Điều khiển và giám sát hệ thống tưới nước tự động sử dụng mạng không dây trong thời đại công nghệ IoT

 phù hợp hẹp. 
 Cách thứ hai, tiếp tục kéo dài thời gian tưới thêm để chậm tưới lặp lại. Vì khi tưới thì độ 
ẩm của lớp đất nông nhanh chóng đạt giá trị ngưỡng trên, nếu dừng việc tưới tại thời điểm này thì 
đất sẽ nhanh khô. Trường hợp này áp dụng với cây trồng có dải độ ẩm phù hợp khá rộng và có khả 
năng chịu ngập nước tạm thời (từ 10 đến 60 phút). 
 Trong trường hợp hệ thống tưới phun sương, nếu nhiệt độ đo bởi cảm biến nhiệt độ có giá 
trị Tm cao hơn nhiệt độ đặt Ts thì sẽ tiến hành tưới để điều hòa nhiệt độ. Nếu phun đến khi độ ẩm 
đạt giá trị đặt RHmax nhưng nhiệt đô vẫn còn cao thì phải ngừng phun. Việc hỗ trợ điều hòa nhiệt 
độ là yếu tố phụ, còn nhiệm vụ điều chỉnh độ ẩm đất đóng vai trò chính của hệ thống tưới.
36
 Tập 13, Số 1, 2019
 Cҧm biӃn 
 nhiӋt ÿӝ 
 Relay 
 Cҧm biӃn Cҧm biӃn Van ÿiӋn tӯ 
 nhiӋt ÿӝ ÿӝ ҭm ÿҩt 
 Mҥch 
 Arduino n Modul WiFi 
 ESP8266 
 Bѫm nѭӟc 
 Relay kiӇu bѫm 
 Cҧm biӃn Van ÿiӋn tӯ chìm 
 ÿӝ ҭm ÿҩt 
 Cҧm Arduino Server 
 Mҥch biӃn 
 Arduino 1 Modul WiFi áp suҩt 
 ESP8266 
 Relay Khӣi 
 ÿӝng 
 Router WiFi tӯ 
 Giám sát và ÿiӅu 
 khiӇn trong phҥm Modul WiFi 
 Giám sát và ÿiӅu ESP8266 Modul Sim 
 vi trang trҥi Modem 
 khiӇn trên ÿiӋn thoҥi 900A 
 Giám sát MҤNG INTERNET 
 và ÿiӅu 
 khiӇn tӯ xa 
 Router WiFi MҤNG DI ĈӜNG 
 bên ngoài 3G, 4G M ҤNG DI 
 trang trҥi ĈӜNG 
 Phѭѫng án 1 Phѭѫng án 2 
 Hình 2. Sơ đồ hệ thống tưới nước tự động
 Người dùng có thể giám sát thông số trạng thái của hệ thống trên smartphone, trong phạm 
vi trang trại thì sử dụng WiFi, còn bên ngoài phạm vi trang trại thì thực hiện theo một trong hai 
phương án (như Hình 2):
 - Phương án 1, sử dụng WiFi kết nối mạng Internet để giám sát và điều khiển, cũng có thể 
sử dụng mạng Internet thông qua mạng 3G hoặc 4G. Phương án này phải lắp đặt thêm modem 
hoặc sử dụng modem kết hợp router WiFi và phải trả cước phí sử dụng Internet.
 - Phương án 2, sử dụng mạng di động để giám sát và điều khiển. Phương án này phải lắp 
đặt thêm Modul sim 900A kết nối với Aduino Server, và phải trả cước phí tin nhắn cho mạng di 
động. Các lệnh điều khiển cũng có thể thực hiện theo hình thức nhá máy để giảm cước phí. 
 Trong tương lai thì sử dụng phương án 1 là chính, phương án 2 là dự phòng. Tuy nhiên hiện 
nay, cước phí các dịch vụ 3G, 4G, Internet còn khá cao so với cước phí tin nhắn. Nên tạm thời 
phương án 2 là phương án chính cho ứng dụng ở nông thôn, vì mạng Internet chưa phổ biến ở các 
vùng này. Tuy nhiên, đối với khu vực thành phố thì nên sử dụng phương án 1, vì rất nhiều nơi có 
sẵn mạng WiFi kết nối Internet.
 37
Lê Thái Hiệp, Bùi Liêm Tùng
2.2.3. Đề xuất thuật toán điều khiển hệ thống tưới tự động
 Trong hệ thống đề xuất (trên Hình 2), mạch Aduino Server điều khiển bơm đóng vai trò 
là mạch chủ, chi phối hoạt động chính của hệ thống. Các mạch Aduino i (với i1,n= ) tại các khu 
vực là các mạch con, có chức năng điều khiển, giám sát tại chỗ và gửi yêu cầu đến mạch Aduino 
Server.
 Điều khiển tại hiện trường trong phạm vi trang trại: cứ mỗi khu vực (có thể chia phạm vi 
theo khả năng của bơm, hoặc chia theo loại cây trồng) sẽ cắm một cảm biến đo độ ẩm đất và một 
cảm biến nhiệt độ kết nối với một mạch Aduino. Mạch Aduino i sẽ làm việc theo chương trình 
đã lập trình để bật bơm nhờ truyền thông trên mạng WiFi thông qua Modul WiFi ESP8266. Bơm 
được bật theo lệnh từ mạch Aduino i. Đồng thời mạch Aduino i tại khu vực cũng nhận phản hồi 
của Aduino Server để ra lệnh mở van điện từ và dẫn nước đến các đầu phun (theo thuật toán trên 
Hình 3). Nếu cùng lúc có nhiều mạch Aduino tại các khu vực gửi lệnh bật bơm đến mạch Aduino 
Server thì thực hiện theo nguyên lý xếp hàng. Các van điện từ tại các khu vực được mở theo đúng 
thứ tự xếp hàng (theo thuật toán trên Hình 3). 
 Quá trình tưới văng được thực hiện theo một trong hai tường hợp (Hình 3):
 - Trường hợp thứ nhất, nếu độ ẩm RHmax được đặt nhỏ hơn 99% thì tưới khi độ ẩm đo RHm 
có giá trị thấp hơn giá trị đặt mức thấp RHmin và ngừng tưới khi độ ẩm đất đạt giá trị đặt mức cao 
RHmax, tương ứng với cách thứ nhất đã trình bày ở trên. Các giá trị RHmin và RHmax được cài đặt m 
cặp tương ứng theo từng ngày (hoặc từng giờ với cây rất ngắn ngày) phù hợp với quá trình sinh 
trưởng của cây trồng. Với m cài đặt bằng số ngày (hoặc số giờ) sinh trưởng của cây trồng. Nếu cây 
lâu năm thì đặt m = 1, nghĩa là ngày hôm sau có giá trị đặt như ngày hôm trước.
 - Trường hợp thứ hai, nếu độ ẩm RHmax được đặt lớn hơn hoặc bằng 99% thì phải tính toán 
thời gian tưới ton theo (3), tương ứng với cách thứ hai đã trình bày ở trên. Các giá trị RHmin và RHmax 
cũng được cài đặt linh hoạt phù hợp với quá trình sinh trưởng của cây trồng. 
 t.Tsm
 ton = (3)
 Ts
 Với ts – thời gian được c ài đặt, Tm – nhiệt độ đo được theo cảm biến nhiệt, Ts – nhiệt độ 
được cài đặt.
38
 Tập 13, Số 1, 2019
 Mҥng 
 Arduino Server B t u Arduino i 
 Bҳt ÿҫu WiFi ҳ ÿҫ
 Nhұn lӋnh ÿiӅu khiӇn tӯ các Ĉo ÿӝ ҭm ÿҩt (RHm), nhiӋt ÿӝ (Tm) 
 smart phone, các Arduino 1÷ n, 
 sҳp xӃp lӋnh vào hàng ÿӧi RHm ” RHmin 
 Sai 
 Ĉúng 
 RHmax •99% 
 Có lӋnh bұt bѫm ÿӇ Sai 
 tѭӟi cho khu vӵc thӭ i Ĉúng 
 Không Tính thӡi gian tѭӟi 
 Có ton = ts.Tm/Ts 
 Gӱi lӋnh yêu cҫu Arduino i 
 m van i n t Cҧnh báo 
 ӣ ÿ Ӌ ӯ Không Có 
 Bұt bѫm Gӱi lӋnh bұt bѫm ÿӃn 
 Arduino Server 
 t > 30 s 
 Sai Ĉúng 
 Ĉo áp suҩt nѭӟc trong ӕng (p) Arduino Server yêu 
 c u m van i n t 
 ҫ ӣ ÿ Ӌ ӯ Không 
 pmin ” p ” pmax 
 Sai Có 
 Ĉúng 
 Tҳt bѫm, gӱi Mӣ van ÿiӋn tӯ 
 cҧnh báo ÿӃn Có lӋnh tҳt bѫm 
 ÿiӋn thoҥi, tӯ Arduino i Không 
 RHm • RHmax 
 bұt ÿèn, còi Có Sai 
 cҧnh báo Ĉúng 
 Có lӋnh bұt bѫm ÿӇ Ĉúng 
 RHmax •99% 
 tѭӟi cho khu vӵc thӭ k  i 
 Không Sai t > ton 
 Ĉúng 
 Tҳt bѫm Sai 
 Có Gӱi lӋnh tҳt bѫm ÿӃn 
 Gӱi lӋnh yêu cҫu Arduino Server 
 Gӱi lӋnh Arduino k mӣ van ÿiӋn tӯ 
 ÿӃn Arduino Server yêu 
 Arduino i Gӱi lӋnh ÿӃn Arduino i 
 cҫu khóa van ÿiӋn tӯ 
 khóa van khóa van ÿiӋn tӯ Không 
 ÿiӋn tӯ Có 
 i = k Khóa van ÿiӋn tӯ 
 KӃt thúc KӃt thúc 
 Hình 3. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống tưới phun văng 
 Trong các thuật toán, thời gian t được tính từ lúc bật bơm và t bị đặt về không khi tắt bơm. 
Trong quá trình hệ thống đang tưới thì áp suất nước pm được đo nhờ cảm biến áp suất. Nếu giá trị 
này không thỏa (4) thì hệ thống cảnh báo đến người sử dụng qua điện thoại.
 pppmin≤≤ m max (4)
 Trong đó pmin và pmax lần lượt là giá trị đặt nhỏ nhất và lớn nhất cho phép tưới. 
 Nếu áp dụng hệ thống theo kiểu tưới phun sương thì thuật toán cũng như tưới phun văng 
(Hình 3), nhưng bổ sung thêm trường hợp tưới để điều hòa nhiệt độ. Tưới điều hòa nhiệt độ thực 
hiện cho đến khi nhiệt độ đo Tm thấp hơn nhiệt độ đặt Ts hoặc khi độ ẩm đạt giá trị đặt RHmax.
 Nếu áp dụng hệ thống theo kiểu tưới nhỏ giọt hoặc tưới thấm trong lòng đất thì các van điện 
từ thứ i được đóng mở trực tiếp bởi các Arduino i tại khu vực (như thuật toán trên Hình 4). Khi 
 39
Lê Thái Hiệp, Bùi Liêm Tùng
đó máy bơm có chức năng bơm điều áp cho đường ống dẫn nước chính. Khi áp suất đường ống 
pm đo bởi cảm biến áp suất thấp thì Arduino Server điều khiển biến tần để bơm nhiều nước hơn để 
đưa áp suất về giá trị đặt mong muốn. Khi áp suất đường ống cao thì điều khiển ngược lại. Nếu 
giá trị áp suất đường ống đo được lớn hơn gia trị đặt pmax thì ngừng bơm, đây chính là lúc hệ thống 
không còn tưới cho khu vực nào cả. Nếu áp suất đo được pm thấp hơn giá trị đặt pmin thì cảnh báo, 
tương ứng với trường hợp không bơm được nước.
 Hình 4. Lưu đồ thuật toán điều khiển hệ thống tưới nhỏ giọt hoặc tưới thấm
2.2.4. Mô hình thử nghiệm hệ thống tưới nước tự động
 Mô hình thử nghiệm được lắp đặt có cấu trúc như Hình 5. Trong mô hình thử nghiệm, việc 
giám sát từ xa các thông số về độ ẩm, nhiệt độ, trạng thái hoạt động của hệ thống tưới, kể cả việc 
điều khiển bật, tắt bơm từ xa được thực hiện trên smartphone theo phương án 2 (như trên Hình 6). 
Mô hình thử nghiệm được thực hiện theo phương án này nhằm đáp ứng cho các ứng dụng tại thời 
điểm hiện nay ở nông thôn. 
 Hình 5. Mô hình tưới nước tự động
40
 Tập 13, Số 1, 2019
 Hình 6. Điều khiển hệ thống tưới nước thông qua smartphone
 Trong mô hình này, việc điều khiển và cài đặt thông số tại hiện trường được thực hiện thông 
qua các nút nhấn (như Hình 7). Các hướng dẫn và thông số điều chỉnh được hiển thị trên màn hình 
LCD (như Hình 7). Kèm theo đó hệ thống có thông báo bằng LED: LED sáng tương ứng với đang 
tưới, LED tắt tương ứng với ngừng tưới.
 Hình 7. Thiết lập thông số, điều khiển tại chỗ
3. Kết quả và bình luận
 Trong mô hình thử nghiệm, lúc đang khảo sát thì độ ẩm giới hạn thấp RHmin được đặt ở mức 
40%. Khi độ ẩm đất thấp hơn giá trị này thì hệ thống sẽ tự động tưới cho tới khi đạt giá trị RHmax. 
Giá trị RHmax ban đầu đặt ở mức 77%, đến trưa ngày 10/12/2017 thì đặt lại ở mức 71% (Hình 8). 
Hệ thống được thiết lập sẽ tự động thu thập dữ liệu độ ẩm theo chu kỳ 02 giờ 01 lần nhằm phục 
vụ cho quá trình khảo sát, đánh giá.
 Hình 8. Đồ thị độ ẩm đo bởi mô hình thử nghiệm từ ngày 09/12/2017 đến ngày 15/15/2017
 41
Lê Thái Hiệp, Bùi Liêm Tùng
 Trong quá trình thử nghiệm có những lúc hệ thống không tưới nhưng độ ẩm của đất có tăng 
nhẹ là do hấp thụ hơi nước trong không khí, vì mô hình được đặt ngoài trời để rau quang hợp. Rau 
trồng thử nghiệm là rau Diễn.
 Các cây trồng thường hấp thụ nước tốt nhất trong một giới hạn được gọi là nước dễ tiêu [9]. 
Nếu độ ẩm thấp quá thì cây khó hút nước vì lúc này chỉ còn các phân tử nước có liên kết chặt chẽ 
với đất. Ngược lại, nếu độ ẩm cao quá thì ảnh hưởng xấu đến sinh trưởng của cây bởi vì lượng 
không khí trong đất không đủ để rễ cây hấp thụ.
 Chính vì thế, có một số loại cây trồng yêu cầu phải giữ độ ẩm trong phạm vi hẹp (như 
Hình 9.a) thì mới sinh trưởng tốt, chẳng hạn như nấm và một số loài cây ở Bảng 1. Tuy nhiên 
với một số loại cây cần lúc thì phải có độ ẩm cao, sau đó phải để đất đủ khô (độ ẩm thấp) thì mới 
tưới lặp lại, như cây cà phê, tiêu,... (Hình 9.b). Phần lớn các loại cây lâu năm và rau đều có khả 
năng chịu độ ẩm 100% trong thời gian ngắn (lúc đang tưới). Bên cạnh đó có một số loại cây trồng 
yêu cầu phải có độ ẩm thay đổi theo quá trình sinh trưởng một cách nghiêm ngặt (như Hình 9.c).
 RH (%) RH (%) RH (%)
 RHmax 
 RHmax 
 100 100 100 
 RHmax 
 RHmin 
 RHmin RHmin 
 a) 0 t b) 0 t c) 0 t 
 1 2 3 4 5 ... n 
 ngày 
 Hình 9. Đồ thị biến thiên độ ẩm của đất thông qua tưới nước bởi hệ thống được đề xuất
 a) Giữ độ ẩm trong phạm vi hẹp; b) Giữ độ ẩm trong phạm vi rộng với RHmax=100%; 
c) Giữ độ ẩm theo quá trình sinh trưởng của cây trồng.
 Bảng 1. Thông số độ ẩm, nhiệt độ phù hợp cho sinh trưởng của một số loài cây trồng
 Loại c ây trồ ng Độ ẩm Nhiệt độ
 Nấm Linh chi đỏ 90 ÷ 95% [10] -
 Nấm sò 80 ÷ 100% 25 ÷ 35oC [11]
 Nấm sò vua 70 ÷ 85% 13 ÷ 22oC [12]
 Cây húng tây 50 ± 5% 24 ± 2oC [13]
 Hoa hồng 75% 19 ÷ 20,5°C [14]
4. Kết luận
 Hệ thống tưới nước tự động được đề xuất trong bài báo tự động thu thập các thông số nhiệt 
độ, độ ẩm. Từ đó hệ thống tiến hành tưới theo các số liệu đã thiết lập phù hợp với quá trình sinh 
trưởng của cây trồng. Đây là yêu cầu quan trọng trong nông nghiệp công nghệ cao. Đồng thời hệ 
thống cho phép người dùng giám sát và điều khiển từ xa trên smartphone. Nhờ đó người sử dụng 
có thể quản lý, chăm sóc trang trại của mình gián tiếp ở bất kỳ nơi đâu. 
 Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống đề xuất hoàn toàn khả thi cho ứng dụng trong thực 
tế. Người sử dụng chỉ cần hiểu rõ đặc tính sinh trưởng của cây trồng. Từ đó nhập các giá trị độ ẩm 
RHmin và RHmax thì hệ thống sẽ tự động đáp ứng đúng nhu cầu nước cho cây trồng.
42
 Tập 13, Số 1, 2019
 Hệ thống này có khả năng ứng dụng vào thời điểm hiện tại và cả trong tương lai khi công 
nghệ IoT được sử dụng phổ biến. Đây là xu hướng của cuộc cách mạng công nghệ 4.0.
 TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Leive M. Mortensen, Effects of air humidity on growth, fl owering, keeping quality and water 
 relations of four short-day greenhouse species, Elsevier - Scientia Horticuturae, 86, pp. 299 - 310, 
 (2000).
2. Le Dinh Hieu, Le Van Luan, Prospect of automatical multi function spill S7-1200 application for 
 Mokara Orchids productivity, The second Vietnam Conference on Control and Automation, 
 pp. 812 - 819, (2013).
3. Ph ạm Mạnh Toàn, Xây dựng hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong nhà kính nông nghiệp dựa trên 
 công nghệ mạng không dây Wi-Fi, Tạp chí KH-CN Nghệ An, Số 8, trang 9 - 12, (2016).
4. Joaquín Gutiérrez, Juan Francisco Villa-Medina, Alejandra Nieto-Garibay, and Miguel Ángel Porta-
 Gándara, Automated Irrigation System Using a Wireless Sensor Network and GPRS Module, IEEE 
 Trans. Instrum. Meas., vol. 63 (1), pp. 166 - 176, (2014).
5. Inge Sandholt, Kjeld Rasmussen, Jens Andersen, A simple interpretation of the surface temperature/
 vegetation index space for assessment of surface moisture status, Elsevier - Remote Sensing of 
 Environment, 79, pp. 213 - 224, (2002).
6. Allen, R.G., Pereira, L.S., Raes, D., Smith, M., Crop evapotranspiration - Guidelines for computing 
 crop water requirements - FAO Irrigation and drainage paper 56, FAO, Rome, Italy, (1998).
7. Nguy ễn Quang Phi, Xác định nhu cầu nước tưới cho cây lạc bằng phương trình FAO Penman - 
 Monteith và phương pháp hệ số cây trồng đơn, Khoa học Kỹ thuật Thủy lợi và Môi trường, số 46, 
 trang 79 - 85, (2014).
8. Haofang Yan, Chuan Zhang, Hiroki Oue, Hideki Sugimoto, Comparison of different methods for 
 estimating soil surface evaporation in a bare fi eld, Springer - Meteorol Atmos Phys, 118, pp. 143 -149, 
 (2012).
9. Chu Thị Thơm, Phan Thị Lài, Nguyễn Văn Tó, Độ ẩm đất với cây trồng, Nhà xuất bản Lao động, 
 Hà Nội, (2006).
10. Vũ Thị Phương Thảo, Bùi Thị Tươi, Phạm Văn Hưng, Nguyễn Thị Hồng Gấm, Nghiên cứu kỹ thuật 
 nuôi trồng nấm linh chi Ðỏ (ganoderma lucidum) trên thân cây gỗ, Hội nghị KHCN tuổi trẻ các 
 Trường Nông, Lâm nghiệp và Thủy sản, trang 1 - 5, (2016).
11. M.I. Bhatti, M.M. Jiskani, K. H. Wagan, M.A. Pathan and M.R. Magsi, Growth, development and 
 yield of oyster mushroom, pleurotus ostreatus (jacq. ex. fr.) kummer as affected by different spawn 
 rates, Pak. J. Bot, 39 (7), pp. 2685 - 2692, (2007).
12. Mahbuba Moonmoon, Md. Nazim Uddin, Saleh Ahmed, Nasrat Jahan Shelly, Md. Asaduzzaman 
 Khan, Cultivation of different strains of king oyster mushroom (Pleurotus eryngii) on saw dust and 
 rice straw in Bangladesh, Saudi Journal of Biological Sciences, 17, pp. 341 - 345, (2010).
13. Nguyễn Thụy Phương Duyên, Hoàng Ngọc Nhung, Nguyễn Thị Quỳnh, Nghiên cứu khả năng sinh 
 trưởng của cây húng tây (Thymus Vulgaris L.) dưới tác động của một số yếu tố hóa học và vật lý của 
 môi trường nuôi cấy, Tạp chí Sinh học, 34 (3SE), trang 234 - 241, (2012).
14. L. M. Mortensen and H. R. Gislerød, Effect of Air Humidity on Growth, Keeping Quality, Water 
 Relations, and Nutrient Content of Cut Roses, Gartenbauwissenschaft, 65 (1), pp. 40 - 44, (2000).
 43