Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong việc phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng

Áp dụng khoa học công nghệ, đặc biệt là kỹ thuật đo lường trong việc phát triển nông nghiệp xanh đã mang lại những hiệu quả hết sức to lớn. Với quy mô nhà trồng hay nông trại rộng, thì việc sử dụng thiết bị đo kết nối theo phương pháp đi dây truyền thống sẽ gặp nhiều khó khăn. Chính vì vậy nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây nhằm giám sát nhiệt độ độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng đã được trình bày trong bài báo này. Bài báo tập trung khái quát về một giải pháp xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu đo nhiệt độđộ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng dựa trên mạng cảm biến không dây coi mỗi điểm đo, đặt cảm biến là một nút mạng, sau đó thiết kế sơ bộ cảm biến đo thông minh tại mỗi nút mạng sử dụng IC đo nhiệt độ độ ẩm cơ bản. Các cảm biến đo thông minh này được tích hợp chip điều khiển và module truyền thông cho phép truyền số liệu không dây đến trạm thu thập số liệu, từ đây số liệu đo được gửi về trung tâm giám sát.

Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong việc phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng Tóm tắt

Áp dụng khoa học công nghệ, đặc biệt

là kỹ thuật đo lường trong việc phát

triển nông nghiệp xanh đã mang lại

những hiệu quả hết sức to lớn Với quy

mô nhà trồng hay nông trại rộng, thì

việc sử dụng thiết bị đo kết nối theo

phương pháp đi dây truyền thống sẽ

gặp nhiều khó khăn Chính vì vậy

nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến

không dây nhằm giám sát nhiệt độ - độ

ẩm môi trường sinh trưởng của cây

trồng đã được trình bày trong bài báo

này Bài báo tập trung khái quát về một

giải pháp xây dựng hệ thống giám sát

thu thập số liệu đo nhiệt độ-độ ẩm môi

trường sinh trưởng của cây trồng dựa

trên mạng cảm biến không dây - coi

mỗi điểm đo, đặt cảm biến là một nút

mạng, sau đó thiết kế sơ bộ cảm biến

đo thông minh tại mỗi nút mạng sử

dụng IC đo nhiệt độ & độ ẩm cơ bản

Các cảm biến đo thông minh này được

tích hợp chip điều khiển và module

truyền thông cho phép truyền số liệu

không dây đến trạm thu thập số liệu, từ

đây số liệu đo được gửi về trung tâm

giám sát

1 Đo lường các thông số cơ bản trong phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng

Theo FAO (Food and Agriculture Organization) và UNEP (United Nations Environment Programme), nông nghiệp xanh liên quan đến việc quản lý thành công các nguồn tài nguyên nông nghiệp và áp dụng ngày càng tăng các công nghệ hiện đại vào trang trại - nông trường nhằm đáp ứng nhu cầu của con người trong khi duy trì hoặc nâng cao chất lượng môi trường và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, cụ thể phải đạt được đồng thời các tiêu chí sau: Duy trì và làm tăng năng suất - lợi nhuận nông nghiệp trong khi đảm bảo việc cung cấp thực phẩm và các dịch vụ hệ sinh thái trên

cơ sở bền vững; giảm thiểu các tác động tiêu cực bên ngoài, như xói mòn đất, ô nhiễm do hoá chất vô cơ nông nghiệp, và khí thải nhà kính nông nghiệp; tái tạo lại các nguồn tài nguyên sinh thái, chẳng hạn như màu mỡ của đất, nước, không khí và đa dạng sinh học bao gồm cả động vật và đa dạng thực vật di truyền Ngoài ra, tác dụng lâu dài của nông nghiệp xanh có thể mang lại cho vụ thu hoạch cây trồng

nhiều hơn và vật nuôi tăng trưởng tốt

hơn cả khi chịu tác động khí hậu tiêu

cực [1,2]

Hình 1 1 Mô hình phát triển nông

nghiệp xanh

Ngày nay trên thị trường hàng hóa, sản

phẩm nông nghiệp xanh được nhận

diện với một số chứng chỉ thương hiệu

như GAP (Good Agricultural

Practices) Ở Việt Nam, sản phẩm

nông nghiệp xanh được nhận diện bởi

thương hiệu VietGAP (hoạt động sản

xuất nông nghiệp tốt ở Việt Nam) - đó

là những nguyên tắc, trình tự, thủ tục

hướng dẫn tổ chức, cá nhân sản xuất

nông nghiệp, thu hoạch, xử lý sau thu

hoạch sản phẩm nông nghiệp nhằm

đảm bảo an toàn, nâng cao chất lượng

sản phẩm, đảm bảo phúc lợi xã hội, sức

khỏe người sản xuất và người tiêu

dùng; đồng thời bảo vệ môi trường và

biết rõ được nguồn gốc sản xuất sản

phẩm

Nông nghiệp xanh trong lĩnh vực trồng trọt thường đòi hỏi rất khắt khe 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 này đòi hỏi cần phải giám sát và thu thập số liệu về nhiệt độ và độ ẩm tại nhiều vị trí khác nhau trong môi trường sinh trưởng cây trồng Nhờ giám sát và thu thập số liệu nhiệt độ - độ ẩm, nhà nông 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 yêu cầu) Biết được độ ẩm của đất, độ ẩm - nhiệt

độ của không khí sẽ cho phép nhà nông điều chỉnh hoạt động canh tác của mình một cách thích hợp để đạt được tối ưu năng suất cây trồng Như vậy, có thể thấy việc đo lường nhiệt độ - độ ẩm

là điều rất quan trọng đối với phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng Tuy nhiên một số vấn đề phát sinh liên quan đến việc áp dụng các cảm biến độ ẩm - nhiệt độ vào phát triển nông nghiệp xanh đó là không gian lớn, khoảng cách truyền dữ liệu xa, số lượng cảm biến nhiều Ngoài ra còn một số khó khăn khác như vấn đề tiêu thụ điện của các cảm biến, sự ăn mòn của cảm biến cũng là các thách thức đặt ra khi thiết

kế mạng cảm biến giám sát và thu thập

số liệu nhiệt độ - độ ẩm ứng dụng trong ngành nông nghiệp xanh

Bài báo này trình bày về một giải phát

thiết kế mạng cảm biến không dây để

giám sát nhiệt độ - độ ẩm môi trường

sinh trưởng của cây trồng trong mô

hình phát triển nông nghiệp xanh Nội

dung của bài báo chỉ tập trung vào đề

xuất một giải pháp xây dựng hệ thống

giám sát và thu thập số liệu nhiệt

độ-độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây

trồng dựa trên mạng cảm biến không

dây Sau đó đưa ra một đề xuất thiết kế

nút mạng cảm biến không dây sử dụng

các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm cơ

bản

2 Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ

ẩm theo mô hình phát triển nông

nghiệp xanh cho cây trồng

Cấu trúc hệ thống sát nhiệt độ và độ ẩm

môi trường sinh trưởng của cây trồng

trên nông trường theo mô hình phát

triển nông nghiệp xanh được trình bày

như hình 2

Các thành phần cơ bản trong hệ thống

được chia thành 3 cấp độ: cấp 1 là

trung tâm giám sát vận hành; cấp 2 là

trạm thu thập dữ liệu cơ sở; cấp 3 bao

gồm các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm

của không khí, của đất trồng tại nông

trường Tùy theo quy mô diện tích đất

canh tác của nông trường và yêu cầu

cấp độ giám sát ta có thể triển khai xây

dựng hệ thống giám sát và thu thập số

liệu phù hợp

Trung tâm giám sát ở đây gồm đường mạng tốc độ cao kết nối đến các trạm thu thập dữ liệu cơ sở; máy chủ với hệ

cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin hệ thống; máy tính giám sát vận hành với các màn hình theo dõi quan sát tình trạng môi trường sinh trưởng của cây trồng, đồng thời đưa ra các cảnh báo để nhà nông điều chỉnh phương pháp canh tác phù hợp nhất Tùy vào nhu cầu của người dùng, trung tâm giám sát cũng

có thể cho phép người quản lý từ xa truy cập vào cơ sở dữ liệu hệ thống qua mạng Wi-Fi (phạm vi hoạt động tối đa

là 100m), GSM/GPRS (phạm vi không giới hạn) khi được trang bị phần cứng tương ứng

Trạm thu thập dữ liệu cơ sở, có thể hiểu

là trạm chủ cùng với các cảm biến đo (các điểm đo) tạo thành mạng cảm biến với cấu hình sao (star) Cấu trúc mạng cảm biến không dây hình sao khá phù hợp với diện tích giám sát không quá rộng, số lượng điểm đo không quá lớn Khi diện tích rộng, điểm đo lớn ta có thể sử cấu trúc mạng cảm biến không dây hình cây (tree) hoặc hình lưới (mesh) Trạm thu thập dữ liệu được cấu tạo từ các module chính sau: module điều khiển xử lý thu thập dữ liệu; module truyền thông tốc độ cao

để truyền dữ liệu về trung tâm; module truyền thông không dây theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc Wi-Fi để nhận

dữ liệu nhiệt độ - độ ẩm từ các cảm

biến truyền về Tùy vào thiết kế được

chọn, trạm thu thập dữ liệu dựa trên

mạng Wi-Fi, GSM/GPRS cho phép

cấu hình để người quản lý có thể truy

cập xem dữ liệu gốc từ cảm biến đo gửi

về

Cấp độ 3 là các cảm biến đo tại hiện

trường, bài báo này chỉ tập trung vào

các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm của

đất trồng, không khí môi trường sinh

trưởng của cây trồng Dựa vào nhu cầu

sử dụng, các thiết bị đo nhiệt độ - độ

ẩm ngoài đầu đo cơ sở, sẽ được tích

hợp kèm theo module khuếch đại - xử

lý - chuyển đổi tín hiệu đo, màn hình

hiển thị, bộ nhớ, module điều khiển,

module nguồn và mudle truyền thông

theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc

Wi-Fi Dựa trên công nghệ truyền

thông không dây tương ứng giữa cảm

biến đo và trạm cơ sở các dữ liệu đo sẽ

trao đổi với nhau

Hình 2 1 Cấu trúc hệ thống giám sát

nhiệt độ, độ ẩm cây trồng

3 Thiết kế nút mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng

Như đã phân tích ở trên, cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc phát triển

mô hình nông nghiệp xanh cho cây trồng Và trong giới hạn báo cáo này, tập trung vào thiết kế nút mạng cảm biến không dây - là cơ sở chính cho các phát triển hệ thống về sau

3.1 Cấu trúc cơ bản của nút mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, các nút mạng chính là các cảm biến thông minh Cảm biến thông minh là sự tích hợp dựa trên cảm biến cơ bản, được mô

tả như hình 3 Cảm biến thông minh gồm các thành phần sau: cảm biến cơ bản (ở đây là đầu đo nhiệt độ, độ ẩm), module khuếch đại - xử lý - chuyển đổi tín hiệu đo (ví dụ bộ chuyển đổi A/D), màn hình hiển thị, bộ nhớ, module điều khiển, module nguồn và mudle truyền thông theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc Wi-Fi Tùy theo yêu cầu người dùng mà số lượng các thành phần cấu thành lên thiết bị đo thông minh có thể giảm đi, từ đó giảm được giá thành thiết bị Các nút mạng cảm biến không dây phụ thuộc mạnh mẽ vào nguồn điện cung cấp cho nó Vì vậy cần thực hiện bổ sung nguồn năng lượng và/hoặc thực hiện tối ưu hóa việc tiêu

thụ nguồn điện cho mỗi cảm biến

thông minh được thiết kế Nhờ giải

pháp kết hợp giữa đặc tính của đầu đo

cơ bản với bộ vi xử lý để làm giảm thời

gian tiền xử lý giá trị đo nên đã làm

giảm mức tiêu thụ điện tổng thể

Cấu trúc cơ bản của hệ đo gồm nút cảm

biến

có nhiệm vụ thu thập số liệu đo, truyền

thông dữ liệu giữa nút cảm biến và

trung tâm điều hành thực hiện theo

chuẩn mạng không dây Wifi dựa trên

module ESP8266

Hình 3 1 Sơ đồ khối hệ đo

Ngày nay một số cảm biến cơ bản đo

nhiệt độ có thể sử dụng để chế tạo thiết

bị đo nhiệt độ thông minh như là IC đo

nhiệt độ: LM 134, LM235, LM335 cho

đầu ra 10mV/oK; LM 35 cho đầu ra

10mV/oC, LM 34 cho đầu ra 10mV/oF

(hình 4) [4]

Hình 3 2 Sơ đồ cảm biến IC LM 35

đo nhiệt độ

Một số cảm biến cơ bản đo độ ẩm có thể kể đến như Honeywell HCH 1000, Humirel S110x [3]

Hình 3 3 Hình ảnh IC đo độ ẩm

Ngoài ra trên thị trường cũng có một

số loại IC tích hợp đo đồng thời cả nhiệt độ và độ ẩm, như Texas Instruments HDC1000, Silicon Labs Si701x/2x

3.2 Thiết kế nút mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ và độ ẩm

Sơ đồ nút cảm biến mô tả trên hình 3.4, mạch nguyên lý mô tả trên hình 3.5 và hình 3.6

Hình 3 4 Sơ đồ khối nút cảm biến

Trên hình 3.5 mô tả khối đo nhiệt độ

sử dụng cảm biến đo nhiệt độ LM35 và cảm biến đo độ ẩm HS1101

Hình 3 5 Khối đo nhiệt độ và độ ẩm

Hình 3 6 Mạch nguyên lý nút cảm biến

Trên hình 3.6 cho thấy, nút cảm biến

sử dụng PIC16F877A làm bộ xử lý

trung tâm Hiển thị sử dụng LCD Khối

truyền trông không dây Wi-fi sử dụng

card ESP8266 Ngoài ra trên khối có

thêm mạch nguồn, mạch phím bấm dùng để thiết lập giá trị theo yêu cầu Thiết kế nút mạng cảm biến không dây trong nghiên cứu này chính là thiết kế trạm đo thông minh sử dụng cảm biến

đo nhiệt độ và đo độ ẩm cơ bản: IC LM

35 và IC HS1101 Trạm đo thông minh

(còn gọi là những cảm biến thông

minh) này tích hợp module ESP8266

để truyền dữ liệu đo qua mạng không

dây Wi-Fi về trạm thu thập dữ liệu cơ

sở, được xử lý và điều khiển hiển thị,

truyền thông tin, quản lý nguồn nhờ vi

điều khiển PIC16F887

Nguyên lý xác định độ ẩm sử dụng cảm

biến cơ bản HS1101: khi độ ẩm môi

trường thay đổi thì điện dung của tụ

điện tương đương HS1101 cũng thay

đổi theo, do đó làm thay đổi thời gian

phóng và nạp của tụ HS1101 qua R1

và R2, bởi vậy xung đầu ra Fout của

NE555 sẽ thay đổi trong khoảng từ

Fmin-Fmax [Hz] tương ứng với độ ẩm

thay đổi từ 0%-100% Xung đầu ra

Fout của NE555 được đưa đến chân

ngắt ngoài của vi điều khiển PIC và

được chương trình ngắt đã lập trình

trong vi điều khiển thực hiện tăng biến

đếm lên 1 đơn vị mỗi khi có sườn

xuống của xung tín hiệu đưa vào chân

ngắt (đếm số xung N trong một chu kỳ

ngắt) Với chu kỳ ngắt trên PIC thiết

lập là Tng [s] (thường lấy Tng=20ms)

khi đó xác định được tần số xung ra

trên chân 3 của NE555 Từ tần số xung

Fout này tính được giá trị của điện

dung HS1101 tương ứng với độ ẩm

môi trường [4]

Nguyên lý xác định nhiệt độ dựa trên cảm biến cơ bản LM35 như sau: IC đo nhiệt độ chuyên dụng này cung cấp điện áp đầu ra: Vot=10T, [mV], với T [oC] là nhiệt độ môi trường cần đo Do

đó chỉ cần mắc thêm vào cảm biến đo

cơ bản LM35 mạch khuếch đại tín hiệu

đo, sau đó đưa tín hiệu sau khuếch đại đến chân ADC của vi điều khiển PIC Chương trình đọc ADC trong PIC

sẽ tính toán và xử lý số liệu đo cho ta giá trị điện áp Vout tương ứng với nhiệt độ cần đo T, từ đó sẽ xác định được nhiệt độ cần đo [5]

4 Kết quả

Cấp nguồn cho khối mạch, tiến hành cài đặt các tập lệnh AT (bao gồm: cấu hình, tên Wi-Fi, pass Wi-Fi ) thông qua 2 chân RX và TX cho module ESP8266 quá trình thiết lập sẽ được bộ

vi xử lý trung tâm gửi thông báo lên LCD Quá trình kết nối được thiết lập khi cài đặt xong thông số cho module Wi-Fi ESP8266 khi đó quá trình xử lý

số liệu của của module Wi-Fi theo chu

kỳ 2ms/lần để thực hiện đo nhiệt độ và

độ ẩm Thực nghiệm cho thấy sử dụng

hệ thống đo cho kết quả đo chính xác với sai số nhiệt độ là 0.5% và độ ẩm là 1%

5 Kết luận

Nghiên cứu thiết kế mạng cảm biến không dây trên cơ sở sử dụng cảm biến

cơ bản nhiệt độ và độ ẩm nhằm xây

dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu

môi trường sinh trưởng của cây trồng

đã được trình bày trong bài báo này

Mỗi nút mạng cảm biến không dây

được coi là một trạm đo nhiệt độ - độ

ẩm thông minh, từ đó tiến hành thiết kế

trạm đo này Trạm đo thông minh này

được tích hợp chip điều khiển, có khả

năng xử lý sơ bộ thông tin đo, hiển thị

số liệu đo tại hiện trường và thực hiện

truyền thông không dây các số liệu đo

đến trạm thu thập dữ liệu cơ sở Điều

này tạo tiền đề quan trọng cho việc xây

dựng hệ thống giám sát và thu thập số

liệu môi trường sinh trưởng của cây

trồng, góp phần quan trọng trong việc

ứng dụng công nghệ hiện đại vào phát

triển bền vững nông nghiệp, là giai

đoạn quan trọng tiến tới phát triển

nông nghiệp xanh trên diện rộng cho

đông đảo nhà nông

Tuy nhiên việc áp dụng vào nông

nghiệp nước nhà cần phải trải qua từng

giai đoạn, triển khai theo từng phần để

phù hợp với mức đầu tư và việc nắm

bắt công nghệ của nhà nông

6 Tài liệu tham khảo

1 FAO (2012), Trade, Exports,

Commodities by Country, Ecuador,

Foodand Agricultural Organization of

the United Nations

2 Trịnh Lương Miên, “Ứng dụng

mạng cảm biến không dây trong việc phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay,

số 178, 2016

3 Sparkfun, WiFi Module ESP8266,

2016 4 Humirel, RelativeHumidity

sensor, 2014 5 Texas Instruments, LM35 Precision Centigrade Temperatre Sensors, 2016