Ứng dụng cảm biến không dây trong việc phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng

Áp dụng khoa học công nghệ, đặc biệt là kỹ thuật đo lường trong việc phát triển nông nghiệp xanh đã mang lại những hiệu quả hết sức to lớn. Với quy mô nhà trồng hay nông trại rộng, thì việc sử dụng thiết bị đo kết nối theo phương pháp đi dây truyền thống sẽ gặp nhiều khó khăn. Chính vì vậy nghiên cứu ứng dụng mạng cảm biến không dây nhằm giám sát nhiệt độ - độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng đã được trình bày trong bài báo này. Bài báo tập trung khái quát về một giải pháp xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu đo nhiệt độ-độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng dựa trên mạng cảm biến không dây - coi mỗi điểm đo, đặt cảm biến là một nút mạng, sau đó thiết kế sơ bộ cảm biến đo thông minh tại mỗi nút mạng sử dụng IC đo nhiệt độ & độ ẩm cơ bản. Các cảm biến đo thông minh này được tích hợp chip điều khiển và module truyền thông cho phép truyền số liệu không dây đến trạm thu thập số liệu, từ đây số liệu đo được gửi về trung tâm giám sát.

1. Đo lường các thông số cơ bản trong phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng

Theo FAO (Food and Agriculture Organization) và UNEP (United Nations Environment Programme), nông nghiệp xanh liên quan đến việc quản lý thành công các nguồn tài nguyên nông nghiệp và áp dụng ngày càng tăng các công nghệ hiện đại vào trang trại - nông trường nhằm đáp ứng nhu cầu của con người trong khi duy trì hoặc nâng cao chất lượng môi trường và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, cụ thể phải đạt được đồng thời các tiêu chí sau: Duy trì và làm tăng năng suất - lợi nhuận nông nghiệp trong khi đảm bảo việc cung cấp thực phẩm và các dịch vụ hệ sinh thái trên cơ sở bền vững; giảm thiểu các tác động tiêu cực bên ngoài, như xói mòn đất, ô nhiễm do hoá chất vô cơ nông nghiệp, và khí thải nhà kính nông nghiệp; tái tạo lại các nguồn tài nguyên sinh thái, chẳng hạn như màu mỡ của đất, nước, không khí và đa dạng sinh học bao gồm cả động vật và đa dạng thực vật di truyền. Ngoài ra, tác dụng lâu dài của nông nghiệp xanh có thể mang lại cho vụ thu hoạch cây trồng nhiều hơn và vật nuôi tăng trưởng tốt hơn cả khi chịu tác động khí hậu tiêu cực [1,2].

Ngày nay trên thị trường hàng hóa, sản phẩm nông nghiệp xanh được nhận diện với một số chứng chỉ thương hiệu như GAP (Good Agricultural Practices). Ở Việt Nam, sản phẩm nông nghiệp xanh được nhận diện bởi thương hiệu VietGAP (hoạt động sản xuất nông nghiệp tốt ở Việt Nam) - đó là những nguyên tắc, trình tự, thủ tục hướng dẫn tổ chức, cá nhân sản xuất nông nghiệp, thu hoạch, xử lý sau thu hoạch sản phẩm nông nghiệp nhằm đảm bảo an toàn, nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo phúc lợi xã hội, sức khỏe người sản xuất và người tiêu dùng; đồng thời bảo vệ môi trường và biết rõ được nguồn gốc sản xuất sản phẩm.

Nông nghiệp xanh trong lĩnh vực trồng trọt thường đòi hỏi rất khắt khe việc duy trì nhiệt độ và độ ẩm cho môi trường sinh trưởng của cây trồng theo từng loại cây cũng như thời gian sinh trưởng của chúng. Điều này đòi hỏi cần phải giám sát và thu thập số liệu về nhiệt độ và độ ẩm tại nhiều vị trí khác nhau trong môi trường sinh trưởng cây trồng. Nhờ giám sát và thu thập số liệu nhiệt độ - độ ẩm, nhà nông có thể theo dõi được độ ẩm của các loại hạt để quyết định thời điểm thu hoạch thích hợp (độ ẩm của hạt phải đạt yêu cầu). Biết được độ ẩm của đất, độ ẩm - nhiệt độ của không khí sẽ cho phép nhà nông điều chỉnh hoạt động canh tác của mình một cách thích hợp để đạt được tối ưu năng suất cây trồng. Như vậy, có thể thấy việc đo lường nhiệt độ - độ ẩm là điều rất quan trọng đối với phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng. Tuy nhiên một số vấn đề phát sinh liên quan đến việc áp dụng các cảm biến độ ẩm - nhiệt độ vào phát triển nông nghiệp xanh đó là không gian lớn, khoảng cách truyền dữ liệu xa, số lượng cảm biến nhiều. Ngoài ra còn một số khó khăn khác như vấn đề tiêu thụ điện của các cảm biến, sự ăn mòn của cảm biến cũng là các thách thức đặt ra khi thiết kế mạng cảm biến giám sát và thu thập số liệu nhiệt độ - độ ẩm ứng dụng trong ngành nông nghiệp xanh.

Bài báo này trình bày về một giải phát thiết kế mạng cảm biến không dây để giám sát nhiệt độ - độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng trong mô hình phát triển nông nghiệp xanh. Nội dung của bài báo chỉ tập trung vào đề xuất một giải pháp xây dựng hệ thống giám sát và thu thập số liệu nhiệt độ-độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng dựa trên mạng cảm biến không dây. Sau đó đưa ra một đề xuất thiết kế nút mạng cảm biến không dây sử dụng các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm cơ bản.

2. Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm theo mô hình phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng

Cấu trúc hệ thống sát nhiệt độ và độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng trên nông trường theo mô hình phát triển nông nghiệp xanh được trình bày như hình 2.
Các thành phần cơ bản trong hệ thống được chia thành 3 cấp độ: cấp 1 là trung tâm giám sát vận hành; cấp 2 là trạm thu thập dữ liệu cơ sở; cấp 3 bao gồm các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm của không khí, của đất trồng tại nông trường. Tùy theo quy mô diện tích đất canh tác của nông trường và yêu cầu cấp độ giám sát ta có thể triển khai xây dựng hệ thống giám sát và thu thập số liệu phù hợp.

Trung tâm giám sát ở đây gồm đường mạng tốc độ cao kết nối đến các trạm thu thập dữ liệu cơ sở; máy chủ với hệ cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin hệ thống; máy tính giám sát vận hành với các màn hình theo dõi quan sát tình trạng môi trường sinh trưởng của cây trồng, đồng thời đưa ra các cảnh báo để nhà nông điều chỉnh phương pháp canh tác phù hợp nhất. Tùy vào nhu cầu của người dùng, trung tâm giám sát cũng có thể cho phép người quản lý từ xa truy cập vào cơ sở dữ liệu hệ thống qua mạng Wi-Fi (phạm vi hoạt động tối đa là 100m), GSM/GPRS (phạm vi không giới hạn) khi được trang bị phần cứng tương ứng.

Trạm thu thập dữ liệu cơ sở, có thể hiểu là trạm chủ cùng với các cảm biến đo (các điểm đo) tạo thành mạng cảm biến với cấu hình sao (star). Cấu trúc mạng cảm biến không dây hình sao khá phù hợp với diện tích giám sát không quá rộng, số lượng điểm đo không quá lớn. Khi diện tích rộng, điểm đo lớn ta có thể sử cấu trúc mạng cảm biến không dây hình cây (tree) hoặc hình lưới (mesh). Trạm thu thập dữ liệu được cấu tạo từ các module chính sau: module điều khiển xử lý thu thập dữ liệu; module truyền thông tốc độ cao để truyền dữ liệu về trung tâm; module truyền thông không dây theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc Wi-Fi để nhận dữ liệu nhiệt độ - độ ẩm từ các cảm biến truyền về. Tùy vào thiết kế được chọn, trạm thu thập dữ liệu dựa trên mạng Wi-Fi, GSM/GPRS cho phép cấu hình để người quản lý có thể truy cập xem dữ liệu gốc từ cảm biến đo gửi về.

3. Thiết kế nút mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây.
Như đã phân tích ở trên, cảm biến đo nhiệt độ - độ ẩm đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc phát triển mô hình nông nghiệp xanh cho cây trồng. Và trong giới hạn bài báo này, tác giả tập trung vào thiết kế nút mạng cảm biến không dây -  là cơ sở chính cho các phát triển hệ thống về sau.

3.1. Cấu trúc cơ bản của nút mạng cảm biến không dây

Trong mạng cảm biến không dây, các nút mạng chính là các cảm biến thông minh. Cảm biến thông minh là sự tích hợp dựa trên cảm biến cơ bản, được mô tả như hình 3. Cảm biến thông minh gồm các thành phần sau: cảm biến cơ bản (ở đây là đầu đo nhiệt độ, độ ẩm), module khuếch đại - xử lý - chuyển đổi tín hiệu đo (ví dụ bộ chuyển đổi A/D), màn hình hiển thị, bộ nhớ, module điều khiển, module nguồn và mudle truyền thông theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc Wi-Fi. Tùy theo yêu cầu người dùng mà số lượng các thành phần cấu thành lên thiết bị đo thông minh có thể giảm đi, từ đó giảm được giá thành thiết bị. Các nút mạng cảm biến không dây phụ thuộc mạnh mẽ vào nguồn điện cung cấp cho nó. Vì vậy cần thực hiện bổ sung nguồn năng lượng và/hoặc thực hiện tối ưu hóa việc tiêu thụ nguồn điện cho mỗi cảm biến thông minh được thiết kế. Nhờ giải pháp kết hợp giữa đặc tính của đầu đo cơ bản với bộ vi xử lý để làm giảm thời gian tiền xử lý giá trị đo nên đã làm giảm mức tiêu thụ điện tổng thể.

Một số cảm biến cơ bản đo độ ẩm có thể kể đến như Honeywell HCH 1000, Humirel S110x [3].

Ngoài ra trên thị trường cũng có một số loại IC tích hợp đo đồng thời cả nhiệt độ và độ ẩm, như Texas Instruments HDC1000, Silicon Labs Si701x/2x.

3.2. Thiết kế nút mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ và độ ẩm

Thiết kế nút mạng cảm biến không dây trong nghiên cứu này chính là thiết kế trạm đo thông minh sử dụng cảm biến đo nhiệt độ và đo độ ẩm cơ bản: IC LM 35 và IC HCH 1000. Trạm đo thông minh (còn gọi là những cảm biến thông minh) này tích hợp module Sim 908 để truyền dữ liệu đo qua mạng GSM/GPRS về trạm thu thập dữ liệu cơ sở, được xử lý và điều khiển hiển thị, truyền thông tin, quản lý nguồn nhờ vi điều khiển PIC16F887. Hình 6 trình bày mạch nguyên lý ghép nối LM35, HCH 1000, LCD, Sim 908 với PIC16F887.

Nguyên lý xác định độ ẩm sử dụng cảm biến cơ bản HCH 1000 (hình 7): khi độ ẩm môi trường thay đổi thì điện dụng của tụ điện tương đương HCH1000 cũng thay đổi theo, do đó làm thay đổi thời gian phóng và nạp của tụ HCH1000 qua R1 và R2+Rv, bởi vậy xung đầu ra Fout của T555 sẽ thay đổi trong khoảng từ Fmin-Fmax [Hz] tương ứng với độ ẩm thay đổi từ 0%-100%. Xung đầu ra Fout của T555 được đưa đến chân ngắt ngoài của vi điều khiển PIC và được chương trình ngắt đã lập trình trong vi điều khiển thực hiện tăng biến đếm lên 1 đơn vị mỗi khi có sườn xuống của xung tín hiệu đưa vào chân ngắt (đếm số xung N trong một chu kỳ ngắt). Với chu kỳ ngắt trên PIC thiết lập là Tng [s] (thường lấy Tng=20ms) thì tần số xung ra trên chân 3 của T555 Fout xác định như sau: Fout=N/Tng. Từ tần số xung Fout này ta tính được giá trị của điện dung HCH1000 Cm tương ứng với độ ẩm Hm theo các phương trình sau [3]:

TH=Cm(R1+Rv+R2)ln2; TL=C%(Rv+R2)ln2

Tout= TH+ TL= Cm(R1+2Rv+2R2)ln2; Fout=1/Tout

Hm=(Cm-Cs)/S+Hs (tại nhiệt độ 25oC, tần số 20kHz)

Trong đó: TH [s] là thời gian nạp từ nguồn +5VDC qua (R1+Rv+R2) đến ngưỡng Uhm thì chuyển sang trạng thái phóng; TL [s] là thời gian phóng qua chân 7 của T555 về âm nguồn, đến ngưỡng Ulm thì chuyển sang trạng thái nạp; Cm [F] là điện dung của cảm biến HCH 1000 tại độ ẩm cần xác định Hm; Cs [F] là điện dung của cảm biến tại độ ẩm tiêu chuẩn 55%, có giá trị điển hình là 330pF; Hs [%] là giá trị độ ẩm tiêu chuẩn (55%) tương ứng với Cs; S [F/%] là độ nhậy (với đáp ứng độ ẩm điển hình S=6.10-5 [F/%]) [3].

Nguyên lý xác định nhiệt độ dựa trên cảm biến cơ bản LM35 như sau: IC đo nhiệt độ chuyên dụng này cung cấp điện áp đầu ra: Vout=10T, [mV], với T [oC] là nhiệt độ môi trường cần đo [4]. Do đó ta chỉ cần mắc thêm vào cảm biến đo cơ bản LM35 mạch khuếch đại tín hiệu đo, sau đó đưa tín hiệu sau khuếch đại đến chân ADC của vi điều khiển PIC. Chương trình đọc ADC trong PIC sẽ tính toán và xử lý số liệu đo cho ta giá trị điện áp Vout tương ứng với nhiệt độ cần đo T oC, từ đó sẽ xác định được nhiệt độ cần đo.

4. Kết luận

Nghiên cứu thiết kế mạng cảm biến không dây trên cơ sở sử dụng cảm biến cơ bản nhiệt độ và độ ẩm nhằm xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu môi trường sinh trưởng của cây trồng đã được trình bày trong bài báo này. Mỗi nút mạng cảm biến không dây được coi là một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm thông minh, từ đó tiến hành thiết kế trạm đo này. Trạm đo thông minh này được tích hợp chip điều khiển, có khả năng xử lý sơ bộ thông tin đo, hiển thị số liệu đo tại hiện trường và thực hiện truyền thông không dây các số liệu đo đến trạm thu thập dữ liệu cơ sở. Điều này tạo tiền đề quan trọng cho việc xây dựng hệ thống giám sát và thu thập số liệu môi trường sinh trưởng của cây trồng, góp phần quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào phát triển bền vững nông nghiệp, là giai đoạn quan trọng tiến tới phát triển nông nghiệp xanh trên diện rộng cho đông đảo nhà nông.

Tuy nhiên việc áp dụng vào nông nghiệp nước nhà cần phải trải qua từng giai đoạn, triển khai theo từng phần để phù hợp với mức đầu tư và việc nắm bắt công nghệ của nhà nông