IoT ( Internet of Thing ) là một hệ thống mạng lưới các thiết bị được kế nối, có thể thu thập và trao đổi thông tin. Hệ sinh thái IoT cung cấp cho người dùng quyền hạn kết nối, kiểm soát, sử dụng các thiết bị IoT từ xa qua điện thoại thông minh, máy tính bản….Điều này mang lại sự thuận tiện cho mọi người dùng. Vì lý do này,trong những năm gần đây, IoT đã được ứng dụng trong hàng loạt lĩnh vực như nhà thông minh, thành phố thông minh ,năng lượng thông minh, xe tự hành, nông nghiệp thông minh , quản lý khuôn viên trường ,chăm sóc sức khỏe, và hậu cần……
Mục Lục Chương 1: Giới thiệu Chương 2: Nhà Kính thơng minh 2.1 Tổng quan nhà Kính thơng minh : 2.1.1 Khái niệm : 2.1.2 Cấu trúc nhà kính thơng minh : .7 2.1.3 Phân loại: 2.1.4 Ưu nhược điểm : 10 2.2 HỆ THỐNG QUẢN LÍ NHÀ THƠNG MINH 10 2.2.1 lý thuyết 10 2.2.1.1 xác xuất .10 2.2.1.2 Hồi quy tuyến tính 17 2.2.1.3 Machine Learning 19 2.2.1.4 Thuật toán Iterative Dichotomiser (ID3) 20 2.2.2 Phương pháp 21 2.2.2.1 Các thành phần mơ hình IoT 21 2.2.2.2 Các vấn đề cần giải 23 2.2.2.3 Các yêu cầu chung 24 2.3 Mô 24 2.2.3.1 Chuẩn bị 24 2.2.3.2 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động 25 2.3 Thiết bị ứng dụng 27 2.3.1 Giới thiệu .27 2.3.2 Cảm biến sử dụng nhà kính 27 2.3.3 Arduino UNO Kit 28 2.3.4 Mô tả phần cứng 29 2.4 Giao Thức ứng dụng 37 2.4.1 Giới thiệu 37 2.4.2 MQTT gì? 38 2.4.3 Tính đặc điểm bật 38 2.4.4 Mơ hình MQTT 39 2.4.5 Cơ chế hoạt động giao thức MQTT 43 2.4.6 Định dạng tin nhắn MQTT 43 2.4.7 MQTT QoS 50 2.4.8 CONNECT and SUBSCRIBE message sequence .51 2.4.9 PUBLISH message flows .52 2.4.10 MQTT-SN 54 Tóm tắt: Sự gia tăng dân số toàn cầu với suy giảm tài nguyên thiên nhiên, đất canh tác gia tăng điều kiện mơi trường khó lường dẫn đến an ninh lương thực trở thành mối quan tâm lớn tất quốc gia toàn giới Những vấn đề động lực thúc đẩy ngành nông nghiệp chuyển đổi sang nông nghiệp thông minh với việc ứng dụng Internet vạn vật (IoT) giải pháp liệu lớn để nâng cao hiệu hoạt động suất IoT tích hợp loạt giải pháp công nghệ đại, chẳng hạn mạng cảm biến không dây, mạng ad hoc vơ tuyến nhận thức, điện tốn đám mây, liệu lớn ứng dụng dành cho người dùng cuối Bài Luận trình bày giải pháp IoT nông nghiệp đặc biệt tập trung vào ứng dụng IoT nhà kính thơng minh Để đạt mục tiêu này, chúng tơi trình bày tổng quan nhà kính thơng minh, hệ thống IoT ứng dụng hệ thống nhà kính, giao thức liên quan thiết bị IoT sử dụng nhà kính thơng minh Qua chúng tơi hy vọng trình bày luận góp phần việc mở rộng tầm nhìn IoT nói chung, tầm nhìn IoT nơng nghiệp nói riêng Một phần thúc đẩy phát triển IoT nông nghiệp Việt Nam Chương 1: Giới thiệu Để đáp ứng nhu cầu phát triển công nghệ ngày lớn mạnh, công nghệ , kỹ thuật liên tục triển khai phát triển Điều tạo hội cho IoT đời phát triển mạnh mẽ Tính đến tại, có khoảng 24tỷ thiết bị IoT đời toàn giới ( số liệu 2020) Sự bùng nổ IoT vấn đề thời gian IoT ( Internet of Thing ) hệ thống mạng lưới thiết bị kế nối, thu thập trao đổi thông tin Hệ sinh thái IoT cung cấp cho người dùng quyền hạn kết nối, kiểm soát, sử dụng thiết bị IoT từ xa qua điện thoại thơng minh, máy tính bản….Điều mang lại thuận tiện cho người dùng Vì lý này,trong năm gần đây, IoT ứng dụng hàng loạt lĩnh vực nhà thông minh, thành phố thông minh ,năng lượng thông minh, xe tự hành, nông nghiệp thông minh , quản lý khuôn viên trường ,chăm sóc sức khỏe, hậu cần…… Hình 1.1 minh họa ứng dụng IoT phong phú đa dạng cho nơng nghiệp thơng minh Hình 1.1: Mơ hình IoT nơng nghiệp Nơng nghiệp nghành phát triển mạnh Việt Nam Nhưng áp dụng kỹ thuật cơng nghiệp cịn gặp nhiều hạn chế Vì vậy, chúng tơi viết luận này, trình bày ứng dụng IoT lình vực Nông Nghiệp Đây lĩnh vực đáng khai thác phát triển, khí hậu địa hình Việt Nam thích hợp để trồng trọt Với ứng dụng IoT, chúng tơi mong muốn tự động hóa trình sản xuất, tăng suất, giảm lao động chân tay, giúp ngành nông nhiệp trở nên dễ dàng Trên bản, IoT nông nghiệp tập trung vào việc cung cấp liệu vật nuôi trồng, từ đưa giải pháp tối ưu cho vấn đề tương ứng hiệu so với phụ thuộc hoàn toàn vào lao động Các ứng dụng bật IoT nơng nghiệp gồm có: - Nơng nghiệp xác: cịn gọi canh tác xác, dựa vào liệu vật ni trồng, đưa giải pháp tối ưu canh tác nuôi trồng - Máy Bay không người lái: thực giám sát, đánh giá sức khỏe trồng, chí đất trồng Bên cạnh thay người thực chăm sóc trồng( ví dụ phun thuốc, tưới tiêu….) - Giám sát vật nuôi: hỗ trợ đánh giá, giám sát tình hình vật ni thời gian thực - Nhà Kính thơng minh:canh tác nhà kính góp phần cải thiện mơi trường cho trồng, can thiệp IoT khiến trình chăm sóc tối ưu, tự động hóa Bàn hệ thống IoT nông nghiệp bao gồm phần chính: thiết bị IoT, cơng nghệ kết nối, liệu lưu trữ(database), trình bầy hình 1.2 Hình 1.2: Các thành phần IoT nơng nghiệp Trong này, tập trung ứng dụng IoT Nhà Kính Thơng Minh Cơng việc tổ chức sau: - Chương 1: Giới thiệu chung IoT nói chung ứng dụng IoT nông nghiệp, thành phần IoT nông nghiệp - Chương 2:Trình bày ứng dụng IoT nhà kính : bao gồm tổng quan nhà kính thông minh, Hệ thống, giao thức, thiết bị IoT hệ thống IoT nhà kính thơng minh - Chương 3: Chúng tổng kết kết tiểu luận Chương 2: Nhà Kính thơng minh 2.1 Tổng quan nhà Kính thơng minh : 2.1.1 Khái niệm : Những năm gần đây, Mơ hình nhà kính sử dụng phổ biến để chăm sóc ni trồng non nhằm tạo môi trường phát triển lý tưởng giúp non phát triển số giống trồng cần điều kiện chăm sóc đặc biệt Tuy nhiên , với mơ hình nhà kính thơng thường, nhà vườn phải bỏ cơng chăm sóc nhiều Vì đặc thù non cần chăm sóc , theo dõi tình hình thường xun, với điều kiện khơng phù hợp, bị chết lúc Bên cạnh đó, có số yếu tố mà nhà vườn tự điều chỉnh độ ẩm không khí, nhiệt độ nhà kính… Điều làm mơ hình nhà kính thơng thường khơng có vượt trội đáng nói so với việc canh tác tự nhiên Nhưng với mơ hình nhà kính thơng minh khắc phục, tối ưu hóa nhược điểm Mơ hình nhà kính thơng minh kết hợp hồn hảo mơ hình nhà kính thơng thường ứng dụng IoT (Internet of Thing) tạo thuận tiện, rút bớt thời gian chăm sóc nhà vườn với câu trồng Mơ hình nhà kính thơng minh đơn giản tòa nhà thiết kế đặc biệt để trồng Nó tạo mơi trường cách biệt với giới bên ngồi, theo điều kiện lý tưởng trồng mà nhà vườn-người trồng điều chỉnh nhiệt độ , độ ẩm, ánh sáng, hàm lượng nước đất phù hợp với trồng Những điều kiện điều chỉnh hoàn toàn tự động nhờ hệ thống IoT, có cảnh báo SMS, gửi thông tin trông đến nhà vườn 2.1.2 Cấu trúc nhà kính thơng minh : 2.1.2.1 Hệ thống khung vườn nhà kính : Hình 2.1 : Mơ hình khung vườn nhà kính thơng minh Hệ thống sử dụng khung sắt, thép… Xung quanh bao bọc nilong để tạo môi trường riêng, ngăn chặn sâu bệnh từ bên ngồi vào vườn, giảm tác hại từ mơi trường bên nắng gắt, mưa, bão, sương muối… 2.1.2.2 Cấu trúc mái che Mái che thiết kế mái vịm, phủ lớp nilong kính , polycarbonate chống tia UV… ngăn ánh nắng gắt, mưa lớn ảnh hưởng đến vườn 2.1.2.3 Hệ thống phun sương Tưới sương hình thức tạo mưa nhân tạo nhờ thiết bị hỗ trợ đầu phun(hình 2.3) Tưới phun sương nhằm tiết kiệm lượng nước khổng lồ công tưới Tưới phun sương nhằm đáp ứng lượng nước cho cây, điều hịa khơng khí, làm sachj lá, giúp sinh trưởng tốt Hình 2.3: Hệ thống phun sương nhà kính 2.1.2.4 Hệ thống thơng gió, làm mát Nhà kính bao bọc nilong, tác dụng trình quang hợp, hiệu ứng nhà kính … khiến khơng khí nhà kính khơng điều hịa, gây tình trạng bí bách, thiếu O2 , nhiệt độ cao… gây tác hại xấu đến trồng Hệ thống thơng gió, làm mát đặt bên hơng mái nhà kính Sử dụng quạt thơng gió giúp khơng khí lưu thơng, góp phần điều hịa nhiệt độ Hình 2.3: Hệ thống làm mát quạt thơng gió 2.1.2.5 Hệ thống ánh sáng Thời tiết bên ngồi nhà kính khơng thể kiểm soát Với ngày nắng đẹp, ánh sáng đầy đủ, Với mái che suốt giúp ánh sáng xuyên qua, Cây trồng đủ điều kiện để quang hợp, trao đổi chất Tuy nhiên, ngày trời mù, râm mát ánh sáng không đủ cung cấp, tăng số quang hợp hoa, kết trái, hệ thống đèn chiếu sáng đóng vai trị ánh sáng nhân tạo, cung cấp ánh sáng đầy đủ giúp phát triển Hệ thống tự động tắt trời tối Ngoài ra, cửa sổ thông minh sử dụng để điều chỉnh lượng ánh sáng phù hợp nhà kính Hình 2.4: Hệ thống sổ đèn sáng nhà kính 2.1.3 - Phân loại: Mơ hình nhà kính thơng minh kiểu cánh bướm Mơ hình nhà kính mini trồng rau gia đình Mơ hình nhà kính trồng nấm Mơ hình nhà kính mái hở bên bên - Mơ hình nhà kính mái vịm 2.1.4 Ưu nhược điểm : a Ưu điểm nhà kính thơng minh : - Hệ thống nhà kính phủ kín, giúp che chắn trồng khỏi loại sâu bọ gây bệnh, thay đổi thời tiết thất thường - Áp dụng hệ thống tự động hóa điều khiển nhà kính Điều giúp cho q trình giảm sát, chăm sóc trồng tốt hơn, giảm sức người - Những trang thiết bị kiểu nhà kính thơng minh khác phù hợp với loại trồng, mục đích sử dụng khác b Nhược điểm: - Chi phí chưa tối ưu, nhà kính thơng minh lắp đặt tốn lượng kinh phí lớn 2.2 HỆ THỐNG QUẢN LÍ NHÀ THƠNG MINH 2.2.1 lý thuyết 2.2.1.1 xác xuất a) Khái niệm Xác suất đại lượng linh hoạt dùng để đo lường chắn kiện Khi nói đến xác suất, nghĩ đến khả xảy Lấy ví dụ tác vụ phân loại ảnh chó mèo Nếu bạn chắn ảnh chó bạn đưa xác suất giá trị gần 1, chẳng hạn 0.95 Nhưng giả sử ảnh bị nhoè chụp khoảng cách xa bạn khơng chắn chó Do xác suất giúp bạn đưa lựa chọn lưỡng lự hơn, 0.5 (có thể chó, mà mèo) Các kiện tự nhiên hồn tồn khơng chắn Chắc bạn nhớ bầu cử tổng thống Mỹ năm 2016 ông Donald Trumph bà Hillary Clinton Trước bầu cử nhiều nhận định cho bà Clinton thắng cử cuối ông Trumph trở thành tổng thống Chính nhà khoa ✓ Publisher thiết bị gửi tin lên broker ✓ Subscriber người nhận tin có tin gửi lên Broker Lấy ví dụ đơn giản, mơ hình giống mơ giới nhà đất Người bán đất (Publisher) liên hệ với Mô giới (Broker), gửi cho mô giới thông tin lơ đất đó, giá cả… Sau mơ giới liên hệ với người mua đất (Subscriber), người đăng kí với mơ giới có đất khu ABC báo cho tơi Vậy người mua mua đất từ người bán, thông qua ông trung gian Mà không cần liên hệ trực tiếp với ✓ Topic Topic coi “đường truyền” logic điểm publisher subscriber Về bản, message publish vào topic tất subscriber topic nhận message Giao thức MQTT cho phép khai báo topic kiểu phân cấp Giả sử có hệ thống cảm biến đo thơng tin mơi trường nhà Một nhà thường có nhiều phịng phịng lại có cảm biến môi trường riêng Như vậy, topic phục vụ truyền tải thông tin môi trường cho nhà khai báo sau b Tính chất mơ hình pub/sub - Tính chất: o Space decoupling (Không gian tách biệt) o Time decoupling (Thời gian tách biệt) o Synchronization decoupling (Sự đồng riêng rẽ) - Đặc điểm riêng: o MQTT sử dụng chế lọc thông điệp dựa vào tiêu đề (subject-based) o MQTT có tầng gọi chất lượng dịch vụ (Quality of Services – QoS) Nó giúp cho dễ dàng nhận biết message có truyền thành công hay không 2.4.5 Cơ chế hoạt động giao thức MQTT Một phiên MQTT chia thành bốn giai đoạn: kết nối, xác thực, giao tiếp kết thúc ✓ Client (máy khách) bắt đầu cách tạo kết nối Transmission Control Protocol/Internet Protocol (TCP/IP) tới broker cách sử dụng cổng tiêu chuẩn cổng tùy chỉnh xác định nhà phát triển broker ✓ Các cổng tiêu chuẩn 1883 cho giao tiếp khơng mã hóa 8883 cho giao tiếp mã hóa – sử dụng Lớp cổng bảo mật (SSL) / Bảo mật lớp truyền tải (TLS) Trong trình giao tiếp SSL/TLS, máy khách cần kiểm chứng xác thực máy chủ ✓ Sau đó, Client gửi tin lên broker Publisher nhận tin từ broker Subscriber Quá trình kết nối giữ đến Kết thúc kết nối ✓ Sau kết thúc để truyền nhận MQTT, lại tiếp tục quay lại bước Hình 2.4.5: Cơ chết hoạt động giao thức MQTT 2.4.6 Định dạng tin nhắn MQTT a Định dạng tin nhắn Thơng báo MQTT chứa tiêu đề có độ dài cố định bắt buộc (2 byte) tiêu đề có độ dài thay đổi cụ thể thông báo tùy chọn tải trọng thông báo Các trường tùy chọn thường làm phức tạp việc xử lý giao thức Tuy nhiên, MQTT tối ưu hóa cho mạng hạn chế băng thông không đáng tin cậy (thường mạng khơng dây), trường tùy chọn sử dụng để giảm việc truyền liệu nhiều khả thi MQTT sử dụng thứ tự byte bit mạng Hình 2.4.6 Định dạng tin nhắn Hình 2.4.7 Tổng quan trường tiêu đề cố định b RETAIN (Giữ lại tin nhắn cuối cùng) RETAIN = thông báo PUBLISH hướng dẫn máy chủ lưu giữ thông báo cho chủ đề Khi khách hàng đăng ký chủ đề, máy chủ gửi thơng báo giữ lại Các tình ứng dụng điển hình: Khách hàng cơng bố thay đổi liệu, người đăng ký nhận giá trị tốt cuối biết đến VD: Người đăng ký nhận giá trị nhiệt độ biết gần từ chủ đề liệu nhiệt độ RETAIN = cho người đăng ký B biết tin nhắn xuất thời gian trước Hình 2.4.8 Ví dụng Retain c Remaining length (Chiều dài lại) Để lưu bit, độ dài lại trường độ dài thay đổi với 1… byte Bit quan trọng byte trường độ dài có nghĩa «bit tiếp tục» (CB) Nếu byte theo sau Độ dài lại mã hóa dạng byte trường sau: CB1 = c> 0) * 1280 + b * 1281 + c * 1282 + d * 1283 đặt vào RL byte trường sau: Hình 2.4.9: Remaining length d Connect message fomat Thông báo CONNECT chứa nhiều thông tin liên quan đến phiên làm trường tiêu đề tùy chọn Hình 2.4.10: Connect message fomat Hình 2.4.11 Tổng quan trường Connect message e CONNACK message format: Hình 2.4.12: CONNACK message format f PUBLISH message fomat Hình 2.4.13: Puclish message fomat g PUBACK message format: Hình 2.4.14: PUBACK message format h PUBREC message format: Hình 2.4.15: Pubrec message format i PUBREL message format: Hình 2.4.16: Pubrel message format j PUBCOMP message format: Hình 2.4.17: Pubcomp message format k SUBSCRIBE message format: Hình 2.4.18: Subscribe message format l SUBACK message format: Hình 2.4.19: SUBACK message format m UNSUBSCRIBE message format: Hình 2.4.20: Unsubcribe message format n UNSUBACK message format: Hình 2.4.21: UNSUBACK message format 2.4.7 MQTT QoS MQTT cung cấp mức chất lượng phân phối dịch vụ (QoS) điển hình phần mềm trung gian theo định hướng tin nhắn Mặc dù TCP / IP cung cấp khả phân phối liệu đảm bảo, việc liệu xảy kết nối TCP bị hỏng thông điệp truyền bị Do MQTT bổ sung thêm mức chất lượng dịch vụ TCP Hình 2.4.22: QoS MQTT QoS = 0: Broker/client gởi liệu lần, trình gởi xác nhận giao thức TCP/IP, giống kiểu đem bỏ chợ QoS = 1: Broker/client gởi liệu với lần xác nhận từ đầu kia, nghĩa có nhiều lần xác nhận nhận liệu QoS = 2: Broker/client đảm bảm gởi liệu phía nhận nhận lần, trình phải trải qua bước bắt tay 2.4.8 CONNECT and SUBSCRIBE message sequence Trường hợp 1: Thiết lập phiên đăng ký với cờ phiên = Hình 2.4.23: Đăng ký tạm thời Trường hợp 2: Thiết lập phiên đăng ký với cờ phiên = Hình 2.4.24: Đăng ký lâu bền 2.4.9 PUBLISH message flows QoS level 0: Một thông báo gửi với ngữ nghĩa phân phối nhiều lần Hình 2.4.25: At most once QoS level 1: Cung cấp ngữ nghĩa phân phối lần Nếu khách hàng khơng nhận PUBACK kịp thời, nósẽ gửi lại thơng báo Hình 2.4.21: At least once QoS level 2: QoS cấp độ cung cấp ngữ nghĩa phân phối chất lượng cao xác lần, kèm với chi phí thơng báo kiểm sốt bổ sung Hình 2.4.21: exactly-once 2.4.10 MQTT-SN WSN (Mạng cảm biến khơng dây) thường khơng có TCP / IP làm lớp truyền tải Họ có ngăn xếp giao thức riêng họ, chẳng hạn ZigBee lớp MAC IEEE 802.15.4 Do đó, MQTT dựa TCP / IP chạy trực tiếp WSN Ứng dụng MQTT Ứng dụng cảm biến Thông thường, WSN kết nối với mạng TCP / IP truyền thống thông qua thiết bị cổng MQTT-SN (SN = Mạng cảm biến) phần mở rộng MQTT cho WSN MQTT-SN nhằm vào thiết bị cấp thấp bị hạn chế, thường chạy chiến tuyến, chẳng hạn thiết bị ZigBee MQTT-SN phần lớn dựa MQTT, thực số tối ưu hóa quan trọng cho mạng khơng dây: • Chuỗi chủ đề thay ID chủ đề (cần byte hơn) • ID chủ đề xác định trước khơng u cầu đăng ký • Quy trình khám phá để khách hàng tìm nhà mơi giới (khơng cần định cấu hình tĩnh người mơi giới MQTT Mạng dựa TCP / IP địa chỉ) • Thơng báo liên tục (ngồi đăng ký liên tục) • Lưu trữ ngoại tuyến hỗ trợ khách hàng ngủ (sẽ nhận thông báo đệm từ máy chủ họ thức dậy) Cổng MQTT-SN (trong suốt tổng hợp) kết nối miền MQTT-SN (WSN) với miền MQTT (mạng dựa TCP / IP truyền thống) IV Kết luận : Trong luận này, trình bày chi tiết ứng dụng IoT nhà kính thơng minh Tài liệu tham khảo: Tài liệu tham khảo [1] Giáo trình xác suất thơng kê (HVBCVT) [2] Gujarati: Econometrics by example, 2011 [3] CSE5230 Tutorial: The ID3 Decision Tree Algorithm [4] IoT-Enabled Smart Agriculture: Architecture, Applications, and Challenges, Project: Sustainable Agriculture and Advances of Remote Sensing [5] IoT based Smart Greenhouse, Ravi Kishore Kodali, Vishal Jain and Sumit Karagwal Department of Electronics and Communication Engineering National Institute of Technology, Warangal [6] Egli, P R (2007) MQTT - Message Queueing Telemetry Transport Introduction to MQTT, a protocol for M2M and IoT applications [7] Giao thức MQTT gì? Cách sử dụng lập trình IOT (khuenguyencreator.com)