Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nông nghiệp thông minh dựa trên nền tảng vạn vật kết nối - IoT

Bài viết trình bày việc nghiên cứu và đề xuất một hệ thống quản lí các thông số môi trường ở các trang trại dựa trên nền tảng IoT và các giao thức truyền tin thời gian thực để truyền nhận và quản lý dữ liệu một cách nhanh chóng, hiệu quả. Người dùng có thể dễ dàng nắm rõ các thông số của môi trường trong toàn trang trại và có thể điều khiển để can thiệp một cách tức thời để đảm bảo điều kiện môi trường trồng trọt luôn được hiệu quả tốt nhất.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÍ NƠNG NGHIỆP THƠNG MINH DỰA TRÊN NỀN TẢNG VẠN VẬT KẾT NỐI - IoT Phan Văn Đại, Phan Hải Phong* Khoa Điện tử viễn thông, Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế *Email: phphong@hueuni.edu.vn Ngày nhận bài: 7/5/2019; ngày hoàn thành phản biện: 01/7/2019; ngày duyệt đăng: 02/7/2019 TÓM TẮT Với xu hướng vạn vật kết nối (Internet of Thing - IoT), việc kết hợp tảng công nghệ IoT vào sản xuất quản lí nơng nghiệp xu nhiều nước giới Trong báo này, nghiên cứu đề xuất hệ thống quản lí thơng số mơi trường trang trại dựa tảng IoT giao thức truyền tin thời gian thực để truyền nhận quản lý liệu cách nhanh chóng, hiệu Người dùng dễ dàng nắm rõ thơng số mơi trường tồn trang trại điều khiển để can thiệp cách tức thời để đảm bảo điều kiện môi trường trồng trọt hiệu tốt Hệ thống quản lý trang trại nông nghiệp xây dựng với máy chủ đặt dịch vụ đám mây Kết thực nghiệm cho thấy, hệ thống thiết kế truyền nhận liệu cách ổn định, xác người dùng quan sát, điều khiển giao diện trực quan thông qua nhiều thiết bị đầu cuối khác Từ khóa: Internet of Thing (IoT), MQTT, MongoDB, Smart Agriculture MỞ ĐẦU Khái niệm Vạn vật kết nối (Internet of Thing) đưa vào năm cuối kỷ 20 Nhưng từ đến nay, tảng có phát triển vượt bậc qua thời gian ngắn nhờ vào thành tựu công nghệ ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác đời sống Trong đó, nơng nghiệp lĩnh vực quan tâm ứng dụng công nghệ IoT vào sản xuất để nhằm tiết kiệm chi phí, nâng cao sản lượng chất lượng nông sản [4][7][10] Các hệ thống trang trại thông minh phát triển dựa việc xây dựng hệ thống cảm biến để đo thông số môi trường nhiệt độ, độ ẩm, độ pH, hàm lượng chất dinh dưỡng[2]… Các cảm biến liên kết với thành mạng cảm biến thông qua kết nối khơng dây gửi liệu máy tính chủ nhằm lưu trữ xử lý thơng tin có [3] Từ đó, máy tính 95 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nơng nghiệp thơng minh dựa tảng vạn vật kết nối - IoT người quản lý biết trạng toàn trang trại đưa định để điều chỉnh lại thông số cho phù hợp với điều kiện canh tác Hơn nữa, kỹ thuật liệu lớn, trí thơng minh nhân tạo điện tốn đám mây ứng dụng vào hệ thống quản lý thơng minh để tăng tính tự động cải thiện ‚trí thơng minh‛ hệ thống [8][9] Trong báo này, tập trung vào việc thiết kế hệ thống quản lý trang trại thông minh dựa việc ứng dụng tảng IoT để liên kết cảm biến đo thông số môi trường với Dữ liệu từ cảm biến thu thập truyền lên máy chủ đám mây để quản lý, lưu trữ xử lý thông tin Bên cạnh đó, chúng tơi phát triển ứng dụng người dụng dựa tảng web để người quản lý trang trại quan sát thơng số mơi trường trang trại theo thời gian thực điều khiển thiết bị điện trang trại để điều chỉnh thông số theo yêu cầu loại trồng Trong tương lai, đề tài hướng đến việc ứng dụng trí thơng minh nhân tạo vào việc quản lý để hoạt động tồn trang trại tự động hóa hồn tồn THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÍ NƠNG NGHIỆP THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG IoT 2.1 Giao thức MQTT MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) giao thức truyền tin theo mơ hình cơng bố/đăng kí (publish/subcribe) [5] Nó dựa ‚người môi giới‛ (Broker) trung gian thiết kế có tính mở (khơng đặc trưng cho ứng dụng nào), đơn giản dễ dàng tích hợp vào hệ thống Do tính đơn giản, tốc độ truyền khơng cao chiếm băng thơng, giao thức MQTT phù hợp cho ứng dụng IoT Mơ hình MQTT gồm thành phần MQTT Clients, Servers (Brokers), Phiên (Session), q trình đăng kí (Subscriptions) chủ đề (Topics) Hình mơ tả mơ hình hoạt động mơ hình MQTT: + MQTT Client (điểm xuất, điểm nhận): Client thực đăng kí chủ đề để xuất nhận gói tin + MQTT Server (broker): Servers thực khởi tạo chủ đề, nhận đăng kí từ Clients yêu cầu chủ đề, nhận liệu gửi đến chuyển tiếp chúng + Chủ đề: Về mặt kĩ thuật, chủ đề hàng đợi chứa tin nhắn Về mặt logic, chủ đề cho phép Clients trao đổi thông tin liệu + Phiên: Một phiên định nghĩa kết nối từ Client đến Server Tất giao tiếp Client Server phần phiên 96 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) + Quá trình đăng kí: Khơng giống phiên, q trình đăng kí mặt logic kết nối từ Client đến chủ đề Khi thực đăng kí đến chủ đề, Client trao đổi thơng tin với chủ đề Q trình đăng kí trạng thái ‘tạm thời’ ‘bền vững’, phụ thuộc vào cờ xóa phiên gói kết nối + Thơng tin (Message): Thơng tin đơn vị liệu trao đổi chủ đề Hình Mơ hình MQTT 2.2 Đề xuất mơ hình cấu trúc cho hệ thống Hệ thống xây dựng dựa nhu cầu quản lý tập trung khu vực trang trại có khác đặc điểm nuôi trồng Tại địa điểm cần quản lí, thiết bị bao gồm cảm biến bo điều khiển lắp đặt Ta gọi điểm nốt hệ thống (system node) Các nốt gửi liệu thiết bị trung tâm để tập hợp lại gửi lên hệ thống máy chủ Thiết bị trung tâm chuyển tiếp liệu nốt đến máy chủ để xử lí, lưu trữ hiển thị lên thiết bị giao tiếp với người Để thuận tiện cho người sử dụng, giao diện trang web xây dựng để đưa thông số thu thập Đồng thời, chức điều khiển chức tiện ích tích hợp vào hệ thống để tăng tính tương tác người thiết bị Hơn nữa, tính báo hiệu thơng báo ‚notification‛ tự động báo hiệu điện thoại tích hợp hệ thống xây dựng ứng dụng chạy tảng điện thoại thông minh Sơ đồ tổng quát hệ thống phát họa Hình 97 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nơng nghiệp thơng minh dựa tảng vạn vật kết nối - IoT Hình Mơ hình đề xuất cho hệ thống quản lý trang trại nông nghiệp Trên thực tế, hệ thống bao gồm khối Hình 3: - Khối cảm biến (sensor) chấp hành (actuator): bao gồm cảm biến để đo thông số khác môi trường trang trại cấu chấp hành để điều khiển đóng mở thiết bị điện khác - Khối xử lí tín hiệu trung gian: nơi để thu nhận liệu từ cảm biến gửi thông số đến Khối xử lý, lưu trữ, chuyển tiếp Ngoài ra, khối nhận lệnh điều khiển gửi xuống để đưa tín hiệu điều khiển cấu chấp hành - Khối xử lí, lưu trữ chuyển tiếp liệu: máy chủ ảo đặt hệ thống điện toán đám mây để nhằm lưu trữ, xử lý sau gửi liệu cần thiết đến thiết bị đầu cuối cho người dùng truy cập Khối nhận liệu gửi từ thiết bị người dùng, sau phân tích gửi đến khối xử lý tín hiệu trung gian phù hợp nhằm truyền đến khối chấp hành cần điều khiển - Thiết bị đầu cuối: máy tính, điện thoại di động, hay thiết bị thơng minh có khả kết nối mạng để người dùng truy cập liệu điều khiển hệ thống từ khắp nơi 98 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) Hình Sơ đồ khối chi tiết cho hệ thống quản lý nông nghiệp thông minh 2.3 Thiết kế hệ thống quản lý nông nghiệp tự động Ứng dụng tảng IoT dựa giao thức MQTT hệ quản trị sở liệu MongoDB Hệ thống thực tế xây dựng với thiết bị công nghệ đề xuất Hình 4: Hình Đề xuất công nghệ để triển khai cho hệ thống thực tế Hệ thống sử dụng bo máy tính nhúng Raspberry Pi để đóng vai trị khối xử lý tín hiệu trung gian Raspberry Pi máy tính mini với lõi CPU ARM Cortex-A53 Quadcore 1.2GHz 64-bit, nhớ RAM 1GB đáp ứng yêu cầu xử lí nhanh tác vụ Đặc biệt, Raspberry Pi hỗ trợ chuẩn Wifi 802.11n giúp cho việc kết nối Internet dễ dàng hơn, không bị ràng buộc mạng Ethernet Raspberry Pi đọc 99 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nơng nghiệp thơng minh dựa tảng vạn vật kết nối - IoT liệu thông số môi trường (như nhiệt độ độ ẩm) từ cảm biến để gửi đến Broker Trong mơ hình thử nghiệm báo này, tạm sử dụng cảm biến DHT-22 để đo thông số nhiệt độ độ ẩm mơi trường Phần máy chủ chạy hồn tồn đám mây bao gồm phần: Mosquitto Broker, Server Node.js, MongoDB cloud Mosquitto Broker broker nhẹ, mã nguồn mở thực MQTT triển khai dịch vụ website Amazon (AWS) nên hoạt động liên tục Điều giúp tránh ngắt quãng liệu trao đổi Broker phần trung gian Web-server bo máy tính nhúng Raspberry Pi 3, làm nhiệm vụ trao đổi liệu hai bên Node.Js [1][6] cơng cụ chúng tơi sử dụng để dựng lên Webserver Tất kết nối với để tạo thành hệ thống hoạt động hồn chỉnh Trong hệ thống này, Node.Js kết hợp với Socket.IO để tạo thành máy chủ có khả chạy ứng dụng thời gian thực Máy chủ Node.Js triển khai Heroku – hosting miễn phí đảm bảo ổn định Trong hệ thống này, MongoDB sử dụng để lưu lại liệu mà hệ thống thu từ cảm biến MongoDB hệ quản trị sở liệu mã nguồn mở thiết kế theo kiểu hướng đối tượng với cấu trúc linh hoạt, truy vấn nhanh Dữ liệu sau chuyển đến Web-server chuyển tiếp lưu máy chủ chạy MongoDB Các liệu truy vấn để phục vụ mục đích nghiên cứu, dự đốn Trong hệ thống quản lý khơng thể thiếu giao diện hiển thị điều khiển tương tác cho người dùng Chúng xây dựng giao diện web-based, sử dụng tất trình duyệt phổ biến Chrome, Firefox, Safari… Giao diện có nhiệm vụ xử lí, hiển thị liệu thời gian thực nên người dùng cập nhật thông tin cách thuận tiện KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Do giới hạn kinh phí thiết bị, hệ thống chúng tơi xây dựng mơ hình thiết bị phần cứng để thử nghiệm tính tồn hệ thống Trong thiết bị mơ hình này, cảm biến DHT-22 đóng vai trị phần cụm cảm biến để đo nhiệt độ độ ẩm môi trường Các cấu chấp hành chẳng hạn điều khiển động phun nước mơ hình tạm thời động DC, điều khiển chế sưởi mơ hình đèn LED Mơ hình thiết bị phần cứng thực thi thử nghiệm Hình 100 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) Hình Thực thi thử nghiệm mơ hình phần cứng cho hệ thống Một giao diện người dùng xây dựng thử nghiệm Hình 6, với đầy đủ tính hiển thị thông số đo theo thời gian thực cho phép người dùng điều khiển cấu chấp hành hệ thống thông qua giao diện đồ hoạ Hệ thống giám sát quản trị nông nghiệp triển khai thành công, thực thi đầy đủ chức đặt ban đầu bao gồm giai đoạn đọc liệu từ cảm biến, chuyển liệu đến Web-server lưu liệu vào hệ quản trị sở liệu MongoDB, chuyển tiếp liệu đến giao diện người dùng 101 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nơng nghiệp thơng minh dựa tảng vạn vật kết nối - IoT Hình Giao diện người dùng phần mềm giám sát, điều khiển Trong hình trên, ta thấy liệu từ cảm biến thay đổi biểu đồ biểu diễn thay đổi tương ứng Từ dễ dàng quan sát thay đổi đọc giá trị thông số môi trường cách tức thời Ở chiều ngược lại, lệnh điều khiển từ người dùng chuyển tới Webserver để xử lý Sau đó, lệnh điều khiển chuyển đến thiết bị nốt hệ thống để thực thao tác bật - tắt động phun nước (tượng trưng động DC), bật – tắt hệ thống sưởi (tượng trưng đèn LED) Hình ảnh phía minh hoạ khả điều khiển từ giao diện người dung để đóng ngắt hệ thống sưởi thơng qua thiết bị điện thoại thơng minh (Hình 7) 102 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) Hình Điều khiển hệ thống từ thiết bị di động KẾT LUẬN Trong báo này, tập trung việc nghiên cứu đề xuất hệ thống quản lý nông nghiệp tự động xây dựng dựa tảng IoT hệ quản trị sở liệu điện toán đám mây Hệ thống nghiên cứu xây dựng thành công dựa phần cứng bo máy tính nhúng Raspberry Pi 3, cảm biến DHT – 22 số dịch vụ điện tốn đám mây Phần hệ thống Node.Js server với giao thức truyền tin đặc trưng IoT MQTT xây dựng triển khai dịch vụ điện toán đám mây Heroku AWS Một giao diện người dùng với khả hiển thị thời gian thực thiết kế đảm bảo yêu cầu thân thiện cho việc tương tác với hệ thống Các giá trị đo lệnh điều khiển thử nghiệm chứng tỏ hệ thống hoạt động tốt ổn định, phát triển thành hệ thống hoàn chỉnh để ứng dụng vào thực tiễn nông trại quy mô vừa nhỏ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Basarat Ali Syed (2014), Beginning Node.js, Apress Publisher; 1st ed edition (November 25, 2014) [2] Kaewmard, Nattapol; Saiyod, Saiyan (2014) Sensor data collection and irrigation control on vegetable crop using smart phone and wireless sensor networks for smart farm, IEEE Conference on Wireless sensors (ICWiSE) 2014, Page(s): 106 – 112 103 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nơng nghiệp thơng minh dựa tảng vạn vật kết nối - IoT [3] Nelson Sales, Artur Arsenio (2016) Wireless Sensor and Actuator System for Smart Irrigation on the Cloud, 2nd World forum on Internet of Things (WF-IoT) Dec 2015, published in IEEE Xplore [4] Nikesh Gondchawar, Prof Dr R S Kawitkar (2016) IoT based Smart Agriculture, International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, Vol 5, Issue 6, ISSN (Online) 2278-1021 ISSN (Print) 2319 5940 [5] OASIS Standard (2014) MQTT Version open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.doc 3.1.1, Website: http://docs.oasis- [6] Pedro Teixeira (2012) Professional Node.js: Building Javascript Based Scalable Software, Wrox Publisher; edition (October 23, 2012) [7] Prathibha, S R.; Hongal, A & Jyothi, M P (2017) IoT Based Monitoring System in Smart Agriculture, International Conference on Recent Advances in Electronics and Communication Technology (ICRAECT) 2017, Paper(s): 81-84 [8] Rupanagudi, SudhirRao; Ranjani B.S; Nagaraj, Prathik; Bhat, Varsha G; Thippeswamy G (2015) A novel cloud computing based smart farming system for early detection of borer insects in tomatoes, International Conference Communication, Information & Computing Technology (ICCICT) 2015, Page(s): – [9] Rajeswari, S.; Suthendran, K & Rajakumar, K (2017) A smart agricultural model by integrating IoT, mobile and cloud-based big data analytics, International Conference on Intelligent Computing and Control (I2C2) 2017, Paper(s): 1-5 [10] Sushanth, G & Sujatha, S (2018) IoT Based Smart Agriculture System, International Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking (WiSPNET) 2018, Paper(s): 1-4 104 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số (2019) STUDYING AND DESIGNING A SMART MANAGEMENT SYSTEM FOR AGRICULTURE BASED ON INTERNET OF THING – IoT Phan Van Dai Phan, Phan Hai Phong * Faculty of Electronics and Telecommunications, University of Sciences, Hue University *Email: phphong@hueuni.edu.vn ABSTRACT There has been a trend of combination of IoT technology platform with production and management in agriculture in many countries around the world In this research, we have studied and proposed a system which can manage environmental parameters on farms based on IoT platform and real-time communication protocols to transmit and manage data in a timely and efficient manner Users can easily understand the parameters of the environment throughout the farm and can control to interfere immediately to ensure the best environment conditions Agricultural farm management system is built with servers located on cloud services Experimental results show that the system transmits data in a stable, accurate User can monitor and control the system on an intuitive interface through many different devices Keywords: Internet of Thing (IoT), MongoDB, MQTT, Smart Agriculture 105 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nơng nghiệp thơng minh dựa tảng vạn vật kết nối - IoT Phan Văn Đại sinh ngày 02/09/1995 Thừa Thiên Huế Ông tốt nghiệp kỹ sư ngành Điện tử viễn thông trường Đại học Khoa học, Đại học Huế vào năm 2018 Hiện tại, ông học thạc sỹ ngành Kkỹ thuật điện tử trường Đại học Thành Công – Đài Loan Lĩnh vực nghiên cứu: điện tử, hệ thống nhúng, IoT, máy học… Phan Hải Phong sinh ngày 23/05/1082 Thừa Thiên Huế Ông tốt nghiệp cử nhân Vật lý trường Đại học Khoa học, Đại học Huế vào năm 2004; tốt nghiệp thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2010, năm 2018 ông nhận tiến sỹ lĩnh vực Kỹ thuật máy tính trường Hiện tại, ông công tác khoa Điện tử viễn thông, trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Lĩnh vực nghiên cứu: vi điện tử, thiết kế vi mạch số, hệ thống nhúng, IoT, học máy… 106 ... quát hệ thống phát họa Hình 97 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nơng nghiệp thơng minh dựa tảng vạn vật kết nối - IoT Hình Mơ hình đề xuất cho hệ thống quản lý trang trại nông nghiệp Trên. .. cho hệ thống quản lý nông nghiệp thông minh 2.3 Thiết kế hệ thống quản lý nông nghiệp tự động Ứng dụng tảng IoT dựa giao thức MQTT hệ quản trị sở liệu MongoDB Hệ thống thực tế xây dựng với thiết. .. Web-server lưu liệu vào hệ quản trị sở liệu MongoDB, chuyển tiếp liệu đến giao diện người dùng 101 Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nơng nghiệp thơng minh dựa tảng vạn vật kết nối - IoT