Hệ thống đo lường và điều khiển tưới thông minh cho cây trồng trên sườn dốc

Do điều kiện địa hình dễ bị xói mòn, rửa trôi và chịu nhiều ảnh hưởng của thay đổi thời tiết nên việc lựa chọn cây trồng trên vùng sườn đồi núi phải đảm bảo cho chúng có khả năng chống chịu tốt với thiên tai, sâu bệnh, đem lại năng suất và hiệu quả kinh tế cao. Vì thế, các cây trồng được ưu tiên trồng ở khu vực này thường là các cây ăn quả như: dứa, nhãn, vải, cam, bưởi hay các cây lương thực như: ngô, sắn,…

                                                                      

Việt Nam với 75% diện tích đất liền là đồi núi và được đánh giá là quốc gia có tiềm năng rất lớn trong việc phát triển nông nghiệp trên các khu vực sườn đồi dốc. Nhưng lâu nay việc canh tác trên các khu vực này gặp phải rất nhiều khó khăn như khó khăn về mặt giao thông đi lại, điều kiện khí hậu và đặc biệt phải kể đến khó khăn trong việc chủ động nguồn nước tưới. Chính vì thế, để có thể sản xuất đạt hiệu quả cao thì cần thiết phải ứng dụng các hệ thống tưới tự động vào canh tác. Các hệ thống này phải có khả năng khắc phục các khó khăn đã nêu. Hầu hết các hệ thống tưới tự động đến từ các nước tiên tiến vẫn tỏ ra chưa hoàn toàn thích hợp để áp dụng vào canh tác ở nước ta bởi những lý do về mặt kỹ thuật cũng như kinh tế. Việc phát triển các hệ thống có tính năng tương tự, tương thích với điều kiện trong nước đang trở thành một yêu cầu vô cùng bức thiết do việc làm chủ công nghệ, giá thành giảm và hơn nữa nó cũng phù hợp với xu thế thế phát triển “Nông nghiệp thông minh” trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng.

2. Thiết kế hệ thống

Chúng tôi đã thiết kế 1 hệ thống phục vụ cho việc tưới thông minh cho cây trồng trên sườn đồi dốc. Sơ đồ khối hệ thống được mô tả như trên Hình 2. Trong đó, hệ thống gồm 1 trạm trung tâm (Server) và nhiều trạm khách (Client) sử dụng truyền thông Wifi theo mô hình Client/Server.

                                                                       

- Thiết bị thu thập cục bộ (Local Device - LD): có chức năng thu thập các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và gửi tới Server. Thực tế sẽ có nhiều thiết bị thu thập đặt ở nhiều điểm đo khác nhau. Mô tả về trạm này thể hiện trên Hình sau:

Thiết bị thu thập cục bộ được thiết kế dựa trên vi điều khiển ESP8266 có chức năng đọc số liệu đo từ cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí DHT11 (dải nhiệt độ: 0-50oC ± 2o, dải độ ẩm: 20-90% ± 5%), độ ẩm đất (0-100%), sau đó số liệu được xử lý sơ bộ và truyền về Server thông qua truyền thông Wifi. Giao thức TCP/IP được sử dụng cho quá trình truyền dữ liệu.

- Trạm trung tâm (Server): có chức năng nhận dữ liệu từ thiết bị thu thập cục bộ, nhận lệnh điều khiển và yêu cầu dữ liệu từ phần mềm máy tính và ứng dụng Android để điều khiển các cơ cấu chấp hành. Trạm trung tâm được thiết kế dựa trên vi điều khiển theo kiến trúc ARM 32 bit Cortex M3 có chức năng nhận dữ liệu từ thiết bị thu thập cục bộ và truyền lên máy tính, nhận lệnh điều khiển từ phần mềm giám sát - điều khiển và ứng dụng Android để điều khiển tưới qua mạng Wifi hoặc GSM. Sơ đồ khối của trạm trung tâm được xây dựng như hình dưới đây:

- Phần mềm máy tính (User Interface): Phần mềm được xây dựng để thực hiện giao tiếp với người sử dụng, gửi lệnh điều khiển đến trạm trung tâm và lưu trữ dữ liệu. Phần mềm này được phát triển dựa trên ngôn ngữ CSharp cho phép giám sát, điều khiển tưới và cài đặt cấu hình hoạt động của hệ thống. Trong đó bao gồm:

+ Giao diện giám sát cho phép hiển thị trực quan các thông số thu thập được từ các trạm cục bộ và các trạng thái mưa, trạng thái hoạt động của các bơm, van.

+ Giao diện điều khiển cung cấp 4 chế độ tưới khác nhau, trong đó có các chế độ tưới tiết kiệm và có thể được cài đặt một cách dễ dàng thông qua máy tính hoặc Smart Phone.

+ Giao diện cài đặt cho phép cấu hình chung hoạt động của hệ thống, nhập vào đặc điểm địa hình và đối tượng để đưa ra các tính toán phù hợp cho quá trình tưới.

+ Giao diện quản lý dữ liệu cung cấp cho người dùng các công cụ để theo dõi, phân tích, truy xuất các dữ liệu thu thập được cũng như các dữ liệu về trạng thái hệ thống.

- Ứng dụng Android: cho phép người dùng điều khiển bằng Smart Phone qua Wifi hoặc điều khiển qua tin nhắn SMS trên ứng dụng Android.

3. Kết quả đạt được

Nhóm nghiên cứu bước đầu đã đã thiết kế và chế tạo thành công 2 thiết bị Local Device thu thập dữ liệu, 1 thiết bị Server, 1 phần mềm giám sát điều khiển trên máy tính và 1 ứng dụng điện thoại Android. Mô tả về hệ thống được thể hiện như hình dưới: 

Giao diện giám sát thể hiện trên Hình 8, trên giao diện này hiển thị các thông số nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất thu thập được từ các Local Device.

Giao diện điều khiển được thiết kế với 4 chế độ tưới khác nhau tích hợp trong hệ thống. Các chế độ này đã được thử nghiệm và hoạt động tốt.

Ứng dụng điện thoại Android cho phép điều khiển các chế độ tưới cơ bản qua Wifi và tin nhắn.

Sau khi tiến hành các thử nghiệm với các thiết bị đơn lẻ, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm các chế độ tưới khác nhau phù hợp cho cây trồng trên sườn đồi dốc và kết quả bước đầu cho thấy hệ thống đã hoạt động đúng như yêu cầu đặt ra. Các số liệu về độ ẩm của đất, độ ẩm và nhiệt độ không khí, thông tin về mưa đã được thu thập và truyền về máy tính điều khiển và giám sát trung tâm. Trạm điều khiển đã nhận lệnh từ trung tâm để thực hiện việc điều khiển bơm và valve thông qua các rơ le. 

4. Kết luận

Bài báo đã trình bày về việc nghiên cứu thiết kế hệ đo lường điều khiển tưới cho cây trồng trên khu vực sườn đồi dốc. Nhóm nghiên cứu đã làm chủ việc thiết kế các thành phần của hệ thống từ các trạm thu thập dữ liệu cục bộ, các trạm trung tâm cho đến các phần mềm điều khiển giám sát trên cả hai nền tảng Windows và Android. Hệ thống đã được lắp đặt và thử nghiệm thành công trong môi trường phòng thí nghiệm. Trong thời gian tới nhóm sẽ tiếp tục nghiên cứu giải quyết các vấn đề về “Tự chủ năng lượng” cũng như phát triển thêm nhiều các thuật toán tưới thông minh, phù hợp với nhiều loại cây trồng trên khu vực sườn đồi dốc. Trên cơ sở những kết quả đã đạt được, nhóm nghiên cứu tin tưởng rằng hệ thống sẽ ngày càng được hoàn thiện và tiến tới triển khai trong thực tế.