CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG VƯỜN THÔNG MINH 1. Tổng quan sơ lược về hệ thống vườn thông minh Thời đại mới cùng với sự phát triển của kĩ thuật công nghệ. Ngày nay con người với sự hỗ trợ của công nghệ đã biến cuộc sống của mình trở nên thuận tiện và dễ dàng hơn. Một trong những bước tiến quan trọng trong nông nghiệp phải kể đến đó là việc ứng dụng IoT vào hệ thống nông nghiệp (Hình 1.
Một trong những phát minh tạo ra bước tiến lớn cho lĩnh vực nông nghiệp đó là vườn thông minh. 1: Minh họa về ứng dụng IoT trong nông nghiệp [1] Tuy nhiên, nền nông nghiệp của nước ta vẫn còn lạc hậu cũng như chưa có nhiều ứng dụng khoa học kĩ thuật được áp dụng vào thực tế. Rất nhiều quy trình kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc được tiến hành một cách chủ quan và không đảm bảo được đúng yêu cầu. Có thể nói trong nông học, ngoài những kĩ thuật trồng trọt, chăm sóc thì tưới nước là một trong các khâu quan trọng nhất trong trồng trọt, để đảm bảo cây sinh trưởng và phát triển bình thường, tưới đúng và tưới đủ theo yêu cầu nông học của cây trồng sẽ không sinh bệnh, hạn chế thuốc trừ sâu cho sản phẩm an toàn, đạt năng suất cao, hiệu quả cao.
Đồng thời, hiện nay nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa, hiện đại hóa các thiết bị máy móc tự động được đưa vào phục vụ thay thế sức lao động của con người ngày càng nhiều hơn. Vì vậy thiết bị giám sát, vận hành tự động đang được nghiên cứu, thiết kế chế tạo đưa vào sử dụng thực tiễn được áp dụng ngày càng nhiều. SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 2 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora và Internet Việc tính toán để lựa chọn thiết bị cho hệ thống giám sát các thông số trong vườn cũng như các các thiết bị tưới tiêu, chiếu sáng phù hợp với các loại cây trồng, điều kiện kinh tế, kỹ thuật là việc cần thiết.
[1] Thiết kế một hệ thống giám sát, tưới tiêu tự động giúp người trồng không phải tốn chi phí nhân công cũng như công sức lao động. Với hệ thống này, việc giám sát, tưới tiêu sẽ là tự động theo nhiệt, độ ẩm cao hay thấp, … Hoặc người dùng có thể giám sát cũng như điều khiển các thiết bị trong khu vườn của mình thông qua một thiết bị thông minh có kết nối Interet như điện thoại thông minh, laptop, máy tính bảng, … 1. Lợi ích của vườn thông minh 1. Đạt hiệu quả cao.
Việc áp dụng IoT (Internet of Things – kết nối các thiết bị vật lý thông qua Internet, giúp thu thập và chia sẽ dữ liệu với nhau) vào vườn thông minh giúp đạt được năng suất cao trong thời gian ngắn, cây trồng phát triển và sinh trưởng trong môi trường lý tưởng với các hệ thống tự động. Việc trồng trọt số lượng lớn cây nông nghiệp với diện tích đất ngày càng thu hẹp cũng như sự biến đổi khí hậu toàn cầu đang là bài toán đối với những người nông dân. Vì vậy mà việc ứng dụng IoT vào việc trồng trọt giúp nắm bắt kịp thời các nhân tố ảnh hưởng tới sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng là điều phi thường cần thiết, giúp ta có thể xử lý sớm cũng như dự phòng tình huống tiếp theo có thể xảy ra một cách chính xác hơn. Nhân rộng nông nghiệp.
Nếu trước kia người làm nông phải có diện tích đất lớn để gieo trồng, ngày nay, với công nghệ IoT cùng nhiều phương pháp trồng như khí canh, thủy canh, nhà kính, có thể canh tác tại trong thành phố. Việc diện tích đất ở ngày càng tăng, đồng nghĩa với việc diện tích đất trồng trọt nông sản cũng ngày càng giảm. Bên cạnh đó, số lượng người dân sinh sống tại các khu vực đô thị ngày càng nhiều. Do đó, áp lực về chất lượng và giá của nông sản ngày càng cao.
Vì vậy, việc trồng trọt, canh tác trong các hệ thống thủy canh hay nhà kính dựa trên IoT sẽ là một sự lựa chọn hoàn hảo để giải quyết các vấn đề trên. Việc canh tác trong một hệ thống khép kín, tự động cho phép mọi người có thể trồng trọt các các nông sản cần thiết tại nơi mong muốn như trên sân thượng, trong vườn, ban công hay là các khu vực hẹp khác, … 1. Tiết kiệm tài nguyên, nhân công và chi phí sản xuất. SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ Người hướng dẫn: TS.
Phạm Thanh Phong 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora và Internet Nhờ khả năng tối ưu hóa tài nguyên nước, đất đai, năng lượng, … nên vườn thông minh trong nông nghiệp hiện đại tiết kiệm rất nhiều tài nguyên mà vẫn đảm bảo năng suất cao. Việc canh tác bằng hệ thống IoT sẽ giúp ta tiết kiệm rất nhiều chi phí sản xuất dựa trên các kết quả giám sát được thu thập từ các cảm biến. Từ đó sẽ giúp ta phán đoán chính xác việc sinh trưởng của cây trồng và mức tài nguyên cần cung cấp để cây trồng có thể sinh trưởng và phát triển một cách tốt nhất. Quy trình sạch, nhanh chóng Với sự hỗ trợ của công nghệ và IoT, quy trình trồng và chăm sóc cây phát triển nhanh hơn, hạn chế tối đa việc dùng các chất độc hay phân bón hóa học.
Từ đó, sẽ giúp các nhà sản suất giảm chi phí, nước, … làm cho nông nghiệp xanh, sạch hơn. Đây là một yếu tố rất quan trọng, bởi vì có thể ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người trong thời điểm các sản phẩm có hàm lượng phân bón hóa học cao như hiện nay khi canh tác bằng phương pháp truyền thống. Đồng thời việc sinh trưởng của cây trồng được giám sát và thay đổi thông qua các kết quả giám sát được từ hệ thống IoT để người nông dân có thể đưa ra các quyết định chính xác cho sự phát triển của cây trồng. Đồng thời người nông dân cũng có thể canh tác các loại nông sản trong điều kiện thời tiết biến đổi bất thường như hiện nay khi ứng dụng các công nghệ cao vào quy trình canh tác.
Nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả sản xuất. Với sự chăm sóc liên tục, nhanh chóng dựa trên các ứng dụng công nghệ thông minh, nông sản được nâng tầm chất lượng, tăng giá trị dinh dưỡng cũng như giảm giá thành sản phẩm. Nông nghiệp xanh sẽ cho ra các sản phẩm có chất lượng tốt dựa trên nền tảng công nghệ. Nhu cầu của con người về lương thực, thực phẩm không bao giờ giảm, đặt biệt là trong tình hình hiện nay.
Vì vậy mà việc phát triển của lĩnh vực nông nghiệp không bao giờ ngừng lại. Do đó, ứng dụng IoT sẽ là một bước tiến, bước ngoặc quan trọng trong việc thay đổi nền nông nghiệp nước ta. Một số mô hình về vườn thông minh trong và ngoài nước 1. Tình hình ngoài nước Từ những năm ở thế kỉ XX, việc xây dựng các khu nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao giúp kinh tế phát triển đã được các nước quan tâm đến.
Đầu những năm 80 của thế kỉ trước, Hoa Kỳ đã có hơn 100 khu khoa học công nghệ cao. Năm 1988, đã có SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora và Internet 38 khu vườn khoa học, công nghệ cao và tiên tiến với sự tham gia của trên 800 doanh nghiệp ở Anh quốc. Phần lớn các khu công nghiệp ở đây đều phân bố tại nơi tập trung các trường đại học, viện nghiên cứu để nhanh chóng ứng dụng những thành tựu khoa học công nghệ cải tiến và kết hợp với các kinh nghiệm kinh doanh từ trước để hình thành nên một khu khoa học với các chức năng sản xuất, nghiên cứu ứng dụng, tiêu thụ và dịch vụ.
[2] Bên cạnh đó, không chỉ là các nước tiên tiến, nhiều nước và khu vực lãnh thổ ở Châu Á cũng đã chuyển sang nền nông nghiệp chất lượng từ nền nông nghiệp theo số lượng. Ứng dụng các công nghệ tự động hóa, công nghệ sinh học, cơ giới hóa, tin học hóa, … để tạo ra sản phẩm có chất lượng cao, an toàn và hiệu quả. Có thể nói Israel, Singapore và Nhật Bản là những quốc gia đi tiên phong trong phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao với những công nghệ chăm sóc cây trồng vô cùng độc đáo như hệ thống tưới nhỏ giọt, hệ thống tưới phun sương, phun mưa hay hệ thống tưới cảnh quan và ngay cả hệ thống thủy canh trồng cây không đất. Và gần đây nhất, hướng đến nhu cầu trồng cây trong những diện tích nhỏ hẹp (xem Hình 1.2) đang là điều rất được quan tâm tại nhiều nơi hiện nay bởi vừa tận dụng tối đa diện tích canh tác, vừa cho rau sạch với sản lượng lớn, phục vụ nhu cầu cho nhiều hộ gia đình.
2 Mô hình vườn rau thẳng đứng tại Nhật Bản [3] SVTH: Đặng Quốc Dũng, Huỳnh Tấn Vũ Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Phong 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát phân tán vườn thông minh sử dụng vi điều khiển thông qua mạng Lora và Internet Một ví dụ thực tế đó là một hệ thống điều khiển, giám sát việc trồng trọt cây trồng trong nhà kính đã được thực hiện bởi nhóm sinh viên trường đại học Chiết Giang, Hàng Châu, Trung Quốc. Việc giám sát các dữ liệu trong nhà kính thực hiện thông qua các khối cảm biến gắn bên trong nhà kính thu thập dữ liệu và gửi về khối xử lý trung tâm là một PC thông qua giao thức Modbus RS-485. Người dùng sẽ giám sát và điều khiển các thiết bị cần thiết trong nhà kính thông qua giao diện trên PC như Hình 1.
3: Hình ảnh giao diện người dùng, thiết bị và khu vực làm việc trong nhà kính [4] Trên đây là một ví dụ về một hệ thống điều khiển, giám sát vườn thông minh trong nhà kính tại nước ngoài. Nói tóm lại, việc áp dụng mô hình “Vườn thông minh” tại nước ngoài đã diễn ra từ rất lâu và rất nhiều nơi, thậm chí tại các hộ gia đình. Bởi vì sự tiện lợi mà nó đem lại, vườn thông minh đang ngày càng được áp dụng phổ biến trên toàn thế giới.