- Trang Chủ
- Nông nghiệp
- Xây dựng mô hình hệ thống IoT sử dụng cảm biến môi trường nhằm ứng dụng trong nuôi trồng nấm ăn
Xem mẫu
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Xây dựng mô hình hệ thống IoT sử dụng cảm
biến môi trường nhằm ứng dụng trong nuôi
trồng nấm ăn
Đào Văn Quân1, Phạm Đình Tuân1,* và Hồ Trường Giang2
1
Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội, 144 Xuân Thủy, Cầu Giấy, Hà Nội
2
Viện Khoa học vật liệu, 18 Hoàng Quốc Việt, Cầu Giấy, Hà Nội;
*Email: tuanpd@vnu.edu.vn
Abstract— Trong bài báo này, chúng tôi xây dựng một Hơn nữa, một xu hướng phát triển hiện tại trên thế giới
mô hình hệ thống IoT giá thành rẻ với các cảm biến môi về sản phẩm nông nghiệp là cần trích xuất được nguồn
trường (khí CO2, độ ẩm, nhiệt độ, và ánh sáng) nhằm gốc thông tin sản phẩm liên quan đến toàn bộ quá trình
ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp chính xác về nuôi nuôi trồng.
trồng nấm ăn. Hệ thống được thiết kế trên cơ sở sử dụng
Internet vạn vật (IoT) được hiểu đơn giản là sự kết
bo mạch Adruino Wemos D1 R1, và các cảm biến môi
trường gồm cảm biến nguyên lý hấp thụ hồng ngoại đo nối các vật thể với định danh cụ thể với nhau thông qua
khí CO2, cảm biến ánh sáng nguyên lý quang trở và cảm mạng internet. Gần đây, IoT được cho là chủ đề nóng,
biến nhiệt độ và độ ẩm là DHT11. Trong đó, tham số khí là một ngành hứa hẹn sẽ có phát triển vượt bậc ứng
CO2 (đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, do đó nông
của nấm) được xây dựng ở đây là dựa trên cảm biến khí nghiệp không phải là ngoại lệ. IoT giúp cho cuộc sống
CO2 nguyên lý hấp thụ hồng ngoại theo cấu hình không của con người trở lên thuận lợi trong việc quản lý, điều
tán sắc (NDIR) đã được thiết kế và chế tạo tại phòng thí khiển các thiết bị và tham số đo lường từ xa bằng ứng
nghiệm tại Việt Nam. Hệ thống IoT này có chức năng dụng như điện thoại, website,... [1]. Dựa trên sự phát
thu nhận tín hiệu từ các cảm biến, xử lý tín hiệu, hiển thị
triển nhanh chóng các sản phẩm khoa học công nghệ
thông tin về các thông số môi trường trên Web và gửi
thông tin qua email dựa trên nền tảng Node-Red IoT như linh kiện cảm biến, vi xử lý, công nghệ thông tin,
Platform với mã nguồn mở. kỹ thuật điện tử,... thì IoT càng có tiềm năng và triển
vọng phát triển hơn bao giờ hết với mong muốn đưa ra
Keywords- Internet vạn vật (IoT), nền tảng Node-Red các sản phẩm sáng tạo, hiện đại, tiện ích và đồng bộ để
Platform, cảm biến khí nguyên lý hấp thụ hồng ngoại có thể đáp ứng các nhu cầu của cuộc sống.
(NDIR), nông nghiệp chính xác. Wifi
Bộ mã hóa,
chuẩn hóa Lưu trữ
I. GIỚI THIỆU
Hiện nay, sự phát triển của cuộc cách mạng công Cảm biến Cảm biến
(1)
nghiệp 4.0 đang ở quy mô toàn cầu. Các ứng dụng oC, RH
ánh sáng
H2O
(2)
Bộ điều
Cảm biến
khoa học công nghệ và kỹ thuật cao vào các lĩnh vực
H
CO2 H 2O khiển
ngày càng phát triển ở quy mô rộng và cho giá thành co2 co
co2
2
(3)
Internet
rẻ. Trong phát triển công nghiệp 4.0, công nghệ thông Cell-phone
tin, kỹ thuật điện tử, điều khiển tự động, cảm biến
Khu nuôi trồng nấm
đóng vai trò hết sức quan trọng. Tùy vào mỗi lĩnh vực (1): cấp ánh sáng, sưởi ấm Nguồn
cụ thể, công nghiệp 4.0 được phát triển cho phù hợp (2): cung cấp độ ẩm
(3): cung cấp khí CO2
Nguồn khí
PC
điện CO2
riêng và ngày càng hiện thực hóa. Nước ta có ưu thế
Hình 1. Minh họa hệ thống IoT với các chức năng cho ứng
cho phát triển nông nghiệp, và hiện nông nghiệp chiếm dụng nuôi trồng nấm.
tỷ trọng khá cao trong nền kinh tế. Tuy thế, chất lượng Sản xuất nông nghiệp trải qua nhiều công đoạn theo
và sản lượng của sản phẩm nông nghiệp của chúng ta thời gian, nó khá phực tạp khi liên quan đến rất nhiều
thấp vẫn còn hơn so với các nước khác. Ngành nông đối tượng nuôi trồng khác nhau, bài toán thực hiện ở
nghiệp của ta còn lạc hậu, thiếu những áp dụng công quy mô lớn, và nhiều tham số cần kiểm soát. Việc này
nghệ cao vào trong sản xuất và quản lý. Nông nghiệp cần một hệ thống đủ mạnh, hoạt động hiệu quả, tin
công nghệ cao hay chính xác là áp dụng ứng dụng cậy, và giá thành rẻ để thực hiện khi đó IoT là giải
công nghệ hiện đại vào trong việc nuôi trồng, thu pháp hoàn toàn phù hợp [2]. Trong lĩnh vực cụ thể là
hoạch, bảo quản, phân phối sẽ giúp làm giảm sức lao nuôi trồng nấm, ngoài các tham số về giá thể và loại
động của con người, thuận tiện trong quản lý, điều nấm thì các tham số về môi trường như nhiệt độ, độ
khiển, giám sát và do đó sản phẩm nông nghiệp sẽ ẩm, khí và ánh sáng đóng một vai trò hết sức quan
được nâng cao cả về số lượng cũng như chất lượng.
ISBN 978-604-80-5958-3 253
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
trọng cần đo đạc, tác động theo từng giai đoạn phát Chuẩn giao tiếp: TTL
triển [3,4]. Tại các cơ sở nuôi trồng nấm trong nước, Dòng sử dụng cực đại: 2.5 mA (khi truyền dữ
việc áp dụng công nghệ cao trong điều khiển, kiểm liệu).
soát các tham số môi trường (đặc biệt là khí) chưa Dải độ ẩm đo 20 80 %RH, sai số: ± 5 %RH.
thực sự được đầu tư và phát triển, chủ yếu vẫn dựa Dải nhiệt độ đo 0 50 °C, sai số ±2 °C.
vào điều kiện tự nhiên về khí hậu, thời tiết của mỗi Tần số lấy mẫu tối đa 1 Hz.
vùng, mỗi mùa nên dẫn đến chất lượng và sản lượng - Cảm biến ánh sáng quang trở: cảm biến này hoạt
nấm chưa được cao. Vì vậy, phát triển được hệ thống động dựa trên thay đổi điện trở của linh kiện khi cường
IoT với chức năng cho quản lý, giám sát, điều khiển độ chiếu sáng thay đổi. Chúng tôi đã tích hợp thêm bộ
các thông số môi trường trong lĩnh vực nuôi trồng khuếch đại (LM393) để cho tín hiệu lối ra được chuẩn
nấm ăn là hết sức có ý nghĩa cho giải quyết bài toán cụ hóa ở dạng tương tự (analog). Cảm biến này cũng có
thể [5]. Hệ thống IoT được định hướng xây dựng có thể dùng để bật tắt thiết bị theo cường độ ánh sáng môi
tính linh hoạt cao (dễ thiết kế, dễ mở rộng quy mô, dễ trường. Hình 2b là ảnh chụp cảm biến đo cường độ ánh
thay đổi cho từng ứng dụng) và giá thành rẻ. Chúng sáng. Thông số kỹ thuật của cảm biến quang điện trở
tôi cũng đặc biệt chú ý đến phát triển hệ thống cho sử như sau:
dụng cảm biến khí CO2 chế tạo trong nước. Thông số Điện áp làm việc: 3 5 VDC
về khí CO2 trong môi trường trông nấm khó kiểm soát Tín hiệu lối ra: tương tự cho dải cường độ ánh
nhất và hiện tại Việt Nam đang gặp khó khăn về loại sáng 0 1023 Lux.
linh kiện cảm biến này. Ngoài ra, hệ thống IoT này 3 chân đầu ra : VCC, GND, A0.
còn có thể điều chỉnh để áp dụng phù hợp vào nhiều - Cảm biến khí CO2: Cảm biến đo khí CO2 là cảm
lĩnh vực nông nghiệp khác. biến quang học dựa trên tính chất hấp thụ bức xạ hồng
ngoại đặc trưng của phân tử khí CO2 tại vùng bước
II. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
sóng 4.26 μm. Cảm biến này với cấu hình không tán
Hệ thống IoT ở đây được xây dựng bao gồm khối sắc (NDIR) hai kênh thu hồng ngoại được thiết kế chế
các cảm biến để đo lường các tham số môi trường tạo tại Phòng Cảm biến và thiết bị đo khí, Viện Khoa
(nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, khí CO2); khối mã hóa/ học vật liệu. Hình 3 là ảnh chụp cảm biến NDIR đo khí
chuẩn hóa các thông tin về môi trường từ các bộ cảm CO2 được sử dụng. Cảm biến có một buồng đo với hai
biến; khối phát wifi thực hiện nhận và gửi thông tin lên đầu nối khí vào/ra. Nồng độ khí được chuẩn hóa tại hệ
internet; thông qua internet, thông tin được lưu trữ, thiết bị của Viện Khoa học vật liệu. Chi tiết thông số
quản lý và truy xuất từ xa bằng điện thoại thông minh kỹ thuật của cảm biến như sau:
và máy tính; và khối điều khiển thực hiện những tác Điện áp sử dụng: nguồn ± 12VDC
động điều khiển phản hồi các tham số môi trường cho Tín hiệu lối ra cho hai kênh: TTL
từng giai đoạn mong muốn của nuôi trồng nấm. Hình 1 Dải nồng độ đo: 0 20 %vol
minh họa sơ đồ các khối chức năng cho một hệ thống Độ phân giải: 0.0001 %vol
IoT điển hình trong nuồi trồng nấm ăn. Trên phân tích Tần số lấy mẫu: 1 Hz
này, chúng tôi đã xây dựng một mô hình hệ thống IoT
với sự lựa chọn các linh kiện cảm biến và các module
bo mạch phổ biến tại Việt Nam.
a) Khối các cảm biến
- Module DHT11: là module cảm biến thương mại
đo nhiệt độ, và độ ẩm. Nó được tích hợp trong một
mạch, dễ sử dụng và giá thành rẻ. Bộ tiền xử lý tín hiệu
tương tự (analog) sang tín hiệu số (digital) đã tích hợp
và mã hóa giúp các dữ liệu được thu nhận dễ dàng ở
khối mã hóa/ chuẩn hóa . Hình 3. Cảm biến NDIR cho đo khí CO2.
(a) (b)
b) Khối mã hóa/ chuẩn hóa, và thu/phát WiFi
Trong hệ thống IoT này, bo mạch Adruino Wemos
D1 R1 được chọn để thu nhận thông tin về các tham số
môi trường (tín hiệu ở cả dạng tương tự và số), sau đó
chuẩn hóa/mã hóa và phát tín hiệu WiFi. Bo mạch
Arduino Wemos D1 R1 là bo mạch phát triển từ
WeMos được thiết kế gồm hai chức năng xử lý kiểu
Hình 2. Cảm biến DHT11 (a) và cảm biến ánh sáng (b). Arduino Uno và tích hợp WiFi (SoC ESP8266EX) với
Hình 2a là ảnh chụp cảm biến DTH11. Thông số kỹ firmware NodeMCU để dùng được trình soạn thảo và
thuật của cảm biến DTH11 như sau: biên dịch Arduino IDE. Bo mạch tích hợp này dễ dàng
Điện áp làm việc 3 5 VDC. thực hiện lập trình cho phát triển các ứng dụng IoT.
Hình 4 là ảnh chụp bo mạch Arduino Wemos D1 R1.
ISBN 978-604-80-5958-3 254
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
Việc lựa chọn bo mạch Adruino Wemos D1 R1 này Nền tảng Node-Red IoT Platform được phát triển
là do nó có một số ưu điểm sau: bởi Node-Red là một công cụ lập trình mạnh mẽ kết
Giá thành rẻ, dễ sử dụng, là module hoàn chỉnh nối các thiết bị phần cứng, giao diện kết nối API
sử dụng vi điều khiển dòng AVR. (Application Programing Interface) và các dịch vụ trực
Kích thước nhỏ gọn. tuyến với nhau trong các ứng dụng về IoT. Node-Red
Tích hợp sẵn bộ WiFi, cho phép người dùng có cung cấp các luồng dữ liệu dựa trên trình duyệt, nó sử
thể thực hiện những tác vụ TCP/IP đơn giản để dụng phương pháp lập trình trực quan cho phép các
thực hiện vô số các ứng dụng khác nhau, đặc nhà phát triển kết nối với các khối mã xác định trước
biệt trong ứng dụng về IoT. (gọi là các “node”) với nhau để thực hiện một nhiệm
Có thể quét và kết nối đến một mạng WiFi bất vụ. Mỗi ứng dụng Node-Red bao gồm các node được
kỳ để thực hiện các tác vụ như lưu trữ, truy cập kết nối với nhau dưới dạng đầu vào (input), đầu ra
dữ liệu từ máy chủ (server). (output) và các hoạt động (operation). Nền tảng Node-
Là dòng vi điều khiển mã nguồn mở, có nhiều Red có một số ưu điểm nổi bật sau:
thư viện hỗ trợ cho các module chức năng khác Thu thập và lưu trữ dữ liệu một cách đáng tin
nhau. cậy.
Hỗ trợ hiển thị các giao diện biểu đồ, đồ thị,
v.v...
Dễ dàng phù hợp cho nhiều thiết bị được sử
dụng rộng rãi trên thị trường như Adruino,
Raspberry Pi, thiết bị Android, v.v…
Các luồng dữ liệu khác nhau được tạo trong
Node-Red được lưu trữ bằng JSON, có thể dễ
dàng nhập/xuất và chia sẻ với người khác.
Cho phép gửi cảnh báo tới người dùng bằng tin
nhắn, email, v.v...
Hỗ trợ các thiết bị phải được xác thực và quản lý
thông tin mã xác thực của thiết bị.
Mã nguồn mở nên có thể sử dụng và phát triển
Hình 4. Bo mạch Adruino Wemos D1 R1. một cách miễn phí.
c) Lưu đồ thuật toán
Bắt đầu
Khởi động
Node-Red, MQTT
Kết nối Sai
MQTT
Hình 5. Chân kết nối của bo mạch Adruino Wemos D1 R1.
Đúng
Hình 5 là sơ đồ kết nối các chân của bo mạch
Arduino Wemos D1 R1. Thông số kỹ thuật bo mạch
Arduino Wemos D1 R1 như sau: Server Sai
Node-red
Vi điều khiển: ESP8266EX
Điện áp hoạt động: 3.3 5 VDC Đúng
Số chân I/O: 11 (tất cả các chân I/O đều có
Hiển thị dữ liệu trên
Interrupt / PWM/I2C/ One-wire, trừ chân D0) Node-Red
Số chân Analog Input: 1 (điện áp vào 3.3V)
Bộ nhớ Flash: 4 MB
Giao tiếp: Cable Micro USB Gửi dữ liệu, cảnh báo về
email
WiFi: 2.4Ghz
Hỗ trợ bảo mật: WPA/WPA2
Tích hợp giao thức: TCP/IP Hình 6. Lưu đồ thuật toán hệ thống.
Kích thước: 34.2 mm 25.6 mm Hình 6 là lưu đồ thuật toán của toàn hệ thống. Hệ
Ngôn ngữ lập trình: C/C++, Micropython, Node thống khi bắt đầu sẽ khởi động máy chủ Node-Red,
MCU đồng thời sẽ khởi động giao thức MQTT và khởi tạo
b) Nền tảng Node-Red IoT Platform tham số hệ thống. Khi máy chủ MQTT được khởi
ISBN 978-604-80-5958-3 255
- Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 về Điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021)
động, hệ thống sẽ kiểm tra xem MQTT có kết nối phù hợp phát triển ứng dụng cho giám sát liên tục các
thành công đồng thời sau đó hệ thống sẽ kiểm tra máy thông số môi trường cơ bản trong nuôi trồng nấm hoặc
chủ Node-Red đã khởi động thành công hay chưa. Sau cây trồng trong nhà kính. Hệ thống đã được thiết kế ở
khi đã kết nối thành công, hệ thống sẽ xử lý dữ liệu và mức độ thử nghiệm một mô hình với một thiết bị chủ
hiển thị trên Node-Red, được cập nhật liên tục 1 giây (bo mạch Adruino Wemos D1 R1) cho thu thập thông
một lần. Sau khi hiển thị thành công dữ liệu, hệ thống tin từ 4 cảm biến. Tuy vậy, việc mở rộng hệ thống với
sẽ gửi số liệu về cho người dùng và gửi cảnh báo nếu nhiều điểm đo khác nhau là đơn giản khi thực hiện sử
có các tham số vượt ngưỡng cho phép và có nguy cơ dụng nhiều bo mạch Adruino Wemos D1 R1 và thay
gây hại cho nấm trồng thông qua email. đổi về lập trình.
III. KẾT QUẢ IV. KẾT LUẬN
Các tham số môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng Một hệ thống IoT đã được xây dựng thử nghiệm
và nồng độ khí CO2) từ các cảm biến được Adruino trên cơ sở các cảm biến môi trường, bo mạch Adruino
Wemos D1 R1 thu nhận (tín hiệu tương tự - analog và Wemos D1 R1 và nền tảng Node-Red IoT Platform
tín hiệu số - digital). Thông tin này được xử lý/ mã hóa nhằm đề xuất một mô hình cho ứng dụng nuôi trồng
tương ứng với mỗi tham số môi trường. Sau đó, dữ liệu nấm với giá thành rẻ. Hệ thống này có khả năng quản
được định dạng ở dạng chuỗi và đồng thời thông tin lý, truyền/nhận thông tin với độ tin cậy cao, tốc độ
này được đưa lên trang hiển thị Website bằng giao thức phản hồi nhanh và vận hành liên tục. Hệ thống linh
MQTT (Message Queue Telemetry Transport) theo hoạt với khả năng mở rộng quy mô điểm đo, linh hoạt
mạng Wifi. Kết quả được hiển thị trên trang thông qua trong thay đổi cấu trúc để có thể đáp ứng với các bài
biểu đồ dữ liệu tham số môi trường theo thời gian và toán khác trong thực tế.
giá trị tức thời (như trên Hình 7).
LỜI CẢM ƠN
Công trình này được hỗ trợ bởi Trường Đại học
Công Nghệ thông qua đề tài với mã số CN20.47.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Luigi Atzori, Antonio Iera, Giacomo Morabito, Internet of
Things: A survey, Computer Networks 54 (2010) 2787–2805.
[2]. Savaram Ravindra, "IoTs Applications in Agriculture", 2020,
https://www.iotforall.com/iot-applications-in-agriculture.
[3]. Edmund B. Lambert, Efect of excess carbon dioxide on
growing mushroom, Journal of Agricultural Research, 47,
1933.
Hình 7. Thông tin về các tham số môi trường của hệ thống [4]. Cliffe-Byrnes V, O' Beirne D, Effects of gas atmosphere and
được hiển thị trên Website. temperature on the respiration rates of whole and sliced
Dữ liệu đọc được từ cảm biến được đẩy lên Web mushrooms (Agaricus bisporus) - implications for film
một cách liên tục, chính xác và không bị gián đoạn. permeability in modified atmosphere packages, Journal of
Food Science, 72, 2007.
Trên Node-Red Server không những quản lý và hiển [5]. Kitaya Y, Tani A, Kiyota M, Aiga I., Plant growth and gas
thị trực quan các đồ thị theo thời gian mà còn gửi dữ balance in a plant and mushroom cultivation system,
liệu dạng email (minh họa trên Hình 8). Advances in Space Research, 14, 1994.
[6]. Jeffrey W. Fergus, 2008. A review of electrolyte and electrode
materials for high temperature electrochemical CO2 and SO2
gas sensors, Sensors and Actuators B 134, 1034-1104.
[7]. Qiulin Tan, Licheng Tang, Mingliang Yang, Chenyang Xue,
Wendong Zhang, Jun Liu and Jijun Xiong, 2015. Three-gas
detection system with IR optical sensor based on NDIR
technology. Optics and Lasers in Engineering 74, 103-108.
[8]. Edmund B. Lambert, Effect of excess carbon dioxide on
growing mushroom, Journal of Agricultural Research, 47,
1933.
Hình 8. Minh họa gửi về email các tham số môi trường của [9]. Guangjun Zhang and Xiaoli Wu, 2004. A novel CO2 gas
analyzer based on IR absorption. Optics and Lasers in
hệ thống.
Engineering 42, 219-231.
Hình 8 là hình ảnh minh họa cảnh báo khi có một [10]. Hanns Erik Endres, Hildegard D. Jander and Wolfgang
hoặc các thông số môi trường vượt qua ngưỡng thông Gottler, 1995. A test system for gas sensors. Sensors and
số phù hợp cho cây nấm phát triển. Hệ thống gửi cánh Actuators B 23, 163-172.
[11]. Node-Red, “Node-Red IoT Platform”, 2020,
báo liên tục cách nhau 5 phút cho đến khi người quản https://nodered.org/#:~:text=Node%
lý tắt cảnh báo hoặc các tham số môi trường trở về DRED%20is%20a%20programming,runtime%20in%20a%20
ngưỡng quy định. single%2Dclick.
Hệ thống đã thể hiện hoạt động ổn định trong một [12]. Rodger Lea, “noderedguide”, 2016,
http://noderedguide.com/nr-lecture-1/#more-14.
khoảng thời gian dài, các cảm biến hoạt động liên tục
ISBN 978-604-80-5958-3 256
nguon tai.lieu . vn
