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[.]

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG KHOA VIỄN THÔNG I  ĐỀ CƯƠNG TIỂU LUẬN MÔN INTERNET VÀ GIAO THỨC NHĨM Ứng dụng IoT Nơng Nghiệp (Hệ thống, thiết bị giao thức) Giảng viên: Nguyễn Thị Thu Hằng Thành viên nhóm 3: 1.Phạm Văn Cường – B19DCVT039 2.Trần Văn Việt – B19DCVT439 3.Lê Tiến Đạt – B19DCVT079 4.Trần Đức Hiếu – B19DCVT143 5.Vũ Đức Mạnh – B19DCVT247 6.Lê Đức Thiện – B19DCVT391 Hà Nội, tháng 11/2022 Bài tập nhóm Internet giao thức Bảng phân cơng cơng việc nhóm STT nhóm STT lớp 2 12 Họ tên sinh viên Công việc chung Ghi Phần 1: Giới thiệu tổng quan IoT 1.1: Khái niệm –giới thiệu IoT 1.2: Phương thức hoạt động chung hệ thống IoT - (4 phần hệ thống IoT) Trần Đức Hiếu  Cảm biến/thiết bị  Kết nối  Xử lý liệu  Giao diện người dung Lê Đức Thiện Lê Tiến Đạt Nhóm 03 Nội dung 1.3: Ứng dụng IoT Phần 2: IoT nông nghiệp 2.1: Khái niệm “Nông nghiệp công nghệ cao” 2.2: IoT lĩnh vực nông nghiệp 2.3: Cấu trúc hệ thống IoT nơng nghiệp (Phân tích theo phần – khơng cần kĩ ra) - Thiết bị … - Chuẩn giao tiếp giao thức Bài tập nhóm Internet giao thức - … 2.3: Hiệu vượt trội sử dụng IoT nông nghiệp 22 Vũ Đức Mạnh Phạm Văn Cường 52 Trần Văn Việt Nhóm 03 Phần 3: Phân tích hệ thống giám sát nông nghiệp IoT 3.1: Mục tiêu hệ thống 3.2: Mơ tả hệ thống 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 nối 4.1.4: Phương thức xử lý data 4.1.5: Chuyển đổi giao diện người dung Phần 5: Tổng kết 5.1: Nhận xét 5.2: Đánh giá Bài tập nhóm Internet giao thức Mục lục Lời mở đầu Danh mục hình vẽ Phần 1: Giới thiệu tổng quan IoT 1.1 Khái niệm – Giới thiệu iot 1.2 Phương thức hoạt động chung hệ thống IoT 1.3 Ứng dụng IoT Phần 2: IoT nông nghiệp 2.1 Khái niệm nông nghiệp công nghệ cao .8 2.2 IoT lĩnh vực nông nghiệp 2.2.1 IoT nơng nghiệp gì? 2.2.2 nên ứng dụng IoT nông nghiệp .9 2.2.3: Lợi ích ứng dụng IoT nơng nghiệp 2.3 Cấu trúc thông IoT nông nghiệp 2.3.1 Cấu trúc hệ thống ứng dụng công nghệ IoT 2.3.2 Chuẩn giao tiếp 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 thích nghi với điều kiện phức tạp: 14 3.2: Mô tả hệ thống 15 Phần 4: Phân tích hệ thống giám sát nơng nghiệp IoT 17 4.1 Cấu trúc hệ thống giám sát: .17 4.1.1 Linh kiện cảm biến 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 liệu: .23 4.1.5 Chuyển đổi giao diện người dùng: 23 Phần 5: Nhận xét tổng kết .24 5.1 Nhận xét 24 5.2 Tổng kết 24 Nhóm 03 Bài tập nhóm Internet giao thức Lời mở đầu IoT là tên viết tắt của Internet of Things có nghĩa là Internet vạn vật Hay cụ thể là Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối Internet Đây hệ thống thiết bị tính tốn có liên quan với nhau, máy móc khí, kỹ thuật số người cung cấp mã nhận dạng (UID) khả truyền liệu qua mạng mà không yêu cầu tương tác người với máy tính Các thiết bị Interet of Things đồ vật gắn thêm cảm biến để thu thập liệu môi trường xung quanh, máy tính/ điều khiển tiếp nhận liệu lệnh cho thiết bị khác, đồ vật tích hợp hai tính Ngày nay, doanh nghiệp nhiều ngành khác sử dụng Internet of Things (IoT) để hoạt động hiệu hơn, hiểu rõ khách hàng để cung cấp dịch vụ khách hàng nâng cao, cải thiện khả định gia tăng giá trị doanh nghiệp Ứng dụng IoT vào nông nghiệp xu hướng chung toàn giới, đặc biệt đất nước lấy nông nghiệp làm trọng tâm, Việt Nam IoT biến nông nghiệp từ lĩnh vực sản xuất định tính thành lĩnh vực sản xuất xác dựa vào       số liệu thu thập, tổng hợp phân tích thống kê Việc ứng dụng IoT vào nông nghiệp không đem lại cho người làm nơng đạt suất sản lượng cao, IoT cịn giúp cho người làm nông tiếp cận với khoa học kỹ thuật tối tân nhân loại, với đem đến cho người sử dụng vơ vàn lợi ích khơng tưởng Nhóm 03 Bài tập nhóm Internet giao thức Danh mục hình vẽ Hình 1.1 Internet of Things …………………………………………………….6 Hình 1.2 Cảm biến/thiết bị …………………………………………………… Hình 1.3 Kết nối ……………………………………………………………… Hình 1.4 Ứng dụng IoT nông nghiệp ……………………………… Hình 2.1: Xu hướng ứng dụng IoTs nơng nghiệp ………………………10 Hình 2.2: Số lượng thiết bị IoT lắp đặt tồn cầu từ 2015 đến 2025 …… 10 Hình 2.3: Bốn cấu phần hệ thống IoT ……………………… 11 Hình 3.1 Kiến trúc IoT dự đám mây cho ứng dụng nơng nghiệp ……16 Hình 3.2: Kiến trúc nút ……………………………………………………… 17 Hình 3.3 Hệ thống cloud server ……………………………………………….18 Hình 3.4: Mơ hệ thơng IoT thực tế nơng 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 thiết bị di động hệ thống web xử lý nơng nghiệp IoT …………………………………………………………………… 25 Nhóm 03 Bài tập nhóm Internet giao thức Phần 1: Giới thiệu tổng quan IoT 1.1 Khái niệm – Giới thiệu iot – Kể từ lần công bố Kelvin Ashton, người đồng sáng lập Trung tâm Auto-ID MIT vào năm 1999, Internet of thing (IoT) tác động to lớn đến sống chúng ta, trở thành yếu tố quan trọng cho cách mạng công nghệ lần thứ giới – Internet vạn vật (IoT) mạng kết nối đồ vật thiết bị thông qua cảm biến, phần mềm công nghệ khác, cho phép đồ vật thiết bị thu thập trao đổi liệu với – Internet vạn vật lan tỏa lợi ích mạng internet tới đồ vật kết nối, không dừng lại phạm vi máy tính Khi đồ vật kết nối với internet, trở nên thông minh nhờ khả gửi và/hoặc nhận thông tin tự động hoạt động dựa thơng tin Hình 1.1 Internet of Things 1.2 Phương thức hoạt động chung hệ thống IoT – Các thiết bị đối tượng có cảm biến tích hợp kết nối với tảng Internet of Things, tảng tích hợp liệu từ thiết bị khác áp dụng phân tích để chia sẻ thơng tin có giá trị với ứng dụng xây dựng để giải nhu cầu cụ thể – Tất hệ thống IoT hoàn chỉnh giống điểm chúng thể tích hợp bốn thành phần riêng biệt: cảm biến / thiết bị, kết nối, xử lý liệu giao diện người dùng + Cảm biến/thiết bị: Nhóm 03 Bài tập nhóm Internet giao thức ● Đầu tiên, cảm biến thiết bị thu thập liệu từ mơi trường chúng Dữ liệu đơn giản đọc nhiệt độ phức tạp nguồn cấp liệu video đầy đủ ● Sử dụng “cảm biến/ thiết bị” nhiều cảm biến kết hợp với cảm biến phần thiết bị không cảm nhận thứ Ví dụ: điện thoại bạn thiết bị có nhiều cảm biến (máy ảnh, gia tốc kế, GPS, v.v.), điện thoại bạn không cảm biến cịn thực nhiều hành động ● Tuy nhiên, cho dù cảm biến độc lập hay thiết bị đầy đủ, bước này, liệu thu thập từ môi trường thứ Hình 1.2 Cảm biến/thiết bị + Kết nối: ● Tiếp theo, liệu gửi đến đám mây, cần cách để đạt điều ● Các cảm biến/ thiết bị 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/ định tuyến kết nối trực tiếp với internet qua ethernet ● Mỗi tùy chọn có cân mức tiêu thụ điện năng, phạm vi băng thông Việc chọn tùy chọn kết nối tốt phụ thuộc vào ứng dụng IoT cụ thể, tất chúng hoàn thành nhiệm vụ giống nhau: đưa liệu lên đám mây + Xử lý liệu: Nhóm 03 Bài tập nhóm Internet giao thức ● Khi liệu đưa lên đám mây, phần mềm thực số loại xử lý ● Điều đơn giản, chẳng hạn kiểm tra xem nhiệt độ có nằm phạm vi chấp nhận khơng Hoặc phức tạp, chẳng hạn sử dụng thị giác máy tính video để xác định đối tượng (chẳng hạn kẻ xâm nhập vào tài sản) Hình 1.3 Kết nối + Giao diện người dùng: ● Tiếp theo, thông tin hữu ích cho người dùng cuối theo cách Điều thơng qua cảnh báo cho người dùng (email, văn bản, thơng báo, v.v.) Ví dụ, văn cảnh báo nhiệt độ cao kho lạnh cơng ty ● Người dùng có giao diện cho phép họ chủ động đăng ký hệ thống Ví dụ: người dùng muốn kiểm tra nguồn cấp liệu video thuộc tính khác thơng qua ứng dụng điện thoại trình duyệt web ● Tuy nhiên, khơng phải lúc đường chiều Tùy thuộc vào ứng dụng IoT, người dùng thực hành động ảnh Nhóm 03 Bài tập nhóm Internet giao thức hưởng đến hệ thống Ví dụ: người dùng điều chỉnh nhiệt độ kho lạnh từ xa thông qua ứng dụng điện thoại họ ● Và số hành động thực tự động Thay đợi bạn điều chỉnh nhiệt độ, hệ thống tự động làm điều thơng qua quy tắc xác định trước Thay gọi cho bạn để cảnh báo bạn kẻ xâm nhập, hệ thống IoT cịn tự động thơng báo cho đội bảo mật quan chức có liên quan 1.3 Ứng dụng IoT – Hiện IoT đóng vai trị quan trọng sống xuất nhiều ngành nghề, ví dụ như: + Ngành chế tạo: Đo lường sản lượng sản xuất bị tổn hại + Ngành ô tô: Hệ thống ô tô tự lái + Giao thông vận tải: giám sát phương tiện mà mật độ người lại để phịng tránh tắc nghẽn giao thơng + Phịng chống thiên tai: dự đốn quản lý thảm họa thiên nhiên + Kiểm tra xây dựng: Giám sát rung động điều kiện vật chất tịa nhà, cầu cơng trình + Chất lượng nước: Nghiên cứu thích hợp nước sông, vùng biển – Nhất ngành nơng nghiệp, IoT đóng vai trị to lớn phát triển nông nghiệp thông minh Nước ta vốn nước nông nghiệp nên ngành nông nghiệp trọng hàng đầu Nếu trước tồn q trình nơng nghiệp phụ thuộc vào sức lao động người đơn giản hóa nhờ xuất máy móc công nghệ Ứng dụng IoT ngành trồng trọt giúp nơng dân kiểm sốt nắm bắt thông tin cần thiết thời điểm tốt thu hoạch, độ dinh dưỡng đất, lượng phân bón phù hợp, độ ẩm đất Và điều nói rõ phần 2: IoT nơng nghiệp Nhóm 03 Bài tập nhóm Internet giao thức Module giao tiếp Wifi ESP8266 node MCU Mạch cầu H L298N Module LCD 12C Các modem Wi-Fi hỗ trợ chuẩn IEEE 802.11n hoạt động tần số 2.4GHz ESP8226 nodeMCU mơ đun hỗ trợ chuẩn Wi-Fi Tích hợp mạch cầu H bên nên dùng để điều khiển động DC động bước cỡ nhỏ vừa Module LCD I2C hỗ trợ chuẩn giao tiếp I2C, đồng thời tiết kiệm dây kết nối với LCD, bên cạnh module LCD I2C giúp chống nhiễu cho LCD Module Bluetooth HC05 Module bluetooth HC05 dùng để thiết lập kết nối Serial thiết bị sóng bluetooth Module cảm biến độ ẩm nhiệt độ DHT11 Đo nhiệt độ, độ ẩm ứng dụng đo nhiệt độ, độ ẩm khác Module cảm biến ánh sáng Module cảm biến độ ẩm đất Module cảm biến mưa Module cảm biến gió Nhóm 03 Module Cảm Biến Ánh Sáng nhỏ gọn Độ xác cao nhờ sử dụng IC so sánh áp (comparator) LM393, độ nhạy tùy chỉnh Module cảm biến độ ẩm đất sử dụng cho ứng dụng nông nghiệp, tưới nước tự động cho vườn đất khô, dùng ứng dụng hệ thống nhà thông minh Cảm biến mưa sử dụng để phát mực nước, trời mưa, hay môi trường có nước. Mạch cảm biến mưa được đặt ngồi trời để kiểm tra trời có mưa khơng, qua truyền tín hiệu điều khiển đóng / ngắt rơ le Đo mức gió điểm đặt thiết bị 14 Bài tập nhóm Internet giao thức số hình ảnh thiết bị: Board Adruino Mega 2560 Module L298N Module cảm biến ánh sáng Nhóm 03 ESP8266 ngồi thực tế Module LCD I2X Module cảm biến độ ẩm đất 15 Bài tập nhóm Internet giao thức Module cảm biến mưa Module cảm biến gió  Phần 3: Phân tích hệ thống giám sát nông nghiệp IoT 3.1: Mục tiêu hệ thống - Hiện nay, đất nông nghiệp bị quy hoạch để đầu tư vào dự án, khai thac tài ngun, khu cơng nghiệp,… Làm cho diện tích đất nông nghiệp ngày giảm Song song với nhu cầu lương thực thực phẩm giới ngày tăng Đất đai ngày xuống khâu canh tác không kỹ thuật, thiếu khoa học, cộng thêm biến đổi khí hậu - Trước tình hình đó, ứng dụng IoT vào nơng nghiệp đời với mục tiêu: + Hiệu vượt trội - Giải pháp nông nghiệp tối ưu: giúp người nông dân kiểm soát, theo dõi sản phẩm điều kiện tình hình canh tác theo thời gian thực IoT nông nghiệp thu nhập thông tin, số liệu dự đoán trước vấn đề dịch bệnh, phát triển cây, … Để người nông dân đưa định kịp thời. Giúp tiết kiệm thời gian công sức lao động thông qua quy trình tự động hóa Như tưới cây, bón phân, robot thu hoạch tự động,… + Nông nghiệp thông minh: Hệ thống nông nghiệp thông minh kết hợp với chu trình khép kín cho phép trồng trọt nơi Các mơ hình trồng cây, rau nhà kính thủy canh đời dựa IoT nông nghiệp để cung ứng kịp thời cho thị trường sản phẩm loại trái rau ngắn ngày ví dụ xà lách, rau muống, dâu tây,… + Nhanh chóng, tiết kiệm thời gian - cải thiện tốc độ thích nghi với điều kiện phức tạp: Với hỗ trợ từ công nghệ thông minh IoT ứng dụng vào nơng nghiệp giúp theo dõi dự đốn thay đổi thời tiết, độ ẩm, chất lượng khơng khí, tình hình phát triển dịch bệnh vườn Nhờ tiện ích đó, mơi trường sống phát triển giai đoạn mức lý tưởng Qua đó, giúp phát triển nhanh chóng bị sâu bệnh hại Nhóm 03 16 Bài tập nhóm Internet giao thức + Giảm thiểu sử dụng tài nguyên - Tiết kiệm chi phí: IoT nơng nghiệp lập trình sẵn chế độ để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên nước, đất đai, lượng Thực canh tác dựa hệ thống cảm biến giúp người nông dân phân bổ tài nguyên đồng xác Giúp tiết kiệm chi phí đem lại hiệu cao + Quy trình ni trồng an toàn hơn: Hệ thống IoT nông nghiệp ứng dụng không giúp giảm thiểu việc sử dụng tài nguyên mà giảm thiểu sử dụng thuốc trừ sâu phân bón hóa học Điều hướng đến sản phẩm cuối tới người tiêu dùng đảm bảo an toàn + Cải thiện chất lượng nông sản cho nông dân: Như việc sử dụng cảm biến, giám sát máy bay không người lái lập đồ trang trại để theo dõi phát triển tình hình sâu bệnh 3.2: Mơ tả hệ thống Hình 3.1 Kiến trúc IoT dự đám mây cho ứng dụng nông nghiệp  Hệ thống IoT mơ tả hình 3.1 gồm lớp: Font-end layer: phần cứng vật lý cảm biến, nút(node) gồm môđun: vi điều khiển, cảm biến môi trường truyền giao động, mạch giao tiếp Mô-đun giao tiếp không dây hình 3.2 Nhóm 03 17 Bài tập nhóm Internet giao thức Hình 3.2: Kiến trúc nút - Microcontroller: Bộ điều khiển chịu trách nhiệm thu thập liệu truyền tải liệu đến lớp kiến trúc - Sensors and Actuators: Bộ cảm biến đo liệu môi trường - Interfacing Circuits: Bộ cảm biến chuyển đổi liệu cảm biến đc (ví dụ: nhiệt độ) thành tín hiệu điện - Wireless Communication Module: Mô-đun cung cấp, truyền liệu cảm biến cho nút  Gateway layer: Nhận liệu từ Font-end layer chuyển tiếp liệu thu thập đến máy chủ đám mây phía sau để lưu trữ phân tích liệu  Back-end layer: máy chủ đám mây có sở liệu lớn chứa lượng lớn liệu chuyển tiếp từ Gateway layer Nơi giao tiếp với tập hợp thuật tốn API phân tích liệu Dữ liệu truy cập qua Internet cách sử dụng trang web di động thể hình 3.3 Nhóm 03 18 Bài tập nhóm Internet giao thức - Hình 3.3 Hệ thống cloud server Ví dụ mô hệ thống IoT nông nghiệp: đưa thiết bị cảm biến thông minh hệ thống tự động hoá vào quản lý, điều kiển quy trình sản xuất khép kín Cụ thể hình 3.4 Hình 3.4: Mơ hệ thơng IoT thực tế nơng nghiệp Phần 4: Phân tích hệ thống giám sát nơng nghiệp IoT Nhóm 03 19 ... hướng ứng dụng IoTs nông nghiệp 2.2.2 Tại nên ứng dụng IoT nơng nghiệp Nhóm 03 10 Bài tập nhóm Internet giao thức Với mơ hình nơng nghiệp đại, việc áp dụng IoT nông nghiệp xu hướng tồn cầu IoT. .. 2.2.3: Lợi ích ứng dụng IoT nông nghiệp 2.3 Cấu trúc thông IoT nông nghiệp 2.3.1 Cấu trúc hệ thống ứng dụng công nghệ IoT 2.3.2 Chuẩn giao tiếp giao thức 10 2.3.3 Thiết bị ... nơng nghiệp Nhóm 03 Bài tập nhóm Internet giao thức Hình 1.4 Ứng dụng IoT nơng nghiệp Phần 2: IoT nông nghiệp 2.1: Khái niệm nông nghiệp công nghệ cao Nông nghiệp công nghệ cao là nền? ?nông? ?nghiệp? ?được