Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thông không dây trong trang trại sử dụng công nghệ IOT

NỘI DUNG CỦA BẢN LUẬN VĂN ĐƯỢC CHIA LÀM 3 CHƯƠNGChương 1: Tổng quan về IOT và các chuẩn truyền thông Chương 2: Nghiên cứu phương pháp truyền thông không dây trong IOTChương 3: Xây dựng h

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM THỊ TIÊM

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY

TRONG TRANG TRẠI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT

Luận văn thạc sỹ kỹ thuật điều khiển tự động hóa

Thái Nguyên - 2020

MỤC LỤC

Trang phụ bìa

Lời cam đoan

Mục lục ……… ……… …….… …….i

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt……… iv

Danh mục các bảng……… ……….v

Danh mục các hình vẽ (hình vẽ, ảnh chụp, đồ thị, v.v)……… ……… vi

Mở đầu……… ………1

Nội dung……… ……… …… 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG 3

1.1 IOT và các chuẩn truyền thông không dây 3

1.1.1 Bluetooth 3

1.1.2 Zigbee 4

1.1.3 Wifi 5

1.1.4 Lora 6

1.1.5 Z-ware 7

1.1.6 6LoWPAN 8

1.1.7 Thread 9

1.1.8 Cellular 10

1.1.9 NFC 11

1.1.10 Sigfox 12

1.1.11 LIFI 15

1.2 Một số hệ thống truyền thông đang sử dụng trong nông nghiệp 17

1.2.1 Tình hình ngoài nước 17

1.2.2 Tình hình trong nước 20

1.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền thông trong nông nghiệp 23

1.4 Các chức năng của ứng dụng IOT 28

1.4.1 Chức năng quản lý thiết bị IoT (Device Management) 28

1.4.2 Chức năng quản lý người dùng (User Management) 29

1.4.3 Chức năng Giám sát an ninh – bảo mật 29

1.5 Kết luận chương 1 30

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY TRONG IOT 31

2.1 Các yêu cầu kĩ thuật 31

2.2 Chuẩn truyền thông không dây Lora 32

2.2.1 Tổng quan về chuẩn Lora 32

2.2.2 Công nghệ lora loại bỏ các giới hạn của IOT 33

2.2.3 Ứng dụng của lora trong nông nghiệp thông minh 33

2.2.4 Lợi ích chính của công nghệ lora cho nông nghiệp thông minh 34

2.3 Mạng GPRS 35

2.4 Phương pháp mã hóa, bảo toàn dữ liệu 39

2.4.1 Bảo mật đối với các thiết bị IOT 39

2.4.2 Xác thực thiết bị và hệ thống máy chủ 40

2.4.3 Thuật toán mã hóa 41

2.5 Thingsboard và ứng dụng 42

2.5.1 Tổng quan về Thingsboard 42

2.5.2 Các tính năng của Thingsboard 44

2.6 Kết luận chương 2 46

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG KHÔNG DÂY TRONG TRANG TRẠI SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ IOT 47

3.1 Mô tả bài toán 47

3.2 Sơ đồ khối hệ thống 47

3.3 Nguyên lý hoạt động 50

3.3.1 Nguyên lý hoạt động của Module Điều khiển và giám sát 50

3.3.2 Nguyên lý hoạt động của Module truyền thông 51

3.4 Mạch nguyên lý 53

3.4.1 Mạch nguyên lý module điều khiển và giám sát 53

3.4.2 Mạch nguyên lý module truyền thông 54

3.5 Lưu đồ thuật toán 55

3.5.1 Lưu đồ thuật toán Module truyền thông 55

3.5.2 Lưu đồ thuật toán module điều khiển, giám sát 56

3.6 Giao diện ThingsBoard 56

3.7 Kết quả đạt được 58

3.7.1 Kết quả thiết kế trên phần mềm 58

3.7.2 Kết quả thực nghiệm 59

3.8 Kết luận chương 3 62

KẾT LUẬN 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

- BLE (Bluetooth Low Energy): bluetooth năng lượng thấp

- IOT (Internet Of Thing): mạng lưới thiết bị kết nối với internet

- MQTT (Message Queuing Telemetry Transport): giao thức dạng gửi

- M2M (Machine to Machine): tương tác giữa máy với máy

- NFC (Near Filed Communicatinons): công nghệ kết nối không dây

- PC (Personal Computer): máy tính cá nhân

- POE (Power Over Ethernet): cấp nguồn qua cáp internet

- RF (Radio Frequency): tần số radio

- SMS (Short Messaging Service): dịch vụ tin nhắn ngắn

- URL (Uniform Resource Locator): đường dẫn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 3.1: Bảng các tin nhắn được quy ước………53

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Mô hình trang trại thông minh sử dụng trên sa mạc 19

Hình 1.2: Mô hình trang trại trong nhà kính ở Nhật Bản 20

Hình 1.3: Công nghệ tưới thông minh .20

Hình 1.4: Mô hình trang trại thông minh Delco Farm ở Bắc Ninh 23

Hình 1.5: Kiến trúc tổng quát của một ứng dụng IoT 25

Hình 1.6: Phân tích Data với IoT 27

Hình 1.7: Mobile App IoT 29

Hình 3.1 Sơ đồ khối toàn hệ thống 47

Hình 3.2 Sơ đồ khối Module điều khiển và giám sát 48

Hình 3.3 Sơ đồ khối khối truyền thông 49

Hình 3.4 Mạch nguyên lý module điều khiển và giám sát 53

Hình 3.5 Mạch nguyên lý module truyền thông .54

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán module truyền thông 55

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán module điều khiển và giám sát .56

Hình 3.8 Tạo mới một device 57

Hình 3.9 Giao diện giám sát trên Thingsboard .57

Hình 3.10 Module truyền thông thiết kế trên phần mềm 58

Hình 3.11 Module điều khiển và giám sát thiết kế trên phần mềm 59

Hình 3.12 Module truyền thông sau khi hoàn thiện 60

Hình 3.13 Module điều khiển và giám sát sau khi hoàn thiện 60

Hình 3.14 Hệ thống đang hoạt động thử nghiệm 61 Hình 3.15: Màn hình giám sát nhiệt độ và độ ẩm trên trang web 61

LỜI MỞ ĐẦU

Ngành nông nghiệp vốn được biết đến với việc phụ thuộc nhiều vào kinhnghiệm của người làm nông, thách thức lớn trong việc tìm kiếm những phươngthức tốt hơn để gia tăng hiệu quả chăn nuôi trồng trọt Trong thời đại công nghiệp4.0, cách được coi là tối ưu và cũng là xu hướng không thể thay thế nhất chính là

áp dụng công nghệ mới vào hoạt động sản xuất, canh tác IoT sẽ biến nông nghiệp

từ một lĩnh vực sản xuất định tính thành một lĩnh vực sản xuất chính xác dựa vàonhững số liệu thu thập, tổng hợp và phân tích thống kê

Nước ta là nước có bề dày trong sản xuất nông nghiệp vì vậy sẽ là mảnhđất đầy tiềm năng cho các doanh nghiệp công nghệ Hiện có không ít các nhà đầu

tư đã và đang nghiên cứu phát triển đưa IoT vào trong sản xuất nông nghiệp

Nông nghiệp Việt Nam có nhiều lợi thế, tuy nhiên chủ yếu nằm ở quy môsản xuất nhỏ dựa vào kinh tế hộ gia đình, năng suất lao động còn thấp Vì vậy,ứng dụng công nghệ thông tin trong nông nghiệp sẽ tạo cơ hội lớn cho các hộnông dân trở thành một doanh nghiệp có năng suất và giá trị vượt trội cùng vớichất lượng cuộc sống ngày càng tốt hơn

Sau hơn hai năm học tập tại trường Đại học Công nghệ thông tin vàTruyền thông, tôi đã được đào tạo và tiếp thu được những kiến thức hiện đại, tiêntiến trong lĩnh vực tự động hóa Trước khi tốt nghiệp cao học, tôi nhận được đề

tài: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thông không dây trong trang trại

sử dụng công nghệ IoT”.

NỘI DUNG CỦA BẢN LUẬN VĂN ĐƯỢC CHIA LÀM 3 CHƯƠNG

Chương 1: Tổng quan về IOT và các chuẩn truyền thông

Chương 2: Nghiên cứu phương pháp truyền thông không dây trong IOTChương 3: Xây dựng hệ thống truyền thông không dây trong trang trại sử dụng

công nghệ IOT

Với thời gian và kiến thức có hạn, luận văn không thể tránh khỏi sai sót Rất mong được sự góp ý của các thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2020

Tác giả luận văn

Phạm Thị Tiêm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ IOT VÀ CÁC CHUẨN TRUYỀN THÔNG 1.1 IOT và các chuẩn truyền thông không dây

1.1.1 Bluetooth

Một công nghệ giao tiếp truyền thông trong khoảng cách ngắn vô cùng quantrọng, đó là Bluetooth Hiện nay, bluetooth xuất hiện hầu hết ở các thiết bị như máytính, điện thoại/ smartphone,….và nó được dự kiến là chìa khóa cho các sản phẩmIoT đặc biệt, cho phép giao tiếp thiết bị với các smartphone – một “thế lực hùnghậu” hiện nay

Hiện nay, BLE – Bluetooth Low Energy – hoặc Bluethooth Smart là một giaothức được sử dụng đáng kể cho các ứng dụng IoT Quan trọng hơn, cùng với mộtkhoảng cách truyền tương tự như Bluetooth, BLE được thiết kế để tiêu thụ công suất

ít hơn rất nhiều

Tuy nhiên, BLE không thực sự được thiết kế cho các ứng dụng dùng đểtruyền file và sẽ phù hợp hơn cho khối dữ liệu nhỏ Nó có một lợi thế vô cùng lớntrong bối cảnh hiện nay, smartphone đang là thiết bị không thể thiếu được của mỗingười Theo Bluetooth SIG, hiện có hơn 90% điện thoại smartphone được nhúngBluetooth, bao gồm các hệ điều hành IOS, Android và Window, và dự kiến đếnnăm 2018 sẽ là ” Smart Ready”

Một số thông tin kỹ thuật về Bluetooth 4.2:

Zigbee / RF4CE có một lợi thế đáng kể trong các hệ thống phức tạp cần cácđiều kiện: tiêu thụ công suất thấp, tính bảo mật cao, khả năng mở rộng số lượng cácnode cao…ví dụ như yêu cầu của các ứng dụng M2M và IoT là điển hình Phiên bảnmới nhất của Zigbee là 3.0, trong đó điểm nổi bật là sự hợp nhất của các tiêu chuẩnZigbee khác nhau thành một tiêu chuẩn duy nhất Ví dụ, sản phẩm và kit phát triểncủa Zigbee của TI là CC2538SF53RTQT Zigbee System-On-Chip T và CC2538Zigbee Development Kit.

Các sóng vô tuyến sử dụng cho WiFi gần giống với các sóng vô tuyến sửdụng cho thiết bị cầm tay, điện thoại di động và các thiết bị khác Nó có thể chuyển

và nhận sóng vô tuyến, chuyển đổi các mã nhị phân 1 và 0 sang sóng vô tuyến

và ngược lại Tuy nhiên, sóng WiFi có một số khác biệt so với các sóng vôtuyến khác ở

chỗ: Chúng truyền và phát tín hiệu ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz Tần số này cao hơn so với các tần số sử dụng cho điện thoại di động, các thiết bị cầm tay và truyền hình

Tần số cao hơn cho phép tín hiệu mang theo nhiều dữ liệu hơn

Hiện nay, đa số các thiết bị wifi đều tuân theo chuẩn 802.11n, được phát ở tần số2.4Ghz và đạt tốc độ xử lý tối đa 300Megabit/giây

Nguyên lý hoạt động của LoRa:

LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum Có thể hiểunôm na nguyên lý này là dữ liệu sẽ được băm bằng các xung cao tần để tạo ra tínhiệu có dãy tần số cao hơn tần số của dữ liệu gốc (cái này gọi là chipped); sau đó tínhiệu

cao tần này tiếp tục được mã hoá theo các chuỗi chirp signal (là các tín hiệu hình sin

có tần số thay đổi theo thời gian; có 2 loại chirp signal là up-chirp có tần số tăngtheo thời gian và down-chirp có tần số giảm theo thời gian; và việc mã hoá theonguyên tắc bit 1 sẽ sử dụng up-chirp, và bit 0 sẽ sử dụng down-chirp) trước khitruyền ra

anten để gửi đi

Theo Semtech công bố thì nguyên lý này giúp giảm độ phức tạp và độ chínhxác cần thiết của mạch nhận để có thể giải mã và điều chế lại dữ liệu; hơn nữa LoRakhông cần công suất phát lớn mà vẫn có thể truyền xa vì tín hiệu Lora có thể đượcnhận ở khoảng cách xa ngay cả độ mạnh tín hiệu thấp hơn cả nhiễu môi trường xungquanh

Băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khácnhau trên thế giới:

Ưu điểm của Z-Wave là tiêu thụ năng lượng cực ít và độ mở ( open platform)cực cao Hiện nay, Z-Wave được ứng dụng chủ yếu trong ứng dụng smarthome Đặcbiệt, mỗi thiết bị Z-Wave trong hệ thống là một thiết bị có thể vừa thu và vừa phátsóng nên tính ổn định hệ thống được nâng cao.

Đặc biệt, Z-Wave đã được nhiều nhà sản xuất thiết bị tích hợp vào, đây là mộtcông nghệ đang được chú ý và các nhà sản xuất đang tập trung nhiều hơn vào nó

Thông số kỹ thuật cơ bản:

Điểm khác của 6LoWPAN so với Zigbee, Bluetooth là: Zigbee hay bluetooth

là các giao thức ứng dụng, còn 6LoWPAN là giao thức mạng, cho phép quy định cơchế đóng gói bản tin và nén header Đặc biệt, IPv6 là sự kế thừa của IPv4 và cungcấp khoảng 5 x 1028 địa chỉ cho tất cả mọi đối tượng trên thế giới, cho phép mỗi đốitượng là một địa chỉ IP xác định để kết nối với Internet

Được thiết kế để gửi các bản tin IPv6 qua mạng IEEE802.15.4 và các tiêu chuẩn IP

mở rộng như: TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT và Websocket, là các tiêu chuẩncung cấp nodes end-to-end, cho phép các router kết nối mạng tới các IP

(2.4GHz) hoặc ZigBee hoặc RF công suất thấp(sub-1GHz)

Được ra mắt vào giữa năm 2014 bởi Theard Group, giao thức Thread dựa trên cáctiêu chuẩn khác nhau, bao gồm IEEE802.15.4, IPv6 và 6LoWPAN, và cung cấp mộtgiải pháp dựa trên nền tảng IP cho các ứng dụng IoT Được thiết kế để làm việc với

các sản phẩm chip của Freescale và Silicon Labs ( vốn hỗ trợ chuẩn IEÊ802.15.4),đặc biệt có khả năng xử lý lên đến 250 nút với độ xác thực và tính mã hóa cao Vớimột bản phần mềm upgrade đơn giản, cho phép người dùng có thể chạy Theard trêncác thiết bị hỗ trợ IEEE802.15.4 hiện nay.

Hiện nay, các thiết bị/các điểm đầu cuối trong công nghiệp đều được hỗ trợ tích hợpcác cổng giao tiếp vật lý theo chuẩn như: RS232, RS485, RS422 hay Ethernet Cácphương tiện truyền thông qua mạng di động đều hỗ trợ đầu vào là các cổng Serialhay

Ethernet nên việc tích hợp giải pháp truyền thông không dây không còn khó khăn hay bị giới hạn bởi yếu tố khách quan nào khác.

o Tiêu chuẩn: GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)

o Tần số: 900/1800/1900/2100MHz

o Phạm vi: tối đa 35km cho GSM; 200km cho HSPA

o Tốc độ dữ liệu (tải xuống thông thường): 35-170kps (GPRS), 384kbps (EDGE), 384Kbps-2Mbps (UMTS), 600kbps-10Mbps(HSPA), 3-10Mbps (LTE)

120-1.1.9 NFC

Đây là một giao thức truyền thông tương đối "lạ" đối với các kỹ sư giải pháp/ thiết kế NFC (Near-Field Communications) là công ngh "lạ" đối với các kỹ sư giải pháp/ thiết kế.ới hạn bởi yếu tố khách quan nào khác.RS232, RS485, RS422 hay để thực hiện kết nối giữa các thiết bị (smartphone, tablet, loa, tai nghe …) khi có sự tiếp xúc trực tiếp (chạm)

Khi hai thiết bị đều có kết nối NFC, bạn có thể chạm chúng vào nhau để kíchhoạt tính năng này và nhanh chóng truyền tập tin gồm danh bạ, nhạc, hình ảnh,video, ứng dụng hoặc địa chỉ website Ở các nước phát triển, NFC còn được xem làchiếc ví điện tử khi có thể thanh toán trực tuyến, tiện lợi và nhanh chóng

Ngoài việc giúp truyền tải dữ liệu như trên thì NFC còn mở rộng với nhữngcông dụng ví dụ như bạn đến quán café có một thẻ NFC để trên bàn, trong thẻ nàyđã

cài đặt sẵn wifi, thông tin của quán…lúc này bạn lấy chiếc điện thoại chạm vàoNFC này thì máy sẽ bật tất cả tính năng được cài sẵn trong thẻ đó mà không cầnphải nhờ gọi nhân viên Hoặc tiên tiến hơn thì sau này có thể khi mua đồ trong siêuthị lớn thì quẹt NFC của điện thoại để thanh toán tiền luôn.

Ý tưởng ra đời của Sigfox được hình thành từ nhu cầu: Đối với các ứng dụngM2M sử dụng nguồn bằng Pin và chỉ đòi hỏi tốc độ truyền dữ liệu thấp thì phạm vitruyền của i f i lạiW quá ngắn, còn với mạ ng d i động thì lại quá đắt đỏ và tốnnăng

lượng Với công nghệ UNB, và được thiết kế để chỉ xử lý đường truyền dữ liệu từ

10 đến 1000 bit trên giây, giúp chỉ tiêu thụ mức năng lượng 50 microwatts so với

5000 microwatts của việc dùng mạng điện thoại di động Hay đơn giản, với mộtcục pin

2,5Ah thì với công nghệ Sigfox cho phép bạn dùng tới 25 năm thay vì 0,2 năm nếudùng truyền thông qua mạng điện thoại di động

1.1.5 Neul

Tương tự Sigfox và hoạt động ở băng tần 1Ghz, với mục tiêu cung cấp mộtmạng không dây có chi phí thấp với các đặc trưng tiêu biểu: độ mở rộng cao, phủsóng cao và tiêu thụ năng lượng cực thấp Neul sử dụng chip Iceni, mà trong truyềnthông sử dụng "the white space radio" để truy cập vào băng tần UHF chất lượng caohiện đang có sẵn do sự chuyển đổi từ kỹ thuật ti vi tương tự sang kỹ thuật số Côngnghệ truyền thông được gọi là "Weightless", tức là một công nghệ mạng không dâyphủ trên diện rộng, được thiết kế cho các ứng dụng Iot, cạnh tranh trực tiếp với cácgiải pháp đang có sẵn như GPRS, 3G, CDMA và LTE WAN Tốc độ truyền dữ liệu

có thể dao động từ vài bits trên giây tới 100kbps trên cùng một liên kết, và đặc biệt

là với công nghệ này, thiết bị có thể tiêu thụ công suất rất nhỏ, từ 20 tới 30mA từpin

2xÂ, tức là có thể sử dụng đươc từ 10 đến 15 năm với cục pin

Thông số kỹ thuật

Tiêu chuẩn: Neul

Dải tần: 900MHz (ISM), 458MHz (UK), 470-790MHz (White Space)

Khoảng cách: 10Km

Tốc độ truyền: từ vài bps tới 100kbps

1.1.11 LIFI

LIFI là một công nghệ không dây sử dụng các bóng đèn LED để truyền dữliệu với tốc độ nhanh hơn Wifi tới 100 lần Như vậy, với bóng đèn LED với chứcnăng thắp sáng, giờ có thêm chức năng truyền dữ liệu tốc độ cao Công ty Velmenni

đã có vài dự án thí điểm, trong đó có tạo một không gian mạng ko dây trong vănphòng, sử dụng ánh sáng đèn LED thay vì dùng sóng radio để truyền dữ liệu nhưcủa Wi-Fi CEO của Velmenni, Deepak Solanki, hồi giữa năm 2015 cho rằng công

ty hy vọng sẽ mang sản phẩm này đến được với nhiều người sử dụng trong vòng

3-4 năm tới Công nghệ đột phá này được công ty đặt cho cái tên là Li-Fi, lần đầuđược một giáo sư đại học Edinburgh, giáo sư Harald Haas, giới thiệu cách nay 4năm

Li-Fi sử dụng dải tần ánh sáng mà mắt người nhìn thấy được để làm phươngtiện truyền dữ liệu Tuy vậy, người dùng không thể sử dụng bất kỳ nguồn ánh sángđèn điện nào mà phải cần một nguồn sáng riêng để điều biến tín hiệu, tạo thànhluồng dữ liệu

Hiện thời, tính năng này chỉ thực hiện được với các bóng đèn LED đạt chuẩn,

có tích hợp một chip đặc biệt và có thêm một bộ nhận tín hiệu ánh sáng đặc biệt để

có thể giải mã được tín hiệu ánh sáng truyền đi từ đèn LED

Kỹ thuật điều biến ánh sáng không ảnh hưởng gì đến sức khỏe con người, nhất

là về mắt Giáo sư Haas giới thiệu công nghệ này tại diễn đàn TED Global hồi năm

2011, cho rằng chúng ta thậm chí có thể giảm độ sáng của đèn thật thấp đến mức gần như là tắt, nhưng tín hiệu truyền dữ liệu vẫn hoạt động như thường

Năm 2011, Haas đã trình diễn mẫu thiết bị của ông trên bục diễn thuyết củaTED Từ đó, ông đồng sáng lập ra công ty khởi nghiệp pureLiFi và sản xuất đượchai sản phẩm truyền dữ liệu bằng ánh sáng Nếu Li-Fi được ứng dụng rộng rãi, côngnghệ này có thể giải quyết được một số rắc rối mà Wi-Fi gặp phải hiện nay Ngoàitốc độ kết nối, sóng radio phải có đủ dải tần để nhiều thiết bị cùng kết nối một lúc.Với Li- Fi thì không gặp khó khăn này vì dải tần ánh sáng lớn hơn gấp 10.000 lần sovới dải tần radio

Trong khi Li-Fi tỏ ra đầy tiềm năng nhưng nó cũng có những hạn chế nhấtđịnh, quan trọng nhất là ánh sáng không thể đi xuyên tường được như sóng radio,nghĩa là thiết bị phải ở đâu nhìn thấy được Hơn nữa, để chắn sóng Li-Fi, ngườidùng đơn giản chỉ cần bịt bóng đèn lại là dữ liệu gặp rắc rối ngay lập tức Li-Fi cũngkhông

hoạt động được ngoài trời nắng vì ánh sáng đèn LED không thể sáng hơn được ánh mặt trời.

1.2 Một số hệ thống truyền thông đang sử dụng trong nông nghiệp.

1.2.1 Tình hình ngoài nước

Từ những năm giữa thế kỷ XX, các nước phát triển đã quan tâm đến việc xâydựng các khu nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao nhằm thúc đẩy sáng tạo khoahọc công nghệ giúp cho kinh tế phát triển Đầu những năm 80, tại Hoa Kỳ đã có hơn

100 khu khoa học công nghệ Ở Anh, đến năm 1988 đã có 38 khu vườn khoa họccông nghệ với sự tham gia của hơn 800 doanh nghiệp Phần Lan đến năm 1996 đã

có 9 khu khoa học nông nghiệp công nghệ cao Phần lớn các khu này đều phân bốtại nơi tập trung các trường đại học, viện nghiên cứu để nhanh chóng ứng dụngnhững thành tựu khoa học công nghệ mới và kết hợp với kinh nghiệm kinh doanhcủa các doanh nghiệp để hình thành nên một khu khoa học với các chức năng cảnghiên cứu ứng dụng, sản xuất, tiêu thụ và dịch vụ Năm 2015, 98% nông dân Pháp

sử dụng Internet để phục vụ công việc nhà nông, nhờ cập nhật thông tin thời tiết,tình hình sản xuất nông nghiệp, biến động của thị trường nông sản, thực hiện cácgiao dịch ngân hàng qua mạng Hiện nay, châu Âu đặc biệt khuyến khích xu hướng

áp dụng công nghệ cao trong nông nghiệp với chương trình Chính sách nông nghiệpchung Tuy nhiên, so với người làm nông bên kia bờ Đại Tây Dương (Mỹ, Canada),việc ứng dụng Internet tại châu Âu còn hạn chế, đắt đỏ và chưa thực sự phổ cập.Ngoài ra, các nguyên nhân nhờ hạ tầng cơ sở kém, độ tuổi nông dân tại châu Âu khácao (chỉ có 6% nông dân châu Âu ở độ tuổi dưới 35) dẫn tới hạn chế khả năng ứngdụng công nghệ vào sản xuất nông nghiệp Trong tương lai, châu Âu sẽ tiếp tục pháttriển hạ tầng kỹ thuật số, khi nhiều thanh niên bày tỏ họ sẵn sàng làm công việc nhànông, nhưng không phải với điều kiện những năm 90 của thế kỷ trước Trong năm

2020, Liên minh châu Âu (EU) hy vọng toàn bộ các gia đình châu Âu được kết nốiInternet với tốc độ đường truyền tối thiểu là 30 MB/giây Ngoài ra, vấn đề đào tạonông dân tiếp cận các công cụ kỹ thuật số nhằm phục vụ hiện đại hóa các trang trại,tạo thêm việc làm và thành

lập mới các doanh nghiệp tại khu vực nông thôn, cũng đang được lưu tâm Bên cạnhcác nước tiên tiến, nhiều nước và khu vực lãnh thổ ở châu Á cũng đã chuyển nềnnông nghiệp theo hướng số lượng là chủ yếu sang nền nông nghiệp chất lượng cao,ứng dụng công nghệ sinh học, công nghệ tự động hoá, cơ giới hoá, tin học hoá đểtạo ra sản phẩm có chất lượng cao, an toàn, hiệu quả Tiêu biểu nhờ các nước thuộckhu vực Đông Á và Đông Nam Á như Trung Quốc, Đài Loan, Thái Lan… Đặc biệt,

từ những năm 1990, Trung Quốc đã rất chú trọng phát triển các khu nông nghiệpcông nghệ cao, đến nay đã hình thành hơn 405 khu , trong đó có 1 khu cấp quốcgia, 42 khu cấp tỉnh và 362 khu cấp thành phố Ngoài ra, còn hàng ngàn cơ sở ứngdụng công nghệ cao trên khắp đất nước Những khu này đóng vai trò quan trọngtrong việc phát triển nền nông nghiệp hiện đại của Trung Quốc Sản xuất tại các khunông nghiệp công nghệ cao đạt năng suất kỷ lục Ví dụ như Israel năng suất cà chuađạt 250 – 300 tấn/ha, đạt 100 – 150 tấn/ha, hoa cắt cành 1,5 triệu cành/ha… đã tạo

ra 6 giá trị sản lượng bình quân 120.000 – 150.000 USD/ha/năm Riêng ở TrungQuốc đạt giá trị sản lượng bình quân 40.000 – 50.000 USD/ha/năm, gấp 40 - 50 lần

so với các mô hình trước đó Chính vì vậy, sản xuất nông nghiệp theo hướng ứngdụng công nghệ cao và sự phát triển các khu nông nghiệp công nghệ cao đã và đangtrở thành mẫu hình cho nền nông nghiệp tri thức thế kỷ XXI Sản xuất mô hìnhtrang trại áp dụng khoa học kỹ thuật hay công nghệ cao đã được các quốc gia trênthế giới phát triển ứng dụng và thực hiện rất thành công như: - Mô hình trang trạithông minh ở Quatar xây dựng trên sa mạc với những thiết bị cảm ứng trong môhình sẽ phân tích dữ liệu thu thập được để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm, lượng nướccung cấp dinh dưỡng cho cay trồng, thông gió, tạo môi trường tốt nhất cho cây

Hình 1.1: Mô hình trang trại thông minh xây dựng trên sa mạc

Mô hình trang trại trong nhà kính ở Nhật Bản áp dụng công nghệ điều chỉnh cácthông số của môi trường nên không bị ảnh hưởng của thời tiết mang lại năng suấtcao

Hình 1.2: Mô hình trang trại trong nhà kính ở Nhật Bản

Đặc biệt là ở Israel một đất nước không dược thiên nhiên ủng hộ để phát triểnnông nghiệp nhưng chính vì lý do đó mà phát triển khoa học công nghệ trongnông nghiệp là hết sức cần thiết và đã thành công với nhiều mô hình mà phải kểđến là công nghệ sản xuất nhà màng và tưới thông minh.

Hình 1.3: Công nghệ tưới thông minh

1.2.2 Tình hình trong nước

Theo Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, hiện cả nước có khoảng 4.000doanh nghiệp đầu tư trong lĩnh vực nông nghiệp trong tổng số 600.000 doanhnghiệp hiện có Với số lượng doanh nghiệp đầu tư vào nông nghiệp còn quá ít thìviệc tham gia của các doanh nghiệp vào ngành được kỳ vọng sẽ mở ra “chươngmới” cho nền sản xuất nông nghiệp Việt Nam trong thời gian tới Sản xuất theo

mô hình trang trại nói riêng hay ngành nông nghiệp nói chung là ngành truyềnthống của nước ta thế nhưng không phát triển một cách mạnh mẽ bởi vì sản xuấttheo mô hình truyền thống, chúng ta còn gặp phải rất nhiều hạn chế, hiệu quảkhông cao Việc áp dụng công nghệ thông minh hay công nghệ cao sẽ là mộthướng đi mới mang lại “làn gió mới” cho ngành nông nghiệp nước nhà Mặc dù

chủ yếu sản xuất nông nghiệp theo mô hình truyền thống là nhiều nhưng bêncạnh đó vẫn có những nơi đã đưa công nghệ cao vào trong mô hình trang trạinhư: - Nông trường thông minh tại Hội An áp dụng nhiều công nghệ thông minhđược nhập khẩu từ nước ngoài.

Chuỗi cung ứng khép kín công nghệ cao tại Nghệ An với mô hình trồng rautrong nhà kính áp dụng nhiều công nghệ

- Trang trại nuôi bò công nghệ cao ở Thanh Hóa với nhiều công nghệ áp dụng như

cho ăn tự động, máy vắt sữa tự động, …

Hình 1.4: Mô hình trang trại thông minh Delco Farm ở Bắc Ninh được quản lý bằng phần mềm máy tính được gửi dữ liệu về từ các cảm biến

Nông nghiệp công nghệ cao đang trở thành lĩnh vực được nhiều sự quan tâm

về thu hút vốn đầu tư ở hiện tại và trong tương lai Qua đây chúng ta thấy ngànhnông nghiệp nước ta đã áp dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất nông nghiệp vớimong muốn có hiệu quả kinh tế cao hơn

1.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống truyền thông trong nông nghiệp

Cách tiếp cận của kiến trúc IoT đ ược phản ánh trong sơ đồ kiến trúc I oT d ướicho thấy các khối xây dựng của hệ thống IoT v à cách chúng được kết nối để thuthập, lưu trữ và xử lý dữ liệu

Hình 1.5: Kiến trúc tổng quát của một ứng dụng IoTMột ứng dụng Iot gồm nhiều thành phần Mỗi thành phần khác nhau là mộtvật thể được trang bị các cảm biến IoT thu thập dữ liệu sẽ được truyền qua mạng vàcác bộ truyền động cho phép mọi thứ hoạt động (ví dụ: bật hoặc tắt đèn, để mở hoặcđóng cửa, để tăng hoặc giảm tốc độ quay động cơ và nhiều hơn nữa).

Khái niệm này bao gồm tủ lạnh, đèn đường, tòa nhà, xe cộ, máy móc sảnxuất, thiết bị phục hồi chức năng và mọi thứ khác có thể tưởng tượng được Các cảmbiến không phải trong tất cả các trường hợp gắn liền với vật lý: các cảm biến có thểcần theo dõi, ví dụ, những gì xảy ra trong môi trường gần nhất với một vật

Cổng giao tiếp (Gateway) Dữ liệu đi từ vật lên cloud và ngược lại thông quacác cổng Cổng cung cấp khả năng kết nối giữa mọi thứ và phần cloud của giảipháp IoT, cho phép xử lý và lọc dữ liệu trước khi chuyển nó sang cloud (để giảmkhối lượng dữ liệu để xử lý và lưu trữ chi tiết) và truyền các lệnh điều khiển từ cloudsang vạn vật

Cổng cloud (Cloud Gateway) tạo điều kiện nén dữ liệu và truyền dữ liệu antoàn giữa các cổng trường và máy chủ IoT t rên cloud Nó cũng đảm bảo khả năngtương thích với các giao thức khác nhau và giao tiếp với các cổng trường sử dụngcác giao thức khác nhau tùy thuộc vào giao thức nào được hỗ trợ bởi các cổng.

Bộ xử lý dữ liệu trực tuyến đảm bảo chuyển đổi hiệu quả dữ liệu đầu vàosang hồ dữ liệu và các ứng dụng điều khiển Không có dữ liệu đôi khi có thể bị mấthoặc bị hỏng Hồ dữ liệu (Data Lake) được sử dụng để lưu trữ dữ liệu được tạo bởicác thiết bị được kết nối ở định dạng tự nhiên Dữ liệu lớn xuất hiện theo “đợt” hoặctrong luồng – Stream Khi dữ liệu là cần thiết cho những hiểu biết có ý nghĩa, nóđược trích xuất từ một hồ dữ liệu và được tải vào một kho dữ liệu lớn

Kho dữ liệu lớn (BigData warehouse) Dữ liệu được lọc và xử lý trước cầnthiết cho thông tin chi tiết có ý nghĩa được trích xuất từ hồ dữ liệu vào kho dữ liệulớn Kho dữ liệu lớn chỉ chứa dữ liệu được làm sạch, có cấu trúc và khớp (so với hồ

sơ dữ liệu chứa tất cả các loại dữ liệu được tạo bởi cảm biến) Ngoài ra, kho dữ liệulưu trữ thông tin ngữ cảnh về sự vật và cảm biến (ví dụ: nơi cài đặt cảm biến) và cácứng dụng điều khiển lệnh gửi đến vạn vật

Phân tích dữ liệu (Data Analytics) Các nhà phân tích dữ liệu có thể sử dụng

dữ liệu từ kho dữ liệu lớn để tìm xu hướng và đạt được những hiểu biết có thể hànhđộng Ví dụ, khi được phân tích (và trong nhiều trường hợp – được hiển thị trong sơ

đồ, sơ đồ, infographics), hiệu suất của các thiết bị, giúp xác định sự thiếu hiệu quả

và tìm ra cách cải thiện hệ thống IoT (l àm cho nó đáng tin cậy hơn, nhiều kháchhàng hơn- định hướng) Ngoài ra, các mối tương quan và các mẫu được tìm thấybằng tay

có thể góp phần hơn nữa vào việc tạo ra các thuật toán cho các ứng dụng điều khiển

Hình 1.6: Phân tích Data với IoT

Machine Learning và các mô hình Machine Learning có thể tạo ra các mô

hìnhchính xác và hiệu quả hơn cho các ứng dụng điều khiển Các mô hình được cập nhậtthường xuyên (ví dụ, một lần trong một tuần hoặc một lần trong tháng) dựa trên dữliệu lịch sử được tích lũy trong một kho dữ liệu lớn

Khi khả năng ứng dụng và hiệu quả của các mô hình mới được các nhà phântích dữ liệu kiểm tra và phê duyệt, các mô hình mới được sử dụng bởi các ứng dụngđiều khiển

Các ứng dụng điều khiển gửi lệnh tự động và cảnh báo đến các bộ truyền

Các lệnh được gửi bởi các ứng dụng điều khiển đến các bộ truyền động cũng

có thể được lưu trữ bổ sung trong một kho dữ liệu lớn Điều này có thể giúp điều tra các

trường hợp có vấn đề (ví dụ: ứng dụng điều khiển gửi lệnh, nhưng chúng khôngđược thực hiện bởi các bộ truyền động – sau đó cần phải kiểm tra kết nối, cổng và

bộ truyền động)

Mặt khác, việc lưu trữ các lệnh từ các ứng dụng điều khiển có thể góp phầnbảo mật, vì một hệ thống I oT có thể xác định rằng một số lệnh quá lạ hoặc có sốlượng quá lớn có thể chứng minh các vi phạm bảo mật (cũng như các vấn đề kháccần điều tra và biện pháp khắc phục)

Các ứng dụng điều khiển có thể dựa trên quy tắc hoặc dựa trên MachineLearning Trong trường hợp đầu tiên, các ứng dụng điều khiển hoạt động theo cácquy tắc được các chuyên gia đưa ra Trong trường hợp thứ hai, các ứng dụng điềukhiển đang sử dụng các mô hình được cập nhật thường xuyên (một lần một tuần,một lần một tháng tùy thuộc vào đặc thù của hệ thống IoT) với dữ liệu lịch sử đượclưu trữ trong kho dữ liệu lớn

Mặc dù các ứng dụng điều khiển IoT đ ảm bảo tự động hóa hệ thống tốt hơn,nhưng luôn có tùy chọn cho người dùng ảnh hưởng đến hành vi của các ứng dụng đó(ví dụ: trong trường hợp khẩn cấp hoặc khi hệ thống IoT bị điều chỉnh xấu để thựchiện một số hành động nhất định )

Ứng dụng người dùng là một thành phần phần mềm của hệ thống IoT cho phépkết nối người dùng với hệ thống I o T và cung cấp các tùy chọn để giám sát và kiểmsoát những thứ thông minh của họ (trong khi chúng được kết nối với mạng củanhững thứ tương tự, ví dụ như nhà hoặc ô tô và kiểm soát bởi một hệ thống trungtâm) Với ứng dụng di động hoặc web, người dùng có thể theo dõi trạng thái của đồvật, gửi lệnh để điều khiển ứng dụng, đặt tùy chọn hành vi tự động (thông báo vàhành động tự động khi dữ liệu nhất định đến từ cảm biến)

Hình 1.7: Mobile App IoT

1.4 Các chức năng của ứng dụng IOT

1.4.1 Chức năng quản lý thiết bị IoT (Device Management)

Để đảm bảo đủ chức năng của các thiết bị I o T, không đủ để cài đặt chúng và

để mọi thứ đi theo cách của chúng Có một số quy trình cần thiết để quản lý hiệusuất của các thiết bị được kết nối (tạo điều kiện cho sự tương tác giữa các thiết bị,đảm bảo truyền dữ liệu an toàn và hơn thế nữa):

Nhận dạng thiết bị để xác định danh tính của thiết bị để đảm bảo rằng đó làthiết bị chính hãng có phần mềm đáng tin cậy truyền dữ liệu đáng tin cậy

Cấu hình và điều khiển để điều chỉnh các thiết bị theo mục đích của hệ thốngIoT Một số thông số cần được ghi lại khi thiết bị được cài đặt (ví dụ: ID thiết bị duynhất) Các cài đặt khác có thể cần cập nhật (ví dụ: thời gian giữa khi gửi tin nhắn với

dữ liệu)

Theo dõi và chẩn đoán để đảm bảo hiệu suất trơn tru và an toàn của mọi thiết

bị trong mạng và giảm nguy cơ sự cố