Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động dựa trên khả năng trữ ẩm của đất

An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TỰ ĐỘNG<br /> DỰA TRÊN KHẢ NĂNG TRỮ ẨM CỦA ĐẤT<br /> <br /> Phạm Văn Quang1, Phạm Minh Tân1<br /> 1<br /> Trường Đại học An Giang<br /> <br /> Thông tin chung: ABSTRACT<br /> Ngày nhận bài: 20/02/2017<br /> Ngày nhận kết quả bình duyệt: The objective of this study is to design and build an automatic irrigation<br /> 29/03/2017 controlling system that is compatible with meteorological, hydrological and<br /> Ngày chấp nhận đăng: 10/2017 environmental monitoring sensors. The system determines the soil moisture<br /> Title: regarding flip-flop technique. The voltage signals that were read from the two<br /> Designing and building an electrodes of soil moisture sensor were converted into digital form. Then, these<br /> automatic irrigation controlling signals were sent to the analyzed central controling system to determine the<br /> system based on the capacity of open/close monitoring of the irrigation system. The signal analyzed process at<br /> soil moisture the center was based on the combination of the characteristic function which<br /> Keywords: was determined by fitting empirical data and fuzzy control algorithm.<br /> Fuzzy control, plant watering<br /> The research findings were suitable with the objectives. The operated system<br /> automation, soil moisture<br /> sensor was great in terms of automatic testing and controling the open/close irrigation<br /> system on the field. Soil moisture could be recognized between 5% and 50% at<br /> Từ khóa: 95% of reliability, therefore, it may be approriate for most types of soil in the<br /> Fuzzy control, soil moisture<br /> Mekong Delta area.<br /> sensor, automatic watering<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển tưới<br /> tự động có khả năng kết nối tương thích với các cảm biến theo dõi về khí tượng,<br /> thủy văn và môi trường. Hệ thống xác định ẩm độ đất dựa trên kỹ thuật flip -<br /> flop. Các tín hiệu điện áp đọc từ hai điện cực của cảm biến ẩm độ đất được<br /> chuyển sang dạng số và gởi về bộ xử lý trung tâm phân tích để ra quyết định<br /> điều khiển mở/đóng hệ thống tưới. Quá trình phân tích tín hiệu tại bộ xử lý<br /> trung tâm được thực hiện dựa trên hàm đặc tính (xác định dựa trên số liệu thực<br /> nghiệm) kết hợp với thuật toán điều khiển mờ.<br /> Kết quả của đề tài đáp ứng được mục tiêu đã đề ra. Hệ thống hoạt động tốt<br /> trong việc theo dõi và điều khiển tự động quá trình tắt/mở hệ thống tưới ở điều<br /> kiện ngoài trời. Ẩm độ đất có thể được phát hiện trong khoảng từ 5% đến 50%<br /> với độ tin cậy 95%, nên có thể phù hợp với hầu hết các loại đất ở Đồng bằng<br /> sông Cửu Long.<br /> <br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU ngọt này chỉ có khoảng 0,3% ở dạng nước mặt có<br /> Trên trái đất có tới 97% tổng lượng nước nằm ở trong các sông, rạch, ao, hồ, còn lại ở dạng băng<br /> các biển và đại dương, 3% là nước ngọt tuyết và nước ngầm (Shiklomanov & Rodda,<br /> (Shiklomanov & Rodda, 2004). Trong 3% nước 2004). Do đó, việc sử dụng hiệu quả và tiết kiệm<br /> <br /> <br /> 9<br /> An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21<br /> <br /> nguồn tài nguyên nước ngọt là vấn đề cần được chế, chưa thích hợp cho hệ thống tưới tự động. Để<br /> quan tâm, trong đó có lượng nước phục vụ cho khắc phục những hạn chế kể trên, phương pháp<br /> sản xuất nông nghiệp. tích hợp có tính kỹ thuật cao được ứng dụng. Hệ<br /> Nước là yếu tố quyết định đến quá trình sống của thống này sử dụng các cảm biến cài đặt vào trong<br /> cây trồng, việc cung cấp vừa đủ lượng nước dựa đất, để nhận biết sự thay đổi độ ẩm đất và chúng<br /> trên nhu cầu sử dụng của cây, giúp cây trồng bảo được kết nối với bộ vi điều khiển. Tại bộ vi điều<br /> đảm hoàn thành được chu kỳ sống và cho năng khiển, thông tin về ẩm độ được tiếp nhận từ các<br /> suất, đồng thời giúp tránh được lãng phí nguồn cảm biến được xử lý và đưa ra quyết định để điều<br /> nước tưới. Đặc biệt trong bối cảnh chịu tác động khiển thiết bị công suất mở/tắt hệ thống tưới.<br /> của biến đổi khí hậu dẫn đến xâm nhập mặn và Phương pháp kỹ thuật cao này hỗ trợ không chỉ<br /> hạn hán xảy ra ngày càng nghiêm trọng, nhất là cho việc theo dõi và ghi nhận dữ liệu mà có thể sử<br /> vào các tháng mùa khô (Wassmann và cs., 2004). dụng để thiết lập kế hoạch tưới theo thời gian thực<br /> Do đó, việc lựa chọn phương pháp tưới thích hợp (real - time irrigation scheduling) và hoàn toàn có<br /> cho cây trồng là một trong những cách tiếp cận có thể tự động hóa, đồng thời cũng có thể xây dựng<br /> tính khoa học. thành hệ thống mạng lưới các trạm có khả năng<br /> truy xuất, điều khiển, quản lý thông qua Internet<br /> Đất là sản phẩm của quá trình phong hóa các vật<br /> (Phene và cs., 1990). Hơn nữa, tưới tự động trong<br /> liệu gốc (đá mẹ) theo thời gian, tạo ra các loại đất<br /> nông nghiệp cũng là một xu thế chung của nhiều<br /> khác nhau nằm ở lớp trên cùng của vỏ trái đất với<br /> nước trên thế giới nhằm hướng đến sử dụng hữu<br /> tỉ lệ các chất vô cơ (tỉ lệ sét, thịt, cát) và hữu cơ<br /> hiệu nguồn tài nguyên nước. Đây cũng là hướng<br /> khác nhau. Một cách tổng quát, đất bao gồm ba<br /> tiếp cận nền nông nghiệp chính xác (Valente và<br /> thành phần đó là pha rắn (vô cơ và hữu cơ), pha<br /> cs., 2011).<br /> lỏng (nước) và pha khí (không khí, hơi nước). Tỉ<br /> lệ thành phần giữa các pha này quyết định đến Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng hệ<br /> khả năng giữ nước của đất, hàm lượng nước chứa thống điều khiển tưới tự động dựa trên trạng thái<br /> trong đất còn gọi là độ ẩm đất. Khi tưới, nước ẩm độ đất, nhằm hỗ trợ tiếp cận ứng dụng công<br /> thấm vào đất và được giữ lại trong pha rỗng, khi nghệ kỹ thuật chính xác trong sản xuất nông<br /> lượng nước vượt quá khả năng chứa của pha rỗng nghiệp.<br /> trong đất thì sẽ bị tiêu thoát ra ngoài dưới tác 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG<br /> dụng của trọng lực trở thành lượng lãng phí. Do PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> đó, việc xác định được thời điểm và lượng nước Nghiên cứu này dựa trên sự thay đổi của ẩm độ,<br /> cần tưới cho cây trồng, phù hợp với khả năng giữ dẫn đến thay đổi về điện trở đất để thiết kế, xây<br /> nước của đất, sẽ giúp cho vấn đề sử dụng nguồn dựng hệ thống điều khiển tưới tự động. Điện trở<br /> nước được hiệu quả và tối ưu. Điều này có thể đất thay đổi được ánh xạ qua sự thay đổi về điện<br /> thực hiện được thông qua việc xác định hai áp được xác định bằng kỹ thuật flip - flop<br /> ngưỡng độ ẩm thấp và cao ở thời điểm tương ứng (http://gardenbot.org/howTo/soilMoisture/). Về cơ<br /> để quyết định mở và đóng hệ thống tưới. Hiện nay bản, hệ thống có hai phần chính:<br /> có nhiều phương pháp được sử dụng để xác định<br /> - Phần cứng (hardware) bao gồm module xử lý<br /> ẩm độ đất, như phương pháp trực tiếp sấy ở 105<br /> 0C trong phòng thí nghiệm, phương pháp gián tiếp trung tâm; module giao tiếp; module công suất<br /> và các cảm biến ẩm độ đất.<br /> sử dụng các thiết bị lưu động hoặc có thể cài đặt ở<br /> - Phần mềm (software) gồm có chương trình hệ<br /> ngoài đồng như Neutron probe, Tensiometer,<br /> thống (Firmware) và chương trình tương tác<br /> TDR (ICID/FAO 1996) và FAO - 56 (Allen và<br /> với người sử dụng.<br /> cs., 1998). Tuy nhiên, các phương pháp này tốn<br /> nhiều thời gian, công sức nên còn khá nhiều hạn<br /> <br /> 10<br /> An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21<br /> <br /> Các bước tổng quát được tiến hành là: (1) thiết kế, Cảm biến được chế tạo bằng 2 cực là chất liệu<br /> xây dựng phần cứng và phần mềm; (2) xây dựng Inox 304 (Stainless Steel) gắn trên lõi nhựa đặc<br /> hàm đặc tính theo ẩm độ đất thông qua thực (nhựa PPE) dạng trụ tròn có đường kính 16 mm,<br /> nghiệm; (3) hoàn thiện Firmware cho module điều cao 4 cm. Điện cực có dạng hình khuyên tròn với<br /> khiển công dựa trên hàm đặc tính; (4) kiểm định đường kính 16 mm, cao 6 mm. Mẫu hoàn chỉnh<br /> tính phù hợp; và (5) vận hành hệ thống trong điều của cảm biến được chế tạo trong nghiên cứu này<br /> kiện thực tế. được thể hiện như trong Hình 1.<br /> 2.1 Thiết kế chế tạo cảm biến ẩm độ đất<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Hình dạng thực tế của các cảm biến ẩm độ đất<br /> 2.2 Phương pháp đo điện trở đất<br /> Sơ đồ mạch flip - flop sử dụng để xác định điện trở đất được mô tả trong Hình 2.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sơ đồ mạch flip-flop dùng để đo điện trở đất<br /> Trong đó: Khi giữa hai bản cực của cảm biến có một điện áp<br /> - R4, R5 là các điện trở hạn dòng. Giá trị được thì sẽ có một dòng điện chạy qua. Thông qua đó,<br /> chọn theo thực nghiệm. sẽ xác định được giá trị điện trở tương đối giữa<br /> - RD tượng trưng cho điện trở đất cần đo. hai bản cực, từ đó sẽ xác định được độ ẩm đất<br /> tương ứng.<br /> Nguyên lý hoạt động có thể mô tả như sau:<br /> <br /> 11<br />  An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21<br /> <br /> - Điện áp được cấp vào các chân FF0.1 và FF0.2 số (ADC - Analog to Digital Converter) có độ<br /> theo kiểu bập bênh (flip - flop) với mức áp phân giải 10 bit.<br /> thấp ~ 0 V và mức áp cao 5 V và liên tục đảo - Với mỗi thứ tự đảo chiều của các chân FF0.1<br /> chiều trong một khoảng thời gian xác định và FF0.2, ta có giá trị điện áp đo VD tương ứng<br /> (thời gian đảo chiều cũng được xác định theo được chuyển đổi sang giá trị số DD thuộc<br /> thực nghiệm). khoảng [0 … 1023]. Giá trị VD có mối quan hệ<br /> - Mức điện áp tại chân SMIN0.1 (đặt là VD) sẽ tuyến tính với DD, như phương trình (1).<br /> được lấy mẫu bằng bộ biến đổi tương tự sang<br /> 1023 1023<br />