Xem mẫu
- Nông nghiệp công nghệ cao với mạng cảm biến
không dây - ứng dụng trên cây trồng có giá trị cao
Nguyễn Hoàng Nam
Viện Điện,
Đại học Bách khoa Hà Nội
Email: nam.nguyenhoang@hust.edu.vn
Abstract— Bước sang thế kỉ 21, với sự hỗ trợ mạnh mẽ của khoa
học kĩ thuật, các ngành kinh tế có những bước tiến quan trọng 2.1.1 Cảm biến đo độ ẩm đất
đặt biệt là nông nghiệp. Với việc ứng dụng khoa học công nghệ, Sử dụng cảm biến điện hóa, cảm biến tích cực, đo tiếp xúc,
nông nghiệp chuyển mình mạnh mẽ từ nông nghiệp thủ công nguyên lí hoạt động dựa trên hiệu ứng Galvanic. Cảm biến độ
sang nền nông nghiệp tự động hóa. Trong nông nghiệp, khoa học ẩm đất đo hàm lượng nước chứa trong đất gián tiếp bằng cách
công nghệ được đưa vào nhằm tăng năng suất cây trồng, giảm
sử dụng các phản ứng oxy hóa tự nhiên. Nó thường bao gồm
chi phí, công sức con người. Các hệ thống đo đạc được thiết kế
giúp con người, giám sát chặt chẽ các thông số cơ bản trong nông
hai kim loại khác nhau. Nước ở trong đất đóng vai trò như chất
nghiệp. Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, ... là điều kiện điện phân. Hoạt động của nó giống như một pin điện hóa. Do
tiên quyết đến năng suất cây trồng. Trong bài báo này, chúng tôi đó, nếu xác định được điện áp giữa hai cực ta có thể xác định
tập trung khái quát về giải pháp xây dựng hệ thống giám sát, thu được hàm lượng nước chứa trong đất.
thập dữ liệu về cây trồng dựa trên công nghệ không dây LoRa
(Long Range). Trong hệ thống, mỗi điểm đo bao gồm các cảm
biến tích hợp vi xử lý và module truyền thông, được gọi là một
nút mạng. Mỗi điểm đo sử dụng năng lượng mặt trời để thu thập
dữ liệu liên quan đến cây trồng, sau đó gửi đến trung tâm giám
sát qua module LoRa. Tại trung tâm giám sát, dữ liệu được lưu
trữ, xử lý và được đưa lên WebServer giúp người dùng dễ dàng
theo dõi cũng như đưa ra các biện pháp xử lý, điều khiển tự
động, điều khiển từ xa.
Keywords- Nông nghiệp công nghệ cao, công nghệ LoRa, tấm
pin năng lượng, solarcell, tự chủ năng lượng.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Thực tế, việc ứng dụng khoa học kĩ thuật nhằm giám sát Hình 1. Đường đặc tính của cảm biến
cây trồng đã được áp dụng tại nhiều cơ sở sản xuất nông
nghiệp. Tuy nhiên, khoa học không ngừng phát triển, các công 2.1.2 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm môi trường
nghệ mới ra đời đã lược bỏ được các hạn chế của công nghệ
trước nó. Tại những nông trại qui mô nhỏ, hệ thống giám sát có Sử dụng cảm biến BME 280 đo các thông số: nhiệt độ, độ
dây được tin tưởng bởi tính ổn định của nó, nhưng với các ẩm môi trường. Cảm biến thụ động được sản xuất theo công
nông trại qui mô lớn thì hệ thống trở nên phức tạp và khó quản nghệ vi cảm biến. Khi hoạt động với chức năng đo nhiệt độ và
lý. Công nghệ không dây ra đời, chiếm lĩnh phần lớn thị trường độ ẩm môi trường, dòng tiêu thụ chỉ khoảng 1.8 A. Cảm biến
nhờ sự nhỏ gọn, đa năng và tính linh hoạt, tuy nhiên lại đắt đỏ tiêu thụ năng lượng thấp phù hợp cho giải quyết vấn đề tự chủ
và tốn năng lượng. năng lượng cho node mạng.
Việc phát triển hệ thống giám sát đảm bảo được các tiêu chí 2.2 Xây dựng mạng cảm biến không dây dựa trên công
nhỏ gọn, ổn định cũng như sử dụng năng lượng xanh là hướng nghệ LoRa - Module Ra01
nghiên cứu của các nhà phát triển. Công nghệ LoRa ra đời với
nhiều ưu việt, có thể áp dụng rộng rãi vào phát triển trong nông 2.2.1 Giới thiệu về công nghệ LoRa
nghiệp.
LoRa Alliance là một tổ chức phi lợi nhuận, được thành lập
II. CẤU TRÚC HỆ THỐNG để nghiên cứu và định nghĩa các chuẩn giao tiếp LPWAN
Network dựa trên nền tảng LoRa. LoRa là một kỹ thuật điều
2.1 Đo, phân tích ảnh hưởng các thông số của cây trồng chế dựa trên kỹ thuật Spread-Spectrum và một biến thể của
Các thông số cơ bản cho sự phát triển của cây trồng là độ Chirp Spread Spectrum (CSS), nó cho phép truyền thông trong
ẩm đất, nhiệt độ và độ ẩm môi trường. một khoảng cách xa hơn đáng kể các kỹ thuật khác.
282
- Nguyên lý hoạt động: Dữ liệu trước khi truyền ra anten Bộ nhớ của Sx1278 được chia làm 2 phần: một là các thanh
được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tín hiệu có dãy tần ghi chức năng và hai là bộ đệm dữ liệu FIFO. Các thanh ghi
số cao hơn tần số của dữ liệu gốc; sau đó tín hiệu cao tần này của Sx1278 được chia thành các nhóm chính sau:
tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi Chirp Signal (là các tín
hiệu hình sin có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại Chirp Thanh ghi cài đặt chức năng cơ bản (bắt buộc): các
Signal là Up-chirp có tần số tăng theo thời gian và Down-chirp chế độ sleep, RX, TX, standby, … tần số truyền,
có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theo nguyên tắc Preamble, header, …
bit 1 sẽ sử dụng Up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng Down-chirp. Nhóm thanh ghi FIFO: để giao tiếp với bộ đệm bắt
buộc phải dùng những thanh ghi này.
Cấu trúc mạng LoRa được xây dựng trên mô hình mạng
Nhóm thanh ghi báo trạng thái và ngắt.
hình sao trong đó các điểm đo sẽ gửi dữ liệu đến các Gateway
LoRa, từ đó dữ liệu chuyển lên máy tính, server và dữ liệu Nhóm thanh ghi cấu hình các thông số đặc biệt CR,
được xử lý tại đó. BW, SF (các thông số này sẽ được đề cập bên dưới).
Các thanh ghi khác như nhóm RF block, RSSI, Invert
Mạng LoRaWan gồm 2 thành phần chính như sau: IQ, …
Device Node: là các thiết bị hiện trường chứa cảm Nhóm các thanh ghi là bắt buộc cần thiết cho mọi giao tiếp
biến đo. với vi xử lý nhưng trong phần này chúng ta sẽ phân tích các
Gateway: Là thiết bị trung chuyển có nhiệm vụ làm thông số đặc trưng đối với một chip LoRa bất kỳ. LoRa là một
cầu nối, chuyển tiếp dữ liệu từ các Device Node tới phương thức điều chế ở lớp vật lý của tín hiệu RF, có 3 yếu tố
các Server trung tâm mạng. cơ bản và quan trọng ảnh hưởng tới khả năng truyền dữ liệu
của một chip LoRa:
Spreading Factor – SF: SF xác định số lượng Chrip
Signal khi mã hóa tín hiệu đã được điều chế tần số
(Chipped Signal) của dữ liệu. Ví dụ nếu SF = 12 có
nghĩa là 1 mức logic của Chipped Signal sẽ được mã
hóa bởi 12 xung Chirp Signal.
Bandwidth – BW: BW xác định tần số mà Chirp
Signal có thể thay đổi
Coding Rate – CR: Số lượng bit được thêm vào
Payload nhằm phục hồi các dữ liệu sai.
Thời gian truyền 1 ký tự mã hóa nhị phân được tính theo
công thức:
Hình 2. Cấu trúc mạng LoRa [1]
Trong bài báo này, chúng ta sẽ không phân tích sâu về mặt
Với:
mã hóa và bảo mật dữ liệu của mạng LoRa. Bài báo sẽ đi phân
tích cách lập trình một chip LoRa nhằm kết nối các thiết bị.
Có thể nói SF, BW và CR là 3 thông số cơ bản và quan
trọng của chipset LoRa. Trong đó, SF và BW sẽ ảnh hưởng
thời gian và khoảng cách truyền dữ liệu; CR thì chỉ ảnh hưởng
thời gian truyền dữ liệu. Tùy yêu cầu của ứng dụng, chúng ta
có thể chọn giá trị hợp lý để tối ưu quá trình truyền nhận qua
LoRa.
2.2.3 Frame truyền của LoRa
Hình 3. Kết nối giữa các thiết bị trong mạng LoRa [2]
2.2.2 Các thông số hoạt động của Module Ra01
Module Ra01 được sản xuất bởi AI-Thinker, sử dụng chip
Sx1278 của Semtech, là loại thông dụng nhất trên thị trường
hiện nay. Để có thể truyền tin với Module Ra01, ta cần cấu
hình cho các thanh ghi của chip Sx1278 thông qua giao thức Hình 4. Một frame truyền của LoRa [3]
SPI.
283
- Trong đó:
Preamble: là chuỗi binary để bộ nhận detect được tín
hiệu của LoRa packet trong không gian. Độ dài của
Preamble sẽ ảnh hưởng tới tốc độ truyền dữ liệu nên
cần lưu ý.
Header: chứa thông tin về size của Payload cũng như
có PayloadCRC hay không. Giá trị của Header cũng
được check CRC kèm theo.
Payload: là dữ liệu ứng dụng truyền qua LoRa và
phần kiểm tra dữ liệu là PayLoad CRC.
III. ỨNG DỤNG HỆ THỐNG MẠNG GIÁM SÁT CHO MÔ HÌNH Hình 6. Mô hình hiện trường
NÔNG TRẠI
Áp dụng đối với mô hình nông trại lớn: diện tích 3 ha. Tín hiệu đầu ra được đưa qua khối khuếch đại sử dụng
LM358, tín hiệu qua bộ khuếch đại sẽ được đưa vào ADC
trong của vi xử lí. Tín hiệu được đo liên tục, mỗi tín hiệu sẽ
được đưa vào một mảng có độ dài xác định, vi xử lí sẽ xử lí tín
hiêu theo mảng để đảm bảo tính chính xác, chống nhiễu của
tín hiệu. Để tự chủ năng lượng đối với mỗi nút mạng, dữ liệu
sẽ không được gửi đi ngay mà sẽ được lưu trong bộ nhớ của vi
xử lí. Với việc sử dụng pin mặt trời công suất 1,8W, để tối ưu
công suất, tín hiệu sẽ được gửi đi sau mỗi 1 giờ, đủ đáp ứng
kịp thời và tối ưu công suất cho thiết bị.
Hình 5. Cấu trúc hệ thống giám sát các thông số sinh trưởng của cây
trồng.
Hệ thống giám sát được xây dựng dựa trên mô hình mạng
được đề cập ở mục 2.2.1 bao gồm:
Hình 7. Ghép nối cảm biến với vi xử lí
Thiết bị hiện trường (End Node)
Trạm thu thập dữ liệu trung gian (Gateway) Mô hình nông trại 3 ha gồm nhiều nút mạng như trên,
Các thiết bị lưu trữ, xử lý và giám sát dữ liệu mỗi nút sẽ mang thông số cơ bản nhưng sẽ được xử lí khác
(Application) nhau do yêu cầu từng loại cây trồng. Mỗi mã nút sẽ được đính
kèm trong gói tín gửi tới trạm thu thập dữ liệu.
3.1 Thiết bị hiện trường
Với việc sử dụng truyền thông LoRa, vấn đề công suất
Mỗi thiết bị hiện trường được hiểu như là một nút mạng được giải quyết hợp lí, thông tin được truyền khá ổn định,
trong hệ thống mạng giám sát không dây. Mỗi nút mạng là thiết lập mạng lưới hình sao dễ dàng.
một cảm biến thông minh, được đánh tên cụ thể, có thể đồng
thời giám sát và xử lí các số liệu thông số cây trồng. Thực chất
chúng gồm các cảm biến thông dụng, được ghép nối và xử lí
bằng vi điều khiển. Các tín hiệu thu được tại đầu ra mỗi cảm
biến sẽ được truyền tới vi điều khiển.
Vi xử lí sẽ xử lí số liệu và tiến hành gửi nó đến trạm thu
thập dữ liệu thông qua truyền thông LoRa. Mỗi nút mạng phải
tự chủ về năng lượng và hoạt động tối ưu nhất với năng lượng
sử dụng thấp nhất. Xây dựng một nút mạng – giám sát hiện
trường trên cơ sở các cảm biến cơ bản. Các cảm biến có đầu ra
trong khoảng 10-500mV.
Hình 8. Một mạch đo tại mỗi nút mạng
284
- Mặt khác, để hoạt động ngoài trời với thời tiết nóng ẩm Tại đây dữ liệu sẽ được xử lý sơ lược nhằm phục vụ
tại Việt Nam, mỗi nút mạng phải được đóng hộp nhằm chống cho chế độ điều khiển tự động các Relay bật tắt máy
ẩm, chống nắng giúp tăng thời gian sử dụng, tránh nhiễu mỗi bơm và Van đóng mở cấp nước. Đồng thời, dữ liệu
trường. cũng được gửi lên máy tính thông qua cổng kết nối
USB hay đưa lên WebServer hay điện thoại người
dùng thông qua các module Wifi và SIM.
Bên cạnh đó, ta cũng có thể gắn thêm LCD trực tiếp
lên GateWay nhằm tiện quan sát trong trường hợp
không kết nối được máy tính hay Wi-Fi/GSM/GPRS.
Hình 9. Mô hình vỏ hộp
Vỏ được thiết kế đảm bảo các tiêu chí:
Chống nóng tại vị trí đặt pin
Chống nước, sử dụng gioăng silicon
Tháo mở dễ dàng
Tính thẩm mĩ cao
Hình 11. Đỉnh mái – nơi đặt pin mặt trời
Hình 10 là thiết bị hiện trường với mạch đo và truyền
thông LoRa. Thiết bị đo độ ẩm đất được lắp cùng vỏ nhưng đã 3.2 Trạm thu thập dữ liệu trung gian (Gateway)
được kết nối ra mạch để có thể đo và giám sát không dây.
Nhưng trong trường hợp có hỏng hóc, mạch sẽ được mang đi
sửa chữa nhưng thiết bị hiển thị dạng kim chỉ vẫn nằm lại hiện
trường. Việc này nhằm đảm bảo việc theo dõi cây trồng và
tưới tiêu hợp lý, tránh cây có thể bị khô héo, chết. Hình 11 là
nóc của thiết bị được gắn pin mặt trời nghiêng một góc 30 độ
nhằm lấy năng lượng cung cấp cho toàn mạch đo và truyền
thông.
Hình 12. Sơ đồ khối Gateway
Sơ lược thiết kế phần cứng
Nguồn: chia làm 3 phần là nguồn 5V, 4.1V và 3.3V sử
dụng các loại IC 2596S. Sơ đồ nguyên lý được xây dựng dựa
trên datasheet của IC.
Truyền thông: sử dụng 3 module truyền thông là SIM,
LoRa và ESP8266 cho Wi-Fi. Vì các module và vi xử lý có
mức điện áp khác nhau nên để mạch hoạt động ổn định ta thiết
kế thêm mạch chuyển đổi mức logic giữa vi xử lý và các
module dựa trên Mosfet BSS138.
USB: sử dụng IC CH340 và mạch nguyên lý dựa trên
datasheet.
Hình 10. Một thiết bị hiện trường Vi xử lý: sử dụng chip ATmega2560
Nguyên lý hoạt động Thời gian thực: sử dụng IC DS1307
Dữ liệu từ các thiết bị hiện trường được gửi/nhận LCD: màn hình LCD Nokia 5110
thông qua module LoRa rồi chuyển tới vi xử lý. Việc lựa chọn các điện trở và tụ đều chủ yếu được dựa
trên datasheet. Hình 13 là thiết bị Gateway hoàn thiện với 3
285
- chuẩn truyền thông: LoRa cho các thiết bị hiện trường, Wi-Fi
chuyển tiếp dữ liệu của hệ thống lên Trung tâm dữ liệu
Datacenter và 3G trong trường hợp mất kết nối Internet qua
chuẩn Wi-Fi.
Hình 15. Giao diện điều khiển
Hình 15 thể hiện giao diện điều khiển với 3 chế độ thông
dụng, cho người dùng dễ dàng điều khiển và chỉnh sửa các
thông số cài đặt.
Hình 13. Mạch PCB của Gateway
Điều này giúp cho hệ thống luôn trong trạng thái có
backup để bảo toàn dữ liệu đo, giúp hệ thống phần mềm luôn
online trong mọi tình huống.
3.3 Các thiết bị lưu trữ, xử lý và giám sát dữ liệu
Nhằm giúp người dùng dễ dàng trong việc quan sát dữ Hình 16. Giao diện cài đặt
liệu, nhóm đã xây dựng một phần mềm giám sát trên máy tính
và đang thiết lập WebServer và ứng dụng trên điện thoại dành Hình 16 là giao diện cài đặt cho việc hoạt động truyền
cho người dùng. thông và cảnh báo cho thiết bị và người dùng khi có sự cố hay
quá ngưỡng cho phép.
Phần mềm giám sát trên máy tính
Hình 17. Dữ liệu lưu trữ
Các dữ liệu thử nghiệm đo được được lưu vào cơ sở dữ
Hình 14. Giao diện giám sát liệu để người dùng dễ xem lại và theo rõi thể hiện ở Hình 17.
Giao diện Hình 14 cho biết các thông số độ ẩm đất, nhiệt Sau khi hoàn thiện sản phẩm và đưa vào thử nghiệm thực
độ, độ ẩm không khí thu thập được từ các thiết bị hiện trường. tế thì các thiết bị hoạt động đúng với yêu cầu đặt ra. Các dữ
Qua đó số liệu được thống kê để người dùng có thể theo rõi và liệu môi trường đươc đo và truyền không dây qua thiết bị
có những điều chỉnh hợp lý với từng thời kì của cây trồng. LoRa đảm bảo thông tin, tốc độ và khoảng cách truyền xa.
286
- IV. KẾT LUẬN thể với các loại cây trồng có giá trị cao. Thiết lập được mạng
giám sát thông minh bao gồm tất cả các thiết bị, từ giám sát
Bước đầu trong giai đoạn thử nghiệm, hệ thống mạng tới quản lí cho tới chấp hành. Nhóm tin tưởng trong thời gian
giám sát cây trồng sử dụng công nghệ truyền thông mới LoRa ngắn, hệ thống sẽ được ứng dụng trong thực tế, thúc đẩy nông
đã cho kết quả đáng mong đợi. Hệ thống mạng kiểu mới này nghiệp theo hướng tự động hóa.
đã lược bỏ bớt được các hạn chế của hệ thống mạng kiểu cũ.
Nhỏ gọn hơn, giá thành ở mức trung bình, tín hiệu truyền ổn TÀI LIỆU THAM KHẢO
định, cập nhật nhanh chóng. [1] David Manners, “LoRaWAN specs for firmware updates
over the air,” Electronic Weekly, 25th October 2018.
Tuy nhiên, đây mới chỉ là thành công bước đầu trong giai https://www.electronicsweekly.com/news/business/lorawa
đoạn thử nghiệm. Khả năng tự chủ năng lượng vẫn chưa thật n-specs-firmware-updates-air-2018-10/
sự ổn định. Thời hạn sử dụng các thiết bị hiện trường vẫn cần [2] I-scoop,“ LoRa and LoRaWAN: the technologies,
quan sát, đánh giá thêm. Đặc biệt các thiết bị cơ cấu chấp hành ecosystems, use cases and market” Internet of Things
như tưới tiêu, mái vòm, hệ thống phun sương vẫn chưa tích guide, 2017.
hợp được các hệ thống thông minh, vẫn cần tác động của con https://www.i-scoop.eu/internet-of-things-guide/iot-
network-lora-lorawan/
người trong phần nhiều khâu quản lí. [3] Aloys Augustinet al.,”A study of LoRa: long range & low
Hiểu rõ vấn đề, nhóm nghiên cứu vẫn luôn nỗ lực cải tiến power networks for the Internet of Things”, Sensor,
Sensors, 2016, 16, 1466; DOI:10.3390/s16091466.
hệ thống với mục tiêu ứng dụng trên cơ sở ngông nghiệp cụ
287
nguon tai.lieu . vn
