Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu một số giải pháp mới trong phát triển nông nghiệp thông minh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỂN THÔNG

SILIVONG TONY

NGUYÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP MỚI TRONG
PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN – 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỂN THÔNG

SILIVONG TONY


NGUYÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP MỚI TRONG
PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Tuấn Minh

THÁI NGUYÊN – 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

http://lrc.tnu.edu.vn


LỜI CAM ĐOAN
Luận văn này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, được thực hiện dưới sự
hướng dẫn của TS. Nguyễn Tuấn Minh. Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được
trình bày trong luận văn này hoàn toàn trung thực.
Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2019
HỌC VIÊN

SILIVONG Tony

i


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS. Nguyễn Tuấn Minh
người đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ em thực hiện và hoàn thành luận văn.
Em xin cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong Trường Đại học Công nghệ thông
tin và Truyền thông đã nhiệt tình giảng dạy và giúp đỡ em trong quá trình học tập tại
trường.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, bạn bè đã luôn động viên tôi trong
suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn.
Thái Nguyên, tháng 5 năm 2019
HỌC VIÊN

SILIVONG Tony


ii


CỤM CỤM

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii
MỤC LỤC .......................................................................................................... 1
DANH SÁCH HÌNH ........................................................................................... 3
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................ 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. 6
TÓM TẮT ........................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH
.......................................................................................................................... 10
1.1. Giới thiệu về hệ thống nông nghiệp thông minh hiện nay ........................ 10
1.2. Giới thiệu một số công nghệ áp dụng cho nông nghiệp thông minh ......... 11
1.3. Giới thiệu về hệ thống IOTs phục vụ cho nông nghiệp ............................ 11
1.3.1. Internet vạn vật (IoT)......................................................................... 11
1.3.2. Các thành phần cơ bản của IoT.......................................................... 11
1.3.3. IoT trong nông nghiệp ....................................................................... 12
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỰC TẾ IOTS ÁP
DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH ........................................... 17
2.1. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống ......................................................... 17
2.2. Các hệ thống cảm biến ............................................................................ 17
2.2.1. Bộ cảm biến ...................................................................................... 17
2.2.2. Phần cứng.......................................................................................... 23
2.3. Phần mềm................................................................................................ 33
2.3.1. Arduino IDE ...................................................................................... 33
2.3.2. Ứng dụng Blynk ................................................................................ 35

1


CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG IOT VÀO
NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH...................................................................... 38
3.1. Sơ đồ nguyên lý và thuật toán của hệ thống ............................................. 38
3.2. Điều khiển các thông số .......................................................................... 40
3.2.1. Hệ thống điều chỉnh nhiệt độ ............................................................. 40
3.2.2. Hệ thống điều chỉnh độ ẩm không khí ............................................... 40
3.2.3. Hệ thống điều chỉnh ánh sáng ............................................................ 41
3.2.4. Hệ thống điều chỉnh máy bơm nƣớc .................................................. 41
3.3. Xây dựng phần cứng ............................................................................... 41
3.4. Xây dựng phần mềm ............................................................................... 44
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP .............................................. 46
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 48
PHỤ LỤC ...................................................................................................... 50

2


DANH SÁCH HÌNH
Hình 1.1: Nông nghiệp thông minh ............................................................................ 13
Hình 1.2: Máy bay không người lái............................................................................ 14
Hình 1.3: Trang trại nuôi gà ....................................................................................... 15
Hình 1.4: Trang trại sản xuất nông nghiệp ................................................................. 15
Hình 2.1: Nút cảm biến Nhiệt độ và Độ ẩm không khí ............................................... 19
Hình 2.2: Bộ cảm biến DHT 22 ................................................................................. 20
Hình 2.3: Nút cảm biến độ ẩm đất .............................................................................. 21
Hình 2.4: Mô-đun cảm biến đất ................................................................................. 22
Hình 2.5: Nút cảm biến ánh sang ............................................................................... 22
Hình 2.6: Mô-đun cảm biến ánh sang......................................................................... 23
Hình 2.7: Sơ đồ các chân pin ..................................................................................... 24
Hình 2.8: Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 ........................... 25
Hình 2.9: Bộ chuyển đổi hạ áp LM2596 DC/DC ........................................................ 25
Hình 2.10: Mạch nguyên lý của rơ le ......................................................................... 26
Hình 2.11: Mô-dun 8 kênh rơ le 5V ........................................................................... 27
Hình 2.12: Sơ đồ PIN của LCD 16x02 ....................................................................... 28
Hình 2.13: Sơ đồ mô-đun I2C .................................................................................... 29
Hình 2.14: Máy bơm nước ......................................................................................... 30
Hình 2.15: LED thanh 12V ........................................................................................ 31
Hình 2.16: Đèn sưởi................................................................................................... 32
Hình 2.17: Quạt nhà kính ........................................................................................... 32
Hình 2.18: Phần mềm Arduino IDE ........................................................................... 34
Hình 2.19: Ứng dụng Blynk cho IOS và Android....................................................... 35
Hình 2.20: Cấu hình hoạt động Blynk ........................................................................ 36
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống..................................................................... 38
Hình 3.2: Sơ đồ thuật toán của Mạng cảm biến không dây thông minh cho nhà kính tự
động hóa .................................................................................................................... 39
Hình 3.3: Điều kiện rơ le nhiệt độ .............................................................................. 40
Hình 3.4: Điều kiện rơ le độ ẩm không khí ................................................................ 41

3


Hình 3.5: Điều kiện hoạt động của rơ le điều khiển cường độ ánh sang ..................... 41
Hình 3.6: Điều kiện hoạt động của rơ le điều khiển máy bơm (độ ẩm đất) ................. 41
Hình 3.7: Mạng cảm biến không dây dựa vào Wi-Fi .................................................. 42
Hình 3.8: Hình chiếu từ trên xuống của trung tâm điều khiển .................................... 42
Hình 3.9: Hình chiếu trước của trung tâm điều khiển ................................................. 43
Hình 3.10: Chiếu trước của hệ thống.......................................................................... 43
Hình 3.11: Hệ thống điều khiển giao diện trên ứng dụng Blynk ................................. 44
Hình 3.12: Hiển thị dữ liệu đã thu thập từ các bộ cảm biến sử dụng SuperChart's Blynk.... 45

4


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của bộ cảm biến DHT 22................................................ 20
Bảng 2.2: Đặc tính kỹ thuật của mô-đun cảm biến đất ............................................... 22
Bảng 2.3: Mô-đun cảm biến ánh sang ........................................................................ 23
Bảng 2.4: Mô tả các chân PIN của LCD 16x02 .......................................................... 29

5


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

IoT

Internet vạn vật

RFID

Nhận dạng qua tần số vô tuyến

UART

Bộ truyền nhận nối tiếp đồng bộ và
không đồng bộ

RF

Sóng siêu âm vô tuyến điện

LCD

Màn hình tinh thể lỏng

AVR

Điều chỉnh điện áp

BLE

Bluetooth 4. 0 trở đi

API

Giao diện lập trình ứng dụng

UI

Giao diện người dùng

PAN

Mạng cá nhân

IDE

Mã hóa dữ liệu quốc tế

TCP

Giao thức điều khiển truyền dẫn

I2C

Mạch tích hợp

ADC

Bộ chuyển đổi tương tự sang số

WSN

Mạng cảm biến không dây

I/O

Đầu ra đầu vào

PCB

Bảng mạch in

6


TÓM TẮT
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay, ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến
môi trường đã thúc đẩy những người nông dân lắp đặt nhà kính trên các cánh đồng.
Nhà kính là một kết cấu kín cung cấp môi trường vi phù hợp với sự tăng trưởng thực
vật. Luận văn đề xuất việc áp dụng mạng cảm biến không dây để giám sát thời gian
thực về nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm trong đất của một nhà kính. Một hệ thống
điều khiển tự động hóa để quản lý các thông số vi khí hậu được phát triển để tối ưu
hóa các thông số và sử dụng nước. Nút cảm biến xử lý dữ liệu từ các bộ cảm biến và
khởi động các bộ dẫn động dựa trên thuật toán phân ngưỡng được lập trình trong bộ vi
điều khiển. Cổng nối nhận dữ liệu bộ cảm biến và kiểm soát thông tin thông qua công
nghệ Wi-Fi và truyền dữ liệu đến ứng dụng Web và các ứng dụng Android/ IOS để
giám sát từ xa. Phần mềm giám sát cung cấp mạng lưới với các nút mạng và thông tin.
Hệ thống quản lý thông tin cũng được thiết kế để giám sát dữ liệu vào bất kỳ thời gian
đã yêu cầu.

7


MỞ ĐẦU
Sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung mà công nghệ thông tin nói
riêng góp một phần không nhỏ trong sự thay đổi và phát triển của cuộc sống con
người. Chiếc máy vi tính ngày càng có nhiều những chức năng mạnh mẽ giúp ích con
người thực thi các công việc trong rất nhiều lĩnh vực như khoa học, sản xuất công
nghiệp hay các lĩnh vực xã hội khác như kinh tế, chính trị, văn hóa.
Không chỉ máy tính, sự phát triển chóng mặt của các thiết bị di động cầm tay
cũng tác động không nhỏ đến đời sống của con người. những chiếc smartphone nhỏ
gọn, thông minh không chỉ giúp mọi người liên lạc với nhau dễ dàng hơn , mà nó còn
cung cấp rất nhiều những tính năng hữu ích khác như các ứng dụng văn phòng, giải trí,
khả năng kết nối mạng để tìm hiểu thông tin ... Với những tính năng mạnh mẽ ấy cộng
với giá thành vừa phải đã khiến các thiết bị này trở nên rất phổ biến và như vật bất ly
thân của rất nhiều người.
Trước kia khi khoa học kỹ thuật chưa phát triển, chưa được ứng dụng vào nông
nghiệp, người dân phải giám sát các điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm đất của
vườn bằng thủ công như dùng nhiệt kế đã làm mất thời gian, sức lực và kinh phí của
người dân, cùng với đó là diện tích trồng trọt ở ta ngày càng lớn và phát triển đi kèm
với nó là công nghệ kĩ thuật cần phát triển theo để đáp ứng được nhu cầu của người
nông dân, người nông dân thường ít tiếp xúc được với các công nghệ mới. Hiện nay
rau sạch đang là một vấn đề được mọi người đặt lên hàng đầu, mọi người đều mong
muốn có một nguồn rau sạch, an toàn để bảo vệ sức khỏe cho cả gia đình. Xuất phát từ
nhu cầu thực tế là tôi mong muốn tạo ra một hệ thống tự động áp dụng trong nông
nghiệp nên tôi đã chọn đề tài “NGUYÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP MỚI TRONG
PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH” để người nông dân có thể dễ dàng
quản lí khu vực trồng trọt của mình một cách dễ dàng nhất, đạt hiệu quả đáng kể, giúp
cho người dân biết các trạng thái của môi trường trồng trọt để kịp thời xử lý, giảm
thiểu rủi ro và tăng năng suất trồng trọt.
Ngoài phần mở đầu và phần kết luận, luận văn được trình bày theo 3 chương
như sau:
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH.

8


CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỰC TẾ IOTs ÁP
DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH.
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG IOT VÀO
NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH.

9


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

1.1. Giới thiệu về hệ thống nông nghiệp thông minh hiện nay
Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao
thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần
thiết. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện
tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong
mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý
thông tin...
Nông nghiệp thông minh là một cuộc cách mạng trong ngành nông nghiệp giúp
hướng dẫn các hành động cần thiết để sửa đổi và định hướng lại các hệ thống nông
nghiệp để h trợ hiệu quả cho sự phát triển và đảm bảo an ninh lương thực trong điều
kiện khí hậu luôn thay đổi. Trọng tâm chính của nông nghiệp thông minh là tăng năng
suất và thu nhập nông nghiệp. Nông nghiệp thông minh giúp giảm khí thải nhà kính.
Nông nghiệp thông minh đi liền với sự áp dụng những tiến bộ trong khoa học, kỹ thuật
vào việc canh tác giúp giảm lượng nhân công trong ngành nông nghiệp mà vẫn nâng
cao năng suất.
Trong xã hội hiện đại, nhu cầu trang trí đã trở thành một chỉ tiêu. Sự đa dạng
của các loài hoa luôn có thể tiếp cận được. Tuy nhiên, khí hậu ở miền Bắc Việt Nam
ngăn cản sự tăng trưởng của các loài hoa nhất định, đặc biệt vào mùa đông. Điều này
dẫn đến việc phải nhập khẩu hoa từ miền Nam Việt Nam, do đó, có một số mặt không
thuận lợi. Không chỉ vận chuyển hàng hóa nhập khẩu ảnh hưởng tiêu cực đến môi
trường, mà các loài hoa đã nhập cũng được bán với giá cao hơn. Mặt khác, vận chuyển
hoa trong một quãng đường dài đã làm nát hoa và giảm chất lượng sản phẩm.
Do đó, mục đích của dự án này là giúp trồng trọt dễ dàng hơn trong nước. Mục
đích này có thể đạt được với việc sử dụng một nhà kính tự động hóa. Một nhà kính có
thể tái tạo một khí hậu khác nhau và trồng trọt các loại cây không thể trồng trong khu
vực. Ngoài ra, xây dựng nhà kính tự động hóa có thể giúp con người trồng cây lương
thực hoặc cây trồng trong nước mà không phải chăm sóc liên tục cây lương thực hoặc
cây trồng đó. Có thể an tâm khi biết rằng các cây trồng vẫn được chăm sóc trong khi

10


người nông dân đi vắng hoặc không ở xung quanh nhà kính trong một khoảng thời
gian lâu hơn.
1.2. Giới thiệu một số công nghệ áp dụng cho nông nghiệp thông minh
Trong dự án này, tôi đã xây dựng một mô hình trồng hoa hướng dương, áp dụng
trong nhà kính. Một nhà kính tự động hóa, với một hệ thống điều chỉnh nhiệt độ, một
hệ thống điều chỉnh độ ẩm, một hệ thống điều chỉnh ánh sáng và một hệ thống tưới
nước, được xây dựng để tạo ra điều kiện khí hậu tốt cho việc phát triển các cây hoa
hướng dương. Bộ vi điều khiển được sử dụng đề điều khiển các điều kiện môi trường
trong mô hình nhà kính Kit RF thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua.
1.3. Giới thiệu về hệ thống IOTs phục vụ cho nông nghiệp
1.3.1. Internet vạn vật (IoT)
Internet vạn vật, hay cụ thể hơn là mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là
mạng lưới thiết bị kết nối Internet (tiếng Anh: Internet of Things)(IoT) hoặc là liên kết
mạng của các vật hàng ngày. IoT được mô tả là một mạng không dây tự động cấu hình
để liên kết vạn vật. IoT kết nối với mạng không dây thông qua giao diện bằng thẻ điện
tử (RFID), các bộ cảm biến và các mã 2D trên các đối tượng. Thông qua IoT, giao tiếp
giữa người và vật có thể được thực hiện. Internet of Things có ba đặc điểm cơ bản: có
thể đánh giá, có thể kết nối internet và thông minh [1]. Internet of Things gồm có
thành phần: thu thập thông tin, truyền dữ liệu 2 chiều và điều khiển hồi tiếp.
Hay hiểu một cách đơn giản IoT là tất cả các thiết bị có thể kết nối với nhau .
Việc kết nối thì có thể thực hiện qua Wi-Fi, mạng viễn thông băng rộng (3G, 4G),
Bluetooth, ZigBee, hồng ngoại… Các thiết bị có thể là điện thoại thông minh, máy pha
cafe, máy giặt, tai nghe, bóng đèn, và nhiều thiết bị khác [4], [5].
1.3.2. Các thành phần cơ bản của IoT
Kiến trúc IoT được đại diện cơ bản bởi 4 phần: vạn vật (Things), trạm kết nối
(Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) và các lớp tạo
và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers) [12], [13].
1.3.2.1. Vạn vật (Things)
Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia dụng và công
nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng. Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm
biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tầng

11


mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh
được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông
minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối [1], [13].
1.3.2.2. Trạm kết nối (Gateways)
Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã không được
thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám
mây. Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực
tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo
mật và dễ dàng quản lý.
1.3.2.3. Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud)
 Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP
được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao
gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị
khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới
viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.
 Trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ
tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và
mạng ảo hóa được kết nối.
1.3.2.4. Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers)
Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application
Progmraming Interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đưa các sản phẩm và giải
pháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phân tích
các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn.
1.3.3. IoT trong nông nghiệp
1.3.3.1. Khái niệm
Những người nông dân hoặc các chuyên gia nông nghiệp thường dựa vào mục
tiêu của mình để tính toán các hoạt động có thể ảnh hưởng bất lợi đến sản xuất, và dữ
liệu cảm biến trên các cánh đồng hoặc trong nhà kính có thể giúp các nông dân lập kế
hoạch trong một thời gian tối ưu để tiến hành thu hoạch, đảm bảo rằng vụ mùa đã sẵn
sàng và giá trị được tạo ra tối đa. Do đó, nông nghiệp là một trong những lĩnh vực sử
dụng IoT nhiều nhất; bên cạnh đó, thủy nông, giám sát vật nuôi, vận hành và giám sát

12


thiết bị từ xa, phân tích dự đoán về cây trồng và vật nuôi … là các trường hợp khác sử
dụng IoT hữu ích nhất [4].
Nông nghiệp thông minh dựa trên công nghệ IoT sẽ cho phép người trồng và
nông dân giảm chất thải và tăng năng suất, giảm lượng phân bón được sử dụng giảm
lượng nước tưới và thời gian làm việc trong nông trại.
Nông nghiệp thông minh là gì? Nông nghiệp thông minh là một hệ thống đòi
hỏi nhiều vốn và công nghệ cao để trồng thực phẩm sạch và cung cấp cho người tiêu
dùng. Đó là ứng dụng ICT hiện đại vào nông nghiệp.
Trong nghành nông nghiệp dựa trên IoT, một hệ thống được xây dựng để giám
sát lĩnh vực trồng trọt với sự trợ giúp của cảm biến (ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ, độ ẩm
của đất,...) và tự động hóa hệ thống tưới tiêu. Nông dân có thể theo dõi điều kiện đồng
ruộng từ bất cứ đâu. Nông nghiệp thông minh dựa trên IoT rất hiệu quả so với phương
pháp thông thường [2], [4].
1.3.3.2. Các ứng dụng của IoT trong nông nghiệp
a) Canh tác chính xác
Canh tác chính xác được gọi là nông nghiệp chính xác, nông nghiệp chính xác
có thể được coi là việc canh tác kiểm soát chính xác hơn khi nuôi gia súc và trồng trọt.
Trong cách tiếp cận quản lý trang trại này, một thành phần quan trọng là sử dụng
CNTT và các hạng mục khác nhau như cảm biến, hệ thống điều khiển, robot, xe tự trị,
phần cứng tự động, công nghệ tỷ lệ biến đổi, ... [11].

Hình 1.1: Nông nghiệp thông minh

13


Nông nghiệp chính xác là một trong những ứng dụng nổi tiếng nhất của IoT
trong nghành nông nghiệp và rất nhiều tổ chức đang sử dụng kỹ thuật này trên toàn thế
giới. CropMetrics là một tổ chức nông nghiệp chính xác tập trung vào các giải pháp
nông nghiệp cực kỳ hiện đại.
b) Trống nông nghiệp
Công nghệ đã thay đổi theo thời gian, ngày nay nông nghiệp là một ngành công
nghiệp chính để kết hợp máy bay không người lái. Trống đang được sử dụng trong
nông nghiệp để tăng cường các biện pháp canh tác khác nhau. Các phương pháp sử
dụng máy bay không người lái đang được sử dụng trong nông nghiệp để đánh giá sức khỏe
cây trồng, thủy lợi, giám sát cây, phun thuốc trừ sâu, trồng trọt và phân tích đất đai [11].

Hình 1.2: Máy bay không người lái
c) Giám sát chăn nuôi
Các chủ trang trại lớn có thể sử dụng các ứng dụng IoT để thu thập dữ liệu về vị
trí, sức khỏe gia súc của họ. Thông tin này giúp họ xác định được các động vật bị bệnh
để chúng có thể tách rời khỏi đàn, do đó ngăn ngừa sự lây lan của bệnh tật. Nó làm
giảm chi phí nhân công vì người chăn nuôi có thể xác định được gia súc của họ với sự
trợ giúp của cảm biến dựa trên IoT.

14


Hình 1.3: Trang trại nuôi gà
d) Nhà kính thông minh
Nuôi trồng cây trong nhà kính là một phương pháp giúp nâng cao năng suất rau,
hoa quả, cây trồng,... Nhà kính kiểm soát các thông số môi trường thông qua can thiệp
bằng tay hoặc cơ chế kiểm soát theo tỷ lệ. Một nhà kính thông minh có thể được thiết
kế với sự trợ giúp của IoT, thiết kế này thông minh giám sát cũng như kiểm soát khí
hậu, loại bỏ sự cần thiết phải can thiệp bằng tay.

Hình 1.4: Trang trại sản xuất nông nghiệp
Để kiểm soát môi trường trong một nhà kính thông minh, cần sử dụng các cảm
biến khác nhau đo các thông số môi trường theo yêu cầu của nhà máy. Chúng ta có thể
tạo một máy chủ đám mây để truy cập từ xa vào hệ thống khi kết nối với IoT [3].

15


Các ứng dụng nông nghiệp IoT đang giúp các nông dân thu thập dữ liệu có ý
nghĩa. Các chủ đất và nông dân nhỏ phải hiểu được tiềm năng của thị trường IoT cho
nông nghiệp bằng cách cài đặt các công nghệ thông minh để tăng tính cạnh tranh và
tính bền vững trong sản xuất của họ. Nhu cầu dân số ngày càng tăng có thể đạt được
nếu các chủ trang trại cũng như nông dân nhỏ thực hiện các giải pháp nông nghiệp IoT
một cách thành công.

16


CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỰC TẾ IOTS ÁP DỤNG
TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

2.1. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống
Nhiều dự án về làm vườn và nhà thông minh và Arduino đã được thực hiện. Vi
xử lý Arduino là một nền tảng nguyên mẫu phù hợp đối với các dự án tương tác vì
Arduino có thể nhận biết các khu vực xung quanh với sự h trợ của các bộ cảm biến và
ảnh hưởng đến các khu vực xung quanh tương tự bằng các bộ dẫn động điều khiển.
Thực tế, có một thuật ngữ về nhà kính. Truyền hệ thông của tôi gôm (gồm bộ cảm biến
đo độ ẩm và nhiệt độ không khí (DHT22), bộ cảm biến đo độ ẩm đất và bộ cảm biến
đo ánh sáng) bên trong nhà kính.
2.2. Các hệ thống cảm biến
2.2.1. Bộ cảm biến
2.2.1.1. Khái niệm
a) Tại sao sử dụng cảm biến?
Thu thập dữ liệu là việc của mọi công việc không chỉ trong việc khoa mà còn
trong việc đưa ra quyết định ở nhiều lĩnh vực khác ngoài thực tế. Công nghệ cảm biến
có thể nâng cao quá trình này theo nhiều cách. Dữ liệu đã thu thập được chuyển đổi
thành dạng số nhị phân và được xử lý với tốc độ cao. Sau đó, dữ liệu được truy hồi và
xử lý bất kỳ khi nào người dung muốn [1-4].
Thuật ngữ ghi dữ liệu được sử dụng rộng rãi để mô tả công nghệ cảm biến.
Công nghệ này có thể cung cấp tốc độ cao hơn và sức bền lâu hơn. Do đó, có một tiềm
năng lớn đối với việc sử dụng công nghệ cảm biến trong đời sống. Khi tự động hóa
quy trình đo lường, công nghệ này có thể giảm khối lượng các nhiệm vụ lặp lại và tăng
hiệu quả [3].
b) Bộ cảm biến có thể làm gì?
Bộ cảm biến thu thập dữ liệu nhanh và ghi chép dữ liệu chính xác, dù là trong
phòng thí nghiệm khoa học hoặc ngoài thực tế. Công nghệ cảm biến có thể lưu dữ liệu
trong bộ nhớ, từ đó dữ liệu có thể được truy hồi để xử lý, phân tích và trình bày. Mặt
khác, công nghệ cảm biến có thể hiển thị các đồ thị dữ liệu theo “thời gian thực”, đồ

17


thị được vẽ khi đang thu thập dữ liệu, và sau đó đồ thị được sửa đổi trên màn hình khi
dữ liệu được xử lý [4], [5].
c) Sử dụng bộ cảm biến có các ƣu điểm nào?
 Ghi chép dữ liệu có thể dịch chuyển từ thu thập dữ liệu thành phân tích và diễn giải
dữ liệu.
 Ghi chép dữ liệu có thể giúp các người dùng lặp lại các thử nghiệm vài lần do tốc
độ thu thập dữ liệu.
 Ghi chép dữ liệu cho phép dữ liệu được thu thập trong các khoảng thời gian dài
hoặc chụp lại các sự kiện xảy ra quá nhanh để được đo lường dễ dàng bằng thiết bị
thông thường.
 Ghi chép dữ liệu thúc đẩy học tập cộng tác.
 Ghi chép dữ liệu cho phép các người dùng đo lường chính xác hơn và hiển thị các
kết quả “chuyên nghiệp” hơn, dù là đồ thị, sơ đồ hoặc bảng biểu.
d) Đặc điểm của bộ cảm biến
Một bộ cảm biến tốt phải có các đặc điểm sau [5]:
 Độ nhạy cao: Độ nhạy cho biết đầu ra của thiết bị thay đổi như thế nào khi thay đổi
đầu vào (số liệu sẽ được đo lường). Ví dụ, điện áp của một bộ cảm biến đo nhiệt độ
thay đổi 1mV đối với m i thay đổi nhiệt độ 1°C so với độ nhạy của bộ cảm biến là
1mV/°C.
 Tuyến tính: Đầu ra nên thay đổi tuyến tính so với đầu vào.
 Độ phân giải cao: Độ phân giải thay đổi ít nhất trong đầu vào mà thiết bị có thể
phát hiện.
 Ít ồn và nhiễu hơn
 Mức tiêu thụ điện ít hơn

18


2.2.1.2. Các loại bộ cảm biến được sử dụng trong dự án
1) Nhiệt độ và độ ẩm không khí (Mô-đun DHT22)

Nhiệt kế

Thiết bị chuyển tương
tự sang số
(ADC)

Tín hiệu ra dạng
số

Ẩm kế

Hình 2.1: Nút cảm biến Nhiệt độ và Độ ẩm không khí
Nút cảm biến này đọc nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong nhà kính bằng
một màng hỏa điện đối với nhiệt độ và một ẩm kế - là một bộ cảm biến đo độ ẩm
không khí loại điện trở. Đầu đọc này đọc giá trị điện trở của bộ cảm biến và phản hồi
sự thay đổi độ ẩm. Các thay đổi được ghi chép bằng hai thiết bị này được gửi đến một
hệ thống ADC chung để chuyển đổi dạng dữ liệu dạng tương tự thành dạng kỹ thuật số
để dễ dàng giải mã và dễ hiểu bằng máy chủ. Đối với hệ thống của chúng tôi, bộ cảm
biến DHT 22 được sử dụng là một bộ cảm biến phức hợp gồm một đầu ra tín hiệu kỹ
thuật số lấy chuẩn của nhiệt độ và độ ẩm không khí. Bộ cảm biến này hoạt động trên
đầu ra công suất thấp và tin cậy cao vì bộ cảm biến này có thể được vận hành trong
nhiệt độ lên đến 50oC và độ ẩm lên đến 80% RH. Bộ cảm biến DHT22 được sử dụng
để đo lường nhiệt độ và độ ẩm không khí tại một vị trí nhất định, kích cỡ nhỏ, mức
tiêu thụ điện thấp và khoảng cách truyền dữ liệu dài (20m). Chúng tôi chọn bộ cảm
biến này vì các ưu điểm như chất lượng tốt, sai số thấp, đáp ứng nhanh, khả năng
chống nhiễu, chi phí thấp và các ưu điểm khác so với bộ cảm biến loại khác.

19


Hình 2.2: Bộ cảm biến DHT 22
Model
Nguồn sử dụng
Tín hiệu đầu ra
Yếu tố cảm biến
Đo tốt ở độ ẩm
Đo tốt ở nhiệt độ

DHT22
2-5V DC
tín hiệu số qua bus đơn
Tụ polymer
độ ẩm 0-100%RH; với sai số 2-5%.
-40 to 80°C sai số ±0.5°C.

Tần số lấy mẫu tối đa
Kích thước

0.5Hz (2 giây 1 lần)
22*28*5mm

Bảng 2.1: Đặc tính kỹ thuật của bộ cảm biến DHT 22
 Đặc tính kỹ thuật vận hành
Điện áp nguồn và điện áp PIN là 2 - 5V DC. Khi cấp điện cho bộ cảm biến,
không gửi bất kỳ hướng dẫn cho bộ cảm biến trong vòng một giây để truyền trạng thái
ổn định. Một tụ điện 100nF có thể được bổ sung giữa VDD và GND để lọc sóng.
Truyền thông và dữ liệu nhánh đơn được sử dụng để truyền dẫn giữa MCU và
DHT22, có giá trị 5mS đối với truyền thông thời gian đơn lẻ. Dữ liệu gồm bộ phận
tích phân và thập phân, sau đây là công thức đối với dữ liệu.
Đầu tiên, DHT22 gửi dữ bit dữ liệu cao hơn! DATA = dữ liệu RH tích phân 8
bit + dữ liệu RH thập phân 8 bit + dữ liệu T tích phân 8 bit + dữ liệu T thập phân 8 bit
+ tổng kiểm tra 8 bit. Nếu việc truyền dữ liệu là đúng, tổng kiểm tra phải là 8 bit cuối
cùng của " dữ liệu RH tích phân 8 bit + dữ liệu RH thập phân 8 bit + dữ liệu T tích
phân 8 bit + dữ liệu T thập phân 8 bit ".

20


Khi MCU gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 thay đổi từ chế độ tiêu thụ điện năng
thấp sang chế độ chạy. Khi MCU hoàn thành gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 sẽ gửi tín
hiệu phản hồi của dữ liệu 40 bit để phản ánh thông tin về độ ẩm và nhiệt độ tương đối
cho MCU. Nếu không có tín hiệu bắt đầu MCU, nó sẽ không đưa ra tín hiệu phản hồi
cho MCU. Tín hiệu bắt đầu đối với dữ liệu phản hồi của một lần phản ánh thông tin về
độ ẩm và nhiệt độ tương đối từ cảm biến. DHT22 thay đổi thành chế độ tiêu thụ điện năng
thấp dữ liệu được thu thập nếu cảm biến không nhận lại tín hiệu bắt đầu từ MCU.
2) Cảm biến độ ẩm đất

Thiết bị chuyển tương
tự sang số
(ADC)

Ẩm kế

Tín hiệu ra dạng
số

Hình 2.3: Nút cảm biến độ ẩm đất
Nút này đo hàm lượng ẩm dựa vào hiệu ứng điện dung. Nút này bao gồm một
vật liệu điện môi hút ẩm kẹp giữa một cặp điện cực tạo thành một tụ điện nhỏ, trong
trường hợp của chúng tôi, và đó là tác động đất như một vật liệu điện môi hút ẩm. Hằng
số điện môi của vật liệu điện môi hút ẩm và hình học bộ cảm biến xác định giá trị của
điện dung khi không có độ ẩm, ở điều kiện cân bằng, lượng ẩm phụ thuộc vào cả nhiệt
độ môi trường xung quanh và áp suất hơi nước xung quanh. Ở nhiệt độ phòng bình
thường, hằng số điện môi của hơi nước có giá trị khoảng 80, cao hơn nhiều so với hằng
số vật liệu điện môi của bộ cảm biến, do đó, độ hấp thụ hơi nước của bộ cảm biến dẫn
đến tăng điện dung của bộ cảm biến. Theo định nghĩa, hàm lượng ẩm là một hàm số
của nhiệt độ xunh quanh và áp suất hơi nước. Do đó, có một mối quan hệ giữa hàm
lượng ẩm, lượng ẩm có trong bộ cảm biến và điện dung bộ cảm biến. Mối quan hệ này
chi phối hoạt động của nút này.

21


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×