Tạp chí

KH-CN Nghệ AnSỐ 8/2016 [9]

HOẠT ĐỘNG KH-CN

I. ĐẶT VẤN ĐỀCác sản phẩm nhà kính nông nghiệp công

nghệ cao đã và đang được sử dụng rộng rãitrên thế giới. Nhà kính công nghệ cao, ngoàiviệc đảm bảo yêu cầu kết cấu bền vững, thựchiện cơ giới hoá các công đoạn sản xuất, thìcòn cho phép đáp ứng đến mức cao nhất cácnhu cầu về kiểm soát “tiểu khí hậu nhà kính”,“sinh học nhà kính”, “dịch hại nhà kính” vàthực hiện các biện pháp điện toán điều chỉnhcác yếu tố môi trường sinh thái nhà kính.

Ở Việt Nam, hiện nay đã có một số cơ sởsản xuất rau và hoa nhập ngoại đồng bộ hệthống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhàtrồng của Pháp, Isarel, Trung Quốc. Các hệthống thiết bị điều khiển tiểu khí hậu trong nhàtrồng bao gồm hệ thống giám sát thông số môitrường, hệ thống quạt thông gió cưỡng bức,thiết bị làm mát bằng hệ thống tấm đệm bayhơi nước, phun mù kết hợp với che nắng bằnglưới Aluminet. Ở Has farm (Đà Lạt) và Trungtâm kỹ thuật rau quả Hà Nội có lắp đặt thêmhệ thống kiểm soát, điều chỉnh khí CO2 và hệthống gia nhiệt bằng thổi hơi nóng qua hệthống ống.

Môi trường trong nhà kính nông nghiệpcông nghệ cao thường đòi hỏi rất khắt khe việcduy trì nhiệt độ và độ ẩm cho sinh trưởng củacây trồng theo từng loại cây cũng như thờigian sinh trưởng của chúng. Điều này đòi hỏicần phải giám sát và thu thập số liệu về nhiệtđộ và độ ẩm tại nhiều vị trí khác nhau trongnhà kính. Nhờ giám sát và thu thập số liệu

Xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính nông nghiệp DỰA TRÊN CôNG NGHệ mạNG KHôNG DÂY WI-FI

n Phạm Mạnh ToànKhoa Điện tử Viễn thông, Trường Đại học Vinh

Hình 1. Nhà kính nông nghiệp công nghệ cao

HOẠT ĐỘNG KH-CN

Tạp chí

KH-CN Nghệ AnSỐ 8/2016 [10]

nhiệt độ - độ ẩm, nhà nông có thể theo dõi được độẩm của các loại hạt để quyết định thời điểm thuhoạch thích hợp. Biết được độ ẩm của đất, độ ẩm -nhiệt độ của không khí sẽ cho phép nhà nông điềuchỉnh hoạt động canh tác của mình một cách thíchhợp để đạt được tối ưu năng suất cây trồng. Nhưvậy, có thể thấy việc đo lường nhiệt độ - độ ẩm làđiều rất quan trọng đối với phát triển nông nghiệpxanh. Tuy nhiên, một số vấn đề phát sinh liên quanđến việc áp dụng các cảm biến độ ẩm - nhiệt độ vàohệ thống nhà kính nông nghiệp công nghệ cao quymô rộng đó là không gian lớn, khoảng cách truyềndữ liệu xa, số lượng cảm biến nhiều. Ngoài ra cònmột số khó khăn khác như: vấn đề tiêu thụ điện củacác cảm biến, sự ăn mòn của cảm biến…, là cácthách thức đặt ra khi thiết kế mạng cảm biến giámsát và thu thập số liệu nhiệt độ - độ ẩm ứng dụngtrong hệ thống nhà kính [1].

Bài báo này trình bày về một giải pháp thiết kếmạng biến không dây để giám sát nhiệt độ - độ ẩmmôi trường sinh trưởng của cây trồng trong hệthống nhà kính nông nghiệp. Nội dung của bài báochỉ tập trung vào đề xuất một giải pháp thiết kế nútcảm biến thông minh thu thập số liệu nhiệt độ - độẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng dựa trênmạng truyền thông không dây Wi-Fi.

II. HỆ THỐNG GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ - ĐỘẨM TRONG NHÀ KÍNH NÔNG NGHIỆP

Cấu trúc hệ thống sát nhiệt độ và độ ẩm môitrường sinh trưởng của cây trồng trong hệ thống nhàkính được trình bày như hình 2. Các thành phần cơbản trong hệ thống được chia thành 2 cấp độ: cấp 1là trung tâm giám sát vận hành; cấp 2 là trạm thuthập dữ liệu cơ sở tại đó bao gồm các cảm biến đonhiệt độ - độ ẩm của không khí, của đất trồng tạinông trường kết hợp bộ xử lý và module truyềnthông không dây Wi-Fi. Tùy theo quy mô diện tíchhệ thống nhà kính và yêu cầu cấp độ giám sát, ta cóthể triển khai xây dựng hệ thống giám sát và thuthập số liệu phù hợp.

Trung tâm giám sát ở đây gồm đường mạng tốcđộ cao kết nối đến các trạm thu thập dữ liệu cơ sở;máy chủ với hệ cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin hệthống; máy tính giám sát vận hành với các màn hìnhtheo dõi quan sát tình trạng môi trường sinh trưởngcủa cây trồng, đồng thời đưa ra các cảnh báo để nhànông điều chỉnh phương pháp canh tác phù hợp nhất.Tùy vào nhu cầu của người dùng, trung tâm giám sátcũng có thể cho phép người quản lý từ xa truy cậpvào cơ sở dữ liệu hệ thống qua mạng Wi-Fi [2].

Hình 2. Cấu trúc hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính

Trạm thu thập dữ liệu cơ sở, có thể hiểu là trạmchủ cùng với các cảm biến đo (các điểm đo) tạothành mạng cảm biến. Trạm thu thập dữ liệu đượccấu tạo từ các module chính sau: module điều khiểnxử lý thu thập dữ liệu; module truyền thông khôngdây theo chuẩn mạng Wi-Fi để nhận dữ liệu nhiệt độ- độ ẩm từ các cảm biến truyền về. Tùy vào thiết kếđược chọn, trạm thu thập dữ liệu dựa trên mạng Wi-Fi cho phép cấu hình để người quản lý có thể truy cậpxem dữ liệu gốc từ cảm biến đo gửi về.

Dựa vào nhu cầu sử dụng, các thiết bị đo nhiệtđộ - độ ẩm ngoài đầu đo cơ sở, sẽ được tích hợpkèm theo module khuếch đại - xử lý - chuyển đổitín hiệu đo, màn hình hiển thị, bộ nhớ, module điềukhiển, module nguồn và module truyền thông theochuẩn mạng Wi-Fi. Dựa trên công nghệ truyềnthông không dây tương ứng giữa cảm biến đo vàtrạm cơ sở các dữ liệu đo sẽ trao đổi với nhau [2].

III. THIẾT KẾ NÚT CẢM BIẾN ĐO NHIỆTĐỘ - ĐỘ ẨM TRONG NHÀ KÍNH NÔNGNGHIỆP

Như đã phân tích ở trên, cảm biến đo nhiệt độ -độ ẩm đóng một vai trò vô cùng quan trọng trongnhà kính nông nghiệp. Và trong giới hạn bài báonày, tác giả tập trung vào thiết kế nút mạng cảmbiến truyền thông không dây Wi-Fi - là cơ sở chínhcho các phát triển hệ thống về sau.

1. Cấu trúc cơ bản của hệ đoSơ đồ khối hệ đo nhiệt độ - độ ẩm mô tả trong

hình 3. Cấu trúc cơ bản của hệ đo gồm nút cảm biếncó nhiệm vụ thu thập số liệu đo, truyền thông dữ liệugiữa nút cảm biến và trung tâm điều hành thực hiệntheo chuẩn mạng không dây Wi-Fi dựa trên moduleESP8266 [3].

Tạp chí

KH-CN Nghệ AnSỐ 8/2016 [11]

HOẠT ĐỘNG KH-CN

Hình 6. Mạch nguyên lý nút cảm biến

Hình 4. Sơ đồ khối nút cảm biến

Hình 5. Khối đo nhiệt độ và độ ẩm

Hình 3. Sơ đồ khối hệ đo

2. Thiết kế nút mạng cảm biếnSơ đồ nút cảm biến mô tả trên hình 4, mạch

nguyên lý mô tả trên hình 5 và hình 6. Trên hình 5 mô tả khối đo nhiệt độ sử dụng cảm

biến đo nhiệt độ LM35 và cảm biến đo độ ẩmHS1101.

Trên hình 6 cho thấy, nút cảm biến sử dụngPIC16F877A làm bộ xử lý trung tâm. Hiển thị sửdụng LCD. Khối truyền thông không dây Wi-Fisử dụng card ESP8266. Ngoài ra trên khối cóthêm mạch nguồn, mạch phím bấm dùng để thiếtlập giá trị theo yêu cầu.

Thiết kế nút mạng cảm biến không dây trongnghiên cứu này chính là thiết kế trạm đo thông

HOẠT ĐỘNG KH-CN

Tạp chí

KH-CN Nghệ AnSỐ 8/2016 [12]

minh sử dụng cảm biến đo nhiệt độ và đo độẩm cơ bản: IC LM 35 và IC HS1101. Trạmđo thông minh (còn gọi là những cảm biếnthông minh) này tích hợp module ESP8266để truyền dữ liệu đo qua mạng không dâyWi-Fi về trạm thu thập dữ liệu cơ sở, đượcxử lý và điều khiển hiển thị, truyền thông tin,quản lý nguồn nhờ vi điều khiển PIC16F887.

Nguyên lý xác định độ ẩm sử dụng cảmbiến cơ bản HS1101: khi độ ẩm môi trườngthay đổi thì điện dung của tụ điện tươngđương HS1101 cũng thay đổi theo, do đó làmthay đổi thời gian phóng và nạp của tụHS1101 qua R1 và R2, bởi vậy xung đầu raFout của NE555 sẽ thay đổi trong khoảng từFmin-Fmax [Hz] tương ứng với độ ẩm thayđổi từ 0%-100%. Xung đầu ra Fout của NE555được đưa đến chân ngắt ngoài của vi điềukhiển PIC và được chương trình ngắt đã lậptrình trong vi điều khiển thực hiện tăng biếnđếm lên 1 đơn vị mỗi khi có sườn xuống củaxung tín hiệu đưa vào chân ngắt (đếm số xungN trong một chu kỳ ngắt). Với chu kỳ ngắt trênPIC thiết lập là Tng [s] (thường lấyTng=20ms) khi đó xác định được tần số xungra trên chân 3 của NE555. Từ tần số xung Foutnày tính được giá trị của điện dung HS1101tương ứng với độ ẩm môi trường [4].

Nguyên lý xác định nhiệt độ dựa trên cảmbiến cơ bản LM35 như sau: IC đo nhiệt độchuyên dụng này cung cấp điện áp đầu ra:Vout=10T, [mV], với T [oC] là nhiệt độ môitrường cần đo. Do đó chỉ cần mắc thêm vàocảm biến đo cơ bản LM35 mạch khuếch đạitín hiệu đo, sau đó đưa tín hiệu sau khuếchđại đến chân ADC của vi điều khiển PIC.Chương trình đọc ADC trong PIC sẽ tínhtoán và xử lý số liệu đo cho ta giá trị điện ápVout tương ứng với nhiệt độ cần đo T, từ đósẽ xác định được nhiệt độ cần đo [5].

IV. KẾT QUẢSản phẩm nút cảm biến thông minh mô tả trên hình

7. Cấp nguồn cho khối mạch, tiến hành cài đặt các tậplệnh AT (bao gồm: cấu hình, tên Wi-Fi, pass Wi-Fi...)thông qua 2 chân RX và TX cho module ESP8266 quátrình thiết lập sẽ được bộ vi xử lý trung tâm gửi thôngbáo lên LCD. Quá trình kết nối được thiết lập khi càiđặt xong thông số cho module Wi-Fi ESP8266 khi đóquá trình xử lý số liệu của của module Wi-Fi theo chukỳ 2ms/lần để thực hiện đo nhiệt độ và độ ẩm. Thựcnghiệm cho thấy sử dụng hệ thống đo cho kết quả đochính xác với sai số nhiệt độ là 0.5% và độ ẩm là 1%.

V. KẾT LUẬNChúng tôi đã xây dựng thành công nút cảm biến

thông minh giám sát thông số môi trường trong hệthống nhà kính nông nghiệp. Sản phẩm thực hiện phépđo chính xác, ổn định. Nút cảm biến thông minh nàyđược tích hợp chip điều khiển, có khả năng xử lý sơbộ thông tin đo, hiển thị số liệu đo tại hiện trường vàthực hiện truyền thông không dây các số liệu đo đếntrạm thu thập dữ liệu cơ sở. Sản phẩm đã được xâydựng, triển khai và chạy thử nghiệm tại Trường Đạihọc Vinh, bước đầu hoạt động tốt, hứa hẹn đem lạinhiều lợi ích đáng kể. Đây là công nghệ mới giúp nôngdân cũng như doanh nghiệp dễ dàng tiếp cận, ứngdụng, nâng cao hiệu quả, năng suất và lợi nhuận trongsản xuất nông nghiệp./.

Hình 7. Nút cảm biến thông minh

Tài liệu tham khảo:

1. FAO (2012), Trade, Exports, Commodities by Country, Ecuador, Food and Agricultural Organization ofthe United Nations.

2. Trịnh Lương Miên, “Ứng dụng mạng cảm biến không dây trong việc phát triển nông nghiệp xanh cho câytrồng”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 178, 2016.

3. Sparkfun, WiFi Module ESP8266, 2016.4. Humirel, Relative Humidity sensor, 2014.5. Texas Instruments, LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors, 2016.