để đảm bảo tưới cây được hiệu quả và tiết kiệm nước nhất Với diện tích vườn rộng, bể chứa được đặt trung tâm để áp suất trong đường ống được duy trì ổn định, tránh trường hợp áp suất thấp với các đường ống ở xa, lượng nước chảy ở mỗi pet nước không đồng đều, làm ảnh hưởng tới năng suất

5.2.2 Phần cứng trong trạm trung tâm

Diễn giải phần cứng trong bộ xử lý trung tâm gồm bộ truyền sóng vô tuyến nRF24L01 và bộ xử

lý trung tâm là Atmega128 [11] để điều khiển van tự động