(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu hệ thống bản sao kỹ thuật sốvà ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất nông nghiệp thông minh

1 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Trọng Đạt NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BẢN SAO KỸ THUẬT SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) HÀ NỘI – 2022 HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Trọng Đạt NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BẢN SAO KỸ THUẬT SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG TIN Mã số: 8.48.01.04 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS NGUYỄN TRUNG KIÊN HÀ NỘI - 2022 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Trọng Đạt MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt DT IoT Tiếng Anh Digital Twin Internet of Things NASA National Aeronautics and Space Administration Enterprise Resource Planning System Manufacturing Execution System Computer Aided Design Business Activity Monitoring Food And Agriculture Organization Artificial intelligence Global Positioning System Information & Communication Technologies Message Queuing Telemetry Transport Application Programming Interface ERP System MES CAD BAM FAO AI GPS ICT MQTT API Tiếng Việt Bản kỹ thuật số Mạng lưới vạn vật kết nối Internet Cơ quan Hàng không Vũ trụ Quốc gia Hệ thống hoạch định nguồn lực doanh nghiệp Hệ thống Điều hành Sản xuất Máy tính hỗ trợ thiết kế Giám sát hoạt động kinh doanh Tổ chức Nơng nghiệp lương thực Liên Hiệp Quốc Trí tuệ nhân tạo Hệ thống định vị tồn cầu Cơng nghệ Thông tin & Truyền thông Giao thức truyền thông điệp theo mơ hình publish/subscribe Giao diện lập trình ứng dụng DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU Sản xuất nông nghiệp đại thực khơng có thơng tin cập nhật xác hoạt động trang trại Các trang trại ngày phải dựa vào công nghệ kỹ thuật số thiết bị cảm biến giám sát, phân tích tiên tiến thiết bị thông minh Sản xuất nông nghiệp thay đổi nhanh chóng theo hướng hệ thống canh tác thông minh, thúc đẩy tốc độ phát triển cơng nghệ điện tốn đám mây, Internet vạn vật, liệu lớn, máy học, thực tế tăng cường robot Trong hệ thống canh tác thơng minh, nơng dân giám sát điều khiển hoạt động từ xa, dựa thông tin kỹ thuật số (gần) thời gian thực thay quan sát trực tiếp công việc thủ công chỗ Do đó, nơng dân tự động thơng báo có vấn đề, điều dự kiến xảy sai sót Họ kiểm tra tình hình trường cách xem hình ảnh kỹ thuật số thực vật, động vật máy móc liên quan Đồng thời, thuật tốn học máy tăng cường chế độ xem kỹ thuật số với phân tích lời khuyên dành riêng cho đối tượng Nơng dân mơ hành động khắc phục phòng ngừa đánh giá tác động đại diện kỹ thuật số Cuối cùng, can thiệp chọn thực từ xa người nơng dân sử dụng lại chế độ xem kỹ thuật số để xác minh xem vấn đề (dự kiến) có giải hay không Trong khuôn khổ đề tài học viên giới hạn nghiên cứu kỹ thuật số cho nông nghiệp thông minh Luận văn bố cục gồm có phần mở đầu, kết luận chương: - Chương – Tổng quan kỹ thuật số Chương – Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật số lĩnh vực sản xuất nông nghiệp Chương – Xây dựng mơ hình kỹ thuật số cho khu vực sản xuất Nông nghiệp thu nhỏ (3 loại trồng có nhu cầu chăm sóc khác nhau) Có thể giám sát điều khiển từ xa thông số môi trường sản xuất - Các kết luận hướng phát triển Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Trung Kiên tận tình bảo, hướng dẫn tơi suốt q trình thực luận văn Xin cảm ơn thầy cô bạn bè góp ý cho tơi để hồn thành luận văn nghiên cứu Trong trình thực luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tơi mong muốn nhận ý kiến đóng góp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Học Viên Nguyễn Trọng Đạt 10 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BẢN SAO KỸ THUẬT SỐ Chương giới thiệu về khái niệm, đặc điểm, ứng dụng lợi ích vượt trội kỹ thuật số 1.1 Bản kỹ thuật số gì? Khái niệm kỹ thuật số (Digital Twin - DT) sơ khai từ năm 60 kỷ XX NASA lập mô cấp tốc hệ thống ảo cho Tàu vũ trụ Apolo 13 để giải cứu tàu trở lại Trái đất Mặc dù vậy, phải đến gần 40 năm sau việc phát triển kỹ thuật thật quan tâm, bắt đầu tên gọi khác Virtual Space, Digital Mirror, Digital Copy cuối “Digital Twin” Trong cách mạng công nghệ 4.0, công nghệ kỹ thuật số bứt phá, trở thành hướng chiến lược công nghệ quan trọng hàng đầu cho nhiều lĩnh vực, từ sản xuất thông minh, lượng, xây dựng, hàng khơng, dầu khí, giao thông vận tải viễn thông Sự vươn lên mạnh mẽ công nghệ kỹ thuật số góp cơng khơng nhỏ cơng nghệ tiên tiến thơng minh hàng đầu tích hợp IoT, trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligence), điện toán đám mây (Cloud computing), học máy (Machine Learning) Công nghệ kỹ thuật số kỹ thuật số ảo vật thể hay mơ hình thực tế, khác với mơ số thông thường, kỹ thuật số thơng minh có khả thu nhận phân tích nguồn liệu lớn, đa dạng từ vật thể thực tế Giữa vật thể thực tế có luồng liệu (dataflow) thơng qua cảm biến hệ thống thực tế, cập nhật để theo dõi trạng thái hệ thống theo thời gian thực Nói cách khác, cơng nghệ kỹ thuật số tích hợp trí tuệ nhân tạo, học máy phân tích phần mềm với liệu để tạo mơ hình mơ số sống cập nhật thay đổi đối tượng vật lý thay đổi Hình 14 Module Relay điều khiển 5v - Module đo cường độ ánh sáng CDS Light Sensor[3] Hình 15 Module đo cường độ ánh sáng - Sơ đồ kết nối linh kiện thiết bị phần cứng sau: Đo cường độ ánh sáng ESP32- wif Nguồn 5V Hình 16 Mô tả sơ đồ khối thiết bị iot - Sơ đồ kết nối linh kiện Nhiệt độ/độ ẩm môi trường VCC 5V GND SD(dây vàng): GPIO04 Ánh sáng VCC 3.3V GND A0: GPIO35   Bơm VCC 5V GND SD: Đèn VCC 5V GND SD: GPIO13   Ẩm đất VCC 3.3V GND A0: GPIO36   Hình 17 Sơ đồ kết nối linh kiện - Hình chụp thiết bị sau chế tạo: Hình 18 Hình chụp thiết bị sau chế tạo 3.4.3 Phần mềm Tổ chức phần mềm giải pháp thử nghiệm hình Cảnh báo Trình diễn đối tượng dạng Modul 3Dcấp quyền nhận thực Thu thập thông tin từ thiết bị IoT Tổ chức phần mềm Giao tiếp CSDL Quản lý đối tượng 3D CSDL Hình 19 Tổ chức phần mềm giải pháp thử nghiệm Phần mềm hệ thống sử dụng mơ hình Model – View – Controller xây dựng hệ thống, mơ hình kiến trúc phần mềm tạo với mục đích quản lý xây dựng dự án phần mềm có hệ thống Mơ hình dùng rộng rãi đặc biệt ngơn ngữ lập trình web MCV biết tới kiến trúc khuôn mẫu, xem kiến trúc dựa tầng (layer), tầng Controller, Model View Các tầng có liên quan đến nhau, xem hình minh hoạ bên Hình 20 Mơ hình MVC Trong mơ hình trên: - Controller: Các controller giữ vai trị điều khiển chương trình Một controller có trách nhiệm cho luồng thực thi chương trình Trong ứng dụng web sở sử dụng MVC, tầng gọi trình duyệt - truy cập URL Model: Các Model giữ vai trò liệu chương trình thơng tin từ đối tượng sở liệu câu truy vấn SQL Tất liệu thu từ model; nhiên model gọi trực tiếp mà controller phải yêu cầu model cho đặc tả liệu model thực thi - truy vấn trả liệu cho controller Views: View tầng cuối kiến trúc MVC, đóng vai trị giao diện chương trình – GUI Trong ứng dụng web, chứa mã phía client HTML, JavaScript, XML hay JSON, v.v View tầng người dùng nhìn thấy được; model, controller bị ẩn với người sử dụng Áp dụng mơ hình MVC, phần mềm thử nghiệm tổ chức thành modul thành phần Backend Frontend đây: API API thu thập liệu điều khiển thiết bị Frontend CMS Các giao diện người dùng, trình diễn điều khiển Backend Server Quản lý CSDL model 3D CSDL Hình 21 Tổ chức phần mềm thử nghiệm Backend Server gồm: - Cung cấp API gồm API điều khiển đèn API get thông tin trồng Lưu trữ liệu Frontend gồm: Chức hiển thị hình ảnh thực tế trồng Các chức điều khiển người dùng ngồi khơng gian thực - Về mơ hình 3D trồng: - Các đối tượng 3D sử dụng mơ hình mẫu miễn phí 3D thư - viện 3D ( https://sketchfab.com/) Để sử dụng, lấy model máy, chuyển dạng tương thích với web tích hợp vào Frontend 3.3.5 Thử nghiệm giải pháp Trong phần học viên muốn thể ý tưởng kỹ thuật số Ở đây, vườn nhỏ (gồm khác nhau) tích hợp đồng với vườn (có ảo) mơi trường số Nội dung thử nghiệm nhằm kiểm nghiệm: - Có thể xem thơng tin vườn từ xa, cụ thể đến - Mọi biến động môi trường cập nhật gần tức thời lên môi trường số, - Từ mơi trường số điều khiển thiết bị cài đặt vườn Khô ng Thế giới Cây Thiết bị Cây Cây Cây Thiết bị Cây Cây Hình 22 Mơ tả ý tưởng thử nghiệm áp dụng kỹ thuật số Học viên chế tạo thiết bị phần cứng, thiết bị này: - Đều thu thập thông số môi trường: Nhiệt độ, độ ẩm môi trường, độ ẩm đất cường độ anh sáng vườn - Mỗi thiết bị hỗ trợ kênh điều khiển thiết bị Để giám sát/điều khiển vườn thử nghiệm học viên cấu hình mơi trường thử nghiệm sau: - 03 đặt gần vườn, - Một đèn chiếu sáng chiếu chung cho vườn Mỗi bật đèn khu vườn chiếu sáng chung - Một máy bơm dùng chung cho vườn: Mỗi tưới ẩm khu vườn tưới, - Các đầu đo thông số môi trường đặt điểm khác vườn Học viên tạo model cho 3D store (https://free3d.com https://sketchfab.com)như mô hình số ứng với ngồi thực địa để tích hợp vào giao diện điều khiển 3.4 Thiết kế hệ thống chạy thử nghiệm/demo 3.4.1 Mơ hình triển khai thử nghiệm Giải pháp sau tích hợp, kiểm tra cài đặt môi trường mạng sơ đồ hình dưới: Web client (show demo) Mạng nhà Device Domain: eyecheck.vn Backend,CMS,MQTT Internet Device Hình 23 Mơ hình triển khai thử nghiệm - Server http://eyecheck.vn máy chủ ảo sử dụng để chạy modul Backend, Frontend MQTT server - Các thiết bị phần cứng device 1,2 kết nối vào mạng wifi nhà học viên - Laptop chạy webclient máy sử dụng để demo chương trình 3.4.2 Thử nghiệm giải pháp Sau triển khai, nhà sản xuất đăng nhập vào giao diện quản lý (http://localhost:8080/), kết hình dưới: Trong hình dưới: Hình 24 Giao diện web 3D tắt đèn hiển thị thông tin trồng Cuộn xuống xem thông tin liên quan khác đến Bật nút để mở đèn chiếu sáng, thông số thu thập từ vườn thay đổi (hình dưới) Có thể làm tương tự xem thông số độ ẩm Hình 25 Giao diện web 3D bật đèn hiển thị thông tin trồng Học viên test thử tình giải pháp thử nghiệm đáp ứng yêu cầu thiết kế Các thiết bị phần cứng điều khiển xác (nhưng độ trễ điều khiển tới vài sec), thiết bị thu thập thông tin môi trường hoạt động ổn định cập nhật liệu hệ thống định kỳ 30 sec 3.5 Kết luận chương Trong thử nghiệm học viên giới hạn nghiên cứu với số đối tượng giám sát tương đối nhỏ với thông số đặc trưng (nhiệt độ, độ ẩm đất, ánh sáng), qua trình xây dựng học viên thấy việc thiết kế thực giải pháp kỹ thuật số khả thi kỹ thuật Các kỹ thuật công nghệ liên quan đến kỹ thuật số tự xây dựng mua dễ dàng thị trường Việt Nam Trong thực tế sản xuất nông nghiệp, để kỹ thuật số phát huy tác dụng giải pháp cần mở rộng số đối tượng giám sát, số tham số cần giám sát việc tổ chức phần mềm cho phép tổ chức đồng thời giám sát điều khiển tham số cho nhiều khu vực đồng thời Hệ thống cần hỗ trợ nhiều nhà sản xuất theo mô hình tảng (platform) để có khả hỗ trợ rộng rãi, giảm chi phí cho nhà sản xuất thuận lợi vận hành nâng cấp Hiện tại, giải pháp dừng lại việc tạo kỹ thuật số, thao tác điều khiển nhằm thay đổi thông số môi trường thực địa người chủ động thực Để hướng đến sản xuất nơng nghiệp xác, tn thủ chặt chẽ quy trình giải pháp cần bổ sung ENGINE có khả RUN quy trình số hóa để tự động kiểm soát hoạt động đối tượng tn theo quy trình ni trồng tương ứng Một số vấn đề gặp phải triển khai thiết bị IoT thực địa khả cấp nguồn ni, khoảng cách thu phát tín hiệu tự cảm biến đến thu tín hiệu, độ bền ổn định thiết bị cần nghiên cứu kỹ hơn, thử nghiệm linh kiện sử dụng linh kiện dễ mua từ thị trường Việt Nam nên hoạt động thơng số đo cịn chưa thật xác KẾT LUẬN Những kết đạt luận văn Trong luận văn học viên nghiên cứu, bám sát nội dung đặt đề cương nghiên cứu, cụ thể: Học viên nghiên cứu tổng quan mơ hình kỹ thuật số, mơ hình kỹ thuật tiên tiến ứng dụng công nghệ số vào hỗ trợ giải tốn có u cầu xác, đồng bộ, kỹ thuật số có tiềm ứng dụng nhiều lĩnh vực khác Với lĩnh vực nông nghiệp, khuôn khổ báo cáo học viên phân tích mơ hình áp dụng kỹ thuật số vào nâng cao suất, chất lượng sản phẩm nông nghiệp Báo cáo nghiên cứu mơ hình kiến trúc kỹ thuật giải pháp kỹ thuật số phổ biến dùng nông nghiệp Để kiểm nghiệm khả làm chủ công nghệ kỹ thuật kỹ thuật số qua đưa đề xuất khuyến nghị hướng ứng dụng công nghệ học viên xây dựng mơ hình kỹ thuật số thu nhỏ áp Giải pháp kỹ thuật tn theo mơ hình kiến trúc kỹ thuật phổ biến học viên chủ động công nghệ kỹ thuật liên quan khác việc hoàn thiện giải pháp Hướng nghiên cứu Bản kỹ thuật số cơng nghệ cịn tương đối mới, nghiên cứu học viên khuôn khổ luận văn nghiên cứu bước đầu Trong thời gian tới, học viên mong muốn tiếp tục nghiên cứu làm rõ thêm vấn đề sau: - Tự động hóa việc điều khiển thiết bị nơng nghiệp nhằm đảm bảo tuân thủ quy trình canh tác, giảm bớt thao tác vận hành người - Nghiên cứu việc ứng dụng số tìm quy trình canh tác tối ưu cho trồng, vật nuôi cụ thể qua việc phân tích liệu lớn hình thành từ q trình canh tác - Nghiên cứu tảng công nghệ hỗ trợ triển khai kỹ thuật số quy mô lớn cách dễ dàng TÀI LIỆU THAM KHẢO  Tài liệu tiếng Anh [1] Alves, R.G.; Souza, G.; Maia, R.F.; Tran, A.L.H.; Kamienski, C.; Soininen, J.P.; Aquino, P.T.; Lima, F A digital twin for smart farming In Proceedings of the 2019 IEEE Global Humanitarian Technology Conference (GHTC), Santa Clara, CA, USA, 8–11 September 2022; pp 1–4 [2] Burgos, D.; Ivanov, D Food retail supply chain resilience and the COVID-19 pandemic: A digital twin-based impact analysis and improvement directions Transp Res E Logist Transp Rev 2021, 152, 102412 [3] Defraeye, T.; Tagliavini, G.; Wu, W.; Prawiranto, K.; Schudel, S.; Kerisima, M.A.; Verboven, P.; Bühlmann, A Digital twins probe into food cooling and biochemical quality changes for reducing losses in refrigerated supply chains Resour Conserv Recycl 2019, 149, 778–794 [4] Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO) Transforming Food and Agriculture to Achieve the SDGs; FAO: Rome, Italy, 2018 [5] Juarez, M.G.; Botti, V.J.; Giret, A.S Digital Twins: Review and Challenges J Comput Inf Sci Eng 2021, 21, 030802 [6] Mehrabi, Z.; McDowell, M.J.; Ricciardi, V.; Levers, C.; Martinez, J.D.; Mehrabi, N.; Wittman, H.; Ramankutty, N.; Jarvis, A The global divide in data-driven farming Nat Sustain 2021, 4, 154–160 [7] Nasirahmadi, A.; Hensel, O Department of Agricultural and Biosystems Engineering, University of Kassel, Toward the Next Generation of Digitalization in Agriculture Based on Digital Twin Paradigm Sensors 2022, 10.3390/s22020498 22, 498 https://doi.org/ [8] Nasirahmadi, A.; Wilczek, U.; Hensel, O Sugar Beet Damage Detection during Harvesting Using Different Convolutional Neural Network Models Agriculture 2021, 11, 1111 [9] Tao F, Sui F, Liu A, Qi Q, Zhang M, Song B, Guo Z, Nee LuSCY, AY, (2019) Digital twin-driven product design framework Int J Prod Res 57(12):3935–3953 [10] Wolfert, S.; Ge, L.; Verdouw, C.; Bogaardt, M.J Big Data in Smart Farming—A review Agric Syst 2017, 153, 69–80 [11] https://en.wikipedia.org/wiki/Destination_Earth_(European_Union) [12] https://www.kbvresearch.com/digital-twin-market/  Website [13] https://digital.fpt.com.vn/linh-vuc/nganh-nong-nghiep-thoi-dai- so.html [14] https://nspp.mofa.gov.tw/nsppvn/news.php? post=165021&unit=444&unitname=Tin-t%E1%BB%A9c-ch%C3%ADnhph%E1%BB%A7&postname=B%E1%BA%A3n-sao-k%E1%BB%B9-thu %E1%BA%ADt-s%E1%BB%91-cho-n%C3%B4ng-nghi%E1%BB%87p-th %C3%B4ng-minh-c%E1%BB%A7a-Vi%E1%BB%87n-C%C3%B4ng-nghi %E1%BB%87p-Th%C3%B4ng-tin-%C4%90%C3%A0i-Loan-gi %C3%A0nh-Gi%E1%BA%A3i-th%C6%B0%E1%BB%9Fng-R&DAwards[15] https://hshop.vn/products/cam-bien-anh-sang-quang-tro-2 [16] https://hshop.vn/products/cam-bien-do-am-dat-2 [17] https://hshop.vn/products/cam-bien-do-am-nhiet-do-dht21 https://hshop.vn/products/kit-rf-thu-phat-wifi-ble-esp32-nodemcu-luanode32-aithinker ... CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - Nguyễn Trọng Đạt NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG BẢN SAO KỸ THUẬT SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG LĨNH VỰC SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH Chuyên ngành: HỆ THỐNG THÔNG... giải pháp công nghệ tiên tiến thời gian tới CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BẢN SAO KỸ THUẬT SỐ TRONG LĨNH VỰC SẢN XUẤT NƠNG NGHIỆP Chương trình bày về ứng dụng kỹ thuật số lĩnh vực nông nghiệp Đầu... đáp ứng với số lượng bệnh nhân khác 1.5.2 Ứng dụng công nghệ kỹ thuật số công nghiệp Đối với lĩnh vực công nghiệp sản xuất, công nghệ kỹ thuật số ứng dụng nhiều nhiều lĩnh vực thiết bị sản xuất,