Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII

Trường Đại học Giao thông vận tải

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TƯỚI CÂY THÔNG MINH
DỰA TRÊN NỀN TẢNG IOT
Lê Hùng Lân1, Nguyễn Văn Hải1, Cồ Như Văn1, Trần Ngọc Tú1*
1

Trường Đại học Giao thông Vận tải, Số 3 Cầu Giấy, Hà Nội
* Tác giả liên hệ: Email:

Tóm tắt: Trước tình hình biến đổi khí hậu như hiện nay thì vấn đề đảm bảo nguồn
nước tưới cho cây trồng là một trong những vấn đề được các nhà vườn đặc biệt quan
tâm. Và một trong những giải pháp được nhiều đơn vị áp dụng để đảm bảo ổn định
việc tưới tiêu, giúp cây trồng sinh trưởng, phát triển tốt, đó là áp dụng công nghệ tưới
thông minh. Bài viết này sẽ phân tích lựa chọn giải pháp, cơng nghệ thiết kế hệ thống
tưới cây thông minh, phù hợp với điều kiện khí hậu và canh tác tại Việt Nam.
Từ khóa: IoT, mạng vô tuyến, Lora, giám sát, điều khiển.
3. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, ngành nông nghiệp trên thế giới đang phát triển theo hướng ứng dụng
công nghệ cao, chuyển sản xuất nơng nghiệp sang sản xuất mang tính cơng nghiệp mà
điển hình là ngành nơng nghiệp Israel, Nhật, Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan…
Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thơn Việt Nam cũng đang khuyến khích các hộ gia
đình, các tổ chức trong và ngoài nước đầu tư sản xuất nông nghiệp theo hướng này,
đây là hướng đi đúng, thúc đẩy phát triển nông nghiệp sạch phục vụ cho người tiêu
dùng và xuất khẩu. Theo các chuyên gia công nghệ, việc áp dụng IoT vào sản xuất
nông nghiệp được xem là một nền tảng để hình thành nền nơng nghiệp thông minh.
Trước sự ưu việt của IoT mang lại, nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã áp dụng vào
sản xuất nông nghiệp, mang lại hiệu quả bất ngờ về năng suất, sản phẩm đạt chất
lượng và hạ giá thành sản xuất.

Một số công ty ở Việt Nam và trên thế giới cũng đã nghiên cứu chế tạo được các
hệ thống tưới cây thông minh, tuy nhiên các hệ thống vẫn chưa phát huy hết hiệu quả,
một số hệ thống chưa cho phép cài đặt linh hoạt các tham số hoạt động tùy biến của hệ
thống cho người dùng hoặc một số hệ thống bị hạn chế số lượng cảm biến và loại cảm
biến. Đặc thù như hệ thống tưới cây thông minh của công ty Murata là sản phẩm phát
triển khá mạnh và được ứng dụng ở nhiều nơi, tuy nhiên bộ transmitter tối đa chỉ kết
nối được 3 cảm biến, không thể kết nối được với cảm biến khác mà chỉ có thể kết nối
và truyền dữ liệu với cảm biến của hãng đó, như vậy hệ thống áp dụng tốt ở các mơ
hình nơng nghiệp tiêu chuẩn mà khó có thể mở rộng phát triển để ứng dụng ở các mơ
hình khác nhau trong nơng nghiệp đặc thù như ở Việt Nam. Ngoài ra, trong nước mơ
hình theo dõi và tưới cây tự động của AgrHub với sản phẩm là Farmbox có nhiều chức
-249-


Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII

Trường Đại học Giao thông vận tải

năng theo dõi cây trồng và tưới cây tự động, tuy nhiên hệ thống sử dụng loại cảm biến
đo lường có giao thức kết nối kiểu BLE4.0 với khoảng cách truyền rất ngắn và IP5 nên
không phù hợp với các vườn cây có diện tích lớn và khơng thể hoạt động liên tục
ngồi trời. Đồng thời, việc tưới tiêu của các hệ thống trên khơng có sự linh hoạt trong
việc điều khiển độc lập từng vùng tưới riêng biệt – tưới chế độ khác nhau cho mỗi
vùng cây nhằm phù hợp với mỗi thời kỳ sinh trưởng phát triển của cây.
4. NỘI DUNG
4.1. Phân tích lựa chọn giải pháp tưới cây
Nước là một vật chất rất quan trọng cho sự sống, được con người sử dụng vào
các mục đích khác nhau, như: sinh hoạt, nơng nghiệp, cơng nghiệp, giải trí và mơi
trường…. Sự gia tăng dân số và sự phát triển của kinh tế - xã hội ngày càng cao đã
khiến nhu cầu về nước không ngừng gia tăng. Tuy nhiên, tài nguyên nước là một tài

ngun có hạn, nếu khơng sử dụng hợp lý và tiết kiệm thì sẽ có ảnh hưởng rất lớn đến
sự sống con người.
Đến nay, hệ thống tưới nhỏ giọt là biện pháp tưới tiêu tiết kiệm nước nhất, giảm
đến 30-60% nước so với phương pháp tưới truyền thống. Nông dân có thể cung cấp
nước, phân bón đến đúng vùng rễ tích cực với liều lượng nhỏ, vừa đủ để cây trồng hấp
thu hết thông qua hệ thống máy bơm, van, đường ống dẫn nước, đường ống nhỏ giọt,
và hiện đại hơn là kết nối với hệ thống máy tính kiểm soát.
Hệ thống tưới sẽ được điều khiển bằng lưu lượng, thời gian hay bằng những
sensor cảm biến ẩm độ hay nhiệt độ. Hệ thống điều khiển sẽ đóng mở máy bơm và van
điện để tưới theo rất nhiều những chương trình tưới được lập trình sẵn hoặc tự động
điều khiển hệ thống tưới phù hợp với thực tế. Hệ thống điều khiển có thể truyền tín
hiệu bằng dây Cable hay tín hiệu sóng radio cho những diện tích lớn từ vài trăm đến
hàng ngàn hecta. Ưu điểm dễ nhận thấy khi ứng dụng công nghệ tưới nhỏ giọt vào
canh tác rau và hoa trong nhà kính, là người nơng dân có thể tiết kiệm được từ 30 đến
50% lượng nước tưới, tiết kiệm đến 30% chi phí phân bón, tiết kiệm cơng chăm sóc,
làm cỏ, bón phân. Thơng qua hệ thống này, việc duy trì độ ẩm phù hợp cho sự sinh
trưởng và phát triển của cây cũng được thuận tiện và chính xác hơn rất nhiều so với
phương pháp tưới khác. Như vậy nhìn một cách tổng thể, sử dụng hệ thống tưới nhỏ
giọt này sẽ giúp người nông dân nâng cao mật độ canh tác, tăng năng suất, và quan
trọng hơn là chất lượng nông sản luôn được đảm bảo qua việc quản lý được dinh
dưỡng cây trồng.
Ngoài việc lập lịch tưới cây hoặc điều khiển cưỡng bức, để hệ thống trở nên
thông minh hơn và không cần sự can thiệp của con người thì hệ thống cần có chế độ
hoạt động tự động thích ứng với điều kiện khí hậu, điều kiện đất trồng, như vậy hệ
thống cần tích hợp các cảm biến đo lường – quan trắc mơi trường đất, khơng khí và
lượng mưa, làm nguồn thơng tin dữ liệu đầu vào cho hệ thống có thể hoạt động hoàn
toàn tự động phù hợp, giúp tiết kiệm nguồn nước, phân bón, đồng thời giúp cây ln
được cung cấp đủ nước và chất dinh dưỡng để có thể đem lại năng suất cao cho nhà
nông.
-250-



Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII

Trường Đại học Giao thơng vận tải

4.2. Xây dựng mơ hình và các thành phần chức năng của hệ thống
Thông qua khảo sát đánh giá các hệ thống tưới cây trên thế giới cũng như đặc thù
canh tác nông nghiệp trong nước, nhóm nghiên cứu đưa ra mơ hình tổng quan của hệ
thống điều khiển và giám sát hệ thống tưới cây thơng minh như sau:

Hình 1. Mơ hình tổng quan hệ thống tưới cây thông minh dựa trên nền tảng IoT.
Hệ thống van, ống nước làm nhiệm vụ đưa và điều tiết nước tưới đến các gốc
cây. Diện tích vườn thí điểm ứng dụng khoảng 2 ha (dài 90m, ngang 80m), được chia
thành 10 liếp, số lượng cây xoài: khoảng 100 cây, phương pháp tưới được lựa chọn
như trên là phương pháp tưới nhỏ giọt tại các gốc cây. Đường ống nước được bố trí
-251-


Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII

Trường Đại học Giao thông vận tải

đường tổng dẫn đến các đầu đường ống tưới của mỗi liếp. Tại đầu mỗi liếp có thiết kế
van từ trường, có thể điều khiển độc lập việc tưới cây đến từng liếp. Bên cạnh đó, hệ
thống có thiết kế bồn chứa dung dịch phân để có thể dẫn theo hệ thống tưới đưa phân
đến cung cấp cho từng gốc cây.
Hệ thống trạm quan trắc bao gồm 02 trạm quan trắc được lắp đặt tại 2 vị trí phù
hợp tại vườn cây. Trạm quan trắc có nhiệm vụ chính như đo các tham số về thời tiết,
độ ẩm của đất, độ mặn, độ PH,…Thông tin đo lường từ các cảm biến sẽ truyền về tủ

điều khiển trung tâm tại vườn cây(truyền thông vô tuyến), trạm quan trắc sử dụng
nguồn điện năng lượng mặt trời (pin năng lượng mặt trời và ắc quy tích điện tại trạm).
Tủ điều khiển thực hiện tiếp nhận các thông tin đo lường từ 02 trạm quan trắc tại
vườn, từ đó tự động điều khiển hệ thống van tưới phù hợp, tự động điều khiển máy
bơm nước, bơm nước từ hồ chứa lên bồn trên cao khi mức nước trong bồn xuống thấp,
cho phép điều khiển tại chỗ việc tưới nước đến các liếp, cho phép cấu hình, cài đặt các
chế độ tưới theo ngày, tháng,…truyền trạng thái làm việc thông tin quan trắc và nhận
các thông tin cài đặt các chế độ hoạt động của hệ thống đến phần mềm server, gửi cảnh
báo đến điện thoại di động khi hệ thống gặp sự cố như động cơ không làm việc, lỗi
van, hết nước tưới,…
Phần mềm điều khiển, giám sát trên máy tính và điện thoại thơng minh cho phép
giám sát online hoạt động của hệ thống cũng như thực hiện việc vẽ biểu đồ thể hiện
trực quan các thông số quan trắc: nhiệt độ, độ ẩm, độ Ph, độ mặn,… theo ngày, tháng,
năm; lưu trữ truy xuất cơ sở dữ liệu dưới dạng file excel/word và cho phép cài đặt các
chế độ hoạt động của hệ thống hoặc điều khiển cưỡng bức hoạt động của hệ thống.
4.3. Lựa chọn giải pháp truyền thông và thiết kế chế tạo các thành phần của hệ
thống
❖ Lựa chọn giải pháp truyền thơng:
Qua phân tích đánh giá về các giải pháp truyền thơng, nhóm nghiên cứu đã lựa
chọn giải pháp truyền thông giữa máy chủ và tủ điều khiển sử dụng mạng thông tin di
động GSM, việc truyền thông giữa các trạm quan trắc đến tủ điều khiển sử dụng công
nghệ truyền thông Lora là tối ưu nhất.
LoRa là một công nghệ không dây được phát triển để cho phép truyền tốc độ dữ
liệu thấp trên một khoảng cách lớn bởi các cảm biến và bộ truyền động cho M2M và
IoT cũng như các ứng dụng IoT. LoRa hướng tới các kết nối M2M ở khoảng cách lớn.
Nó có thể hỗ trợ liên lạc ở khoảng cách lên tới 15 – 20 km, với hàng triệu node mạng .
Nó có thể hoạt động trên băng tần không phải cấp phép, với tốc độ thấp từ 0,3kbps đến
khoảng 30kbps. Với đặc tính này, mạng LoRa phù hợp với các thiết bị thông minh trao
đổi dữ liệu ở mức thấp nhưng duy trì trong một thời gian dài. Thực tế các thiết bị LoRa
có thể duy trì kết nối và chia sẻ dữ liệu trong thời gian lên đến 10 năm chỉ với năng

lượng pin.
Mơ hình mạng cảm biến khơng dây được đề xuất thiết kế (hình 3) gồm : 02 nút
cảm biến (Node), 01 trạm thu thập dữ liệu (Gateway), 01 trung tâm dữ liệu (Cloud
Server - Blynk Server) và ứng dụng trên điện thoại thông minh (Blynk App).

-252-


Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII

Trường Đại học Giao thơng vận tải

Hình 3. Mơ hình mạng cảm biến khơng dây
Trong đó module thu phát LoRa SX1278 (E32-TTL-100) được sử dụng trong
thiết kế mơ hình mạng cảm biến không dây, để truyền dữ liệu giữa các Node đến
Gateway. Module này sử dụng chip SX1278 của Semtech, tần số 433Mhz, khoảng
cách truyền trong điều kiện lý tưởng là 3000m, t ốc độ truyền 0,3 - 19,2Kbps (mặc
định 2,4Kbps), công suất phát 100mW, điện áp hoạt động 2,3 - 5,2VDC, giao tiếp
UART (8 bit Data, 1 Stop bit, None Parity bit, Baud rate 1200-115200).
Nút mạng cảm biến (Node) là thiết bị giao tiếp với cảm biến được lắp đặt tại các
vị trí làm việc ở xa để thu thập dữ liệu và truyền dữ liệu thu thập được đến Gateway.
Phần cứng của node gồm: module thu phát LoRa SX1278, board mạch điều khiển,
cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí, cảm biến độ ẩm đất,….Thuật tốn xử lý trên
Node như sau:

Hình 4. Thuật tốn xử lý trên Node.
-253-


Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII


Trường Đại học Giao thơng vận tải

Lưu đồ thuật tốn xử lý trên Node được trình bày ở hình 4. Các bước xây dựng
thuật toán xử lý trên Node như sau:
Bước 1: Khởi tạo và cấu hình hàm setup(): khởi tạo UART, cấu hình chân tín hiệu,
khởi tạo ngắt timer 5s.
Bước 2: Xây dựng hàm lưu chuỗi dữ liệu Data_str (), định dạng chuỗi dữ liệu gồm:
[NodeID, nhiệt độ khơng khí, độ ẩm khơng khí, độ ẩm đất]
Bước 3: Xây dựng hàm Node1() và Node2() để đọc giá trị của các cảm biến và truyền
chuỗi dữ liệu gồm giá trị của các cảm biến đã đọc được đến Gateway.
Trạm xử lý chính – Gateway: Gateway có chức năng thu thập dữ liệu từ các
Node và đồng thời truyền lên Cloud Server. Phần cứng của Gateway gồm: module thu
phát LoRa SX1278, board mạch điều khiển (NodeMCU) có tích hợp module kết nối
mạng WiFi (ESP8266). Gateway thường được đặt tại một vị trí có nguồn cung cấp và
có các kết nối mạng như WiFi /LAN để có thể truyền dữ liệu lên Cloud Server. Tùy
vào loại module thu phát LoRa thì khoảng cách truyền giữa Node và Gateway có thể
lên đến hàng km. Thuật tốn xử lý trên Gateway như sau:

Hình 5. Thuật tốn xử lý trên Gateway.
Lưu đồ thuật toán xử lý trên Gateway được trình bày trong 5. Các bước xây dựng
thuật toán xử lý trên Gateway như sau:
-254-


Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII

Trường Đại học Giao thông vận tải

Bước 1: Khởi tạo và cấu hình hàm setup(): khởi tạo UART, cấu hình chân tín hiệu, cấu

hình Blynk.begin (auth, ssid, pass) để kết nối đến Blynk Server, cấu hình gọi hàm
senddata sau mỗi giây : timer.setInterval (1000L, senddata).
Bước 2: Xây dựng hàm senddata () để truyền lên Cloud Server (Blynk Server) các giá
trị của cảm biến từ Node gửi đến.
Bước 3: Xây dựng hàm loop(): Phân tích chuỗi và khơi phục lại các giá trị nhận được.
Bước 4: Kiểm tra NodeID (0: Node1; 1: Node2) trong chuỗi dữ liệu đã nhận, nếu đúng
Node1 hoặc Node2 thì lưu dữ liệu vào cấu trúc của Node tương ứng. Truyền dữ liệu
lên Blynk Server mỗi 1s một lần.
Trung tâm dữ liệu (Cloud Server): Cloud Server có chức năng nhận các gói dữ liệu từ
Gateway truyền lên và dữ liệu được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu trên Cloud Server.
Thông qua ứng dụng (App) trên điện thoại thông minh thì người dùng có thể giám sát
những dữ liệu đã lưu trữ trên Cloud Server.
5. KẾT LUẬN
Bài viết đã đưa ra các phương pháp, lựa chọn và xây dựng hệ thống tưới cây
thông minh một cách tự động được áp dụng cho khu vườn xồi có diện tích khoảng
2ha tại xã An Thạnh 1, huyện Cù Lao Dung tỉnh Sóc Trăng. Hệ thống được thiết kế
mở về phần mềm và phần cứng, dễ dàng áp dụng cho các khu vườn có loại cây trồng
và diện tích khác nhau cũng như ở các vùng khác nhau. Hệ thống có thể lập lịch – kế
hoạch tưới trong ngày, trong tuần, trong tháng và trong năm, cho phép điều khiển
cưỡng bức việc tưới cũng như châm phân đến từng gốc cây, ngoài ra, hệ thống có tích
hợp các cảm biến tự động quan trắc mơi trường đất, khơng khí và lượng mưa để từ đó
có thể tự động đưa ra các chế độ tưới phù hợp với điều kiện thời tiết thực tế mà không
cần đến sự can thiệp của con người.
LỜI CẢM ƠN
Cảm ơn UBND tỉnh Sóc Trăng đã tài trợ cho cho nghiên cứu này trong khuôn
khổ đề tài “Xây dựng hệ thống tưới cây tự động và chiếu sáng công cộng dựa trên nền
tảng Internet Vạn Vật (IoT) kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời phục vụ phát triển
mơ hình xã nơng thơn mới thơng minh tại huyện Cù Lao Dung, tỉnh Sóc Trăng”.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Đề tài KHCN cấp tỉnh: Xây dựng hệ thống tưới cây tự động và chiếu sáng công

cộng dựa trên nền tảng Internet Vạn Vật (IoT) kết hợp sử dụng năng lượng mặt trời
phục vụ phát triển mơ hình xã nơng thơn mới thơng minh tại huyện Cù Lao Dung, tỉnh
Sóc Trăng.
[2]. Lê Hồng An, Làng thơng minh - hướng tiếp cận mới cho phát triển nông thôn
trong kỷ nguyên số, Hợp tác xã nông nghiệp số ngày 09/04/2019.
-255-


Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXII

Trường Đại học Giao thông vận tải

[3]. Co Nhu Van, Pham Huy Duy, Chu Thi Thu Ha, Ngo Thanh Binh, Design and
implementation of an automatic hydrological monitoring system for hydropower
plants. J. Viet. Env. 2013, Vol. 4, No. 2, pp. 34-42.
[4]. Thông tư số 33 /2011/TT-BTNMT, ngày 01 tháng 8 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ
tài nguyên và môi trường về Quy định quy trình kỹ thuật quan trắc mơi trường đất.
[5]. Sai Sreekar Siddula, Water level monitoring and managenment of dams using IoT,
EE Department Shiv Nadar University G. Noida-201314, India.
[6]. Ly Lan, LoRa: Giải pháp cho triển khai mạng IoT, tạp chí công nghệ thông tin và
truyền thông 10/2016.
[7]. Nguyen Chi Nhan, Pham Ngoc Tuan, Nguyen Huy Hoang, A wireless sensor
network for high-tech agriculture, Science & Technology Development Journal–
Natural Sciences, 3(4):259-270.

-256-