Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)

Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)Giải Pháp Hỗ Trợ Hệ Thống Tưới Vườn Cây Mang Tính Tự Động (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NG HỆ B ƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Văn Lăng

Phản biện 1: … … …

Phản biện 2: … … …

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Vào lúc : giờ ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

MỞ ĐẦU

Việt Nam là nước dựa chủ yếu vào nông nghiệp (75%), do

đó nâng cao năng suất trong sản xuất nông nghiệp là một việc làm hết sức cần thiết Từ xa xưa người dân đã đúc kết được kinh nghiệm “Nhất nước, nhì phân, tam cần, tứ giống”, qua đó khẳng định vai trò quan trọng của nước đối với sự phát triển của cây trồng

Tài nguyên trái đất đang ngày càng cạn kiệt, và con đường sống của nhân loại là sử dụng chúng một cách hợp lý và hiệu quả Tuy nhiên chúng ta chưa thực hiện tốt việc sử dụng tài nguyên, điển hình là Nước một tài nguyên rất gần gũi và hết sức quan trọng cho sự sống đang được khai thác, sử dụng một cách lãng phí và thiếu hiệu quả Vấn đề này rất phổ biến ở một đất nước nông nghiệp đang phát triển như Việt nam, do kỹ thuật canh tác còn nặng về thủ công, làm theo thói quen dễ dẫn đến việc có thể cung cấp quá nhiều hoặc quá ít lượng nước so với nhu cầu thực của cây trồng khiến cây không có được điều kiện tốt nhất để phát triển, thậm chí là làm cây chết do úng nước hoặc thiếu nước Để khắc phục vấn đề này và để tiết kiệm tối đa chi phí và nhân công nhằm nâng cao năng suất, sản lượng cây trồng, trước hết chúng ta phải chủ động xây dựng được một hệ thống tưới tiêu tự động sử dụng nguồn nước hiện có cho phù hợp Muốn vậy ta cần phải xác định được chính xác khi nào cây cần

nước, cần bao nhiêu nước để cung cấp đủ lượng nước mỗi khi cây cần, tức là luôn kiểm soát được lượng nước, độ ẩm trong khu vực đất canh tác

Bên ca ̣nh đó , nhu cầu rau xanh cung cấp cho bữa ăn hàng ngày của người dân là rất lớn nhưng chất lượng các loa ̣i rau hiện

bán trên thi ̣ trường không thể kiểm soát được Cho nên, dù sở

hữu ngôi nhà có diện tích, không gian lớn hay nhỏ, nhiều gia đình đặc biệt là ở các thành phố thích có được một khu vườn nhỏ

để trồng các loại cây yêu thích, từ hoa, cây cảnh để giải trí cho

tớ i rau, củ, quả để phu ̣c vu ̣ cho bữa ăn hàng ngày của gia đình Những khu vườn đó có thể là một phần sân thượng, hay những khoảng đất trống không phục vụ cho việc xây dựng Nhưng không phải ai cũng có thời gian chăm sóc hay có điều kiện để trang bị các hệ thống tưới đắt tiền, cũng không phải lúc nào chúng ta cũng có mặt ở nhà để trực tiếp theo dõi, kiểm tra Vậy khi xây dựng một hệ thống tưới tự động làm sao chúng ta có thể đảm bảo hệ thống luôn hoạt động hiệu quả với một chi phí thấp nhất có thể và đặc biệt là chúng ta có thể giám sát, theo dõi sự hoạt động của hệ thống ngay cả khi không có mặt ở nhà?

Với mục đích áp dụng tự động hóa và công nghệ thông tin vào nông nghiệp, cụ thể ở đây là việc tưới nước cho cây trồng

để có thể giúp tiết kiệm nước, năng lượng đồng thời vẫn đảm

bảo điều kiện phát triển tốt nhất cho cây trồng với một chi phí thấp, cho phép giám sát và theo dõi sự hoạt động của hệ thống

từ xa Trong khuôn khổ luận văn thạc sĩ lĩnh vực công nghệ

thông tin, đề tài “Giải pháp hỗ trợ hệ thống tưới vườn cây

mang tính tự động” sẽ góp phần giải quyết vấn đề đặt ra

Chương 1 - TỔNG QUAN Giới thiệu:

Chương này trình bày tổng quan về tình hình nghiên cứu, việc áp dụng tự động hóa và các ứng dụng của điều khiển mờ Giới thiệu các phương pháp tưới đang được sử dụng, đánh giá

ưu nhược điểm của từng phương pháp tưới, từ đó đưa ra một phương pháp tưới thích hợp

Nội dung:

1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Với sự phát triển của internet, smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến , Internet of Thing (IoT) đang trở thành xu hướng mới của thế giới IoT được định nghĩa là những thứ có khả năng kết nối internet tức là chúng ta có thể giao tiếp, điều khiển các thiết bị này từ bất cứ nơi nào chỉ cần có internet IoT được biết đến nhiều qua các ứng dụng như nhà thông minh, thành phố thông minh, … và có tiềm năng lớn trong nông nghiệp chính xác

Nông nghiệp chính xác hay canh tác chính xác là một khái niệm còn khá mới ở Việt nam Tuy nhiên, tại Mỹ cũng như nhiều nước phát triển khác, cùng với đà phát triển của công nghệ thông tin nền nông nghiệp chính xác đã được hình thành Từ đầu thế

kỷ 21 nền nông nghiệp thế giới đã chuyển biến mạnh với việc áp

dụng kỹ thuật chính xác để khai thác xa mạc, canh tác các dòng lương thực siêu sản, chuyển qua tưới nhỏ giọt thay cho hệ thống mương máng tưới tiêu và nhất là sẽ thay thế việc bón phân hóa học bằng các bộ phân của khoảng 300 loài vi khuẩn bón theo đường nước Mỗi quyết định đó đều cần kết quả từ việc xử lý trên các máy vi tính Tin học hóa hay vi tính hóa nền nông nghiệp được coi là cuộc cách mạng xanh nhằm nuôi sống nhân loại, trong nền nông nghiệp đó công nghệ thông tin không chỉ là phương tiện hỗ trợ mà trở thành lực lượng lao động trung tâm,

từ đó hình thành nên cộng đồng chuyên gia tin học nông nghiệp

có tên tiếng anh là Information Technology in Agriculture - ITA, với ba thành phần là các chuyên gia, hệ thống đồng bộ trang bị tin học, các phần mềm chuyên dụng

Hiện nay trên thị trường cũng có nhiều hệ thống tưới tiêu

hỗ trợ nông nghiệp được triển khai nhưng chủ yếu hoạt động theo cơ chế thiết lập sẵn thời điểm, thời gian tưới một cách cố định chứ chưa xử lý dựa theo những thay đổi của ngoại cảnh, hay những hệ thống tưới từ nước ngoài có giá thành cao Bên cạnh đó việc cung cấp nước cho cây cũng có khá nhiều biện pháp được đề cập như tưới ngập, tưới rãnh, tưới ngầm, tưới phun, tưới nhỏ giọt và tưới dải

1.2 Các phương pháp tưới

Tưới nước là biện pháp kỹ thuật quan trọng ảnh hưởng lớn

đến năng suất và chất lượng cây trồng Mỗi phương pháp tưới

có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ứng với từng địa hình, chủng loại cây trồng sẽ có những cách thức tưới phù hợp hiệu quả

1.3 Ứng dụng của điều khiển mờ

Ứng dụng của điều khiển mờ đầu tiên phải nói đến là của nhóm Mamdani và Assilian năm 1974 Từ đấy phạm vi ứng dụng thực tiễn của điều khiển mờ trong các lĩnh vực khác nhau đã hết sức rộng rãi như Robot, xe hơi, hệ thống sản xuất trong công nghiệp,… Chúng ta cũng không thể không nhắc tới các thiết bị gia dụng đang được sử dụng hàng ngày như: máy điều hòa nhiệt

phương pháp tưới nhỏ giọt kết hợp với phun sương để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí tạo điều kiện tốt nhất cho cây trồng phát triển Hệ thống tưới nước tự động được triển khai trên các thiết bị có khả năng kết nối internet giúp chúng ta có thể luôn giám sát và theo dõi sự hoạt động của nó từ bất cứ nơi nào

có internet

Chương 2 - ĐIỀU KHIỂN MỜ TRONG

VIỆC TƯỚI TIÊU Giới thiệu:

Chương này giới thiệu về logic mờ và điều khiển mờ, trình bày các khái niệm cơ bản đặc trưng của logic mờ Lý thuyết về tập mờ, biến ngôn ngữ, các phép tính trên tập mờ, phương pháp xây dựng mô hình và các phương pháp giải mờ Giới thiệu và đưa ra các khái niệm về điều khiển mờ, các thành phần cơ bản trong bộ điều khiển mờ Ứng dụng điều khiển mờ để giải quyết bài toán điều khiển hệ thống tưới tự động

Nội dung:

2.1 Logic mờ

Khái niệm về logic mờ được giáo sư L.A Zadeh đưa ra lần đầu tiên năm 1965, tại trường Đại học Berkeley, bang Califonia – Mỹ Từ đó lý thuyết mờ đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi

Năm 1970 tại trường Mary Queen, London – Anh, Ebrahim Mamdani đã dùng logic mờ để điều khiển một máy hơi nước mà ông không thể điều khiển được bằng kỹ thuật cổ điển Tại Đức Hann Zimmermann đã dùng logic mờ cho các hệ ra quyết định Tại Nhật logic mờ được ứng dụng vào nhà máy xử

lý nước của Fuji Electronic vào 1983, hệ thống xe điện ngầm của

Hitachi vào năm 1987

Lý thuyết mờ ra đời ở Mỹ, ứng dụng đầu tiên ở Anh nhưng phát triển mạnh mẽ nhất là ở Nhật Trong lĩnh vực tự động hóa, logic mờ ngày càng được ứng dụng rộng rãi Nó thực sự hữu dụng với các đối tượng phức tạp mà ta chưa biết rõ hàm truyền, logic mờ có thể giải quyết các vấn đề mà điều khiển kinh điển không làm được

2.1.1 Lý thuyết logic mờ

2.1.2 Quy trình hoạt động của logic mờ

2.1.3 Phương pháp xây dựng mô hình

2.1.4 Các phương pháp giải mờ

2.2 Điều khiển mờ

2.2.1 Giới thiệu về điều khiển mờ

Điều khiển mờ chiếm một vị trí rất quan trọng trong điều khiển học kỹ thuật hiện đại Ngay từ buổi đầu, điều khiển mờ đã mang lại sự ngạc nhiên đáng kể rằng hoàn toàn trái ngược với tên gọi của nó, kỹ thuật điều khiển này đồng nghĩa với độ chính xác và khả năng thực hiện Tuy là ngành kỹ thuật điều khiển non trẻ nhưng những ứng dụng trong công nghiệp của điều khiển mờ thật rộng rãi như: điều khiển nhiệt độ, điều khiển giao thông, trong lĩnh vực sản xuất hàng hóa dân dụng …

Các bộ điều khiển được thiết kế dựa trên cơ sở logic mờ

được gọi là bộ điều khiển mờ Chúng có chung một đặc điểm là làm việc theo nguyên tắc sao chép lại kinh nghiệm, tri thức của con người trong điều khiển, vận hành máy móc

So với các giải pháp kỹ thuật từ trước đến nay được áp dụng để tổng hợp các hệ thống điều khiển, phương pháp tổng hợp hệ thống bằng logic mờ chỉ ra những ưu điểm như:

- Khối lượng công việc thiết kế giảm đáng kể do không cần sử dụng mô hình đối tượng, với các bài toán thiết kế có độ phức tạp cao, giải pháp dùng bộ điều khiển mờ cho phép giảm khối lượng tính toán và hạ giá thành sản phẩm

- Bộ điều khiển mờ dễ hiểu hơn so với các bộ điều khiển khác (cả về kỹ thuật) và dễ dàng thay đổi

- Trong nhiều trường hợp bộ điều khiển mờ làm việc ổn định hơn, bền vững hơn và chất lượng điều khiển cao hơn

có tư duy như bộ não dưới dạng trí tuệ nhân tạo, hoạt động của

bộ điều khiển phụ thuộc vào kinh nghiệm và phương pháp rút ra kết luận theo tư duy của con người, sau đó được cài đặt vào máy tính trên cơ sở của logic mờ

Hệ thống điều khiển mờ được thiết kế dựa trên:

- Giao diện đầu vào: bao gồm các khâu mờ hóa, các khâu phụ trợ thêm để thực hiện các bài toán động như tích phân, vi phân…

- Thiết bị hợp thành mà bản chất của nó là sự triển khai luật hợp thành R được xây dựng trên cơ sở luật điều khiển

- Giao diện đầu ra gồm khâu giải mờ và các khâu giao diện trực tiếp với đối tượng

Nguyên tắc tổng hợp một bộ điều khiển mờ hoàn toàn dựa vào những phương pháp toán học trên cơ sở định nghĩa các biến ngôn ngữ vào/ra và sự lựa chọn những luật điều khiển Do các

bộ điều khiển mờ có khả năng xử lý các giá trị vào/ra biểu diễn dưới dạng dấu phảy động với độ chính xác cao nên chúng hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu của một bài toán điều khiển rõ ràng và chính xác

Các bước thiết kế bộ điều khiển mờ:

B1: Định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào/ra

B2: Xác định các tập mờ cho từng biến vào/ra

B3: Xây dựng luật hợp thành (luật điều khiển)

B4: Chọn thiết bị hợp thành

B5: Chọn nguyên lý giải mờ, Tối ưu

2.3 Ứng dụng điều khiển mờ để thiết kế hệ thống tưới

tự động

2.3.1 Xây dựng biến ngôn ngữ

2.3.2 Thu nhận và chuẩn hóa dữ liệu

Chương 3 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG Giới thiệu:

Một hệ thống điều khiển bao gồm hai thành phần: Phần cứng và phần mềm Phần cứng gồm toàn bộ các thiết bị được kết nối với nhau để có khả năng giải quyết các vấn đề theo yêu cầu đặt ra Phần mềm là các chương trình được xây dựng để điều khiển các thiết bị phần cứng nhằm giải quyết được vấn đề

Nội dung:

3.1 Giới thiệu về hệ thống, thiết bị

3.1.1 Giới thiệu về hệ thống

Hình 3.1: Mô hình hệ thống

Hệ thống điều khiển tưới tự động có đầu vào là trạng thái mưa, nhiệt độ, độ ẩm đất và độ ẩm không khí, đầu ra là thời gian

mở van tưới với sự kết hợp giữa phương pháp tưới nhỏ giọt và tưới phun sương để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí tạo điều kiện thuận lợi nhất để cho cây trồng phát triển Với những dữ liệu được thu về từ các cảm biến, bộ vi xử

lý sẽ tiến hành công việc tính toán và đưa ra các lệnh điều khiển tới các trạm điều khiển, đồng thời các thông tin dữ liệu thu về, các lệnh đưa ra, trạng thái hoạt động của hệ thống sẽ được đưa lên một màn hình hiển thị và gửi tới một địa chỉ Web vì vậy ta

có thể giám sát được hệ thống từ bất cứ nơi nào chỉ cần có internet

3.1.2 Thiết bị, hạ tầng phần cứng trong hệ thống

3.2 Xây dựng chương trình

IoT Wifi Uno được sử dụng làm trung tâm xử lý của hệ thống điều khiển, đây là nơi thực hiện các công việc tính toán, điều khiển, truyền dẫn sau khi nhận được các thông tin dữ liệu

từ các thiết bị, cụ thể như sau:

- Input: cảm biến mưa, cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm không khí, cảm biến độ ẩm đất

- Output: module tưới phun sương, module tưới nhỏ giọt,

sử dụng cảm biến đo lưu lượng dòng chảy để xác định xem có dòng nước chảy qua hay không để xác định được thiết bị có hoạt

động hay không để báo cho server biết

- Server: IoT wifi Uno sau khi nhận được dữ liệu từ các cảm biến tiến hành tính toán cho ra các lệnh để điều khiển các van tưới, kiểm tra trạng thái hoạt động của thiết bị đầu ra bằng cách đọc tín hiệu trả về từ phía output Thông tin sẽ được hiển thị trên một màn hình cho biết nhiệt độ, độ ẩm, trạng thái hoạt động, … đồng thời các thông tin này cũng được đưa lên một địa chỉ trên internet thông qua ESP8266 được tích hợp trên thiết bị

3.2.1 Thiết lập các biến vào, ra

3.2.2 Thiết lập các luật điều khiển