Giám sát và điều khiển nhà kính, trang trại qua 4G và LoRa

Bài toán

Nhiều nhà kính, nhà màng trồng rau, hoa, dưa lưới vẫn được vận hành bằng kinh nghiệm: người trông trại nhìn trời, sờ đất rồi bật quạt, kéo rèm, mở phun sương. Nơi có tự động thì thường là timer cơ hoặc bộ điều khiển đơn lẻ, mỗi nhà một kiểu, không lưu số liệu. Khi trang trại mở thêm nhà kính ở khu đất xa, việc đi kiểm tra từng nhà và kéo cáp tín hiệu trở thành gánh nặng.

Chủ trang trại cần thiết bị tự phản ứng đúng lúc theo nhiệt độ, độ ẩm, kể cả khi sóng 4G chập chờn, và số liệu đủ tin cậy để xem từ xa, so sánh giữa các nhà, các vụ.

• Nhiệt độ trong nhà kính lên nhanh vào buổi trưa; bật quạt, mở rèm trễ là cây bị sốc nhiệt.
• Timer chạy theo giờ chứ không theo điều kiện thực tế; ngày âm u vẫn phun sương như ngày nắng.
• Nhà kính rải rác, cách khu điều hành hàng trăm mét; kéo cáp RS485 tốn công và dễ hỏng khi làm đất.
• Hệ thống phụ thuộc hoàn toàn vào cloud thì mất mạng là mất điều khiển.
• Nhiều người cùng thao tác (chủ, kỹ thuật, công nhân) mà không phân quyền, dễ bật tắt chồng chéo.

Kiến trúc giải pháp

Mỗi nhà kính, hoặc cụm nhà gần nhau, có một tủ điều khiển với gateway I/O 4G. Gateway đọc cảm biến qua RS485 Modbus RTU, chạy luật điều khiển tại chỗ và gửi dữ liệu lên nền tảng. Nhà kính ở xa nối về bằng LoRa thay cho cáp.

Luồng dữ liệu. USR-M100 làm Modbus RTU master trên RS485, đọc lần lượt TH30 và các cảm biến đất. Mỗi cảm biến trên cùng đường RS485 phải có địa chỉ riêng. Gateway gửi dữ liệu lên Proto IoT Cloud qua MQTT theo chu kỳ, theo thay đổi hoặc theo hẹn giờ. Nhiệt độ, độ ẩm không khí thay đổi nhanh nên đọc dày; độ ẩm đất thay đổi chậm, đọc thưa hơn để giảm lưu lượng 4G.

Logic tại chỗ. Luật liên kết của USR-M100 nối điều kiện từ DI, AI hoặc giá trị Modbus với DO: nhiệt độ vượt ngưỡng thì bật quạt, độ ẩm không khí thấp thì mở van phun sương. Luật nằm trong gateway nên vẫn chạy khi mất 4G; nền tảng dùng để xem, lưu và điều khiển từ xa. Tài liệu xác nhận luật ra 2 DO tích hợp của USR-M100; luật có điều khiển được DO trên module USR-IO hay không cần kiểm tra theo firmware và dự án. Để mất 4G vẫn tự chạy, chọn một phương án chắc chắn: nối tải quan trọng (quạt làm mát, phun sương chính) vào DO tích hợp; dùng USR-M300 chạy logic bằng Node-RED; hoặc giữ một bộ điều khiển nhiệt độ tại chỗ cho tải đó. Nên đặt ngưỡng bật và ngưỡng tắt cách nhau để quạt không đóng cắt liên tục quanh một giá trị; khả năng cấu hình cụ thể của luật (độ trễ, khung giờ) cần kiểm tra theo firmware khi chạy thử. Logic phức tạp hơn, như kết hợp nhiều điều kiện, đóng rèm xong mới bật quạt, lịch chiếu sáng theo mùa, thì dùng USR-M300 có Node-RED.

Nhà kính xa. Proto-C610L chuyển RS485 sang LoRa 433 MHz, tầm phát dưới 500 m, có chế độ Master-Slave và relay đa chặng khi cần vượt khoảng cách hoặc vật cản. Một cặp Proto-C610L đưa cảm biến và module USR-IO ở nhà kính xa về đường RS485 của gateway trung tâm. Khi đó điều khiển tự động cho nhà xa phụ thuộc đường LoRa, và với USR-M100 còn phụ thuộc việc luật có ra được DO của module hay không (kiểm tra theo firmware). Nhà kính có quạt làm mát quan trọng nên đặt gateway riêng; LoRa chỉ nên gánh cảm biến và tải ít quan trọng.

Mất mạng, mất điện. Mất 4G: logic tại chỗ vẫn chạy với tải mà nó điều khiển được (DO tích hợp của USR-M100, hoặc logic Node-RED trên USR-M300), chỉ mất xem và điều khiển từ xa. Mất điện lưới: gateway và cảm biến dừng theo, nên phải quy định trạng thái an toàn của từng thiết bị khi mất điện (rèm giữ nguyên, van phun sương loại thường đóng) và giữ công tắc Tay/Tự động trên tủ để công nhân thao tác trực tiếp.

Thiết bị đề xuất

USR-M100 bản 4G hợp với nhà kính chỉ cần luật ngưỡng đơn giản cho tối đa 2 nhóm tải chính nối vào DO tích hợp. Cần nhiều điều kiện kết hợp, trình tự thao tác, hoặc nhiều tải trên module phải tự chạy khi mất 4G thì chọn USR-M300. Trang trại đã có Internet cáp và không cần thêm module có thể dùng USR-M100-ETH, nhưng bản này không ghép module mở rộng. Tưới theo độ ẩm đất xem thêm giải pháp Tưới tiêu tự động.

Dữ liệu, điều khiển và cảnh báo

Giám sát

• Nhiệt độ, độ ẩm không khí của từng nhà kính.
• Nhiệt độ, độ ẩm, pH, độ dẫn điện, N-P-K đất tại các điểm đặt cảm biến.
• Trạng thái quạt, rèm, phun sương, đèn, đọc từ tiếp điểm phụ contactor chứ không chỉ từ lệnh đã gửi.
• Chế độ Tay/Tự động của từng tủ.

Điều khiển

• Tự động theo luật tại gateway, không cần mạng, với tải trên DO tích hợp hoặc logic Node-RED của USR-M300; tải trên module của USR-M100 kiểm tra theo firmware.
• Từ xa trên điện thoại theo phân quyền: chủ trang trại điều khiển mọi nhà, kỹ thuật viên điều khiển nhà mình phụ trách, công nhân chỉ xem. Lệnh từ xa vẫn đi qua liên động phần cứng trong tủ.
• Tại tủ bằng công tắc Tay/Tự động; ở chế độ Tay, mạch tự động nên được cắt bằng phần cứng.
• Khi đang ở chế độ Tự động, lệnh từ xa có thể bị luật ghi đè ở lần xét điều kiện tiếp theo. Thứ tự ưu tiên giữa lệnh tay từ xa và luật tự động cần thống nhất khi cấu hình.

Cảnh báo, báo cáo

• Nhiệt độ, độ ẩm không khí hoặc độ ẩm đất ra ngoài ngưỡng.
• Đã ra lệnh bật nhưng tiếp điểm phụ không phản hồi, ví dụ quạt mất pha, contactor hỏng (cấu hình bằng Node-RED trên USR-M300 hoặc trên nền tảng nếu hỗ trợ).
• Mất kết nối cảm biến, đường LoRa hoặc gateway.
• Lịch sử và báo cáo theo ngày, theo vụ; so sánh giữa các nhà kính.

Triển khai

1. Khảo sát: số nhà kính, khoảng cách, vị trí tủ và nguồn điện; danh sách tải cần điều khiển và công suất; sóng 4G tại từng vị trí; đo thử đường LoRa cho nhà xa; ngưỡng mong muốn theo loại cây do kỹ thuật trồng trọt đưa ra.
2. Thiết kế tủ: gateway, module, contactor, rơ-le nhiệt cho từng động cơ, công tắc Tay/Tự động, khóa liên động rèm đấu cứng, bảo vệ quá áp cho đường nguồn và RS485. Đặt tủ nơi thoáng, tránh nắng chiếu trực tiếp và tia nước.
3. Lắp cảm biến: TH30 ở giữa nhà kính, ngang tầm tán cây, che nắng trực tiếp và tránh tia phun sương; cảm biến đất cắm ở vị trí đại diện cho luống, độ sâu theo vùng rễ.
4. Cấu hình: địa chỉ Modbus từng cảm biến, chu kỳ đọc, luật liên kết với ngưỡng bật/tắt, chu kỳ gửi dữ liệu, tài khoản và quyền trên Proto IoT Cloud.
5. Chạy thử: thử từng DO với tải thật; rút SIM để xác nhận logic tại chỗ vẫn chạy với từng tải, cả tải trên DO tích hợp và trên module; thử lệnh từ xa khi liên động phần cứng đang chặn; ngắt đường LoRa để kiểm tra cảnh báo mất kết nối; cắt điện để kiểm tra trạng thái an toàn của rèm, van.
6. Bàn giao: sơ đồ tủ, bảng địa chỉ Modbus, bảng ngưỡng theo vụ, hướng dẫn chuyển Tay/Tự động và điều khiển trên điện thoại.

Câu hỏi thường gặp

Mất sóng 4G thì quạt, phun sương có còn tự chạy không?

Có, với tải nối vào 2 DO của USR-M100, vì luật liên kết chạy trong gateway. Tải nối vào module USR-IO có chạy theo luật tại chỗ hay không thì tùy firmware, phải kiểm tra khi chạy thử; nếu không được, dùng USR-M300 với Node-RED hoặc một bộ điều khiển tại chỗ cho tải đó. Mất 4G chỉ làm mất phần xem và điều khiển từ xa. Tải ở nhà xa điều khiển qua LoRa thì phụ thuộc thêm đường LoRa.

Nhà kính cách khu điều hành vài trăm mét có phải kéo cáp không?

Không bắt buộc. Proto-C610L truyền RS485 qua LoRa với tầm dưới 500 m; xa hơn hoặc nhiều vật cản thì dùng relay đa chặng. Tầm thực tế phụ thuộc địa hình, nên đo thử khi khảo sát trước khi chốt phương án.

Có đo CO2, ánh sáng được không?

Được, nếu dùng cảm biến CO2, cường độ ánh sáng loại RS485 Modbus RTU của hãng khác. Gateway đọc chúng như mọi thiết bị Modbus; cần có bảng thanh ghi của cảm biến và đặt địa chỉ không trùng trên đường RS485.

Cảm biến NPK có thay được phân tích mẫu đất không?

Không nên dùng thay. Số liệu N, P, K tại chỗ hữu ích để theo dõi xu hướng giữa các lần bón và giữa các luống; quyết định bón phân vẫn nên đối chiếu với kết quả phân tích mẫu đất định kỳ.