Áp dụng khoa học công nghệ vào trong nông nghiệp có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp. Trong nghiên cứu này tác giả thực hiện phối hợp các công nghệ mới của lĩnh vực công nghệ thông tin như kết nối vạn vật (IoT), quản lý dữ liệu lớn (Big data), điện toán đám mây (Cloud computing) để tạo ra một hệ thống thông minh ứng dụng trong nông nghiệp, tạo điều kiện cho nông dân tăng thêm giá trị dưới dạng đưa ra được những quyết định khai thác, quản lý hiệu quả hơn.
Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 Kỷ yếu khoa học NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH Trần Nhật Nam*, Võ Duy Đồng Trường Cao đẳng Cơng Thương TP.HCM *Tác giả liên lạc: nhatnamcapos@gmail.com TĨM TẮT Áp dụng khoa học công nghệ vào nông nghiệp có ý nghĩa quan trọng việc nâng cao hiệu sản xuất nông nghiệp Trong nghiên cứu tác giả thực phối hợp công nghệ lĩnh vực công nghệ thông tin kết nối vạn vật (IoT), quản lý liệu lớn (Big data), điện toán đám mây (Cloud computing) để tạo hệ thống thông minh ứng dụng nông nghiệp, tạo điều kiện cho nông dân tăng thêm giá trị dạng đưa định khai thác, quản lý hiệu Từ khóa: Nơng nghiệp thơng minh, kết nối vạn vật (IoT), điện toán đám mây, quản lý liệu lớn SMALL AGRICULTURE Tran Nhat Nam*, Vo Duy Dong Industrial and Commercial College Ho Chi Minh City *Tác giả liên lạc: nhatnamcapos@gmail.com ABSTRACT The application of science and technology to agriculture is very important in improving the efficiency of agricultural production In this study, the author performs a combination of new technologies in information technology such as IoT, Big Data, and Cloud Computing Develop a smart farm application system, enabling farmers to add value in the form of more informed mining decisions Keywords: Intelligent Agriculture, IoT, cloud computing, large data management TỒNG QUAN Nông nghiệp ngành sản xuất vật chất sớm lịch sử phát triển nhân loại Quá trình phát triển nông nghiệp giới phụ thuộc vào tiến khoa học công nghệ Hàng loạt cách mạng kỹ thuật nâng cao hiệu sản xuất nông nghiệp, giúp người mở rộng diện tích canh tác, chinh phục thiên nhiên, vượt qua giới hạn văn minh nông nghiệp Vào năm 2010 Châu Âu xuất thuật ngữ “Nông nghiệp 4.0” số thuật ngữ khác thường sử dụng “Nông nghiệp thơng minh” “Canh tác số hóa” Nơng nghiệp thông minh bao hàm nghĩa rộng trồng trọt, chăn ni (có thể hiểu rộng sang thủy sản lâm nghiệp) Nghĩa tất đối tượng, trình sản xuất, giao dịch với đối tác bên nhà cung cấp khách hàng tiêu thụ tự động truyền liệu, xử lý, phân tích liệu qua mạng internet Dựa đời thiết bị thông minh nông nghiệp, thiết bị thông minh bao gồm cảm biến, điều tiết tự động, công nghệ tính tốn não giao tiếp kỹ thuật số Nông nghiệp 4.0 mở đường cho tiến hóa tiếp theo, bao gồm hoạt động khơng cần có mặt người trực tiếp dựa vào hệ thống thiết bị đưa định cách tự động Đó hình thức canh tác động hiệu Thực chất canh tác thông minh ứng dụng công nghệ thông tin vào nông nghiệp (Cách mạng Xanh lần thứ ba) Cuộc cách mạng phối hợp công nghệ lĩnh vực công nghệ thông tin kết nối vạn vật (IoT), quản lý liệu lớn (Big data), điện toán đám mây (Cloud computing) tạo điều kiện cho nông dân tăng thêm giá trị dạng đưa định khai thác, quản lý hiệu VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Kiến trúc hệ thống Chúng ta xây dựng hệ thống gồm phần 437 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 chính, hệ thống vận hành nội hệ thống kết nối với Cloud để phục vụ tính điều khiển thơng qua Internet Hai hệ thống kết nối với thông qua thiết bị gọi Gateway Vận hành hệ thống nội Trong hệ thống vận hành nội chia thành ba thành phần điều khiển trung tâm Controller: Là thành phần đầu não hệ thống, tập trung xử lý làm việc trực tiếp Kỷ yếu khoa học với Service chạy thiết bị, Controller quản lý session DBus hành mạng nội bộ, bảo mật kết nối chế xác thực mật có session yêu cầu kết nối, lập trình để gọi hàm có sẵn Service, tiếp nhận phản hồi gửi lại thông tin cho Client (phần mềm điều khiển hệ thống) thiết bị người dùng, cung cấp tồn thơng tin kết nối, bus, session, thơng số cho Gateway để đưa hệ thống lên Cloud Cloud Int er net Gateway Controller PC Smartphone PC Smartphone Hình Kiến trúc hệ thống Service: Là chương trình chạy máy tính nhúng Linux, tiếp nhận thơng tin điều khiển, thực thao tác tương ứng mà Controller u cầu sau phản hồi tồn kết lại, lưu trữ tự động thực kịch mà người dùng thiết lập thông qua Client Service chương trình lập trình để làm việc với phần cứng máy tính nhúng mà chạy, tự động khởi động hệ thống để đảm bảo tính tự động sẵn sàng cao Ngồi Service chịu trách nhiệm giao tiếp với vi xử lý khác nhằm gián tiếp điều khiển thiết bị Client: Là chương trình để giao tiếp với Controller, tiếp nhận danh sách thiết bị có sẵn mạng thể lên giao diện, tích hợp sẵn hàm để làm việc với Controller, gián tiếp yêu cầu tiếp nhận thông tin từ Service Với chế xử lý đa luồng (multithread), Client dễ dàng lệnh cho nhiều thiết bị đồng thời tiếp nhận thông tin từ thiết bị khác cách dễ dàng khơng có độ trễ hay mát thơng tin Client hỗ trợ người dùng góm nhóm thiết bị, quản lý kịch để gửi cho Controller tự động điều hành hệ thống mong muốn Vận hành hệ thống từ xa với Cloud Mơ hình sử dụng dịch vụ Cloud để truyền tải liệu, cần có hệ thống trung gian để làm việc với Cloud tiếp nhận thông tin từ Controller, có nhiều giao thức dùng lĩnh vực Internet of Things XMPP, QMTT… Để truyền tải liệu internet tính bảo mật gọn nhẹ chúng, mơ hình này, sử dụng giao thức XMPP để truyền tải thông tin thông qua Connector XMPPConnector Connector phần làm việc trung gian hệ thống Cloud, Connector tích hợp Gateway để đảm bảo tính đồng nhanh chóng Gateway Controller đặt chung với xử lý trung tâm nhằm giảm 438 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 thiểu độ trễ điều hướng thông tin, yêu cầu phản hồi mà Controller tiếp nhận từ Service, Controller chịu trách nhiệm cung cấp thơng tin cho Gateway, Gateway làm việc với Gateway khác mạng nội khác làm việc với Connector để đưa thông tin lên Cloud, Connector chịu trách nhiệm đóng gói sử dụng giao thức XMPP để truyền thông tin phát sinh mạng nội mà làm việc lên tài khoản Cloud đăng kí Thiết bị điều khiển trung tâm (Controller) Thiết bị máy tính nhúng chạy hệ điều hành Linux có vi xử lý mạnh, dung lượng nhớ (RAM) lớn, có khả tiếp nhận xử lý lượng thông tin lớn Controller phần mềm chạy môi trường Linux thiết bị Android, phần luôn chạy làm việc trực tiếp với Service, Controller chịu trách nhiệm lưu trữ thông số hệ thống, thông tin Service mạng, kịch để tự động điều khiển, hệ thống phải tồn Controller để điều khiển lưu trữ, có nhiều Controller, có yêu cầu thông tin Service, Controller đồng liệu với nhau, Controller ngưng hoạt động, có Controller khác thay Giải pháp mesh network cho khơng gian canh tác lớn Sóng mạng khơng dây Wi-Fi thực chất sóng radio, thường yếu dần khoảng cách trạm phát máy tính kết nối cách xa Nếu điểm phát sóng (Access Point) giao tiếp với thiết bị vị trí cụ thể, nguồn nhiễu xung quanh ảnh hưởng đến khả truyền sóng, từ làm giảm tốc độ truyền độ ổn định kết nối Trong môi trường canh tác với nhiều vật cản thiết bị phát từ gây nhiễu, mức độ phủ sóng khả trì kết nối điểm phát sóng giảm, làm giảm hiệu suất truyền liệu Tăng hiệu suất mạng: Trong Wireless Mesh Network, khái niệm" định hướng " diễn giải thành hai phần Đó sử dụng anten phát sóng có định hướng đến thiết bị điểm phát sóng, đồng thời sử dụng nhóm điểm phát sóng tự động định tuyến với hệ thống mạng Mục đích cơng nghệ nhằm tối ưu Kỷ yếu khoa học trước Thiết bị thu thập thơng tin canh tác (Service) Thiết bị mạch điện tử có chức nhận liệu từ cảm biến ngồi cịn thực chức điều khiển máy bơm, van lưu lượng nước, đóng mở cắt nắng… Mỗi thiết bị điều khiển máy tính nhúng chạy hệ điều hành Linux có hình LCD để hiển thị thơng tin bàn phím mềm điều khiển hóa khả kết nối điểm phát sóng thiết bị, thiết lập kết nối không dây tối ưu điểm phát sóng với nhau, từ giảm số lượng điểm phát sóng cần thiết tiết kiệm chi phí Các điểm phát sóng tự thu thập mơ hình tất đường đến thiết bị kèm theo hiệu suất, chủ động Sau đó, điểm phát sóng định hướng đường truyền tối ưu dạng thức an-ten sử dụng để kết nối với thiết bị Nếu nguyên nhân đó, đường truyền lựa chọn bị suy yếu, hệ thống tự động chuyển sang đường truyền khác tốt Trong trường hợp canh tác không gian rộng thiết bị kết nối với dạng mesh network thiết bị lúc cịn có thêm chức thiết bị access point (WAP), hệ thống nhiều thiết bị tính ổn định cao KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết cơng trình chế tạo hệ thống hồn chỉnh, với mục đích phục vụ lĩnh vực nông nghiệp cao, hệ thống bao gồm phần cứng phần mềm Phần cứng hệ thống điện tử kết nối với loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, pH/PPM đặt mơi trường canh tác, có nhiệm vụ thu thập thơng tin mơi trường Bên cạnh hệ thống thực cấu điều khiển như: bơm tưới, quạt, rèm cắt nắng, châm dinh dưỡng, phù hợp vời nhiều loại hình canh tác (thủy canh, canh, tưới nhỏ giọt…) Phần mềm có nhiệm vụ tiếp nhận thông tin từ phần cứng gửi về, thông tin lưu trữ vào sở liệu để sử dụng tương lai Phần mềm đưa cảnh báo, lệnh điều khiển đảm bảo môi trường cho phát triển tốt Người 439 Giải thưởng Sinh viên Nghiên cứu khoa học Euréka lần thứ XIX năm 2017 dùng thực tác vụ giám sát điều khiển thơng qua hình thức sau: Màn hình cảm ứng gắn cố định nơi canh tác Phần mềm máy tính cá nhân Thiết bị cầm tay sử hệ điều hành Android Đánh giá tốc độ thiết bị thu thập thông tin canh tác (Service) Thiết bị với chức thử nghiệm cách thiết kế liệu đầu vào thay đổi nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, độ pH Quá trình thay đổi liệu mẫu đầu vào cho thiết bị 10s, Sau thu kết đầu phần mềm hai vị trí khác mạng cục Cloud sau: Bảng Tốc độ đáp ứng thiết bị thu thập Cảm biến Mạng cục Cloud Nhiệt độ 0.8s 1s Độ ẩm 0.8s 1s Ánh sáng 0.3s 0.8s Độ pH 0.5s 0.8s Đánh giá tốc độ thiết bị điều khiển canh tác (Service) Thiết bị với chức thử nghiệm cách thiết kế liệu điểu khiển bật tắt máy bơm, bật tắt quạt thơng gió, bật tắt phun sương làm mát Q trình thay đổi (bật/tắt) phần mềm hai vị trí khác mạng cục Cloud Dữ liệu mẫu đầu vào cho thiết bị 30s, Sau thu kết đầu sau: Bảng Tốc độ đáp ứng thiết bị điều khiển Thiết bị Mạng Cloud cục Máy bơm 0.5s 0.8s Quạt thơng gió 0.5s 0.8s Phun sương làm 1.5s 2s mát Đánh giá tốc độ thiết bị điều khiển trung tâm (Controller) Thiết bị với chức thử nghiệm cách thiết kế liệu đầu vào hệ thống có số thiết bị (Service) thay đổi (thêm/bỏ) Qua trình thay đổi thiết bị hệ thống quan sát phần mềm hai vị trí khác mạng cục Cloud Kỷ yếu khoa học Bảng Tốc độ đáp ứng thiết bị điều khiển trung tâm Số lượng thiết Mạng cục Cloud bị 2s 2.5s 10 2.5s 2.5s 15 2.8s 3.0s 20 2.8s 3.0s Đánh giá độ ổn định hệ thống Để tiến hành đánh giá ổn định hệ thống, tiến hành xây dựng hệ thống gồm 20 thiết bị (Service), điều khiển trung tâm, Cloud Hệ thống cài đặt thông số ban đầu (Các thông số thay đổi theo chu kỳ 10 ngày) sau: - Nhiệt độ >30oC quạt hoạt động - Độ ẩm