Hệ thống tự động hóa trên nền tảng điện toán đám mây trong trang trại trồng hoa cây cảnh
11 thg 10, 2017 | 10:33

Hệ thống tự động hóa trên nền tảng điện toán đám mây trong trang trại trồng hoa cây cảnh


1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc ứng dụng công nghệ IoT (Internet Of Things) tích hợp công nghệ thông tin, điện tử viễn thông và tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt trong quy mô trang trại trồng hoa cây cảnh đang là xu hướng chính hiện nay.



(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 1. Mô hình ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao


Trong đó, việc áp dụng công nghệ IoT để giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng của trang trại nuôi trồng hoa cây cảnh trên nền tảng điện toán đám mây sẽ cung cấp các dịch vụ giám sát các thông số đo môi trường sản xuất và cho phép thay đổi, điều chỉnh cho phù hợp các thông số này từ xa qua PC hay ngay trên thiết bị di động như máy tính bảng, điện thoại thông minh.

2. MÔ HÌNH TRANG TRẠI TRỒNG HOA CÂY CẢNH

Trong quy trình sản xuất nuôi trồng hoa cây cảnh, việc áp dụng một số công nghệ cao về tự động hóa, công nghệ thông tin sẽ giúp nâng cao chất lượng nhân giống cho đến nuôi trồng thông qua việc điều chỉnh độ ẩm, cân bằng dòng khí đối lưu, nhiệt độ và độ sáng thích hợp cho từng giai đoạn phát triển của cây.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 2. Nhà màng lưới nuôi trồng hoa cây cảnh


Để đảm bảo điều kiện các thông số nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng đáp ứng đúng tiêu chuẩn môi trường nuôi trồng hoa cây cảnh, khu nhà lưới sản xuất cần một số hạ tầng thiết bị chấp hành sau:

- Hệ thống hạ nhiệt làm mát gồm: tường nước, hệ thống cấp nước và quạt hút gió (Fans and cooling Pad).
- Hệ thống máy làm lạnh công suất lớn chủ động hạ nhiệt theo yêu cầu.
- Hệ thống tăng nhiệt là máy gia nhiệt chạy dầu hoặc chạy than để đốt nóng không khí trong buồng đốt, sau đó sử dụng quạt công suất lớn thổi khí nóng vào trong nhà thông qua hệ thống ống vải (hoặc nylon) dạng xương cá đặt bên trong nhà màng.
- Hệ thống điều chỉnh ánh sáng là hệ thống lưới cản quang. Căn cứ vào vị trí lắp đặt lưới chia ra lưới che nắng bên ngoài và lưới che nắng bên trong. Nếu lưới cản quang căng ở bên trên mái nhà thì gọi là che nắng bên ngoài và ngược lại.

3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

Hệ thống giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong trang trại nuôi trồng hoa cây cảnh trên nền tảng điện toán đám mây đề xuất theo mô hình sau:

- Các trạm giám sát và điều khiển khu vực qua mạng công nghiệp Profibus-DP trên nền thiết bị điều khiển PLC tích hợp mạng Wifi có khả năng giám sát và điều khiển máy bơm, động cơ,...và đo các thông số nhiệt - ẩm, ánh sáng và điều khiển cường độ sáng đèn LED tích hợp mạng không dây Zigbee và Wifi.

- Máy chủ Cloud tích hợp hệ phần mềm SCADA giám sát và điều khiển tích hợp công nghệ bản đồ số và điện toán đám mây.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)


Hình 3. Hệ thống giám sát và điều khiển trang trại nuôi trồng hoa cây cảnh



(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 4. Mô hình giám sát và điều khiển trên nền điện toán đám mây


3.1. Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển trên máy chủ.

Hệ phần mềm SCADA giám sát và điều khiển sẽ được xây dựng và cài đặt trên máy chủ đặt tại trung tâm điều khiển. Mọi thao tác truy vấn thông tin, giám sát trạng thái các trạm đo sẽ được thực hiện ngay trên máy chủ qua hệ thống kết nối mạng viễn thông không dây các trạm đo môi trường. Trong đó:

- Các nút đo thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng tích hợp công nghệ truyền không dây Zigbee.
- Tủ điều khiển PLC thu thập dữ liệu đo từ các điểm đo qua mạng không dây Zigbee và điều khiển các cơ cấu chấp hành như máy bơm áp lực phun sương, động cơ cuốn mành che ánh sáng, điều chỉnh điều hòa, điều khiển tốc độ quạt gió, điều chỉnh độ sáng từng khu vực cấy mô dựa trên công nghệ đèn LED.
- Máy chủ ứng dụng công nghệ điện toán đám mây tại trung tâm giám sát và điều khiển có kết nối internet.
- Hệ phần mềm SCADA giám sát và điều khiển trên máy chủ. Mô đun trên Server là hệ thống giám sát điều khiển, được cài đặt ở máy chủ trung tâm trên đám mây. Mô đun trên server có các chức năng chính sau:
- Quản lý trạm đo, thiết bị đo.

+ Phân loại, lưu trữ và quản lý thông tin số liệu đo
+ Cập nhật dữ liệu cho hệ thống một cách chủ động

- Giám sát thông số đo. Cung cấp khả năng tiếp nhận và trả lời truy vấn thông tin về số liệu đo môi trường nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng ở từng điểm đo. Điều khiển trạm đo/thiết bị đo qua hệ thống SCADA.
- Cảnh báo thông số vượt ngưỡng
+ Được cài đặt và vận hành trên máy chủ đám mây Mô đun trên Client được cài đặt trên máy tính PC, máy tính bảng, điện thoại thông minh (Adroid Smartphone) cung cấp các tính năng sau:
+ Cung cấp khả năng truy vấn thông số đo nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng tại từng điểm đo.
+ Cho phép thiết lập ngưỡng cảnh báo thông số vượt ngưỡng.
+ Được phát triển dưới dạng ứng dụng Android chạy trên thiết bị di động.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 5. Thiết kế tự động hóa nhà trồng hoa cây cảnh


3.2. Hệ thống tự động hoá cho khu nhà trồng hoa cây cảnh.

Các trạm giám sát và điều khiển khu vực qua mạng công nghiệp Profibus-DP trên nền thiết bị điều khiển PLC tích hợp mạng Wifi có khả năng giám sát và điều khiển máy bơm, động cơ,... và đo các thông số nhiệt-ẩm, ánh sáng tích hợp mạng không dây..

Từ quy trình công nghệ của hệ thống ta có các thiết bị chấp hành và cảm biến như sau:


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)


3.3. Kết nối dữ liệu từ thiết bị đo, điều khiển PLC với máy tính chủ điều hành.

Trong hệ thống tự động hóa nhà trồng hoa cây cảnh, quá trình kết nối dữ liệu từ cảm biến và thiết bị chấp hành với thiết bị đo, điều khiển PLC với máy tính chủ điều hành gồm các bước sau:

- Thiết bị đo, điều khiển PLC truyền dữ liệu với máy tính điều hành qua mạng truyền thông công nghiệp MPI.

- Máy tính điều hành sẽ lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Trong đó, cơ sở dữ liệu được xây dựng nhằm lưu trữ liên tục dữ liệu thu thập từ các cảm biến, thiết bị chấp hành vào hệ thống cơ sở dữ liệu ở máy tính điều hành. Dữ liệu cập nhật liên tục theo định kỳ với tần suất cao (vài giây đến vài chục giây một lần) nên cần một hệ quản trị cơ sở dữ liệu mạnh để lưu trữ và xử lý với tốc độ cao.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 6. Sơ đồ khối hệ thống đo, điều khiển




(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 7. Các thiết bị tự động hóa nhà trồng hoa cây cảnh



(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 8. Mô hình kết nối thiết bị đo, điều khiển PLC với máy tính điều hành


3.4. Kết nối dữ liệu giữa máy tính chủ điều hành với máy chủ điện toán đám mây

Quá trình kết nối dữ liệu giữa máy tính chủ điều hành với máy chủ điện toán đám mây gồm các bước sau:

- Máy tính chủ điều hành kết nối với thiết bị đo, điều khiển PLC có các chức năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến, thiết bị chấp hành, sau đó gửi một yêu cầu http request (có thể là một request dạng GET với các thông số đo được gắn vào đường dẫn của Http Request tới máy chủ điện toán đám mây (cloud server) để cập nhật dữ liệu lên đám mây (cloud).
- App Engine tích hợp trên máy chủ điện toán đám mây xác định rằng một request gửi tới ứng dụng được tạo trên App Engine sử dụng tên miền của ứng dụng. Khi tạo ứng dụng trên App Engine thì App Engine sẽ tạo cho mỗi ứng dụng một ID định danh
- Khi App Engine nhận được một web request cho ứng dụng được người sử dụng tạo, nó sẽ gọi một script xử lý request tương ứng với URL được mô tả trong tệp cấu hình ứng dụng app.yaml.
- Máy chủ đám mây sẽ xác định script xử lý nào được chạy để xử lý request bằng cách so sánh URL của request với mẫu URL trong tệp cấu hình của ứng dụng. Máy chủ sẽ chạy đoạn script tương ứng với dữ liệu request và đưa dữ liệu request vào môi trường biến và luồng dữ liệu vào chuẩn. Đoạn script sẽ thực hiện các hành động thích hợp với request được gửi đến, chuẩn bị dữ liệu trả lời và đưa dữ liệu này vào luồng dữ liệu ra chuẩn.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 9. Mô hình cập nhật dữ liệu lên App Engine




(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 10. Mô hình trình diễn dữ liệu đến người sử dụng






KẾT LUẬN

Hệ thống giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong trang trại nuôi trồng hoa cây cảnh trên nền tảng điện toán đám mây sẽ giúp cho quá trình chăm sóc Lan Hồ điệp được kỹ lưỡng hơn và sẽ là yếu tố giúp tăng năng suất và chất lượng cây trồng. Trên khía cạnh quản lý, lãnh đạo doanh nghiệp hay những người có thẩm quyền có thể làm chủ tình hình thông qua việc sử dụng máy tính cá nhân hay thiết bị di động (máy tính bảng, điện thoại di động...) để giám sát và điều khiển gần như ở mọi lúc và mọi nơi.

TÁC GIẢ: 

 PHẠM NGỌC MINH, NGUYỄN TIẾN PHƯƠNG, VŨ THỊ QUYÊN, VƯƠNG HUY HOÀNG, VŨ TIÊN SINH.
(Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)
Theo Tạp chí Tự động hoá ngày nay số 191+192 (tháng 1+2/2017).

NGUỒN: (automation.net.vn)


 1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Việc ứng dụng công nghệ IoT (Internet Of Things) tích hợp công nghệ thông tin, điện tử viễn thông và tự động hóa trong sản xuất nông nghiệp công nghệ cao, đặc biệt trong quy mô trang trại trồng hoa cây cảnh đang là xu hướng chính hiện nay.



(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 1. Mô hình ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao


Trong đó, việc áp dụng công nghệ IoT để giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng của trang trại nuôi trồng hoa cây cảnh trên nền tảng điện toán đám mây sẽ cung cấp các dịch vụ giám sát các thông số đo môi trường sản xuất và cho phép thay đổi, điều chỉnh cho phù hợp các thông số này từ xa qua PC hay ngay trên thiết bị di động như máy tính bảng, điện thoại thông minh.

2. MÔ HÌNH TRANG TRẠI TRỒNG HOA CÂY CẢNH

Trong quy trình sản xuất nuôi trồng hoa cây cảnh, việc áp dụng một số công nghệ cao về tự động hóa, công nghệ thông tin sẽ giúp nâng cao chất lượng nhân giống cho đến nuôi trồng thông qua việc điều chỉnh độ ẩm, cân bằng dòng khí đối lưu, nhiệt độ và độ sáng thích hợp cho từng giai đoạn phát triển của cây.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 2. Nhà màng lưới nuôi trồng hoa cây cảnh


Để đảm bảo điều kiện các thông số nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng đáp ứng đúng tiêu chuẩn môi trường nuôi trồng hoa cây cảnh, khu nhà lưới sản xuất cần một số hạ tầng thiết bị chấp hành sau:

- Hệ thống hạ nhiệt làm mát gồm: tường nước, hệ thống cấp nước và quạt hút gió (Fans and cooling Pad).
- Hệ thống máy làm lạnh công suất lớn chủ động hạ nhiệt theo yêu cầu.
- Hệ thống tăng nhiệt là máy gia nhiệt chạy dầu hoặc chạy than để đốt nóng không khí trong buồng đốt, sau đó sử dụng quạt công suất lớn thổi khí nóng vào trong nhà thông qua hệ thống ống vải (hoặc nylon) dạng xương cá đặt bên trong nhà màng.
- Hệ thống điều chỉnh ánh sáng là hệ thống lưới cản quang. Căn cứ vào vị trí lắp đặt lưới chia ra lưới che nắng bên ngoài và lưới che nắng bên trong. Nếu lưới cản quang căng ở bên trên mái nhà thì gọi là che nắng bên ngoài và ngược lại.

3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN

Hệ thống giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong trang trại nuôi trồng hoa cây cảnh trên nền tảng điện toán đám mây đề xuất theo mô hình sau:

- Các trạm giám sát và điều khiển khu vực qua mạng công nghiệp Profibus-DP trên nền thiết bị điều khiển PLC tích hợp mạng Wifi có khả năng giám sát và điều khiển máy bơm, động cơ,...và đo các thông số nhiệt - ẩm, ánh sáng và điều khiển cường độ sáng đèn LED tích hợp mạng không dây Zigbee và Wifi.

- Máy chủ Cloud tích hợp hệ phần mềm SCADA giám sát và điều khiển tích hợp công nghệ bản đồ số và điện toán đám mây.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)


Hình 3. Hệ thống giám sát và điều khiển trang trại nuôi trồng hoa cây cảnh



(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 4. Mô hình giám sát và điều khiển trên nền điện toán đám mây


3.1. Hệ thống SCADA giám sát và điều khiển trên máy chủ.

Hệ phần mềm SCADA giám sát và điều khiển sẽ được xây dựng và cài đặt trên máy chủ đặt tại trung tâm điều khiển. Mọi thao tác truy vấn thông tin, giám sát trạng thái các trạm đo sẽ được thực hiện ngay trên máy chủ qua hệ thống kết nối mạng viễn thông không dây các trạm đo môi trường. Trong đó:

- Các nút đo thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng tích hợp công nghệ truyền không dây Zigbee.
- Tủ điều khiển PLC thu thập dữ liệu đo từ các điểm đo qua mạng không dây Zigbee và điều khiển các cơ cấu chấp hành như máy bơm áp lực phun sương, động cơ cuốn mành che ánh sáng, điều chỉnh điều hòa, điều khiển tốc độ quạt gió, điều chỉnh độ sáng từng khu vực cấy mô dựa trên công nghệ đèn LED.
- Máy chủ ứng dụng công nghệ điện toán đám mây tại trung tâm giám sát và điều khiển có kết nối internet.
- Hệ phần mềm SCADA giám sát và điều khiển trên máy chủ. Mô đun trên Server là hệ thống giám sát điều khiển, được cài đặt ở máy chủ trung tâm trên đám mây. Mô đun trên server có các chức năng chính sau:
- Quản lý trạm đo, thiết bị đo.

+ Phân loại, lưu trữ và quản lý thông tin số liệu đo
+ Cập nhật dữ liệu cho hệ thống một cách chủ động

- Giám sát thông số đo. Cung cấp khả năng tiếp nhận và trả lời truy vấn thông tin về số liệu đo môi trường nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng ở từng điểm đo. Điều khiển trạm đo/thiết bị đo qua hệ thống SCADA.
- Cảnh báo thông số vượt ngưỡng
+ Được cài đặt và vận hành trên máy chủ đám mây Mô đun trên Client được cài đặt trên máy tính PC, máy tính bảng, điện thoại thông minh (Adroid Smartphone) cung cấp các tính năng sau:
+ Cung cấp khả năng truy vấn thông số đo nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng tại từng điểm đo.
+ Cho phép thiết lập ngưỡng cảnh báo thông số vượt ngưỡng.
+ Được phát triển dưới dạng ứng dụng Android chạy trên thiết bị di động.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 5. Thiết kế tự động hóa nhà trồng hoa cây cảnh


3.2. Hệ thống tự động hoá cho khu nhà trồng hoa cây cảnh.

Các trạm giám sát và điều khiển khu vực qua mạng công nghiệp Profibus-DP trên nền thiết bị điều khiển PLC tích hợp mạng Wifi có khả năng giám sát và điều khiển máy bơm, động cơ,... và đo các thông số nhiệt-ẩm, ánh sáng tích hợp mạng không dây..

Từ quy trình công nghệ của hệ thống ta có các thiết bị chấp hành và cảm biến như sau:


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)


3.3. Kết nối dữ liệu từ thiết bị đo, điều khiển PLC với máy tính chủ điều hành.

Trong hệ thống tự động hóa nhà trồng hoa cây cảnh, quá trình kết nối dữ liệu từ cảm biến và thiết bị chấp hành với thiết bị đo, điều khiển PLC với máy tính chủ điều hành gồm các bước sau:

- Thiết bị đo, điều khiển PLC truyền dữ liệu với máy tính điều hành qua mạng truyền thông công nghiệp MPI.

- Máy tính điều hành sẽ lưu trữ dữ liệu trong cơ sở dữ liệu. Trong đó, cơ sở dữ liệu được xây dựng nhằm lưu trữ liên tục dữ liệu thu thập từ các cảm biến, thiết bị chấp hành vào hệ thống cơ sở dữ liệu ở máy tính điều hành. Dữ liệu cập nhật liên tục theo định kỳ với tần suất cao (vài giây đến vài chục giây một lần) nên cần một hệ quản trị cơ sở dữ liệu mạnh để lưu trữ và xử lý với tốc độ cao.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 6. Sơ đồ khối hệ thống đo, điều khiển




(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 7. Các thiết bị tự động hóa nhà trồng hoa cây cảnh



(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 8. Mô hình kết nối thiết bị đo, điều khiển PLC với máy tính điều hành


3.4. Kết nối dữ liệu giữa máy tính chủ điều hành với máy chủ điện toán đám mây

Quá trình kết nối dữ liệu giữa máy tính chủ điều hành với máy chủ điện toán đám mây gồm các bước sau:

- Máy tính chủ điều hành kết nối với thiết bị đo, điều khiển PLC có các chức năng thu thập dữ liệu từ các cảm biến, thiết bị chấp hành, sau đó gửi một yêu cầu http request (có thể là một request dạng GET với các thông số đo được gắn vào đường dẫn của Http Request tới máy chủ điện toán đám mây (cloud server) để cập nhật dữ liệu lên đám mây (cloud).
- App Engine tích hợp trên máy chủ điện toán đám mây xác định rằng một request gửi tới ứng dụng được tạo trên App Engine sử dụng tên miền của ứng dụng. Khi tạo ứng dụng trên App Engine thì App Engine sẽ tạo cho mỗi ứng dụng một ID định danh
- Khi App Engine nhận được một web request cho ứng dụng được người sử dụng tạo, nó sẽ gọi một script xử lý request tương ứng với URL được mô tả trong tệp cấu hình ứng dụng app.yaml.
- Máy chủ đám mây sẽ xác định script xử lý nào được chạy để xử lý request bằng cách so sánh URL của request với mẫu URL trong tệp cấu hình của ứng dụng. Máy chủ sẽ chạy đoạn script tương ứng với dữ liệu request và đưa dữ liệu request vào môi trường biến và luồng dữ liệu vào chuẩn. Đoạn script sẽ thực hiện các hành động thích hợp với request được gửi đến, chuẩn bị dữ liệu trả lời và đưa dữ liệu này vào luồng dữ liệu ra chuẩn.


(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 9. Mô hình cập nhật dữ liệu lên App Engine




(Click vào để xem ảnh gốc có chất lượng tốt hơn)

Hình 10. Mô hình trình diễn dữ liệu đến người sử dụng






KẾT LUẬN

Hệ thống giám sát và điều khiển các thông số nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng trong trang trại nuôi trồng hoa cây cảnh trên nền tảng điện toán đám mây sẽ giúp cho quá trình chăm sóc Lan Hồ điệp được kỹ lưỡng hơn và sẽ là yếu tố giúp tăng năng suất và chất lượng cây trồng. Trên khía cạnh quản lý, lãnh đạo doanh nghiệp hay những người có thẩm quyền có thể làm chủ tình hình thông qua việc sử dụng máy tính cá nhân hay thiết bị di động (máy tính bảng, điện thoại di động...) để giám sát và điều khiển gần như ở mọi lúc và mọi nơi.

TÁC GIẢ: 

 PHẠM NGỌC MINH, NGUYỄN TIẾN PHƯƠNG, VŨ THỊ QUYÊN, VƯƠNG HUY HOÀNG, VŨ TIÊN SINH.
(Viện Công nghệ thông tin, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam)
Theo Tạp chí Tự động hoá ngày nay số 191+192 (tháng 1+2/2017).

NGUỒN: (automation.net.vn)

M_tả
M_tả

Chuyên mục:

Không có nhận xét nào: