Ứng dụng công nghệ thông tin trong xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển môi trường nhà kính tự động

70 TẠP CHÍ KHOA HỌC – ĐẠI HỌC TÂY BẮC Khoa học Tự nhiên và Công nghệ 1. Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, việc ứng dụng cảm biến kết nối vạn vật IoT (Internet of Things) đã không còn xa lạ trong nhiều lĩnh vực, trong đó có sản xuất nông nghiệp vốn là ngành kinh tế quan trọng tại Việt Nam. Việc sử dụng các bộ cảm biến kết hợp với hệ thống điều khiển vào sản xuất trong các nhà lưới, nhà kính làm cho quy trình sản xuất được đồng bộ, giám sát và điều khiển một cách tự động, hạn chế tối đa các tác động của môi trường. Ở Việt Nam, hiện có các tập đoàn Hoàng Anh Gia Lai, Vingroup, Hòa Phát sử dụng công nghệ của Isarel trong việc canh tác nông nghiệp mang lại hiệu quả cao [1]. Môi trường trong nhà kính nông nghiệp công nghệ cao thường đòi hỏi rất khắt khe việc duy trì nhiệt độ và độ ẩm cho sinh trưởng của cây trồng theo từng loại cây cũng như thời gian sinh trưởng của chúng. Điều này đòi hỏi cần phải giám sát và thu thập số liệu về nhiệt độ và độ ẩm tại nhiều vị trí khác nhau trong nhà kính. Biết được độ ẩm của đất, độ ẩm - nhiệt độ của không khí sẽ cho phép nhà nông điều chỉnh hoạt động canh tác của mình một cách thích hợp để đạt được tối ưu năng suất cây trồng. Như vậy, có thể thấy việc đo lường nhiệt độ - độ ẩm là điều rất quan trọng đối với phát triển nông nghiệp xanh. Tuy nhiên, một số vấn đề phát sinh liên quan đến việc áp dụng các cảm biến độ ẩm - nhiệt độ vào hệ thống nhà kính nông nghiệp công nghệ cao quy mô rộng đó là giá thành cao, số lượng cảm biến nhiều, vấn đề tiêu thụ điện năng, sự ăn mòn của cảm biến, là các thách thức đặt ra trong hệ thống nhà kính [2]. Từ yêu cầu thực tế nhận thấy để có thể phát triển các mô hình này là hạ giá thành đầu tư và cải tiến các đặc tính kỹ thuật phù hợp với yêu cầu canh tác và điều kiện khí hậu ở Việt Nam. Trên cơ sở đó, nhóm tác giả tập trung nghiên cứu, thiết kế mô hình ứng dụng công nghệ thông tin trong xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển môi trường nhà kính tự động. 2. Vật liệu và phương pháp Nhà kính tự động là mô hình nhà kính áp dụng những công nghệ mới, tiên tiến vào sản xuất bao gồm: công nghiệp hóa nông nghiệp, tự động hóa, công nghệ thông tin, công nghệ sinh học và các giống cây trồng có năng suất, chất lượng cao, các quy trình canh tác tiên tiến, canh tác hữu cơ, cho hiệu quả kinh tế cao trên một đơn vị sản xuất [3]. Cấu tạo nhà kính tự động gồm hệ thống khung nhà kính, hệ thống các cơ cấu chấp hành, hệ thống các cảm biến và mạch điều khiển trung tâm Arduino UNO R3 kết hợp với mô – đun truyền/nhận wifi ESP 8266 [4]. Trong đó hệ thống cơ cấu chấp hành bao gồm bơm tưới phun sương và tưới nhỏ giọt, hệ thống đèn Led quang hợp và đèn sưởi, hệ thống quạt thông thoáng, hệ thống mái che (điều khiển theo cường độ ánh sáng); Hệ thống cảm biến DHT22 đo nhiệt độ và độ ẩm và BH1750 đo cường độ ánh sáng, với mức ổn định cao và sai số thấp [5]. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRONG XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔI TRƯỜNG NHÀ KÍNH TỰ ĐỘNG Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, thiết kế và xây dựng phần mềm hệ thống tự động giám sát và điều khiển thông số môi trường nhà kính (gồm nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ ẩm đất). Mô hình nhà kính tạo lập môi trường sinh thái theo ý muốn thuận lợi nhất có thể giúp cây trồng sinh trưởng phát triển, kiểm soát môi trường tiểu khí hậu trong nhà kính thông qua hệ thống cảm biến, điều khiển môi trường nhà kính thông qua cơ cấu chấp hành và phần mềm điểu khiển trên điện thoại thông minh. Từ khóa: IoT, Arduino, nông nghiệp công nghệ cao, DHT22, BH1750. Nguyễn Văn Hải (2020) (20): 70 - 75 Nguyễn Văn Hải, Nguyễn Thị Thanh Hà, Lường Nguyệt Hương Trường Đại học Tây Bắc 71 Hệ thống hoạt động theo nguyên lý (hình 1): Cảm biến cập nhật thông số môi trường theo thời gian thực. Dữ liệu sẽ được gửi đến bộ điều khiển trung tâm; dựa trên các giải thuật điều khiển, bộ điều khiển trung tâm sẽ gửi lệnh điều khiển lên các cơ cấu chấp hành nhằm ổn định lại thông số môi trường theo cài đặt. Hệ thống có thể hoạt động ở chế độ tự động và thủ công thông qua màn hình LCD hoặc điện thoại thông minh. Hình 1. Nguyên lý hoạt động mô hình nhà kính tự động. Nhóm tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết trên cơ sở vận dụng các kết quả nghiên cứu của các công trình trong và ngoài nước để xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển môi trường trong nhà kính. Kích thước mô hình được lựa chọn là dài*rộng*cao=1(m)*1(m)*1(m). Dựa trên quy trình công nghệ sản xuất rau an toàn trong nhà kính và các số liệu thống kê, từ đó xây dựng giải thuật điều khiển (hình 2). Các thông số môi trường thu nhận từ cảm biến sẽ được ưu tiên xử lý theo các mức giảm dần như sau: nhiệt độ - độ ẩm - ánh sáng - độ ẩm đất. 72 Hình 2. Giải thuật điều khiển, T: nhiệt độ, H: độ ẩm không khí, L: ánh sáng, h: độ ẩm đất, P ps : Bơm phun sương, P (nhỏ giọt) : Bơm nhỏ giọt, F: Quạt thông khí, M: mái che nắng Kết thúc Bắt đầu Ti, Hi, Li, hi T_min<Ti<T_max Ti>T_max, Pps(on), F(on), M(close) Ti<T_min, Pps(off), F(off), M(open) H_min<Hi<H_max Hi>H_max, Pps(off), F(on) Hi<H_min, Pps(on), F(off) L_min<Li<L_max Li>L_max, M(close) Li<L_min, M(open) h_min<hi<h_max hi>h_max, P (nhỏ giọt) (off) hi<h_min, P (nhỏ giọt) (on) Đ S Đ S Đ S Đ S 3. Kết quả và thảo luận Nhóm tác giả đã thiết kế, chế tạo thành công phần cứng và xây dựng phần mềm cho hệ thống giám sát và điều khiển các thông số môi trường (hình 3). Tiến hành thống kê, đánh giá hoạt động của hệ thống về các thông số môi trường bên trong và ngoài nhà kính, độ ổn định hệ thống. 4 73 3. Kết quả và thảo luận Nhóm tác giả đã thiết kế, chế tạo thành công phần cứng và xây dựng phần mềm cho hệ thống giám sát và điều khiển các thông số môi 4 4 6 5 7 1 2 3 Hình 3. Mô hình nhà kính tự động 1. Màng polyme; 2. Tưới phun sương; 3. Tưới nhỏ giọt; 4. Bảng điều khiển; 5. Quạt thông gió; 6. Tấm pin Năng lượng mặt trời; 7. Hệ thống lưới che nắng di động Với giải thuật điều khiển, kết quả thí nghiệm cho thấy nhiệt độ trong nhà kính nhờ hệ thống phun sương, quạt thông gió kết hợp mái che nắng làm giảm đáng kể từ 30C đến 50C tùy theo thời gian trong ngày (hình 4). Các kết quả thử nghiệm cho thấy, ngoài hạn chế nhiễm bệnh cho cây, vấn đề quan trọng nhất là duy trì được nhiệt độ tiểu khí hậu trong nhà kính thấp hơn 300C và giữ được độ ẩm ở mức từ 70% đến 90%, phù hợp cho nhiều loại cây trồng phát triển. Hình 4. Biểu đồ so sánh nhiệt độ và độ ẩm môi trường bên ngoài và bên trong nhà kính Ngoài ra, người sử dụng có thể theo dõi các thông tin môi trường và điều khiển các cơ cấu chấp hành từ xa bằng điện thoại thông minh qua kết nối 4G/Wifi. Ứng dụng di động có thể cài đặt trên cả hai nền tảng iOS và Android, dễ sử dụng, có khả năng giao tiếp với phần cứng theo thời gian thực và có độ tin cậy cao. Giao diện ứng dụng trên điện thoại cho người sử dụng được minh họa trên hình 5. 74 Hình 5. Giao diện ứng dụng trên điện thoại thông minh 4. Kết luận Nhà kính tự động trực tiếp góp phần giải quyết các vấn đề giám sát và điều khiển môi trường trong sản xuất nông nghiệp. Nhà kính cho phép chúng ta có thể khống chế các yếu tố môi trường tác động trực tiếp lên cây trồng để thu được sản phẩm nông sản có chất lượng, nâng cao năng suất thậm chí có thể trồng được những loại cây trồng trái mùa là những yêu cầu cấp thiết đang đặt ra với nền nông nghiệp Việt Nam hiện nay. Kết quả nghiên cứu đã phần nào đáp ứng được các yêu cầu đặt ra. Trong thời gian tới, nhóm tác giả tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng trí tuệ nhân tạo và xử lý ảnh vào giám sát các giai đoạn tăng trưởng khác nhau của cây trồng, cảnh báo những bất thường xảy ra, để sớm đưa vào thực tế góp phần phát triển nền nông nghiệp công nghệ cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Đ.X. Quy, L. Q. Hoàng, N. D. X. Bách, T. T. Đạt and V. T. Cường (2017). Nhà kính tự động giám sát và điều khiển môi trường nông nghiệp bằng thiết bị không dây. Tạp chí Thông tin khoa học & công nghệ Quảng Bình, vol 1, pp.73–77. 2. FAO (2012), Trade, Exports, Commodities by Country, Ecuador, Food and Agricultural Organization of the United Nations. 3. Xô, D. H., & Nhượng, P. H. (2006). Phát triển nông nghiệp theo hướng công nghệ cao tại Việt Nam. Diễn đàn Khuyến nông@ Công nghệ, Đà Lạt, Lâm Đồng. 4. Hadwan, H. H., & Reddy, Y. P. (2016). Smart home control by using raspberry pi and arduino uno. Int. J. Adv. Res. Comput. Commun. Eng, 5(4), 283-288. 5. Sánchez Torrecilla, J. R. (2015). Sistema de monitorización y telegestión remota basado en Arduino para Smart Buildings (Doctoral dissertation). 75 APPLICATION OF INFORMATION TECHNOLOGY IN THE CONSTRUCTION OF AUTOMATIC GREENHOUSE MONITORING AND CONTROL SYSTEMS Abstract: The paper presents the results of researching, designing and building software system to automatically monitor and control greenhouse environment parameters (including temperature, humidity, light, soil moisture). Greenhouse models create the most favorable ecological environment that can help plants grow and control, controlling the microclimate environment in greenhouses through sensor systems, control the greenhouse environment via the actuator and control software on the smartphone. Keywords: IoT, Arduino, hi-tech agriculture, DHT22, BH1750. _____________________________________________ Ngày nhận bài: 23/3/2020. Ngày nhận đăng: 6/5/2020 Liên lạc: nvhai@utb.edu.vn Nguyen Van Hai, Nguyen Thi Thanh Ha, Luong Nguyet Huong Tay Bac University