Tưới tiêu và bón phân tự động không bắt đầu từ phần mềm mà bắt đầu từ việc đo được độ ẩm đất, nhiệt độ và lượng nước đã cấp cho từng khu. Bài viết trình bày bốn lớp thiết bị của một hệ như vậy, điều kiện lắp đặt ngoài đồng và trong nhà kính, cùng thiết bị Advantech cho nông nghiệp ở từng lớp.
Một hệ tưới tiêu và bón phân tự động gồm những lớp nào
Lớp cảm biến. Đầu đo độ ẩm đất theo tầng, nhiệt độ và ẩm không khí, độ dẫn điện của dung dịch dinh dưỡng, đồng hồ lưu lượng nước. Lớp này quyết định chất lượng của mọi thứ phía sau; đầu đo đặt sai vị trí sẽ làm cả hệ ra quyết định sai.
Lớp thu thập. Mô-đun biến tín hiệu điện của đầu đo thành số liệu số và đưa lên mạng. Mô-đun đặt gần đầu đo để dây tín hiệu yếu chỉ đi một đoạn ngắn, tránh nhiễu từ dây động lực của bơm.
Lớp điều khiển. Bộ đóng cắt van khu, bơm và bộ trộn phân. Vòng điều khiển này phải chạy được độc lập tại chỗ, vì khu trồng thường không có người trực và đường truyền hay gián đoạn.
Lớp giám sát và ghi chép. Màn hình tại nhà điều hành, nhật ký lượng nước và lượng phân theo từng khu, báo cáo theo vụ. Lớp này là nơi số liệu chuyển thành quyết định về lịch tưới của vụ sau.
Bốn lớp trên không nhất thiết phải làm cùng lúc. Nhiều khu trồng bắt đầu bằng hai lớp đầu, chạy một vụ để có số liệu, rồi mới tự động hoá van ở vụ tiếp theo.
Điều kiện lắp đặt ngoài đồng và trong nhà kính
| Vị trí | Điều kiện thực tế | Ràng buộc lên thiết bị |
|---|---|---|
| Tủ ngoài đồng | Nắng trực tiếp, chênh nhiệt ngày đêm lớn, sét lan truyền theo đường dây, côn trùng và chuột | Dải nhiệt rộng, mạch chống xung trên đường tín hiệu và đường nguồn, tủ kín có lỗ thoát nước, dây đi trong ống |
| Trong nhà kính | Độ ẩm gần bão hoà, ngưng tụ trên bề mặt kim loại, hơi phân bón có tính ăn mòn | Vỏ kín, tránh khe hở hướng lên trên, đầu nối có gioăng, ưu tiên thiết bị không quạt |
| Trạm bơm và bộ trộn phân | Rung từ bơm, nhiễu từ biến tần, ẩm do rò nước | Cách ly tín hiệu, đi dây tách khỏi dây động lực, gá cố định trên thanh ray |
| Nhà điều hành | Có điện ổn định, có người trực theo giờ hành chính | Màn hình đủ lớn để xem sơ đồ khu van, lưu số liệu tại chỗ, có đường ra Internet |
| Khu xa chưa có mạng dây | Không kéo được cáp, chỉ có sóng di động, có lúc mất sóng | Cổng truyền qua mạng di động, có bộ nhớ đệm để không mất số liệu khi mất sóng |
Điểm khác biệt lớn nhất so với nhà xưởng là nguồn điện và đường truyền đều không bảo đảm. Vì vậy mọi thiết bị đặt ngoài khu trồng nên tự chạy được một khoảng thời gian mà không cần liên lạc với trung tâm, và phải nhớ lại số liệu trong khoảng đó.
Thiết bị Advantech cho từng lớp trong khu trồng
| Lớp | Model | Đặc điểm theo tài liệu hãng | Lý do chọn |
|---|---|---|---|
| Thu thập không dây tại luống | WISE-4012E | Kết nối không dây 2,4 GHz theo IEEE 802.11b/g/n, hai kênh vào 0 đến 10 V, hai kênh vào số và hai kênh ra rơ le, hỗ trợ Modbus TCP cùng dịch vụ web dạng RESTful, chạy được ở chế độ máy khách hoặc máy chủ không cần bộ phát trung gian, cấu hình bằng trang web HTML5 trên thiết bị di động, ghi số liệu tại chỗ kèm dấu thời gian và đẩy lên kho tệp trên đám mây, cấp nguồn qua cáp micro USB | Không phải kéo dây tín hiệu qua luống, cấu hình ngay bằng điện thoại khi đứng tại chỗ |
| Đo tín hiệu tương tự tại tủ khu | ADAM-6017 | Tám kênh vào tương tự và hai kênh ra số, nhận tín hiệu dạng mV, V và mA, truyền qua Ethernet 10/100 Mb mỗi giây, có trang web cấu hình mặc định và trang tuỳ biến, tính sẵn các giá trị lớn nhất, nhỏ nhất và trung bình | Tám kênh đủ cho một khu van với đầu đo độ ẩm nhiều tầng và đồng hồ lưu lượng |
| Đo tín hiệu ở tủ xa dùng đường nối tiếp | ADAM-4117 | Tám kênh vi sai cấu hình độc lập, dải nhiệt làm việc mở rộng, đèn báo trạng thái và địa chỉ, chống xung 1 kV trên đường nguồn, chống xung nhanh 3 kV và chống tĩnh điện 8 kV, cập nhật phần sụn trực tuyến | Mạch chống xung mạnh, phù hợp với tủ ngoài trời chịu sét lan truyền |
| Truyền số liệu khu xa | EKI-1321 | Mạng di động GSM và GPRS bốn băng tần 850, 900, 1800 và 1900 MHz, hai khe SIM để dự phòng nhà mạng, khe thẻ SD dùng làm bộ nhớ đệm số liệu, nối thiết bị Ethernet và thiết bị nối tiếp qua đường hầm riêng, nhiều chế độ hoạt động gồm chuyển hướng cổng COM, TCP, UDP và đường hầm tin nhắn, chống tĩnh điện 15 kV trên mọi chân tín hiệu, cách ly 1,5 kV, hai kênh vào số | Hai khe SIM và bộ nhớ đệm bằng thẻ nhớ giữ số liệu khi khu trồng mất sóng |
| Máy điều khiển tại trạm bơm | ARK-1122C | Vi xử lý Intel Atom N2600 1,6 GHz hai nhân, kích thước 133,8 x 43,1 x 94,2 mm, bốn cổng COM gồm hai RS-232 và hai RS-232/422/485 chọn trong BIOS, một cổng VGA và bốn cổng USB 2.0, một khe mPCIe nửa kích thước cho mô-đun không dây, lưu trữ mSATA, dải nhiệt âm 20 đến 60 độ C, gá VESA, thanh DIN hoặc treo tường, giắc nguồn có khoá | Thân nhỏ vừa tủ trạm bơm, giắc nguồn có khoá chống tuột do rung |
| Màn hình tại nhà điều hành | TPC-1251T | Màn hình 12,1 inch XGA đèn nền LED tuổi thọ 50 nghìn giờ, vi xử lý Intel Atom E3827 1,75 GHz với 4 GB DDR3L, dải nhiệt âm 20 đến 60 độ C, mặt trước đạt IP66 ở bản phẳng hoàn toàn và IP65 ở bản thường, cảm ứng điện trở 5 dây, khe mPCIe kích thước đầy đủ, thân không quạt, viền nhôm và mạch nối đất khung máy | Mặt trước kín nên lau rửa được ở khu có nước và hơi phân bón |
Ví dụ một khu nhà kính hai hecta
Khu chia làm mười hai van tưới, trồng luân canh rau ăn lá. Trước khi lắp thiết bị, lịch tưới do người phụ trách đặt theo kinh nghiệm và điều chỉnh bằng cảm nhận khi đi thăm vườn. Lượng nước dùng không được ghi lại, nên không so được giữa các vụ.
Cách bố trí gọn cho khu này: mỗi van một điểm đo độ ẩm đặt tại vị trí thoát nước kém nhất, các điểm đo trong một dãy nhà kính nối về một mô-đun tám kênh đặt trong tủ đầu dãy; trạm bơm có một máy nhỏ gá thanh DIN chạy vòng điều khiển van và bơm theo ngưỡng; số liệu gửi về nhà điều hành qua mạng nội bộ, còn khu xa nhất dùng cổng truyền qua mạng di động vì không kéo được cáp.
Sau một vụ, số liệu cho thấy hai dãy cuối nhận nước nhiều hơn mức cần vì áp lực đường ống ở đó cao hơn, còn dãy đầu thì thiếu vào các ngày nắng gắt. Đây là chênh lệch mà việc đi thăm vườn không phát hiện được, vì mặt luống ở cả hai nơi trông giống nhau. Cách chọn chỉ số cần đo trước khi đầu tư thêm thiết bị được nêu ở bài máy tính công nghiệp cho nhà máy kỹ thuật số.
Chọn thiết bị cho khu trồng
Bốn thông tin cần chuẩn bị: sơ đồ khu chia theo van tưới, danh sách đại lượng cần đo và loại tín hiệu của từng đầu đo, tình trạng điện và sóng di động tại mỗi tủ, và mức độ tự động mong muốn ở vụ đầu tiên. Thông tin cuối cùng quyết định nên mua thiết bị điều khiển ngay hay chỉ mua lớp đo trước.
Lớp đo không dây tại luống dùng WISE-4012E, lớp đo tại tủ khu dùng ADAM-6017. Khu xa không kéo được cáp dùng cổng truyền EKI-1321. Máy điều khiển tại trạm bơm chọn trong danh mục máy tính không quạt, ví dụ ARK-1122C. Màn hình tại nhà điều hành dùng TPC-1251T.
Bối cảnh chung về nhóm máy tính nhúng dùng trong các trạm ngoài hiện trường có tại chuyên mục máy tính nhúng Advantech trên IPC247. Khi cần lọc model theo dải nhiệt, cách gá và số cổng nối tiếp, dùng công cụ chọn máy theo môi trường lắp đặt.
Câu hỏi thường gặp về thiết bị điều khiển tưới tiêu
Khu trồng chưa kéo được điện lưới thì làm hệ tưới tự động kiểu gì?
Dùng nguồn pin mặt trời với ắc quy cho lớp cảm biến và lớp thu thập, vì hai lớp này tiêu thụ rất ít. Phần bơm mới cần điện lớn, và thường vẫn phải có máy phát hoặc đường điện riêng. Cách chia này cho phép giám sát toàn khu trước, rồi mới tự động hoá van và bơm ở giai đoạn sau.
Cảm biến độ ẩm đất nên đặt bao nhiêu điểm cho một hecta?
Không có con số chung vì phụ thuộc vào loại đất, cách chia luống và loại cây. Nguyên tắc thực dụng là chia khu theo van tưới: mỗi van một điểm đo đại diện, đặt ở vị trí thoát nước kém nhất trong vùng van đó. Thêm điểm đo chỉ có ích khi số liệu đang được dùng để ra quyết định tưới.
Điều khiển tưới nên đặt tại chỗ hay qua mạng di động?
Vòng điều khiển nên chạy tại chỗ để khi mất sóng thì cây vẫn được tưới đúng lịch. Mạng di động chỉ nên dùng cho việc gửi số liệu về và nhận lệnh thay đổi cấu hình. Đặt cả vòng điều khiển ở xa là cách làm rủi ro với khu trồng không có người trực.
Vì sao không dùng thiết bị dân dụng cho nhà kính?
Nhà kính có độ ẩm gần bão hoà, chênh nhiệt giữa trưa và đêm lớn, cùng hơi phân bón có tính ăn mòn. Thiết bị dân dụng thường làm việc trong khoảng 0 đến 40 độ C và không tính tới ngưng tụ hơi nước, nên hỏng theo mùa. Thiết bị công nghiệp có dải nhiệt rộng và mạch bảo vệ chống xung phù hợp hơn với điều kiện này.
Nên bắt đầu từ đo hay từ điều khiển?
Bắt đầu từ đo. Một mùa vụ có số liệu độ ẩm, nhiệt độ và lượng nước đã tưới đủ để thấy lịch tưới hiện tại đang thừa hay thiếu ở khu nào. Tự động hoá van khi chưa biết ngưỡng phù hợp sẽ chỉ chuyển sai lầm thủ công thành sai lầm tự động, với tốc độ nhanh hơn.
Đọc thêm về thiết bị: toàn bộ máy tính công nghiệp Advantech cùng các hãng khác trên ipc247.com.
