Áp dụng khoa học công nghệ vào trong nông nghiệp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Trong nghiên cứu này tác giả thực hiện phối hợp các công nghệ mới của lĩnh vực công nghệ thông tin như kết nối vạn vật (IoT), quản lý dữ liệu lớn (Big data), điện toán đám mây (Cloud computing) để tạo ra một hệ thống thông minh ứng dụng trong nông nghiệp, tạo điều kiện cho nông dân tăng thêm giá trị dưới dạng đưa ra được những quyết định khai thác, quản lý hiệu quả hơn.
Trang 1NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH Trần Nhật Nam*, Võ Duy Đồng
Trường Cao đẳng Công Thương TP.HCM
*Tác giả liên lạc: nhatnamcapos@gmail.com
TÓM TẮT
Áp dụng khoa học công nghệ vào trong nông nghiệp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp Trong nghiên cứu này tác giả thực hiện phối hợp các công nghệ mới của lĩnh vực công nghệ thông tin như kết nối vạn vật (IoT), quản lý dữ liệu lớn (Big data), điện toán đám mây (Cloud computing) để tạo ra một hệ thống thông minh ứng dụng trong nông nghiệp, tạo điều kiện cho nông dân tăng thêm giá trị dưới dạng đưa ra được những quyết định khai thác, quản lý hiệu quả hơn
Từ khóa: Nông nghiệp thông minh, kết nối vạn vật (IoT), điện toán đám mây, quản lý dữ liệu
lớn
SMALL AGRICULTURE Tran Nhat Nam*, Vo Duy Dong
Industrial and Commercial College Ho Chi Minh City
*Tác giả liên lạc: nhatnamcapos@gmail.com
ABSTRACT
The application of science and technology to agriculture is very important in improving the efficiency of agricultural production In this study, the author performs a combination of new technologies in information technology such as IoT, Big Data, and Cloud Computing Develop a smart farm application system, enabling farmers to add value in the form of more informed mining decisions
Keywords: Intelligent Agriculture, IoT, cloud computing, large data management
TỒNG QUAN
Nông nghiệp là ngành sản xuất vật chất sớm
nhất trong lịch sử phát triển của nhân loại
Quá trình phát triển nền nông nghiệp thế giới
phụ thuộc vào sự tiến bộ của khoa học công
nghệ
Hàng loạt cuộc cách mạng kỹ thuật đã nâng
cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp, giúp con
người mở rộng được diện tích canh tác, chinh
phục thiên nhiên, vượt qua giới hạn của nền
văn minh nông nghiệp Vào những năm 2010
ở Châu Âu xuất hiện thuật ngữ “Nông nghiệp
4.0” một số thuật ngữ khác thường được sử
dụng như “Nông nghiệp thông minh” và
“Canh tác số hóa” Nông nghiệp thông minh
bao hàm nghĩa rộng của cả trồng trọt, chăn
nuôi (có thể hiểu rộng hơn sang cả thủy sản
và lâm nghiệp) Nghĩa là tất cả các đối tượng,
các quá trình sản xuất, giao dịch với các đối
tác bên ngoài như các nhà cung cấp và khách
hàng tiêu thụ được tự động truyền dữ liệu, xử
lý, phân tích dữ liệu qua mạng internet Dựa
trên sự ra đời của các thiết bị thông minh
trong nông nghiệp, các thiết bị thông minh
bao gồm các cảm biến, các bộ điều tiết tự động, công nghệ có thể tính toán như bộ não
và giao tiếp kỹ thuật số Nông nghiệp 4.0 mở đường cho sự tiến hóa tiếp theo, bao gồm những hoạt động không cần có mặt con người trực tiếp và dựa vào hệ thống thiết bị
có thể đưa ra những quyết định một cách tự động
Đó là hình thức các canh tác năng động và hiệu quả
Thực chất canh tác thông minh là ứng dụng công nghệ thông tin vào nông nghiệp (Cách mạng Xanh lần thứ ba) Cuộc cách mạng này phối hợp các công nghệ mới của lĩnh vực công nghệ thông tin như kết nối vạn vật (IoT), quản lý dữ liệu lớn (Big data), điện toán đám mây (Cloud computing) tạo điều kiện cho nông dân tăng thêm giá trị dưới dạng đưa ra được những quyết định khai thác, quản lý hiệu quả hơn
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Kiến trúc của hệ thống
Chúng ta xây dựng hệ thống gồm 2 phần
Trang 2chính, hệ thống vận hành nội bộ và hệ thống
kết nối với Cloud để phục vụ tính năng điều
khiển thông qua Internet Hai hệ thống này
được kết nối với nhau thông qua một thiết bị
gọi là Gateway
Vận hành hệ thống nội bộ
Trong hệ thống vận hành nội bộ chia thành
ba thành phần chính là bộ điều khiển trung
tâm
Controller: Là thành phần đầu não của hệ
thống, tập trung xử lý và làm việc trực tiếp
với các Service chạy trên các thiết bị, Controller quản lý các session DBus hiện hành trong mạng nội bộ, bảo mật kết nối bằng cơ chế xác thực bằng mật khẩu khi có session yêu cầu kết nối, được lập trình để gọi các hàm có sẵn trên Service, tiếp nhận các phản hồi và gửi lại thông tin cho Client (phần mềm điều khiển hệ thống) trên các thiết bị của người dùng, cung cấp toàn bộ thông tin kết nối, bus, session, thông số cho Gateway
để đưa hệ thống lên Cloud
Service: Là một chương trình chạy trên máy
tính nhúng Linux, tiếp nhận các thông tin
điều khiển, thực hiện các thao tác tương ứng
mà Controller yêu cầu sau đó phản hồi toàn
bộ kết quả lại, lưu trữ và tự động thực hiện
những kịch bản mà người dùng thiết lập
thông qua Client Service là chương trình
được lập trình để làm việc với phần cứng trên
máy tính nhúng mà nó chạy, tự động khởi
động cùng hệ thống để đảm bảo tính tự động
và sẵn sàng cao Ngoài ra Service còn chịu
trách nhiệm giao tiếp với vi xử lý khác nhằm
gián tiếp điều khiển thiết bị
Client: Là chương trình để giao tiếp với
Controller, tiếp nhận danh sách các thiết bị
có sẵn trong mạng và thể hiện lên giao diện,
được tích hợp sẵn các hàm để làm việc với
Controller, gián tiếp yêu cầu và tiếp nhận
thông tin từ Service Với cơ chế xử lý đa
luồng (multithread), Client có thể dễ dàng ra
lệnh cho nhiều thiết bị đồng thời tiếp nhận
thông tin từ các thiết bị khác một cách dễ
dàng và hầu như không có độ trễ hay mất mát thông tin Client hỗ trợ người dùng góm nhóm thiết bị, quản lý các kịch bản để gửi cho Controller tự động điều hành hệ thống như mong muốn
Vận hành hệ thống từ xa với Cloud
Mô hình này sử dụng dịch vụ Cloud để truyền tải dữ liệu, cần có một hệ thống trung gian để làm việc với Cloud và tiếp nhận thông tin từ Controller, hiện tại có rất nhiều giao thức dùng trong lĩnh vực Internet of Things như XMPP, QMTT… Để truyền tải
dữ liệu trên internet vì tính bảo mật cũng như gọn nhẹ của chúng, trong mô hình này, chúng ta sử dụng giao thức XMPP để truyền tải thông tin thông qua một Connector là XMPPConnector Connector là phần làm việc trung gian giữa hệ thống và Cloud, Connector được tích hợp trong Gateway để đảm bảo tính đồng bộ và nhanh chóng Gateway và Controller được đặt chung với nhau trong bộ xử lý trung tâm nhằm giảm
PC
Cloud
Gateway Controller
Smartphone
Smartphone
PC
Int er net
Hình 1 Kiến trúc hệ thống
Trang 3thiểu độ trễ và điều hướng các thông tin, yêu
cầu cũng như phản hồi mà Controller tiếp
nhận được từ các Service, Controller chịu
trách nhiệm cung cấp thông tin cho Gateway,
Gateway có thể làm việc với một Gateway
khác trong mạng nội bộ khác hoặc làm việc
với Connector để đưa thông tin lên Cloud,
Connector chịu trách nhiệm đóng gói và sử
dụng giao thức XMPP để truyền mọi thông
tin phát sinh trong mạng nội bộ mà nó làm
việc lên tài khoản Cloud đã được đăng kí
trước đó
Thiết bị thu thập thông tin canh tác (Service) Thiết bị là một mạch điện tử có
chức năng nhận dữ liệu từ các cảm biến ngoài ra còn thực hiện chức năng điều khiển như máy bơm, van lưu lượng nước, đóng mở màn cắt nắng… Mỗi thiết bị như vậy được điều khiển bởi một máy tính nhúng chạy hệ điều hành Linux có màn hình LCD để hiển thị thông tin và bàn phím mềm điều khiển
Thiết bị điều khiển trung tâm (Controller)
Thiết bị là một máy tính nhúng chạy hệ điều
hành Linux có bộ vi xử lý mạnh, dung lượng
bộ nhớ (RAM) lớn, có khả năng tiếp nhận và
xử lý một lượng thông tin lớn
Controller là một phần mềm được chạy trên
môi trường Linux hoặc trên thiết bị Android,
là phần luôn luôn chạy và làm việc trực tiếp
với các Service, Controller chịu trách nhiệm
lưu trữ các thông số hệ thống, thông tin của
các Service trong mạng, các kịch bản để tự
động điều khiển, trong hệ thống phải tồn tại
ít nhất 1 Controller để điều khiển và lưu trữ,
có thể có nhiều Controller, khi có yêu cầu
hoặc thông tin về các Service, các Controller
cùng đồng bộ dữ liệu với nhau, khi đó nếu
một Controller ngưng hoạt động, sẽ có
Controller khác thay thế
Giải pháp mesh network cho không gian
canh tác lớn
Sóng của mạng không dây Wi-Fi thực chất là
sóng radio, thường yếu dần khi khoảng cách
giữa trạm phát và máy tính kết nối cách xa
nhau Nếu một điểm phát sóng (Access
Point) giao tiếp với một thiết bị tại vị trí cụ
thể, các nguồn nhiễu xung quanh sẽ ảnh
hưởng đến khả năng truyền sóng, từ đó làm
giảm tốc độ truyền cũng như độ ổn định của
kết nối Trong các môi trường canh tác với
nhiều vật cản và các thiết bị phát từ gây
nhiễu, mức độ phủ sóng và khả năng duy trì
kết nối của một điểm phát sóng có thể giảm,
làm giảm hiệu suất truyền dữ liệu
Tăng hiệu suất mạng: Trong Wireless Mesh
Network, khái niệm" định hướng " có thể
diễn giải thành hai phần Đó là sử dụng
an-ten phát sóng có định hướng đến thiết bị
trong từng điểm phát sóng, đồng thời sử dụng
nhóm các điểm phát sóng tự động định tuyến
với nhau trong cùng hệ thống mạng Mục
đích chính của công nghệ này nhằm tối ưu
hóa khả năng kết nối giữa điểm phát sóng và thiết bị, cũng như thiết lập kết nối không dây tối ưu giữa các điểm phát sóng với nhau, từ
đó giảm số lượng điểm phát sóng cần thiết và tiết kiệm chi phí
Các điểm phát sóng sẽ tự thu thập mô hình tất cả các đường đi đến các thiết bị kèm theo hiệu suất, chủ động Sau đó, điểm phát sóng
sẽ định hướng đường truyền tối ưu và dạng thức an-ten được sử dụng để kết nối với từng thiết bị Nếu do một nguyên nhân nào đó, đường truyền lựa chọn bị suy yếu, hệ thống
sẽ tự động chuyển sang một đường truyền khác tốt hơn
Trong trường hợp canh tác tại các không gian rộng các thiết bị được kết nối với nhau dưới dạng mesh network các thiết bị lúc này còn
có thêm một chức năng như một thiết bị access point (WAP), như vậy hệ thống càng nhiều thiết bị thì tính ổn định càng cao
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Kết quả của công trình là chế tạo ra một hệ thống hoàn chỉnh, với mục đích phục vụ trong lĩnh vực nông nghiệp cao, hệ thống bao gồm phần cứng và phần mềm
Phần cứng là một hệ thống điện tử kết nối
với các loại cảm biến như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, pH/PPM đặt trong môi trường canh tác, có nhiệm vụ thu thập thông tin môi trường Bên cạnh đó hệ thống còn thực hiện các cơ cấu điều khiển như: bơm tưới, quạt, rèm cắt nắng, châm dinh dưỡng, phù hợp vời nhiều loại hình canh tác (thủy canh, khi canh, tưới nhỏ giọt…)
Phần mềm có nhiệm vụ tiếp nhận các thông
tin từ phần cứng gửi về, những thông tin này được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu để sử dụng trong tương lai Phần mềm có thể đưa ra cảnh báo, lệnh điều khiển đảm bảo môi trường cho cây phát triển tốt nhất Người
Trang 4dùng có thể thực hiện các tác vụ giám sát và
điều khiển thông qua các hình thức sau:
Màn hình cảm ứng gắn cố định ngay tại
nơi canh tác
Phần mềm trên một máy tính cá nhân
Thiết bị cầm tay sử hệ điều hành Android
Đánh giá tốc độ của thiết bị thu thập thông
tin canh tác (Service)
Thiết bị với các chức năng trên được thử
nghiệm bằng cách thiết kế các dữ liệu đầu
vào thay đổi như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng,
độ pH Quá trình thay đổi dữ liệu mẫu đầu
vào cho thiết bị là 10s, Sau đó chúng ta thu
được kết quả đầu ra tại phần mềm ở hai vị trí
khác nhau là mạng cục bộ và Cloud như sau:
Bảng 1 Tốc độ đáp ứng của thiết bị thu thập
Cảm biến Mạng cục bộ Cloud
Đánh giá tốc độ của thiết bị điều khiển
canh tác (Service)
Thiết bị với các chức năng trên được thử
nghiệm bằng cách thiết kế các dữ liệu điểu
khiển như bật tắt máy bơm, bật tắt quạt thông
gió, bật tắt phun sương làm mát Quá trình
thay đổi (bật/tắt) tại phần mềm ở hai vị trí
khác nhau là mạng cục bộ và Cloud Dữ liệu
mẫu đầu vào cho thiết bị là 30s, Sau đó
chúng ta thu được kết quả đầu ra là như sau:
Bảng 2 Tốc độ đáp ứng của thiết bị điều
khiển
Thiết bị Mạng
cục bộ
Cloud
Quạt thông gió 0.5s 0.8s
Phun sương làm
mát
Đánh giá tốc độ của thiết bị điều khiển
trung tâm (Controller)
Thiết bị với các chức năng trên được thử
nghiệm bằng cách thiết kế các dữ liệu đầu
vào là một hệ thống có số thiết bị (Service)
thay đổi (thêm/bỏ) Qua trình thay đổi thiết bị
của hệ thống được quan sát tại phần mềm ở
hai vị trí khác nhau là mạng cục bộ và Cloud
Bảng 3 Tốc độ đáp ứng của thiết bị điều
khiển trung tâm
Số lượng thiết
bị
Mạng cục
bộ
Cloud
Đánh giá độ ổn định của hệ thống
Để tiến hành đánh giá sự ổn định của hệ thống, chúng tôi tiến hành xây dựng hệ thống gồm 20 thiết bị (Service), 1 bộ điều khiển trung tâm, 1 Cloud Hệ thống được cài đặt thông số ban đầu (Các thông số này sẽ được thay đổi theo chu kỳ 10 ngày) như sau:
- Nhiệt độ >30oC thì quạt sẽ hoạt động
- Độ ẩm <50% thì hệ thống phun sương sẽ hoạt động
- Nồng độ chất dinh dưỡng <1.000PPM hệ thống bơm trộn dinh dưỡng sẽ hoặt động.Hệ thống hoạt động liên tục trong 90 ngày, các thiết bị hoặt động ổn định không gặp bất cứ
hư hỏng nào
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
Nghiên cứu đã đưa ra một giải pháp, áp dụng các thành tựu của ngành công nghệ thông tin đang phát triển trên thế giới, để biến một ngành nông nghiệp từ việc phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu người nông dân sẽ không phụ thuộc vào thời tiết, khí hậu, chủ động được kế hoạch sản xuất của mình Do tự động hóa sản xuất kết hợp với các công nghệ khác như công nghệ sinh học, công nghệ gen, công nghệ sản xuất phân hữu cơ dẫn tới việc tiết kiệm chi phí và tăng năng xuất cây trồng vật nuôi, quá trình sản xuất sẽ đạt được hiệu quả theo quy mô và do đó tạo ra nền sản xuất lớn với lượng sản phẩm đủ để cung cấp cho quá trình chế biến công nghiệp Hệ thống có thể áp dụng canh tác ở nhiêu quy mô khác nhau, hộ gia đình hoặc tại các trang trại có quy mô canh tác lớn với nhiều hình thức canh tác khác nhau (thủy canh, khí canh, tưới nhỏ giọt, ) Ngoài ra hệ thống có thể áp dụng theo dõi giám sát môi trường nước phục
vụ rất hiệu quả trong nuôi trồng thủy sản
TÀI LIỆU THAM KHẢO
K LAKSHMISUDHA, SWATHI HEGDE, NEHA KALE, SHRUTI IYER, “Smart Precision Based Agriculture Using Sensors”, International Journal of Computer Applications
(0975-8887), Volume 146-No.11, July 2011
Trang 5NIKESH GONDCHAWAR, DR R.S KAWITKAR, “IoT Based Smart Agriculture”,
International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering (IJARCCE), Vol.5, Issue 6, June 2016