Ứng dụng IoT trong Nông Nghiệp (Hệ thống, thiết bị và giao thức)

LỜI CAM ĐOAN HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I  ĐỀ CƯƠNG TIỂU LUẬN MÔN INTERNET VÀ GIAO THỨC NHÓM 3 Ứng dụng IoT trong Nông Nghiệp (Hệ thống, thiết bị và giao thức) Gi[.]

ĐỀ CƯƠNG TIỂU LUẬN MÔN INTERNET VÀ GIAO THỨC

NHÓM 3 Ứng dụng IoT trong Nông Nghiệp (Hệ thống, thiết bị và giao thức)

Giảng viên: Nguyễn Thị Thu Hằng

Thành viên nhóm 3:

1.Phạm Văn Cường – B19DCVT0392.Trần Văn Việt – B19DCVT4393.Lê Tiến Đạt – B19DCVT0794.Trần Đức Hiếu – B19DCVT1435.Vũ Đức Mạnh – B19DCVT2476.Lê Đức Thiện – B19DCVT391

Hà Nội, tháng 11/2022

Bảng phân công công việc nhóm

Nội dung chính Công việc

chung

Ghi chú

Phần 1: Giới thiệu tổng quan về IoT

1.1: Khái niệm –giới thiệu IoT

1.2: Phương thức hoạt động chung của hệ thống IoT

- (4 phần của 1 hệ thống IoT)

 Cảm biến/thiết bị

Lê Tiến Đạt

Phần 2: IoT trong nông nghiệp

2.1: Khái niệm “Nông nghiệp công nghệ cao”

2.2: IoT trong lĩnh vực nông nghiệp

2.3: Cấu trúc hệ thống IoT nông nghiệp(Phân tích theo 4 phần – không cần kĩ chỉ ra)

- Thiết bị …

- Chuẩn giao tiếp và giao thức

- …

2.3: Hiệu quả vượt trội khi sử dụng IoT trong nông nghiệp

Phần 3: Phân tích hệ thống giám sát nông nghiệp IoT

3.1: Mục tiêu hệ thống 3.2: Mô tả hệ thống

4 9 Phạm VănCường

Phần 4: Phân tích hệ thống giám sát nông nghiệp IoT

4.1: Cấu trúc hệ thống:

4.1.1: Cảm biến/ thiết bị

4.1.2: Giao tiếp- giao thức truyền

4.1.3: Chuẩn kết nối4.1.4: Phương thức xử

lý data4.1.5: Chuyển đổi giao diện người dung

5 52 Trần Văn Việt

Phần 5: Tổng kết

5.1: Nhận xét5.2: Đánh giá

Mục lục

Lời mở đầu

Danh mục hình vẽ

Phần 1: Giới thiệu tổng quan về IoT 5

1.1 Khái niệm – Giới thiệu iot 5

1.2 Phương thức hoạt động chung của hệ thống IoT 5

1.3 Ứng dụng IoT hiện nay 7

Phần 2: IoT trong nông nghiệp 8

2.1 Khái niệm nông nghiệp công nghệ cao 8

2.2 IoT trong lĩnh vực nông nghiệp 8

2.2.1 IoT trong nông nghiệp là gì? 8

2.2.2 tại sao nên ứng dụng IoT nông nghiệp 9

2.2.3: Lợi ích của ứng dụng IoT trong nông nghiệp 9

2.3 Cấu trúc hê thông IoT nông nghiệp 9

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IoT 9

2.3.2 Chuẩn giao tiếp và giao thức 10

2.3.3 Thiết bị 12

Phần 3: Phân tích hệ thống giám sát nông nghiệp IoT 14

3.1 Mục tiêu hệ thống 14

+ Nhanh chóng, tiết kiệm thời gian - cải thiện tốc độ và thích nghi với điều kiện phức tạp: 14

3.2: Mô tả hệ thống 15

Phần 4: Phân tích hệ thống giám sát nông nghiệp IoT 17

4.1 Cấu trúc hệ thống giám sát: 17

4.1.1 Linh kiện cảm biến và thiết bị phần cứng khác: 18

4.1.2 Chuẩn giao tiếp – giao thức truyền tín hiệu: 21

4.1.3 Chuẩn kết nối: 23

4.1.4 Phương thức xử lý dữ liệu: 23

4.1.5 Chuyển đổi giao diện người dùng: 23

Phần 5: Nhận xét và tổng kết 24

5.1 Nhận xét 24

5.2 Tổng kết 24

Lời mở đầu

IoT là tên viết tắt của Internet of Things có nghĩa là Internet vạn vật Hay cụ thể hơn nữa là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet Đây là một hệ thống các thiết bị tính toán có liên quan với nhau, máy móc cơ khí, kỹ thuật số hoặc con người được cung cấp một mã nhận dạng duy nhất (UID) và khả năng truyền dữ liệu qua mạng mà không yêu cầu sự tương tác giữa con người với máy tính.

Các thiết bị Interet of Things có thể là đồ vật được gắn thêm cảm biến để thu thập

dữ liệu về môi trường xung quanh, các máy tính/ bộ điều khiển tiếp nhận dữ liệu

và ra lệnh cho các thiết bị khác, hoặc là các đồ vật được tích hợp cả hai tính năng trên.

Ngày nay, các doanh nghiệp trong nhiều ngành khác nhau đang sử dụng Internet

of Things (IoT) để hoạt động hiệu quả hơn, hiểu rõ hơn về khách hàng để cung cấp dịch vụ khách hàng nâng cao, cải thiện khả năng ra quyết định và gia tăng giá trị của doanh nghiệp.

Ứng dụng IoT vào trong nông nghiệp hiện nay là một xu hướng chung của toàn thế giới, đặc biệt là đối với những đất nước lấy nông nghiệp làm trọng tâm, trong

đó của Việt Nam.

IoT sẽ biến nông nghiệp từ một lĩnh vực sản xuất định tính thành một lĩnh vực sản xuất chính xác dựa vào những số liệu thu thập, tổng hợp và phân tích thống kê.

Việc ứng dụng IoT vào trong nông nghiệp không chỉ đem lại cho người làm nông đạt năng suất và sản lượng cao, IoT còn giúp cho người làm nông tiếp cận được với nền khoa học kỹ thuật tối tân của nhân loại, cùng với đó đem đến cho người

sử dụng vô vàn những lợi ích không tưởng.

Danh mục hình vẽ

Hình 1.1 Internet of Things ……….6

Hình 1.2 Cảm biến/thiết bị ……… 7

Hình 1.3 Kết nối ……… 8

Hình 1.4 Ứng dụng của IoT trong nông nghiệp ……… 9

Hình 2.1: Xu hướng ứng dụng IoTs trong nông nghiệp ………10

Hình 2.2: Số lượng thiết bị IoT lắp đặt trên toàn cầu từ 2015 đến 2025 …… 10

Hình 2.3: Bốn cấu phần cơ bản của một hệ thống IoT ……… 11

Hình 3.1 Kiến trúc IoT dự trên đám mây cho các ứng dụng nông nghiệp ……16

Hình 3.2: Kiến trúc nút ……… 17

Hình 3.3 Hệ thống cloud server ……….18

Hình 3.4: Mô phỏng hệ thông IoT trong thực tế nông nghiệp ……… 18

Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống ……… 19

Hình 4.2: Chuẩn One-Wire ………23

Hình 4.3: Chuẩn I2C ……… 24

Hình 4.4: App Mobile IoT trên thiết bị di động và hệ thống web xử lý nông nghiệp IoT ……… 25

Phần 1: Giới thiệu tổng quan về IoT

1.1 Khái niệm – Giới thiệu iot

– Kể từ lần đầu tiên được công bố bởi Kelvin Ashton, người đồng sáng lập của Trung tâm Auto-ID tại MIT vào năm 1999, Internet of thing (IoT) đã tác động to lớn đến cuộc sống của chúng ta, trở thành một trong những yếu tố quan trọng cho cuộc cách mạng công nghệ lần thứ 4 của thế giới

– Internet vạn vật (IoT) là mạng kết nối các đồ vật và thiết bị thông qua cảm biến, phầnmềm và các công nghệ khác, cho phép các đồ vật và thiết bị thu thập và trao đổi dữ liệu với nhau

– Internet vạn vật lan tỏa lợi ích của mạng internet tới mọi đồ vật được kết nối, chứ không chỉ dừng lại ở phạm vi một chiếc máy tính Khi một đồ vật được kết nối với internet, nó sẽ trở nên thông minh hơn nhờ khả năng gửi và/hoặc nhận thông tin và tự động hoạt động dựa trên các thông tin đó

Hình 1.1 Internet of Things

1.2 Phương thức hoạt động chung của hệ thống IoT

– Các thiết bị và đối tượng có cảm biến tích hợp được kết nối với nền tảng Internet of Things, nền tảng này tích hợp dữ liệu từ các thiết bị khác nhau và áp dụng phân tích để chia sẻ thông tin có giá trị nhất với các ứng dụng được xây dựng để giải quyết các nhu cầu cụ thể

– Tất cả các hệ thống IoT hoàn chỉnh đều giống nhau ở điểm chúng thể hiện sự tích hợpcủa bốn thành phần riêng biệt: cảm biến / thiết bị, kết nối, xử lý dữ liệu và giao diện người dùng

+ Cảm biến/thiết bị:

● Đầu tiên, cảm biến hoặc thiết bị thu thập dữ liệu từ môi trường của chúng

Dữ liệu này có thể đơn giản như đọc nhiệt độ hoặc phức tạp như một nguồn cấp dữ liệu video đầy đủ

● Sử dụng “cảm biến/ thiết bị” vì nhiều cảm biến có thể được kết hợp với nhau

hoặc cảm biến có thể là một phần của thiết bị không chỉ cảm nhận mọi thứ

Ví dụ: điện thoại của bạn là một thiết bị có nhiều cảm biến (máy ảnh, gia tốc

kế, GPS, v.v.), nhưng điện thoại của bạn không chỉ là một cảm biến vì nó còn

có thể thực hiện nhiều hành động

● Tuy nhiên, cho dù đó là một cảm biến độc lập hay một thiết bị đầy đủ, trong

bước đầu tiên này, dữ liệu đang được thu thập từ môi trường bởi một thứ gì đó

Hình 1.2 Cảm biến/thiết bị

+ Kết nối:

● Tiếp theo, dữ liệu đó được gửi đến đám mây, nhưng nó cần một cách để đạt

được điều đó

● Các cảm biến/ thiết bị có thể được kết nối với đám mây thông qua nhiều

phương thức bao gồm: mạng di động, vệ tinh, WiFi, Bluetooth, mạng diện rộng công suất thấp (LPWAN), kết nối qua cổng/ bộ định tuyến hoặc kết nối trực tiếp với internet qua ethernet

● Mỗi tùy chọn có sự cân bằng giữa mức tiêu thụ điện năng, phạm vi và băng

thông Việc chọn tùy chọn kết nối nào là tốt nhất phụ thuộc vào ứng dụng IoT cụ thể, nhưng tất cả chúng đều hoàn thành nhiệm vụ giống nhau: đưa dữ liệu lên đám mây

+ Xử lý dữ liệu:

● Khi dữ liệu được đưa lên đám mây, phần mềm sẽ thực hiện một số loại xử lý

trên đó

● Điều này có thể rất đơn giản, chẳng hạn như kiểm tra xem nhiệt độ có nằm

trong phạm vi chấp nhận được không Hoặc nó cũng có thể rất phức tạp, chẳng hạn như sử dụng thị giác máy tính trên video để xác định các đối tượng (chẳng hạn như những kẻ xâm nhập vào tài sản)

Hình 1.3 Kết nối

+ Giao diện người dùng:

● Tiếp theo, thông tin sẽ hữu ích cho người dùng cuối theo một cách nào đó

Điều này có thể thông qua một cảnh báo cho người dùng (email, văn bản, thông báo, v.v.) Ví dụ, một văn bản cảnh báo khi nhiệt độ quá cao trong kho lạnh của công ty

● Người dùng có thể có một giao diện cho phép họ chủ động đăng ký trên hệ

thống Ví dụ: người dùng có thể muốn kiểm tra nguồn cấp dữ liệu video trên các thuộc tính khác nhau thông qua ứng dụng điện thoại hoặc trình duyệt web

● Tuy nhiên, không phải lúc nào nó cũng là đường một chiều Tùy thuộc vào

ứng dụng IoT, người dùng cũng có thể thực hiện một hành động và ảnh

hưởng đến hệ thống Ví dụ: người dùng có thể điều chỉnh nhiệt độ trong kho lạnh từ xa thông qua một ứng dụng trên điện thoại của họ.

● Và một số hành động được thực hiện tự động Thay vì đợi bạn điều chỉnh

nhiệt độ, hệ thống có thể tự động làm điều đó thông qua các quy tắc được xácđịnh trước Thay vì chỉ gọi cho bạn để cảnh báo bạn về kẻ xâm nhập, hệ thống IoT còn có thể tự động thông báo cho các đội bảo mật hoặc các cơ quan chức năng có liên quan

1.3 Ứng dụng IoT hiện nay

– Hiện nay IoT đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống của chúng ta và xuất hiện trong rất nhiều ngành nghề, ví dụ như:

+ Ngành chế tạo: Đo lường khi sản lượng sản xuất bị tổn hại

+ Ngành ô tô: Hệ thống ô tô tự lái

+ Giao thông vận tải: giám sát các phương tiện mà mật độ người đi lại để phòng tránh tắc nghẽn giao thông

+ Phòng chống thiên tai: dự đoán và quản lý các thảm họa thiên nhiên

+ Kiểm tra xây dựng: Giám sát các rung động và các điều kiện vật chất trong các tòa nhà, cầu và các công trình

+ Chất lượng nước: Nghiên cứu về sự thích hợp của nước trên các sông, vùng biển

– Nhất là ngành nông nghiệp, IoT đóng vai trò to lớn trong sự phát triển của nông nghiệp thông minh Nước ta vốn là 1 nước nông nghiệp nên ngành nông nghiệp luôn được chú trọng hàng đầu Nếu như trước đây toàn bộ quá trình nông

nghiệp đều phụ thuộc vào sức lao động con người thì giờ đây được đơn giản hóa nhờ sự xuất hiện của máy móc và công nghệ Ứng dụng IoT trong ngành trồng trọt giúp nông dân có thể kiểm soát và nắm bắt những thông tin cần thiết như thời điểm tốt nhất thu hoạch, độ dinh dưỡng của đất, lượng phân bón phù hợp, độ ẩm của đất Và điều này sẽ được nói rõ hơn trong phần 2: IoT trong nông nghiệp

Hình 1.4 Ứng dụng của IoT trong nông nghiệp

Phần 2: IoT trong nông nghiệp

2.1: Khái niệm nông nghiệp công nghệ cao

Nông nghiệp công nghệ cao là một nền nông nghiệp được ứng dụng kết hợp những

công nghệ mới, tiên tiến để sản xuất, còn gọi là công nghệ cao nhằm nâng cao hiệu quả, tạo bước đột phá về năng suất, chất lượng nông sản, thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao của xã hội và đảm bảo sự phát triển nông nghiệp bền vững

2.2: IoT trong lĩnh vực nông nghiệp

2.2.1 IoT trong nông nghiệp là gì?

IoT trong nông nghiệp là các thiết bị thông minh, cảm biến được nối với điều khiển tựđộng trong suốt quá trình vận sản xuất canh tác góp phần tránh bị biến đổi khí hậu vàhiệu ứng nhà kính

Thêm vào đó, ứng dụng IoT trong nông nghiệp giúp nâng cao sản lượng và chất lượngsản phẩm, giảm sử dụng tài nguyên và chi phí, tối ưu hóa quy trình sản xuất Đồng thời,đảm bảo được sức khỏe cho cộng đồng

Hình 2.1: Xu hướng ứng dụng IoTs trong nông nghiệp

2.2.2 Tại sao nên ứng dụng IoT nông nghiệp

Với mô hình nông nghiệp hiện đại, việc áp dụng IoT trong nông nghiệp đang là xuhướng toàn cầu IoT không chỉ giúp gia tăng năng suất và chất lượng, giảm chi phí vàtài nguyên mà còn có thể thu nhập, chuyển đổi số liệu, tổng hợp và phân tích thống kê.

Theo Nghiên cứu của Business Insider dự đoán rằng nếu năm 2023 sẽ có 12 triệu thiết

bị cảm biến nông nghiệp đc lắp trên toàn cầu Thị trường nông nghiệp thông minh toàncầu dự đoán sẽ đạt 15,344 triệu USD vào cuối năm 2025, tăng gấp 3 lần so với năm

2016 (5.098 triệu USD) và tăng trưởng với tốc độ CAGR trên 13,09% từ năm 2017 đến2025

Hình 2.2: Số lượng thiết bị IoT lắp đặt trên toàn cầu từ 2015 đến 2025

2.2.3: Lợi ích của ứng dụng IoT trong nông nghiệp

 Hiệu quả vượt trội – Giải pháp nông nghiệp tối ưu

 Phủ sóng nông nghiệp thông minh

 Nhanh chóng, tiết kiệm thời gian - cải thiện tốc độ và thích nghi với điều kiệnphức tạp

 Giảm thiểu sử dụng tài nguyên - tiết kiệm chi phí

 Quy trình nuôi trồng sạch và an toàn hơn

 Cải thiện chất lượng nông sản cho nông dân

2.3 Cấu trúc hê thông IoT nông nghiệp

2.3.1 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống ứng dụng công nghệ IoT

Kiến trúc IoT gồm 4 thành phần cơ bản chính gồm: Vạn vật (Things), Trạm kết nối(Gateways), Hạ tầng mạng (Internet) và cuối cùng là lớp dịch vụ (Service)

 Vạn vật (Things): Ngày nay có vô vàn vật dụng đang hiện hữu trong cuộc sống,ởtrên các khu canh tác, ở trong nhà hoặc trên chính các thiết bị lưu động của ngườidùng Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh được sàng lọc, kết nối và quản

lý dữ liệu của đối tượng nông nghiệp một cách cục bộ, còn các thiết bị chưathông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối Từ đó, các thiết

bị, vật dụng sẽ có thể thực hiện nhiệm vụ của mình đối với đối tượng nôngnghiệp cần quản lý.

 Trạm kết nối (Gateways): Các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một vùng trunggian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mâymột cách bảo mật và dễ dàng quản lý Gateways có thể là một thiết bị vật lý hoặc

là một phần mềm được dùng để kết nối giữa Cloud (điện toán đám mây) và bộđiều khiển, các cảm biến, các thiết bị thông minh

 Hạ tầng mạng (Internet): Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IPđược kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng nàybao gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiềuthiết bị khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nốiđến mạng lưới viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

 Lớp dịch vụ (Service): Là các ứng dụng được các hãng công nghệ, hoặc thậm chíngười dùng tạo ra để dễ dàng sử dụng các sản phẩm IoT một cách hiệu quả và tậndụng được hết giá trị của sản phẩm

Hình 2.3: Bốn cấu phần cơ bản của một hệ thống IoT

2.3.2 Chuẩn giao tiếp và giao thức

Chuẩn giao tiếp UART

UART là viết tắt của Universal AsynchronousReceiver - Transmitter có nghĩa là truyền dữliệu nối tiếp bất đồng bộ

Chuẩn giao tiếp I2C

I2C là tên viết tắt của cụm từ Inter-IntergratedCircuit Đây là đường Bus giao tiếp giữa các ICvới nhau

Giao thức truyền dữ liệu bằng Bluetooth là chuẩn kết nối không dây tầm ngắn

sử dụng băng tần 2.4 Ghz để kết nối các thiết bị

cá nhân (điện thoại, laptop, máy tính bảng) vớinhau tạo thành mạng cục bộ nhỏ

Giao thức MQTT

MQTT (Message Queuing TelemetryTransport) là một giao thức truyền thông điệp(message) theo mô hình publish/subscribe (xuấtbản — theo dõi), sử dụng cho các thiết bị[Internet of Things] (tags/IoT) với băng thôngthấp, độ tin cậy cao và khả năng được sử dụngtrong mạng lưới không ổn định

Giao thức CoAP

Là một giao thức truyền tải tài liệu theo môhình client/server dự trên internet tương tự nhưgiao thức HTTP nhưng được thiết kế cho cácthiết bị ràng buộc Giao thức này hỗ trợ mộtgiao thức one-to-one để chuyển đổi trạng tháithông tin giữa client và server

Giao thức AMQP

Advanced Message Queue Protocol, là một

giao thức làm trung gian cho các gói tin trên lớp ứng dụng với mục đích thay thế các hệ thống truyền tin độc quyền và không tương thích Các tính năng chính của AMQP là định hướng message, hàng đợi, định tuyến (bao gồmpoint-to-point và publish-subscribe) có độ tin cậy và bảo mật cao Các hoạt động sẽ được thực hiện thông qua broker, nó cung cấp khả năng điều khiển luồng (Flow Control)

XMPP

XMPP (trước đây gọi là “Jabber”) là giao thứctruyền thông dùng cho định hướng tin nhắntrung gian dựa trên ngôn ngữ XML.XMPP là

mô hình phân quyền client-server phi tập trung,được sử dụng cho các ứng dụng nhắn tin vănbản

2.3.3 Thiết bị và cảm biến