›

Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện khí hậu Lào

pdf 61 trang tranphuong11 27/01/2022 10180
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện khí hậu Lào", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_van_nghien_cuu_thiet_ke_he_thong_nha_trong_thong_minh_t.pdf

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện khí hậu Lào

  1. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG SOUDTIPANYA SAMLETH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ TRỒNG THÔNG MINH TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU LÀO LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên – 2020
  2. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG SOUDTIPANYA SAMLETH NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NHÀ TRỒNG THÔNG MINH TRONG ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU LÀO LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 84 8 01 01 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Phùng Trung Nghĩa Thái Nguyên – 2020
  3. I LỜI CAM ĐOAN Họ và tên học viên: Soudtipanya Samleth Lớp cao học: CK17A Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – Đại học Thái Nguyên. Chuyên ngành: Khoa học máy tính Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện khí hậu Lào” là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Phùng Trung Nghĩa – Giảng viên trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông. Tôi xin cam đoan những nội dung, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các thông tin trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn gốc. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Soudtipanya Samleth
  4. II LỜI CẢM ƠN Trong thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện luận văn thạc sỹ, tôi đã nhận được sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp. Trước hết cho phép tôi được cảm ơn quý thầy, cô trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt kiến thức trong suốt thời gian học vừa qua. Vốn kiến thức được tiếp thu trong quá trình học tập không chỉ là nền tảng cho quá trình nghiên cứu luận văn mà còn là hành trang quý báu trong công việc và trong cuộc sống. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Phùng Trung Nghĩa đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè và người thân, những người đã bên cạnh và động viên tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Trân trọng cảm ơn ! Thái Nguyên, ngày 30 tháng 11 năm 2020 Tác giả luận văn Soudtipanya Samleth
  5. III MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC BẢNG VI DANH MỤC HÌNH VII MỞ ĐẦU 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ TRỒNG THÔNG MINH 3 1.1. Khái niệm nhà trồng thông minh 3 1.1.1. Nông nghiệp thông minh (smart agriculture) 3 1.1.2. Nhà trồng thông minh (smart farm) 5 1.2. Các thành phần của trong nhà trồng thông minh 14 1.3. Mục tiêu của luận văn 15 Chương 2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG NHÀ TRỒNG THÔNG MINH TRONG ĐIỀU KIỆN LÀO 17 2.1. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh 17 2.1.1. Phần cứng điển hình 18 2.1.2 Phần mềm 22 2.2. Thực trạng và khả năng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào 24 2.2.1. Thực trạng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào 24 2.2.2. Khó khăn và thuận lợi trong việc ứng dụng nhà trồng thông minh trong nông nghiệp tại Lào 25 2.2.3. Các đặc trưng của hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện Lào 26 Chương 3 XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM NHÀ TRỒNG THÔNG MINH 28 3.1. Mô hình thử nghiệm 28 3.2. Lựa chọn phương án thiết kết 29 3.2.1. Phương án thiết kế thứ nhất 29 3.2.2. Phương án thiết kế thứ hai 30 3.3. Thiết kế phần cứng 31
  6. IV 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống 31 3.3.2. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 32 3.4. Thiết kế phần mềm 37 3.4.1. Lưu đồ thuật toán hệ thống 37 3.4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển thiết bị bơm 39 3.5. Kết quả thực nghiệm và đánh giá 45 3.5.1. Kết quả thực nghiệm sản phẩm 45 3.5.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm 47 KẾT LUẬN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50
  7. V DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Chữ viết tắt Ý nghĩa 1. GPS Viết tắt bởi Global Positioning System là một danh từ không còn xa lạ gì, nhất là đối với những 2. BVTV người trong ngành nông nghiệp 3. RTOS Hệ điều hành thời gian thực GPIO (General Purpose Input Output) chính là cửa ngõ 4. GPIO giao tiếp vào/ra của vi điều khiển. 5 MCU Multipoint control unit (viết tắt của cụm từ) 6 LED light emitting diode (điốt phát sáng)
  8. VI DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Chỉ tiêu kĩ thuật khối MCU 19 Bảng 2.2: Chỉ tiêu kĩ thuật khối ZigBee 20 Bảng 2.3: Đặc điểm kĩ thuật khối Wifi 20 Bản khối nguồn 21
  9. VII DANH MỤC HÌNH Hình 1. Mô hình nhà trồng thông minh tưới tiêu tự 1 Hình 1.1. Nhà lưới kín 8 Hình 1.2 Mô hình nhà lưới hở 9 Hình 1.3 Mô hình nhà màng 11 Hình 2.1 Sơ đồ khối nhà trồng thông minh 17 Hình 2.2 Sơ đồ khối của Main – board 18 Hình 2.3 Sơ đồ khối Sub – board 20 Hình 2.4 Sơ đồ nối dây cảm biến IC đo nhiệt độ cơ bản 21 Hình 2.5 Hình ảnh IC đo độ ẩm cơ bản 22 Hình 2.6 Giao diện Arduino IDE 23 Hình 2.7 Mô hình nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào 27 Hình 3.1 Mô hình thiết kế thử nghiệm nhà trồng thông minh 28 Hình 3.2 Thiết kế hệ thống trên nền tảng mạng cảm biến không dây 29 Hình 3.3 Thiết kế thử nghiệm hệ thống nhà trồng thông minh 30 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống 31 Hình 3.5 Module ESP8266 32 Hình 3.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 34 Hình 3.7 Cảm biến độ ẩm đất và LM393 35 Hình 3.8 Cảm biến mức nước 35 Hình 3.9 Module Relay 2 kênh 5V 36 Hình 3.10 Máy bơm 12V 37 Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán hệ thống 38 Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán thu thập thông số môi trường 38 Hình 3.13 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển thiết bị 39 Hình 3.14 Giao diện chương trình 41 Hình 3.15 Giao diện chính của chương trình 42 Hình 3.16 Biểu tượng và thông số nhiệt độ 42 Hình 3.17 Biểu tượng và thông số độ ẩm môi trường. 42
  10. VIII Hình 3.18 Biểu tượng và thông số độ ẩm đất 43 Hình 3.19 Màn hình cảnh báo khi thông số vượt ngưỡng giới hạn 43 Hình 3.20 Thông tin cảnh báo trên thiết bị người dùng 43 Hình 3.21 Giao diện điều khiển hệ thống bơm tưới 44 Hình 3.22 Thiết lập thời gian điều khiển hệ thống bơm tưới 44 Hình 3.23 Hệ thống nhà trồng thông minh 45 Hình 3.24 Khối xử lý trung tâm của nhà trồng thông minh 46 Hình 3.25 Giao diện chương trình điều khiển hệ thống bơm tưới 46 Hình 3.26 Giao diện chương trình thu thập thông số từ cảm biến 47
  11. 1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề: Hiện nay, nền kinh tế Lào ngày càng phát triển, đời sống của người dân cũng ngày càng được nâng cao. Nhu cầu tiêu dùng hàng hóa chất lượng cao nói chung và sản phẩm nông nghiệp sạch, an toàn nói riêng càng trở nên cấp thiết với người dân. Để đáp ứng nhu cầu thiết yếu này, một vài doanh nghiệp tại Lào đã đầu tư xây dựng nhà trồng rau, hoa quả, nấm sạch (nhà màng, nhà lưới, nhà kính, gọi chung là nhà trồng thông minh). Nhà trồng từ lâu đã được phát triển ở các nước phát triển và có khí hậu ôn đới như Âu – Mỹ. Tuy nhiên với cụ thể về kinh tế và khí hậu của Lào thì cần có những giải pháp thiết kế phù hợp. Do vây, tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống nông nghiệp thông minh có khả năng ứng dụng tại Lào” làm luận văn thạc sĩ của mình. 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu của luận văn là nhà trồng thông minh và giải pháp thiết kế phù hợp với điều kiện Lào. Phạm vi của luận văn bao gồm nghiên cứu về kiến trúc hệ thống, phương pháp thiết kế, thông số kỹ thuật của các thành phần trong hệ thống nhà trồng thông minh, giải pháp thiết kế nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện thực tế tại Lào. Hình 1. Mô hình nhà trồng thông minh tưới tiêu tự động.
  12. 2 3. Hướng nghiên cứu của luận văn: Hướng nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu về giải pháp thiết kế nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện của Lào. 4. Những nội dung nghiên cứu chính: Chương 1. Tổng quan về nhà trồng thông minh 1.1. Khái niệm nhà trồng thông minh 1.2. Thành phần trong nhà trồng thông minh 1.3. Mục tiêu của luận văn Chương 2. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào 2.1. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh 2.2. Thực trạng và khả năng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào Chương 3. Thiết kế thử nghiệm nhà trồng thông minh. 3.1. Mô hình thử nghiệm 3.2. Thiết kế phần cứng 3.3. Thiết kế phần mềm 3.4. Thử nghiệm hệ thống 5. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu các lý thuyết đã có trên thế giới [1-12] để phân tích, đánh giá về kiến trúc nhà trồng thông minh. Dựa trên các cơ sở lý thuyết và các phân tích, đánh giá, luận văn cũng sẽ nghiên cứu các giải pháp phù hợp với điều kiện của Lào để thực nghiệm và đánh giá một mô hình demo. 6. Ý nghĩa khoa học của luận văn: Như đã trình bày trong phần 1, nghiên cứu về nhà trồng thông minh có vai trò quan trọng trong nền kinh tế thông minh 4.0 hiện nay. Đây không phải vấn đề nghiên cứu mới trên thế giới nhưng còn khá mới mẻ ở Lào. Do vậy vấn đề nghiên cứu trong luận văn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
  13. 3 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NHÀ TRỒNG THÔNG MINH 1.1. Khái niệm nhà trồng thông minh 1.1.1. Nông nghiệp thông minh (smart agriculture) Nông nghiệp là ngành sản xuất vật chất cơ bản của xã hội, sử dụng đất đai để trồng trọt và chăn nuôi, khai thác cây trồng và vật nuôi làm tư liệu và nguyên liệu lao động chủ yếu để tạo ra lương thực thực phẩm và một số nguyên liệu cho công nghiệp. Nông nghiệp là một ngành sản xuất lớn, bao gồm nhiều chuyên ngành: Trồng trọt, chăn nuôi, sơ chế nông sản; theo nghĩa rộng, còn bao gồm cả lâm nghiệp, thủy sản. [1] Nông nghiệp bền vững là vấn đề thời sự được nhiều nhà khoa học thuộc nhiều lĩnh vực khác nhau quan tâm, như: nông học, sinh thái học, xã hội học Hiện có nhiều định nghĩa khác nhau, trong đó đáng quan tâm là định nghĩa của tổ chức sinh thái và môi trường thế giới bởi tính tổng hợp và khái quát cao: nông nghiệp bền vững là nền nông nghiệp thoả mãn được các yêu cầu của thế hệ hiện nay, mà không giảm khả năng ấy đối với các thế hệ mai sau. Có nghĩa là nền nông nghiệp không những cho phép các thế hệ hiện nay khai thác tài nguyên thiên nhiên vì lợi ích của họ mà còn duy trì được khả năng ấy cho các thế hệ mai sau, cũng có ý kiến cho rằng sự bền vững của hệ thống nông nghiệp là khả năng duy trì hay tăng thêm năng suất và sản lượng nông sản trong một thời gian dài mà không ảnh hưởng xấu đến điều kiện sinh thái. Như vậy, nền nông nghiệp bền vững phải đáp ứng được hai yêu cầu cơ bản là: đảm bảo nhu cầu nông sản của loài người hiện nay và duy trì được tài nguyên thiên nhiên cho các thế hệ mai sau, bao gồm gìn giữ được quĩ đất, quĩ nước, quĩ rừng, không khí và khí quyền, tính đa dạng sinh học v.v Xây dựng nền nông nghiệp bền vững là việc làm cấp thiết và là xu hướng tất yếu của tiến trình phát triển. Theo định nghĩa của Codex Alimentarius, cơ quan Liên hợp quốc giám sát các tiêu chuẩn về lương thực trên toàn thế giới, nông nghiệp sạch là một hệ thống quản lý sản xuất nông nghiệp tránh sử dụng phân bón và thuốc trừ sâu tổng hợp, giảm tối đa ô nhiễm không khí, đất và nước, tối ưu về sức khỏe và hiệu quả của các cộng đồng sống phụ thuộc lẫn nhau giữa cây trồng, vật nuôi và con người.
  14. 4 Nông nghiệp chính xác còn được gọi là canh tác chính xác là tất cả mọi thứ giúp cho hoạt động nông nghiệp chính xác hơn và được kiểm soát tốt hơn đối với sự phát triển của cây trồng và chăn nuôi gia súc. Một thành phần quan trọng của phương pháp quản lý trang trại này là sử dụng công nghệ thông tin và một loạt các công cụ như điều hướng GPS, hệ thống điều khiển, cảm biến, rô bốt, máy bay, xe tự hành, kỹ thuật xử lý với định lượng thay đổi, lấy mẫu dựa trên GPS, phần cứng tự động, viễn thông và phần mềm. [2] Theo định nghĩa của tổ chức Nông nghiệp Liên hiệp Quốc FAO, nông nghiệp thông minh là một khái niệm quản lý canh tác sử dụng công nghệ hiện đại để tăng số lượng và chất lượng nông sản. Nông dân trong thế kỷ 21 có thể truy cập GPS, bản đồ đất, quản lý dữ liệu và công nghệ Internet of Things (IoT). Bằng cách thu thập các dữ liệu chính xác và điều chỉnh chiến lược sản xuất phù hợp, nông dân có thể tăng đáng kể hiệu quả của thuốc trừ sâu và phân bón, nông dân có thể theo dõi tốt hơn nhu cầu của thực vật, động vật và điều chỉnh dinh dưỡng tương ứng, từ đó ngăn ngừa bệnh tật và tăng cường sức khỏe của cây trồng và đàn gia súc. [3] Sự phát triển nông nghiệp nông minh ở các quốc gia trên thế giới tập trung vào các vấn đề chủ yếu sau: - Ứng dụng cảm biến kết nối vạn vật hầu hết các trang trại nông nghiệp; các thiết bị cảm biến, thông minh được kết nối và điều khiển tự động trong suốt quá trình sản xuất nông nghiệp giúp ứng phó với biến đổi khí hậu, cải thiện vi khí hậu trong nhà kính; - Công nghệ đèn LED sử dụng đồng bộ trong canh tác kỹ thuật cao để tối ưu hóa quá trình sinh trưởng, ứng dụng ở các quốc gia có quỹ đất nông nghiệp ít hoặc nông nghiệp đô thị; - Canh tác trong nhà kính, nhà lưới, sử dụng công nghệ thủy canh, khí canh nhằm cách ly môi trường tự nhiên, chủ động ứng dụng đồng bộ công nghệ; - Tế bào quang điện nhằm sử dụng hiệu quả không gian, giảm chi phí năng lượng; hầu hết các thiết bị trong trang trại/doanh nghiệp được cấp điện mặt trời và các bộ pin điện mặt trời; - Sử dụng người máy thay cho việc chăm sóc cây trồng, vật nuôi ngày càng trở nên phổ biến, được ứng dụng tại các quốc gia già hóa dân số và quy mô sản xuất lớn;
  15. 5 - Sử dụng các thiết bị bay không người lái và các vệ tinh khảo sát thực trạng, thu thập dữ liệu, từ đó phân tích, khuyến nghị trên cơ sở dữ liệu cập nhật để quản lý trang trại; - Công nghệ tài chính phục vụ các hoạt động từ trang trại được kết nối bên ngoài, nhằm đưa ra công thức quản trị trang trại đạt hiệuquả nhất. Hiện nay, hầu hết các quốc gia trên thế giới đều nhận thức rõ sự cần thiết phải phát triển nông nghiệp thông minh bởi những tác động tiêu cực từ biến đổi khí hậu ngày một rõ rệt trên phạm vi toàn cầu; Sức ép từ đảm bảo an ninh lương thực do tăng dân số; Nhu cầu thị trường thay đổi theo hướng yêu cầu ngày càng cao hơn đối với nông sản, thực phẩm không chỉ về sản lượng mà còn về chất lượng, dinh dưỡng, an toàn, tốt cho sức khỏe [3], [5] 1.1.2. Nhà trồng thông minh (smart farm) Nhà trồng là khu vực trồng trọt có sử dụng các kết cấu nhà cơ khí để giảm ảnh hưởng, tác động của môi trường tự nhiên tới cây trồng. Các loại nhà trồng phổ biến bao gồm nhà kính, nhà lưới, nhà màng. 1.1.2.1. Nhà kính Nhà kính là công trình thường có tường và mái làm bằng kính (hoặc vật liệu tương tự) dùng để trồng rau quả để tránh tác động nhất thời của thời tiết như mưa to gió mạnh. Vì nhà kính có mái và tường bằng kính hoặc nhựa nên chúng có khả năng tự nóng lên do bức xạ nhìn thấy được của mặt trời khi đi qua lớp kính trong suốt bị hấp thụ bởi thực vật, đất đai và những thứ khác ở bên trong nhà kính. [6] Không khí được làm ấm bởi nhiệt từ những bề mặt nóng bên trong được giữ lại bởi mái nhà và những bức tường. Thêm vào đó, những cây cối và cấu trúc bên trong nhà kính sau khi được làm ấm lại bức xạ lần nữa nhiệt năng của chúng trong dải quang phổ hồng ngoại. Do có thể điều chỉnh được nhiệt độ, cũng như việc tưới nước duy trì độ ẩm nhất định nên có thể quy định được khí hậu trong nhà kính. Khu vườn ngoài trời và trong nhà kính có lợi thế và bất lợi khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu và yêu cầu cụ thể của người làm vườn. Sử dụng nhà kính để mở rộng mùa trồng trọt. Điều này giúp trồng sớm và thu hoạch trễ. Sử dụng nhà kính để trồng nhiều loại thực vật vì khả năng điều khiển chính
  16. 6 xác khí hậu và đất. Quản lý là cần thiết cho nhà kính trong những tháng nghỉ ngơi để đảm bảo điều kiện thích hợp được duy trì. Sử dụng nhà kính là một lợi thế cho việc kiểm soát sâu bệnh. Kiểm soát nấm hoặc vi khuẩn trong không khí từ các nguồn bên ngoài, chúng vẫn có thể nhập vào nhà kính nếu gió được phép vào nhà kính. Kiểm soát chính xác nhiệt độ và điều kiện phát triển là cần thiết cho phát triển thảm thực vật chung cho các vùng đang phát triển. Giống cây trồng trong nhà kính khi bạn muốn tránh hạt bị thổi bay đi hoặc bị chim và động vật ăn. Nhà kính thường được phân chia thành hai loại, nhà bằng kính và nhựa. Nhựa được sử dụng chủ yếu là polyetylen, polycacbonat hoặc polyhouses (màng nhà kính PE). Sử dụng nhà kính thủy tinh khi nhà kính cần cấu trúc ổn định lâu dài. Sử dụng khi nhà kính có thể cần di chuyển, vì trọng lượng nhựa PE nhẹ và dễ dàng hơn thủy tinh để di chuyển đến một vị trí mới. Chi phí xây dựng nhà kính có thể thay đổi rất nhiều khi sử dụng các vật liệu có sẵn. Sử dụng màng nhà kính PE sẽ cho chi phí thấp hơn trong việc xây dựng và làm ấm không khí. So với nhà kính thủy tinh, nhà kính PE có ánh sáng truyền qua giảm hơn và giữ độ ẩm cao hơn. Những ưu điểm của hệ thống nhà kính trong nông nghiệp: - Mô hình nhà kính trồng cây, trồng rau có ưu điểm đáng kể nhất đó chính là không bị tác động bởi những yếu tố thời tiết như trời mưa to, gió lớn, thì cây trồng, rau xanh, cây ăn quả sẽ không bị các trận gió, mưa lớn gây dập nát, đổ ngã. Hay những tháng 5 nắng bức, cây trồng sẽ không bị khô khan, léo lụi, vàng úa và nó còn kết hợp với hệ thống thủy canh, sẽ cung cấp lượng nước vừa phải cho cây trồng. - Ruồi vàng, sâu bọ, ong bướm, cào cào, mối là những côn trùng gây phá hoại nông sản khiến nhiều người lo ngại. Nhưng với hệ thống xung quanh các bức tường đều được làm bằng kính và cả mái che cũng bằng kính sẽ giúp cây trồng, rau xanh được che chắn khỏi tác nhân gây hại này. Chính điều này, sẽ giúp người nông dân hạn chế việc dùng thuốc trừ sâu cho rau, cây trồng. Sản phẩm thu lại đảm bảo an toàn, sạch sẽ hơn nhiều. - Với thiết kế thông minh, mái vòm nhà kính khi lắp đặt sẽ cung cấp đầy đủ lượng ánh sáng cho cây trồng, đảm bảo quá trình quang hợp diễn ra tốt. Đặc biệt, khi kết hợp với phương pháp thủy canh tự động sẽ giúp tiết kiệm nhiều chi phí hoạt động, cắt giảm chi phí lao động cho việc tưới nước, chất dinh dưỡng. Mô hình nhà kính giúp tiết kiệm
  17. 7 nước hơn nhờ việc giữ hơi nước hiệu quả, giúp giữ môi trường luôn ẩm ướt thuận lợi cho cây phát triển. - Hệ thống nhà kính tối ưu nhất vì có thể điều khiển vi khí hậu và áp dụng công nghệ cao bao gồm hệ thống làm mát, hệ thống tưới, hệ thống lưu thông không khí, các loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm Nhìn chung, trồng cây trong nhà kính là mô hình mang đến nhiều ưu điểm, đặc biệt là có thể thu lại năng suất, chất lượng đạt hiệu quả cao nhất. [7] 1.1.2.2. Nhà lưới Nhà lưới là một trong những mô hình nhà kính trồng trọt được tìm hiểu rất nhiều trong những năm gần đây. Tùy vào thiết kế và mục đích sử dụng mà loại vật liệu sử dụng sẽ khác nhau. Nhà lưới đúng theo tên gọi của nó, sử dụng bộ lưới để che nắng, giảm thế năng của hạt mưa, giảm cường độ ánh sáng, chắn côn trùng và chắn gió. Một bộ lưới không thể thỏa mãn nhiều mục đích cùng một lúc. Sẽ có những dạng lưới chuyên để chắn côn trùng nhưng khả năng cản gió sẽ giảm đi. Tùy vào đặc điểm sinh học của loại cây trồng sẽ phù hợp với các loại lưới khác nhau. Thiết kế sẽ có hai dạng là nhà lưới kín và nhà lưới hở. Nhà lưới kín sẽ bảo vệ khu vườn tốt hơn nhà lưới hở. Tuy nhiên cần lưu ý rằng vào cao điểm mùa hè, hiệu ứng nhà kính khiến nhiệt độ trong nhà lưới kín sẽ luôn cao hơn bên ngoài từ 1oC ÷ 2oC. Nhà lưới được phủ hoàn toàn bằng lưới cả trên mái cũng như xung quanh, có cửa ra vào cũng được phủ kín bằng lưới. Được sử dụng để che chắn ngăn ngừa côn trùng thâm nhập, giảm được tối đa lượng thuốc trừ sâu sử dụng, sản phẩm rau an toàn hơn. Tăng được số vòng quay thời vụ do trồng được cả mùa mưa mà chất lượng vẫn đảm bảo.
  18. 8 Hình 1.1. Nhà lưới kín Nhà lưới hở chỉ được che chủ yếu trên mái hoặc một phần bao xung quanh. Mục đích sử dụng nhà lưới hở chủ yếu là che nắng, giảm cường độ sáng và ngăn cản mưa. Khả năng ngăn cản côn trùng gây bệnh sẽ không hiệu quả nhưng bù lại đối lưu không khí sẽ không làm nhiệt độ nhà lưới cao hơn bên ngoài. Về thiết kế với kiểu mái bằng và mái nghiêng hai bên. Khung nhà được làm bằng cột bê tông hoặc bằng khung sắt hàn hoặc bắt ốc vít. Độ cao chỉ từ 2,0 – 3,9 m. Quy mô diện tích: từ 500 – 1.000 m2 theo từng hộ gia đình sử dụng canh tác. Đa số các loài cây trồng đều thích hợp canh tác trong nhà lưới. Ngay cả một số cây ăn quả lâu năm cũng được nghiên cứu trồng theo cách này. Tuy nhiên cần lưu ý rằng quá trình thụ phấn tự nhiên trong nhà lưới hở sẽ giảm sút. Đối với nhà lưới kín thì gần 100% không xảy ra. Cần phải có các biện pháp thụ phấn nhân tạo. Đầu tư cho nhà lưới sẽ không quá tốn kém như dạng nhà kính khác khi mà thiết kế không cầu kỳ phức tạp. Một số vật tư bà con có thể tự làm, tận dụng được để thay thế các cột kèo nhà lưới. Thế nhưng, tuổi thọ của công trình không cao, dễ gây nguy hiểm, đòi hỏi phải kiểm tra và thay thế vật tư theo thời gian.
  19. 9 Hình 1.2. Mô hình nhà lưới hở Ngoài ra, thiết kế của nhà lưới hiện đại cũng rất phức tạp, yêu cầu phải có đội ngũ thi công chuyên nghiệp. Nhà lưới hiện đại có mái lưới di động để căng phủ vào ngày nắng gắt hay thu về khi độ sáng có lợi cho cây sinh trưởng. Cột hay xà có các gá trượt giúp thay thế lưới hỏng nhanh chóng. Những ưu điểm của hệ thống nhà lưới trong nông nghiệp: - Ngăn côn trùng gây hại: Nhà lưới là mô hình trồng rau sạch khép kín, toàn bộ được bao phủ bởi lớp lưới chống côn trùng. Bởi vì thế, nhà lưới trồng rau sẽ ngăn các loại sâu, rầy, bọ phá hoại vườn rau. - Giảm và hạn chế một số bệnh hại do côn trùng gây ra trực tiếp hoặc gián tiếp: Nhà lưới cách li rau với côn trùng gây hại lẫn môi trường xung quanh do đó cây được trồng trong nhà lưới sẽ khỏe mạnh hơn không bị nhiễm một số bệnh từ môi trường. - Giảm thuốc BVTV và công phun thuốc: Với ưu điểm là ngăn côn trùng và mầm bệnh nên sẽ hạn chế sử dụng thuốc bảo vệ thực vật cho những sản phẩm rau sạch mà lại tiết kiệm công phun thuốc.
  20. 10 - Giảm cỏ dại theo thời gian canh tác và công làm cỏ: Môi trường nhà lưới tách biệt, đất được xử lí trước khi trồng và áp dụng tưới tiết kiệm nên trong nhà lưới hạn chế được sự phát triển của cỏ dại và công làm cỏ. - Giảm áp lực mưa, tránh làm dập lá và cây con à giúp cây con phát triển tốt và ít bệnh: Trên nóc nhà lưới được bao phủ bởi lưới sẽ làm giảm áp lực của những giọt mưa tránh làm hiện tượng giập lá, gãy mầm non của rau. Ngược lại nước mưa xuyên qua lưới sẽ mịn hơn góp phần tạo độ ẩm giúp cho cây phát triển hơn. - Giảm sự ô nhiễm môi trường: Nhà lưới giảm sức mưa, làm giảm sự xói mòn đất cũng như rửa trôi phân bón và thuốc BVTV xuống tầng đất sâu hơn và mạch nước ngầm. - Giảm chi phí đầu tư về phân bón: Nhà lưới hạn chế được sự bốc thoát hơi và rửa trôi phân bón do mưa và nhiệt nên giúp giảm thất thoát phân bón và chi phí phân bón - Giảm sức gió tác động trực tiếp lên rau: Nhà lưới hạn chế sự va chạm giữa các lá rau với nhau giúp hạn chế tổn thương cho cây và giảm sự xâm nhiễm và lây lan của mầm bệnh. - Giảm ánh nắng trực tiếp: Lớp lưới bao phủ bên trên nhà lưới giúp rau phát triển tốt hơn, hạn chế bốc thoát hơi nước và giúp tiết kiệm nước tưới. - Tăng chất lượng sản phẩm, giúp tăng thời gian tươi tự nhiên của sản phẩm: Sản phẩm rau được trồng nhà lưới không bị sâu rầy phá hoại có mẫu mã đẹp, hạn chế sử dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật nên chất lượng cao hơn và an toàn cho sức khỏe, thời gian bảo quản sản phẩm cũng lâu hơn. - Tăng vụ trồng vào những tháng mưa: Giúp tăng thu nhập cho người dân khi có thể trồng nhiều vụ trong năm hơn kể cả những tháng mưa. 1.1.2.3. Nhà màng Nhà màng là kiểu nhà kính cách ly hoàn toàn khu vườn với môi trường tự nhiên. Ứng dụng nhà màng chủ yếu để sản xuất thực phẩm sạch, thủy canh, nghiên cứu và canh tác cây trồng có giá trị thương phẩm cao. Những yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, thành phần không khí hay thậm chí ánh sáng sẽ được kiểm soát bằng hệ thống thiết bị chuyên biệt. Do là môi trường kín nên nhiệt độ sẽ cao hơn rất nhiều so với bên ngoài. Vì thế nhà màng thích hợp cho khí hậu lạnh vùng núi và trồng những cây sinh trưởng vùng ấm hơn. Ngược lại, khí hậu nhiệt đới mùa hè sẽ làm chênh lệch nhiệt độ lên cao, đòi hỏi phải tiêu tốn phí điện năng để vận hành hệ
  21. 11 thống làm mát. Ở các nước tiên tiến, nhà màng thường hay kết hợp với pin mặt trời để cắt giảm phí điện năng. Chi phí thuốc trừ sâu, phân hóa học có thể được loại bỏ hoàn toàn. Hình 1.3. Mô hình nhà màng Ngoài ra nhà màng còn kết hợp rất tốt với hệ thống tưới nhỏ giọt đảm bảo sử dụng nguồn nước hiệu quả và tiết kiệm. Chi phí bảo dưỡng cho nhiều loại thiết bị cũng sẽ tốn kém hơn so với nhà lưới. Quy trình đôi khi bắt buộc công nhân khi vào nhà màng phải qua các bước khử trùng trước khi làm việc. Thi công thiết kế nhà màng yêu cầu đội ngũ kỹ sư phải có trình độ chuyên môn về nông nghiệp và xây dựng. Nếu tính toán diện tích bên trong không hợp lý, khiến độ ẩm cao quá quy định, dễ gây nấm mốc ảnh hưởng tới cây trồng. Ngoài ra, phần mái che cũng phải có hệ thống rửa bụi bẩn lâu ngày, ánh nắng sẽ không đủ để cây sinh trưởng tốt. So sánh ưu nhược điểm giữa nhà kính, nhà lưới và nhà màng: - Đa số cây trồng đều thích hợp canh tác trong nhà lưới. Ngay cả một số cây ăn quả lâu năm cũng được nghiên cứu trồng theo cách này. Đầu tư nhà lưới sẽ không quá tốn kém như các dạng nhà kính hay nhà màng, một số vật tư còn có thể tự làm, tận dụng
  22. 12 được để thay thế các cột kèo của nhà lưới. Thế nhưng tuổi thọ của công trình sẽ không cao, dễ gây nguy hiểm, đòi hỏi phải kiểm tra và thay thế vật tư theo thời gian. - Nhà lưới hiện đại còn có loại có mái lưới di động, có thể căng ra che phủ cho ngày nắng hoặc thu về khi ánh sáng đang thích hợp, có lợi cho quá trình sinh trưởng của cây. Cột hay xà có các gá trượt giúp thay thế lưới hỏng nhanh chóng, thuận tiện. - Đối với nhà màng hay nhà kính thì nhiệt độ, độ ẩm hay thành phần không khí, ánh sáng đều có thể được điều chỉnh, kiểm soát bằng hệ thống thiết bị chuyên biệt. Do là môi trường kín nên nhiệt độ sẽ cao hơn nhiều so với bên ngoài. Vì thế nhà màng thích hợp cho khí hậu lạnh của các vùng miền núi, vùng cao và trồng những cây sinh trưởng của vùng ấm hơn. Sử dụng ở những vùng có nhiệt độ cao hoặc trồng những cây cần có nhiệt độ thấp hơn, sẽ đòi hỏi chi phí vận hành hệ thống làm mát nhiều hơn. Ở các nước tiên tiến, nhà màng thường kết hợp với các tấm pin mặt trời để giảm phí điện năng. - Ngược lại, chi phí thuốc trừ sâu hay phân bón hóa học có thể được loại bỏ hoàn toàn do trong điều kiện cách ly. Sử dụng nhà màng còn có thể áp dụng hệ thống tưới nhỏ giọt giúp đảm bảo sử dụng nguồn nước tiết kiệm mà vẫn hiệu quả. Do vậy nên chi phí xây dựng lẫn bảo dưỡng bảo trì đều sẽ cao hơn so với nhà lưới. - Việc thi công thiết kế nhà màng còn đòi hỏi công nhân xây dựng có trình độ chuyên môn và hiểu biết cao, tránh tình trạng tính toán diện tích bên trong không hợp lý làm độ ẩm tăng cao, dễ gây nấm mốc ảnh hưởng cây trồng. Ngoài ra, mái che còn phải có hệ thống rửa bụi bám lâu ngày, nếu không ánh nắng sẽ không đủ làm cây phát triển không tốt. - Chính vì những đặc điểm trên mà người dân Việt Nam thường lựa chọn nhà lưới hơn, do đặc tính cây trồng không có giá trị thương phẩm cao và quy mô nhỏ. Nhưng nếu bạn đang có dự định trồng một loại cây trồng có khả năng sinh lời cao, đủ vốn và kiến thức chuyên môn thì nhà kính mới đủ đáp ứng điều kiện để thực hiện. Xu hướng thị trường sẽ là kim chỉ nam cho nhà nông mạnh dạn đầu tư vào hệ thống nhà màng. 1.1.2.4. Nhà trồng thông minh Trong xã hội hiện đại, vai trò của khoa học kỹ thuật ngày càng trở nên quan trọng. Những tiến bộ của Công nghệ thông tin trong hai thập kỷ qua đã làm thay đổi căn bản tư duy và chiến lược của nhiều quốc gia. Bên cạnh đó, IoT đang dần là xu thế của thế giới tương lai, khi mà mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng
  23. 13 mình, và tất cả có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính. IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó. Sự lớn mạnh và phát triển nhanh chóng của IoT là một điều kiện lý tưởng để phát triển các ứng dụng nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh ứng dụng vào thực tiễn. [8] Việc ứng dụng công nghệ cao tích hợp vào các loại nhà trồng (nhà kính, nhà lưới, nhà màng) sẽ giúp nâng cao hiệu quả, tạo đột phá về năng suất, chất lượng nông sản, đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững. Các loại nhà trồng ứng dụng công nghệ cao (bao gồm chủ yếu là các công nghệ điều khiển, tự động hóa, công nghệ thông tin, IoT, ) thường được gọi là nhà trồng thông minh (smart farm). Khái niệm thông minh (smart) ở đây với hàm ý các nhà trồng phải có khả năng thích ứng linh hoạt với các điều kiện tự nhiên, khí hậu khác nhau (bằng các giải pháp tự động hóa), người nông dân có thể tương tác linh hoạt, nhanh chóng với từng thông số của nhà trồng thông qua hệ thống quản lý, giám sát từ xa. [9] Khái niệm thông minh trong nhà trồng thông minh chưa bao gồm hàm ý thông minh về mặt tri thức (intelligent) là một vấn đề phức tạp hơn, vốn yêu cầu hệ thống phải có khả năng thu thập dữ liệu lớn, phân tích, xử lý để đưa ra các giải pháp nuôi trồng, canh tác tự động đảm bảo năng suất, chất lượng sản phẩm. Những ưu điểm đối với hệ thống nhà trồng thông minh: - Tạo ra các nông sản chất lượng, năng suất cao ngay cả trong những điều kiện bất thuận. - Điều kiện làm việc của người lao động tốt hơn, thông qua kết nối di động, ngồi ở nhà mà nông dân vẫn có thể biết được diễn biến của hệ thống nhà trồng để ra các quyết định đúng, hiệu quả. - Canh tác nhà trồng thông minh là một phương pháp giúp nâng cao năng suất trồng rau, quả, hoa màu, v.v Nhà trồng thông minh kiểm soát các thông số môi trường thông qua can thiệp thủ công hoặc cơ chế kiểm soát tỷ lệ. Vì sự can thiệp thủ công dẫn đến mất sản xuất, mất năng lượng và chi phí lao động, các phương pháp này ít hiệu quả hơn. Một nhà trồng thông minh thông minh có thể được thiết kế với sự trợ giúp của IoT;
  24. 14 thiết kế này giám sát thông minh cũng như kiểm soát khí hậu, loại bỏ sự cần thiết phải can thiệp thủ công. - Để kiểm soát môi trường trong nhà trồng thông minh thông minh, các cảm biến khác nhau đo các thông số môi trường theo yêu cầu của nhà máy được sử dụng. Chúng ta có thể tạo một máy chủ đám mây để truy cập hệ thống từ xa. Điều này giúp loại bỏ sự cần thiết phải theo dõi thủ công liên tục. Bên trong nhà trồng thông minh, máy chủ đám mây cũng cho phép xử lý dữ liệu và áp dụng hành động kiểm soát. Thiết kế này cung cấp các giải pháp tối ưu và hiệu quả cho nông dân với sự can thiệp thủ công tối thiểu. - Các cảm biến trong nhà trồng thông minh cung cấp thông tin về mức độ ánh sáng, áp suất, độ ẩm và nhiệt độ Các cảm biến này có thể tự động điều khiển bộ truyền động để mở cửa sổ, bật đèn, điều khiển lò sưởi, bật mister hoặc bật quạt, tất cả được điều khiển thông qua tín hiệu WiFi. - Một số ưu điểm của hệ thống nhà trồng thông minh khác như: Tiết kiệm diện tích đất trồng; Tránh việc lây lan sâu bệnh; Cách ly với môi trường và thời tiết bên ngoài để đảm bảo cây có thể phát triển tốt; Cung cấp cho cây đầy đủ chất dinh dưỡng và lượng nước cần thiết; Có thể điều chỉnh môi trường theo từng giai đoạn phát triển của cây [10] 1.2. Các thành phần của trong nhà trồng thông minh Có rất nhiều mô hình nhà trồng ngoài mô hình trồng rau thổ canh trên đất truyền thống. Mô hình trồng khí canh là phương pháp trồng cây không cần đất, không cần nước, cây rau, củ được cố định trên một tháp trồng. Rễ cây lơ lửng trong không khí và chất dinh dưỡng được phun trực tiếp vào rễ sau một khoản thời gian nhất định nhờ vào hệ thống cảm biến). Mô hình trồng rau thủy canh sử dụng hệ thống bơm dung dịch tự động để cung cấp chất dinh dưỡng và nước cho cây trồng thay thế hoàn toàn việc trồng cây bằng đất, với mô hình này cây trồng được luân phiên cung cấp chất dinh dưỡng để phát triển một cách nhanh nhất nhờ vào hệ thống bơm nước tuần hoàn khép kín. Mô hình trồng rau Aquaponics là mô hình kết hợp giữa nuôi thủy sản và trồng rau dựa trên sự vận hành của tự nhiên. Nước từ dưới hồ cá được bơm ngược lên để tưới cho rau trồng, cung cấp dinh dưỡng nhờ chất thải của cá. Cá có được nguồn nước sạch nhờ sự lọc nước của đất trồng rau, theo một mô hình tuần hoàn khép kín.
  25. 15 Ứng với mỗi mô hình có một hệ thống chăm sóc hỗ trợ sản xuất khác nhau nhưng tổng thể trong một nhà trồng thông minh, sẽ gồm có các thành phần chính như sau: - Phần khung cơ khí, trang thiết bị cho phần nhà kính. - Phần hệ thống điện, điện tử, tin học và tự động hóa để quản lý, điều khiển, giám sát môi trường sinh trưởng của cây trồng trong nhà gồm có: + Hệ thống các cảm biến thu thập các thông số về môi trường sinh trưởng và phát triển cho cây trồng như: Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm môi trường, cảm biến độ ẩm trong đất, cảm biến chất lượng không khí, cảm biến tia tử ngoại UV, cảm biến cường độ ánh sáng, cảm biến độ pH, + Bộ xử lý trung tâm: Tiếp nhận thông tin từ cảm biến, xử lý tính toán và đưa ra tín hiệu tới cơ cấu chấp hành, hoặc gửi dữ liệu lên trung tâm lưu trữ, giám sát. Hoặc nhận lệnh từ máy chủ xuống để điều khiển phần thiết bị động lực. + Bộ phận chấp hành: Nhận lệnh điều khiển thực thi từ MCU, như: quạt thông gió, đèn chiếu sáng, máy bơm nước, + Máy chủ: Lưu trữ dữ liệu nhận được từ MCU gửi lên hoặc đẩy lệnh điều khiển từ giao diện người dùng xuống thiết bị chấp hành. + Giao diện giám sát: Có thể là trình duyệt Web, những ứng dụng trên Smartphone hoặc phần mềm trên máy tính, giúp người dùng có thể quản trị, theo dõi hệ thống. + Hệ thống truyền thông: Đảm nhận thông tin liên lạc 1 chiều hoặc 2 chiều giữa bộ xử lý trung tâm với các thành phần còn lại trong hệ thống + Bên cạnh đó có thể có thêm các camera giám sát. [11], [12] 1.3. Mục tiêu của luận văn Xuất phát từ những phân tích trên, để giải quyết các vấn đề về phát triển Nông sản sạch và bền vững, tác giả đề xuất giải pháp đưa công nghệ thông tin, công nghệ điện tử vào việc thu thập, giám sát các thông số về môi trường sống của cây trồng, từ đó có những phương án điều khiển thích hợp nhất. Hệ thống đã áp dụng khoa học kỹ thuật vào quá trình tự động hóa sản xuất Nông nghiệp, giúp tăng năng suất, giảm sức lao động của con người, hạn chế được sâu bệnh, kí sinh trùng gây hại, giảm thiểu được sự tác động của khí hậu, biến đổi thời tiết đến sự tăng trưởng và chất lượng nông sản, ngay cả giống
  26. 16 trái vụ. Bên cạnh đó cũng khắc phục được được sự ô nhiễm môi trường bởi sự độc hại của thuốc trừ sâu cho cây trồng và con người. [4] Mục tiêu của đề tài là hướng đến là ứng dụng công nghệ vào việc xây dựng một hệ thống quản lý giám sát các thông số về môi trường phục vụ cho sản xuất cây trồng nông nghiệp. Dữ liệu môi trường sẽ được thu thập từ các node cảm biến đặt ở vị trí cần khảo sát, dữ liệu sẽ được tự động gửi đều đặn lên Server và người vận hành có thể quan sát được trên một trình duyệt Web hoặc ứng dụng trên Smartphone có kết nối Internet, từ đó có thể đưa ra các tín hiệu điều khiển phù hợp cho yêu cầu đặt ra một cách tự động hoặc chủ động như bật, tắt máy bơm nước để phục vụ tưới tiêu; bật, tắt máy phun sương tạo hơi ẩm, bật, tắt quạt gió, Từ đó tạo bước đột phá về năng suất, chất lượng nông sản, thỏa mãn nhu cầu của xã hội và đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững.
  27. 17 Chương 2 KIẾN TRÚC HỆ THỐNG NHÀ TRỒNG THÔNG MINH TRONG ĐIỀU KIỆN LÀO 2.1. Kiến trúc hệ thống nhà trồng thông minh Hình 2.1. Sơ đồ khối nhà trồng thông minh Trong sơ đồ khối của nhà trồng thông minh trong hình 2, ngoài các hệ thống cơ khí, khung nhà trồng không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận văn, ta có thể chia các thành phần điện tử, tin học, tự động hóa trong hệ thống nhà trồng thông minh làm hai thành phần chính, đó là phần cứng và phần mềm. • Phần cứng: - Main - board: Đây chính là module trung tâm của hệ thống. Phần này bao gồm module Wifi, module SIM kết nối Internet và module truyền thông không dây (thường sử dụng module Zigbee để kết nối mạng cảm biến không dây). Main - board có nhiệm vụ chuyển dữ liệu từ mạng không dây sang mạng Wifi hoặc 3G và ngược lại. - Sub – board: Đây chính là các node trong hệ thống. Mỗi node đóng vai trò là thiết bị đầu cuối hoặc một router. Các node kết nối với các cảm biến sensor và được kết nối tới Main – board để nhận lệnh và gửi dữ liệu. - Hệ thống cảm biến - Hệ thống chấp hành • Phần mềm:
  28. 18 - Phần mềm trên điện thoại: Phần mềm này được cài đặt trên điện thoại, nó cho phép người dùng tương tác với hệ thống. - Phần mềm nhúng: Được cài đặt lên các phần cứng (trên bo mạch) để điều khiển mạng, điều khiển cơ cấu chấp hành. [12] [13] 2.1.1. Phần cứng điển hình Phần này sẽ trình bày cấu trúc phần cứng điển hình của nhà trồng thông minh 2.1.1.1. Main – board a, Các yêu cầu: Hình 2.2. Sơ đồ khối của Main – board Yêu cầu chức năng: - Kết nối Wifi: Dùng để kết nối với Smartphone, sử dụng chuẩn kết nối IEEE 802.11b/g - Kết nối ZigBee: Dùng để kết nối với các thiết bị, sử dụng chuẩn IEEE 802.15.4/ZigBee - Display: Gồm các ma trận hiển thị Led, màn hình LCD 16x2 hiển thị trạng thái của hệ thống. Yêu cầu phi chức năng: - Hệ thống hoạt động ổn định (hệ thống ít bị treo, kết nối không bị gián đoạn, tự động khôi phục khi có sự cố bất thường xảy ra). - Tự động kết nối, phát hiện các node được thêm vào. - Giá thành phù hợp. Main – board bao gồm các khối: ZigBee, Wifi, MCU, nguồn. Khối ZigBee có nhiệm vụ tạo ra và duy trì mạng ZigBee. Khối Wifi có chức năng kết nối vào mạng Wifi, tạo ra server cho phép smartphone/tablet có thể kết nối vào và điều khiển thiết bị. Khối MCU điều khiển mọi hoạt động của mạch. Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp năng
  29. 19 lượng cho toàn mạch. b, Khối MCU Đây là khối quan trọng nhất trong Main – board, khối MCU có nhiệm vụ khởi tạo, duy trì hoạt động của các khối ZigBee và Wifi. Đây chính là cầu nối giữa hai khối này. Đặc biệt, khối MCU phải đảm bảo mức năng lượng tiêu thụ thấp nhưng vẫn đủ khả năng xử lý các tác vụ yêu cầu từ các khối khác. [14] [15] Bảng 2.1: Chỉ tiêu kĩ thuật khối MCU Tiêu chí Đặc điểm Số lượng giao tiếp SPI 2 Nguồn cung cấp 1.8 – 3.6 V Năng lượng tiêu thụ Nhỏ hơn 5mW Tần số hoạt động >= 4MHz Chỉ tiêu kĩ thuật Công cụ hỗ trợ lập trình đầy đủ, dễ lập trình Timer Hỗ trợ timer-16bit trở lên. ADC Có khối ADC độ phân giải 10-bits c, Khối truyền thông không dây Công nghệ truyền thông không dây được sử dụng phổ biến trong nhà trồng thông minh là ZigBee. Khối Zigbee thực hiện nhiệm vụ thu, phát sóng điện từ tại tần số 2.4 GHz. Đây chính là cầu nối giữa thiết bị với người dùng. Khối này sử dụng nguồn năng lượng từ pin nên cũng phải đảm bảo năng lượng tiêu thụ thấp. Bảng 2.2: Chỉ tiêu kĩ thuật khối ZigBee Tiêu chí Đặc điểm Công suất phát 4.5 dBm Độ nhạy máy thu -97 dBm Tần số trung tâm 868MHz-2,4GHz Khoảng cách >= 10m (không có vật cản) Điện áp 3.3V Giao tiếp ngoại vi SPI
  30. 20 d, Khối Wifi Khối Wifi thực hiện nhiệm vụ thu, phát sóng Wifi từ access point. Module Wifi truyền dữ liệu giữa người dùng và mạng ZigBee. Bảng 2.3 biểu diễn các thông số kĩ thuật của module Wifi Bảng 2.3: Đặc điểm kĩ thuật khối Wifi Thông số Đặc điểm Điện áp đầu vào 3.3 V Công suất phát >=18 dBm Độ nhạy <= -88 dBm Các chế độ bảo mật WEP, WPA/ WPA2 Giao tiếp SPI e, Khối nguồn Khối nguồn cung cấp năng lượng hoạt động cho toàn mạch. Các thông số cần thiết của khối nguồn được biểu diễn trong bảng 2.4 dưới đây. Bảng 2.4: Thông số của khối nguồn Thông số Đặc điểm Điện áp đầu vào Từ 5-9V Điện áp đầu ra 3.3 V Dòng điện định mức 500 mA 2.1.1.2. Sub – board Hình 2.3. Sơ đồ khối Sub – board a, Chức năng: Sub – board làm nhiệm vụ nhận dữ liệu điều khiển từ Main – board thông qua Module ZigBee sau đó được MCU xử lý để xuất ra lệnh tương ứng điều khiển thiết bị. Sau đó sẽ gửi phản hồi về phía người dùng thông qua module ZigBee. b, Các yêu cầu hệ thống
  31. 21 Yêu cầu chức năng - Kết nối với Main – board qua module Wifi. - Cho phép điều khiển thiết bị thông qua các phím cảm ứng. - Thực hiện đo công suất tiêu thụ của thiết bị, rồi gửi về Main – board thông qua kết nối ZigBee. [20] Yêu cầu phi chức năng - Hệ thống hoạt động ổn định. - Tự động kết nối khi có mạng ZigBee. - Giá thành phù hợp. [17] 2.1.1.3. Hệ thống cảm biến Hệ thống các cảm biến thu thập các thông số về môi trường sinh trưởng và phát triển cho cây trồng như: - Nhiệt độ không khí - Độ ẩm không khí - Ánh sáng - Nhiệt độ - độ ẩm đất, dinh dưỡng đất - Nồng độ khí CO2 - Độ pH, độ dẫn điện EC và nhiệt độ dung dịch - Và các thông số môi trường khác [18] [19] Trong thực tế, hệ thống giám sát thu thập số liệu đo những thông số môi trường sinh trưởng của cây trồng được ứng dụng dựa trên nền tảng công nghệ mạng cảm biến không dây. Các cảm biến đo thông minh này được tích hợp với 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. Một số thiết bị cảm biến thường được sử dụng để đo thông số nhiệt độ, độ ẩm bao gồm: Cảm biến 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 2.4. Sơ đồ nối dây cảm biến IC đo nhiệt độ cơ bản
  32. 22 Một số cảm biến cơ bản đo độ ẩm có thể kể đến như Honeywell HCH 1000, Humirel S110x. Hình 2.5. Hình ảnh IC đo độ ẩm cơ bản 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. 2.1.1.4. Hệ thống chấp hành Những thành phần hệ thống chấp hành giúp tối ưu hóa quản lý các công việc hàng ngày trong chăm sóc cây trồng, tiết kiệm nguồn tài nguyên nước, đồng thời giảm đáng kể chi phí năng lượng. Những thiết bị chấp hành có thể điều khiển gồm có máy bơm, quạt, phun sương , được điều khiển tự động dựa theo cài đặt của người dùng. Trong thực tế, hệ thống chấp hành còn được tích hợp giải pháp điển khiển tự động hệ thống tưới nhỏ giọt, lướt phun sương hoặc điều khiển hệ thống nhiệt độ, ánh sáng, gió theo các mức độ tùy theo tình hình hình thực tế. 2.1.2 Phần mềm 2.1.2.1. Android Application Android Application được cài đặt trên smartphone/ tablet. Nó có chức năng nhận lệnh từ người dùng, truyền qua mạng Wifi đến module Wifi. Thuận lợi: - Kết quả được cập nhật theo thời gian thực - Giám sát được hiệu suất công việc - Các dữ liệu đồng bộ, giảm thiểu sai sót của con người - Loại trừ văn bản bằng giấy, giảm thời gian xử lý số liệu Ứng dụng nền tảng Android giúp người dùng có thể kết nối điện thoại để điều khiển máy móc tự động, robot tự động, hoặc thu thập các thông số từ các cảm biến. Một điểm đặc biệt, người dùng có thể theo dõi những kết quả thống kê và phân tích lịch xử, xu hướng từ những dữ liệu thu nhận được. Từ đó đưa ra các giải pháp giúp cho việc nuôi trồng đạt hiệu quả.
  33. 23 2.1.2.2 Phần mềm nhúng a, Phần mềm nhúng cho module ZigBee Phần mềm nhúng cho module ZigBee được xây dựng dựa trên những ngôn ngữ lập trình phổ biến hiện nay như C/C++, Java giúp cho việc thiết kế hệ thống trở nên đơn giản hơn và dễ dàng tương thích với những hệ thống khác. Với sự phát triển của công nghệ hiện nay cho phép nền tảng Arduino có thể kết nối các thiết bị ZigBee của Xiaomi, Heimantech, Ikea, mà không cần sử dụng gateway của hãng. Việc đơn giản hóa thiết lập mạng Zigbee giữa các board với nhau thông qua thư viện có sẵn nên người dùng có thể xây dựng hệ thống dễ dàng hơn. Arduino Zigbee Shield sử dụng chíp Zigbee Module E18-MS1PA1-IPX giúp khoảng cách truyền nhận tối đa cho có thể lên đến 1000m. Người dùng có khả năng phát triển các thiết bị/cảm biến ZigBee của Arduino dựa trên nền tảng phần mềm Arduino IDE. Ngôn ngữ lập trình của IDE rất thông dụng với C/C++. Môi trường phát triển tích hợp (IDE) của Arduino là một ứng dụng đa nền tảng được viết bằng Java. IDE này có các chức năng như đánh dấu cú pháp, và tự động canh lề, cũng như compile (biên dịch) [21] Hình 2.6 Giao diện Arduino IDE b, Phần mềm nhúng cho hệ thống Trước đây các hệ điều khiển số thường do các máy tính lớn đảm nhiệm, ngày nay chức năng điều khiển số này do các chíp vi xử lý, các hệ nhúng đã thay thế. Phần mềm điều khiển ngày càng tinh sảo tạo nên độ thông minh của thiết bị và ngày càng chiếm tỉ
  34. 24 trọng lớn trong giá thành của thiết bị. Một số đặc trưng của hệ thống nhúng hiện nay: - Phần mềm nhúng phát triển theo hướng chức năng hóa đặc thù. - Hạn chế về tài nguyên bộ nhớ - Yêu cầu thời gian thực Phần mềm nhúng là một chương trình được viết, biên dịch trên máy tính và nạp vào một hệ thống khác (gọi tắt là KIT) bao gồm một hoặc nhiều bộ vi xử lý đã được cài sẵn một hệ điều hành, bộ nhớ ghi chép được, các cổng giao tiếp với các phần cứng khác Hiện nay phần lớn các phần mềm nhúng nằm trong các sản phẩm truyền thông và các sản phẩm điện tử tiêu dùng, tiếp đến là trong các sản phẩm ô tô, phương tiện vận chuyển, máy móc thiết bị y tế, các thiết bị năng lượng, các thiết bị cảnh báo bảo vệ và các sản phẩm đo và điều khiển Những bộ vi xử lý và phần cứng trong hệ thống nhúng gồm: Texas Instrument, Freescale, ARM, Intel, Motorola, Atmel, AVR, Renesas Những hệ điều hành trong hệ thống nhúng gồm: QNX, uITRON, VxWorks, Windows CE/XP Embedded, Embedded Linux, Osek, Symbian Những ngôn ngữ lập trình trong hệ thống nhúng gồm: C/C++, B#, Ada, Assembly, PMC, LabView, PLC Đối với nền tảng Arduino, môi trường lập trình Arduino IDE có thể chạy trên ba nền tảng phổ biến nhất hiện nay là Windows, Macintosh OSX và Linux. Do có tính chất nguồn mở nên môi trường lập trình này hoàn toàn miễn phí và có thể mở rộng thêm bởi người dùng có kinh nghiệm. [22] Ngôn ngữ lập trình có thể được mở rộng thông qua các thư viện C++. Và do ngôn ngữ lập trình này dựa trên nền tảng ngôn ngữ C của AVR nên người dùng hoàn toàn có thể nhúng thêm code viết bằng AVR C vào chương trình. 2.2. Thực trạng và khả năng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào 2.2.1. Thực trạng ứng dụng nhà trồng thông minh tại Lào Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng công nghệ nhất. Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển, nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân về đặc tính của cây
  35. 25 trồng, về thời tiết Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”. Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính toàn cầu. Ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia tăng hiệu quả sản xuất. Với hơn 70% dân số là nông dân, Lào là một nước nông nghiệp. Tuy nhiên, ngành nông nghiệp Lào đang có dấu hiệu phát triển kém bền vững, giá trị đóng góp không tương xứng với quy mô. Để không bị tụt hậu so với thế giới và khu vực, có thể cạnh tranh được, nông nghiệp Lào cần phải đẩy nhanh quá trình tiếp cận với những nền khoa học công nghệ ở các nước phát triển, đặc biệt là những nước có nền kinh tế nông nghiệp phát triển. Bên cạnh đó, cần nhanh chóng đưa công nghệ thông tin vào ứng dụng rộng rãi để tăng hiệu quả sản xuất, đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng. Xuất phát từ thực tiễn và yêu cầu phát triển của đất nước, chính phủ Lào ngày càng quan tâm và chú ý tới phát triển nông nghiệp trong tổng thể sự phát triển chung của đất nước. Nông nghiệp đã mở đường cho quá trình đổi mới, tạo nền tảng, động lực cho tăng trưởng kinh tế và là nhân tố quan trọng bảo đảm sự ổn định kinh tế, xã hội, chính trị của đất nước. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất của nông nghiệp hiện nay là khả năng cạnh tranh, năng suất, chất lượng sản phẩm nông nghiệp của Lào còn thấp. Sở dĩ như vậy là do sản xuất nông nghiệp ở Lào còn nhỏ lẻ, việc ứng dụng khoa học công nghệ vào nông nghiệp chưa cao so với khu vực và thế giới. [16] 2.2.2. Khó khăn và thuận lợi trong việc ứng dụng nhà trồng thông minh trong nông nghiệp tại Lào 2.2.2.1. Khó khăn Hiện nay, chi phí ban đầu cho một mô hình nông nghiệp thông minh là không nhỏ, đặc biệt là chi phí mua các cảm biến từ Mỹ, Đức rất cao. Ý thức đổi mới canh tác là rất khó khăn vì người dân chủ yếu dựa vào kinh nghiệm. Vì thế, không phải muốn là có thể làm được ngay. Hơn nữa, về trình độ người nông dân Lào cũng đặt ra nhiều khó khăn cho công tác quản lý và điều hành mô hình sản xuất. Mặt khác, điều khó khăn là làm thế nào phối hợp được với người nông dân, kỹ sư nông nghiệp để đưa sản phẩm ra thị trường.
  36. 26 Một khó khăn khác là làm thế nào có thể sản xuất những thiết bị nhà trồng thông minh đơn giản ban đầu, tập huấn nghiệp vụ canh tác trong nhà trồng thông minh như thế nào, phân tích, đánh giá nhu cầu người nông dân, nhu cầu thị trường như thế nào đối với sản phẩm nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh. 2.2.2.2. Thuận lợi Theo số liệu dự báo thì vào năm 2020 trên thế giới sẽ có 4 tỷ người kết nối với nhau, 4 ngàn tỷ USD doanh thu, hơn 25 triệu ứng dụng, hơn 25 tỷ hệ thống nhúng và hệ thống thông minh, 50 ngàn tỷ GB dữa liệu và có 6 nhà cung cấp giải pháp IoT việc này sẽ dẫn đến thị phần còn rất nhiều, tạo điều kiện cho việc phát triển IoT, làm tiền đề để phát triển các hệ thống nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh. Mặt khác, các tổ chức quốc tế đầu tư thúc đẩy cho mảng IoT trong nông nghiệp rất lớn như: Quý 3 năm 2016 có 41 lần cam kết tổng đầu tư là 269 triệu đô cho startup nông nghiệp thông minh. Hơn nữa, vấn đề nhức nhối được người tiêu dùng cùng các doanh nghiệp quan tâm rất nhiều hiện nay đó là vấn đề về an toàn thực phẩm, điều này sẽ làm cho việc phát triển các hệ thống nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh để đảm bảo chất lượng rau củ quả được nhiều nhà đầu tư và doanh nghiệp quan tâm. 2.2.3. Các đặc trưng của hệ thống nhà trồng thông minh trong điều kiện Lào Xuất phát từ các phân tích về điều kiện kinh tế, xã hội của Lào ở trên, hệ thống nông nghiệp công nghệ cao như nhà trồng thông minh hiện nay ở Lào là các hệ thống đầu tiên được thiết kế nên cần phải đơn giản hóa mô hình, cơ cấu thiết bị ở mức tối thiểu. Sản phẩm nhà trồng thông minh được chế tạo trước hết là để giúp người dân, doanh nghiệp hình dung rõ được mô hình sản xuất nông nghiệp mới ứng dụng công nghệ cao, từ đó làm thay đổi tư duy và nhận thức để có thể hướng tới việc nhà nước và nhân dân Lào cùng tham gia vào việc xây dựng các hệ thống nông nghiệp cao hoàn thiện hơn, đầy đủ tính năng hơn, có thể sản xuất và ứng dụng ở phạm vi rộng hơn trong thực tiễn. Một đặc trưng khác của Lào là khí hậu nhiệt đới gió mùa do nằm chủ yếu ở đới khí hậu nhiệt đới. Trong đó, nhiệt độ trung bình tháng trên 18oC trong mỗi tháng và có mùa mưa (độ ẩm cao) và mùa khô (độ ẩm thấp) đặc trưng, với gió mùa có hướng thay
  37. 27 đổi theo mùa. Mùa mưa vào tháng 5 - 10; có gió mùa hạ mát, gây mưa, mùa khô vào tháng 11 - 4 (năm sau) có gió mùa đông lạnh khô. Do các đặc điểm về khí hậu trên, việc điều khiển hệ thống tưới, hệ thống gió để đảm bảo độ ẩm, nhiệt độ của môi trường, hay độ ẩm của đất trong nhà trồng thông minh là các yếu tố chính cần đảm bảo của nhà trồng thông minh tại Lào. Từ những phân tích về điều kiện kinh tế xã hội và điều kiện tự nhiên, khí hậu của Lào, kiến trúc của mô hình nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào được trình bày trong hình sau. Hình 2.7. Mô hình nhà trồng thông minh phù hợp với điều kiện Lào Trong đó, các thành phần của hệ thống đã được tối giản. Những thành phần chính của hệ thống bao gồm: - Hệ thống cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm) - Hệ thống bơm (bể bơm, máy bơm, hệ thống dẫn nước ) - Trạm điều khiển (điều khiển hoạt động thu nhận thông tin, điều khiển hệ thống bơm qua giao tiếp không dây) - Thiết bị điều khiển Smartphone với nền tảng Android.
  38. 28 Chương 3 XÂY DỰNG THỬ NGHIỆM NHÀ TRỒNG THÔNG MINH 3.1. Mô hình thử nghiệm Những mô hình nhà trồng thông minh thường yêu cầu rất cao trong 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 đó đòi hỏi người quản lý cần thu thập và theo dõi sát sao các chỉ số sinh trưởng của cây trồng trong từng thời kỳ. Nhờ quá trình 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 mức yêu cầu). Biết được độ ẩm của đất, độ ẩm, nhiệt độ của không khí sẽ cho phép người canh tác điều chỉnh hoạt động canh tác (phun tưới) một cách phù hợp để đạt được năng suất tối ưu của cây trồng. Hình 3.1. Mô hình thiết kế thử nghiệm nhà trồng thông minh Một số chức năng chính của mô hình thiết kế gồm: - Thu thập thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm); - Điều khiển hệ thống phun tưới qua smart phone; - Điều khiển thủ công/tự động hệ thống phun tưới qua smartphone; - Cảnh báo mức nước trong bể; - Cảnh báo quá hạn các thông số thu thập.
  39. 29 3.2. Lựa chọn phương án thiết kết 3.2.1. Phương án thiết kế thứ nhất Hệ thống được thiết kế dựa trên nền tảng công nghệ mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều bộ đầu cuối giám sát, thiết kế xây dựng theo mô hình mạng hình sao. Mỗi đầu cuối giám sát là một thiết bị tích hợp cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, thiết bị máy bơm. Các thiết bị này sẽ được bố trí tại các khu vực khác nhau và liên kết với trung tâm điều khiển của hệ thống. Khi hệ thống hoạt động, các thông số về nhiệt độ, độ ẩm của mỗi khu vực sẽ được giám sát và báo về cho khối điều khiển của thiết bị. Khối điều khiển của thiết bị sẽ gửi bản tin báo cáo về trung tâm điều khiển qua môi trường không dây và hiển thị trên màn hình điện thoại người dùng. Quá trình điều khiển hệ thống bơm cũng được thực hiện qua trên nền tảng truyền thông với module ZigBee. Hình 3.2. Thiết kế hệ thống trên nền tảng mạng cảm biến không dây Trong phương án thiết kế này, các nốt mạng tích hợp (gồm module truyền thông, cảm biến nhiệt độ/độ ẩm) sẽ được đặt tại các khu vực khác nhau trong trang trại, các thông số tại mỗi khu vực sẽ được thu thập và truyền về khối xử lý trung tâm thông qua module ZigBee. Dữ liệu sẽ được truyền về thiết bị điện thoại di động của người dùng. Quá trình điều khiển hệ thống bơm cũng được thực hiện tương tự. Đánh giá: Do mục tiêu của đề tài xây dựng mô hình thử nghiệm do đó việc thiết kế nhiều nốt mạng mặc dù mang tính chính xác cao hơn, tuy nhiên trong điều kiện không gian không lớn thì thiết kế hệ thống nêu trên sẽ tốn kém về mặt kinh phí trong xây dựng hệ thống. Vì vậy, tác giả xây dựng phương án thiết kế thứ hai dựa trên những ưu điểm của thiết kế hệ thống thứ nhất.
  40. 30 3.2.2. Phương án thiết kế thứ hai Trong phương án thiết kế hệ thống thứ hai, các thông số thu thập được từ các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm sẽ được truyền trực tiếp về khối xử lý trung tâm và truyền đến thiết bị điện thoại người dùng thông qua module thu phát Wifi. Quá trình điều khiển hệ thống bơm cũng được thực hiện tương tự. Hình 3.3. Thiết kế thử nghiệm hệ thống nhà trồng thông minh Thiết kế hệ thống có đầy đủ các thành phần cảm biến, các thiết bị chấp hành để thử nghiệm các chức năng hoạt động của nhà trồng thông minh. Các khối thành phần Chức năng Khối nguồn Cung cấp nguồn điện 5V cho toàn hệ thống. Khối cảm biển Thu nhận tín hiệu nhiệt độ, độ ẩm của môi trường Xử lý thông tin nhận được từ cảm biến. Điều khiển hoạt động của hệ thống bơm Khối xử lý trung tâm Tính toán đưa ra các thông số sau đó đưa lên Internet rồi đẩy lên app và đưa tín hiệu điều khiển qua khối điều khiển Khối điều khiển bơm Điều khiển động cơ tưới tiêu Nhận tín hiệu từ vi điều khiển sau đó xử lý và truyền dữ Khối truyền dữ liệu liệu lên server qua wifi. Được cài đặt phần mềm để hiện thị thông số thu thập dưới Khối smart phone dạng số, đồ thị hoặc điều khiển hệ thống bơm, có cảnh báo quá hạn các thông số môi trường.
  41. 31 3.3. Thiết kế phần cứng 3.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống Thiết kế hệ thống có sơ đồ nguyên lý như sau: Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý thiết kế hệ thống Nguyên lý hoạt động: - Sau khi cấp nguồn, hệ thống sẽ tiến hành đo nhiệt độ và độ ẩm đất của nhà trồng thông minh. Cảm biến nhiệt độ DTH11 sẽ đo độ hơi nước có trong không khí. Còn cảm biến độ ẩm đo độ ẩm trong đất, khi đất thiếu nước sẽ cho ra mức cao. Tất cả các tín hiệu thu được sẽ truyền về Node MCU để phân tích và đưa ra kết quả là các thông số về nhiệt độ và độ ẩm. Từ đó, đưa kết quả lên sever, người sử dụng có thể xem kết quả đo trên ứng dụng cài đặt trên điện thoại thông minh. - Cảm biến mực nước dạng phao sẽ kiểm tra mực nước có trong bế chứa và chỉ hoạt động khi đã có đủ nước trong bể. Khi người sủ dụng ấn “ON” trên ứng dụng điều khiển, cảm biến sẽ nhận tín hiệu và truyền cho Rơ-le (mạch xử lý đóng, ngắt) đóng mạch điện tử, khi mạch điện tử được đóng sẽ tác động một lệnh cấp điện cho bơm áp lực hoạt động cho phép bơm dung dịch. Đồng thời, bơm áp lực sẽ hút nước và phun ra vòi nước thông qua ống dẫn. Từ đây, nước sẽ được phun qua hệ thống tưới tiêu. Hệ thống sẽ dùng bơm nước khi người sử dụng ấn “OFF”. - Bộ công tắc chuyển đổi (CD): Được sử dụng để chuyển từ điều khiển từ sang thủ công. Nếu công tắc đang ở trạng thái mức cao, vi xử lý sẽ nhận tín hiệu thông qua ứng dụng trên điện thoại được điều khiển từ người dùng. Ngược lại, nếu công tắc ở mức
  42. 32 thấp vi xử lý sẽ nhận tín hiệu điều khiển thông qua công tắc điều khiển (DK) tại bảng điều khiển. 3.3.2. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống 3.3.2.1. Module ESP 8266 ESP8266 là một mạch vi điều khiển dùng để điều khiển các thiết bị điện tử. Thêm vào đó nó được tích hợp wi-fi 2.4GHz có thể dùng cho lập trình. Module có khả năng kết nối Internet qua mạng Wi-Fi một cách nhanh chóng và sử dụng rất ít linh kiện đi kèm. Hiện nay tất cả các dòng chip ESP8266 trên thị trường đều mang nhãn ESP8266EX, là phiên bản nâng cấp của ESP8266, ví dụ như: ESP8266E01, ESP8266 E02, ESP8266 E06, ESP8266 E10, ESP8266 E11, ESP8266 E12, ESP8266 E12E . [23] Hình 3.5. Module ESP8266 Module ESP8266 là kít phát triển dựa trên nền chíp WiFi SoC ESP8266 với thiết kế dễ dàng sửa dụng vì tích hợp sẵn mạch nạp sử dụng chíp CP2102 trên borad. Bên trong ESP8266 có sẵn một lõi vi xử lý vì thế có thể trực tiếp lập trình cho ESP8266 mà không cần thêm bất kì vi xử lý nào nữa. Hiện tại có hai ngôn ngữ thông dụng nhất có thể lập trình cho ESP8266 là sử dụng trực tiếp phần mềm IDE của Arduino để lập trình với bộ thư viện riêng hoặc sử dụng phần mềm Node MCU. Thông số kĩ thuật - WiFi: 2.4 GHz hỗ trợ chuẩn 802.11 b/g/n - Điện áp hoạt động: 2.5-3.6V - Điện áp đầu vào (khuyên dùng): 7-12V - Điện áp đầu vào (giới hạn): Max 3.6V
  43. 33 - Chân Digital I/O: 11 - Chân PWM Digital I/O: 10 chân trừ chân D0 - Chân đầu vào Analog: 1 chân 10bit (max 3.3V) - Dòng sử dụng I/O Pin: 70mA - Dòng sử dụng 3.3V Pin: MAX 200mA - Bộ nhớ Flash: 4MB – MAX 16MB - Bộ nhớ: 128 KB - Kích thước: 49 x 24.5 x 13mm. - Giao tiếp: Cable Micro USB ( tương đương cáp sạc điện thoại ) - Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2 - Tích hợp giao thức TCP/IP - Lập trình trên các ngôn ngữ: C/C++, Micropython, Bộ vi xử lý ESP8266EX tích hợp bộ xử lý RISC 32-bit của Tensilica L106, đạt được mức tiêu thụ điện năng cực thấp và đạt tốc độ xung nhịp tối đa 160 MHz. Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) và ngăn xếp WiFi cho phép khoảng 80% sức mạnh xử lý có sẵn để lập trình và phát triển ứng dụng người dùng. Được thiết kế cho các thiết bị di động, thiết bị điện tử có thể đeo và các ứng dụng IoT, ESP8266EX đạt được mức tiêu thụ điện năng thấp với sự kết hợp của một số công nghệ độc quyền. Kiến trúc tiết kiệm năng lượng có ba chế độ hoạt động: Chế độ hoạt động, chế độ ngủ và chế độ ngủ sâu. Điều này cho phép thiết kế chạy bằng pin chạy lâu hơn. Đặc biệt, ESP8266EX có 17 chân GPIO có thể được gán cho các chức năng khác nhau bằng cách lập trình các thanh ghi thích hợp. Mỗi GPIO có thể được cấu hình với pull-up bên trong hoặc pull-down, hoặc thiết lập trở kháng cao, và khi được cấu hình làm đầu vào, dữ liệu được lưu trong các thanh ghi nhớ, đầu vào có thể cũng được đặt thành các ngắt CPU kích hoạt cạnh hoặc kích hoạt cấp. Các chân này có thể được ghép với các chức năng khác như I2C, I2S, UART, PWM, Đối với các hoạt động điện năng thấp, các GPIO cũng có thể được thiết lập để giữ trạng thái hoạt động ví dụ, khi chip bị tắt, tất cả tín hiệu cho phép đầu ra có thể được đặt ở mức thấp.
  44. 34 3.3.2.2. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Hình 3.6 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 Cảm biến độ ẩm và nhiệt độ DHT11 lấy dữ liệu thông qua giao tiếp 1 wire (giao tiếp digital 1 dây truyền dữ liệu duy nhất). Bộ tiền xử lý tín hiệu tích hợp trong cảm biến giúp có được dữ liệu chính xác mà không phải qua bất kỳ tính toán nào. [24] Thông số kỹ thuật: - Điện áp đầu vào từ 3 đến 5VDC. - Kích thước 15x12x5.5mm. - Đo tốt ở dải nhiệt độ từ 0 đến 50 độ C sai số +/- 2 độ C. - Đo tốt ở độ ẩm 20 - 80 % RH. Sai số 5%. - Tần số lấy mẫu tối đa 1%. - DHT11 gửi và nhận dữ liệu với một dây tín hiệu DATA, với chuẩn dữ liệu truyền 1 dây phải đảm bảo sao cho ở chế độ chờ (idle) dây DATA có giá trị ở mức cao, nên trong mạch sử dụng DHT11, dây DATA phải được mắc với một trở kéo bên ngoài (thông thường giá trị là 4.7kΩ). 3.3.2.3. Cảm biến độ ẩm đất Cảm biến độ ẩm đất có thể hiển thị chính xác thông số độ ẩm đất. Độ nhạy của cảm biến phát hiện độ ẩm đất có thể tùy chỉnh được (bằng cách điều chỉnh chiết áp màu xanh trên board mạch). Phần đầu đo được cắm vào đất để phát hiện độ ẩm của đất, khi độ ẩm của đất đạt ngưỡng thiết lập, đầu ra DO sẽ chuyển trạng thái từ mức thấp lên mức cao. [25] Thông số kỹ thuật - Điện áp hoạt động: 3.3V-5V
  45. 35 - Kích thước PCB: 3cm * 1.6cm - VCC: 3.3V-5V - DO: Đầu ra tín hiệu số (0 và 1) - AO: Đầu ra Analog (Tín hiệu tương tự) Hình 3.7 Cảm biến độ ẩm đất và LM393 Cảm biến độ ẩm đất rất nhạy với độ ẩm môi trường xung quanh, thường được sử dụng để phát hiện độ ẩm của đất. Khi độ ẩm đất vượt quá giá trị được thiết lập, ngõ ra của module D0 ở mức giá trị là 0V. 3.3.2.4. Cảm biến mức nước Cảm biến mức nước được sử dụng là một loại phao điện từ có hoạt động như một công tắc từ. [26] Bình thường hai tiếp điểm của phao khi chưa có nước tiếp xúc sẽ ở trạng thái đóng, khi có mực chất lỏng làm phao nổi lên sẽ chuyển trạng thái. Thường được sử dụng để cảnh báo mực nước đầy, hệ thống bơm tưới tự ngắt. Hình 3.8. Cảm biến mức nước Thông số kỹ thuật: - Dòng tiêu thụ: Tối đa 300mA - Tuổi thọ: 100 triệu lần đóng/ngắt.
  46. 36 - Nhiệt độ làm việc: 85oC - Áp suất làm việc: 1Mpa - Áp lực: 1Mpa 3.3.2.5. Module relay 2 kênh Module relay 2 kênh được thiết kế nhỏ gọn và có khả năng chống nhiễu tốt, transistor giúp cách ly hoàn toàn mạch vi điều khiển với rơ le bảo đảm vi điều khiển hoạt động ổn định. [27] Hình 3.9. Module Relay 2 kênh 5V Thông số kỹ thuật: - Trọng lượng: 31g - Điện áp nuôi: DC 5V - 2 led báo trạng thái relay - Đầu ra điện thế đóng ngắt tối đa: DC 30V / 10A, AC 250V / 10A - Điện áp cung cấp: 5V DC - Dòng điện hoạt động: >100mA - Tải max: 250V 10A AC hoặc DC 30V 10A - Kích thước: 50x45 mm
  47. 37 3.3.2.6. Máy bơm 12V Hình 3.10. Máy bơm 12V Thông số kỹ thuật: - Điện áp làm việc: 12VDC - Dòng không tải: 0,23A - Lưu lượng: 2-3 lít / phút (12V) - Áp suất đầu ra: 1-2,5 kg - Độ sâu hút đạt được: 1-2,5 mét - Tuổi thọ làm việc bình thường: 2-3 năm - Bơm đường kính: 35mm – 40mm 3.4. Thiết kế phần mềm 3.4.1. Lưu đồ thuật toán hệ thống 3.4.1.1. Lưu đồ thuật toán kết nối Wifi Khi kích hoạt hệ thống, quá trình kết nối giữa điện thoại và hệ thống thông qua wifi sẽ được thực hiện. Lúc này, người dùng cần bật wifi trên thiết bị điện thoại thông minh, đồng thời truy cập vào server đã được tạo ra bởi module wifi ESP 8266.
  48. 38 Hình 3.11. Lưu đồ thuật toán hệ thống Nếu quá trình kết nối không thực hiện được, người dùng phải thực hiện việc kiểm tra kết nối trên thiết bị và trên hệ thống. Khi thực hiện kết nối thành công, người dùng sẽ tiếp tục thao tác trên giao diện chương trình để thực hiện các chức năng như: Hiển thị thông số môi trường, điều khiển thiết bị bơm tưới 3.4.1.2. Lưu đồ thuật toán chương trình thu thập thông số môi trường Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán thu thập thông số môi trường
  49. 39 Khi hệ thống hoạt động, những thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm sẽ được gửi về trung tâm điều khiển. Nếu những thông số này nằm trong ngưỡng cho phép, kết quả sẽ được hiển thị trên giao diện điện thoại người dùng. Trong trường hợp thông số nằm ngoài ngưỡng cho phép, ngoài việc hiển thị kết quả thì thiết bị sẽ gửi thông tin cảnh báo đến người dùng. 3.4.2 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển thiết bị bơm Hình 3.13. Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển thiết bị Sau khi module thu wifi nhận tín hiệu điều khiển sẽ được vi điều khiển tiến hành giải mã tín hiệu điều khiển. Lúc này mã điều khiển sẽ được kiểm tra, nếu mã điều khiển là "a", "b", thì sẽ tương ứng thực hiện chế độ điều khiển hệ thống bơm tưới bằng thủ công hoặc tự động theo chương trình lập trình. 3.4.3. Phần mềm Android 3.4.3.1. Giới thiệu về nền tảng Android Android được xây dựng trên một nền tảng mở và một thư viện đa chức năng, Android đã nhanh chóng được cộng đồng lập trình viên di động hưởng ứng mạnh mẽ. Nền tảng androi tích hợp nhiều tính năng nổi bật: - Android là một hệ điều hành nhân Linux, đảm bảo sự tương tác với các phần cứng quản lý bộ nhớ, điều khiển các tiến trình tối ưu cho các thiết bị di động. - Máy ảo Dalvik được tối ưu cho các thiết bị di dộng, chạy các ứng dụng lập trình trên ngôn ngữ Java.
  50. 40 - Các thư viện cho phát triển ứng dụng mã nguồn mở bao gồm SQlite, WebKit, OpenGL và trình quản lý đa phương tiện. - Hỗ trợ các chuẩn đa phương tiện phổ biến, thoại trên nền GSM, Bluetooth, 3G và WiFi. - Hỗ trợ Camera, GPS, la bàn máy đo gia tốc - Bộ phát triển ứng dụng SDK đầy đủ các phần mềm cho thiết bị di động bao gồm thiết bị giả lập, công cụ sửa lỗi - Android cung cấp một tập hợp đầy đủ các phần mềm cho thiết bị di động bao gồm hệ điều hành, các khung ứng dụng và các ứng dụng cơ bản. Android hoàn toàn có tính mở, một ứng dụng có thể gọi tới bất kể một chức năng lõi của điện thoại như tạo cuộc gọi, gửi tin nhắn hay sử dụng máy ảnh, cho phép người phát triển tạo phong phú hơn, liên kết hơn các tính năng cho người dùng. Android được xây dựng trên nhân Linux mở, thêm nữa nó sử dụng một máy ảo mà đã được tối ưu hoá bộ nhớ và phần cứng với môi trường di dộng. Android là một mã nguồn mở để kết hợp tự do giữa các công nghệ nổi trội. Nền tảng này sẽ tiếp tục phát triển để tạo ra các ứng dụng di động hoàn hảo. 3.4.3.2. Môi trường lập trình trên nền tảng Android App Inventor 2 Chương trình Inventor 2 thực chất là một ứng dụng web, chạy bởi trình duyệt trên máy tính cá nhân. Tuy nhiên, người dùng vẫn phải cài đặt một phần mềm Java mang tên App Inventor Extras, có nhiệm vụ điều khiển điện thoại Android (kết nối với máy tính thông qua cổng USB). Nhờ vậy, người dùng có thể nhanh chóng chuyển ứng dụng từ máy tính cá nhân qua điện thoại Android để chạy thử. Các thiết bị di động (chủ yếu là điện thoại thông minh) có năng lực xử lý thông tin ngày càng mạnh, đang trở thành một chủng loại “máy tính cá nhân”. Khác với máy tính cá nhân thông thường, các thiết bị di động có bộ đo gia tốc, con quay hồi chuyển, bộ định vị GPS và có thể có thêm các bộ cảm ứng khác trong tương lai, từ đó mở ra những lĩnh vực ứng dụng mới mẻ và rộng lớn. Với công cụ App Inventor, Google tạo điều kiện để mọi người có thể tự xây dựng phần mềm ứng dụng cho thiết bị di động dùng hệ điều hành Android. Để dùng được App Inventor, người dùng không nhất thiết là lập trình viên. Thay vì viết các câu lệnh,
  51. 41 người dùng có thể thiết kế bộ mặt ứng dụng theo ý mình một cách trực quan và lắp ráp các thẻ lệnh để diễn đạt chức năng của phần mềm. 3.4.3.3. Những tiêu chí cần đạt được đối với phần mềm hệ thống trên nền tảng Android: Thiết kế, xây dựng chương trình điều khiển hệ thống có các chức năng: - Đăng nhập cho người sử dụng - Thông tin về phần mềm điều khiển - Các chức năng điều khiển: + Điều khiển hệ thống bơm bằng thủ công/tự động. + Thực hiện cảnh báo trong trường hợp thông số quá ngưỡng hoặc bể cạn. - Các chức năng thu thập thông số môi trường: + Thu thập và hiển thị thông số nhiệt độ, độ ẩm môi trường. + Thu thập thông số độ ẩm đất. Thiết kế phần mềm trên Android: Ứng dụng Smart-Farming Sau khi tạo thành công tài khoản giao diện ứn dụng sẽ trở về màn hình đăng nhập, lúc này chương trình nhập tài khoản và mật khẩu vừa tạo để vào giao diện chính của ứng dụng. Hình 3.14. Giao diện chương trình Sau khi đăng nhập thành công, ứng dụng sẽ trở về màn hình chính của chương trình.
  52. 42 Hình 3.15. Giao diện chính của chương trình Chức năng: Trên giao diện chính của Ứng dụng với biểu tượng nhiệt kế màu đỏ và bên cạnh là thông số °C , đây là nhiệt độ không khí được đo qua cảm biến DHT11 giúp người dùng có thể biết chính xác được nhiệt độ ngoài trời tại nhà trồng. Trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm nhà trồng không đạt yêu cầu, người dùng có thể cho kích hoạt hệ thống tưới tiêu để làm tăng độ ẩm cho đất. Hình 3.16. Biểu tượng và thông số nhiệt độ Cùng sử dụng cảm biến DHT11 cho ra dữ liệu để hiển thị trên ứng dụng ngoài nhiệt độ ra còn là độ ẩm % không khí với biểu tượng giọt nước màu xanh và bên cạnh là thông số đo được. Hình 3.17. Biểu tượng và thông số độ ẩm môi trường. Biểu tượng hình tròn màu nâu cùng thông số bên cạnh là chỉ số của độ ẩm đất được lấy dữ liệu từ cảm biến đo độ ẩm đất gửi về.
  53. 43 Hình 3.18. Biểu tượng và thông số độ ẩm đất. Với 3 thông số: Độ ẩm, nhiệt độ không khí, độ ẩm đất khi đạt tới giá trị có thể gây ảnh hưởng, hư hại tới cây trồng, hệ thống sẽ tự gửi cảnh báo qua ứng dụng trên màn hình điện thoại người dùng để kịp thời xử lý Hình 3.19. Màn hình cảnh báo khi thông số vượt ngưỡng giới hạn. Hình 3.20. Thông tin cảnh báo trên thiết bị người dùng. Trên giao diện chính còn một biểu tượng màu đỏ bên trong với dòng chữ “điều khiển”. Đây là chức năng điều khiển hệ thống bơm tưới cho người dùng.
  54. 44 Khi ấn vào biểu tượng này, màn hình người dùng sẽ chuyển sang 1 giao diện mới đây là nơi chuyển cài đặt giờ để tưới tiêu tự động trong khoảng thời gian nhất định . Hình 3.21. Giao diện điều khiển hệ thống bơm tưới Trên giao diện điều khiển có 3 chức năng chính: Điều khiển thủ công: Khi người dùng nhấn “BẬT” hoặc “TẮT” trên màn hình, dữ liệu sẽ được gửi về hệ thống và lệnh cho bộ điều khiển bật hoặc tắt theo đúng câu lệnh người đùng đưa ra Hẹn giờ bơm: Khi người dùng nhấn “chọn thời gian hẹn giờ”, màn hình sẽ đưa ra đồng hồ để chọn thời gian để bật thết bị tưới tiêu, và tắt khi hết thời gian người dùng chọn. Có 2 chế độ chọn thời gian: Hình 3.22. Thiết lập thời gian điều khiển hệ thống bơm tưới
  55. 45 Nút “Quay lại” để thực hiện quay lại màn hình chính, người dùng sẽ theo dõi được nhiệt độ, độ ẩm, môi trường của vườn trồng. 3.5. Kết quả thực nghiệm và đánh giá 3.5.1. Kết quả thực nghiệm sản phẩm Hệ thống vườn trồng thông minh đã đạt được các tính năng gồm: - Thu thập thông số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm); - Điều khiển hệ thống phun tưới qua smart phone; - Điều khiển thủ công/tự động hệ thống phun tưới qua smartphone; - Cảnh báo mức nước trong bể; - Cảnh báo quá hạn các thông số thu thập; - Chương trình xây dựng trên nền tảng Android của điện thoại di động có giao diện thân thiện, dễ sử dụng đối với người dùng; - Hệ thống có tính bảo mật, đơn giản dễ sử dụng và tương thích với điện thoại hệ điều hành Android. Một số hình ảnh thực tế của sản phẩm: Hình 3.23. Hệ thống nhà trồng thông minh Mô hình tổng thể của nhà trồng thông minh có đầy đủ các khối thành phần theo thiết kế của bài toán. Các thành phần của nhà trồng gồm có: Hệ thống cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm môi trường, độ ẩm đất), hệ thống bơm tưới (bể bơm, máy bơm, hệ thống ống
  56. 46 dẫn, vòi phun), khối xử lý trung tâm Các khối chức năng hoạt động theo đúng yêu cầu đặt ra. Hình 3.24. Khối xử lý trung tâm của nhà trồng thông minh Khối xử lý trung tâm của hệ thống nhà trồng thông minh được bảo vệ trong một khối hộp bên cạnh mô hình. Khối xử lý trung tâm thực hiện nhiệm vụ thu nhận, xử lý dữ liệu, truyền thông đến người dùng và thực hiện chức năng điều khiển hệ thống bơm tưới. Hình 3.25. Giao diện chương trình điều khiển hệ thống bơm tưới Hệ thống nhà trồng thông minh được điều khiển thông qua thiết bị điện thoại thông minh Android. Người dùng dễ dàng thao tác thực hiện việc điều khiển hệ thống
  57. 47 phun tưới theo chế độ tự động/thủ công. Chế độ điều khiển linh hoạt giúp tiết kiệm nguồn tài nguyên nước, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu quả việc chăm sóc cho cây trồng. Hình 3.26. Giao diện chương trình thu thập thông số từ cảm biến Hệ thống nhà trồng thông minh với những cảm biến chuyên dụng cho phép thu thập chính xác những thông số liên quan đến quá trình canh tác. Những thông số này được lưu trữ và xử lý giúp người dùng nắm bắt được tình hình và có những giải pháp can thiệp hiệu quả. 3.5.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm * Ưu điểm - Hệ thống có khả năng mở rộng tùy theo nhu cầu thực tế của vườn trồng. Bên cạnh đó việc sử dụng tín hiệu wifi cho phép người dùng tùy chỉnh vị trí lắp đặt phù hợp với thực tế sử dụng. - Hệ thống hỗ trợ người dùng trong quá trình điều trị, đồng thời kiểm soát thông số môi trường và điều kiện độ ẩm đất, giúp tiết kiệm điện năng sử dụng và tiết kiệm nguồn tài nguyên nước. - Ứng dụng được với điện thoại thông minh nền tảng Android. Thiết kế chương trình có giao diện đơn giản, thân thận với người dùng. - Hệ thống tiêu tốn ít điện năng. - Đơn giản, gọn nhẹ, giao diện chương trình thân thiệt và dễ sử dụng. * Nhược điểm
  58. 48 - Không sử dụng được phần mềm với các dòng điện thoại thấp và không chạy hệ điều hành android. - Số lượng thiết bị điều khiển còn giới hạn, do phụ thuộc vào kinh tế thực hiện nghiên cứu. - Phần mềm chỉ chạy hiệu quả khi đi kèm phần cứng hệ thống. * Kết luận Qua thời gian chạy thử nghiệm hệ thống cho thấy hệ thống hoạt động tốt và ổn định. Kết quả sản phẩm đã hoàn thiện và giải quyết được yêu cầu bài toán đặt ra của đề tài như: - Kết nối, truyền nhận tín hiệu từ phần cứng (khối xử lý trung tâm) qua môi trường không dây như wifi. - Thực hiện việc giao tiếp hai chiều với hệ thống thông qua điện thoại di động thông minh. Với mục tiêu đặt ra trong quá trình thực hiện đề tài và qua quá trình làm việc, đề tài đã đạt được một số kết quả nghiên cứu sau: - Hệ thống hoạt động tốt, chất lượng ổn định. - Người dùng dễ dàng thao tác sử dụng. - Có giá trị thực tiễn cao trong thực tế và có khả năng triển khai tại Lào. - Đẩy mạnh xu hướng vừa học vừa nghiên cứu khoa học trong sinh viên. * Hướng phát triển - Chương trình phần mềm của hệ thống có thể phát triển trên nền tảng khác như Windows Phone, IOS - Thêm một số tính năng khác như giám sát hiệu năng hoạt động, điện năng tiêu thụ của mỗi thiết bị và của từng hệ thống; Giám sát thêm được nhiều thông số môi trường khác liên quan đến môi trường vườn trồng. - Cải thiện chương trình hệ thống với nhiều tính năng hơn để đáp ứng được nhu cầu người dùng. - Mở rộng phương thức giao tiếp hệ thống thông qua các công nghệ không dây tiên tiến hiện nay như Internet, đặc biệt là nền tảng Internet of Things
  59. 49 KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu phần nào đáp ứng được yêu cầu đã đặt ra cho việc thu thập một số thông số môi trường trong nhà trồng thông minh. Điều này có ý nghĩa rất quan trọng cho việc nuôi trồng, sản xuất có chất lượng và năng suất cao. Đặc biệt hệ thống nhà trồng thông minh giúp làm đa dạng hóa các loại cây trồng mà trước đây địa phương không trồng được. Bên cạnh đó, với việc điều khiển hệ thống được thực hiện hoàn toàn từ xa giúp hạn chế sức lao động của người nông dân, đồng thời cũng tiết kiệm hiệu quả các nguồn tài nguyên. Việc ứng dụng nền tảng Androi kết hợp với các phần cứng của Arduino giúp cho quá trình lập trình dễ dàng và có thể thay đổi được tùy thuộc yêu cầu điều khiển và khả năng mở rộng của bộ xử lý trung tâm. Ngoài ra với việc giám sát và điều khiển hệ thống qua wifi giúp cho việc quản lý thuận tiện và dễ dàng hơn khi ở khoảng cách xa. Đề tài vườn trồng thông minh được xây dựng về cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra. Tuy nhiên những lợi ích và hiệu quả của hệ thống sẽ có giá trị vô cùng to lớn khi hướng phát triển lên “intelligent farm” tích hợp các công nghệ xử lý big data, trí tuệ nhân tạo để hệ thống có thể tự động cung cấp dinh dưỡng, các điều kiện của nhà trồng thích nghi với từng loại cây trồng.
  60. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đỗ Kim Chung, Nông nghiệp thông minh: Các vấn đề đặt ra và định hướng cho nghiên cứu và đào tạo, Tạp chí Khoa học Nông nghiệp Việt Nam 2018, 16(7): 707-718. [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]. Nguyễn Chí Nhân, Phạm Ngọc Tuấn, Mạng cảm biến không dây ứng dụng cho nông nghiệp công nghệ cao, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ –Khoa học Tự nhiên, 3(4):259-270. [4]. Ngô Trí Dương, Nguyễn Thái Học, Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển tưới phun sương phục vụ trồng rau trong giai đoạn vườn ươm, Tạp chí Khoa học và Phát triển 2013, tập 11 , số 3: 397 -410. [5]. Lê Quý Kha (2017), Tổng quan nông nghiệp 4.0 trên thế giới và khả năng áp dụng tại Việt Nam, Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, kỳ 1, 8tr. [6]. Phạm Mạnh Toàn, Xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính nông nghiệp dựa trên công nghệ mạng không dây wi-fi, Tạp chí KH-CN Nghệ An, 8/2016. [7]. O'Grady, Michael J., and Gregory MP O'Hare, Modelling the smart farm, Information processing in agriculture 4.3 (2017): 179-187. [8]. Cho, Yongyun, et al, An agricultural expert cloud for a smart farm, Future Information Technology, Application, and Service, Springer, Dordrecht, 2012. 657-662. [9]. Ryu, Minwoo, et al, Design and implementation of a connected farm for smart farming system, 2015 IEEE SENSORS. IEEE, 2015. [10]. Jindarat, Siwakorn, Pongpisitt Wuttidittachotti, Smart farm monitoring using Raspberry Pi and Arduino, 2015 International Conference on Computer, Communications, and Control Technology (I4CT), IEEE, 2015. [11]. Yeo, Uk-hyeon, et al, Analysis of Research Trend and Core TechnologiesBased on ICT to Materialize Smart-farm, Protected Horticulture and Plant Factory (2016).
  61. 51 [12]. Kaewmard, Nattapol, and Saiyan Saiyod, Sensor data collection and irrigation control on vegetable crop using smart phone and wireless sensor networks for smart farm, 2014 IEEE Conference on Wireless Sensors (ICWiSE), IEEE, 2014. [13]. Holger Karl and Andreas Willig, Protocols and Architectures for Wireless Sensor Networks, John Wiley & Sons, 2005. [14]. Yazeed Al-Obaisat, Robin Braun - University of Technology, Sydney, Australia, On Wireless Sensor Networks: Architectures, Protocols, Applications, and Management, AusWireless 2007, Sydney, Australia. 01/2007. [15]. Siddharth Ramesh, A Protocol Architecture for Wireless Sensor Networks, School of Computing, University of Utah, Salt Lake City, 2008. [16]. Jason Lester Hill - B.S. (University of California, Berkeley), System Architecture for Wireless Sensor Networks, Spring 2003, University of California, Berkeley. [17]. Jamal N. Al-Karaki Ahmed E. Kamal, Routing Techniques in Wireless Sensor Networks, Dept. of Electrical and Computer Engineering, Iowa State University, Ames, IEEE Wireless Communication Dec 2004, pp 6-28. [18]. Mark A. Perillo and Wendi B. Heinzelman, Wireless Sensor Network Protocols, Department of Electrical and Computer Engineering University of Rochester, Rochester, NY, USA, 2006. [19]. Edgar H. Callaway, Wireless Sensor Networks: Architectures and Protocols, Auerbach Publications, August 26, 2003. [20]. ZigBee Alliance Board of Directors, ZigBee Specification Document, Copyright © 2007 ZigBee Standards Organization. [21]. Dhananjay V. Gadre, Programming and Customizing the AVR Microcontroller, Copyright 2001 The McGraw-Hill Companies, Inc. [22]. Phạm Quang Huy, Nguyễn Trọng Hiếu, Vi điều và ứng dụng Arduino dành cho người tự học, NXN Bách Khoa Hà Nội, 2014. [23]. Datasheet Module ESP 8266 [24]. Datasheet Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 [25]. Datasheet Cảm biến độ ẩm đất [26]. Datasheet Cảm biến mức nước [27]. Datasheet Module relay 2 kênh