- XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG NÔNG NGHIỆP CHÍNH XÁC Lê Đình Tuấn 1 và Thái Doãn Ngọc 1. - Mạng cảm biến không dây, nông nghiệp chính xác Keywords:. - 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. - 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. - 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.. - 1 GIỚI THIỆU MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY. - Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks, gọi tắt là WSNs) là một mạng bao gồm nhiều nút cảm biến (sensor nodes), được trang bị các nút cảm biến có khả năng cảm biến môi trường như cảm biến nhiệt độ, cảm biến độ ẩm, cảm biến cường độ ánh sáng. - không dây (wirelessly) với các nút còn lại tạo thành một mạng cảm biến không dây phủ sóng một vùng vật lý nào đó nhằm giám sát, theo dõi và quản lý vùng đó [2]. - Thông tin thu được từ một nút cảm biến sẽ được truyền về một trạm gốc (base station hay gateway) thông qua các nút cảm biến khác, và cuối cùng thông qua Internet truyền về trung tâm dữ liệu để lưu trữ, phân tích và xử lý.. - 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. - 2 ỨNG DỤNG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY TRONG NÔNG NGHIỆP. - Theo truyền thống nông nghiệp là việc thực hiện một nhiệm vụ cụ thể, chẳng hạn như trồng hoặc thu hoạch, với một lịch trình định trước.. - Nhưng bằng cách thu thập dữ liệu thời gian thực về thời tiết, đất và chất lượng không khí, theo dõi sự trưởng thành của cây trồng và thậm chí cả trang thiết bị và chi phí lao động, các phân tích có thể được sử dụng để đưa ra quyết định thông minh hơn. - Đây được gọi là nông nghiệp chính xác (hoặc canh tác chính xác). - Một định nghĩa của nông nghiệp chính xác có thể là như sau: kỹ thuật áp dụng đúng số lượng đầu vào (nước, phân bón, thuốc trừ sâu. - Hình 2: Cấu trúc một nút cảm biến Với nông nghiệp chính xác, trung tâm kiểm soát thu thập và xử lý dữ liệu trong thời gian thực để giúp nông dân đưa ra quyết định tốt nhất liên quan đến trồng, bón phân và thu hoạch cây trồng có. - Các nút cảm biến được đặt tại nơi trồng để đo nhiệt độ và độ ẩm của đất và không khí xung quanh. - Ứng dụng cảm biến không dây trong nông nghiệp chính xác nâng cao hiệu quả, năng suất và lợi nhuận trong nhiều hệ thống sản xuất nông nghiệp, trong khi giảm thiểu tác động không mong muốn đến địa điểm nơi trồng. - Thay vì đưa ra quyết định dựa vào một số điều kiện trung bình giả thuyết hay kinh nghiệm chủ quan của cá nhân, có thể không tồn tại bất cứ nơi nào trong thực tế, một cách tiếp cận nông nghiệp chính xác nhận ra sự khác biệt và điều chỉnh hoạt động quản lý tối ưu.. - Việc ứng dụng mạng cảm biến không dây để quản lý hoạt động nông nghiệp chính xác làm giảm đáng kể số lượng đầu vào như phân bón, nước, thuốc trừ sâu. - Nông nghiệp bền vững tìm cách để đảm bảo một nguồn cung cấp liên tục của thực phẩm trong giới hạn sinh thái, kinh tế và xã hội cần thiết để duy trì sản xuất trong dài hạn. - Do đó độ chính xác nông nghiệp bằng cách sử dụng mạng cảm biến không dây sẽ cho phép theo đuổi mục tiêu này.. - Ngoài ra, mạng cảm biến không dây còn được sử dụng để điều khiển trong nhà kính [3][4][5].. - Các yếu tố chính liên quan đến hệ thống điều khiển nhà kính: nhiệt độ, độ ẩm, khí CO 2 , nồng độ, bức xạ, nước và chất dinh dưỡng có thể được điều khiển bằng mạng cảm biến không dây. - Hệ thống tưới tiêu thông minh sử dụng mạng cảm biến không dây cũng là một trong các nghiên cứu được quan tâm nhiều vì lợi thế trong việc tiết kiệm nhân lực và tiết kiệm nước [6][7][8]. - Tất cả các nhà sản xuất nông nghiệp có một yêu cầu lượng nước tối thiểu hàng năm để tồn tại và yêu cầu lượng nước tối ưu hàng năm cho sản xuất tối đa. - Do đó hệ thống tưới tiêu thông minh là cần thiết để nâng cao năng suất cây trồng.. - 3 XÂY DỰNG MẠNG CẢM BIẾN. - KHÔNG DÂY PHỤC VỤ NÔNG NGHIỆP TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG. - Phần này mô tả mô hình mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp chính xác và việc triển khai thử nghiệm tại Tường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.. - Hình 3: Một nút cảm biến được triển khai tại Trường Đại học. - 3.1 Mô hình tổng thể của hệ thống. - Hình 4 mô tả mô hình tổng thể của hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ nông nghiệp chính xác. - Tại mỗi khu vực canh tác các nút cảm biến được triển khai nhằm theo dõi các thông số kỹ thuật liên quan đến chất lượng cây trồng như nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, ánh sáng. - Tại mỗi khu vực, các dữ liệu này. - được thu thập, lưu trữ và truyền tải không dây về một nút quản lý vùng, và sau đó dữ liệu được tiếp tục được truyền tải đến trung tâm điều hành và cuối cùng về trung tâm tổng điều hành thông qua mạng Internet. - Dựa trên các thông số thu thập được, người dùng có thể xử lý và điều khiển từ các trung tâm điều hành hoặc trung tâm tổng điều hành để đưa ra các biện pháp thích hợp trong sản xuất nông nghiệp nhằm tăng cường sản xuất và nâng cao chất lượng. - Do mô hình hệ thống có khả năng mở rộng nên. - hệ thống này có thể triển khai trên quy mô nhỏ (như một cánh đồng canh tác của một cá thể) đến quy mô lớn (như khu vực diện rộng ở cấp huyện, cấp thị xã, thành phố thậm chí cấp quốc gia). - Hình 4: Mô hình tổng thể của hệ thống. - 3.2 Mô hình chi tiết một khu vực giám sát Hình 5 mô tả chi tiết cấu trúc của hệ thống tại. - một khu vực giám sát, bao gồm các nút cảm biến và một nút quản lý vùng.. - Nút cảm biến (Sensor nodes). - Nút cảm biến (Sensor nodes) là một thiết bị được trang bị khả năng cảm biến môi trường như độ ẩm không khí, nhiệt độ, độ pH, lượng mưa, tốc độ và hướng gió, cường độ ánh sáng, hình ảnh.... - Ngoài ra, nút cảm biến còn có khả năng giao tiếp với các nút cảm biến khác trong cùng 1 vùng phủ sóng và truyền tải không dây các dữ liệu thu thập được về trạm trung gian nội bộ.. - Nút quản lý vùng (Field Managemnent Nodes). - Nút quản lý vùng là nút có nhiệm vụ quản lý các nút cảm biến trong vùng phủ sóng và đóng vai trò là nút trung gian giữa các nút cảm biến và trung tâm điều hành, nhận dữ liệu từ các nút cảm biến trong khu vực và truyền dữ liệu này về trung tâm điều hành gần nhất. - Ngoài ra, nút quản lý vùng còn có nhiệm vụ nhận và truyền lệnh từ trung tâm điều. - hành đến các nút cảm biến để thực thi lệnh theo yêu cầu của trung tâm điều hành.. - Phần này mô tả phần cứng của hệ thống được xây dựng tại khu vực giám sát và trung tâm điều hành.. - 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:. - Khối trung tâm xử lý: Đảm nhận việc tập hợp dữ liệu từ khối thu thập dữ liệu sau đó điều khiển khối giao tiếp để truyền về nút quản lý vùng, và ra lệnh cho khối hiện thị xuất ra màn hình.. - Khối giao tiếp: Sau khi khối trung tâm xử lý tập hợp dữ liệu và gửi cho khối giao tiếp, khối giao tiếp sẽ thực hiện công việc truyền dữ liệu về nút quản lý vùng.. - Khối lưu trữ: Công việc duy nhất là lưu lại dữ liệu vào thẻ nhớ.. - Hình 6: Cấu trúc nút cảm biến (DHLA-WSN). - Nút quản lý vùng DHLA-WMN. - Nút trung gian DHLA-WMN là nơi nhận dữ liệu từ nút cảm biến rồi truyền về cho trung tâm điều hành và đồng thời nhận lệnh từ trung tâm điều hành truyền về cho nút cảm biến để thực thi.. - Hình 7: Cấu trúc nút quản lý vùng (DHLA-WMN). - Hình 7 mô tả cấu trúc của một nút quản lý vùng. - Một nút quản lý vùng 4 thành phần sau:. - Khối trung tâm xử lý: xử lý các thông tin nhận được từ khối giao tiếp và trả dữ liệu về nếu cần.. - Khối giao tiếp: đảm nhận công việc giao tiếp dữ các nút cảm biến và trung tâm điều hành.. - 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 thống tưới tiêu hay hoạt động khi thỏa một số yêu. - Tại trung tâm có kết nối với Internet, GPRS, SMS hỗ trợ giám sát hoặc điều khiển từ xa. - Hệ thống máy tính, thiết bị tại trung tâm DHLA_CENTER được xây dựng như sau:. - Modem wireless: thiết bị thu phát dữ liệu không dây.. - 3.4.1 Tại các nút cảm biến (DHLA-WSN-SOFT) Chương trình được xây dựng tại các nút cảm biến cứ sau 1 khoảng thời gian sẽ cảm biến môi trường, thông qua bộ lọc dữ liệu (data filter) và gởi về nút quản lý vùng. - và truyền về trung tâm điều hành. - tiếp nhận và xử lý các yêu cầu từ trung tâm điều hành với các nút DHLA-WSN.. - 3.4.3 Trung tâm điều hành. - Phần mềm DHLA_SOFT được triển khai tại trung tâm điều hành hoặc tổng trung tâm điều hành. - Hiển thị và lưu trữ thông dữ liệu thông số môi trường phục vụ việc theo dõi lâu dài cho người sử dụng (Hình 9).. - Các nhà nông dân sử dụng có thể lập kế hoạch cho hệ thống hoạt động theo một chu trình nào đó. - Ví dụ hệ thống sẽ tưới tiêu từ 8 giờ đến 9 h hằng ngày từ thứ 2 đến thứ 7. - Tuy nhiên việc lập lịch không thể linh hoạt theo sự thay đổi của môi trường, nên hệ thống phần mềm cũng cung cấp cho việc lập kế hoạch điều khiển tự động dựa vào những thông số mà nút quản lý vùng gửi về (Hình 11). - Ví dụ khi nhiệt độ tăng cao hơn 30 0 C thì hệ thống sẽ phun sương để làm mát môi trường và tăng độ ẩm, đến khi nhiệt độ hạ xuống 25 0 C thì hệ thống sẽ tắt phun sương.. - Hệ hỗ trợ ra quyết định, với dữ liệu mà hệ thống thu thập được theo thời gian, và dữ liệu về cây trồng thì phần mềm có thể giúp người dùng chăm sóc cây trồng tốt hơn.. - Hình 9: Giao diện thông tin nhiệt độ và độ ẩm tại một nút cảm biến. - Bài viết này đã giới thiệu 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. - Hệ thống đã được xây dựng, triển khai và chạy thử nghiệm tại trường bước đầu hoạt động tốt hứa hẹn đem lại nhiều lợi ích đáng kể. - Đây là công nghệ mới giúp nông dân và doanh nghiệp dễ dàng tiếp cận và ứng dụng vào sản xuất nông nghiệp, tiết kiệm nguyên liệu đầu vào, nâng cao hiệu quả, năng suất và lợi nhuận trong hệ thống sản xuất nông nghiệp. - Đặc biệt, với việc làm chủ công nghệ hoàn toàn từ việc thiết kế xây dựng phần cứng đến phần mềm cho các nút cảm biến hoạt động nên giá thành của sản phẩm không cao, ít phụ thuộc vào công nghệ nước ngoài và phù hợp với thị trường tại Việt Nam.. - Mô hình này có thể được phát triển và ứng dụng rộng rãi cùng với các chuyên gia nông nghiệp để tìm ra bộ thông số tối ưu cho mỗi loại cây trồng phù. - Mạng cảm biến không dây phục vụ cho nông nghiệp là một hướng đi mới cho nông nghiệp đồng 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 cho phép theo đuổi mục tiêu này.