Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nông nghiệp truyền thống tại Việt Nam, đặc biệt là tỉnh Tây Ninh, việc quản lý điều kiện môi trường cho cây trồng còn phụ thuộc nhiều vào kinh nghiệm và quan sát thủ công. Theo ước tính, Tây Ninh chưa có vùng nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao được công nhận, trong khi biến đổi khí hậu và yêu cầu về chất lượng nông sản ngày càng khắt khe đặt ra thách thức lớn cho người nông dân. Mục tiêu của nghiên cứu là xây dựng một hệ thống thu thập thông tin môi trường cho nông nghiệp chính xác, hỗ trợ điều chỉnh điều kiện môi trường phù hợp cho cây dưa lưới trong nhà kính, nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống gồm 2 node cảm biến trong nhà kính trồng dưa lưới tại Tây Ninh, theo dõi một giai đoạn phát triển của cây. Hệ thống thu thập các thông số môi trường quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cường độ ánh sáng, truyền dữ liệu không dây về trung tâm xử lý và hiển thị trên nền web. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp giải pháp công nghệ cao, tiết kiệm chi phí, dễ triển khai và mở rộng, góp phần thúc đẩy phát triển nông nghiệp công nghệ cao tại địa phương, đồng thời hỗ trợ người nông dân quản lý môi trường trồng trọt chính xác hơn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network - WSN), trong đó các node cảm biến thu thập dữ liệu môi trường phân tán và truyền về trung tâm qua kết nối không dây. WSN được ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp công nghệ cao để giám sát và điều khiển môi trường trồng trọt. Các khái niệm chính bao gồm:

  • Node cảm biến: Bao gồm bộ cảm biến (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ pH), bộ xử lý (MCU STM8C005K6T6), bộ thu phát không dây (module RF SI4463 433MHz HC-12) và nguồn điện.
  • Giao thức truyền dữ liệu Modbus RTU: Giao thức truyền thông công nghiệp hoạt động theo mô hình Master-Slave, sử dụng đường truyền RS485 hoặc RS232, được tùy biến để truyền dữ liệu không dây qua sóng RF.
  • Giao thức UART: Giao tiếp nối tiếp không đồng bộ giữa các thiết bị, sử dụng các bit Start, Stop và Parity để đồng bộ và kiểm tra dữ liệu.
  • Giao thức MQTT: Giao thức truyền thông theo mô hình publish/subscribe, tối ưu băng thông và độ tin cậy, được sử dụng để truyền dữ liệu từ gateway lên server.

Ngoài ra, nghiên cứu còn áp dụng các kiến thức về cảm biến vật lý và hóa học, đặc biệt là các loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và cảm biến ánh sáng kỹ thuật số TSL2561.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và xây dựng ứng dụng thực nghiệm. Cụ thể:

  • Thu thập dữ liệu: Tài liệu liên quan đến các thông số môi trường phù hợp cho cây dưa lưới trong từng giai đoạn phát triển được tổng hợp từ các nghiên cứu và báo cáo ngành.
  • Thiết kế hệ thống: Lựa chọn công nghệ truyền dữ liệu không dây RF tùy biến kết hợp giao thức Modbus RTU, sử dụng MCU STM8C005K6T6 và module RF SI4463 HC-12 để xây dựng node cảm biến và node cơ sở.
  • Phân tích và xử lý dữ liệu: Dữ liệu thu thập được truyền về gateway sử dụng máy tính nhúng Orange Pi Zero, kết nối internet qua giao thức MQTT để đưa dữ liệu lên server, hiển thị trên dashboard web.
  • Thời gian nghiên cứu: Hệ thống được triển khai và thử nghiệm trong nhà kính trồng dưa lưới tại Tây Ninh, theo dõi một giai đoạn phát triển cây trong năm 2022.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống thực nghiệm gồm 2 node cảm biến đặt tại các vị trí khác nhau trong nhà kính, được lựa chọn để đánh giá tính khả thi và hiệu quả của hệ thống.

Phương pháp phân tích tập trung vào đánh giá độ chính xác dữ liệu thu thập, khả năng truyền dữ liệu không dây ổn định, và hiệu quả trong việc hỗ trợ điều chỉnh môi trường trồng dưa lưới.

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 nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất và ánh sáng với tần suất 1-2 phút/lần, đảm bảo dữ liệu thời gian thực và chính xác. Ví dụ, nhiệt độ đo được trong nhà kính dao động từ 20ºC đến 35ºC, phù hợp với yêu cầu sinh trưởng của dưa lưới.

  2. Khả năng truyền dữ liệu không dây ổn định: Module RF SI4463 HC-12 hoạt động ổn định trong phạm vi 1 km, với tốc độ truyền 5000 bps, đảm bảo truyền dữ liệu liên tục từ các node cảm biến về node cơ sở. Tỷ lệ mất gói tin dưới 2%, phù hợp cho ứng dụng nông nghiệp chính xác.

  3. Hiển thị và điều khiển từ xa qua web: Dữ liệu được cập nhật liên tục trên dashboard web với biểu đồ trực quan, cho phép người dùng theo dõi điều kiện môi trường theo thời gian thực và lịch sử. Hệ thống hỗ trợ cài đặt ngưỡng cảnh báo và điều khiển tự động các thiết bị như quạt, mái che, bơm tưới nước.

  4. Tác động tích cực đến quản lý cây trồng: Việc tự động điều chỉnh môi trường dựa trên dữ liệu thu thập giúp duy trì nhiệt độ trong khoảng 25-30ºC, độ ẩm đất 75-80%, và ánh sáng đủ 8-12 giờ/ngày, góp phần giảm thiểu tình trạng cây héo do nhiệt độ quá cao hoặc thiếu nước, nâng cao năng suất và chất lượng dưa lưới.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của hiệu quả trên là do việc lựa chọn công nghệ RF tùy biến kết hợp giao thức Modbus RTU giúp giảm chi phí, tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng hệ thống. So sánh với các nghiên cứu trước đây sử dụng LoRa hoặc ZigBee, hệ thống này có ưu điểm về chi phí thấp và dễ triển khai trong điều kiện địa hình không phức tạp như Tây Ninh.

Dữ liệu thu thập có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian thực và bảng số liệu chi tiết, giúp người dùng dễ dàng nhận biết các biến động môi trường và đưa ra quyết định kịp thời. Hệ thống cũng cho phép điều khiển tự động hoặc thủ công các thiết bị hỗ trợ, giảm thiểu công sức và sai sót trong chăm sóc cây trồng.

Tuy nhiên, hệ thống hiện tại chỉ thử nghiệm với 2 node cảm biến và trong phạm vi nhà kính nhỏ, do đó cần mở rộng quy mô và thử nghiệm trong điều kiện thực tế đa dạng hơn để đánh giá toàn diện hơn về hiệu quả và độ bền của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng quy mô hệ thống: Tăng số lượng node cảm biến lên tối thiểu 10-20 node để bao phủ diện tích nhà kính lớn hơn, đảm bảo thu thập dữ liệu toàn diện và chính xác hơn. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các doanh nghiệp nông nghiệp và hợp tác xã.

  2. Tích hợp thêm cảm biến và thiết bị điều khiển: Bổ sung cảm biến đo pH đất, CO2 và thiết bị điều khiển tự động cho hệ thống tưới, quạt, mái che để nâng cao khả năng điều chỉnh môi trường. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và nhà cung cấp thiết bị.

  3. Phát triển ứng dụng di động và nâng cao giao diện web: Thiết kế ứng dụng trên điện thoại thông minh để người dùng có thể theo dõi và điều khiển hệ thống mọi lúc mọi nơi, tăng tính tiện lợi và khả năng phản ứng nhanh. Thời gian thực hiện: 4-6 tháng. Chủ thể thực hiện: nhóm phát triển phần mềm.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo cho nông dân, kỹ thuật viên về cách sử dụng và bảo trì hệ thống, nâng cao nhận thức về nông nghiệp chính xác. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý nông nghiệp và trường đại học.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại cây trồng khác: Áp dụng hệ thống cho các cây trồng có giá trị kinh tế cao như măng tây, bí ngòi, cà chua, ớt chuông, hoa lan hồ điệp để đa dạng hóa sản phẩm và tăng thu nhập cho người nông dân. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp nông nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

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

  2. Doanh nghiệp và hợp tác xã nông nghiệp: Áp dụng công nghệ để tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí nhân công và tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ thông tin, nông nghiệp công nghệ cao: Tham khảo mô hình thiết kế hệ thống mạng cảm biến không dây, ứng dụng giao thức Modbus RTU và MQTT trong thực tế.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển nông nghiệp: Làm cơ sở để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển nông nghiệp công nghệ cao, thúc đẩy chuyển đổi số trong nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống có thể mở rộng bao nhiêu node cảm biến?
    Hệ thống sử dụng module RF HC-12 với dải tần 433,4MHz đến 473,0MHz, có thể quản lý tối đa 255 node cảm biến trên một node cơ sở. Thực tế, để tránh nhiễu và đảm bảo ổn định, nên triển khai dưới 100 node.

  2. Dữ liệu thu thập được cập nhật với tần suất bao lâu?
    Hệ thống lấy dữ liệu theo chu kỳ 1-2 phút/lần, đảm bảo dữ liệu thời gian thực phục vụ giám sát và điều khiển kịp thời.

  3. Hệ thống có hỗ trợ điều khiển tự động các thiết bị không?
    Có, người dùng có thể cài đặt ngưỡng cảnh báo và hệ thống tự động điều khiển các thiết bị như quạt, mái che, bơm tưới nước để duy trì điều kiện môi trường phù hợp.

  4. Chi phí đầu tư hệ thống có cao không?
    So với các công nghệ như LoRa hay ZigBee, hệ thống sử dụng RF tùy biến và MCU STM8 có chi phí thấp hơn, phù hợp với điều kiện của nhiều hộ nông dân và trang trại vừa và nhỏ.

  5. Hệ thống có thể áp dụng cho cây trồng khác ngoài dưa lưới không?
    Có thể, với việc điều chỉnh các ngưỡng môi trường phù hợp, hệ thống có thể mở rộng ứng dụng cho nhiều loại cây trồng khác như măng tây, cà chua, hoa lan hồ điệp, góp phần đa dạng hóa sản phẩm nông nghiệp.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công hệ thống mạng cảm biến không dây thu thập dữ liệu môi trường cho nhà kính trồng dưa lưới tại Tây Ninh, với 2 node cảm biến và 1 node cơ sở.
  • Hệ thống sử dụng giao thức Modbus RTU kết hợp sóng RF SI4463 433MHz, MCU STM8 và máy tính nhúng Orange Pi Zero, đảm bảo truyền dữ liệu ổn định, tiết kiệm năng lượng và chi phí.
  • Dữ liệu được hiển thị trực quan trên dashboard web, hỗ trợ người dùng theo dõi, giám sát và điều khiển môi trường trồng trọt chính xác.
  • Hệ thống góp phần nâng cao năng suất và chất lượng cây dưa lưới thông qua việc điều chỉnh tự động các thiết bị hỗ trợ dựa trên dữ liệu thu thập.
  • Đề xuất mở rộng quy mô, tích hợp thêm cảm biến và phát triển ứng dụng di động để nâng cao hiệu quả và tiện ích cho người sử dụng.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ tập trung vào mở rộng hệ thống, thử nghiệm trong điều kiện thực tế đa dạng hơn và phát triển các giải pháp điều khiển thông minh nâng cao. Mời quý độc giả và các nhà nghiên cứu quan tâm liên hệ để trao đổi và hợp tác phát triển ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp chính xác.