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

An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

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
Trường Đại học An Giang

1

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.

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

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
9


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

nguồn tài nguyên nước ngọt là vấn đề cần được
quan tâm, trong đó có lượng nước phục vụ cho
sản xuất nông nghiệp.

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).

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

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:
-

-

10

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

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.

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.

2.1 Thiết kế chế tạo cảm biến ẩm độ đất

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:
-

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.

R4, R5 là các điện trở hạn dòng. Giá trị được
chọn theo thực nghiệm.
RD tượng trưng cho điện trở đất cần đo.

Nguyên lý hoạt động có thể mô tả như sau:
11

An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

-

-

-

-

-

Điện áp được cấp vào các chân FF0.1 và FF0.2
số (ADC - Analog to Digital Converter) có độ
theo kiểu bập bênh (flip - flop) với mức áp
phân giải 10 bit.
thấp ~ 0 V và mức áp cao 5 V và liên tục đảo
- Với mỗi thứ tự đảo chiều của các chân FF0.1
chiều trong một khoảng thời gian xác định
và FF0.2, ta có giá trị điện áp đo VD tương ứng
(thời gian đảo chiều cũng được xác định theo
được chuyển đổi sang giá trị số DD thuộc
thực nghiệm).
khoảng [0 … 1023]. Giá trị VD có mối quan hệ
Mức điện áp tại chân SMIN0.1 (đặt là VD) sẽ
tuyến tính với DD, như phương trình (1).
được lấy mẫu bằng bộ biến đổi tương tự sang
1023
1023

𝐷𝐷𝐷𝐷 =
𝑉𝑉𝐷𝐷 =
𝑉𝑉 = 204.6 ∗ 𝑉𝑉𝐷𝐷
(1)
𝑉𝑉𝑐𝑐𝑐𝑐
5 𝐷𝐷
Khi VFF0.1 = 0 v, VFF0.2 = 5 v, VD = VD1 ta thiết lập được (2)
𝑉𝑉𝐷𝐷1 =

𝑅𝑅𝐷𝐷
𝑉𝑉
𝑅𝑅5 + 𝑅𝑅𝐷𝐷 𝑐𝑐𝑐𝑐

𝑉𝑉𝐷𝐷2 =

𝑅𝑅5
𝑉𝑉
𝑅𝑅5 + 𝑅𝑅𝐷𝐷 𝑐𝑐𝑐𝑐

(2)

Khi VFF0.1 = 5 v, VFF0.2 = 0 v, VD = VD2 ta có (3)

(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 + 𝐷𝐷𝐷𝐷1

2

(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.

DD’

RD (Ω)

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

12


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

Dựa trên biểu thức (4), hàm đặc tính DD theo độ
ẩm đất được đề xuất như phương trình (5).
𝐿𝐿
𝐷𝐷𝐷𝐷 =

𝐴𝐴 + 𝐵𝐵−𝐶𝐶𝐶𝐶

Semiconductor. Các giá trị DD và nhiệt độ được
đo tự động và được ghi thành tập tin dạng text lưu
trên máy tính.

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 (%).

(5)

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.

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.

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.

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

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.

13


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

2.5 Phương pháp điều khiển tưới

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.

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.

Bộ so sánh

SMset

E

Mờ
hóa

Suy luận
mờ

Giải
mờ

Điều
khiển
bơm tưới

SMđo
Hàm đặc
tính

Cảm biến
ẩm độ đất

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.

µ

E.ZE (rất nhỏ)

E.PS (nhỏ)

E.PB (lớn)

1

x
0

Z1
S1

Z2 S2 B1

B2
S3

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).

14


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

µ
TBít

TBvừa

TBnhiều

1

t
0

K

M N P

R
Q

L

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

Hub

Device

Các sensor
module
20m

Ống dẫn
nước tưới

Hub
Device

20m

30m
Bus truyền
tín hiệu
Hub
Device

Bộ điều khiển trung tâm

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.

15


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

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).

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

Hình 8. Biểu đồ phân tán của quan hệ DD và nhiệt độ đất

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.

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

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):

16


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

𝐷𝐷𝐷𝐷 =

363.9258159
0.363100591 + 3.201316284−0.064861261𝑋𝑋

(6)

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 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

Hình 9. Biểu đồ quan hệ DD theo độ ẩm đất

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).

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

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%).

17


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21
Bảng 2. So sánh các giá trị DD giữa số liệu thực đo và ước lượng (t-test)

Thực đo
Giá trị trung bình
Phương sai

553.3693
27631.56

Số mẫu

1890

Hệ số tương quan Pearson

Ước lượng
553.1651
24114.4
1890

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

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.

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

Bảng 3. Kiểm định mức độ phù hợp giữa số liệu thực đo và ước lượng (t-test)

Thực tế
Giá trị trung bình

31.89928012

Phương sai
Số mẫu

5.194793119
3741

Hệ số tương quan Pearson
Độ tự do (df)

Ước lượng
31.92868648
7.452827519
3741

0.837230412
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

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.

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
18


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

Để giám sát hoạt động của hệ thống tưới, chúng
tôi sử dụng công cụ Check_MK Monitor
( />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).

(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.

Chúng tôi thiết lập các bộ giám sát cho các thông
số: độ ẩm đo được (SM_View - %), thời gian tưới
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

19


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

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

nồng độ các chất hòa tan trong dung dịch đất, nên
cần có các nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này.

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.

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

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.

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.

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

ICID/FAO. (1996). Irrigation scheduling: from
theory to practice: proceedings of the
ICID/FAO
Workshop
on
Irrigation

/>htm Rome, Italy., Rome.

20


An Giang University Journal of Science – 2017, Vol. 17 (5), 9 – 21

Scheduling, Rome, Italy, 12-13 September
1995. International Commission on Irrigation
and
Drainage.

ISBN
9251039682,
9789251039687.

Prasad, D. & H. Sharma. (2012). Soil resistivity
and earthing system. International Journal of
Managment, IT and Engineering 2, 369 - 380.

/>htm.

Shiklomanov, I. A. & J. C. Rodda. (2004). World
water resources at the beginning of the twentyfirst century. Cambridge University Press.

Marquardt, D. (1963). An Algorithm for LeastSquares Estimation of Nonlinear Parameters.
Journal of the Society for Industrial and
Applied Mathematics. 11, 431-441.

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.

Phan Xuân Minh & Nguyễn Doãn Phước. (1997).
Lý thuyết điều khiển mờ. Nhà xuất bản Khoa
học và kỹ thuật.

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.

Phene, C. J., B. Itier & R. J. Reginato. (1990).
Sensing irrigation needs. In: Proc. 3rd National
Irrigation Symposium. ASAE Publication. 0490. pp. 429 - 443. .
.

21