Xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây ứng dụng sản xuất nông nghiệp trong nhà

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

15
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây ứng dụng sản xuất nông nghiệp trong nhà trình bày việc đề xuất và giới thiệu mô hình mạng cảm biến không dây ứng dụng trong nông nghiệp trong nhà; Giới thiệu công nghệ kỹ thuật trong thiết kế phần cứng; Mô tả một số đặc tính phần mềm sử dụng trong mô hình; Mô tả kết quả triển khai thử nghiệm mô hình tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Xây dựng mô hình mạng cảm biến không dây ứng dụng sản xuất nông nghiệp trong nhà

– TRAO XÂY DỰNG MÔ HÌNH MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY NG DỤNG SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP TRONG NHÀ  TSK . L Ì T ẤN (*)  KS. HỒ TẤ ẠT (**) TÓM TẮT Bài g ớ h ệu mộ mô hình ứng dụng công nghệ mạng cảm b n không dây rong sản xuấ nông ngh ệp rong nhà. Hệ hống bao gồm các nú các cảm b n, nú quản lý ùng, rung âm đ ều hành ớ phần cứng à phần mềm được h k hướng đ n heo dõ l ên ục à ức hờ các đ ều k ện mô rường nhà rồng, ính oán xử lý à hực h ện công ệc đ ều chỉnh mô rường, nỗ lực duy rì mô rường phù hợp để quá rình canh ác của nhà rồng có năng suấ à h ệu quả sản xuấ ố . Từ khóa: Mạng cảm b n, nông ngh ệp rong nhà. SUMMARY This article recommends a model to apply wireless sensor network in indoor agricultural production. The system consists of the sensor nodes, the area management node, operation center with the hardware and software designed to continually and instantaneously monitor environmental conditions of planting houses, to calculate handle and perform environment adjustment, to maintain the best environment conditions for the cultivation process of planting houses with the high crop yield and efficient production. Key words: Wireless sensor network, indoor agricultural production. 1. Giới thiệu Việc điều chỉnh khí hậu nhà trồng tối được sử dụng để thu thập các đo đạc và ưu có thể giúp chúng ta nâng cao năng thực hiện các giao tiếp giữa trung tâm và suất và tiết kiệm năng lượng đáng kể - các thiết bị thuộc các phần khác nhau đặc biệt là khi khí hậu có những thay đổi của nhà kính [2]. Mục đích mạng cảm thất thường. Mạng cảm biến không dây biến không dây giám sát môi trường giúp giám sát môi trường và kiểm soát trong nhà trồng giúp tăng năng suất và nhà kính là mặt trọng yếu để nâng cao nâng cao chất lượng cây trồng [3]. Việc năng suất và ngăn ngừa các bệnh ở cây ứng dụng mạng cảm biến không dây vào trồng. Có rất nhiều nghiên cứu đang sản xuất nông nghiệp trong nhà trồng được tiến hành gần đây, nhằm ứng dụng thông thường, nhà lưới hay nhà kính là phù hợp công nghệ mới của mạng cảm hoàn toàn khả thi. Thời gian gần đây có biến không dây (WSN) vào nhiều lĩnh nhiều nghiên cứu liên quan vấn đề này vực, trong đó có lĩnh vực nông nghiệp trong [1,2,3] là dạng điển hình, tuy nhiên [1]. Mạng cảm biến không dây (WSN) có tùy thuộc vào mục đích và điều kiện thực thể xem là thành phần hữu ích của kiến tiễn mà việc triển khai ứng dụng có sự trúc hệ thống tự động hóa trong nhà kính khác biệt và biến đổi trong kiến trúc, hiện đại. Truyền thông không dây có thể công nghệ cũng như cách ứng dụng. (*) P. T TT T KT LA; K TT T KT LA TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 10
– TRAO Mục đích của bài viết này là đề xuất phẩm thu hoạch. Mạng cảm biến không một mô hình sử dụng công nghệ mạng dây thật sự phù hợp khi ứng dụng giám cảm biến không dây ứng dụng trong sát và theo dõi nông nghiệp trong nhà, vì nông nghiệp trong nhà. Mạng cảm biến các thông số môi trường trong nông không dây (Wireless Sensor Network) là nghiệp trong nhà rất quan trọng và dễ một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến kiểm soát hơn so với nông nghiệp ngoài (sensor nodes) được phân bố trong một trời. không gian nhất định. Mỗi nút cảm biến Bố cục của bài báo này như sau: hần có khả năng thực hiện một số hoạt động 1: iới thiệu hần 2: Đề xuất và giới như thu thập các thông tin môi trường thiệu mô hình mạng cảm biến không dây xung quanh, điều kiện vật chất và có khả ứng dụng trong nông nghiệp trong nhà năng giao tiếp không dây với các nút kết hần 3: iới thiệu công nghệ kỹ thuật nối khác trong mạng cùng hợp tác truyền trong thiết kế phần cứng hần 4: Mô tả dữ liệu về một địa điểm chính như một số đặc tính phần mềm sử dụng trong server. Mạng cảm biến không dây cho mô hình hần 5: Mô tả kết quả triển phép giám sát quản lý và điều khiển các khai thử nghiệm mô hình tại Trường Đại thông số liên quan đến quy trình sản xuất học Kinh tế Công nghiệp Long An hần nông nghiệp như các thông số liên quan 6: Kết luận bài báo. đến môi trường (nhiệt độ không khí, độ 2. Mô hình mạng cảm biến không dây ẩm không khí, ánh sáng, độ ẩm đất, độ ứng dụng trong sản xuất nông nghiệp pH, v..v..). Các dữ liệu này được thu trong nhà thập liên tục và tức thời tại một thời 2.1 Giới thiệu mạng cảm biến không dây điểm, qua đó người dùng có thể xử lý Mạng cảm biến không dây (Wireless một cách tốt nhất, tối ưu hóa toàn bộ chu Sensor Networks, gọi tắt là WSNs) là trình phát triển của cây trồng. Thay vì một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến đưa ra quyết định dựa vào một số điều (sensor nodes) có khả năng cảm biến môi kiện trung bình giả thuyết, hay ý kiến trường như nhiệt độ, độ ẩm, cường độ chủ quan của cá nhân có thể không đúng ánh sáng, v..v... và có khả năng giao tiếp thực tế, thì cách tiếp cận sử dụng mạng không dây (wirelessly) với các nút còn cảm biến không dây cho phép nhận ra sự lại, tạo thành một mạng cảm biến không khác biệt và giúp đưa ra các hoạt động dây phủ sóng nhằm giám sát, theo dõi thích hợp nhằm tăng năng suất, nâng cao một vùng vật lý nào đó. Thông tin thu chất lượng và sự đồng đều trong sản được từ một nút cảm biến sẽ được truyền Hình 1 – Mạng cảm biến không dây TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 11
– TRAO về một trạm gốc (base station hay nút quản lý nhà trồng đảm nhận trung gateway) thông qua các nút cảm biến chuyển dữ liệu và giao tiếp với các thiết khác và cuối cùng thông qua Internet bị thực thi các hoạt động kiểm soát thông truyền về trung tâm dữ liệu để lưu trữ, số môi trường, máy tính đảm nhận công phân tích và xử lý [4]. việc lưu trữ, xử lý dữ liệu từ gateway thu Một nút cảm biến thông thường bao về, chạy các giải thuật được cài đặt quản gồm các thành phần sau: Bộ vi xử lý nhỏ lý môi trường cho nhà trồng. và tiết kiệm năng lượng (Ultra low Tùy theo kích thước nhà trồng mà số power processor) RF để truyền dữ liệu lượng các nút cảm biến được bố trí với không dây (RF Transceiver); nguồn tính năng và số lượng phù hợp. Hình 3 điện/pin (Power Supply) và các bộ cảm Minh họa việc bố trí các nút cảm biến, biến (Sensors). Mạng cảm biến không và nút quản lý nhà trồng. Tại mỗi điểm dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều được bố trí, các thông số môi trường như lĩnh vực khác nhau [4]. nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh sáng, pH Power ADC RF Transceiver Ultra Low Power Sensor MicroProcessor Hình 2 - Cấu trúc một nút cảm biến 2.2 Mô hình tổng thể hệ thống nước tưới, CO 2 … được đo đạc và theo Trong mô hình này, mạng cảm biến dõi. Các dữ liệu thông số môi trường này không dây đảm nhiệm giám sát, thu thập được thu thập và truyền tải đến nút quản dữ liệu thông số môi trường nhà trồng, lý nhà trồng, sau đó dữ liệu được truyền Hình 3 - Minh họa bố trí các cảm biến và nút quản lý trong nhà trồng TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 12
– TRAO đến gateway và được lưu trữ vào cơ sở Nút cảm biến là một thiết bị được dữ liệu tại máy chủ. Dựa trên các thông trang bị khả năng cảm biến môi trường số thu thập được, người dùng có thể thực như độ ẩm không khí, nhiệt độ, độ pH hiện các xử lý thích hợp (chẳng hạn ra nước, ánh sáng, v..v.. giao tiếp với nút lệnh mở máy phun sương, mở máy bơm quản lý vùng trong vùng phủ sóng để tưới nền…). Hệ thống còn có thể cung truyền tải dữ liệu về trung tâm điều cấp cho người dùng khả năng giám sát hành. Hình 5 Mô tả cấu trúc một nút nhà trồng và điều khiển từ xa qua cảm biến trong hệ thống. Nút cảm biến Internet và SMS. được tổ chức gồm 4 thành phần: Ưu điểm khi sử dụng mạng cảm biến - Khối truyền thông: Đảm nhận việc trong giám sát là tính liên tục và tức thời truyền tải dữ liệu đến nút quản lý nhà trong việc phản ứng lại các sự kiện của trồng. môi trường trong nhà trồng, để người - Khối năng lượng: Nhận nguồn điện dùng kịp thời có biện pháp xử lý. Mô từ Adapter AC 220V – DC 5V cung cấp hình có tính mở rộng, nên hệ thống có cho nút. thể triển khai ở quy mô một vài nhà - Khối cảm biến: Bao gồm các cảm trồng đến vài chục nhà trồng. Có thể xem biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, ánh mạng các nút cảm biến cùng với khả sáng… có khả năng mở rộng thêm một năng lưu trữ các dữ liệu vào cơ sở dữ số loại cảm biến khác. liệu trên máy tính, chính là một hệ thu - Khối xử lý nút cảm biến: Đảm nhận thập dữ liệu môi trường nhằm đáp ứng việc thu thập dữ liệu từ khối cảm biến, những mục tiêu xa hơn trong phục vụ sau đó điều khiển khối truyền thông nông nghiệp (chẳng hạn như tra cứu, dự truyền tải dữ liệu về nút quản lý vùng. báo mùa vụ tốt hơn). Hình 4 Mô hình b. Nút quản lý nhà trồng (Managemnent tổng thể của hệ thống. nodes) Hình 4 - Mô hình tổng thể của hệ thống 2.3 Mô hình chi tiết nhà trồng Nút quản lý nhà trồng là nút có a. Nút cảm biến (Sensor nodes) nhiệm vụ quản lý các nút cảm biến trong TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 13
– TRAO vùng phủ sóng và đóng vai trò là nút đưa khối hiển thị thể hiện lên màn hình, trung gian giữa các nút cảm biến và chuyển tín hiệu đến khối truyền thông trung tâm điều hành, nhận dữ liệu từ các gởi đến gateway, chuyển các lệnh từ nút cảm biến trong khu vực và truyền dữ trung tâm điều hành đến khối điều khiển. liệu này về trung tâm gần nhất. Ngoài ra, - Khối điều khiển: Thực hiện điều nút quản lý vùng còn đảm nhận được khiển hệ thống bơm, hệ thống làm mát. nhiệm vụ thực thi lệnh từ trung tâm c. Trung tâm điều hành (chẳng hạn kích hoạt máy phun sương, Trung tâm điều hành là nơi nhận và mở van,…) xử lý dữ liệu, tại trung tâm dữ liệu sau Nút quản lý nhà trồng là nơi nhận dữ khi nhận được lưu trữ và hiển thị trên liệu từ nút cảm biến rồi truyền về trung máy tính, giúp việc theo dõi diễn ra liên tâm điều hành và đồng thời nhận tín hiệu tục và tức thời, dữ liệu mang tính chính từ trung tâm điều hành gọi thực thi đến xác cao và sẵn dùng khi cần. Từ PC hệ thống tưới tiêu. Cấu trúc một nút quản người dùng có thể lập lịch cho hệ thống lý vùng. Một nút quản lý vùng bao gồm tưới tiêu hay hoạt động khi thỏa mãn một 5 thành phần: số yêu cầu mà họ đề ra. PC sẽ tự động - Khối năng lượng: Khối này nhận gửi lệnh về hệ thống tưới tiêu. Tại trung nguồn từ Adapter AC 220V – DC 5V tâm có các kết nối Internet và SMS hỗ cung cấp nguồn cho thiết bị hoạt động. trợ giám sát hoặc điều khiển từ xa, trung - Khối truyền thông: Đảm nhận việc tâm điều hành được tổ chức như sau: giao tiếp với nút cảm biến và trung tâm - Máy chủ (server): Đảm nhận chạy điều hành. cơ sở dữ liệu lưu trữ dữ liệu và thực hiện - Khối hiển thị: Hiển thị một số các công việc quản lý. thông tin trạng thái các nút cảm biến - Modem SMS: Gởi nhận tin nhắn trong khu vực quản lý của nút, trạng thái SMS. thực thi hệ thống tưới tiêu, làm mát. - Gateway: Nhận dữ liệu từ các nút - Khối xử lý nút quản lý nhà trồng: quản lý nhà trồng. Nhận các thông tin từ khối truyền thông, - Đường truyền internet: Cho phép 5. Anten Wireless 1. Cảm biến nhiệt độ 2. Cảm biến độ ẩm Khối truyền thông 3. Cảm biến ánh sáng 4. Cảm biến khác … Khối cảm biến 6. Tín hiệu nguồn điện từ adapter Khối ă l ợng 7. Hộp xử lý Khối xử lý nút cảm biến Hình 5 - Cấu trúc một nút cảm biến TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 14
– TRAO người dùng truy cập và điều khiển từ xa mô – đun truyền thông hoạt động nhịp hệ thống. nhàng với nhau thông qua vi xử lý nhỏ 3 Thiết kế phần cứng MS 430 2553 có nhúng chương trình tự a. Nút cảm biến thiết kế. Mỗi nút cảm biến được thiết kế gồm Hình 6 Sơ đồ nguyên lý nút cảm cảm biến kỹ thuật số DHT22 (hoặc DHT biến, dữ liệu đo đạc nhận các chân 11) đo nhiệt độ, độ ẩm không khí, ngoài sensor 1, 2... số hóa thành giá trị đo đạc. Hình 6- Sơ đồ nguyên lý nút cảm biến ra có thể sử dụng SHT71, SHT75 với b. Nút quản lý nhà trồng tính năng tương đương cho mức tiêu thụ Nút quản lý nhà trồng có khả năng năng lượng thấp hơn (80 uW), cảm biến thu nhận dữ liệu từ các cảm biến truyền ánh sáng LDR12mm-10K/2M hoặc tải về máy tính, thành phần chính là bộ LDR5mm-10K/1M được sử dụng để do truyền thông sử dụng mô – đun đạc ánh sáng xung quanh, hệ thống cũng XL24L01-D03 đảm nhận cả chức năng cho phép mở rộng thêm cảm biến để tăng nhận và truyền dữ liệu. Dữ liệu truyền về cường khả năng giám sát nhà trồng khi từ các cảm biến có thể thực hiện lưu trữ cần. Các cảm biến được gắn vào mạch tạm thời nếu cần, việc này có thể thực PCB tự thiết kế chung với vài thành phần hiện bằng cách thiết kế thêm thẻ nhớ cho linh kiện điện tử khác như điện trở, tụ nút quản lý nhà trồng. Thông tin cơ bản điện,… và mô – đun truyền thông về trạng thái nhà trồng được hiện lên Wireless XL24L01-D03 (hoặc màn hình LCD16x2. Ngoài ra, khả năng nRF24L01-EA) để truyền tải thông tin về điều khiển các thiết bị kiểm soát môi nút quản lý nhà trồng. Các cảm biến và trường thực kiện tùy thuộc vào thiết kế TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 15
– TRAO của thiết bị trong nhà trồng. Tuy nhiên, Chương trình nhúng được xây dựng để đơn giản chúng ta sử dụng các rờ - le tại các nút cảm biến, thực thi nhiệm vụ để bật/tắt thiết bị thông qua các điều cứ sau một khoảng thời gian sẽ đo đạc khiển từ vi xử lý nhỏ MS 430 2553. các thông số môi trường và gửi dữ liệu Trong sơ đồ nguyên lý nút quản lý nhà về nút quản lý vùng. trồng. b. Tại nút quản lý nhà trồng: Hình 7: Các chân kí hiệu CTRL1,2… sử Chương trình nhúng tại nút quản lý dụng cho công việc điều khiển này. nhà trồng thực hiện hai nhiệm vụ chính: Hình 7 - Sơ đồ nguyên lý nút quản lý nhà trồng c. Gateway xử lý các dữ liệu nhận được từ các nút ateway đảm nhận nhiệm vụ tiếp cảm biến và truyền về trung tâm điều nhận dữ liệu từ các nút quản lý nhà hành; tiếp nhận và xử lý các yêu cầu từ trồng, gateway gồm một một vi xử lý trung tâm điều hành. nhỏ MS 430 2553 có khả năng giao c. Tại trung tâm điều hành tiếp không dây với nút quản lý nhà trồng Tại trung tâm điều hành bố trí một qua mô – đun Wireless XL24L01-D03 và máy chủ (server) chạy cơ sở dữ liệu SQL giao tiếp RS232 với máy tính thu thập dữ Server và website giám sát môi trường, liệu. điểu khiển tưới tiêu đảm nhận chức 4 Phần mềm iám sát, điều khiển năng: a. Tại các nút cảm biến TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 16
– TRAO Hình 8 - Giao diện hiển thị các nhà trồng trong bản đồ - Hiển thị vị trí nhà trồng trực quan hằng ngày hoặc vài ngày trong tuần. Tuy trên bản đồ (Hình 8). nhiên, việc lập lịch theo thời gian không - Hiển thị và lưu trữ thông số môi linh hoạt với sự thay đổi của điều kiện trường phục vụ việc theo dõi tức thời và môi trường, nên hệ thống xử lý tại trung lâu dài cho người sử dụng (Hình 9). tâm điều hành cũng cung cấp khả năng Hình 9 - Giao diện theo dõi một nút quản lý nhà trồng Tùy theo khả năng trang bị trong hệ điều khiển dựa trên các thông số môi thống, việc lập lịch và lập kế hoạch điều trường mà nút quản lý nhà trồng gửi về. khiển hệ thống tưới, làm mát, chiếu Ví dụ: nhiệt độ tăng cao trên 30 oC hệ sáng,… trong nhà trồng có thể được cài thống bật máy phun sương và quạt làm đặt phù hợp nhất. Chẳng hạn người sử mát và tăng độ ẩm. Khi nhiệt độ xuống dụng có thể lập lịch, hệ thống phun dưới 27 oC hệ thống tự động tắt máy phun sương hoạt động từ 8h00 đến 15h00 và sương và quạt làm mát. mở quạt làm mát từ 7h30 đến 10h00 TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 17
– TRAO 5 Triể k i và đá iá ạt động của mô hình ra, hệ thống hỗ trợ lập lịch các hoạt động Việc triển khai ứng dụng được tiến canh tác theo điều kiện môi trường trên hành tại Trường Đại học Kinh tế Công từng nút quản lý nhà trồng nên cho phép nghiệp Long An trong nhà trồng nấm và mô hình thử nghiệm, phục vụ công việc giám sát nhiệt độ và độ ẩm. Tuy ở bước đầu thực hiện nhưng hệ thống đảm nhận tốt khả năng giám sát nhà trồng nấm thử nghiệm, tự động kích hoạt máy phun sương theo lịch thời gian hoặc thông số môi trường vượt ngưỡng. Với khả năng giám sát liên tục môi trường trong nhà trồng, tức thời tự Hình 10 - Triển khai thử nghiệm cảm biến giám sát trồng nấm động hóa một số hoạt động giúp giảm các nhà trồng có thể canh tác thích hợp thiểu công lao động và tăng tính chính với nhiều loại cây trồng, giúp người xác, hệ thống hoàn toàn có thể áp dụng dùng có thể linh hoạt, uyển chuyển, đan cho số lượng nhà trồng lớn hơn. Ngoài xen trong canh tác. 6 Kết luận Bài viết đã giới thiệu mô hình mạng cảm biến không dây ứng dụng trong nông nghiệp trong nhà. Hệ thống đã được xây dựng, triển khai và chạy thử nghiệm tại trường bước đầu hoạt động tốt. Mạng cảm biến là công nghệ mới khi ứng dụng vào sản xuất nông nghiệp có khả năng giúp tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sản xuất. Đặc biệt, với việc làm chủ công nghệ hoàn toàn từ việc thiết kế xây dựng phần cứng đến phần mềm cho các nút cảm biến hoạt động nên giá thành của sản phẩm không cao, ít phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài và phù hợp với thị trường tại Việt Nam. Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây vào sản xuất nông nghiệp trong nhà là hướng đi tích cực, giảm sự lệ thuộc thời tiết và phòng trừ sâu bệnh tốt, hoàn toàn khả thi với chi phí thấp, mô hình cho phép không những sử dụng cho nhà kính mà có thể sử dụng cho cả nhà trồng thông thường, nhà lưới với chi phí thấp hơn, quy mô áp dụng từ vài nhà trồng đến vài chục nhà trồng. Tài liệu tham khảo [1]. Rohit.K.Nikhade, S.L.Nalbalwar (2013), Monitoring Greenhouse using Wireless Sensor Network, International Journal of Advanced Computer Research, ISSN: 2249-7277, 2277-7970, Volume-3 Number-2 Issue-10 June-2013. [2]. Teemu Ahonen, Reino Virrankoski và Mohammed Elmusrati, Greenhouse Monitoring with Wireless Sensor Network, University of Vaasa. Finland. TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 18
– TRAO [3]. Yao Chaunan, Yu Yongchang (2010), Implementation of Greenhouse Monitoring System Based on RF Transceiver, IEEE 2 nd , International conference on Industrial Mechatronics and Automation, pp. 25-28. [4]. Lê Đình Tuấn, Thái Doãn Ngọc (2013), Xây dựng mạng cảm bi n không dây trong nông nghiệp chính xác, Hội thảo quốc gia về CNTT năm 2013 – Trường đại học Cần Thơ. [5]. MSP430x2xx Family User's Guide (2012), Texas Instruments Incorporated, December 2004 – Revised January 2012. [6]. (2012), The Landscape of Wireless Sensing in Greenhouse Monitoring and Control, International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN) Vol. 4, No. 4, August 2012. Ngày nhận: 30/7/2014 Ngày duyệt đă : 26/8/2014 TẠP CHÍ KINH TẾ - CÔNG NGHIỆP 19