Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Hệ thống cảm biến Iot trong nông nghiệp công nghệ cao

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:65

Thêm vào BST

Báo xấu

80
lượt xem 17
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của Luận văn nhằm xây dựng một mạng cảm biến không dây có đủ khả năng thu thập các dữ liệu cảm biến theo thời gian thực. Mạng cảm biến hoạt động linh hoạt, liên tục đồng thời tiết kiệm năng lượng. Dữ liệu sau khi thu thập sẽ được lưu giữ trên một cơ sở điện toán đám mây phục vụ công tác xử lý thông tin về sau. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Vật lý: Hệ thống cảm biến Iot trong nông nghiệp công nghệ cao

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ------------------------- Lê Công Huynh HỆ THỐNG CẢM BIẾN IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ Khánh Hòa – 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ --------------------------------------------- Lê Công Huynh HỆ THỐNG CẢM BIẾN IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 8520401 LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hướng dẫn 1: TS. Lê Văn Tùng Hướng dẫn 2: TS. Nguyễn Trọng Nghĩa Khánh Hòa – 2020
Lời cam đoan Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn “HỆ THỐNG CẢM BIẾN IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO” là trung thực và không có bất kỳ sự sao chép hay sử dụng để bảo vệ một học vị nào. Tất cả sự giúp đỡ cho việc xây dựng cơ sở lý luận cho bài luận đều được trích dẫn đầy đủ và ghi rõ nguồn gốc và được phép công bố. Học viên Lê Công Huynh
Lời cảm ơn Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn, tôi đã nhận được sự động viên, khuyến khích và tạo điều kiện giúp đỡ nhiệt tình của các cấp lãnh đạo, thầy cô giáo, anh chị em, bạn bè, đồng nghiệp và gia đình. Đặc biệt, với lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Lê Văn Tùng và TS. Nguyễn Trọng Nghĩa đã tận tình hướng dẫn cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo, các Khoa, Phòng của Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã tận tình giảng dạy và tạo điều kiện để chúng tôi hoàn thành chương trình thạc sĩ. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô giáo của Viện nghiên cứu và Ứng dụng Công nghệ Nha Trang đã nhiệt tình và tạo điều kiện thuận lợi để giúp tôi hoàn thành khóa học. Trong quá trình làm luận văn không thể tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót, tôi rất mong được sự góp ý và chỉ dẫn của quý thầy cô và bạn bè để luận văn hoàn thiện hơn. Học viên Lê Công Huynh
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt Chữ viết tắt Các từ gốc của chữ viết tắt ACK Acknowledge ADC Analog to Digital Converter API Application Programming Interface DSP Digital Signal Processor EC Electrical Conductivity FSK Frequency Shift Keying GFSK Gaussian Frequency Shift Keying GPIO General purpose input/output I2C Inter Intergrated Circuit IC Integrated Circuit ID Identification IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IoT Internet of Things ISM Industrial, Scientific and Medical MCU Multipoint Control Unit OOK On Off Keying OSI Open Systems Interconnection RF Radio Frequency RFD Reduced Function Device RTC Read Time Clock SPI Serial Peripheral Interface TDMA Time Division Multiple Access TDS Total Dissolved Solids Danh mục bảng Bảng 1. 1 So sánh công nghệ mạng không dây……………………………...14 Bảng. 3.1. Thông số kĩ thuật Mạch RF UART SI4463 433Mhz HC+12…….21
Danh mục hình ảnh Hình 2.1. Sơ đồ khối cảm biến ............................................................................ 18 Hình 2.2. Arduino Nano V3.0 ATmega328P cho khối cảm biến ........................ 19 Hình 2.3. Mạch RF UART SI4463 433Mhz HC-12 ........................................... 20 Hình 2.4. Cảm biến nhiệt độ độ ẩm và áp suất không khí BME280 ................... 22 Hình 2.5. Cảm biến cường độ sáng BH1750....................................................... 23 Hình 2.6. Cảm biến nhiệt độ DS18B20 ............................................................... 23 Hình 2.7. Cảm biến điện dung đất ....................................................................... 24 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử khối cảm biến ..................................... 25 Hình 2.9. Lắp ráp khối cảm biến không khí ........................................................ 26 Hình 2.10. Lắp ráp khối cảm biến đất ................................................................. 27 Hình 2.11. Sơ đồ mạng cảm biến thực nghiệm nhà kính .................................... 28 Hình 2.12. Lưu đồ thuật toán khối cảm biến ....................................................... 29 Hình 2.13. Lưu đồ thuật toán khối nhận dữ liệu ................................................. 30 Hình 2.14. Mạch wifi ESP 8266 – ESP 01 .......................................................... 32 Hình 2.15. Sơ đồ giao thức bắt tay ...................................................................... 33 Hình 2.16. Sơ đồ khung dữ liệu........................................................................... 33 Hình 2.17. Nguyên lý hoạt động TDMA............................................................. 36 Hình 2.18. Giao diện trang chủ ThingSpeak ....................................................... 39 Hình 2.19. Thử nghiệm nạp mạch sau khi viết chương trình .............................. 40 Hình 3.1. Khối cảm biến độ ẩm và nhiệt độ đất……………………………….41 Hình 3.2. Khối cảm biến cường độ sáng, độ ẩm nhiệt độ không khí ................. 42 Hình 3.3. Tài nguyên sử dụng bởi khối cảm biến đất ......................................... 43 Hình 3.4. Tài nguyên sử dụng bởi khối cảm biến không khí .............................. 44 Hình 3.5. Cập nhật trên ThingSpeak ................................................................... 45 Hình 3.6. Hình ảnh thực tế nhà kính triển khai hệ thống .................................... 47 Hình 3.7. Thông số được theo dõi trong ngày ..................................................... 48
1 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP ... 4 1.1. INTERNET OF THINGS............................................................................ 4 1.1.1. Định nghĩa về IoT ............................................................................... 4 1.1.2. Đặc điểm của IoT ............................................................................... 4 1.2. MẠNG CẢM BIẾN TRONG NÔNG NGHIỆP ......................................... 5 1.2.1. Định nghĩa cảm biến .......................................................................... 5 1.2.3. Các loại cảm biến dùng trong nông nghiệp công nghệ cao ............ 5 1.2.3.1. Cảm biến nhiệt độ ......................................................................... 5 1.2.3.2. Cảm biến độ ẩm ............................................................................ 6 1.2.3.3. Cảm biến cường độ chiếu sáng ..................................................... 6 1.2.3.4. Cảm biến pH ................................................................................. 6 1.2.3.5. Cảm biến EC ................................................................................. 6 1.2.3.6. Cảm biến CO ................................................................................. 7 1.2.4. Vai trò mạng cảm biến ....................................................................... 7 1.2.4.1. Định nghĩa ..................................................................................... 7 1.2.4.2. Vai trò ............................................................................................ 7 1.3. CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY .................................. 9 1.3.1. ZigBee .................................................................................................. 9 1.3.1.1. Ưu điểm của mạng ZigBee ........................................................ 10 1.3.1.2. Nhược điểm của mạng ZigBee ................................................... 10 1.3.2. Bluetooth ........................................................................................... 10 1.3.2.1. Ưu điểm của công nghệ Bluetooth.............................................. 10 1.3.2.2. Nhược điểm của công nghệ Bluetooth ........................................ 11 1.3.3. LoRa .................................................................................................. 11 1.3.3.2. Ưu điểm của mạng LoRa ............................................................ 11 1.3.3.2. Nhược điểm của mạng LoRa ...................................................... 11 1.3.4. Wifi .................................................................................................... 12 1.3.4.1. Ưu điểm của mạng wifi ............................................................... 12 1.3.4.2. Nhược điểm của mạng wifi ......................................................... 13 1.3.5. Công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng ................................. 13 1.3.5.1. Ưu điểm công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng ................ 14 1.3.5.2. Nhược điểm công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng .......... 14 1.4. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ..................... 15 1.5. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ VÀ XÁC ĐỊNH VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 16 CHƯƠNG 2. MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG .............................................................. 17
2 2.1. HỆ THỐNG CẢM BIẾN .......................................................................... 17 2.1.1. Thiết kế hệ thống cảm biến ............................................................. 17 2.1.1.1. Trung tâm cảm biến (khối số 1) .................................................. 18 2.1.1.2. Giao tiếp không dây( khối số 2) .................................................. 19 2.1.1.3. Cảm biến( vị trí số 3) ................................................................. 21 2.1.1.4. Khối nguồn .................................................................................. 23 2.1.2. Thiết kế và lắp ráp mạch thực tế .................................................... 24 2.2. MẠNG CẢM BIẾN VÀ GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY .......................................................................................................................... 26 2.2.1. Mạng cảm biến không dây .............................................................. 26 2.2.1.1. Thuật toán khối cảm biến ............................................................ 26 2.2.1.2. Thuật toán khối điều khiển trung tâm ......................................... 28 2.2.1.3. Khối internet................................................................................ 29 2.2.2. Giao thức truyền thông .................................................................... 30 2.2.2.1. Khái niệm .................................................................................... 30 2.2.2.2. Thiết kế giao thức mạng cảm biến .............................................. 31 2.2.3. Lưu trữ và tính toán đám mây ...................................................... 35 2.2.3.1. Một số nền tảng lưu trữ cho IoT ................................................. 35 2.2.3.2. ThingSpeak.................................................................................. 36 2.3. LẬP TRÌNH VÀ NẠP DỮ LIỆU ............................................................. 38 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 40 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................... 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 48
3 MỞ ĐẦU Internet of Things đang là một xu hướng phát triển của các hệ thống hiện nay. Với sự phát triển ngày càng nhanh và cộng đồng ứng dụng lớn, hạ tầng hỗ trợ IoT đang được triển khai rộng rãi. Trên thực tế, IoT chính là sự phát triển bậc cao hơn của các mạng cục bộ cấp Vật lý. Khi mà các thiết bị cấp thấp có đủ khả năng liên kết và xây dựng mạng, việc kết nối chúng đến Internet trở nên dễ dàng hơn. Lợi ích đem lại là những hệ thống mạng không dây được liên kết với nhau một cách nhanh chóng. Dữ liệu thu được từ các mạng nhỏ có thể được lưu giữ và xử lý tại các hệ thống lớn hơn. Với nhiều ưu điểm như vậy, IoT đã được sử dụng trong rất nhiều hệ thống thực tế hiện nay. Nông nghiệp công nghệ cao với sự hỗ trợ của IoT là một trong số đó. Trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, xu thế sản xuất xanh và sạch hơn, giảm thiểu tác động đến môi trường. Việc tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp, cụ thể là trong nhà kính đã được quan tâm và đầu tư từ khá sớm. Tuy nhiên, các quy trình và hệ thống tự động hóa mới chỉ dừng lại ở các yếu tố giản đơn. Cảm biến đã được sử dụng nhưng chưa được đầu tư thích đáng. Để có thể tối ưu hóa các lợi thế của tự động hóa cũng như tăng tính linh hoạt của hệ thống. Dữ liệu cảm biến phải được thu nhận và quản lý một cách có hệ thống. Theo thời gian, những dữ liệu này sẽ xây dựng nên khối dữ liệu lớn. Những thông tin thu được sau khi xử lý dữ liệu sẽ đem lại rất nhiều lợi ích cho người sử dụng. Tất cả chỉ có thể đạt được bằng một mạng cảm biến linh hoạt và hiệu quả. Để có thể tận dụng những ưu thế ngày càng lớn của IoT và từng bước xây dựng mạng cảm biến thu thập dữ liệu lớn trong hệ sinh thái IoT. Tôi đã chọn đề tài "HỆ THỐNG CẢM BIẾN IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO". Đề tài bước đầu xây dựng một mạng cảm biến không dây có đủ khả năng thu thập các dữ liệu cảm biến theo thời gian thực. Mạng cảm biến hoạt động linh hoạt, liên tục đồng thời tiết kiệm năng lượng. Dữ liệu sau khi thu thập sẽ được lưu giữ trên một cơ sở điện toán đám mây phục vụ công tác xử lý thông tin về sau.
4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP 1.1. INTERNET OF THINGS 1.1.1. Định nghĩa về IoT Theo Liên minh Viễn thông quốc tế định nghĩa năm 2012: “Internet of Things là một cơ sở hạ tầng toàn cầu đối với xã hội thông tin làm cho các dịch vụ tiên tiến có sẵn bằng cách liên kết đối tượng (vật lý hay ảo) thông qua các thông tin và truyền thông công nghệ tương thích hiện có hoặc phát triển" [1]. Như vậy, có thể hiểu IoT là khái niệm dùng để chỉ việc mọi vật được kết nối với nhau qua mạng Internet, trong đó người dùng có thể chia sẻ, trao đổi, khai thác dữ liệu và kiểm soát các thiết bị của mình qua mạng Internet. 1.1.2. Đặc điểm của IoT Khi nói đến các thiết bị IoT chúng ta thường thấy có những đặc tính sau: + Tính kết nối liên thông: Với IoT, bất cứ điều gì cũng có thể kết nối với nhau thông qua mạng lưới thông tin và cơ sở hạ tầng liên lạc tổng thể. + Tính thông minh: Các thiết bị IoT trên thị trường thường hay được gọi là thiết bị thông minh. Các thiết bị được trang bị khả năng tính toán và kết nối mạng sẽ đem lại tính năng ưu việt so với thiết bị truyền thống và có những tính năng mới mà thiết bị truyền thống không thể có được. + Cảm biến môi trường: Các thiết bị IoT được trang bị rất nhiều cảm biến môi trường khác nhau, chính những thông tin về môi trường xung quanh này giúp cho thiết bị thông minh hơn. + Giao diện với điện toán đám mây: Thiết bị IoT hoạt động như một cửa ngõ (tới tài nguyên vô tận của điện toán đám mây, các tính năng mà người dùng tin không bị giới hạn bởi khả năng của thiết bị.
5 + Tính không đồng nhất: Các thiết bị trong IoT không đồng nhất vì nó có phần cứng và mạng lưới khác nhau. Các thiết bị giữa các mạng lưới có thể tương tác với nhau nhờ vào sự liên kết của các mạng lưới. + Tương tác với các thiết bị khác: Các thiết bị IoT có khả năng tính toán và kết nối mới có thể tương tác với nhau cục bộ hoặc qua Internet. Việc các thiết bị tương tác với nhau tạo ra những khả năng mới mà trước đây từng thiết bị không thể làm được. + Thay đổi linh hoạt: Trạng thái của các thiết bị tự động thay đổi, kết nối hoặc ngắt, thay đổi vị trí thiết bị, thay đổi tốc độ… + Quy mô lớn: Sẽ có một số lượng rất lớn các thiết bị được quản lý và giao tiếp với nhau. Số lượng này lớn hơn nhiều so với số lượng máy tính kết nối Internet hiện nay. Số lượng các thông tin được truyền bởi thiết bị sẽ lớn hơn nhiều so với được truyền bởi con người [1, 2]. 1.2. MẠNG CẢM BIẾN TRONG NÔNG NGHIỆP 1.2.1. Định nghĩa cảm biến Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó [3]. 1.2.3. Các loại cảm biến dùng trong nông nghiệp công nghệ cao 1.2.3.1. Cảm biến nhiệt độ Cảm biến nhiệt độ hay còn gọi là can nhiệt, cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở là cảm biến được sử dụng để đo nhiệt độ, khi nhiệt độ thay đổi thì các cảm biến sẽ đưa ra một dạng tín hiệu mà từ tín hiệu này các bộ đọc sẽ đọc được và quy ra nhiệt độ. Cảm biến nhiệt độ còn được gọi với rất nhiều tên khác như: cảm biến đo nhiệt độ, dây cảm biến nhiệt độ, dây dò nhiệt, cảm biến nhiệt độ công nghiệp, bộ cảm biến nhiệt độ, thiết bị cảm biến nhiệt độ…
6 1.2.3.2. Cảm biến độ ẩm Cảm biến độ ẩm là các thiết bị điện tử nhạy cảm với chi phí thấp được sử dụng để đo độ ẩm của không khí. Chúng còn được gọi là ẩm kế. Độ ẩm có thể được đo là độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm cụ thể. Dựa trên loại độ ẩm được đo bằng cảm biến , chúng được phân loại là cảm biến độ ẩm tương đối và cảm biến độ ẩm tuyệt đối. 1.2.3.3. Cảm biến cường độ chiếu sáng Cảm biến cường độ chiếu sáng là thiết bị dùng để đo sự biến đổi về cường độ sáng tại nơi cần đo. Cảm biến cường độ ánh sáng được sử dụng để đo cường độ ánh sáng theo đơn vị lux, cảm biến có ADC nội và bộ tiền xử lý nên giá trị được trả ra là giá trị trực tiếp cường độ ánh sáng mà không phải qua bất kỳ xử lý hay tính toán nào thông qua giao tiếp I2C . 1.2.3.4. Cảm biến pH Cảm biến pH là thiết bị dùng để xác định độ pH của các dung dịch, đất thông qua đầu dò pH. Đầu dò của máy đo pH được thiết kế bằng kính có hai điện cực: một là điện cực cảm biến bằng thủy tinh và điện cực còn lại là điện cực tham chiếu. Khi điện cực tham chiếu được tiếp xúc với một kim loại khác, sự khác biệt điện áp xảy ra do sự khác biệt về tính chuyển động của electron. Tương tự như trường hợp với hai chất lỏng. Một máy đo pH đo cơ bản điện thế hóa học giữa một chất lỏng đã tích hợp bên trong điện cực thủy tinh và một chất lỏng không xác định bên ngoài. 1.2.3.5. Cảm biến EC Độ dẫn điện (EC) là mức độ, khả năng truyền tải dòng điện của một chất. EC có mối liên hệ trực tiếp và chặt chẽ với tổng chất rắn hòa tan TDS trong nước. EC thường được đo và tính bằng miliSiemans trên một centimet (mS/cm). Từ độ dẫn điện người ta có thể chuyển đổi được sang chỉ số TDS của nước. Do vậy để đo EC hay TDS thì người ta đều có thể dùng máy đo EC. TDS được đo bằng ppm
7 (phần triệu) hoặc mg .Vậy cảm biến EC dùng để xác định tổng nồng độ ion hòa tan trong dung dịch, qua đó có những đánh giá, phân tích dựa trên những tiêu chuẩn quy định về cho từng dung dịch để đưa ra những hướng xử lý sao cho phù hợp, tiết kiệm thời gian, chi phí nhất. 1.2.3.6. Cảm biến CO Cảm biến nồng độ khí là thiết bị xác định nồng độ khí trong không khí. Nồng độ khí có vai trò quan trọng trong một số hệ thống môi trường kín. Vì không thể tự do trao đổi khí với môi trường ngoài nên một số loại nhà kính đòi hỏi thông số về nồng độ khí. Cảm biến khí độc lập có thể hiển thị thông báo đến người dùng tại chỗ. 1.2.4. Vai trò mạng cảm biến 1.2.4.1. Định nghĩa Mạng cảm biến không dây bao gồm một tập hợp các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây( vô tuyến, hồng ngoại, quang học...) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào. Mạng cảm biến không dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông qua các điểm thu phát và môi trường công cộng như Internet hay vệ tinh. Lợi thế của chúng là khả năng truyền dẫn với tốc độ cao và triển khai trong bất kì loại địa hình kể cả các địa hình nguy hiểm không thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống [4, 5]. 1.2.4.2. Vai trò Theo truyền thống nông nghiệp là việc thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như trồng hoặc thu hoạch, với một lịch trình định trước. Nhưng bằng cách thu thập dữ liệu thời gian thực về thời tiết, đất và chất lượng không khí, theo dõi sự trưởng thành của cây trồng và thậm chí cả trang thiết bị và chi phí lao động, các phân tích có thể được sử dụng để đưa ra quyết định thông minh hơn. Đây được gọi là nông nghiệp chính xác (hoặc canh tác chính xác). Một định nghĩa của
8 nông nghiệp chính xác có thể là như sau: kỹ thuật áp dụng đúng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu,…) vào đúng vị trí và vào đúng thời điểm để tăng cường sản xuất và nâng cao chất lượng [6]. Với nông nghiệp chính xác, trung tâm kiểm soát thu thập và xử lý dữ liệu trong thời gian thực để giúp nông dân đưa ra quyết định tốt nhất liên quan đến trồng, bón phân và thu hoạch cây trồng. Các nút cảm biến được đặt tại nơi trồng để đo nhiệt độ và độ ẩm của đất và không khí xung quanh. Ứng dụng cảm biến không dây trong nông nghiệp chính xác nâng cao hiệu quả, năng suất và lợi nhuận trong nhiều hệ thống sản xuất nông nghiệp, trong khi giảm thiểu tác động không mong muốn đến địa điểm nơi trồng. Các thông tin thời gian thực thu được từ các lĩnh vực có thể cung cấp một cơ sở vững chắc cho nông dân để điều chỉnh chiến lược bất cứ lúc nào. Thay vì đưa ra quyết định dựa vào một số điều kiện trung bình giả thuyết hay kinh nghiệm chủ quan của cá nhân, có thể không tồn tại bất cứ nơi nào trong thực tế, một cách tiếp cận nông nghiệp chính xác nhận ra sự khác biệt và điều chỉnh hoạt động quản lý tối ưu. Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để quản lý hoạt động nông nghiệp chính xác làm giảm đáng kể số lượng đầu vào như phân bón, nước, thuốc trừ sâu... được sử dụng trong khi tăng sản lượng. Nông dân do đó thu được lợi nhuận trên đầu tư của mình bằng cách tiết kiệm chi phí kiểm dịch thực vật và phân bón. Áp dụng đúng số lượng đầu vào ở đúng nơi và đúng thời điểm đem lại lợi ích cho cây trồng, trong khi tiết kiệm nguồn tài nguyên như đất và nước ngầm, và do đó tối ưu hóa toàn bộ chu kỳ trồng trọt. Nông nghiệp bền vững tìm cách để đảm bảo một nguồn cung cấp liên tục của thực phẩm trong giới hạn sinh thái, kinh tế và xã hội cần thiết để duy trì sản xuất trong dài hạn. Do đó độ chính xác nông nghiệp bằng cách sử dụng mạng cảm biến không dây sẽ cho phép theo đuổi mục tiêu này. Ngoài ra, mạng cảm biến không dây còn được sử dụng để điều khiển trong nhà kính [7-9]. Một nhà kính là một cấu trúc bao phủ mặt đất thường được sử dụng cho sự tăng trưởng và phát triển của cây. Cấu trúc này được gắn với mục
9 đích bảo vệ cây trồng và cho phép một môi trường tốt hơn để phát triển. Sự bảo vệ này đủ để đảm bảo đem lại chất lượng cao trong sản xuất cây trồng. Chức năng chính của một nhà kính là để cung cấp một môi trường thuận lợi hơn so với bên ngoài. Các yếu tố chính liên quan đến hệ thống điều khiển nhà kính: nhiệt độ, độ ẩm, khí CO2, nồng độ, bức xạ, nước và chất dinh dưỡng có thể được điều khiển bằng mạng cảm biến không dây. Hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng mạng cảm biến không dây cũng là một trong các nghiên cứu được quan tâm nhiều vì lợi thế trong việc tiết kiệm nhân lực và tiết kiệm nước [10-12]. Cây trồng cần ánh sáng mặt trời, các chất dinh dưỡng và nước để phát triển. Tất cả các nhà sản xuất nông nghiệp có một yêu cầu lượng nước tối thiểu hàng năm để tồn tại và yêu cầu lượng nước tối ưu hàng năm cho sản xuất tối đa. Do đó hệ thống tưới tiêu thông minh là cần thiết để nâng cao năng suất cây trồng. 1.3. CÔNG NGHỆ MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY Có nhiều giao thức không dây được sử dụng khá rộng rãi hiện nay là Bluetooth, GPRS, Lora, RF, Wifi, ZigBee…Mỗi tiêu chuẩn có những ưu điểm và hạn chế riêng. 1.3.1. ZigBee ZigBee là một giao thức truyền thông bậc cao được phát triển dựa trên chuẩn truyền thông không dây IEEE 802.15.4, sử dụng tín hiệu radio cho các mạng cá nhân. ZigBee thích hợp với những ứng dụng không đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu quá cao nhưng cần có mức độ bảo mật lớn và thời gian hoạt động dài. Các mạng ad-hoc sử dụng sóng radio tương tự ZigBee đã được thai nghén từ những năm 1998-1999 khi giới khoa học bắt đầu nhận thấy Wifi và Bluetooth không phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp. Tuy nhiên chỉ đến năm 2004, bộ tiêu chuẩn ZigBee mới chính thức được tạo dựng và thông qua bởi tổ chức ZigBee Alliance [13, 14].
10 1.3.1.1. Ưu điểm của mạng ZigBee + Mật độ nút mạng cao. + Tiêu thụ năng lượng tương đối thấp. + Thông lượng cao và độ trễ thấp cho các ứng dụng có chu kì thấp. + Khoảng cách truyền tối đa từ 70 đến 100m. + Tính ổn định cao . + Tính bảo mật cao [15]. 1.3.1.2. Nhược điểm của mạng ZigBee + Khoảng cách truyền phụ thuộc từng phân nhóm công nghệ, khoảng cách càng cao chi phí càng lớn và tiêu thụ nhiều năng lượng. + Khả năng đâm xuyên kém khi gặp vật cản. + Thiết bị tổng đài quản lý mạng phụ thuộc nhà cung cấp[15]. 1.3.2. Bluetooth Bluetooth là công nghệ không dây cho phép các thiết bị điện, điện tử giao tiếp với nhau trong khoảng cách ngắn bằng sóng vô tuyến qua băng tầng chung ISM trong dãy tầng 2.4 – 4.8GHz. Ban đầu nó được hình thành như một giải pháp thay thế không dây cho cáp dữ liệu RS-232. 1.3.2.1. Ưu điểm của công nghệ Bluetooth + Khả năng bảo mật cực cao. + Chi phí thấp. + Tốn ít năng lượng (0.3mAh cho chế độ chờ và tối đa 30mAh trong chế độ truyền dữ liệu). + Không gây nhiễu cho các thiết bị không dây khác. + Khả năng tương thích cực cao giữa các thiết bị.
11 1.3.2.2. Nhược điểm của công nghệ Bluetooth + Tốc độ thấp (tối đa chỉ khoảng 720kbps). + Kết nối có khi bị yếu nếu có nhiều vật cản. + Thời gian thiết lập lâu. + Số lượng điểm trong mạng thấp. 1.3.3. LoRa LoRa là viết tắt của Long Range Radio được nghiên cứu và phát triển bởi Cycleo và sau này được mua lại bởi công ty Semtech năm 2012. Với công nghệ này, chúng ta có thể truyền dữ liệu với khoảng cách lên hàng km với hàng triệu nút mạng mà không cần các mạch khuếch đại công suất; từ đó giúp tiết kiệm năng lượng tiêu thụ khi truyền nhận dữ liệu [16]. Do đó, LoRa có thể được áp dụng rộng rãi trong các ứng dụng thu thập dữ liệu như một mạng cảm biến trong đó các nút cảm biến có thể gửi giá trị đo đạc về trung tâm cách xa hàng km và có thể hoạt động với pin trong thời gian dài trước khi cần thay pin. 1.3.3.2. Ưu điểm của mạng LoRa + Cảm biến công suất thấp và vùng phủ sóng rộng được đo bằng km. + Hoạt động trên tần số miễn phí, không có chi phí cấp phép trả trước để sử dụng công nghệ. + Thiết bị gateway LoRa đơn được thiết kế để giao tiếp nhiều thiết bị đầu cuối. + Dễ triển khai. + Chi phí kết nối thấp. + Tính bảo mật cao . + Giao tiếp hai chiều đầy đủ.
12 1.3.3.2. Nhược điểm của mạng LoRa + Không dành cho tải trọng dữ liệu lớn, tải trọng giới hạn ở 100 byte. + Không cho giám sát liên tục (trừ các thiết bị lớp C). + Không phải là ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng thời gian thực đòi hỏi độ trễ thấp hơn và yêu cầu thiết bị ràng buộc. + Nhược điểm của tần số mở là bạn có thể bị nhiễu tần số đó và tốc độ dữ liệu có thể thấp. 1.3.4. Wifi WiFi là phương thức kết nối không dây sử dụng sóng vô tuyến. WiFi được triển khai trên hầu hết các thiết bị điện tử thông minh hiện nay để có thể kết nối với nhau và kết nối Internet. WiFi được triển khai với mục đích truyền dữ liệu không dây tốc độ cao, không cần đấu nối dây hay cáp mạng, triển khai hạ tầng mạng một cách nhanh chóng. 1.3.4.1. Ưu điểm của mạng Wifi + Tính di động: cho phép người dùng truy xuất tài nguyên mạng và trao đổi dữ liệu ở bất kỳ nơi đâu trong khu vực được triển khai. + Tinh linh hoạt: mở rộng truy cập nhanh chóng, với sự gia tăng số người sử dụng máy tính xách tay và các thiết bị di động, đó là một điều rất thuận lợi. + Dễ triển khai: thiết kế và thi công đơn giản, việc thiết lập hệ thống mạng không dây ban đầu chỉ cần ít nhất 1 AP. + Chi phí giảm: điều này được thực hiện bởi sự kết hợp của các yếu tố, chi phí tương đối thấp của các thiết không dây, giảm chi phí thi công triển khai lắp đặt và bảo dưỡng hệ thống. + Tính phổ biến: dễ dàng được tích hợp trong các thiết bị đầu cuối nên nhiều loại thiết bị khác nhau có thể trao đổi dữ liệu và truy cập Internet. 1.3.4.2. Nhược điểm của mạng Wifi
13 + Bảo mật: môi trường kết nối không dây, truyền dữ liệu bằng sóng vô tuyến nên người khác có thể dễ dàng thu tín hiệu và truy cập mạng trái phép dẫn đến khả năng thông tin và dữ liệu của người dùng bị đánh cắp là rất cao. + Phạm vi: một mạng chuẩn IEEE 802.11 với các thiết bị chuẩn chỉ có thể hoạt động tốt trong phạm vi vài chục mét. + Độ tin cậy: vì sử dụng sóng vô tuyến nằm trong băng tần ISM nên khả năng nhiễu sóng vô tuyến do thời tiết, do các thiết bị không dây khác, hay các vật chắn, làm giảm đáng kể hiệu quả hoạt động của mạng. + Tiêu thụ năng lượng lớn. + Tầm bao phủ hẹp. 1.3.5. Công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng Khi sử dụng các IC thu phát RF tích hợp cao khi mục đích chính của chúng ta chỉ là truyền dữ liệu không dây giữa hai bản mạch thì công nghệ RF tùy biến cũng là một lựa chọn hợp lý. Giao diện tùy chỉnh cho phép người dùng tối ưu hóa các thông số khác nhau theo yêu cầu và ràng buộc của hệ thống. Chúng bao gồm các thông số cấp thấp như sơ đồ điều chế, dải tần và công suất đầu ra, cũng như các chi tiết cấp cao hơn liên quan đến cách các thiết bị sẽ nhận ra nhau, cách dữ liệu sẽ được định dạng và cách truyền gói tin sẽ được lên lịch và tổ chức. Với IC thu phát RF chúng ta có thể thiết lập các giao thức tùy vào mục đích sử dụng nên không cần phải xây dựng các thiết kế mới với các linh kiện phức tạp. Trong một số trường hợp, chúng ta cần một vi mạch được thiết kế cho tốc độ dữ liệu thấp, khi tất cả những gì người dùng cần làm chỉ là truyền một giá trị nhiệt độ đo được về trung tâm sau mỗi lần đo. Sử dụng IC thu phát RF tích hợp cao là một cách tiết kiệm chi phí và tương đối dễ dàng để đưa giao tiếp không dây vào các hệ thống điện tử. [17, 18].
14 1.3.5.1. Ưu điểm công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng + Chi phí rẻ. + Tầm bao phủ tương đối rộng, có thể đạt 1000m. + Giao thức mở, không bị ràng buộc bởi công nghệ cung cấp sẵn. + Công suất thấp. + Dải tần hoạt động miễn phí. 1.3.5.2. Nhược điểm công nghệ RF tùy biến với IC chuyên dụng + Phải tự xây dựng giao thức. + Tính bảo mật không cao. Bảng 1. 1 So sánh công nghệ mạng không dây Công nghệ Gía Tầm xa Tiêu thụ năng Số lượng điểm Dải tần thành lượng trong mạng Wifi Cao 100m Cao Lớn 2,4 GHz RF tùy biến Thấp 1000m Thấp Trung bình 433MHz đến 2,4 GHz Bluetooth Thấp 50m Trung bình Ít 2,4 GHz Zigbee Thấp 100m Thấp Lớn 868/915 MHz và 2,4 GHz Lora Thấp 5km Thấp Lớn 433/869/915 MHz