Chương 1: GIỚI THIỆU 1. Cơ sở khoa học Nông nghiệp công nghệ cao là nền nông nghiệp được áp dụng các công nghệ tiên tiến nhằm mục đích cải thiện chất lượng, năng suất nông sản. Điều này có thể đạt được bằng cách giám sát các thông số liên quan đến sinh trưởng, phát triển của cây trồng như: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm… Hiện nay, việc ứng dụng khoa học công nghệ tiên tiến vào lĩnh vực nông nghiệp đang được chú trọng và phát triển. Trong đó đặc biệt các kỹ thuật đo lường, điều khiển và thu thập các dữ liệu môi trường từ xa được ứng dụng trong việc phát triển nông nghiệp công nghệ cao nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo sự phát triển nông nghiệp xanh bền vững.
Với quy mô nhà lưới hay nông trại rộng thì việc sử dụng thiết bị thu thập dữ liệu kết nối theo phương pháp đi dây truyền thống sẽ gặp nhiều khó khăn. Do đó việc nghiên cứu và thiết kế mạng cảm biến không dây [1] [2] [3] nhằm thu thập các dữ liệu môi trường sinh trưởng của cây trồng trong nông nghiệp là cần thiết. [4] [5] [6] [7] [8] Từ các thông số thu thập, có thể điều chỉnh lượng nước tưới, độ ẩm không khí hay cường độ ánh sáng phù hợp theo nhu cầu phát triển của cây trồng. Các công trình nghiên cứu trước đây về mạng cảm biến không dây 1 Thông số Công trình của Công trình của Công trình của tác giả Nikesh tác giả Lê Đình tác giả Ayesha Gondchawar Huấn Siddique Công nghệ WiFi hoặc GPRS hoặc SMS LoRa truyền dữ liệu ZigBee Nút mạng cảm Gồm 3 node: Node gồm các Node: module biến (Node) - Node 1: cảm biến: nhiệt thu phát lora, Raspberr độ, độ ẩm không các cảm biến y Pi, khí, độ ẩm đất, ánh sáng, nhiệt motor ánh sáng pH.
độ, độ ẩm driver, không khí, độ camera, ẩm đất ánh sáng. - Node 2: Vi điều khiển At- mega 16/32, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí,, ánh sáng, máy bơm. - Node 3: HT12E Encoder IC, cảm biến độ ẩm đất. 2 Trạm thu thập Node 1: đóng Nút quản lý Gateway : dữ liệu vai trò như một vùng: nhận dữ Module thu phát (Gateway) gateway liệu từ các nút LoRa.
cảm biến và truyền dữ liệu này về trung tâm điều hành, đồng thời nhận và truyền lệnh từ trung tâm điều hành đến các nút cảm biến để thực thi. Trung tâm dữ Node 1: đóng - Máy vi Máy vi tính liệu (Cloud vai trò như một tính (Server) Server) server chuyển dữ (Server). liệu ra Internet - Modem SMS. Phần mềm giám Máy vi tính hoặc Máy vi tính Máy vi tính sát và điều khiển App (App/web/chươn g trình trên máy tính) Phạm vi ứng Nông nghiệp Nông nghiệp Nông nghiệp dụng thông minh chính xác thông minh.
Các công trình trên cho thấy rằng trong mỗi hệ thống mạng cảm biến không dây được xây dựng đều gồm có ba thành phần chính như: nút mạng cảm biến (Node), trạm thu thập dữ liệu (Gateway) và trung tâm dữ liệu (Server/Cloud Server). Bên cạnh đó để người dùng có thể giám sát và điều khiển hệ thống mạng thì cần có phần mềm giám sát và điều khiển (App hoặc web hoặc chương trình trên máy vi tính). Các hệ thống mạng cảm biến trên được ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh. Trong đó công trình 3 của tác giả Nikesh Gondchawar [1] đã xây dựng Node 1 sử dụng board máy tính nhúng Raspberry Pi đóng vai trò của một nút mạng, cũng như trạm thu thập dữ liệu và trung tâm dữ liệu, tuy nhiên phần mềm giám sát, điều khiển và công suất tiêu thụ chưa được trình bày.
Bên cạnh đó ở đây tác giả sử dụng công nghệ truyền dữ liệu ZigBee, đối với công nghệ này thì khoảng cách truyền ngắn (khoảng 100m) và chi phí đối với thiết bị ZigBee cao hơn so với LoRa. Công trình của tác giả Lê Đình Tuấn [2] đã trình bày chức năng của node, gateway, trung tâm dữ liệu và phần mềm giám sát điều khiển trên máy vi tính, tuy nhiên chưa cho thấy cụ thể linh kiện phần cứng được sử dụng cũng như công suất tiêu thụ của node và gateway. Ngoài ra công nghệ GPRS và SMS được tác giả sử dụng để truyền dữ liệu, đối với công nghệ này thì cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách xa ( khoảng 10km), tuy nhiên công nghệ này có công suất tiêu thụ và chi phí cao hơn so với LoRa. Công trình của tác giả Ayesha Siddique [5] đã trình bày tổng quan về mô hình mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ LoRa, tuy nhiên các thông số cấu hình cũng như công suất tiêu thụ của node và gateway chưa được trình bày rõ, bên cạnh đó phần mềm giám sát và điều khiển trên máy tính cũng chưa được trình bày.
Trong những công nghệ truyền thông kể trên, công nghệ Wifi, Zigbee, Bluetooth có phạm vi hoạt động không cao từ 10 đến 100m. Với phạm vi hoạt động như vậy, các chuẩn truyền thông trên chỉ phù hợp cho việc giám sát trong một khu vực nhỏ. Khi khu vực giám sát lớn hoặc có nhiều khu vực, thì việc xây dựng mạng cảm biến trở lên phức tạp và tốn kém chi phí hơn. Bên cạnh đó, việc tiêu thụ nhiều năng lượng cũng dẫn đến thời lượng sử dụng pin của nút cảm biến bị giảm xuống.
Trong phạm vi bài luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu và thiết kế mô hình mạng cảm biến không dây dựa trên công nghệ LoRa [17] nhằm thu thập các dữ liệu môi trường như: nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất… Nơi đặt cảm biến thu thập dữ liệu được xem là một nút mạng, trong mỗi nút mạng được thiết kế ngoài cảm biến còn được tích hợp chip vi điều khiển, module thu phát không dây LoRa để truyền dữ liệu đến trạm thu thập dữ liệu (Gateway), sau đó dữ liệu được truyền đến trung tâm dữ liệu (Cloud Server) từ đây người dùng có thể giám sát các dữ liệu thông qua mạng Internet. Công nghệ LoRa mang đến hai yếu tố quan trọng là tiết kiệm năng lượng và khoảng cách truyền xa. Cơ sở thực tiễn. Ngày nay, những yêu cầu ứng dụng đa dạng cần kết hợp nhiều kiểu loại cảm biến như ứng dụng trong cảnh báo cháy rừng, công nghiệp hầm mỏ, nông nghiệp thông minh [18], nhà thông minh hay y tế thông minh, các cảm biến cần có khả năng phân tích thông tin về nhiều loại sự kiện khác nhau rồi gửi cảnh báo về trung tâm và với mỗi sự kiện sẽ có thể có những yêu cầu truyền thông khác nhau như độ trễ, tốc độ, độ tin cậy, độ ưu tiên.
Như vậy ngoài rất nhiều thách thức trong việc thiết kế các mạng cảm biến không dây do đặc điểm khác biệt của mạng này so với mạng truyền thông truyền thống: số lượng thông tin cảm biến lớn, kích thước của nút cảm biến nhỏ, năng lượng hạn chế trong môi trường có độ tổn thất cao và phải có khả năng tự vận hành, quản lý của mạng cảm biến còn có thêm thách thức về việc thiết kế mạng sao cho có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau về chất lượng dịch vụ (QoS) của nhiều sự kiện trong mạng. Nhằm mở rộng nhu cầu kết nối số lượng lớn cảm biến trên phạm vi rộng và tiêu thụ ít năng lượng phục vụ cho nhu cầu vận hành bảo trì, chuẩn truyền thông LoRa đã ra đời với nhiều ưu điểm vượt trội so với các công nghệ sẵn có [19]. Công nghệ truyền thông LoRa được phát triển bởi công ty STEMTECH từ năm 2013. Lora dựa trên phương pháp điều chế CSS (Chirp Spread Spectrum) với mục đích chính là tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và tăng khoảng cách truyền thông.
Khoảng cách truyền thông có thể lên tới 2 - 20km và có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép với tốc độ thấp từ 0,3 kbps đến 50kbps. Thời gian có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu lên đến 10 năm với năng lượng pin [20]. Xuất phát từ những thực tế nêu trên, nghiên cứu “Nghiên cứu và ứng dụng mạng cảm biến không dây trong quản lý nông trại” dựa trên công nghệ Lora được thực hiện nhằm tự động hóa trong việc tối ưu hóa hiệu năng, phân tích, cung cấp thông tin về vị trí, số lượng cảm biến cần sử dụng một cách trực quan từ đó giúp tối ưu số lượng, giảm chi phí đầu tư, góp phần thực hiện hóa mục tiêu phát triển nông nghiệp bền vững. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu, tìm kiếm và xây dựng các giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây, cụ thể là nghiên cứu và xây dựng mạng cảm biến không 5 dây LoRa phục vụ canh tác nông nghiệp giúp sức cho người nông dân trong quản lý canh tác lúa [21] [22] [23].
Đề xuất giải pháp cải thiện hiệu năng mạng cảm biến không dây sử dụng công nghệ Lora trong giao thức truyền thông trực tiếp hay còn gọi là truyền đơn chặng, một nút cảm biến sẽ gửi dữ liệu trực tiếp tới Gateway mà không thông qua bất kỳ một nút trung gian nào khác vẫn đảm bảo mục đích truyền dữ liệu. Xây dựng mô hình, đưa ra kết quả số liệu các thông số mạng không dây LoRa, giảm độ trễ, tăng độ tin cậy và đảm bảo sử dụng hiệu quả năng lượng trong môi trường canh tác nông nghiệp. Giới hạn và phạm vi nghiên cứu - Tìm hiểu các mô hình, công nghệ được ứng dụng trong nông nghiệp. - Tìm hiểu về các công nghệ truyền thông mạng không dây.
- Thiết kế mạch cảm biến không dây. - Thiết kế hình trạng mạng với các ràng buộc về vùng phủ sóng, tỷ lệ nhiễu và chi phí, mức độ phủ sóng. - Nghiên cứu công nghệ farmOS mã nguồn mở: sử dụng Apache cho Web Server. Mô hình thiết kế mạng cảm biến không dây Mô hình mạng cảm biến không dây được đề xuất thiết kế gồm : 03 nút cảm biến (Node), 01 trạm thu thập dữ liệu (Gateway), 01 trung tâm dữ liệu (Cloud Server – Blynk Server) và truyền thông tin dữ liệu từ mạng cảm biến đến ứng dụng FarmOS.
6 Bắt đầu Nhận dữ liệu từ cảm biến Lưu chuỗi dữ liệu vào chuỗi đã định dạng Truyền dữ liệu cảm biến đến Gateway 1 phút/lần Kết thúc Hình 2. Thuật toán xử lý trên Node 7 Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Công nghệ LoRa 2.1 Vì sao cần phải sử dụng công nghệ Lora ? Hiện nay, mọi người rất hào hứng với tất cả các khả năng do các cảm biến và thiết bị mới mang lại cho khối lượng dữ liệu hữu ích. Nhưng chuyện gì sẽ xảy ra nếu những cảm biến này dừng đột ngột việc phát dữ liệu do hết pin?