Tìm hiểu và ứng dụng iot trong nông nghiệp thông minh

Hiện nay, trên thế giới công nghệ thông tin và điện tử ngày càng phát triển, đời sống của con người ngày càng được hoàn thiện. Các thiết bị tự động hóa, điều khiển từ xa ngày càng được tạo ra nhiều và ứng dụng vào cuộc sống hằng ngày của con người. Do đó, nông nghiệp thông minh không còn là mơ ước của con người và nó đang dần trở thành hiện thực.

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay, trên thế giới công nghệ thông tin và điện tử ngày càng phát triển,đời sống của con người ngày càng được hoàn thiện Các thiết bị tự động hóa, điềukhiển từ xa ngày càng được tạo ra nhiều và ứng dụng vào cuộc sống hằng ngày củacon người Do đó, nông nghiệp thông minh không còn là mơ ước của con người và

nó đang dần trở thành hiện thực

Có thể nói, nước ta là một nước đang phát triển và nông nghiệp vẫn là sự lựachọn hàng đầu Sự canh tác nông nghiệp xưa nay ở nước ta vẫn thực hiện một cáchhoàn toàn thủ công làm tốn nhiều sức lực thậm chí là tiền bạc nhưng kết quả vẫnchưa cao Với sự phát triển của công nghệ thông tin chung hiện nay và đặc biệt làIoT nói riêng thì ngành nông nghiệp trong tương lai sẽ có sự thay đổi lớn nhờ ápdụng công nghệ mới vào sản xuất Nó giúp mọi hoạt động trở nên tự động hóa hơn,con người ít phải bỏ công sức chăm sóc hơn nhưng vẫn đạt được thành quả cao

trong sản xuất Chính vì vậy, tôi đã chọn đề tài “Tìm hiểu và ứng dụng IoT trong nông nghiệp thông minh” nhằm mong mọi người có thể tiếp cận và sử dụng nó rộng

rãi hơn ở nước ta

MỞ ĐẦU 1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung mà công nghệthông tin nói riêng góp một phần không nhỏ trong sự thay đổi và phát triển của cuộcsống con người Chiếc máy vi tính ngày càng có nhiều những chức năng mạnh mẽgiúp ích con người thực thi các công việc trong rất nhiều lĩnh vực như khoa học, sảnxuất công nghiệp hay các lĩnh vực xã hội khác như kinh tế, chính trị, văn hóa

Không chỉ máy tính, sự phát triển chóng mặt của các thiết bị di động cầm taycũng tác động không nhỏ đến đời sống của con người Những chiếc Smartphonenhỏ gọn, thông minh không chỉ giúp mọi người liên lạc với nhau dễ dàng hơn, mà

nó còn cung cấp rất nhiều những tính năng hữu ích khác như các ứng dụng vănphòng, giải trí, khả năng kết nối mạng để tìm hiểu thông tin Với những tính năngmạnh mẽ ấy cộng với giá thành vừa phải đã khiến các thiết bị này trở nên rất phổbiến và như vật bất ly thân của rất nhiều người

Trước kia khi khoa học kỹ thuật chưa phát triển, chưa được ứng dụng vàonông nghiệp, người dân phải giám sát các điều kiện như nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩmđất của vườn bằng thủ công như dùng nhiệt kế đã làm mất thời gian, sức lực và kinhphí của người dân Cùng với đó là diện tích trồng trọt ở ta ngày càng lớn và pháttriển đi kèm với nó là công nghệ kĩ thuật cần phát triển theo để đáp ứng được nhucầu của người nông dân, người nông dân thường ít tiếp xúc được với các công nghệmới Hiện nay rau sạch đang là một vấn đề được mọi người đặt lên hàng đầu, mọingười đều mong muốn có một nguồn rau sạch, an toàn để bào vệ sức khỏe cho cảgia đình Xuất phát từ nhu cầu thực tế là sinh viên năm cuối với những kiến thức đãđược học tôi mong muốn tạo ra một hệ thống tự động áp dụng trong nông nghiệpnên tôi đã chọn đề tài “Tìm hiểu và ứng dụng IoT trong nông nghiệp thông minh”

để người nông dân có thể dễ dàng quản lí khu vực trồng trọt của mình một cách dễdàng nhất, đạt hiệu quả đáng kể, giúp cho người dân biết được các trạng thái của

1.2 MỤC TIÊU

Mục tiêu của đề tài là xây dựng hệ thống mạng cảm biến không dây để:

 Giám sát nhiệt độ trong vườn rau

 Giám sát độ ẩm trong vườn rau

 Tự động bật/tắt đèn theo chu kì ngày đêm hoàn toàn tự động

 Đưa ra cảnh báo và hướng xử lý khi các điều kiện môi trường vượt quá mứccho phép

 Thiết lập chế độ điều khiển tùy chọn để người dùng có thể dễ dàng thiết lậpcác yếu tố và điều kiện cảnh báo phù hợp với loại thủy sản

 Điều khiển các thiết bị như máy bơm, ánh sáng thông qua smartphone tại bất

kì đâu có kết nối mạng

1.3 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Áp dụng IoT vào mô hình nông nghiệp thông minh

1.4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

 Phạm vi đề tài:

 Nghiên cứu về Internet of Things

 Nghiên cứu lập trình trên các thiết bị cảm biến, mạch điều khiển thu nhận vàphát tín hiệu về trung tâm xử lý, điều khiển tự động hóa

 Xây dựng ứng dụng quản lý thông tin về các thông số kỹ thuật của nôngnghiệp thông minh trên môi trường internet

 Giới hạn của đề tài

Đề tài chỉ xây dựng một hệ thống IoT để thu tập các thông tin của vườn đểđưa ra các cảnh báo và điều khiển một số thiết bị tự động qua môi trường Internet,

đề tài không tính đến độ bền của các thiết bị cảm biến, vì giới hạn về kinh phí nên

đề tài chỉ sử dụng các thiết bị cảm biến và các board điều khiển rẻ tiền nên dễ hỏng

1.5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN

Ngày nay với sự phát triển của Internet và công nghệ mạng cảm biến, vì vậyIoT là một lĩnh vực được nước ta quan tâm và có nhiều đầu tư để ứng dụng vào thựctiễn Chính vì vậy, đề tài này sẽ có một ý nghĩa khoa học rất lớn, kết quả của đề tài

sẽ góp phần xây dựng các hệ thống nông nghiệp thông minh, mang lại nhiều lợi íchkinh tế

1.6 BỐ CỤC BÁO CÁO

Báo cáo được bố cục thành 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về IoT.

Trong chương này trình bày về định nghĩa, khái niệm và lịch sử phát triểncủa IoT Bên cạnh đó, trình bày về các thành phần cơ bản của IoT và các lĩnh vựcứng dụng của IoT tại Việt Nam

Chương 2: Ứng dụng của IoT trong nông nghiệp thông minh.

Trong chương này trình bày và giới thiệu về nông nghiệp thông minh là gì?Thực trạng ứng dụng IoT và khó khăn, thuận lợi trong việc ứng dụng nông nghiệpthông minh tại Việt Nam

Chương 3: Thiết kế hệ thống IoT cho trang trại trồng rau sạch.

Trong chương này trình bày về việc phân tích, thiết kế hệ thống và triển khai

hệ thống IoT trong nông nghiệp thông minh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ IOT 1.1 GIỚI THIỆU VỀ IOT (INTERNET OF THINGS)

Trong khoảng 2 năm trở lại đây, chắc hẳn bạn đọc đã không ít lần nghe thoángqua về khái niệm Internet of Things, hay bắt gặp tin tức về các sản phẩm đượcquảng cáo là phục vụ cho nhu cầu “smart home” (nhà thông minh) Trong đó,những thiết bị gia dụng như lò nướng hay tủ lạnh có thể "nói chuyện" được vớinhau Nhưng chúng kết nối với nhau như thế nào, và liệu xu hướng này có thực sựbùng nổ, đưa chúng ta đến một thế giới tương lai như trong game hay phim ảnh?Trong bối cảnh mà hàng ngày càng nhiều chủng loại thiết bị được gán mác “smart”

và thi nhau “lên mây” như hiện nay, sẽ là không thừa khi chúng ta trang bị chomình các kiến thức căn bản Internet of Things

"Thing" - sự vật - trong Internet of Things, có thể là một con người với mànhình cấy ghép tim, một động vật trang trại với bộ tiếp sóng chip sinh học, một chiếc

xe ô tô tích hợp các cảm biến để cảnh báo lái xe khi lốp quá non – hoặc bất kỳ đồvật nào do tự nhiên sinh ra hoặc do con người sản xuất ra mà có thể được gán vớimột địa chỉ IP và được cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu qua mạng lưới

Gần đây, Internet of Things được liên kết chặt chẽ với các giao tiếp máy với-máy móc (machine-to-machine - M2M) trong sản xuất và các cơ sở năng lượng,dầu khí, điện Các sản phẩm có khả năng giao tiếp M2M thường được xem là cácsản phẩm thông minh.

móc-1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA IOT

Thời kì trước, khái niệm nhà thông minh với khả năng điều khiển từ xa, điềukhiển bằng nút bấm chỉ xuất hiện trong phim ảnh Ngày nay, với sự vững mạnh củakhoa học kỹ thuật và các ứng dụng côn nghệ, nhà thông minh không còn xa vời.

Hãy đi tìm hiểu lịch sử của IoT qua từng giai đoạn

Năm 1990, John Romkey đã tạo ra một máy nướng bánh mì có thể được bật

và tắt trên Internet cho hội nghị INTEROP tháng 10 năm 1989 và đây cũng đượccoi là thiết bị IoT đầu tiên Dan Lynch, Chủ tịch Interop đã hứa với Romkey rằng,nếu Romkey có thể "nướng bánh mỳ của mình trên mạng", máy sẽ được đặt trongcác nhà triển lãm tại hội nghị Máy nướng bánh mỳ được kết nối với một máy tính

có kết nối mạng TCP / IP Sau đó sử dụng một cơ sở thông tin (SNMP MIB) để bậtnguồn

Năm 1993, Quentin Stafford-Fraser và Paul Jardetzky đã tạo ra một phòngCây trồng được đặt trong “Phòng Trojan” trong Phòng Thí nghiệm Máy tính củaĐại học Cambridge và được sử dụng để theo dõi nối với một hình ảnh được cậpnhật khoảng 3 phút Và gửi đến các máy chủ của tòa nhà Sau đó nó gửi lên trìnhduyệt để có thể hiển thị hình ảnh

Năm 1999 là một năm quan trọng của IoT, trong năm này khái niệm IoT(Internet of Things) đã được đặt ra bởi Kevin Ashton (một trong những người sánglập của Trung tâm Auto ID ban đầu) xem như là điều kiện tiên quyết cho IoT thờiđiểm đó

Năm 2011, ra đời thế hệ địa chỉ mới - IPv6 - có tổng số địa chỉ là 2128.

Vào năm 2013, Internet of Things đã phát triển thành một hệ thống sử dụngnhiều công nghệ, từ Internet đến truyền thông không dây và từ các hệ thống cơ điện

vi mô (MEMS) sang các hệ thống nhúng Các lĩnh vực truyền thống của tự độnghóa (bao gồm tự động hóa các tòa nhà và gia đình), các mạng cảm biến không dây,GPS, các hệ thống điều khiển, và các thiết bị khác đều hỗ trợ IoT

1.3 CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA INTERNET OF THINGS

Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của Internet of Things

Thành phần của IoT được chia cơ bản thành 4 phần: Vạn vật (Things), trạmkết nối (Gateways), hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud) vàcác lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers)

1.3.1 Vạn vật (Things)

Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia dụng vàcông nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng Chẳng hạn như xe hơi, thiết bịcảm biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông quabăng tầng mạng không dây và truy cập vào Internet Giải pháp IoT giúp các thiết bịthông minh được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết

bị chưa thông minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối

1.3.2 Trạm kết nối (Gateways)

Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã khôngđược thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điệntoán đám mây Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là mộttrung gian trực tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đámmây một cách bảo mật và dễ dàng quản lý

1.3.3 Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud)

1.3.3.1 Hạ tầng mạng

Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP được kết nối với nhau

và liên kết với hệ thống máy tính Cơ sở hạ tầng mạng này bao gồm thiết bị địnhtuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị khác có thể kiểmsoát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới viễn thông vàcáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ

1.3.3.1 Điện toán đám mây

Các trung tâm dữ liệu và hạ tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thốnglớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và mạng ảo hóa được kết nối

1.3.4 Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers)

Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (ApplicationProgmraming Interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đưa các sản phẩm và giảipháp IoT ra thị trường một cách chóng và tận dụng được hết giá trị của việc phântích các dữ liệu từ hệ thống và tài sản đang có sẵn

1.4 VẤN ĐỀ BẢO MẬT TRONG IOT

IoT được coi là giai đoạn phát triển kế tiếp của Internet, mở ra một cuộc cáchmạng trong việc giao tiếp giữa con người - đồ vật và giữa các đồ vật với nhau Tuynhiên, để có thể khai thác được những tiềm năng lớn mà IoT mang lại, còn nhiềuvấn đề cần phải giải quyết, trong đó có vấn đề bảo mật cho các thiết bị và hệ thốngIoT Sau đây là các vấn đề bảo mật phổ biến nhất

1.4.1 Giao diện web bảo mật kém

Giao diện web bảo mật kém có thể dẫn tới việc dữ liệu bị mất, bị sửa đổi nộidung, hoặc có thể gây ra tình trạng từ chối truy nhập dịch vụ hay thậm chí là thiết bị

bị chiếm quyền điều khiển hoàn toàn

1.4.2 Cơ chế xác thực chưa đảm bảo an toàn

Nếu cơ chế xác thực là không đủ an toàn, kẻ tấn công có thể khai thác đó đểtruy cập trái phép các tài khoản người dùng và ăn cắp dữ liệu nhạy cảm Kẻ tấncông có thể sử dụng các mật khẩu kém bảo mật hoặc cơ chế phục hồi mật khẩu kémbảo mật, các chứng thư bảo vệ yếu hoặc việc thiếu quyền điều khiển truy nhập chitiết để truy nhập vào giao diện cụ thể Lỗ hổng này có thể làm mất, sai lệch dữ liệu,hoặc từ chối truy nhập dịch vụ và thậm chí có thể dẫn tới việc chiếm quyền thiết bịhoàn toàn

1.4.3 Các dịch vụ mạng không an toàn

Kẻ tấn công sử dụng các dịch vụ mạng dễ bị tấn công để tấn công vào thiết

bị Lỗ hổng này có thể làm tràn bộ nhớ đệm, gây ra tình trạng từ chối dịch vụ, khiếnngười dùng không thể truy cập vào thiết bị Dạng tấn công này có thể dẫn tới việclàm mất dữ liệu, thay đổi nội dung dữ liệu hoặc tạo điều kiện thuận lợi cho việc tấncông vào các thiết bị khác

1.4.4 Thiếu cơ chế mã hoá truyền tin

Nếu dữ liệu trong quá cảnh không được mã hóa đúng cách, kẻ tấn công cóthể tận dụng lợi thế đó để ăn cắp dữ liệu nhạy cảm.Thông thường, lưu lượng mạngcủa thiết bị IOT không được tiếp xúc với bên ngoài mạng Nhưng, nếu các mạngkhông dây không được cấu hình đúng cách, nó có thể làm cho người trên mạnginternet có thể nhìn thấy bất cứ ai trong phạm vi của mạng không dây Và, có thểdẫn đến sự thỏa hiệp hoàn thành của các thiết bị hoặc tài khoản người dùng

1.4.5 Nếu cấu hình an ninh không đủ

Lỗ hổng này tồn tại nếu các thiết bị hạn chế hoặc không có khả năng làmthay đổi kiểm soát an ninh hoặc các giao diện web không có tùy chọn để tạo quyền

sử dụng và không thể thực thi sử dụng mật khẩu mạnh Những kẻ tấn công có thể

lợi dụng điều này để khai thác các lỗ hổng trong các thiết bị để ăn cắp dữ liệu nhạycảm hoặc làm cho các cuộc tấn công nhiều hơn.

1.4.6 Bảo mật vật lý kém

Những kẻ tấn công có thể khai thác truy cập vật lý của hệ thống cũng làmphát sinh bạo tấn công Họ có thể sử dụng cổng USB, thẻ SD hoặc lưu trữ khác cónghĩa là để truy cập vào hệ điều hành và dữ liệu được lưu trữ trong các thiết bị vàkhai thác đó cho mục đích xấu

1.4.7 Phần mềm không an toàn

Thiết bị IOT nên có khả năng sẽ được cập nhật khi lỗ hổng được phát hiện.Nhưng, nếu các tập tin cập nhật không được bảo vệ, nó có thể bị bắt bởi những kẻtấn công và khai thác cho mục đích xấu Những kẻ tấn công có thể chụp các tập tincập nhật không được mã hóa hoặc có thể thực hiện cập nhật độc hại của riêng mình

1.5 CÁC LĨNH VỰC ỨNG DỤNG CỦA INTERNET OF THINGS

1.5.1 Quản lý hạ tầng

Ứng dụng quan trọng của IoT là quản lý cơ sở hạ tầng, với IoT có thể giámsát và kiểm soát các hoạt động của cơ sở hạ tầng đô thị và nông thôn như cầu,đường ray tàu hỏa và trang trại,… IoT có thể được sử dụng để theo dõi bất kỳ sựkiện hoặc những thay đổi trong điều kiện cơ cấu mà có thể ảnh hưởng đến sự antoàn và sự nguy hiểm đến hạ tầng Nó cũng có thể được sử dụng để lập kế hoạchhoạt động sửa chữa và bảo trì một cách hiệu quả

Về quản lí có thể kể đến dự án “Ứng dụng IoT vào quản lí và vận hành hệthống hạ tầng kỹ thuật – Đô thị thông minh” được TS Lê Ngọc Thành trình bày vàochiều ngày 4/11/2016 Hệ thống được sử dụng để quản lý và vận hành hệ thống giaothông, cấp thoát nước và mạng điện giúp hoạt động của đô thị được thông minh vàbền vững hơn

1.5.2 Y tế

Thiết bị IoT có thể được sử dụng để cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệthống thông báo khẩn cấp Các thiết bị theo dõi sức khỏe có thể đo huyết áp và nhịptim với các thiết bị tiên tiến có khả năng giám sát cấy ghép đặc biệt, chẳng hạn như

máy điều hòa nhịp hoặc trợ thính tiên tiến Cảm biến đặc biệt cũng có thể đượctrang bị trong không gian sống để theo dõi sức khỏe của người già.

Về ứng dụng IoT trong y tế có thể kể đến vòng đeo tay thông minh giúp theodõi sức khỏe con người như đo nhịp tim, theo dõi đường huyết, kiểm tra đườnghuyết, phát hiện hydrat hóa và rất nhiều chức năng khác

1.5.3 Xây dựng và tự động hóa nhà

Với các thiết bị IoT có thể được sử dụng để giám sát và kiểm soát các hệthống cơ khí, điện và điện tử được sử dụng trong nhiều loại hình tòa nhà Hệthống tự động hóa, như các tòa nhà tự động hóa hệ thống, thường được sử dụng đểđiều khiển chiếu sáng, sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí, thiết bị, hệ thốngthông tin liên lạc, giải trí và các thiết bị an ninh gia đình để nâng cao sự tiện lợi,thoải mái, hiệu quả năng lượng và an ninh

Có thể kể đến sản phầm LifeSmart phát triển có công dụng như điều khiểnánh sáng, các thiết bị trong nhà và rất nhiều thiết bị khác

1.5.4 Giao thông

Các sản phẩm IoT có thể hỗ trợ trong việc tích hợp các thông tin liên lạc,kiểm soát và xử lý thông tin qua nhiều hệ thống giao thông vận tải Ứng dụng củaIoT mở rộng đến tất cả các khía cạnh của hệ thống giao thông, tức là xe, cơ sở hạtầng, và người lái xe hoặc sử dụng Tương tác giữa các thành phần của một hệ thốnggiao thông vận tải cho phép điều khiển giao thông thông minh, bãi đậu xe thôngminh, hệ thống thu phí điện tử, quản lý đội xe, điều khiển xe, an toàn và hỗ trợđường bộ

Ứng dụng vào nó có thể kể đến các trụ đèn phát sáng hai bên đường Nó cócác cảm biến có thể tự nhận dạng ngày và đêm để bật tắt đen một các hợp lí nhất

1.5.5 Nông nghiệp

Hình 1.3: IoT trong nông nghiệp

Với các thiết bị của IoT có thể hỗ trợ người nông dân giám sát thông số vềnhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, áp suất, ánh sáng, gió, mưa và độ ẩm của đấttrồng, giúp người nông dân giảm thời gian lao động, tăng năng suất cây trồng

Về nông nghiệp có thể kể đến dự án Hachi rất nổi tiếng giúp phát triển nôngnghiệp thông minh một cách tự động nhất

1.6 TỐNG KẾT CHƯƠNG

Trong chương này trình bày về định nghĩa, khái niệm và lịch sử phát triểncủa IoT Bên cạnh đó, trình bày về các thành phần cơ bản của IoT, các lĩnh vực ứngdụng của IoT tại Việt Nam

Ngày nay máy tính, và Internet, hầu như hoàn toàn phụ thuộc vào con ngườimới có thông tin và hoạt động Gần như tất cả trong số khoảng 50 petabyte (1petabyte là 1.024 terabyte) dữ liệu trên Internet lần đầu tiên được con người nắm vàtạo ra bằng cách đánh máy, nhấn nút ghi âm, chụp ảnh hoặc quét mã vạch

Vấn đề là, con người rất hạn chế về thời gian, sự chú ý và chính xác – nghĩa

là con người không được tốt lắm trong việc lưu giữ dữ liệu về mọi thứ trong thếgiới Nếu chúng ta có những chiếc máy tính biết mọi thứ - sử dụng được dữ liệuchúng thu thập mà không cần sự giúp đỡ của con người – thì chúng ta sẽ có thể theodõi và đếm mọi thứ, điều này sẽ giúp giảm rất lớn sự lãng phí, thất bại và chi phí

Chúng ta sẽ biết khi nào mọi thứ cần thay thế, sửa chữa hoặc phục hồi và liệu chúngcòn có thể còn tiếp tục hoạt động hay hoạt động tốt nhất nữa không.

CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG INTERNET OF THINGS TRONG

NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH 2.1 NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

2.1.1 Khái niệm

Nông nghiệp thông minh có thể hiểu là nền nông nghiệp ứng dụng công nghệcao (cơ giới hóa, tự động hóa), công nghệ sản xuất, bảo quản sản phẩm an toàn,công nghệ quản lý, nhận diện sản phẩm theo chuỗi giá trị… gắn với hệ thống trí tuệnhân tạo (công nghệ thông tin) hỗ trợ người nông dân giám sát thông số về nhiệt độ,

độ ẩm không khí, độ ẩm đất, áp suất, ánh sáng, gió, mưa và độ ẩm của đất trồng,giúp người nông dân giảm thời gian lao động, tăng năng suất cây trồng

Hình 2.1: Nông nghiệp thông minh

2.1.2 Lợi ích khi áp dụng IoT vào nông nghiệp thông minh

2.1.2.1 Tăng hiệu suất canh tác

Những hệ thống thiết bị cảm biến, đo đạc sẽ được kết nối với nhau, tích hợpGPS và các công nghệ theo dõi để thu thập dữ liệu, kết nối với hạ tầng đám mây đểtruy xuất dữ liệu, phân tích đưa ra quyết định tối ưu hóa lượng nước, lượng phânbón, tự động hóa các hoạt động nông nghiệp hàng ngày và cung cấp giải pháp theodõi thời gian thực Nhờ đó, các điều kiện dinh dưỡng đối với cây trồng sẽ được tối

ưu, cho mức sinh trưởng tốt nhất

2.1.2.2 Quản lý dịch bệnh

Giảm thiểu dịch bệnh cũng là một yếu tố quan trọng trong việc nâng cao hiệusuất canh tác Thêm vào đó, hiện người dùng đang có xu hướng chuộng các sảnphẩm hữu cơ nên ngành nông nghiệp phải bắt đầu chú trọng tìm kiếm các giải phápgiảm thiểu dịch bệnh cho cây trồng mà không sử dụng thuốc trừ sâu

Hiện đã có không ít giải pháp ứng dụng IoT giúp giám sát số lượng sâu bệnh,khi phát hiện số lượng sâu bệnh trở nên quá cao, hệ thống tự động kích hoạt và ngăncản quá trình kết đôi của sâu bệnh để giảm thiểu sự gia tăng, kèm theo đó sẽ cảnhbáo để nông dân lựa chọn phương thức xử lý nhân công, sinh học hay thuốc trừsâu

2.2 THỰC TRẠNG ỨNG DỤNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH TẠI VIỆT NAM

Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụngcông nghệ nhất Đặc biệt là ở những quốc gia đang phát triển và chậm phát triển,nông nghiệp gần như chỉ phụ thuộc vào kinh nghiệm của những người nông dân vềđặc tính của cây trồng, về thời tiết Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất canh tácgần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”

Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân sốnhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mangtính toàn cầu Ngành nông nghiệp phải tìm kiếm những phương thức tốt hơn để gia

tăng hiệu quả sản xuất Cách duy nhất chính là áp dụng công nghệ mới vào hoạtđộng sản xuất, canh tác

Qua 11 kỳ Đại hội Đảng toàn quốc, từ thực tiễn và yêu cầu phát triển của đấtnước, nhận thức của Đảng và Nhà nước là ngày càng quán tâm và chú ý tới pháttriển nông nghiệp trong tổng thể sự phát triển chung của đất nước Nông nghiệp đã

mở đường cho quá trình đổi mới, tạo nền tảng, động lực cho tăng trưởng kinh tế và

là nhân tố quan trọng bảo đảm sự ổn định kinh tế, xã hội, chính trị của đất nước

Thách thức lớn nhất của nông nghiệp hiện nay là khả năng cạnh tranh, năngsuất, chất lượng sản phẩm nông nghiệp của Việt Nam còn thấp Sở dĩ như vậy là dosản xuất nông nghiệp ở Việt Nam còn nhỏ lẻ, việc ứng dụng khoa học công nghệvào nông nghiệp chưa cao so với thế giới

Chính vì vậy, việc đưa các ứng dụng IoT vào ngành nông nghiệp sẽ giúpminh chứng rõ nhất cho việc IoT đem lại hiệu quả to lớn như thế nào Đó chính là lý

do mà nông nghiệp là lĩnh vực đang được quan tâm đầu tư và được nhiều startup lựachọn để gọi vốn

Ngành nông nghiệp Việt Nam cũng không ngoại lệ Công nghệ trong nôngnghiệp là một trong những từ khóa được nhắc tới khá nhiều trong giới khởi nghiệptại Việt Nam trong thời gian gần đây Với hơn 70% dân số là nông dân, Việt Nam làmột nước nông nghiệp Tuy nhiên, ngành Nông nghiệp Việt đang có dấu hiệu pháttriển kém bền vững, giá trị đóng góp không tương xứng với quy mô Để không bịtụt hậu so với thế giới và khu vực, có thể cạnh tranh được, nông nghiệp Việt Namcũng phải học tập nhiều lĩnh vực khác, đưa CNTT vào ứng dụng rộng rãi để tănghiệu quả sản xuất, đẩy nhanh tốc độ tăng trưởng Muốn làm được điều đó, trước tiên

người nông dân phải có kiến thức về CNTT.

2.3 KHÓ KHĂN VÀ THUẬN LỢI TRONG VIỆC ỨNG DỤNG IOT TRONG NÔNG NGHIỆP TẠI VIỆT NAM

2.3.1 Khó khăn

Hiện nay, chi phí ban đầu cho một mô hình nông nghiệp thông minh ứngdụng IoT là không nhỏ, đặc biệt là các cảm biến phải mua ở Mỹ, Đức rất đắt Ý

thức đổi mới canh tác là rất khó khăn vì người dân chủ yếu dựa vào kinh nghiệm.

Vì thế, không phải muốn là có thể làm được ngay

Hơn nữa, về trình độ người nông dân Việt Nam cũng đặt ra nhiều khó khăncho công tác quản lý và điều hành mô hình sản xuất Mặt khác, điều khó khăn làlàm thế nào phối hợp được với người nông dân, kỹ sư nông nghiệp để đưa sản phẩm

ra thị trường

Điều khó khăn khác là làm thế nào có thể sản xuất một thiết bị đầu tiên,nghiệp vụ canh tác như thế nào, phương pháp đo như thế nào và nhu cầu ngườinông dân, nhu cầu thị trường như thế nào

2.3.2 Thuận lợi

Theo iotvietnam.com thì vào năm 2020 sẽ có 4 tỷ người kết nối với nhau, 4ngàn tỷ USD doanh thu, hơn 25 triệu ứng dụng, hơn 25 tỷ hệ thống nhúng và hệthống thông minh, 50 ngàn tỷ GB dữa liệu và có 6 nhà cung cấp giải pháp IoT việcnày sẽ dẫn đến thị phần còn rất nhiều, tạo điều kiện cho việc phát triển IoT

Mặt khác, các tổ chức quốc tế đầu tư thúc đẩy cho mảng IoT trong nôngnghiệp rất lớn như : quý 3 năm 2016 có 41 lần cam kết tổng đầu tư là 269 triệu đôcho startup nông nghiệp thông minh

Hơn nữa, vấn đề nhức nhối được người tiêu dùng cùng các doanh nghiệpquan tâm rất nhiều hiện nay đó là vấn đề về an toàn thực phẩm, điều này sẽ làm choviệc áp dụng IoT vào nông nghiệp để đảm bảo chất lượng rau củ quả được nhiềunhà đầu tư và doanh nghiệp quan tâm

2.4 TỔNG KẾT CHƯƠNG

Chương này đã giới thiệu về khái niệm nông nghiệp thông minh cũng nhưnhững lợi ích khi áp dụng IoT vào nông nghiệp như thế nào Cùng với đó là thựctrạng để ứng dụng IoT vào Việt Nam còn gặp nhiều khó khăn đặc biệt là về kinh tế,nhận thức và thói quen canh tác

CHƯƠNG 3: THIÊT KẾ HỆ THỐNG IOT CHO TRANG TRẠI

TRỒNG RAU SẠCH 3.1 PHÁT BIỂU BÀI TOÁN

Vấn đề rau sạch an toàn là vấn đề thời sự “ nhức nhối” của toàn xã hội trongthời gian qua Rau có rất nhiều trên thị trường, rất rẻ Nhưng do tập quán canh tácvẫn là canh tác truyền thống, giá trị thấp, hoàn toàn phụ thuộc vào thời tiết, sản xuấttheo mùa vụ, nên dẫn đến sản lượng, chất lượng thấp trong khi rủi ro cao Nông dânkhông có kiến thức về các loại thuốc bảo vệ thực vật, phân bón nhưng vì phải bảo

vệ cây trồng và chạy theo lợi nhuận nên sử dụng bừa bãi phân bón, thuốc BVTV vàthậm trí là chất cấm, chất kích thích sinh trưởng để tăng năng suất Để tăng lợinhuận kết hợp với thương lái bất chấp tất cả để cung cấp, khuyến khích sử dụngchất cấm rồi thu mua bán kiếm lời trong khi nhà nước chưa thể đủ nguồn lực đểquản lý dẫn đến vấn đề “rau bẩn” đang trở thành vấn nạn

Chính vì vậy, chúng tôi đưa ra bài toán thiết kế một hệ thống IoT cho trangtrại trồng rau sạch, ứng dụng IoT là công nghệ mới của thế giới bây giờ, bằng việc

sử dụng các cảm biến theo dõi các yếu tố môi trường như độ ẩm đất, ánh sáng, nhiệt

độ Từ đó người dùng có thể dễ dàng biết được khi nào cần tưới rau, thêm chất dinhdưỡng và điều khiển thông qua smartphone, giúp người nông dân không phụ thuộcquá vào điều kiện thời tiết mà chính bản thân có thể điều kiển được điều kiện thờitiết đó

Vì vậy, việc ứng dụng IoT cho trang trại giúp tạo ra một lượng sản phẩm lớn,năng suất cao, chất lượng tốt và đặc biệt là thân thiện với môi trường, giúp nông dânchủ động trong sản xuất, giảm sự lệ thuộc vào thời tiết và khí hậu do đó quy mô

sản xuất được mở rộng Đặc biệt, giúp giảm giá thành sản phẩm, đa dạng hóa

thương hiệu và cạnh tranh tốt hơn trên thị trường

3.2 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.2.1 Yêu cầu của bài toán

Người nông dân cần có một mô hình tự động có thể giải quyết những vấn đềphát sinh trong quá trình trồng rau củ quả như sự thay đổi của độ ẩm đất, ánh sángtrong trang trại Mặt khác, hệ thống cần đơn giản, dễ sử dụng giúp người nông dânkhông mất thời gian để làm quen

3.2.2 Phân tích bài toán

Việc trồng rau củ quả từ xưa cho đến nay đều phụ thuộc rất lớn vào điều kiệnmôi trường tự nhiên và khí hậu Đặc biệt hơn đây là trang trại trồng rau sạch, nênđiều kiện về tự nhiên và khí hậu sẽ khắt khe hơn

Tuy nhiên, thực trạng việc trồng rau hiện nay là đại đa số nông dân vẫn sảnxuất theo lối canh tác truyền thống, với các hộ riêng biệt nhỏ lẻ, manh múm, sảnxuất thủ công, công nghệ thấp, thụ động trong sản xuất và tiêu thụ, rủi do cao dophụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, thị trường Quá trình sản xuất thường cho ra cácsản phẩm có chất lượng kém, không ổn định, giá trị hàng hóa thấp, và đặc biệt làvấn đề kiểm soát quy trình sản xuất bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm hầu như làcon số không Dẫn đến sản phẩm làm ra không đạt tiêu chuẩn VSATTP Mặt khác

vì rủi do cao, chạy theo lợi nhuận và cũng là để bảo vệ miếng cơm manh áo củamình, nông dân thường tự ý sử dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, hóa chất thậmchí cả chất cấm để bảo vệ cây trồng sai quy trình, trái quy định, thậm chí gây nguyhại cho sức khỏe xã hội

Từ thực tế xã hội và những phân tích trên, chúng tôi nhận thấy vấn đề rau,quả sạch - đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm là vấn đề rất cấp bách của xã hội hiệnnay Vậy nên chúng tôi đã đưa ra một hệ thống IoT cho trang trại trồng rau sạch,giúp người dân dễ dàng có thể trồng rau cho mình, đồng thời người nông dân có thểtrồng rau sạch một cách dễ dàng nhất

Mặt khác, hệ thống giải quyết được các vấn đề trên vì:

 Nhà có màng che loại bỏ được sâu bệnh hại cây trồng

 Không phụ thuộc vào thời tiết do có hệ thống điều chỉnh khí hậu

 Do hệ thống tưới, cung cấp chất dinh dưỡng tự động theo tiến độ sinh trưởngphát triển của cây nên kiểm soát hoàn toàn dư lượng phân bón trong cây, câyphát triển khỏe, năng suất chất lượng cao

 Do tự động cao nên giảm được nhân công

 Loại bỏ được 90% yếu tố mùa vụ, tạo điều kiện canh tác cây trái vụ cho năngsuất và hiệu quả kinh tế cao

Hình 3.1 Sơ đồ chức năng của hệ thống IoT

3.3 TRIỂN KHAI HỆ THỐNG

3.3.1 Thiết kế hệ thống

Chúng tôi cung cấp giải pháp xây dựng hệ thống giám sát các thông số kỹthuật trong nông nghiệp áp dụng IoT Trong hệ thống có các thành phần chính cóthể giải quyết các vấn đề như sau:

Để giải quyết vấn đề đo nhiệt độ, độ ẩm đất, chúng tôi sử dụng một hệ thốngcác máy cảm biến được đặt xung quanh vườn Các máy cảm biến này được nối vớimột board mạch arduino được lập trình sẵn có nhiệm vụ điều khiển các thiết bịtrong vườn và gửi dữ liệu về webserver

Về giao diện giám sát và điều khiển (dành cho smartphone, tablet hay laptop)chức năng hiển thị trạng trái hoạt động các thiết bị qua các hình vẽ mô phỏng, hiểnthị kết quả đo, nhận lệnh cài đặt các thông số, chế độ và nhận lệnh điều khiển thiết