Thiết kế xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động dựa trên khả năng trữ ẩm của đất - Phạm Văn Quang

An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 9 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 1Trường Đại học An Giang Thông tin chung: Ngày nhận bài: 20/02/2017 Ngày nhận kết quả 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 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. Các tín hiệu điện áp đọc từ hai điện cực của cảm biến ẩm độ đất được chuyển sang dạng số và gởi về bộ xử lý trung tâm phân tích để ra quyết định điều khiển mở/đóng hệ thống tưới. Quá trình phân tích tín hiệu tại bộ xử lý trung tâm được thực hiện dựa trên hàm đặc tính (xác định dựa trên số liệu thực nghiệm) kết hợp với thuật toán điều khiển mờ. Kết quả của đề tài đáp ứng được mục tiêu đã đề ra. Hệ thống hoạt động tốt trong việc theo dõi và điều khiển tự động quá trình tắt/mở hệ thống tưới ở điều kiện ngoài trời. Ẩm độ đất có thể được phát hiện trong khoảng từ 5% đến 50% với độ tin cậy 95%, nên có thể phù hợp với hầu hết các loại đất ở Đồng bằng sông Cửu Long. 1. GIỚI THIỆU Trên trái đất có tới 97% tổng lượng nước nằm ở các biển và đại dương, 3% là nước ngọt (Shiklomanov & Rodda, 2004). Trong 3% nước ngọt này chỉ có khoảng 0,3% ở dạng nước mặt có trong các sông, rạch, ao, hồ, còn lại ở dạng băng tuyết và nước ngầm (Shiklomanov & Rodda, 2004). Do đó, việc sử dụng hiệu quả và tiết kiệm An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 10 nguồn tài nguyên nước ngọt là vấn đề cần được quan tâm, trong đó có lượng nước phục vụ cho sản xuất nông nghiệp. Nước là yếu tố quyết định đến quá trình sống của cây trồng, việc cung cấp vừa đủ lượng nước dựa trên nhu cầu sử dụng của cây, giúp cây trồng bảo đảm hoàn thành được chu kỳ sống và cho năng suất, đồng thời giúp tránh được lãng phí nguồn nước tưới. Đặc biệt trong bối cảnh chịu tác động của biến đổi khí hậu dẫn đến xâm nhập mặn và hạn hán xảy ra ngày càng nghiêm trọng, nhất là vào các tháng mùa khô (Wassmann và cs., 2004). Do đó, việc lựa chọn phương pháp tưới thích hợp cho cây trồng là một trong những cách tiếp cận có tính khoa học. Đất là sản phẩm của quá trình phong hóa các vật liệu gốc (đá mẹ) theo thời gian, tạo ra các loại đất khác nhau nằm ở lớp trên cùng của vỏ trái đất với tỉ lệ các chất vô cơ (tỉ lệ sét, thịt, cát) và hữu cơ khác nhau. Một cách tổng quát, đất bao gồm ba thành phần đó là pha rắn (vô cơ và hữu cơ), pha lỏng (nước) và pha khí (không khí, hơi nước). Tỉ lệ thành phần giữa các pha này quyết định đến khả năng giữ nước của đất, hàm lượng nước chứa trong đất còn gọi là độ ẩm đất. Khi tưới, nước thấm vào đất và được giữ lại trong pha rỗng, khi lượng nước vượt quá khả năng chứa của pha rỗng trong đất thì sẽ bị tiêu thoát ra ngoài dưới tác dụng của trọng lực trở thành lượng lãng phí. Do đó, việc xác định được thời điểm và lượng nước cần tưới cho cây trồng, phù hợp với khả năng giữ nước của đất, sẽ giúp cho vấn đề sử dụng nguồn nước được hiệu quả và tối ưu. Điều này có thể thực hiện được thông qua việc xác định hai ngưỡng độ ẩm thấp và cao ở thời điểm tương ứng để quyết định mở và đóng hệ thống tưới. Hiện nay có nhiều phương pháp được sử dụng để xác định ẩm độ đất, như phương pháp trực tiếp sấy ở 105 0C trong phòng thí nghiệm, phương pháp gián tiếp sử dụng các thiết bị lưu động hoặc có thể cài đặt ở ngoài đồng như Neutron probe, Tensiometer, TDR (ICID/FAO 1996) và FAO - 56 (Allen và cs., 1998). Tuy nhiên, các phương pháp này tốn nhiều thời gian, công sức nên còn khá nhiều hạn chế, chưa thích hợp cho hệ thống tưới tự động. Để khắc phục những hạn chế kể trên, phương pháp tích hợp có tính kỹ thuật cao được ứng dụng. Hệ thống này sử dụng các cảm biến cài đặt vào trong đất, để nhận biết sự thay đổi độ ẩm đất và chúng được kết nối với bộ vi điều khiển. Tại bộ vi điều khiển, thông tin về ẩm độ được tiếp nhận từ các cảm biến được xử lý và đưa ra quyết định để điều khiển thiết bị công suất mở/tắt hệ thống tưới. Phương pháp kỹ thuật cao này hỗ trợ không chỉ cho việc theo dõi và ghi nhận dữ liệu mà có thể sử dụng để thiết lập kế hoạch tưới theo thời gian thực (real - time irrigation scheduling) và hoàn toàn có thể tự động hóa, đồng thời cũng có thể xây dựng thành hệ thống mạng lưới các trạm có khả năng truy xuất, điều khiển, quản lý thông qua Internet (Phene và cs., 1990). Hơn nữa, tưới tự động trong nông nghiệp cũng là một xu thế chung của nhiều nước trên thế giới nhằm hướng đến sử dụng hữu hiệu nguồn tài nguyên nước. Đây cũng là hướng tiếp cận nền nông nghiệp chính xác (Valente và cs., 2011). Mục tiêu của nghiên cứu này là xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động dựa trên trạng thái ẩm độ đất, nhằm hỗ trợ tiếp cận ứng dụng công nghệ kỹ thuật chính xác trong sản xuất nông nghiệp. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu này dựa trên sự thay đổi của ẩm độ, dẫn đến thay đổi về điện trở đất để thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động. Điện trở đất thay đổi được ánh xạ qua sự thay đổi về điện áp được xác định bằng kỹ thuật flip - flop ( Về cơ bản, hệ thống có hai phần chính: - Phần cứng (hardware) bao gồm module xử lý trung tâm; module giao tiếp; module công suất và các cảm biến ẩm độ đất. - Phần mềm (software) gồm có chương trình hệ thống (Firmware) và chương trình tương tác với người sử dụng. An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 11 Các bước tổng quát được tiến hành là: (1) thiết kế, xây dựng phần cứng và phần mềm; (2) xây dựng hàm đặc tính theo ẩm độ đất thông qua thực nghiệm; (3) hoàn thiện Firmware cho module điều khiển công dựa trên hàm đặc tính; (4) kiểm định tính phù hợp; và (5) vận hành hệ thống trong điều kiện thực tế. 2.1 Thiết kế chế tạo cảm biến ẩm độ đất Cảm biến được chế tạo bằng 2 cực là chất liệu Inox 304 (Stainless Steel) gắn trên lõi nhựa đặc (nhựa PPE) dạng trụ tròn có đường kính 16 mm, cao 4 cm. Điện cực có dạng hình khuyên tròn với đường kính 16 mm, cao 6 mm. Mẫu hoàn chỉnh của cảm biến được chế tạo trong nghiên cứu này được thể hiện như trong Hình 1. Hình 1. Hình dạng thực tế của các 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 được mô tả trong Hình 2. Hình 2. Sơ đồ mạch flip-flop dùng để đo điện trở đất Trong đó: - R4, R5 là các điện trở hạn dòng. Giá trị được chọn theo thực nghiệm. - RD tượng trưng cho điện trở đất cần đo. Khi giữa hai bản cực của cảm biến có một điện áp thì sẽ có một dòng điện chạy qua. Thông qua đó, sẽ xác định được giá trị điện trở tương đối giữa hai bản cực, từ đó sẽ xác định được độ ẩm đất tương ứng. Nguyên lý hoạt động có thể mô tả như sau: An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 12 - Điện áp được cấp vào các chân FF0.1 và FF0.2 theo kiểu bập bênh (flip - flop) với mức áp thấp ~ 0 V và mức áp cao 5 V và liên tục đảo chiều trong một khoảng thời gian xác định (thời gian đảo chiều cũng được xác định theo thực nghiệm). - Mức điện áp tại chân SMIN0.1 (đặt là VD) sẽ được lấy mẫu bằng bộ biến đổi tương tự sang số (ADC - Analog to Digital Converter) có độ phân giải 10 bit. - Với mỗi thứ tự đảo chiều của các chân FF0.1 và FF0.2, ta có giá trị điện áp đo VD tương ứng được chuyển đổi sang giá trị số DD thuộc khoảng [0 1023]. Giá trị VD có mối quan hệ tuyến tính với DD, như phương trình (1). 𝐷𝐷𝐷𝐷 = 1023𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐 𝑉𝑉𝐷𝐷 = 10235 𝑉𝑉𝐷𝐷 = 204.6 ∗ 𝑉𝑉𝐷𝐷 (1) - Khi VFF0.1 = 0 v, VFF0.2 = 5 v, VD = VD1 ta thiết lập được (2) 𝑉𝑉𝐷𝐷1 = 𝑅𝑅𝐷𝐷𝑅𝑅5 + 𝑅𝑅𝐷𝐷 𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐 (2) - Khi VFF0.1 = 5 v, VFF0.2 = 0 v, VD = VD2 ta có (3) 𝑉𝑉𝐷𝐷2 = 𝑅𝑅5𝑅𝑅5 + 𝑅𝑅𝐷𝐷 𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐 (3) - Để giá trị DD đo được tương ứng với giá trị điện trở đất có thể biểu diễn thành hàm cùng hướng với giá trị RD, ta sử dụng biểu thức (4): 𝐷𝐷𝐷𝐷′ = 1023− 𝐷𝐷𝐷𝐷2 + 𝐷𝐷𝐷𝐷12 (4) Từ (4), với những trị số linh kiện đã chọn như trong Hình 2, kết quả đồ thị biểu diễn giá trị DD’ theo RD sẽ như Hình 3. Hình 3. Tương quan giá trị trung bình DD’ và điện trở đất Qua đường biểu diễn này cho thấy, giá trị biến đổi DD’ tỉ lệ nghịch với điện trở đất RD. Giá trị DD’  0 khi RD  + ∞. Điều này cũng có nghĩa là độ ẩm đất tỉ lệ thuận với giá trị biến đổi DD’ hoặc tỉ lệ nghịch với điện trở đất RD. 2.3 Xác định hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất DD’ RD (Ω) An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 13 Dựa trên biểu thức (4), hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất được đề xuất như phương trình (5). 𝐷𝐷𝐷𝐷 = 𝐿𝐿𝐴𝐴 + 𝐵𝐵−𝐶𝐶𝐶𝐶 (5) Trong đó: - DD là giá trị tổng hợp chuyển đổi dạng số; - L, A, B và C là các hệ số; - X là độ ẩm đất (%). Phương trình (5) có dạng đường cong hình chữ S với các đặc điểm: là hàm bị chặn, có khoảng đơn điệu tăng, là hàm liên tục và trơn với đặc tính về hình dạng được quyết định bởi các hệ số L, A, B, và C. Các hệ số này được xác định thông qua mô hình hồi quy phi tuyến được đề xuất bởi Marquardt (1963), dựa trên số liệu thực nghiệm đo các giá trị DD tương ứng với 8 mức độ ẩm đất từ khô đến gần bảo hòa (từ 6% đến 45% trên cơ sở khối lượng) bằng công cụ Solver của Microsoft Excel. Chuỗi số liệu thực nghiệm nằm trong khoảng nhiệt độ từ 15 0C đến 32 0C được sử dụng đưa vào mô hình tính hồi quy. Các hệ số L, A, B, C tối ưu được ước lượng trên cơ sở cực tiểu hóa tổng bình phương các phần dư. Thực nghiệm được tiến hành trong phòng thí nghiệm thông qua đo các chuỗi giá trị DD tương ứng với 8 mức độ ẩm đất được giữ cố định bao gồm: mức ban đầu, 10, 15, 20, 25, 30, 40 và 45%. Mẫu đất có sa cấu thịt pha sét nhẹ, được nghiền nhỏ cho qua rây 2 mm, để khô kiệt tự nhiên sau đó xác định ẩm độ và được xem là ẩm độ ban đầu; tiếp theo cân đất khô cho vào 8 chậu có nắp đậy bảo đảm kín, được đánh số từ 1 đến 8 (2 kg đất khô/chậu). Dựa trên ẩm độ ban đầu và khối lượng đất trong từng chậu, tính lượng nước cần thiết thêm vào để nâng mức ẩm độ lên 10, 15, 20, 25, 30, 40 và 45%, tương ứng với thứ tự của chậu từ 2 đến 8. Cảm biến ẩm độ và nhiệt độ được vùi vào giữa chậu, các chậu được đậy nắp kín hoàn toàn để tránh nước bị bốc hơi; song song với việc theo dõi ghi nhận diễn biến của nhiệt độ dao động trong khoảng từ 10 đến 33 oC sử dụng cảm biến DS18B20 được sản xuất bởi hãng Dallas Semiconductor. Các giá trị DD và nhiệt độ được đo tự động và được ghi thành tập tin dạng text lưu trên máy tính. Việc phân tích số liệu, xử lý thống kê và giải bài toán tối ưu để xác định các hệ số trong phương trình (5) bằng chương trình Microsoft Excel. Kiểm định sự khác biệt giữa số liệu thực đo và ước lượng bằng phương pháp so sánh cặp t-test. 2.4 Kiểm định tính phù hợp hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất Kiểm nghiệm tính phù hợp của hàm đặc tính được bố trí trong phòng thí nghiệm trên 40 cảm biến độ ẩm đất được cài đặt trong 40 chậu đất. Độ ẩm của đất ban đầu được xác định bằng phương pháp sấy ở 105 0C. Khối lượng đất khô trong các chậu được ghi nhận, đất trong các chậu được bảo hòa nước, và các chậu đất đã bảo hòa nước được treo lên các cảm biến khối lượng (load cell). Quá trình theo dõi đo đạc được thực hiện hoàn toàn tự động, số liệu được lưu lại trong thẻ nhớ. Các giá trị DD được thu thập thông qua tín hiệu điện áp đọc từ cảm biến ẩm độ và khối lượng đất giảm theo thời gian do nước bốc hơi được ghi lại thông qua các load cell, khối lượng này kết hợp với độ ẩm ban đầu để xác định ẩm độ đất ở thời điểm đang xét. Số liệu được lưu với độ phân giải là 5 phút, và tổng thời gian theo dõi thực sự là 15 ngày. Việc kiểm nghiệm tính phù hợp của hàm đặc tính được thực hiện bằng việc so sánh giữa giá trị ước lượng thông qua phép nghịch đảo hàm đặc tính DD với với độ ẩm đất được xác định từ cảm biến khối lượng, trên loạt số liệu hệ thống ghi nhận được từ 40 cảm biến và số liệu khối lượng từ 40 load cell. Số liệu được phân tích xử lý bằng chương trình Microsoft Excel, và sử dụng phương pháp kiểm định t-test để so sánh. An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 14 2.5 Phương pháp điều khiển tưới Việc đưa ra quyết định điều khiển tưới được thiết lập dựa trên hàm đặc tính (5) kết hợp với kỹ thuật điều khiển mờ (Fuzzy Controller). Hình 4 mô tả mô hình hệ thống điều khiển tưới sử dụng phương pháp điều khiển mờ. Giá trị độ ẩm cần đạt được là giá trị SMset, có thể là một giá trị cố định hoặc thay đổi theo thời gian. Bộ so sánh sẽ so sánh với giá trị độ ẩm đất trung bình thực đo được SMđo. Sai số E sẽ được mờ hóa theo các hàm thuộc do chuyên gia cung cấp. Tín hiệu mờ sau đó sẽ được đưa tới bộ suy luận mờ gồm các tập luật cũng do chuyên gia cung cấp. Kết quả suy luận mờ được giải mờ thành tín hiệu điều khiển đưa tới bộ điều khiển bơm tưới. Việc tưới sẽ làm thay đổi ẩm độ đất, được các cảm biến ẩm độ đo đạc đưa trở lại bộ so sánh để điều chỉnh quá trình tưới. Hình 4. Mô hình hệ thống điều khiển tưới Giải thuật được bắt đầu bằng việc xác định hàm liên thuộc đầu vào và các hàm liên thuộc đầu ra với các thông số và tính chất như được thể hiện ở Hình 5 và Hình 6. Hình 5. Đồ thị các hàm liên thuộc đầu vào Dựa trên các hàm liên thuộc đầu vào và đầu ra đã được thiết lập để xác định tập luật, quyết định đến việc hệ thống lựa chọn phương án điều khiển tối ưu về mặt thời gian bơm tưới. Phương pháp điều khiển mờ (Fuzzy Controller) được trình bày chi tiết bởi Phan Xuân Minh và Nguyễn Doãn Phước (1997). x 0 E.ZE (rất nhỏ) E.PS (nhỏ) E.PB (lớn) 1 µ Z1 S1 S3 B2 Z2 S2 B1 Mờ hóa SMset Suy luận mờ Giải mờ Điều khiển bơm tưới Cảm biến ẩm độ đất SMđo E Bộ so sánh Hàm đặc tính An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 15 Hình 6. Đồ thị các hàm liên thuộc đầu ra 2.6 Mô hình ứng dụng Control Module Điều khiển bơm (hoặc Val) tưới nước Bộ điều khiển trung tâm Hub Device ub evice Hub Device ub evice Các sensor module Ống dẫn nước tưới Bus truyền tín hiệu 20m 30m 20 m Hub Device ub evice 20 m Hình 7. Mô hình ứng dụng Hình 7 mô tả mô hình ứng dụng cụ thể đã được áp dụng cho đề tài nghiên cứu này. Hệ thống được thiết kế theo hướng module hóa. Các thành phần có chức năng chuyên biệt được thiết kế thành module nâng cao tính tích hợp của toàn hệ thống. Các thành phần chính của hệ thống bao gồm một bộ điều khiển trung tâm, các thiết bị tập trung (hub device) và các module chức năng. Các thành phần trong hệ thống giao tiếp với nhau thông qua chuẩn truyền thông RS-485. Các thiết bị tập trung (hub device) được dùng để kết nối các module chức năng vào hệ thống và còn được dùng để mở rộng quy mô hệ thống. Có hai module chức năng được sử dụng trong mô hình này là module đo ẩm độ đất và module điều khiển công suất. Các cảm biến ẩm độ đất được kết nối với module đo ẩm độ đất. Mỗi module đo ẩm độ đất có thể kết nối được tới 6 cảm biến ẩm độ đất. Còn module điều khiển thì dùng để đóng, mở bơm tưới (hoặc val điện từ) được đấu nối với một hệ thống ống dẫn nước tưới theo kiểu béc phun. M t 0 TBít TBvừa TBnhiều 1 µ K L Q R P N An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 16 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết quả hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất Kết quả biểu đồ phân tán giữa các giá trị DD theo nhiệt độ ứng với các mức ẩm độ đất khác nhau được thể hiện ở Hình 8. Qua phân tích tương quan giữa DD và nhiệt độ đất có mối tương quan tuyến tính không chặt và là tương quan thuận (hệ số tương quan từ 0,4 đến 0,6). Hình 8. Biểu đồ phân tán của quan hệ DD và nhiệt độ đất Các hệ số của phương trình hồi quy về mối quan hệ DD theo nhiệt độ đất được trình bày ở Bảng 1. Kết quả cho thấy, các hệ số góc có chiều hướng giảm dần khi ẩm độ đất tăng, điều này nói lên giá trị biến đổi số DD ở mức ẩm độ cao ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn so với ở mức ẩm độ thấp. Bảng 1. Hệ số góc và hệ số cắt trục của quan hệ tuyến tính của 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) các điểm phân bố khá rời rạc và trong khoảng nhiệt độ từ 15 0C đến 33 0C và đại lượng DD không khác biệt có ý nghĩa thống kê, thêm vào đó các hệ số xác định R2 ở các mức ẩm độ đất < 40% khá thấp (0,18 – 0,32), chứng tỏ mối tương quan giữa DD và nhiệt độ là rời rạc. Đây cũng là lý do trong nghiên cứu này không xét tới ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ đến giá trị DD trong hàm đặc tính. Kết quả giải bài toán tối ưu trên cơ sở cực tiểu hóa tổng bình phương phần dư, các hệ số L, A, B và C tham gia trong phương trình (5) được xác định và có giá trị tương ứng là 363.9258159, 0.363100591, 3.201316284 và 0.064861261. Thay các hệ số này vào (5), ta có được phương trình (6): An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 17 𝐷𝐷𝐷𝐷 = 363.92581590.363100591 + 3.201316284−0.064861261𝐶𝐶 (6) Hình 9 là kết quả biểu diễn quan hệ giữa DD và độ ẩm đất của các giá trị thực đo và giá trị ước lượng từ phương trình (6). Kết quả này cho thấy độ biến động của giá trị DD thực đo ở các mức ẩm độ thấp là khá lớn, và giảm dần khi ẩm độ đất tăng dần. Giá trị DD tăng nhanh trong khoảng độ ẩm từ 0 đến 20%, sau đó tăng chậm dần và duy trì tương đối ổn định ở ẩm độ ≥ 50 %. Điều này phản ánh điện trở kháng của đất trong điều kiện khô là có giá trị cao, giá trị này giảm khi ẩm độ đất tăng và tương đối ổn định khi ẩm độ đất ở trạng thái cao (trạng thái gần bảo hòa hoặc bảo hòa). Kết quả này cũng phù hợp với nghiên cứu của Prasad and Sharma (2012). Hình 9. Biểu đồ quan hệ DD theo độ ẩm đất Bảng 2 thể hiện kết quả so sánh giá trị DD theo cặp giữa DD thực đo và DD ước lượng từ phương trình hồi quy theo phương pháp kiểm định t-test về sự khác biệt đối với trung bình tổng thể, trên tổng số 1890 cặp mẫu giá trị DD tương ứng. Kết quả kiểm định t-test đã chứng tỏ kết quả thực đo (m = 553,37, s = 27631,56) so với kết quả ước lượng (m = 553,17, s = 24114,40) là không 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 giá trị dương xấp xỉ bằng 1, chứng tỏ tồn tại mối tương quan thuận và rất chặt giữa DD thực đo và ướng lượng. Điều này có nghĩa là phương trình (9) có thể sử dụng để ước lượng giá trị DD theo độ ẩm của đất với tỉ lệ khoảng 88% (hệ số xác định R2 = 0,88). Qua đường biểu diễn của hàm (6) ở Hình 9 và kết quả phân tích thống kê cho thấy, khoảng ẩm độ đất biến động từ 6 đến 45% theo khối lượng có thể ước lượng giá trị DD đọc từ cảm biến ẩm độ với mức độ tin cậy 95% (sai số ≤ 5%). An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 18 Bảng 2. So sánh các giá trị DD giữa số liệu thực đo và ước lượng (t-test) Thực đo Ước lượng Giá trị trung bình 553.3693 553.1651 Phương sai 27631.56 24114.4 Số mẫu 1890 1890 Hệ số tương quan Pearson 0.935932 Độ tự do (df) 1889 Giá trị t tính toán 0.151639 P(T<=t) một đuôi 0.439744 Giá trị t giới hạn (một đuôi) 1.645661 P(T<=t) hai đuôi 0.879488 Giá trị t giới hạn (hai đuôi) 1.961221 3.2 Kết quả kiểm nghiệm hàm đặc tính DD theo độ ẩm đất Kết quả kiểm nghiệm tính phù hợp của hàm đặc tính DD, được trình bày ở Bảng 3. Kết quả chứng tỏ số liệu thực đo (m = 31,90, s = 5,19) so với kết quả ước lượng (m = 31,93, s = 7,45) là không khác biệt có ý nghĩa thống kê t(3739) = 0.114185254, p > 0,05. Điều này cho thấy hàm đặc tính DD có thể phù hợp sử dụng để thiết lập Firmware cho bộ điều khiển đóng mở hệ thống tưới theo mức ẩm độ đất mong muốn với độ tin cậy chấp nhận được (95%) ở điều kiện thực tế. Bảng 3. Kiểm định mức độ phù hợp giữa số liệu thực đo và ước lượng (t-test) Thực tế Ước lượng Giá trị trung bình 31.89928012 31.92868648 Phương sai 5.194793119 7.452827519 Số mẫu 3741 3741 Hệ số tương quan Pearson 0.837230412 Độ tự do (df) 3740 Giá trị t tính toán -1.204764372 P(T <= t) một đuôi 0.114185254 Giá trị t giới hạn (một đuôi) 1.645261153 P(T <= t) hai đuôi 0.228370507 Giá trị t giới hạn (hai đuôi) 1.960598483 3.3 Chạy thử hệ thống ở điều kiện thực tế Hệ thống thực tế được triển khai theo mô hình như thiết kế ở Hình 7 và đã hoạt động liên tục trong thời gian chạy thử từ tháng 01/2017 đến nay. Kết quả hệ thống hoạt động tốt, đáp ứng các yêu cầu về điều khiển tưới theo các mức độ ẩm được thiết lập. An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 19 Để giám sát hoạt động của hệ thống tưới, chúng tôi sử dụng công cụ Check_MK Monitor (https://mathias-kettner.de/check_mk.html). Check_MK là một công cụ giám sát định kỳ, mã nguồn mở. Check_MK cho phép giám sát nhiều thông số, và vẽ biểu đồ minh họa trực quan bằng cách tích hợp công cụ RRD Tools ( cũng là một công cụ mã nguồn mở). Chúng tôi thiết lập các bộ giám sát cho các thông số: độ ẩm đo được (SM_View - %), thời gian tưới (PUMms - ms) và lượng nước tưới (WG - g). Thời gian lấy mẫu định kỳ là 30 giây/lần. Mục tiêu điều khiển là giữ độ ẩm trung bình của khu đất ở mức 35%. Bộ tham số được chọn cho các hàm thuộc đầu vào, đầu ra của bộ điều khiển mờ được mô tả trong Bảng 4 và Bảng 5. Các tham số này đã được mô tả ở Hình 5 và Hình 6. Với bộ tham số này, đáp ứng của hệ thống được thể hiện qua các biểu đồ ở Hình 10 và Hình 11. Bảng 4. Bảng giá trị các tham số hàm thuộc đầu vào Ký hiệu Z1 Z2 S1 S2 S3 B1 B2 Giá trị 0 0.5 0.3 0.8 1.2 0.9 2 Bảng 5. Bảng giá trị các tham số hàm thuộc đầu ra Ký hiệu K M L N Q P R Giá trị 0 1000 1000 3000 5000 4000 6000 Hình 10 thể hiện kết quả diễn biến ẩm độ thực đo theo thời gian trong 40 giờ liên tục. Biểu đồ này cho phép xác định được trạng thái ẩm độ ở thời điểm hiện tại (real time), thời điểm bắt đầu và kết thúc tưới. Biểu đồ đã cho thấy đáp ứng của hệ thống khá tốt, mức độ ẩm trung bình trong khoảng thời gian này là 34,97% (lệch -0.03 so với độ ẩm thiết lập). Hình 10. Diễn biến ẩm độ đất theo thời gian An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 20 Hình 11 thể hiện giản đồ thời điểm tưới và thời gian tưới tương ứng với thời điểm có sai khác giữa mức độ ẩm thiết lập và mức độ ẩm thực đo. Biểu đồ cho thấy để duy trì mức độ ẩm cần có, hệ thống đã điều khiển thời gian mở val tưới dao động trong khoảng từ 0,8 s tới 2,06 s mỗi lần mở val. Hình 81. Giản đồ thời điểm và thời gian tưới 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 4.1 Kết luận Đề tài đã thành công trong việc thiết kế, xây dựng hệ thống điều khiển tưới tự động, có khả năng tích hợp với các thiết bị quan trắc thời tiết và môi trường. Hệ thống cũng đã triển khai và chạy thử nghiệm cho thấy hoạt động tốt trong việc theo dõi và điều khiển tự động quá trình tắt/mở hệ thống tưới dựa trên trạng thái ẩm độ đất, thông qua bộ cảm biến cài trong đất. Ẩm độ đất có thể được phát hiện thông qua cảm biến ẩm độ đất với độ tin cậy 95% tương đối rộng khoảng từ 5% đến 50%, nên phù hợp với hầu hết các loại đất ở Đồng bằng sông Cửu Long. Hệ thống được thiết kế thành các module riêng biệt có khả năng giao tiếp với nhau, nên giúp linh hoạt trong việc mở rộng hoặc thu nhỏ quy mô; đồng thời cũng tạo thuận tiện trong khâu bảo trì, bảo dưỡng cũng như việc xác định nhanh chóng vị trí bị lỗi hoặc hư hỏng, có thể được theo dõi và điều khiển thông qua mạng Internet. Chương trình điều khiển có giao diện thân thiện dễ sử dụng. Tuy nhiên, các điện cực của cảm biến tiếp xúc trực tiếp với môi trường đất nên hiện tượng ăn mòn có thể xảy ra theo thời gian và phụ thuộc vào nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch đất, nên cần có các nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này. 4.2 Khuyến nghị Cần nghiên cứu ứng dụng các công nghệ tiết kiệm năng lượng và không dây vào việc chế tạo các cảm biến để sản phẩm có tính cơ động cao và dễ dàng ứng dụng vào cuộc sống. Hơn nữa, cần ứng dụng công nghệ IoT (Internet of Things) và điện toán đám mây vào hệ thống để có thể triển khai ứng dụng trên diện rộng; đồng thời giúp giảm giá thành sản phẩm cũng như giảm thiểu chi phí đầu tư cho người dùng cuối. TÀI LIỆU THAM KHẢO Allen, R., L. Pereira, D. Raes & M. Smith. (1998). Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop water requirements. Irrigation and Drainage Paper, United Nations Food and Agricultural Organization, FAO-56 ISBN:92- 5-104219-5. htm Rome, Italy., Rome. ICID/FAO. (1996). Irrigation scheduling: from theory to practice: proceedings of the ICID/FAO Workshop on Irrigation An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21 21 Scheduling, Rome, Italy, 12-13 September 1995. International Commission on Irrigation and Drainage. ISBN 9251039682, 9789251039687. htm. Marquardt, D. (1963). An Algorithm for Least- Squares Estimation of Nonlinear Parameters. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics. 11, 431-441. Phan Xuân Minh & Nguyễn Doãn Phước. (1997). Lý thuyết điều khiển mờ. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật. Phene, C. J., B. Itier & R. J. Reginato. (1990). Sensing irrigation needs. In: Proc. 3rd National Irrigation Symposium. ASAE Publication. 04- 90. pp. 429 - 443. . Prasad, D. & H. Sharma. (2012). Soil resistivity and earthing system. International Journal of Managment, IT and Engineering 2, 369 - 380. Shiklomanov, I. A. & J. C. Rodda. (2004). World water resources at the beginning of the twenty- first century. Cambridge University Press. Valente, J., D. Sanz, A. Barrientos, J. del Cerro, Á. Ribeiro & C. Rossi. (2011). An Air-Ground Wireless Sensor Network for Crop Monitoring. Sensors 11. 6088 - 6108. Wassmann, R., N. X. Hien, C. T. Hoanh & T. P. Tuong. (2004). Sea level rise affecting the vietnamesemekong delta: water elevation in the flood season and implications for rice production. Climatic Change, 66, 89 – 107. .