Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu của nghiên cứu này nhằm thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động có khả năng kết nối tương thích với các cảm biến theo dõi về khí tượng, thủy văn và môi trường. Hệ thống xác định ẩm độ đất dựa trên kỹ thuật flip - flop.
An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 THIẾT KẾ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TƯỚI TỰ ĐỘNG DỰA TRÊN KHẢ NĂNG TRỮ ẨM CỦA ĐẤT Phạm Văn Quang1, Phạm Minh Tân1 Trường Đại học An Giang Thông tin chung: Ngày nhận bài: 20/02/2017 Ngày nhận kết bình duyệt: 29/03/2017 Ngày chấp nhận đăng: 10/2017 Title: Designing and building an automatic irrigation controlling system based on the capacity of soil moisture Keywords: Fuzzy control, plant watering automation, soil moisture sensor Từ khóa: Fuzzy control, soil moisture sensor, automatic watering ABSTRACT The objective of this study is to design and build an automatic irrigation controlling system that is compatible with meteorological, hydrological and environmental monitoring sensors The system determines the soil moisture regarding flip-flop technique The voltage signals that were read from the two electrodes of soil moisture sensor were converted into digital form Then, these signals were sent to the analyzed central controling system to determine the open/close monitoring of the irrigation system The signal analyzed process at the center was based on the combination of the characteristic function which was determined by fitting empirical data and fuzzy control algorithm The research findings were suitable with the objectives The operated system was great in terms of automatic testing and controling the open/close irrigation system on the field Soil moisture could be recognized between 5% and 50% at 95% of reliability, therefore, it may be approriate for most types of soil in the Mekong Delta area TÓM TẮT Mục tiêu nghiên cứu nhằm thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động có khả kết nối tương thích với cảm biến theo dõi khí tượng, thủy văn môi trường Hệ thống xác định ẩm độ đất dựa kỹ thuật flip flop Các tín hiệu điện áp đọc từ hai điện cực cảm biến ẩm độ đất chuyển sang dạng số gởi xử lý trung tâm phân tích để định điều khiển mở/đóng hệ thống tưới Quá trình phân tích tín hiệu xử lý trung tâm thực dựa hàm đặc tính (xác định dựa số liệu thực nghiệm) kết hợp với thuật toán điều khiển mờ Kết đề tài đáp ứng mục tiêu đề Hệ thống hoạt động tốt việc theo dõi điều khiển tự động trình tắt/mở hệ thống tưới điều kiện ngồi trời Ẩm độ đất phát khoảng từ 5% đến 50% với độ tin cậy 95%, nên phù hợp với hầu hết loại đất Đồng sông Cửu Long có khoảng 0,3% dạng nước mặt có sơng, rạch, ao, hồ, lại dạng băng tuyết nước ngầm (Shiklomanov & Rodda, 2004) Do đó, việc sử dụng hiệu tiết kiệm GIỚI THIỆU Trên trái đất có tới 97% tổng lượng nước nằm biển đại dương, 3% nước (Shiklomanov & Rodda, 2004) Trong 3% nước An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 nguồn tài nguyên nước vấn đề cần quan tâm, có lượng nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp chế, chưa thích hợp cho hệ thống tưới tự động Để khắc phục hạn chế kể trên, phương pháp tích hợp có tính kỹ thuật cao ứng dụng Hệ thống sử dụng cảm biến cài đặt vào đất, để nhận biết thay đổi độ ẩm đất chúng kết nối với vi điều khiển Tại vi điều khiển, thông tin ẩm độ tiếp nhận từ cảm biến xử lý đưa định để điều khiển thiết bị công suất mở/tắt hệ thống tưới Phương pháp kỹ thuật cao hỗ trợ không cho việc theo dõi ghi nhận liệu mà sử dụng để thiết lập kế hoạch tưới theo thời gian thực (real - time irrigation scheduling) hồn tồn tự động hóa, đồng thời xây dựng thành hệ thống mạng lưới trạm có khả truy xuất, điều khiển, quản lý thông qua Internet (Phene cs., 1990) Hơn nữa, tưới tự động nông nghiệp xu chung nhiều nước giới nhằm hướng đến sử dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên nước Đây hướng tiếp cận nơng nghiệp xác (Valente cs., 2011) Nước yếu tố định đến trình sống trồng, việc cung cấp vừa đủ lượng nước dựa nhu cầu sử dụng cây, giúp trồng bảo đảm hoàn thành chu kỳ sống cho suất, đồng thời giúp tránh lãng phí nguồn nước tưới Đặc biệt bối cảnh chịu tác động biến đổi khí hậu dẫn đến xâm nhập mặn hạn hán xảy ngày nghiêm trọng, vào tháng mùa khô (Wassmann cs., 2004) Do đó, việc lựa chọn phương pháp tưới thích hợp cho trồng cách tiếp cận có tính khoa học Đất sản phẩm q trình phong hóa vật liệu gốc (đá mẹ) theo thời gian, tạo loại đất khác nằm lớp vỏ trái đất với tỉ lệ chất vô (tỉ lệ sét, thịt, cát) hữu khác Một cách tổng quát, đất bao gồm ba thành phần pha rắn (vơ hữu cơ), pha lỏng (nước) pha khí (khơng khí, nước) Tỉ lệ thành phần pha định đến khả giữ nước đất, hàm lượng nước chứa đất gọi độ ẩm đất Khi tưới, nước thấm vào đất giữ lại pha rỗng, lượng nước vượt khả chứa pha rỗng đất bị tiêu ngồi tác dụng trọng lực trở thành lượng lãng phí Do đó, việc xác định thời điểm lượng nước cần tưới cho trồng, phù hợp với khả giữ nước đất, giúp cho vấn đề sử dụng nguồn nước hiệu tối ưu Điều thực thông qua việc xác định hai ngưỡng độ ẩm thấp cao thời điểm tương ứng để định mở đóng hệ thống tưới Hiện có nhiều phương pháp sử dụng để xác định ẩm độ đất, phương pháp trực tiếp sấy 105 0C phòng thí nghiệm, phương pháp gián tiếp sử dụng thiết bị lưu động cài đặt ngồi đồng Neutron probe, Tensiometer, TDR (ICID/FAO 1996) FAO - 56 (Allen cs., 1998) Tuy nhiên, phương pháp tốn nhiều thời gian, cơng sức nên nhiều hạn Mục tiêu nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động dựa trạng thái ẩm độ đất, nhằm hỗ trợ tiếp cận ứng dụng công nghệ kỹ thuật xác sản xuất nơng nghiệp CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu dựa thay đổi ẩm độ, dẫn đến thay đổi điện trở đất để thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động Điện trở đất thay đổi ánh xạ qua thay đổi điện áp xác định kỹ thuật flip - flop (http://gardenbot.org/howTo/soilMoisture/) Về bản, hệ thống có hai phần chính: - - 10 Phần cứng (hardware) bao gồm module xử lý trung tâm; module giao tiếp; module công suất cảm biến ẩm độ đất Phần mềm (software) gồm có chương trình hệ thống (Firmware) chương trình tương tác với người sử dụng An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 Các bước tổng quát tiến hành là: (1) thiết kế, xây dựng phần cứng phần mềm; (2) xây dựng hàm đặc tính theo ẩm độ đất thơng qua thực nghiệm; (3) hồn thiện Firmware cho module điều khiển cơng dựa hàm đặc tính; (4) kiểm định tính phù hợp; (5) vận hành hệ thống điều kiện thực tế Cảm biến chế tạo cực chất liệu Inox 304 (Stainless Steel) gắn lõi nhựa đặc (nhựa PPE) dạng trụ tròn có đường kính 16 mm, cao cm Điện cực có dạng hình khun tròn với đường kính 16 mm, cao mm Mẫu hoàn chỉnh cảm biến chế tạo nghiên cứu thể Hình 2.1 Thiết kế chế tạo cảm biến ẩm độ đất Hình Hình dạng thực tế cảm biến ẩm độ đất 2.2 Phương pháp đo điện trở đất Sơ đồ mạch flip - flop sử dụng để xác định điện trở đất mơ tả Hình Hình Sơ đồ mạch flip-flop dùng để đo điện trở đất Trong đó: - Khi hai cực cảm biến có điện áp có dòng điện chạy qua Thơng qua đó, xác định giá trị điện trở tương đối hai cực, từ xác định độ ẩm đất tương ứng R4, R5 điện trở hạn dòng Giá trị chọn theo thực nghiệm RD tượng trưng cho điện trở đất cần đo Ngun lý hoạt động mơ tả sau: 11 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 - - - - - Điện áp cấp vào chân FF0.1 FF0.2 số (ADC - Analog to Digital Converter) có độ theo kiểu bập bênh (flip - flop) với mức áp phân giải 10 bit thấp ~ V mức áp cao V liên tục đảo - Với thứ tự đảo chiều chân FF0.1 chiều khoảng thời gian xác định FF0.2, ta có giá trị điện áp đo VD tương ứng (thời gian đảo chiều xác định theo chuyển đổi sang giá trị số DD thuộc thực nghiệm) khoảng [0 … 1023] Giá trị VD có mối quan hệ Mức điện áp chân SMIN0.1 (đặt VD) tuyến tính với DD, phương trình (1) lấy mẫu biến đổi tương tự sang 1023 1023 𝐷𝐷𝐷𝐷 = 𝑉𝑉𝐷𝐷 = 𝑉𝑉 = 204.6 ∗ 𝑉𝑉𝐷𝐷 (1) 𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐 𝐷𝐷 Khi VFF0.1 = v, VFF0.2 = v, VD = VD1 ta thiết lập (2) 𝑉𝑉𝐷𝐷1 = 𝑅𝑅𝐷𝐷 𝑉𝑉 𝑅𝑅5 + 𝑅𝑅𝐷𝐷 𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑉𝑉𝐷𝐷2 = 𝑅𝑅5 𝑉𝑉 𝑅𝑅5 + 𝑅𝑅𝐷𝐷 𝑐𝑐𝑐𝑐 (2) Khi VFF0.1 = v, VFF0.2 = v, VD = VD2 ta có (3) (3) Để giá trị DD đo tương ứng với giá trị điện trở đất biểu diễn thành hàm hướng với giá trị RD, ta sử dụng biểu thức (4): 𝐷𝐷𝐷𝐷 ′ = 1023 − 𝐷𝐷𝐷𝐷2 + 𝐷𝐷𝐷𝐷1 (4) Từ (4), với trị số linh kiện chọn Hình 2, kết đồ thị biểu diễn giá trị DD’ theo RD Hình DD’ RD (Ω) Hình Tương quan giá trị trung bình DD’ điện trở đất Qua đường biểu diễn cho thấy, giá trị biến đổi DD’ tỉ lệ nghịch với điện trở đất RD Giá trị DD’ RD + ∞ Điều có nghĩa độ ẩm đất tỉ lệ thuận với giá trị biến đổi DD’ tỉ lệ nghịch với điện trở đất RD 2.3 Xác định hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất 12 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 Dựa biểu thức (4), hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất đề xuất phương trình (5) 𝐿𝐿 𝐷𝐷𝐷𝐷 = 𝐴𝐴 + 𝐵𝐵−𝐶𝐶𝐶𝐶 Semiconductor Các giá trị DD nhiệt độ đo tự động ghi thành tập tin dạng text lưu máy tính Trong đó: - DD giá trị tổng hợp chuyển đổi dạng số; - L, A, B C hệ số; - X độ ẩm đất (%) (5) Việc phân tích số liệu, xử lý thống kê giải toán tối ưu để xác định hệ số phương trình (5) chương trình Microsoft Excel Kiểm định khác biệt số liệu thực đo ước lượng phương pháp so sánh cặp t-test Phương trình (5) có dạng đường cong hình chữ S với đặc điểm: hàm bị chặn, có khoảng đơn điệu tăng, hàm liên tục trơn với đặc tính hình dạng định hệ số L, A, B, C Các hệ số xác định thông qua mơ hình hồi quy phi tuyến đề xuất Marquardt (1963), dựa số liệu thực nghiệm đo giá trị DD tương ứng với mức độ ẩm đất từ khơ đến gần bảo hòa (từ 6% đến 45% sở khối lượng) công cụ Solver Microsoft Excel Chuỗi số liệu thực nghiệm nằm khoảng nhiệt độ từ 15 0C đến 32 0C sử dụng đưa vào mơ hình tính hồi quy Các hệ số L, A, B, C tối ưu ước lượng sở cực tiểu hóa tổng bình phương phần dư 2.4 Kiểm định tính phù hợp hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất Kiểm nghiệm tính phù hợp hàm đặc tính bố trí phòng thí nghiệm 40 cảm biến độ ẩm đất cài đặt 40 chậu đất Độ ẩm đất ban đầu xác định phương pháp sấy 105 0C Khối lượng đất khô chậu ghi nhận, đất chậu bảo hòa nước, chậu đất bảo hòa nước treo lên cảm biến khối lượng (load cell) Q trình theo dõi đo đạc thực hồn toàn tự động, số liệu lưu lại thẻ nhớ Các giá trị DD thu thập thông qua tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến ẩm độ khối lượng đất giảm theo thời gian nước bốc ghi lại thông qua load cell, khối lượng kết hợp với độ ẩm ban đầu để xác định ẩm độ đất thời điểm xét Số liệu lưu với độ phân giải phút, tổng thời gian theo dõi thực 15 ngày Thực nghiệm tiến hành phòng thí nghiệm thơng qua đo chuỗi giá trị DD tương ứng với mức độ ẩm đất giữ cố định bao gồm: mức ban đầu, 10, 15, 20, 25, 30, 40 45% Mẫu đất có sa cấu thịt pha sét nhẹ, nghiền nhỏ cho qua rây mm, để khơ kiệt tự nhiên sau xác định ẩm độ xem ẩm độ ban đầu; cân đất khô cho vào chậu có nắp đậy bảo đảm kín, đánh số từ đến (2 kg đất khô/chậu) Dựa ẩm độ ban đầu khối lượng đất chậu, tính lượng nước cần thiết thêm vào để nâng mức ẩm độ lên 10, 15, 20, 25, 30, 40 45%, tương ứng với thứ tự chậu từ đến Cảm biến ẩm độ nhiệt độ vùi vào chậu, chậu đậy nắp kín hoàn toàn để tránh nước bị bốc hơi; song song với việc theo dõi ghi nhận diễn biến nhiệt độ dao động khoảng từ 10 đến 33 oC sử dụng cảm biến DS18B20 sản xuất hãng Dallas Việc kiểm nghiệm tính phù hợp hàm đặc tính thực việc so sánh giá trị ước lượng thông qua phép nghịch đảo hàm đặc tính DD với với độ ẩm đất xác định từ cảm biến khối lượng, loạt số liệu hệ thống ghi nhận từ 40 cảm biến số liệu khối lượng từ 40 load cell Số liệu phân tích xử lý chương trình Microsoft Excel, sử dụng phương pháp kiểm định t-test để so sánh 13 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 2.5 Phương pháp điều khiển tưới Sai số E mờ hóa theo hàm thuộc chuyên gia cung cấp Tín hiệu mờ sau đưa tới suy luận mờ gồm tập luật chuyên gia cung cấp Kết suy luận mờ giải mờ thành tín hiệu điều khiển đưa tới điều khiển bơm tưới Việc tưới làm thay đổi ẩm độ đất, cảm biến ẩm độ đo đạc đưa trở lại so sánh để điều chỉnh trình tưới Việc đưa định điều khiển tưới thiết lập dựa hàm đặc tính (5) kết hợp với kỹ thuật điều khiển mờ (Fuzzy Controller) Hình mơ tả mơ hình hệ thống điều khiển tưới sử dụng phương pháp điều khiển mờ Giá trị độ ẩm cần đạt giá trị SMset, giá trị cố định thay đổi theo thời gian Bộ so sánh so sánh với giá trị độ ẩm đất trung bình thực đo SMđo Bộ so sánh SMset E Mờ hóa Suy luận mờ Giải mờ Điều khiển bơm tưới SMđo Hàm đặc tính Cảm biến ẩm độ đất Hình Mơ hình hệ thống điều khiển tưới Giải thuật bắt đầu việc xác định hàm liên thuộc đầu vào hàm liên thuộc đầu với thơng số tính chất thể Hình Hình µ E.ZE (rất nhỏ) E.PS (nhỏ) E.PB (lớn) x Z1 S1 Z2 S2 B1 B2 S3 Hình Đồ thị hàm liên thuộc đầu vào Dựa hàm liên thuộc đầu vào đầu thiết lập để xác định tập luật, định đến việc hệ thống lựa chọn phương án điều khiển tối ưu mặt thời gian bơm tưới Phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy Controller) trình bày chi tiết Phan Xuân Minh Nguyễn Doãn Phước (1997) 14 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 µ TBít TBvừa TBnhiều t K M N P R Q L Hình Đồ thị hàm liên thuộc đầu 2.6 Mơ hình ứng dụng Control Module Điều khiển bơm (hoặc Val) tưới nước Hub Device Các sensor module 20m Ống dẫn nước tưới Hub Device 20m 30m Bus truyền tín hiệu Hub Device Bộ điều khiển trung tâm Hình Mơ hình ứng dụng Hình mơ tả mơ hình ứng dụng cụ thể áp dụng cho đề tài nghiên cứu Hệ thống thiết kế theo hướng module hóa Các thành phần có chức chuyên biệt thiết kế thành module nâng cao tính tích hợp tồn hệ thống Các thành phần hệ thống bao gồm điều khiển trung tâm, thiết bị tập trung (hub device) module chức Các thành phần hệ thống giao tiếp với thông qua chuẩn truyền thông RS-485 Các thiết bị tập trung (hub device) dùng để kết nối module chức vào hệ thống dùng để mở rộng quy mơ hệ thống Có hai module chức sử dụng mơ hình module đo ẩm độ đất module điều khiển công suất Các cảm biến ẩm độ đất kết nối với module đo ẩm độ đất Mỗi module đo ẩm độ đất kết nối tới cảm biến ẩm độ đất Còn module điều khiển dùng để đóng, mở bơm tưới (hoặc val điện từ) đấu nối với hệ thống ống dẫn nước tưới theo kiểu béc phun 15 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 thể Hình Qua phân tích tương quan DD nhiệt độ đất có mối tương quan tuyến tính khơng chặt tương quan thuận (hệ số tương quan từ 0,4 đến 0,6) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất Kết biểu đồ phân tán giá trị DD theo nhiệt độ ứng với mức ẩm độ đất khác Hình Biểu đồ phân tán quan hệ DD nhiệt độ đất giảm dần ẩm độ đất tăng, điều nói lên giá trị biến đổi số DD mức ẩm độ cao chịu ảnh hưởng nhiệt độ so với mức ẩm độ thấp Các hệ số phương trình hồi quy mối quan hệ DD theo nhiệt độ đất trình bày Bảng Kết cho thấy, hệ số góc có chiều hướng Bảng Hệ số góc hệ số cắt trục quan hệ tuyến tính DD theo nhiệt độ đất Hệ số 6% 10% 15% 20% 25% 30% 40% 45% a 4,1035 4,0381 3,9247 3,3474 2,7455 1,0777 0,9531 0,8251 b 277,71 352,82 457,57 581,55 682,41 810,69 815,19 824,05 Mặt khác, qua biểu đồ phân tán (Hình 8) điểm phân bố rời rạc khoảng nhiệt độ từ 15 0C đến 33 0C đại lượng DD khơng khác biệt có ý nghĩa thống kê, thêm vào hệ số xác định R2 mức ẩm độ đất < 40% thấp (0,18 – 0,32), chứng tỏ mối tương quan DD nhiệt độ rời rạc Đây lý nghiên cứu không xét tới ảnh hưởng yếu tố nhiệt độ đến giá trị DD hàm đặc tính Kết giải tốn tối ưu sở cực tiểu hóa tổng bình phương phần dư, hệ số L, A, B C tham gia phương trình (5) xác định có giá trị tương ứng 363.9258159, 0.363100591, 3.201316284 0.064861261 Thay hệ số vào (5), ta có phương trình (6): 16 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 𝐷𝐷𝐷𝐷 = 363.9258159 0.363100591 + 3.201316284−0.064861261𝑋𝑋 (6) đối ổn định ẩm độ ≥ 50 % Điều phản ánh điện trở kháng đất điều kiện khơ có giá trị cao, giá trị giảm ẩm độ đất tăng tương đối ổn định ẩm độ đất trạng thái cao (trạng thái gần bảo hòa bảo hòa) Kết phù hợp với nghiên cứu Prasad and Sharma (2012) Hình kết biểu diễn quan hệ DD độ ẩm đất giá trị thực đo giá trị ước lượng từ phương trình (6) Kết cho thấy độ biến động giá trị DD thực đo mức ẩm độ thấp lớn, giảm dần ẩm độ đất tăng dần Giá trị DD tăng nhanh khoảng độ ẩm từ đến 20%, sau tăng chậm dần trì tương Hình Biểu đồ quan hệ DD theo độ ẩm đất giá trị dương xấp xỉ 1, chứng tỏ tồn mối tương quan thuận chặt DD thực đo ướng lượng Điều có nghĩa phương trình (9) sử dụng để ước lượng giá trị DD theo độ ẩm đất với tỉ lệ khoảng 88% (hệ số xác định R2 = 0,88) Bảng thể kết so sánh giá trị DD theo cặp DD thực đo DD ước lượng từ phương trình hồi quy theo phương pháp kiểm định t-test khác biệt trung bình tổng thể, tổng số 1890 cặp mẫu giá trị DD tương ứng Kết kiểm định t-test chứng tỏ kết thực đo (m = 553,37, s = 27631,56) so với kết ước lượng (m = 553,17, s = 24114,40) khơng khác biệt có ý nghĩa thống kê t(1889) = 0,151639, p > 0,05 Thêm vào đó, hệ số tương quan Pearson có ý nghĩa thống kê r (1888) = 0,94; p < 0,001 với Qua đường biểu diễn hàm (6) Hình kết phân tích thống kê cho thấy, khoảng ẩm độ đất biến động từ đến 45% theo khối lượng ước lượng giá trị DD đọc từ cảm biến ẩm độ với mức độ tin cậy 95% (sai số ≤ 5%) 17 An Giang University Journal of Science – 2017, Vol 17 (5), – 21 Bảng So sánh giá trị DD số liệu thực đo ước lượng (t-test) Thực đo Giá trị trung bình Phương sai 553.3693 27631.56 Số mẫu 1890 Hệ số tương quan Pearson Ước lượng 553.1651 24114.4 1890 0.935932 Độ tự (df) 1889 Giá trị t tính tốn 0.151639 P(T