Tổng quan nghiên cứu

Nông nghiệp truyền thống đang đối mặt với nhiều thách thức như biến đổi khí hậu, dịch bệnh và yêu cầu ngày càng cao về chất lượng sản phẩm. Tỉnh Tây Ninh, một vùng trọng điểm nông nghiệp của Đông Nam Bộ, hiện vẫn chủ yếu dựa vào điều kiện tự nhiên và các phương pháp canh tác truyền thống. Việc ứng dụng công nghệ cao, đặc biệt là hệ thống thu thập thông tin môi trường, là cần thiết để nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng, trong đó có cây dưa lưới – một loại cây có giá trị kinh tế cao. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng hệ thống thu thập thông tin môi trường cho nông nghiệp, hỗ trợ điều chỉnh điều kiện môi trường phù hợp cho cây dưa lưới trong nhà kính tại Tây Ninh, với phạm vi thực nghiệm trong một giai đoạn sinh trưởng của cây dưa lưới.

Hệ thống được thiết kế nhằm thu thập các thông số môi trường quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng và độ pH, từ đó hỗ trợ người nông dân giám sát và điều chỉnh môi trường trồng trọt một cách chính xác và kịp thời. Việc triển khai hệ thống này không chỉ giúp tăng năng suất cây trồng mà còn góp phần phát triển nông nghiệp công nghệ cao, hướng tới nền nông nghiệp thông minh và bền vững. Theo ước tính, việc áp dụng hệ thống có thể giúp giảm thiểu chi phí đầu tư và tiết kiệm năng lượng, đồng thời mở rộng quy mô ứng dụng trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN): Mạng gồm nhiều node cảm biến thu thập dữ liệu môi trường phân tán, truyền về trung tâm xử lý qua kết nối không dây. WSN có ưu điểm triển khai dễ dàng, linh hoạt trong môi trường nông nghiệp, giúp giám sát chính xác các điều kiện sinh trưởng của cây trồng.

  • Giao thức truyền thông Modbus RTU: Là giao thức truyền thông công nghiệp phổ biến, hoạt động theo mô hình Master-Slave, đảm bảo tính ổn định, độ tin cậy cao trong truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị cảm biến và bộ điều khiển.

  • Giao thức UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter): Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ, dùng để truyền dữ liệu giữa các module trong hệ thống, đảm bảo truyền tải dữ liệu chính xác với tốc độ phù hợp.

  • Giao thức MQTT (Message Queue Telemetry Transport): Giao thức truyền thông nhẹ, theo mô hình publish/subscribe, tối ưu băng thông và độ tin cậy trong môi trường mạng không ổn định, phù hợp cho việc truyền dữ liệu từ gateway lên server.

Các khái niệm chính bao gồm: node cảm biến (gồm các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, pH), module RF SI4463 433MHz, vi xử lý STM8C005K6T6, máy tính nhúng Orange Pi Zero, và hệ thống giám sát qua giao diện web.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo các bước:

  • Thu thập tài liệu: Tổng hợp các thông số môi trường phù hợp cho cây dưa lưới trong từng giai đoạn sinh trưởng, các công nghệ cảm biến và truyền thông không dây hiện có.

  • Thiết kế hệ thống: Lựa chọn công nghệ truyền dữ liệu không dây RF kết hợp giao thức Modbus RTU để xây dựng mạng cảm biến không dây gồm 2 node cảm biến, 1 node cơ sở và 1 gateway.

  • Triển khai thực nghiệm: Lắp đặt hệ thống tại nhà kính trồng dưa lưới ở Tây Ninh với diện tích 20x50m, thu thập dữ liệu môi trường trong một giai đoạn sinh trưởng.

  • Phân tích dữ liệu: Sử dụng giao thức MQTT để truyền dữ liệu lên server, xây dựng dashboard giám sát thời gian thực, lưu trữ và phân tích dữ liệu lịch sử.

  • Đánh giá kết quả: So sánh dữ liệu thu thập được với ngưỡng tiêu chuẩn môi trường cho cây dưa lưới, đánh giá hiệu quả hệ thống trong việc hỗ trợ điều chỉnh điều kiện môi trường.

Cỡ mẫu gồm 2 node cảm biến, mỗi node trang bị 4 cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, ánh sáng). Phương pháp chọn mẫu là khảo sát thực địa tại nhà kính trồng dưa lưới. Phân tích dữ liệu dựa trên so sánh các thông số môi trường với ngưỡng tiêu chuẩn và đánh giá khả năng cảnh báo, điều khiển tự động của hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thu thập dữ liệu môi trường: Hệ thống thu thập dữ liệu với chu kỳ 1-2 phút/lần, đảm bảo độ chính xác cao với sai số nhiệt độ ±2ºC, độ ẩm ±5%RH. Dữ liệu được truyền không dây ổn định trong phạm vi 1km, phù hợp với quy mô nhà kính.

  2. Khả năng giám sát và cảnh báo: Dashboard hiển thị dữ liệu thời gian thực, cho phép xem lại lịch sử theo ngày. Hệ thống tự động cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng 25-30ºC hoặc dưới 15ºC, độ ẩm đất ngoài ngưỡng 75-80%, giúp người trồng kịp thời điều chỉnh.

  3. Điều khiển tự động thiết bị: Hệ thống hỗ trợ điều khiển từ xa các thiết bị như mái che, quạt thông gió, bơm tưới nước dựa trên dữ liệu thu thập, giúp duy trì điều kiện môi trường tối ưu cho cây dưa lưới.

  4. Tiết kiệm chi phí và năng lượng: So với các công nghệ truyền thông không dây khác như ZigBee, LoRa, hệ thống sử dụng RF tùy biến với chip SI4463 và MCU STM8S005 có chi phí thấp, kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, phù hợp với điều kiện thực tế tại Tây Ninh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của hệ thống là do lựa chọn công nghệ RF tùy biến kết hợp giao thức Modbus RTU, giúp truyền dữ liệu ổn định và tiết kiệm năng lượng. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng LoRa hay ZigBee, hệ thống này có ưu điểm về chi phí và khả năng mở rộng linh hoạt. Việc tích hợp máy tính nhúng Orange Pi Zero làm gateway và sử dụng giao thức MQTT giúp dữ liệu được truyền tải liên tục, dễ dàng giám sát và điều khiển từ xa.

Biểu đồ thể hiện sự biến động nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính theo thời gian thực có thể minh họa rõ ràng hiệu quả giám sát của hệ thống. Bảng so sánh chi phí và năng lượng tiêu thụ giữa các công nghệ truyền thông cũng làm nổi bật ưu điểm của giải pháp đề xuất.

Hệ thống không chỉ giúp nâng cao năng suất và chất lượng cây dưa lưới mà còn góp phần thúc đẩy phát triển nông nghiệp công nghệ cao tại Tây Ninh, phù hợp với định hướng phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh đến năm 2030.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô hệ thống: Triển khai thêm các node cảm biến tại nhiều khu vực trong nhà kính và ngoài trời để giám sát toàn diện hơn, nâng số lượng node lên 10-20 trong vòng 1 năm tới, do các đơn vị quản lý nông nghiệp và doanh nghiệp nông nghiệp thực hiện.

  2. Tích hợp thêm cảm biến mới: Bổ sung cảm biến đo pH đất, nồng độ CO2 và các chỉ số dinh dưỡng để nâng cao khả năng phân tích môi trường, dự kiến hoàn thành trong 6 tháng, do nhóm nghiên cứu và nhà cung cấp thiết bị phối hợp thực hiện.

  3. Phát triển phần mềm điều khiển tự động: Hoàn thiện hệ thống điều khiển tự động các thiết bị tưới, che nắng, quạt thông gió dựa trên dữ liệu thu thập, nhằm giảm thiểu sự can thiệp thủ công, dự kiến trong 9 tháng, do nhóm phát triển phần mềm đảm nhiệm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho nông dân và kỹ thuật viên về sử dụng hệ thống, bảo trì và khai thác hiệu quả, triển khai trong 3 tháng, do các cơ quan đào tạo và viện nghiên cứu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nông dân và chủ trang trại: Giúp nâng cao hiệu quả quản lý môi trường trồng trọt, giảm thiểu rủi ro do điều kiện thời tiết, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.

  2. Doanh nghiệp nông nghiệp công nghệ cao: Cung cấp giải pháp công nghệ tiết kiệm chi phí, dễ triển khai, hỗ trợ giám sát và điều khiển tự động trong sản xuất quy mô lớn.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Là tài liệu tham khảo về ứng dụng mạng cảm biến không dây và giao thức truyền thông trong nông nghiệp chính xác, phục vụ nghiên cứu và phát triển công nghệ mới.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước: Hỗ trợ xây dựng chính sách phát triển nông nghiệp công nghệ cao, thúc đẩy chuyển đổi số trong nông nghiệp, nâng cao năng lực quản lý và giám sát.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống có thể áp dụng cho cây trồng khác ngoài dưa lưới không?
    Có thể. Hệ thống được thiết kế linh hoạt, chỉ cần điều chỉnh ngưỡng cảnh báo và loại cảm biến phù hợp với đặc tính từng loại cây trồng.

  2. Khoảng cách truyền dữ liệu của hệ thống là bao nhiêu?
    Khoảng cách truyền dữ liệu không dây sử dụng module RF SI4463 đạt tới 1km trong điều kiện lý tưởng, phù hợp với quy mô nhà kính và trang trại vừa và nhỏ.

  3. Hệ thống có hỗ trợ điều khiển tự động không?
    Có. Hệ thống cho phép điều khiển từ xa các thiết bị như mái che, quạt thông gió, bơm tưới dựa trên dữ liệu thu thập và các ngưỡng cài đặt.

  4. Chi phí đầu tư hệ thống có cao không?
    Chi phí được tối ưu nhờ sử dụng công nghệ RF tùy biến và máy tính nhúng giá rẻ, thấp hơn nhiều so với các giải pháp sử dụng ZigBee hay LoRa.

  5. Dữ liệu được lưu trữ và truy cập như thế nào?
    Dữ liệu được truyền lên server qua giao thức MQTT, lưu trữ trên nền tảng đám mây, người dùng có thể truy cập và giám sát qua giao diện web mọi lúc mọi nơi.

Kết luận

  • Xây dựng thành công hệ thống mạng cảm biến không dây thu thập thông tin môi trường cho cây dưa lưới trong nhà kính tại Tây Ninh, với 2 node cảm biến, 1 node cơ sở và 1 gateway.

  • Hệ thống sử dụng công nghệ RF tùy biến kết hợp giao thức Modbus RTU và MQTT, đảm bảo truyền dữ liệu ổn định, tiết kiệm năng lượng và chi phí.

  • Dashboard giám sát thời gian thực giúp người trồng theo dõi, cảnh báo và điều khiển tự động các thiết bị môi trường, nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng.

  • Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống phù hợp với điều kiện thực tế, có khả năng mở rộng và tích hợp thêm các cảm biến mới.

  • Đề xuất mở rộng quy mô, phát triển phần mềm điều khiển tự động và đào tạo chuyển giao công nghệ trong thời gian tới nhằm thúc đẩy phát triển nông nghiệp công nghệ cao tại Tây Ninh.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nông nghiệp và doanh nghiệp áp dụng hệ thống, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao tính năng và mở rộng ứng dụng cho các loại cây trồng khác.