DATN-HỆ THỐNG GIÁM SÁT THAM SỐ MÔI TRƯỜNG

TÓM TẮT ĐỒ ÁN Trong Đồ án tốt nghiệp, nhóm sinh viên sẽ trình bày về việc xây dựng một mạng cảm biến nhằm theo dõi các thông số về môi trường, hình ảnh tại hiện trường cần giám sát. Việc thiết kế mạng cảm biến sẽ được thiết kế từ nút mạng đơn lẻ sau đó kết hợp thành một mạng cảm biến được kết nối với nhau qua chuẩn truyền thông không dây. Các nút trong hệ thống với thiết kế phần cứng bao gồm: một vi xử lý chính, các cảm biến và camera. Dữ liệu từ cảm biến và hình ảnh của camera từ hiện trường sẽ được xử lý, đóng thành các gói dữ liệu và gửi về trung tâm giám sát điều khiển. Thông qua đó người dùng có thể theo dõi được các thông số và hình ảnh mà không cần đến trực tiếp hiện trường. Ngoài ra trong Đồ án, nhóm sinh viên tìm hiểu về lý thuyết học máy, áp dụng cơ bản trong việc nhận dạng và dán nhãn hoa. Phần mềm sẽ hỗ trợ người dùng trong việc quản lý dữ liệu tại trung tâm giám sát điều khiển.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG



ĐỒ ÁN

TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

XÂY DỰNG HỆ THỐNG GIÁM SÁT THAM

SỐ MÔI TRƯỜNG ỨNG DỤNG TRONG

NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

Sinh viên thực hiện:

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN HỮU PHÁT

PGS.TS VŨ VĂN YÊM

Hà Nội, 06-2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

Sinh viên thực hiện:

Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN HỮU PHÁT

PGS.TS VŨ VĂN YÊM Cán bộ phảnbiện:

Hà Nội, 06-2018

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho giảng viên hướng dẫn)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng 1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8 Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

1 2 3 4 5

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.) 1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô (giảng viên hướng dẫn nhận xét về thái độ và tinh

thần làm việc của sinh viên)

Ngày: / / 2018 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

Đánh giá quyển đồ án tốt nghiệp (Dùng cho cán bộ phản biện)

Giảng viên đánh giá:

Họ và tên Sinh viên: MSSV:………

Tên đồ án:

………

Chọn các mức điểm phù hợp cho sinh viên trình bày theo các tiêu chí dưới đây: Rất kém (1); Kém (2); Đạt (3); Giỏi (4); Xuất sắc (5)

Có sự kết hợp giữa lý thuyết và thực hành (20)

1

Nêu rõ tính cấp thiết và quan trọng của đề tài, các vấn đề và

các giả thuyết (bao gồm mục đích và tính phù hợp) cũng như

phạm vi ứng dụng của đồ án

1 2 3 4 5

2 Cập nhật kết quả nghiên cứu gần đây nhất (trong nước/quốc tế) 1 2 3 4 5

3 Nêu rõ và chi tiết phương pháp nghiên cứu/giải quyết vấn đề 1 2 3 4 5

4 Có kết quả mô phỏng/thưc nghiệm và trình bày rõ ràng kết quả

đạt được

1 2 3 4 5

Có khả năng phân tích và đánh giá kết quả (15)

5

Kế hoạch làm việc rõ ràng bao gồm mục tiêu và phương pháp

thực hiện dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết một cách có hệ

thống

1 2 3 4 5

6 Kết quả được trình bày một cách logic và dễ hiểu, tất cả kết

quả đều được phân tích và đánh giá thỏa đáng

1 2 3 4 5

7

Trong phần kết luận, tác giả chỉ rõ sự khác biệt (nếu có) giữa

kết quả đạt được và mục tiêu ban đầu đề ra đồng thời cung cấp

lập luận để đề xuất hướng giải quyết có thể thực hiện trong

tương lai

1 2 3 4 5

Kỹ năng viết (10)

8 Đồ án trình bày đúng mẫu quy định với cấu trúc các chương

logic và đẹp mắt (bảng biểu, hình ảnh rõ ràng, có tiêu đề, được

đánh số thứ tự và được giải thích hay đề cập đến trong đồ án,

1 2 3 4 5

có căn lề, dấu cách sau dấu chấm, dấu phẩy v.v), có mở đầu

chương và kết luận chương, có liệt kê tài liệu tham khảo và có

trích dẫn đúng quy định

9 Kỹ năng viết xuất sắc (cấu trúc câu chuẩn, văn phong khoa

học, lập luận logic và có cơ sở, từ vựng sử dụng phù hợp v.v.)

1 2 3 4 5

Thành tựu nghiên cứu khoa học (5) (chọn 1 trong 3 trường hợp)

10a

Có bài báo khoa học được đăng hoặc chấp nhận đăng/đạt giải

SVNC khoa học giải 3 cấp Viện trở lên/các giải thưởng khoa

học (quốc tế/trong nước) từ giải 3 trở lên/ Có đăng ký bằng

phát minh sáng chế

10b

Được báo cáo tại hội đồng cấp Viện trong hội nghị sinh viên

nghiên cứu khoa học nhưng không đạt giải từ giải 3 trở

lên/Đạt giải khuyến khích trong các kỳ thi quốc gia và quốc tế

khác về chuyên ngành như TI contest

10c Không có thành tích về nghiên cứu khoa học

Điểm tổng quy đổi về thang 10

3 Nhận xét thêm của Thầy/Cô

Ngày: / / 2018 Người nhận xét

(Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CAM ĐOAN

1 Thông tin sinh viên

Họ và tên:

SĐT:

Lớp:

Đồ án tốt nghiệp được thực hiện tại: Phòng RF-Lab, Phòng 618-tầng 6 tòanhà Thư viện Tạ Quang Bửu, Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Thời gian thực hiện: 19/3/2018-5/6/2018

2 Lời cam đoan sinh viên

Tôi cam kết đố án tốt nghiệp “Xây dựng hệ thống giám sát tham số môitrường ứng dụng trong nông nghiệp thông minh” được thực hiện dưới sự hướng dẫncủa thầy PGS.TS Vũ Văn Yêm và TS Nguyễn Hữu Phát Kết quả đồ án là trungthực, không phải là sao chép nguyên vẹn từ bất kỳ tài liệu nào

Hà Nội, 6 / 2018Sinh viên

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của xã hội, khoa học - kỹ thuật ngàycàng hiện đại thì nhu cầu về trao đổi thông tin, về điều khiển các thiết bị từ xa ngàycàng cao Những hệ thống sử dụng truyền thông bằng công nghệ hữu tuyến đôi khikhông đáp ứng được những yêu cầu này, nhất là ở những khu vực chật hẹp, xa xôihay các phương tiện vận tải đòi hỏi việc di chuyển liên tục, thường xuyên Vì vậycông nghệ truyền thông sử dụng sóng vô tuyến đã ra đời và phát triển, tạo rất nhiềuthuận lợi cho con người trong đời sống hằng ngày Trong những năm gần đây côngnghệ truyền nhận dữ liệu không dây đang có những bước phát triển mạnh mẽ, gópcông lớn trong việc phát triển các hệ thống điều khiển, giám sát từ xa, đặc biệt làcác hệ thống thông minh Hiện nay, có rất nhiều công nghệ không truyền nhận dữliệu không dây như 3G, 4G, Wifi, Bluetooth, NFC, RF… Trong đó, truyền thông tin

sử dụng sóng RF là một trong những công nghệ được phát triển từ lâu và luôn đượccải tiến để nâng cao tốc độ cũng như khả năng bảo mật Một trong những ứng dụngquan trọng trong công nghệ điện tử là kĩ thuật thu phát RF Nó góp phần rất lớntrong việc giám sát, điều khiển các thiết bị từ xa hay những thiết bị mà con ngườikhông thể trực tiếp chạm vào để vận hành điều khiển Xuất phát từ ứng dụng quantrọng trên, nhóm tác giả đã thiết kế mạch thu phát RF dùng module nRF24L01 +

PA Mạch được thiết kế với khả năng thu phát sóng RF băng tần 2.4Ghz trong bánkính tối đa lên đến 1000m trong điều kiện không có vật cản

Trong Đồ án tốt nghiệp, nhóm tập trung thực hiện những vấn đề sau:

 Tìm hiểu về chuẩn truyền thông nRF24L01, kĩ thuật truyền dữ liệu (số) giữacác module sử dụng chuẩn nRF Áp dụng công nghệ vào việc truyền dữ liệu

từ cảm biến và hình ảnh từ camera về trung tâm; từ trung tâm có thể điềukhiển ngược lại yêu cầu bơm nước, chụp ảnh,…

 Thiết kế phần cứng trung tâm và giám sát bao gồm các linh kiện: vi xử lýATMega2580, module thu phát không dây nRF, cảm biến DHT22, cameraVC0706, nguồn 5V

 Thiết kế phần mềm bao gồm việc hiển thị dữ liệu và điều khiển tại trung tâm,truy vấn dữ liệu dành cho người giám sát

 Tìm hiểu lý thuyết chung học máy, áp dụng thử trong việc nhận dạng và dánnhãn hoa.

Để đề tài được hoàn thành theo đúng thời gian quy định đạt được kết quả đề

ra không chỉ là sự nỗ lực của nhóm thực hiện đề tài mà còn có sự giúp đỡ, chỉ bảocủa thầy giáo và sự chia sẻ kinh nghiệm từ các bạn/nhóm khác Nhóm thực hiện đềtài xin chân thành cảm ơn:

 Sự chỉ dẫn và góp ý chân thành của PGS.TS Vũ Văn Yêm và TS.Nguyễn Hữu Phát Cảm ơn hai thầy đã nhiệt tình cung cấp thông tin và

hỗ trợ kiểm tra, khắc phục các thông tin chưa chính xác trong quá trìnhthực hiện Đồ án tốt nghiệp của nhóm

 Các bạn/nhóm đã giúp đỡ rất nhiều về mặt phương tiện, tài liệu, ý kiến, Trong quá trình thực hiện đề tài này, mặc dù nhóm thực hiện đã rất cố gắngsong sẽ không tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý, phê bình và chỉdẫn của quý thầy cô và các bạn để nhóm tiếp tục hoàn thiện Đề tài

Hà Nội ngày 01 tháng 06 năm 2018

Nhóm sinh viên thực hiện

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Trong Đồ án tốt nghiệp, nhóm sinh viên sẽ trình bày về việc xây dựng mộtmạng cảm biến nhằm theo dõi các thông số về môi trường, hình ảnh tại hiện trườngcần giám sát Việc thiết kế mạng cảm biến sẽ được thiết kế từ nút mạng đơn lẻ sau

đó kết hợp thành một mạng cảm biến được kết nối với nhau qua chuẩn truyền thôngkhông dây Các nút trong hệ thống với thiết kế phần cứng bao gồm: một vi xử lýchính, các cảm biến và camera Dữ liệu từ cảm biến và hình ảnh của camera từ hiệntrường sẽ được xử lý, đóng thành các gói dữ liệu và gửi về trung tâm giám sát điềukhiển Thông qua đó người dùng có thể theo dõi được các thông số và hình ảnh màkhông cần đến trực tiếp hiện trường Ngoài ra trong Đồ án, nhóm sinh viên tìm hiểu

về lý thuyết học máy, áp dụng cơ bản trong việc nhận dạng và dán nhãn hoa Phầnmềm sẽ hỗ trợ người dùng trong việc quản lý dữ liệu tại trung tâm giám sát điềukhiển

In the Graduation Project, the student group will present the construction

of a sensor network to monitor the environmental parameters and on-sitesurveillance images The design of the sensor network will be designed from asingle network node and then incorporated into a sensor network that isinterconnected via the nRF communication standard Nodes in the system withhardware design include: a microprocessor, sensors and camera Data from sensorsand the camera image from the scene will be processed, packaged and sent to themonitoring center Users can track parameters and images without going directly tothe scene Also in the project, the student group introduced machine learning theory,applied basically in the identification and labeling flowers The software will assistthe user in managing the data at the control center

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 1

TÓM TẮT ĐỒ ÁN 3

ABSTRACT 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 11

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 15

1.1 Giới thiệu chương 15

1.2 Sơ lược về nông nghiệp thông minh 15

1.3 Ứng dụng Khoa học – Kỹ thuật trong nông nghiệp thông minh 18

1.3.1 Ứng dụng của Công nghệ thông tin 18

1.3.2 Ứng dụng của Điện tử - Viễn thông 21

1.3.3 Ứng dụng của Tự động hóa 24

1.4 Kết luận chương 27

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT 28

2.1 Giới thiệu chương 28

2.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây 28

2.2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây 29

2.2.2 Cấu trúc nút mạng cảm biến 30

2.2.2 Đặc điểm của mạng cảm biến không dây 31

2.2.3 Ứng dụng của mạng cảm biến không dây 33

2.3 Giao thức truyền nhận ESB 34

2.3.1 Giới thiệu về ESB 34

2.3.2 Đặc trưng của ESB 34

2.3.3 Chế độ truyền – nhận trong giao thức ESB 35

2.4 Lý thuyết xử lý và nén ảnh 37

2.4.1 Chuyển đổi màu và lấy mẫu 38

2.4.2 Biến đổi Cosin và lượng tử hóa trong không gian tần số 38

2.4.3 Mã hóa Entropy 42

2.5 Tổng quan về học máy 43

2.5.1 Phân nhóm thuật toán học máy 43

2.5.2 Các bước của quá trình học máy 47

2.5.3 Sơ lược một số thuật toán sử dụng trong hệ thống 49

2.6 Kết luận chương 50

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG GIÁM SÁT 51

3.1 Giới thiệu chương 51

3.2 Mô hình hệ thống 51

3.3 Yêu cầu hệ thống 52

3.4 Sơ lược về thiết bị cảm biến sử dụng trong hệ thống 53

3.4.1 Vi điều khiển Arduino Nano 53

3.4.2 Module nRF2401 + PA 57

3.4.3 Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí DHT22 64

3.4.4 Cảm biến độ ẩm đất TH-50K 66

3.4.5 Module Camera VC0706 67

3.5 Thiết kế nút mạng cảm biến 70

3.5.1 Cấu trúc nút mạng 70

3.5.2 Mạch nút cảm biến 71

3.5.2 Cách thức nhận dữ liệu từ cảm biến 75

3.6 Thiết kế nút trung tâm 75

3.6.1 Cấu trúc nút trung tâm 75

3.6.2 Mạch giám sát trung tâm 76

3.6.3 Phần mềm giám sát trung tâm 77

3.6.4 Mô hình máy học nhận dạng và dán nhãn hoa 80

3.6 Kết luận chương 86

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM HỆ THỐNG GIÁM SÁT 87

4.1 Thử nghiệm hoạt động 87

4.1.1 Kiểm thử nguồn vào các khối 87

4.1.2 Lần 1: Nút mạng cảm biến cách nút trung tâm 100m 88

4.1.3 Lần 2: Nút mạng cảm biến cách nút trung tâm 200m 90

4.1.4 Lần 3: Kiểm tra độ ổn định của mạch 92

4.1.5 Điều khiển bộ chấp hành từ nút trung tâm 92

4.1.6 Mô hình học máy nhận dạng và dán nhãn hoa 93

4.2 Kết luận chương 94

KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1: Điều khiển hệ thống tưới tiêu bằng thiết bị thông minh 19

Hình 1 2: Tổng thể một hệ thống 20

Hình 1 3: Hệ thống trang trại được kết nối bằng sóng vô tuyến 23

Hình 1 4: Máy thu hoạch nho tự động 25

Hình 1 5: Máy cày không người lái 25

Hình 1 6: Hệ thống tưới nước nhỏ giọt 26

Hình 1 7: Hệ thống robot trang trại 27

Y Hình 2 1: Cấu trúc mạng hình sao 29

Hình 2 2: Cấu trúc mạng hình lưới 30

Hình 2 3: Cấu trúc mạng lai 31

Hình 2 4: Chế độ truyền trong Shock Burst Engine [15] 36

Hình 2 5: Chế độ nhận trong Shock Burst Engine [15] 36

Hình 2 6: Các bước xử lý bộ mã hóa DCT [4] 39

Hình 2 7: Các bước xử lý bộ giải mã DCT [4] 39

Hình 2 8: Hệ số lượng tử cho mã hóa Entropy [4] 42

Hình 3 1: Mô hình hệ thống 51

Hình 3 2: Sơ đồ chân của Aruino Nano [13] 54

Hình 3 3: Module nRF24L01 [2] 58

Hình 3 4: Sơ đồ chân chân nRF24L01 [2] 59

Hình 3 5: Sơ đồ kết nối giao thức SPI [12] 63

Hình 3 6: Module DHT22 [14] 64

Hình 3 7: Sơ đồ chân kết nối với vi xử lý [14] 65

Hình 3 8: Cảm biến độ ẩm đất 66

Hình 3 9: Module Camera VC0706 [6] 67

Hình 3 10: Sơ đồ module VC0706 [16] 68

Hình 3 11: Cấu trúc nút mạng cảm biến 70

Hình 3 12: Mạch nguyên lý khối nguồn 72

Hình 3 13: Mạch nguyên lý khối xử lý 72

Hình 3 14: Khôi thu phát nRF24L01 73

Hình 3 15: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 74

Hình 3 16: Sơ đồ mạch in trên Altium 74

Hình 3 17: Mạch nút mạng cảm biến khi hoàn thành 75

Hình 3 18: Cấu trúc nút trung tâm 76

Hình 3 19: Cấu trúc mạch trung tâm 76

Hình 3 20: Mạch trung tâm sau khi hoàn thành 77

Hình 3 21: Sơ đồ User-Case phần mềm trung tâm 78

Hình 3 22: Giao diện chương trình hiển thị dữ liệu 79

Hình 3 23: Form đăng nhập cho người dùng 79

Hình 3 24: Giao diện theo dữ liệu dõi từ xa 80

Hình 3 25: Các đặc trưng tổng quát của loài hoa 81

Hình 3 26: Tập dữ liệu đào tạo 83

Hình 3 27: So sánh thuật toán mô hình học máy 85

1 Hình 4 1: Nút mạng cảm biến đặt trước thư viện 88

Hình 4 2: Nút trung tâm đặt cách 100m 89

Hình 4 3: Phần mềm hiển thị lần thử nghiệm 1 89

Hình 4 4: Phần mềm hiển thị lần thử nghiệm 2 91

Hình 4 5: Phần mềm hiển thị truy vấn từ xa 91

Hình 4 6: Điều khiển ngược bộ chấp hành 93

Hình 4 7: Mô hình học máy nhận dạng hoa đào 94

DANH MỤC BẢNG BI

Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật Arduino Nano [13] ….55

Bảng 3 2: Chức năng chân VC0706 [16] 68

Y Bảng 4 1: Kiểm thử điện áp vào khối nguồn 87

Bảng 4 2: Kiểm thử điện áp vào các khối cảm biến 87

Bảng 4 3: Kiểm thử điện áp vào phía thu và phát 88

Bảng 4 4: So sánh kết quả thu được ở nút mạng cảm biến lần thử 1 90

Bảng 4 5: So sánh kết quả thu được ở nút mạng cảm biến lần thử 2 92

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

ESB Enhanced Shock Burst

GPS Global Positioning System Thiết bị định vị toàn cầu

IOT Internet of Things Mạng lưới vạn vật kết nối InternetSMS Short Message Services Dịch vụ tin nhắn ngắn

RFID Radio Frequency Indentification Nhận dạng qua tần số vô tuyếnCRC Cyclic Redundant Check Kiểm dư chu trình

FIFO First In, First Out Vào trước, ra trước

DCT Discrete Cosin Transform Biến đổi Cosin rời rạc

LNA Low Noise Amplifier Bộ khuếch đại tạp âm thấp

SPI Serial Peripheral Bus Giao tiếp ngoại vi nối tiếp

NHIỆM VỤ TỪNG THÀNH VIÊN ST

T

Họ và tên Nhiệm vụ chung Nhiệm vụ riêng

về nông nghiệpthông minh, môhình mạng cảmbiến không dây,giao thức truyềnnhận ESB, thiết bịcảm biến sử dụngtrong mạch

- Viết báo cáo, thửnghiệm và đánhgiá kết quả thuđược

- Lấy dữ liệu từ cảm biến, hìnhảnh từ camera truyền về trungtâm bằng Arduino IDE

- Viết điều khiển ngược bộ chấphành từ nút trung tâm đến nútgiám sát bằng Arduino IDE

- Thiết kế sơ đồ mạch nguyên lý

và layout cho mạch bằngAltium

- Viết phần xử lý ảnh bằng C#hiển thị lên máy tính

- Tìm hiểu lý thuyết học máy,xây dựng ứng dụng nhận dạng

và dán nhãn hoa bằng Python

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nông nghiệp luôn đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển và ổn địnhcủa một quốc gia Tại Việt Nam, với khoảng 70% dân số làm nông nghiệp nhưngchi đóng góp khoảng 20% GDP của cả nước Lý do dẫn đến vấn đề trên là do phầnlớn nông dân vẫn sử dụng các phương thức canh tác cũ từ lâu đời dẫn đến hiệu quảlao động thấp Để giải quyết cho vấn đề này, giải pháp được nghĩ đến đó là hiện đạihóa phương pháp canh tác nông nghiệp truyền thống theo hướng nông nghiệp thôngminh Một trong số đó sử dụng mô hình Mạng cảm biến không dây (WSN) Thôngqua mạng cảm biến không dây, người nông dân có thể thu thập được các thông sốliên quan đến môi trường như nhiệt độ và độ ẩm không khí, độ ẩm đất, hình ảnh tạinơi giám sát,…một cách chủ động từ vị trí khác mà không cần phải trực tiếp đến đểquan sát Từ đó người nông dân có thể quản lý vùng diện tích lớn hơn, đưa ra cácquyết định chăm sóc chính xác và đỡ vất vả hơn trong quá trình chăm sóc

Từ những lợi ích mà Mạng cảm biến không dây (WSN) đem lại, nhóm sinhviên đã tìm hiểu và thiết kế một mạng cảm biến sử dụng qua sóng RF với modulenRF24L01 để thu thập các thông số môi trường từ các cảm biến Mỗi một nút trongmạng cơ bản gồm một vi xử lý, hệ thống cảm biến như DHT22, TH-50K, Camera,

… và một bộ thu phát sóng nRF24L01

2 Mục tiêu và phạm vi đề tài

Trong Đồ án tốt nghiệp, nhóm sinh viên tập trung thực hiện những vấn đề sau:

Tìm hiểu lý thuyết về nông nghiệp thông minh, mô hình mạng cảm biến khôngdây (WSN), giao thức truyền nhận ESB giữa các module nRF24L01, các thiết

bị cảm biến như DHT22, TH-50K, VC0706

Thiết kế nút mạng cảm biến bao gồm một vi xử lý, module thu phát không dâynRF24L01, các thiết bị cảm biến như: cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khíDHT22, cảm biến độ ẩm đất TH-50K, camera VC0706, bộ chấp hành như máybơm, bóng đèn,

Thiết kế nút trung tâm bao gồm:

 Mạch giám sát trung tâm gồm vi xử lý, module thu phát sóng nRF24L01

 Xây dựng cơ sở lưu trữ dữ liệu; phần mềm giám sát dành cho người quản

lý tại trung tâm, người nông dân/người sử dụng từ xa

 Xây dựng mô hình máy học nhận dạng và dán nhãn hoa

3 Tóm tắt nội dung trình bày trong các chương

Chương 1: Trình bày về những đặc điểm cơ bản của nông nghiệp thông minh;

những ứng dụng của Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông, Tự động hóa trongnông nghiệp thông minh

Chương 2: Trình bày về những phần lý thuyết được sử dụng để xây dựng hệ thống

trong phần sau

Chương 3: Trình bày về quá trình phân tích và thiết kế hệ thống được xây dựng bao

gồm: các linh kiện được sử dụng; thiết kế phần cứng cho mỗi nút mạng, làm mạch

và tích hợp các cảm biến, camera có sẵn; thiết kế phần mềm trung tâm giám và điềukhiển; thiết kế ứng dụng nhân dạng và dán nhãn hoa

Chương 4: Trình bày về quá trình thử nghiệm hệ thống; xem xét những ứng dụng

có thể áp dụng của hệ thống Từ đó sẽ phân tích và nhận xét hoạt động chung của hệthống, đưa ra hướng phát triển cho hệ thống

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

1.1 Giới thiệu chương

Chương 1 của Đồ án tốt nghiệp, nhóm sinh viên trình bày Sơ lược về nôngnghiệp thông minh, những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào trong nông nghiệp.Đặc biệt của 3 ngành Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông, Tự động hóa Việcthấy được tổng quan về nông nghiệp thông minh giúp cho việc xây dựng hệ thốnggiám sát phù hợp với nhu cầu thực tế và có thể sử dụng hiệu quả hệ thống sau khihoàn thành

1.2 Sơ lược về nông nghiệp thông minh

Nông nghiệp thông minh có thể hiểu là nền nông nghiệp ứng dụng công nghệcao (cơ giới hóa, tự động hóa,…); công nghệ sản xuất, bản quản sản phẩm an toàn(hữu cơ, theo GAP,…); công nghệ quản lý, nhận diện sản phẩm theo chuỗi giá trịgắn với hệ thống trí tuệ nhân tạo (công nghệ thông minh)

Trong những năm tới khoa học kỹ thuật sẽ tạo ra nhiều công nghệ mới giúpcho ngành sản xuất phát triển nhanh hơn, giảm tiêu hao năng lượng và nguyên liệu,giảm tác hại cho môi trường, nâng cao hơn chất lượng sản phẩm và dịch vụ Đặcbiệt, ngành công nghiệp 4.0 sẽ có tác động lớn đến nhiều lĩnh vực trong đời sốngtrong đó có lĩnh vực nông nghiệp; mặt khác do biến đổi khí hậu ngày càng ảnhhưởng tiêu cực đến sản xuất nông nghiệp, đồng thời do yêu cầu tăng dân số trongnhững thập niên tới làm biến đổi sâu sắc ngành nông nghiệp trên toàn cầu

Trong những thập niên qua, tuy mức độ tăng trưởng của ngành nông nghiệptương đối cao nhưng vẫn không đáp ứng được vấn đề an ninh lương thực toàn cầu.Dân số thế giới hiện nay khoảng 7,6 tỷ người song tỉ lệ người dân thiếu đói chiếm12%, khoảng 876 triệu người; dự kiến dân số tăng lên 9,8 tỷ vào năm 2050; sảnxuất nông nghiệp khi đó cần phải tăng 70% để đáp ứng nhu cầu vào thời điểm đó.Như vậy, yêu cầu cấp bách cho ngành nông nghiệp toàn cầu là phải gia tăng năngsuất nhằm vừa bảo đảm lương thực thực phẩm ăn đủ no cho số người thiếu đói,song một mặt phải sản xuất các lương thực, thực phẩm có chất lượng cao phục vụnhu cầu một thị phần rất lớn khoảng 30 đến 35% dân số là ăn ngon, ăn bổ và ăn cótính phòng trị bệnh trên toàn cầu hiện nay sẽ gia tăng đột biến trong tương lai [1]

Nông nghiệp thông minh làm biến đổi nền nông nghiệp thế giới sâu sắc

Theo Hiệp hội Máy Nông nghiệp châu Âu (European AgriculturalMachinery, 2017), các cuộc cách mạng công nghiệp được phân chia theo giai đoạnnhư sau:

Nông nghiệp 1.0 xuất hiện mạnh vào khoảng năm 1910, ở giai đoạn này chủyếu dựa vào sức lao động và phụ thuộc thiên nhiên do đó năng suất lao động thấp,quy mô sản xuất nhỏ lẻ, quá trình trao đổi thương mại chưa sôi động, chủ yếu tựcung, tự cấp nông sản giữa các quốc gia

Nông nghiệp 2.0, đó là Cách mạng xanh, bắt đầu vào những năm 1950, màđiển hình là Ấn Độ sử dụng các giống lúa mì lùn cải tiến; giai đoạn mà canh tác kếthợp sử dụng hóa học hóa trong phân bón và thuốc bảo vệ thực vật; cơ khí phục vụnông nghiệp phát triển, máy cày làm đất và máy móc phục vụ công nghệ sau thuhoạch, quá trình trao đổi nông sản toàn cầu diễn ra mạnh mẽ, từng bước hình thành

rõ phân vùng nông nghiệp thế giới

Nông nghiệp 3.0 diễn ra vào khoảng năm 1990 đã tạo bước đột phá về côngnghệ nhờ áp dụng các thành tựu khoa học về công nghệ sinh học, công nghệ vật liệumới, thiết bị định vị toàn cầu (GPS), các công nghệ làm đất, công nghệ sau thuhoạch sử dụng rộng rãi trên toàn cầu và từng bước áp dụng các công nghệ điềukhiển tự động và cảm biến, giao dịch nông sản thương mại điện tử, từ đó đã gópphần nâng cao năng suất, chất lượng nông sản; căn cứ vào lợi thế so sánh các quốcgia đã chủ động tham gia chuỗi nông sản toàn cầu; đây là giai đoạn xuất hiện nhanh

và nhiều công ty đa quốc gia kinh doanh về nông nghiệp

Nông nghiệp 4.0, sự phát triển diễn ra đồng thời với phát triển của thế giới vềcông nghiệp 4.0 là giai đoạn ứng dụng mạnh mẽ các thiết bị cảm biến kết nốiinternet (IoT), công nghệ đèn LED, các thiết bị bay không người lái, robot nôngnghiệp và quản trị tài chính trang trại thông minh Thuật ngữ nông nghiệp 4.0 đượcphân tích và sử dụng đầu tiên tại Đức vào năm 2011

Theo tổng kết của các tổ chức quốc tế, các thành phần chủ yếu của nôngnghiệp 4.0 được tập trung các nội hàm sau:

1. Ứng dụng cảm biến kết nối vạn vật hầu hết các trang trại nông nghiệp (IoTSensors); các thiết bị cảm biến và thiết bị thông minh được kết nối và điều

khiển tự động trong suốt quá trình sản xuất nông nghiệp giúp ứng phó vớibiến đổi khí hậu, cải thiện vi khí hậu trong nhà kính;

2. Công nghệ đèn LED sử dụng đồng bộ trong canh tác kỹ thuật cao để tối ưuhóa quá trình sinh trưởng, ứng dụng ở các quốc gia có quỹ đất nông nghiệp íthoặc nông nghiệp đô thị ;

3. Canh tác trong nhà kính, nhà lưới, sử dụng công nghệ thủy canh, khí canhnhằm cách ly môi trường tự nhiên, chủ động ứng dụng đồng bộ công nghệ;

4. Tế bào quang điện (Solar cells) nhằm sử dụng hiệu quả không gian, giảm chiphí năng lượng, hầu hết các thiết bị trong trang trại/ doanh nghiệp được cấpđiện mặt trời và các bộ pin điện mặt trời;

5. Sử dụng người máy (Robot) thay cho việc chăm sóc cây trồng, vật nuôi ngàycàng trở nên phổ biến, được ứng dụng tại các quốc gia già hóa dân số và quy

mô sản xuất lớn;

6. Sử dụng các thiết bị bay không người lái (Drones) và các vệ tinh (satellites)

để khảo sát thực trạng thu thập dữ liệu của các trang trại, từ đó phân tíchkhuyến nghị trên sơ sở dữ liệu cập nhật được để quản lý trang trại chính xác;

7. Công nghệ tài chính phục vụ trang trại trong tất cả các hoạt động từ trang trạiđược kết nối bên ngoài, nhằm đưa ra công thức quản trị trang trại có hiệu quảcao nhất [1]

Một số công nghệ ứng dụng với quy mô sản xuất nông nghiệp thông minh4.0:

- Công nghệ đèn LED thường áp dụng các nước có một trong những đặc thùnhư: có nền công nghiệp phát triển cao, có nền nông nghiệp hiện đại, nhữngquốc gia dễ ảnh hưởng biến đổi khí hậu hoặc diện tích sản xuất nông nghiệp

ít như: Philippines, Nhật Bản, Hàn Quốc, Singapore, Vương Quốc Bỉ, vùnglãnh thổ Đài Loan (Trung Quốc)… Họ đã khai thác công nghệ đèn LEDnhằm tăng hệ số sử dụng đất Đây là công nghệ tạo bước sóng ánh sáng tối

ưu nhất, do đó cây trồng được sử dụng ánh sáng hầu như đáp ứng tuyệt đốiquá trình sinh trưởng của cây từ lúc trồng đến lúc thu hoạch, vì vậy cây trồng

có năng suất tối ưu và chất lượng tốt nhất; đã và đang trở thành công nghệ

không thể thiếu để canh tác trong nhà phục vụ ở các khu công nghiệp vànông nghiệp đô thị, để đáp ứng nhu cầu thực phẩm có chất lượng và tuyệt đối

an toàn thực phẩm

- Công nghệ robot nông nghiệp sẽ tham gia vào các quá trình tự động hóanông nghiệp, chẳng hạn như thu hoạch, vận chuyển trái cây, làm đất, nhổ cỏ,gieo trồng, tưới tiêu Nhờ sử dụng robot mà năng suất lao động cao gấp 50đến 70 lần so với lao động thủ công và có độ chính xác cao Ngược lại vớicông nghệ đèn LED, công nghệ robot thường sử dụng ở các nước có nhữngđặc thù có diện tích đất nông nghiệp rộng, già hóa dân số nhanh, địa hìnhcanh tác bằng phẳng, cây trồng yêu cầu tính thời vụ cao như: Nga, Mỹ,Canada, Australia, Trung Quốc và một số quốc gia trồng cây ăn quả ôn đớichâu Âu [1]

Bên cạnh đó, nhiều sự kiện khác đang diễn ra như: Các sản phẩm vật chấtđược nâng cao giá trị gia tăng nhờ các dịch vụ với những thuật toán dùng để biếnđổi dữ liệu thành thông tin gia tăng giá trị, tối ưu hóa sản phẩm, các quá trình nônghọc, giảm thiểu rủi ro và hạn chế những nguy hiểm do tác động của máy móc cơgiới hư hỏng, thời tiết hoặc dịch bệnh gây ra Hay nông nghiệp sinh thái (tương tự

mô hình VAC ở Việt Nam), với những hệ điều hành kết hợp được nhiều nguồn dữliệu khác nhau, từ các bộ cảm biến (có thể cảm nhận nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, dinhdưỡng đất để phát tín hiệu cho người sản xuất), thiết bị, từ nguồn dữ liệu thu thập từđồng ruộng hay trang trại Nông dân/chủ trang trại điều hành thông qua bảng điềukhiển có thông tin thời gian thực và gần thực, và đưa ra các quyết định dựa trên cácgiả thiết định lượng để tăng hiệu quả tài chính

1.3 Ứng dụng Khoa học – Kỹ thuật trong nông nghiệp thông minh

1.3.1 Ứng dụng của Công nghệ thông tin

Việc áp dụng Công nghệ thông tin vào trong nông nghiệp giúp kiểm soát môitrường tăng trưởng, cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng; từ đó giúp nâng caonăng suất và chất lượng sản phẩm Không những vậy việc áp dụng Công nghệ thôngtin còn giúp cải thiện chất lượng đất, khả năng chịu đựng thiên tai, điều này có ýnghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển nền nông nghiệp bền vững

Những ứng dụng của công nghệ thông tin như ứng dụng của máy tính, mạngmáy tính, IOT, công nghệ giám sát hình ảnh, công nghệ truyền thông không dây, tất

cả được tích hợp lại để tạo lên hệ thống nông nghiệp thông minh hỗ trợ người nôngdân quản lý, giám sát, nhận cảnh báo và điều khiển từ xa Điển hình cho việc ápdụng này là Isarel và Nhật Bản, các quốc gia này đã tạo nên một nền nông nghiệpxanh sử dụng công nghệ cao

Hình 1 1: Điều khiển hệ thống tưới tiêu bằng thiết bị thông minh [7]

Một ví dụ cho điều này tại Isarel, chỉ với một chiếc điện thoại thông minhhay máy tính bảng có kết nối mạng, với sự hỗ trợ của hệ thống và các phần mềmđiều khiển từ xa, người nông dân có thể biết được vườn cây nào cần bón phân gì, sốlượng bao nhiêu, diện tích nào cần tuới nước và tưới bao nhiêu là đủ Với các dữliệu đó, máy tính sẽ cho nông dân biết cần phải điều chỉnh chỉ tiêu nào và nhữnghoạt động đó đều được điều khiển thông qua các thiết bị thông minh Chính nhữngđiều này đã giúp Isarel trở thành “thung lũng Silicon” của thế giới trong lĩnh vựcnông nghiệp Chỉ 2,5% dân số làm nông nghiệp nhưng Isarel là nước xuất khẩunông sản hàng đầu thế giới khoảng trên 3 tỷ USD Trong khi đó quốc gia này có tới2/3 diện tích lãnh thổ là sa mạc Hầu hết các khâu từ canh tác đến thu hoạch, bảoquản, tiêu thụ hiện nay tại Isarel đều được áp dụng Công nghệ thông tin [7]

Tổng thể của một hệ thống sẽ bao gồm: lớp nhận thức thông tin, lớp vậnchuyển thông tin và lớp ứng dụng thông tin như hình:

Hình 1 2: Tổng thể một hệ thống

Lớp nhận thức thông tin ở tầng thấp nhất, lớp này có 2 nhiệm vụ chính là:thu thập và truyền dữ liệu điều này có nghĩa tại lớp này thông tin về môi trường vàcây trồng sẽ được thu thập dựa theo các cảm biến, máy ảnh tại hiện trường sau đó

dữ liệu sẽ được truyền đến các lớp tiếp theo bằng công nghệ truyền dẫn không dây;

có dây nhưng ở khoảng cách ngắn hoặc 1 vài phương thức truyền thông khác Cáclệnh điều khiển từ lớp phía trên đến lớp nhận thức thông tin sẽ đi qua cổng vào, điềukhiển từ xa bằng các thiết bị điều khiển khác nhau

Lớp vận chuyển thông tin kết nối cổng vào của các thiết bị ở lớp nhận thứcthông tin bằng kết nối Internet như 2G, 3G, 4G,… và một số kết nối không dâykhác nhằm đạt được hiệu quả, đáng tin cậy, thuận tiện, giá rẻ và truyền dữ liệu antoàn Sau đó dữ liệu sẽ được chuyển tới lớp ứng dụng thông tin đồng thời chuyểnthông tin điều khiển trở lại lớp nhận thức thông tin nếu có

Lớp ứng dụng thông tin là phần quan trọng của hệ thống này Tại đây dữ liệunhận được từ lớp vận chuyển thông tin đưa đến sẽ được xử lý, điều khiển và quản lýmột cách thông minh Điều này giúp người nông dân có thể hướng đến một hệthông nông nghiệp tự động, đưa ra các quyết định chính xác hơn trong quá trình sảnxuất.

Việc ứng dụng công nghệ thông tin là điều kiện tiên quyết để quản lý hiệuquả tất cả các quy trình, nó chính là chìa khóa cho chính phủ trong việc nắm bắt tìnhhình nông nghiệp của đất nước, xác định được bao nhiêu trong số cây trồng đó làcần thiết, sản lượng tại các khu vực và hợp tác xã nông nghiệp như thế nào và sau

đó mới quyết định loại và khối lượng tối ưu để phát triển

1.3.2 Ứng dụng của Điện tử - Viễn thông

Trong nông nghiệp thông minh, vai trò cùa ngành Điện tử viễn thông vôcùng quan trọng trong việc xây dựng và phát triển một hệ thống Một số đặc điểm

sẽ được liệt kê trong phần dưới:

a Đối với ngành Điện tử

Hệ thống phần cứng được coi là nền tảng của việc quản lý trong nông nghiệpthông minh, việc lựa chọn và thiết kết sẽ dựa theo một số nguyên tắc:

- Khả năng thực thi, sự thích ứng với nhu cầu đo lường và quản lý cáctrang trại, có độ tin cậy và khả năng hoạt động cao

- Khả năng phát triển của hệ thống trong điều kiện hiện tại và tương lai

- Chi phí thực hiện cần phải được tính toán để cân đối trong mức cho phépcủa người nông dân

Một số ứng dụng của hệ thống có thể áp dụng được là:

- Thu thập dữ liệu với các địa hình khác nhau, hệ thống mạng không dây

có thể giám sát tưới tiêu

Hệ thống thu thập dữ liệu trong lĩnh vực nông nghiệp chủ yếu thông quacác cảm biến khác khau được triển khai tại các hiện trường cần giám sát

Hệ thống sẽ tiến hành giám sát thời gian thực và xử lý kỹ thuật số trongđất, nhiệt độ môi trường trong quá trình sinh trưởng của cây trồng; độ ẩmđất, không khí, nhiệt độ của đồng ruộng; độ ẩm không khí, bức xạ mặttrời, gió, hướng gió và các yếu tố khí tượng khác đồng thời hệ thống cũng

xác định xu hướng phát triển của cây trồng, các dữ liệu đó sẽ được tậptrung và truyền tải qua các cổng không dây đến các nền tảng quản lý.

Hệ thống giám sát thủy lợi chủ yếu bao gồm giám sát lưu lượng, kiểmsoát cổng và hệ thống giám sát video Các thiết bị này được lắp đặt phântán trong trang trại, được kết nối bởi mạng không dây và truyền tải thôngtin giám sát khác nhau cho nền tảng quản lý qua cổng không dây và cổnggiao tiếp Với việc thu thập phân tán các loại dữ liệu khác nhau và thiết bịgiám sát có thể đáp ứng tốt hơn các chỉ số tăng trưởng thực vật về môitrường và chất dinh dưỡng một cách kịp thời, chính xác, thời gian thực

Từ đó dữ liệu được xử lý, phân tích theo sự phát triển của cây trồng đểđưa ra những biện pháp phòng chống thiên tai hoặc sâu bệnh giúp tăngnăng suất và hiệu quả quản lý

- Hệ thống giám sát các cổng và trạm dữ liệu

Hệ thống giám sát cổng và trạm dữ liệu gồm có hệ thống điều khiển tựđộng, hệ thống giám sát cổng dữ liệu và giám sát video Các hệ thống nàyđược thiết lập để thu thập dữ liệu từ nhiều nguồn và điều khiển hoạt độngcủa các bộ chấp hành điều này có nghĩa các loại thông tin được vậnchuyển đến nơi quản lý thông qua mạng truyền dẫn và hệ thống có thểnhận ra sự giám sát từ xa của trạm bơm và cổng

b Đối với ngành Viễn thông

Theo dự báo đến năm 2020, khả năng khai thác thị trường cho các dịch vụviễn thông trong nông nghiệp sẽ vào khoảng 12,9 tỷ USD, giá trị này sẽ đến từ việchội nhập, hợp tác và tiếp thị chuyên ngành, các dịch vụ giá trị gia tăng

Một số ứng dụng chính của viễn thông trong nông nghiệp thông minh là:

- Công nghệ truyền thông không dây

Công nghệ truyền thông không dây có rất nhiều ứng dụng trong nông nghiệp.Việc sử dụng công nghệ truyền thông không dây giúp cho các hệ thống giám sátbằng cảm biến, giám sát video đơn giản hơn trong mạch kín; việc sử dụng cũnggiúp loại bỏ sự cần thiết của việc lắp đặt hệ thống cáp đồng trục; tăng diện tích vùngquản lý và có thể quản lý được những nơi con người khó có thể tiếp cận

Hình 1 3: Hệ thống trang trại được kết nối bằng sóng vô tuyến [7]

- Hệ thống định vị toàn cầu GPS

Trong nông nghiệp, việc sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS mang lạinhiều lợi ích to lớn, nó giúp kết nối các vị trí địa lý, lập bản đồ và khảo sát vị trí.Trong những năm qua các thiết bị GPS đã có giá thành ngày càng giảm điều nàygiúp cho việc tiếp cận và sử dụng nó trong dân sự càng dễ dàng và phổ biến hơn.Việc sử dụng GPS, người nông dân có thể tạo ra bản đồ số hóa đơn giản nhưng rấtchính xác mà không cần sự giúp đỡ của một người vẽ bản đồ chuyên nghiệp

Một ví dụ cho việc sử dụng này là tại Kenya, để ngăn chặn những con voilang thang đi vào các trang trại và phá hủy những loại cây quý giá, người ta đã gắnlên con voi một thiết bị gửi tin nhắn văn bản Khi nó đi qua một hàng rào địa lý dựavào công nghệ SMS và GPS, các nhà quản lý có thể đưa ra các cảnh báo cho trangtrại gần đó

- Hệ thống thông tin địa lý

Hệ thống thông tin địa lý GIS được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp đặcbiệt trong canh tác chính xác Đất được ánh xạ kỹ thuật số và các dữ liệu trắc địađược thích hợp như địa hình, đường nét địa lý được kết hợp với các dữ liệu thống kêkhác để phân tích đất dễ dàng hơn Với việc sử dụng hệ thống thông tin địa lý GISgiúp người nông dân dễ dàng hơn trong việc quyết định trồng loại cây gì và vị trínào bằng cách sử dụng dữ liệu lịch sử và lấy mẫu

- Thiết bị điều khiển bằng máy tính

Một ví dụ cho hệ thống này là hệ thống vắt sữa tự động, hệ thống này đượcđiều khiển bằng máy tính giúp vắt sữa bò mà không cần sự lao động của con người.Việc tự động hóa hoàn toàn quá trình vắt sữa được kiểm soát bởi một robot nôngnghiệp, một phần mềm quản lý và các máy tính chuyên dụng Quá trình này giúpngười nông dân tiết kiệm thời gian để có thêm thời gian giám sát nông trại và đàn

bò Nông dân có thể cải thiện quản lý đàn bò bằng cách sử dụng dữ liệu thu thập bởimáy tính Bằng cách phân tích ảnh hưởng của các loại thức ăn chăn nuôi khác nhauđến năng suất sữa người nông dân có thể điều chỉnh cho phù hợp để có thể có đượcsản lượng sữa tối ưu Vì dữ liệu có sẵn cho từng cấp độ nên mỗi con bò có thể đượctheo dõi và kiểm tra và người nông dân có thể được cảnh báo khi có những thay đổibất thường như bệnh tật hoặc thương tích

- Công nghệ RFID

Với công nghệ này, mỗi gia súc được gắn thẻ với việc sử dụng công nghệRFID để xác định dễ dàng hơn, cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu có liên quannhư: tên người chăm sóc, nguồn gốc vật nuôi, giới tính và ngày xuất chuồng Vớiviệc theo dõi này sẽ giúp những người tiêu dùng và các cơ quan quản lý có thể theodõi được nguồn gốc và các thông tin về thực phẩm

1.3.3 Ứng dụng của Tự động hóa

Việc áp dụng công nghệ cao vào trong nông nghiệp ngày càng trở lên phổbiến hơn giúp con người tăng sản lượng nông sản thu được, giảm sức lao động.Trong đó Tự động hóa có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc tạo nên sự thay đổilớn này Quay trở lại với ví dụ vắt sữa bò, thay vì người nông dân phải thực hiệncông việc vất vả này các robot sẽ giúp họ một cách hiệu quả, nhanh chóng và chínhxác hơn Điều này giúp nâng cao hiệu quả và sự thoải mái cho động vật, công nghệ

tự động có thể làm việc suốt ngày đêm giúp nâng cao sản lượng

Hình 1 4: Máy thu hoạch nho tự động [7]

Một số ứng dụng của Tự động hóa đã và đang được áp dụng trong nông nghiệp là:

Các hệ thống máy móc không người lái

Hình 1 5: Máy cày không người lái [7]

Một số sản phẩm của công nghệ này là máy bay, máy cày không người lái.Với máy bay hoặc các phương tiện bay không người lái có thể được sử dụng đểchụp ảnh và khảo sát cây trồng, vật nuôi và đất đai So với cách thức thực hiện bằngchụp ảnh về tinh có thể mất tới 14 ngày Máy bay không người lái mở ra khả năngkhảo sát cây trồng bất cứ lúc nào ví dụ khi phát hiện sự phá hoại của sâu bệnh,…Khi vấn đề được xác định máy bay không người lái có thể giúp con người thực hiệncác hoạt động phun thuốc Người nông dân có thể sử dụng máy bay không người lái

hồng ngoại để theo dõi sự sinh trưởng của cây trồng để điều chỉnh lượng nước phùhợp giúp tối ưu hóa nguồn cung cấp nước Kết hợp với các cảm biến cùng trí tuệnhân tạo cho phép người nông dân tự động hóa các nhiệm vụ như loại bỏ cỏ dại,…

Còn với các thiết bị máy cày, máy kéo không người lái, người nông dân cóthể chỉ cần ngồi một chỗ mà có thể điều khiển đồng thời nhiều loại máy móc vàcông cụ khác nhau Khi đó một lượng lớn công việc sẽ đồng thời được giải quyết.Các máy móc nay trong một số trường hợp còn mang lại hiệu quả và tính chính xáchơn so với loại máy có người lái thông thường

Việc áp dụng các thiết bị không người lái không chỉ mang lại hiệu quả vàtính chính xác cao Nó còn giúp người nông dân tăng thời gian lao động của mìnhlên vì khi về già họ vẫn có thể dễ dàng điều khiển máy móc thay cho họ làm việctrên đồng ruộng

Công nghệ tưới nhỏ giọt

Công nghệ này là phát minh mang tính đột phá của Isarel giúp giải quyết bàitoán về tưới tiêu trong điều kiện khô hạn Theo đó, hệ thống dẫn tưới được tính toán

kỹ lưỡng với tốc độ chảy chậm, nhỏ giọt và cân bằng giúp cây phát triển nhanh vàđồng đều Một ví dụ điển hình như hệ thống tưới nhỏ giọt mang tên Tipa sau khi ápdụng ở Senegal đã giúp cho các nhà nông Senegal thu hoạch 3 vụ/năm thay vì một

vụ như trước đây, kể cả trên những vùng đất khô cằn [7]

Hình 1 6: Hệ thống tưới nước nhỏ giọt [2]

Nhờ công nghệ này rất nhiều quốc gia đã gia tăng năng suất hay phát triểnđược nhiều loại hinh kinh tế nông nghiệp hiệu quả hơn Hệ thống tưới nhỏ giọt hiện

đã được phổ cập nhanh chóng tại nhiều nước trên thế giới Các mẫu mới nhất còn

có khả năng tự làm sạch, duy trì tốc độ tưới không phụ thuộc vào chất lượng nước

và áp suất khí hậu,… [2]

Robot các loại

Hình 1 7: Hệ thống robot trang trại [2]

Trong nông nghiệp các sản phẩm robot rất đa dạng một số ví dụ như robotvắt sữa, robot gieo hạt, tưới nước, cào đất, nhổ cỏ,…Những loại robot này có thểlàm việc không biết mệt mỏi trong nhiều điều kiện về địa hình và khí hậu Khi sửdụng các loại robot này năng suất được tăng lên nhiều lần so với con người

1.4 Kết luận chương

Phần đầu của chương 1 đã giới thiệu về mô hình cơ bản hệ thống nôngnghiệp thông minh trên thế giới, những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào lĩnhvực này Phần 2 của chương đi sâu hơn về những ứng dụng cụ thể của một số ngànhnhất định là Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông, Tự động hóa trong nôngnghiệp thông minh Từ đó cho thấy áp dụng khoa học kỹ thuật và sản xuất nôngnghiệp có ý nghĩa vô cùng quan trọng giúp người nông dân có thể quản lý, chămsóc tốt hơn những diện tích canh tác Đồng thời thấy được tầm quan trọng của việcxây dựng một hệ thống giám sát tham số môi trường để ứng dụng vào nông nghiệpthông minh

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT 2.1 Giới thiệu chương

Chương 2 của đồ án đưa ra mô hình tổng quan về một mạng cảm biến khôngdây, đây là cơ sở chính để xây dựng nên mô hình hệ thống giám sát tham số môitrường Trong mỗi nút mạng của hệ thống có sử dụng module nRF24L01 vớiphương thức giao tiếp giữa 2 module là giao thức truyefn nhận ESB

Mạng lưới các nút cảm biến để giám sát các thông số kỹ thuật trong suốt chu

kỳ sản xuất Tùy theo mục đích và yêu cầu, các nút cảm biến có thể được tích hợpnhiều loại cảm biến khác nhau để theo dõi các thông số kỹ thuật trong quá trình sảnxuất Bên cạnh đó camera quan sát giúp nhà sản xuất và người tiêu dùng có thể theodõi được quá trình sản xuất và đóng gói thực phẩm theo quy chuẩn Các phần mềmnhận dạng loại hoa cung cấp cho nhà sản xuất các thông tin về các hoa của thực vật

có hại cho cây trồng hoăc điều kiện sinh trưởng, phát triển của cây trồng để nhà sảnxuất xác định được những điều kiện chăm sóc tối ưu từ đó chỉ đạo nhân viên thựchiện trong quá trình sản xuất

Do đó, hệ thống giám sát tham số môi trường được mở rộng thêm chức năngchụp ảnh, nhận dạng và dán nhãn hoa Hình ảnh được chụp từ cảm biến camera ởcác nút phát và gửi về trung tâm để hiển thị, nếu ảnh là hoa thì có thể được phânloại Vì vậy trong chương 2 cũng trình bày lý thuyết về xử lý ảnh và máy học làm

cơ sở xây dựng thêm các chức năng mở rộng

2.2 Tổng quan về mạng cảm biến không dây

Mạng cảm biến không dây gồm nhiều các thiết bị cảm biến sử dụng thôngqua các phương thức truyền thông không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc quanghọc) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy môlớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào Mạng cảm biến không dây

có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp thông quamột điểm thu phát và môi trường mạng công cộng như internet hay vệ tinh Các nútmạng cảm biến không dây có thể được triển khai cho mục đích chuyên dụng nhưđiều khiển giám sát và an ninh; kiểm tra môi trường; tạo ra không gian sống thôngminh; khảo sát đánh giá chính xác trong nông nghiệp; trong lĩnh vực y tế;… Hệ

thống có thể triển khai trong bất ký loại hình địa lý nào kể cả môi trường nguy hiểmkhông thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống [13]

2.2.1 Cấu trúc của mạng cảm biến không dây

Cấu trúc của mạng cảm biến không dây bao gồm nhiều cấu trúc liên kết khácnhau mạng truyền thông không dây Một số cấu trúc liên kết mạng được áp dụngcho mạng cảm biến không dây là:

a Mạng hình sao (đơn điểm đến đa điểm)

Hình 2 1: Cấu trúc mạng hình sao

Mạng hình sao là một cấu trúc liên kết truyền thống trong đó một trạm cơ sởduy nhất có thể gửi/nhận các bản tin với một số nút từ xa Các nút ở xa không đượcphép gửi bản tin cho nhau

Ưu điểm của loại mạng này là đơn giản, khả năng giữ mức tiêu thụ điện năngcủa nút từ xa ở mức tối thiểu Độ trễ giữa các nút ở xa và trạm gốc cũng thấp nhất.Nhược điểm là nút gốc phải nằm trong phạm vi phủ sóng vô tuyến của các nút riênglẻ

b Mạng hình lưới

Mạng hình lưới cho phép truyền dữ liệu đến một nút khác trong mạng trongphạm vi truyền dẫn vô tuyến của nó Điều này có nghĩa một nút muốn gửi bản tinđến một nút khác nhưng phạm vi sóng vô tuyến không thể đến, nó có thể sử dụngqua một nút trung gian trong hệ thống chuyển tiếp bản tin đó đến nút mong muốn

Với cấu trúc liên kết mạng dạng này có ưu điểm về dự phòng và khả năng

mở rông Nếu giao tiếp giữa 2 nút không thành công do một vấn đề nào đó trongmạng có thể sử dụng thông qua một nút trung gian nào khác trong phạm vi, từ đógiúp chuyển tiếp bản tin đến vị trí mong muốn

Hình 2 2: Cấu trúc mạng hình lưới

Ngoài ra mạng có thể dễ dàng mở rộng bằng cách thêm các nút mạng đơnvào trong hệ thống Nhược điểm của loại này là tiêu thụ điện năng cho các nút thựchiện truyền thông đa kênh thường cao hơn so với khi không thực hiện khả năng này,điều này đặt ra vấn đề giải quyết hạn chế về pin Ngoài ra, khi số lần truyền thôngđến một nút đến tăng lên, độ trễ của việc truyền các bản tin cũng tăng lên theo

c Mạng lai hình sao và lưới

Sự kết hợp giữa mạng hình sao và hình lưới cung cấp sự linh hoạt trongmạng truyền thông, đồng thời duy trì khả năng giữ các nút mạng cảm biến khôngdây tiêu thụ điện năng ở mức tối thiểu Trong cấu trúc liên kết mạng này, các nút cómức điện áp thấp không được kích hoạt khả năng chuyển tiếp bản tin Các nút mạngkhác sẽ được kích hoạt khả năng đa luồng cho phép chuyển tiếp bản tin từ các nútthấp tới các nút khác trong mạng như trong Hình 2.3

2.2.2 Cấu trúc nút mạng cảm biến

Một nút cảm biến được được cấu thành bởi 4 thành phần cơ bản là: bộ cảmbiến, bộ xử lý, bộ thu phát và nguồn Ngoài còn có 1 số thành phần khác tùy theoứng dụng của hệ thống như hệ thống định vị, máy phát điện ,… Các bộ cảm biếnthường bao gồm cảm biến và bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số Tínhiệu sau khi được chuyển sang số sẽ được đưa vào bộ xử lý Bộ xử lý thường kếthợp với một thiết bị lưu trữ nhỏ có thể quản lý vấn đề giao tiếp truyền thông giữacác nút trong mạng để thực hiện nhiệm vụ được giao Thiết bị thu phát giúp kết nốicác nút trong mạng Thành phần quan trọng của nút cảm biến là bộ nguồn Hệ thống

có thể hỗ trợ tốt cho các nút là pin mặt trời