- Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG NÔNG NGHIỆP CHÍNH XÁC Lê Đình Tuấn1 và Thái Doãn Ngọc1 1 Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An ABSTRACT Thông tin chung: Ngày nhận This paper describes the design, implementation, and deployment of Ngày chấp nhận wireless sensor network for precision agriculture at Long An University of Economics and Industry. - Wireless sensor network is built for monitoring and controlling environmental parameters, such as Từ khóa: the environmental parameters (air temperature, air humidity, light, insects, Mạng cảm biến không dây, weeds, etc.) and other parameters related to soil conditions (soil moisture, nông nghiệp chính xác pH, etc. - TÓM TẮT Bài báo này mô tả việc thiết kế, xây dựng và triển khai mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp chính xác tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. - Nông nghiệp chính xác hoặc canh tác chính xác là kỹ thuật áp dụng đúng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu. - vào đúng vị trí và vào đúng thời điểm để tăng cường sản xuất và nâng cao chất lượng [1]. - Mạng cảm biến không dây được xây dựng nhằm phục vụ yêu cầu của nông nghiệp chính xác. - Thông qua mạng cảm biến không dây, người nông dân có thể thu thập được các thông số đến quy trình sản xuất nông nghiệp như nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, ánh sáng, độ ẩm đất, độ pH. - Các thông tin này được thu thập, lưu trữ và truyền tải không dây đến trạm quản lý để phân tích và xử lý, qua đó người sử dụng có thể điều khiển và đưa ra các quyết định phù hợp nhằm tăng cường sản xuất và nâng cao chất lượng cây trồng. - Hệ thống được thiết kế và xây dụng cả phần cứng và phần mềm. - Về phần cứng, hệ thống gồm 3 phần chính: các nút cảm biến DHLA-WSN tại khu vực giám sát, các nút quản lý vùng DHLA-WMN, và trung tâm điều hành (server). - Tại mỗi nút các phần mềm được xây dựng để lập trình hệ thống hoạt động theo yêu cầu. - Hệ thống đã chạy thử nghiệm tại trường bước đầu hoạt động tốt và hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích đáng kể trong hệ thống sản xuất nông nghiệp. - 115 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN không dây (wirelessly) với các nút còn lại tạo KHÔNG DÂY thành một mạng cảm biến không dây phủ sóng một vùng vật lý nào đó nhằm giám sát, theo dõi và quản Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor lý vùng đó [2]. - Thông tin thu được từ một nút cảm Networks, gọi tắt là WSNs) là một mạng bao gồm biến sẽ được truyền về một trạm gốc (base station nhiều nút cảm biến (sensor nodes), được trang bị hay gateway) thông qua các nút cảm biến khác, và các nút cảm biến có khả năng cảm biến môi trường cuối cùng thông qua Internet truyền về trung tâm như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến dữ liệu để lưu trữ, phân tích và xử lý. - và có khả năng giao tiếp Hình 1: Một ví dụ về mạng cảm biến không dây theo dõi lượng nước mưa Một nút cảm biến thông thường bao gồm các thành phần sau: Bộ vi xử lý nhỏ và sử dụng năng lượng ít (low power processor). - Radio để truyền dữ liệu không dây. - và các bộ cảm biến (sensors). - Mạng cảm biến không dây được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như: giám sát kết cấu của công trình (cầu, tòa nhà. - giám sát các Hình 2: Cấu trúc một nút cảm biến tòa nhà thông minh… Với nông nghiệp chính xác, trung tâm kiểm 2 ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN soát thu thập và xử lý dữ liệu trong thời gian thực KHÔNG DÂY TRONG NÔNG NGHIỆP để giúp nông dân đưa ra quyết định tốt nhất liên quan đến trồng, bón phân và thu hoạch cây trồng Theo truyền thống nông nghiệp là việc thực có. - Các nút cảm biến được đặt tại nơi trồng để đo hiện một nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như trồng nhiệt độ và độ ẩm của đất và không khí xung hoặc thu hoạch, với một lịch trình định trước. - Ứng dụng cảm biến không dây trong nông Nhưng bằng cách thu thập dữ liệu thời gian thực về nghiệp chính xác nâng cao hiệu quả, năng suất và thời tiết, đất và chất lượng không khí, theo dõi sự lợi nhuận trong nhiều hệ thống sản xuất nông trưởng thành của cây trồng và thậm chí cả trang nghiệp, trong khi giảm thiểu tác động không mong thiết bị và chi phí lao động, các phân tích có thể muốn đến địa điểm nơi trồng. - Các thông tin thời được sử dụng để đưa ra quyết định thông minh gian thực thu được từ các lĩnh vực có thể cung cấp hơn. - Đây được gọi là nông nghiệp chính xác (hoặc một cơ sở vững chắc cho nông dân để điều chỉnh canh tác chính xác). - Thay vì đưa ra quyết nghiệp chính xác có thể là như sau: kỹ thuật áp định dựa vào một số điều kiện trung bình giả dụng đúng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuyết hay kinh nghiệm chủ quan của cá nhân, có thuốc trừ sâu. - vào đúng vị trí và vào đúng thời thể không tồn tại bất cứ nơi nào trong thực tế, một điểm để tăng cường sản xuất và nâng cao chất cách tiếp cận nông nghiệp chính xác nhận ra sự lượng [1]. - khác biệt và điều chỉnh hoạt động quản lý tối ưu. - 116 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để Chức năng chính của một nhà kính là để cung cấp quản lý hoạt động nông nghiệp chính xác làm giảm một môi trường thuận lợi hơn so với bên ngoài. - đáng kể số lượng đầu vào như phân bón, nước, Các yếu tố chính liên quan đến hệ thống điều khiển thuốc trừ sâu. - Nông dân do đó thu được lợi nhuận trên đầu xạ, nước và chất dinh dưỡng có thể được điều tư của mình bằng cách tiết kiệm chi phí kiểm dịch khiển bằng mạng cảm biến không dây. - Hệ thống thực vật và phân bón. - Áp dụng đúng số lượng đầu tưới tiêu thông minh sử dụng mạng cảm biến vào ở đúng nơi và đúng thời điểm đem lại lợi ích không dây cũng là một trong các nghiên cứu được cho cây trồng, trong khi tiết kiệm nguồn tài nguyên quan tâm nhiều vì lợi thế trong việc tiết kiệm nhân như đất và nước ngầm, và do đó tối ưu hóa toàn bộ lực và tiết kiệm nước [6][7][8]. - Nông nghiệp bền vững tìm cách sáng mặt trời, các chất dinh dưỡng và nước để phát để đảm bảo một nguồn cung cấp liên tục của thực triển. - Tất cả các nhà sản xuất nông nghiệp có một phẩm trong giới hạn sinh thái, kinh tế và xã hội cần yêu cầu lượng nước tối thiểu hàng năm để tồn tại thiết để duy trì sản xuất trong dài hạn. - Do đó độ và yêu cầu lượng nước tối ưu hàng năm cho sản chính xác nông nghiệp bằng cách sử dụng mạng xuất tối đa. - Do đó hệ thống tưới tiêu thông minh là cảm biến không dây sẽ cho phép theo đuổi mục cần thiết để nâng cao năng suất cây trồng. - 3 XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN Ngoài ra, mạng cảm biến không dây còn được KHÔNG DÂY PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP TẠI sử dụng để điều khiển trong nhà kính [3][4][5]. - TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG Một nhà kính là một cấu trúc bao phủ mặt đất NGHIỆP LONG AN thường được sử dụng cho sự tăng trưởng và phát triển của cây. - Cấu trúc này được gắn với mục đích Phần này mô tả mô hình mạng cảm biến không bảo vệ cây trồng và cho phép một môi trường tốt dây phục vụ nông nghiệp chính xác và việc triển hơn để phát triển. - Sự bảo vệ này đủ để đảm bảo khai thử nghiệm tại Tường Đại học Kinh tế Công đem lại chất lượng cao trong sản xuất cây trồng. - Hình 3: Một nút cảm biến được triển khai tại Trường Đại học KTCN Long An 3.1 Mô hình tổng thể của hệ thống được thu thập, lưu trữ và truyền tải không dây về một nút quản lý vùng, và sau đó dữ liệu được tiếp Hình 4 mô tả mô hình tổng thể của hệ thống tục được truyền tải đến trung tâm điều hành và cuối mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp cùng về trung tâm tổng điều hành thông qua mạng chính xác. - Tại mỗi khu vực canh tác các nút cảm Internet. - Dựa trên các thông số thu thập được, biến được triển khai nhằm theo dõi các thông số kỹ người dùng có thể xử lý và điều khiển từ các trung thuật liên quan đến chất lượng cây trồng như nhiệt tâm điều hành hoặc trung tâm tổng điều hành để độ không khí, độ ẩm không khí, ánh sáng. - Tại mỗi khu vực, các dữ liệu này lượng. - Ví dụ, nếu xác định độ ẩm đất tại một khu 117 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin vực thấp hơn yêu cầu, người dùng có thể ra lệnh từ hệ thống này có thể triển khai trên quy mô nhỏ xa kích hoạt máy bơm nước tại khu vực để cải (như một cánh đồng canh tác của một cá thể) đến thiện độ ẩm. - Hình 4: Mô hình tổng thể của hệ thống 3.2 Mô hình chi tiết một khu vực giám sát một khu vực giám sát, bao gồm các nút cảm biến và một nút quản lý vùng. - Hình 5 mô tả chi tiết cấu trúc của hệ thống tại Hình 5: Mô hình chi tiết một khu vực giám sát a. - Nút cảm biến (Sensor nodes) b. - Nút quản lý vùng (Field Managemnent Nodes) Nút cảm biến (Sensor nodes) là một thiết bị được trang bị khả năng cảm biến môi trường như Nút quản lý vùng là nút có nhiệm vụ quản lý độ ẩm không khí, nhiệt độ, độ pH, lượng mưa, tốc các nút cảm biến trong vùng phủ sóng và đóng vai độ và hướng gió, cường độ ánh sáng, hình ảnh. - trò là nút trung gian giữa các nút cảm biến và trung (tùy vào cảm biến được trang bị). - Ngoài ra, nút tâm điều hành, nhận dữ liệu từ các nút cảm biến cảm biến còn có khả năng giao tiếp với các nút trong khu vực và truyền dữ liệu này về trung tâm cảm biến khác trong cùng 1 vùng phủ sóng và điều hành gần nhất. - Ngoài ra, nút quản lý vùng còn truyền tải không dây các dữ liệu thu thập được về có nhiệm vụ nhận và truyền lệnh từ trung tâm điều trạm trung gian nội bộ. - 118 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin hành đến các nút cảm biến để thực thi lệnh theo b. - Nút quản lý vùng DHLA-WMN yêu cầu của trung tâm điều hành. - Nút trung gian DHLA-WMN là nơi nhận dữ 3.3 Phần cứng liệu từ nút cảm biến rồi truyền về cho trung tâm Phần này mô tả phần cứng của hệ thống điều hành và đồng thời nhận lệnh từ trung tâm điều được xây dựng tại khu vực giám sát và trung tâm hành truyền về cho nút cảm biến để thực thi. - điều hành. - 3.3.1 Khu vực giám sát a. - Nút cảm biến (DHLA-WSN) Hình 6 mô tả cấu trúc của một nút cảm biến trong hệ thống. - Một nút cảm biến gồm 5 thành phần sau đây. - Khối thu thập dữ liệu: bao gồm các cảm biến: o Ánh sáng: thu thập cường độ ánh sáng. - Hình 7: Cấu trúc nút quản lý vùng Khối trung tâm xử lý: Đảm nhận việc tập (DHLA-WMN) hợp dữ liệu từ khối thu thập dữ liệu sau đó điều khiển khối giao tiếp để truyền về nút quản lý vùng, Hình 7 mô tả cấu trúc của một nút quản lý và ra lệnh cho khối hiện thị xuất ra màn hình. - Một nút quản lý vùng 4 thành phần sau. - Khối giao tiếp: Sau khi khối trung tâm xử lý Khối cung cấp năng lượng: khối này sẽ cấp tập hợp dữ liệu và gửi cho khối giao tiếp, khối giao nguồn điện 12V cho thiết bị hoạt động. - Điện có thể tiếp sẽ thực hiện công việc truyền dữ liệu về nút lấy từ năng lượng mặt trời, pin dự trữ … quản lý vùng. - Khối trung tâm xử lý: xử lý các thông Khối lưu trữ: Công việc duy nhất là lưu lại tin nhận được từ khối giao tiếp và trả dữ liệu về dữ liệu vào thẻ nhớ. - Khối giao tiếp: đảm nhận công việc giao tiếp dữ các nút cảm biến và trung tâm điều hành. - Khối điều khiển: thực hiện đóng, mở các thiết bị như máy bơm, máy phun sương, đèn, quạt gió… 3.3.2 Trung tâm điều hành Trung tâm điều điều hành là nơi nhận và xử lý số liệu, tại trung tâm khi nhận dữ liệu sẽ được lưu và hiển thị trên PC, giúp các nhà sản xuất, nhà nghiên cứu có dữ liệu chính xác ngay tại thời điểm. - Với các dữ liệu được lưu trên PC và một số thuật toán phân tích số liệu đặc thù sẽ giúp cho nông dân, nhà sản xuất có một góc nhìn tổng thể về khu vực họ cần giám sát, hỗ trợ cho họ một số quyết định (hệ hỗ trợ quyết định) Từ PC họ có thể điều khiển lập ra lịch cho hệ Hình 6: Cấu trúc nút cảm biến (DHLA-WSN) thống tưới tiêu hay hoạt động khi thỏa một số yêu 119 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin cầu mà họ đề ra. - PC sẽ tự động gởi lệnh về hệ và truyền về trung tâm điều hành. - lý các yêu cầu từ trung tâm điều hành với các nút DHLA-WSN. - Tại trung tâm có kết nối với Internet, GPRS, SMS hỗ trợ giám sát hoặc điều khiển từ xa. - Hệ 3.4.3 Trung tâm điều hành thống máy tính, thiết bị tại trung tâm Phần mềm DHLA_SOFT được triển khai tại DHLA_CENTER được xây dựng như sau: trung tâm điều hành hoặc tổng trung tâm điều Phần cứng hành. - Máy Server: chức năng quản lý các thiết bị ngoại vi. - Modem SMS: gửi, nhận SMS qua các Hiển thị và lưu trữ thông dữ liệu thông số nhà mạng. - Modem wireless: thiết bị thu phát dữ liệu không dây. - Lập lịch và lập kế hoạch điều khiển tự động vùng giám sát quản lý (Hình 10). - Các nhà nông Modem ADSL: thiết bị thu phát mạng băng dân sử dụng có thể lập kế hoạch cho hệ thống hoạt thông rộng. - Ví dụ hệ thống sẽ 3.4 Phần mềm giám sát, điều kiển tưới tiêu từ 8 giờ đến 9 h hằng ngày từ thứ 2 đến DHLA_SOFT thứ 7. - Tuy nhiên việc lập lịch không thể linh hoạt 3.4.1 Tại các nút cảm biến (DHLA-WSN-SOFT) theo sự thay đổi của môi trường, nên hệ thống phần Chương trình được xây dựng tại các nút cảm mềm cũng cung cấp cho việc lập kế hoạch điều biến cứ sau 1 khoảng thời gian sẽ cảm biến môi khiển tự động dựa vào những thông số mà nút quản trường, thông qua bộ lọc dữ liệu (data filter) và gởi lý vùng gửi về (Hình 11). - Ví dụ khi nhiệt độ tăng về nút quản lý vùng. - Thông tin có thể gởi đi với cao hơn 300C thì hệ thống sẽ phun sương để làm lịch trình định trước hoặc gởi đi khi nhận được yêu mát môi trường và tăng độ ẩm, đến khi nhiệt độ hạ cầu từ nút quản lý vùng. - xuống 250C thì hệ thống sẽ tắt phun sương. - 3.4.2 Nút quản lý vùng DHLA-WMN-SOFT Hệ hỗ trợ ra quyết định, với dữ liệu mà hệ thống thu thập được theo thời gian, và dữ liệu về DHLA-WMN-SOFT có 2 chức năng chính: xử cây trồng thì phần mềm có thể giúp người dùng lý các thông tin nhận được từ các nút DHLA-WSN chăm sóc cây trồng tốt hơn. - Hình 8: Giao diện thông tin khu vực giám sát 120 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin Hình 9: Giao diện thông tin nhiệt độ và độ ẩm tại một nút cảm biến Hình 10: Giao diện thiết lập kế hoạch tưới tiêu theo thời gian Hình 11: Giao diện thiết lập điều khiển kiểm soát môi trường tự động 121 Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ Số chuyên đề: Công nghệ Thông tin KẾT LUẬN tại Viện Nghiên cứu Úc CSIRO, Brisbane, Australia. - Sarfraz Nawaz, Researcher tại Bài viết này đã giới thiệu việc thiết kế, xây Trường Đại học Cambridge, UK đã hỗ trợ và tư dựng và triển khai mạng cảm biến không dây phục vấn kỹ thuật cho chúng tôi. - vụ nông nghiệp chính xác tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. - Hệ thống đã được xây TÀI LIỆU THAM KHẢO dựng, triển khai và chạy thử nghiệm tại trường 1. - In và doanh nghiệp dễ dàng tiếp cận và ứng dụng vào Proceedings of International Conference on sản xuất nông nghiệp, tiết kiệm nguyên liệu đầu Environmental Science and Information vào, nâng cao hiệu quả, năng suất và lợi nhuận Application Technology, Wuhan, China, 4– trong hệ thống sản xuất nông nghiệp. - việc làm chủ công nghệ hoàn toàn từ việc thiết kế xây dựng phần cứng đến phần mềm cho các nút 2. - Jennifer Yick, Biswanath Mukherjee, Dipak cảm biến hoạt động nên giá thành của sản phẩm Ghosal, Wireless Sensor Network Survey, không cao, ít phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài Computer Networks, August 2008, Volume và phù hợp với thị trường tại Việt Nam. - "WSN-based dụng rộng rãi cùng với các chuyên gia nông nghiệp Support for Irrigation Efficiency để tìm ra bộ thông số tối ưu cho mỗi loại cây trồng Improvements in Arab Countries." phù hợp cho mỗi địa phương, phát huy được tiềm năng 4. - In Proceedings of International Conference on Mạng cảm biến không dây phục vụ cho nông Networking and Services, Cancun, Mexico, nghiệp là một hướng đi mới cho nông nghiệp đồng 7–13 March 2010. - bằng sông Cửu Long nói riêng và cả nước nói chung để hướng tới nông nghiệp bền vững. - Do đó, nông nghiệp chính xác . - bằng cách sử dụng mạng cảm biến không dây sẽ 7. - Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An đã R