Bài tập lớn mạng máy tính Ứng dụng IoT trong lĩnh vực an toàn thực phẩm - đại học bách khoa Hà Nội

Người ta ít chú ý đến việc sử dụng tiềm năng của IoT trong lĩnh vực an toàn thực phẩm, do đó mục đích của nghiên cứu này là để thực hiện điều đó.. Phần lớn các nghiên cứu này được thực h

A

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MÔN MẠNG MÁY TÍNH

Đề tài: Ứng dụng IoT trong lĩnh vực

an toàn thực phẩm

Giảng viên hướng dẫn Thầy Nguyễn Quang Vinh

Nhóm sinh viên thực hiện Nguyễn Việt Hoàng - 20172566

Nguyễn Ngọc Trung - 20172869 Dương Văn Phong - 20172745 Nguyễn Quang Huy - 20172610

Lê Đắc Khánh - 20172621

Hà Nội, 5-2019

Mục lục

Danh mục bảng biểu và hình ảnh 2

Tóm tắt 1

Chương 1 Giới thiệu 2

Chương 2 Quá trình tìm kiếm tài liệu và mạng lưới bibliometric 5

2.1 Tìm kiếm tài liệu 5

2.2 Mạng lưới Bibliometric 6

Chương 3 IOT trong tìm kiếm tài liệu về an toàn thực phẩm 8

3.1 Năm xuất bản 8

3.2 Các mặt hàng thực phẩm và quốc gia xuất bản 8

3.3 IoT trong mạng lưới thư mục an toàn thực phẩm 9

3.3.1 Hình ảnh hóa mạng và lớp phủ cho các tác giả 9

3.3.2 Trực quan hóa tần suất xuất hiện của nội dung 9

Chương 4 Các lĩnh vực của IoT trong an toàn thực phẩm 11

4.1 Thống kê cảm biến 11

4.2 Công nghệ giao tiếp 11

4.3 Các chủ đề được ứng dụng IoT 11

4.4 Giám sát 12

4.4.1 Giám sát chất lượng và an toàn thực phẩm 12

4.4.2 Giám sát thời hạn sử dụng 13

4.4.3 Giám sát dư lượng thuốc bảo vệ thực vật 13

4.5 Chuỗi cung ứng 13

4.5.1 Truy xuất nguồn gốc 14

4.5.2 Truy xuất nguồn gốc và chống hàng giả 15

4.5.3 Bao bì thực phẩm 15

4.6 Giám sát và chuỗi cung ứng 15

Chương 5 THẢO LUẬN VÀ NHỮNG THÁCH THỨC TRONG TƯƠNG LAI 22

5.1 An toàn thực phẩm và truy xuất nguồn gốc 23

C

5.2 Công nghệ thông tin và thách thức bảo mật 23

Chương 6 KẾT LUẬN 25

i

Danh mục bảng biểu và hình ảnh

Hình 1: Kiến trúc IoT 3

Hình 2: Các bài báo xuất bản về IoT trong an toàn thực phẩm mỗi năm 8

Hình 3: Trực quan hóa mối liên hệ của các tác giả 9

Hình 4: Hình ảnh trực quan mạng lưới các bài báo 10

Bảng 1: Thống kê các kết quả tìm kiếm 6

Bảng 2: Thống kê công nghệ giao tiếp được sử dụng trong các bài báo về IoT ứng dụng trong an toàn thực phẩm 19

Bảng 3: Các lĩnh vực nghiên cứu của các bài báo 21

1

Tóm tắt

Internet of Things (IoT) đang phát triển theo cấp số nhân và có thể trở thành một nguồn thông tin khổng lồ IoT đã mang đến những cơ hội mới trong các lĩnh vực khác nhau nhưng cũng có những thách thức rõ ràng phải được giải quyết Người ta ít chú ý đến việc sử dụng tiềm năng của IoT trong lĩnh vực an toàn thực phẩm, do đó mục đích của nghiên cứu này là để thực hiện điều đó

Bài báo này đánh giá việc sử dụng công nghệ IoT trong an toàn thực phẩm Một tài liệu đánh giá được thực hiện bằng cách sử dụng các tài liệu học thuật được viết bằng tiếng Anh và được xuất bản trên các tạp chí khoa học đã được bình duyệt Các bài báo liên quan được phân tích bằng cách sử dụng mạng lưới thư mục để điều tra mối quan hệ giữa các tác giả, quốc gia và nội dung

IoT trong an toàn thực phẩm là một cách tiếp cận tương đối mới, bài báo đầu tiên xuất hiện vào năm 2011 và đã tăng lên kể từ đó Phần lớn các nghiên cứu này được thực hiện bởi các trường đại học Trung Quốc và các ứng dụng chính IoT được báo cáo là về dây truyền cung ứng thực phẩm để truy xuất nguồn gốc sản phẩm thực phẩm, tiếp theo là giám sát an toàn thực phẩm và chất lượng Phần lớn các ấn phẩm liên quan đến thực phẩm, thịt, các sản phẩm dây truyền lạnh và các sản phẩm nông nghiệp Những nghiên cứu này sử dụng các cảm biến để theo dõi : nhiệt độ, độ ẩm và

vị trí Các công nghệ giao tiếp được sử dụng ở đây là Internet, nhận dạnh tần số vô tuyến (RFID) và mạng cảm biến không dây (WSN)

Từ khóa : Chuỗi cung ứng thực phẩm, Cảm biến, IoT, Thiết bị thông minh

Chương 1 Giới thiệu

Internet of Things (IoT) đã thay đổi cách sử dụng dữ liệu thu thập và mở rộng tầm nhìn xa hơn về Internet, từ máy tính được kết nối với nhau bằng internet, đến mọi đối tượng có thể nhận hoặc truyền dữ liệu kỹ thuật số được kết nối với nhau và do đó IoT có thể trở thành một nguồn thông tin khổng lồ Một dấu hiệu rõ ràng về sự phát triển của IoT là sự phát triển phi thường trong kết nối máy móc với máy móc (M2M) dưới một tỷ kết nối M2M vào năm 2017 lên 3,9 tỷ vào 2022, tập hợp mọi người, quy trình, dữ liệu và mọi thứ để làm cho các kết nối được nối mạng trở nên phù hợp và có giá trị hơn (Cisco, 2019, trang 1–33)

Hiệp hội Thông tin Ủy ban Châu Âu (Saint-Exupery, 2009, trang 1–50) định nghĩa IoT là “Những thứ có danh tính và các nhân cách ảo hoạt động trong không gian thông minh bằng cách sử dụng các giao diện thông minh để kết nối và giao tiếp trong bối cảnh xã hội, môi trường và người dùng” hoặc “Các đối tượng được kết nối có vai trò tích cực trong cái có thể được gọi là Internet tương lai ” 'Things' trong IoT có thể bao gồm bất kỳ thứ gì từ đồng hồ thông minh đến hệ thống điều khiển hành trình có chứa một số loại cảm biến (ví dụ: nhiệt độ, ánh sáng, chuyển động, vị trí, v.v.) Thành phần khác của hệ sinh thái IoT là phương tiện giao tiếp (Bluetooth, RFID, 4G, v.v.), tạo điều kiện giao tiếp với các máy móc hoặc con người và tài nguyên máy tính

Kiến trúc IoT bao gồm một số lớp như trong Hình 1.1: i) lớp thiết bị, ii) lớp mạng, iii) lớp hỗ trợ dịch vụ, iv) lớp ứng dụng, v) quản lý và bảo mật Lớp thiết bị bao gồm tất cả các thiết bị được thực hiện trong môi trường và các cổng giao tiếp, nghĩa là cảm biến (ví dụ: nhiệt độ, ánh sáng, chuyển động và vị trí, v.v.), thiết bị truyền và nhận thông tin qua giao tiếp mạng trực tiếp hoặc thông qua các cổng (ví dụ: bộ tiếp nhận và

bộ truyền), thiết bị cung cấp năng lượng (ví dụ: pin, tấm pin mặt trời), các thiết bị có thể quản lý các chức năng và các cổng Lớp thiết bị cũng bao gồm tất cả các công nghệ truyền thông liên quan, có dây và không dây, chẳng hạn như CAN bus, Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, v.v Lớp mạng cung cấp các tính năng của dữ liệu thiết bị và chuyển đổi giao thức liên quan sang lớp mạng các giao thức Nó bao gồm chức năng cho mạng (tức là kết nối, di động, xác thực, ủy quyền và kế toán) và giao vận trong mô hình OSI Lớp hỗ trợ dịch vụ đại diện cho các dịch vụ cho phép các ứng dụng và dịch

vụ IoT Nó chứa các chức năng như xử lý dữ liệu và lưu trữ, cũng như chức năng chuyên biệt, cho mỗi ứng dụng và dịch vụ, vì các dịch vụ mới nổi có các yêu cầu khác nhau Lớp ứng dụng bao gồm các ứng dụng và dịch vụ IoT Lớp Quản lý và bảo mật

đã xuất bản một bài đánh giá tài liệu về việc sử dụng IoT trong nhiều lĩnh vực bao gồm chăm sóc sức khỏe, khai thác và năng lượng, phương tiện được kết nối, xây dựng và quản lý cơ sở hạ tầng và chuỗi cung ứng thực phẩm Đối với mỗi lĩnh vực này, động lực nghiên cứu và triển khai các hệ thống IoT đã được vạch ra bao gồm các đặc điểm

cụ thể của IoT như kiến trúc hệ thống, mức độ cảm biến, các khía cạnh giao tiếp và kinh doanh), thách thức và giải pháp

Trong tất cả các nghiên cứu hiện có, người ta ít chú ý đến khả năng sử dụng IoT trong lĩnh vực an toàn thực phẩm và do đó mục tiêu của nghiên cứu này là để thực

hiện điều đó Vì vậy, các bài báo khoa học báo cáo việc sử dụng công nghệ IoT trong

an toàn thực phẩm được công bố trên các tài liệu khoa học đến năm 2018 đã được thu thập, tổng kết và đánh giá Các bài báo thu thập được phân tích bằng cách sử dụng mạng lưới sinh trắc học để xác định mối quan hệ giữa các tác giả, viện nghiên cứu, quốc gia và nội dung của nó Cuối cùng, những lỗ hổng kiến thức đã được xác định đòi hỏi phải khám phá thêm và tạo cơ hội cho nghiên cứu trong tương lai trong lĩnh vực này

Để có được cái nhìn tổng quan về khả năng sử dụng IoT trong an toàn thực phẩm, một cuộc tìm kiếm tài liệu đã được thực hiện trong một số cơ sở dữ liệu chứa các ấn phẩm khoa học và kỷ yếu hội nghị (ví dụ: IEEE, Science Direct, Scopus, Google Scholar) Cuộc tìm kiếm này đã cung cấp 533 bài báo có khả năng liên quan, trong đó sau khi đánh giá thêm đã dẫn đến 48 ấn phẩm liên quan, được sử dụng cho tổng quan này Các ấn phẩm liên quan này được phân tích bằng cách sử dụng mạng lưới sinh trắc học để điều tra mối quan hệ giữa tác giả, quốc gia và nội dung

5

Chương 2 Quá trình tìm kiếm tài liệu và mạng lưới bibliometric

2.1 Tìm kiếm tài liệu

Tác giả bài báo đã thực hiện đánh giá các tài liệu có liên quan đến IoT trong lĩnh vực an toàn thực phẩm để trả lời các câu hỏi nghiên cứu sau:

Các phương pháp triển khai sử dụng IoT (đã triển khai hay mới chỉ được đề nghị) trong lĩnh vực thực phẩm liên quan đến an toàn thực phẩm là gì?

Để trả lời câu hỏi trên, các nguồn dữ liệu khoa học uy tín đã được sử dụng là IEEE, Science Direct, Scopus và Google Scholar

Việc tìm kiếm được thực hiện với 2 cụm từ tìm kiếm khác nhau, để tìm kiếm các kết quả về chủ đề " Internet of Things" và chủ đề " Food Safety" một cách riêng biệt Không áp dụng giới hạn thời gian được đăng trong việc tìm kiếm

Các từ khóa tìm kiếm trong chủ đề thứ 2 có thể kể đến là : an toàn thực phẩm, chuỗi cung ứng thực phẩm, canh tác chính xác, giám sát thực phẩm, chuẩn bị thức ăn,

xử lý thực phẩm, chế biến thức ăn, kho lương thực, nguồn gốc thực phẩm, nhãn thực phẩm, truy xuất nguồn gốc thực phẩm, phụ gia thực phẩm, thuốc trừ sâu, dư lượng thuốc trừ sâu, nước sạch, ô nhiễm thực phẩm, vật lý ô nhiễm, độc hại, nhiễm hóa chất, hóa chất sự nguy hiểm, nhiễm bẩn sinh học, nguy cơ sinh học, chăn nuôi gia súc, thịt, con cá, rau, trái cây, Sữa, sản phẩm bơ sữa, ngũ cốc, trứng

Trải qua quá trình tìm kiếm trên cơ sở dữ liệu, tuy có một số khó khăn nhất định, nhưng nhóm tác giả vẫn tổng hợp được 927 bài báo sử dụng các từ khóa tìm kiếm được liệt kê ở trên Sau khi loại bỏ các kết quả trùng lặp, 533 bài báo được giữ lại

Những bài báo trên được phân loại về độ liên quan (có hay không) dựa trên tiêu

đề, dựa theo định luật-bốn-mắt Định luật bốn mắt có nghĩa là ít nhất có 2 người xác nhận việc phân loại là đúng để đảm bảo tính chính xác Các chủ đề được đánh giá là không liên quan đến lĩnh vực an toàn thực phẩm bao gồm: Các bài báo được viết bằng ngôn ngữ không phải tiếng Anh, sự bền vững trong nông nghiệp, chăn nuôi bò sữa, hệ thống phân phối sữa, năng suất cây trồng, ứng dụng y tế, dinh dưỡng, kỷ yếu từ các hội nghị, Kỹ thuật hóa học, béo phì, hành vi của động vật, canh tác cây trồng tối ưu, thủy lợi, thức ăn lành mạnh, thương mại, quản lý năng lượng, phân loại cà chua, nước thải đô thị, giám sát chất lượng nước, Thanh toán NFC, nồng độ khí ga

Quá trình lướt qua đầu tiên này cho thấy chỉ có 190 bài báo là có tiêu đề liên quan, số bài báo này lại được tiếp tục phân loại bằng việc đọc toàn bộ số bài báo trên với các tiêu chí phân loại như:

- Bài báo có thể được tiếp cận với các gói theo dõi không hay có được truy cập miễn phí không?

- Vấn đề mà bài báo đề cập có liên quan đến an toàn thực phẩm không?

- Bài báo có cung cấp một giải pháp cụ thể cho việc ứng dụng IoT trong an toàn thực phẩm không?

Cơ sở dữ liệu Scopus Science

Direct

IEEE Explore

Google Scholar

Bảng 1: Thống kê các kết quả tìm kiếm

Những bài báo chỉ đề cập đến IoT như một công nghệ mới trong lĩnh vực an toàn thực phẩm hay sự tiến hóa của IoT thí dụ như những bài báo tổng hợp kiến thức nói chung thì sẽ không được tính là có nội dung liên quan

Sau khi áp dụng các phân loại như trên thì số lượng bài báo có nội dung thực sự liên quan là 48 và được sử dụng cho việc nghiên cứu viết ra bài báo này Như ta thấy trong bảng 1 thì đa số các bài báo đến từ Scopus, sau đó là Google Scholar Science Direct chỉ có 1 bài và IEEE Explore không có bài báo nào có nội dung liên quan

2.2 Mạng lưới Bibliometric

Các bài báo liên quan được phân tích sử dụng mạng lưới Bibliometric

Ví dụ như phân tích đồng tác giả, phân tích trích dẫn hay phân tích đồng trích dẫn Trong nghiên cứu này, các mạng lưới được hình ảnh hóa để dễ hình dung hơn, sử dụng VOSviewer Phần mềm VOSviewer là phần mềm miễn phí có các chức năng cơ bản cần thiết cho các phân tích đã nêu trên Hình ảnh hóa các mạng lưới đã được chứng minh là một cách tiếp cận hiệu quả để phân tích các mạng lưới bibliometric đa

Chương 3 IOT trong tìm kiếm tài liệu về an toàn thực phẩm

3.1 Năm xuất bản

Như thể hiện trong Hình 2, ấn phẩm đầu tiên về IoT trong an toàn thực phẩm xuất hiện vào năm 2011 và số lượng bài báo tăng lên nhanh chóng với mức đỉnh vào năm 2016 (11 bài) Số lượng bài báo xuất bản năm 2018 là 9 bài

Hình 2: Các bài báo xuất bản về IoT trong an toàn thực phẩm mỗi năm

3.2 Các mặt hàng thực phẩm và quốc gia xuất bản

Phần lớn các bài báo về IoT có liên quan đến thực phẩm nói chung (N = 16), tiếp theo là thịt (N = 7), sản phẩm dây chuyền lạnh (N = 5) và nông sản (N

= 4) Các bài báo về thực phẩm và nông nghiệp không chỉ định cụ thể hàng hóa thực phẩm nhưng các bài báo về thịt có chỉ ra thịt bò, thịt lợn, cừu và xúc xích Các mặt hàng thực phẩm được nghiên cứu trong các bài báo khác là sữa, cá, dưa chuột đồng ruộng, tươi các sản phẩm thực phẩm, thực phẩm đóng gói sẵn, hải sản và rượu Phân tích quốc gia cư trú của viện nghiên cứu (chủ yếu là các trường đại học) của các tác giả đã công bố về IoT trong an toàn thực phẩm Phát hiện nổi bật là sự thống trị của các trường đại học Trung Quốc (N = 23), tiếp theo là Đài Loan (N = 3), Ấn Độ (N = 3) Ý (N = 3), một số quốc gia có 2 bài báo (ví dụ: Vương quốc Anh, Thụy Điển, Tây Ban Nha, Pháp và Áo) và một số lượng lớn (tức là N = 17) quốc gia chỉ có một bài báo được xuất bản.

9

3.3 IoT trong mạng lưới thư mục an toàn thực phẩm

3.3.1 Hình ảnh hóa mạng và lớp phủ cho các tác giả

Hình 3 cho thấy hình ảnh trực quan của mạng lưới về sự đồng xuất hiện của các tác giả, trong phạm vi tất cả các bài báo được thu thập về đề tài IoT để phục vụ cho nghiên cứu này Mỗi vòng tròn trong hình đại diện cho tên của một tác giả Kích thước của vòng tròn có liên quan đến số lượng bài báo của mỗi tác giả đã xuất bản về chủ đề này Nói chung, vị trí của vòng tròn đại diện cho các tác giả càng gần, thì các tác giả càng có nhiều liên quan với nhau dựa trên sự ghép nối thư mục Hình ảnh trực quan hóa của mạng lưới các tác giả cho thấy sáu cụm tác giả liên quan chặt chẽ, bao gồm các nhà nghiên cứu về khoa học và công nghệ thông tin từ Đại học Fudan ở Thượng Hải (cụm màu vàng), các nhà nghiên cứu phát triển phần mềm từ cùng một trường đại học (cụm màu tím và màu trắng), và các nhà nghiên cứu về công nghệ và cảm biến từ cùng một trường đại học (màu đỏ và màu xanh lá) Hình ảnh hóa lớp phủ cho các tác giả có sẵn trong trong phần bổ sung

Hình 3: Trực quan hóa mối liên hệ của các tác giả

3.3.2 Trực quan hóa tần suất xuất hiện của nội dung

Hình 4 cho thấy hình ảnh trực quan của mạng lưới thể hiện sự đồng thời xuất hiện của nội dung Trong Hình 3, mỗi vòng tròn đại diện cho một từ khóa Các kích

thước của một vòng tròn cho biết số lượng ấn phẩm có thuật ngữ tương ứng trong các

từ khóa của chúng Các thuật ngữ cùng xảy ra thường có xu hướng nằm gần nhau trong hình ảnh trực quan Trong trường hợp này, các từ khóa được nhóm thành tám cụm, trong đó bốn cụm có kích thước lớn

Cụm màu xanh lá cây bao gồm các thuật ngữ liên quan đến công nghệ IoT, an toàn thực phẩm và chuỗi cung ứng thực phẩm Cụm màu đỏ bao gồm RFID, IoT và điều khoản truy xuất nguồn gốc Cụm màu vàng có liên quan nhiều hơn đến dây chuyền lạnh, cảm biến không dây và chất thải thực phẩm trong khi cụm màu xanh lam tập trung hơn về HACCP, chuỗi cung ứng và blockchain Hình ảnh hóa lớp phủ cho

Nội dung có sẵn bổ sung

Hình 4: Hình ảnh trực quan mạng lưới các bài báo