TIỂU LUẬN CUỐI kì đề tài CÔNG NGHỆ iot cây CUỐC CÔNG NGHỆ đa NĂNG của NÔNG NGHIỆP

UEHUNIVERSITY

CONG NGHE loT - “CAYCUỒC CONG NGHE”

NẢNG CỦA NONG NGHIEP

2

UEH UNIVERSITY

UEH COLLEGE OF TECHNOLOGY & DESIGNKHOA : CÔNG NGHỆ THÔNG TIN KINH DOANH

TIỂU LUẬN CUỐI KÌ

ĐỀ TÀI :

Giảng viên hướng dẫn : T.S TRƯƠNG VIỆT PHƯƠNG.Sinh viên thực hiện : Đoàn Minh Khoa.

MSSV : 31201023875.

Lớp học phần : 21C1INF50900305-EC003

Mục lục

I LỜI MỞ ĐẦU 3

II TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ loT 3

1 Mô hình IoT thông dụng 3

2 Cơ sở kỹ thuật của IoT 4

a Công nghệ cảm biến (Sensor Technology) : 4

b Khả năng truyền (Communication Capabilities) : 4

c Công nghệ RFID (RFID Technology) : 4

d Trí tuệ nhân tạo (AI) 5

3 Cơ chế hoạt động của hệ thống IoT 5

a Bước 1-Thu thập dữ liệu 5

b Bước 2-Đối chiếu, số hóa dữ liệu 5

c Bước 3-Phân tích dữ liệu và thực hiện 5

III TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ IoT TRONG NÔNG NGHIỆP 6

1 Mô hình hệ thống IoT trong nông nghiệp 6

2 Cơ sở kỹ thuật của IoT trong nông nghiệp 8

a Hệ thống cảm biến E-Sensor IoT 8

b Điện toán đám mây (Cloud computing) 8

c Phân tích khối dữ liệu và học máy (Big Data Analytics & Machine learning) 9

d ROBOTICS 9

e Mạng lưới truyền thông và giao thức (Communication networks and Protocols) .9

3 Cơ chế hoạt động của hệ thống IoT trong nông nghiệp 10

a Bước 1-Tiếp nhận dữ liệu 10

b Bước 2-Truyền và xử lý dữ liệu 10

c Bước 3-Phân tích dữ liệu và thực hiện câu lệnh 11

IV KHẢ NĂNG ÁP DỤNG IoT TRONG NÔNG NGHIỆP VÀ NHỮNG BẤT TRẮC

I LỜI MỞ ĐẦU.

loT (Internet of Things) hay mạng lưới kết nối vạn vật, là hệ thống gồm các thiết bị kết nối với nhau, như : phần mềm tính toán, thiết bị/máy móc cơ khí, nhân sinh hay các ứng dụng kỹ thuật số Ở đó, hệ thống được quản lý và vận hành mà không thông qua sự can thiệp trực tiếp của con người với máy tính Hệ thống này có thể từ 2 - 10 thiết bị, cũng có thể từ hàng chục, hàng trăm hay hàng tỷ thiết bị được kết nối với nhau Cơ sở hình thành nên hệ thông kết nối thông minh được đề xuất vào năm 1982, với việc kết nối internet vào trong một thiết bị vận hành tự động rất quen thuộc : Máy bán nước Coca-Cola tại Đại học Carnegie Mellon Sau sự kiện ấy, cổ máy có khả năng kiểm tra nhiệt độ cũng như những chai nước còn sót lại Vài năm sau đó, 1999, cụm từ Internet of Things được công bố bởi Kevin Ashton, nhằm để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết cũng như sự tồn tại của chúng Ngày nay, IoT được áp dụng rộng rãi và đối với một số ngành nghề, sự hiện hữu của IoT là không thể thiếu Những ngành nghề đã và đang áp dụng IoT trong quy mô tổ chức và hoạt động, như : Giao thông-Vận tải, Quản lý doanh nghiệp, Dịch vụ-du lịch, Công nghệ địa chất-Công nghệ thủ công-Công nghệ xây dựng, Dịch vụ y tế-Theo dõi sức khỏe, Tự động hóa thiết bị, Một trong những ngành nghề gây bất ngờ và tạo được hiệu ứng tích cực khi ứng dụng công nghệ IoT là “Nông nghiệp” Với kinh nghiệm dày dặn trong việc canh tác nông nghiệp, do đó, đất nước ta là một mảnh đất phì nhiêu cho các công ty công nghệ muốn phát triển Ngày càng xuất hiện nhiều kỹ sư nông nghiệp cũng như nhà đầu tư nghiên cứu về việc áp dụng hệ thống công nghệ IoT vào nông nghiệp Trong đó, nổi bật là công ty HOSCO, top đầu trong các công ty thành công với lĩnh vực ứng dụng công nghệ phần mềm với nhiều thành tựu, với dự án NextFarm : Đưa công nghệ vào hệ thống quản lý và sản xuất Dựa vào từng thời kỳ phát triển của cây, yếu tố ngoại cảnh, tính chất môi trường cũng như tính chất thực vật, NextFarm đã xây dựng hệ thống tưới tiêu tự động và điều khiển hệ thống với câu lệnh từ xa, nhờ vào công nghệ truyền dẫn.

Với những ưu việt và sự hứa hẹn tương lai nhờ vào việc ứng dụng loT trong quy trình sản xuất nông nghiệp, thực hiện đề án thực phẩm sạch, công nghệ xanh và tự động hóa khâu hoạt động và quản lý, tôi chủ trương đầu tư nghiên cứu về vấn đề áp dụng IoT trong quản lý và sản xuất nông nghiệp thông qua bài tiểu luận này Về cách thức áp dụng công nghệ IoT, mô hình hoạt động cũng như bình luận về vấn đề IoT.

II TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ loT.1 Mô hình IoT thông dụng.

Khi nói về thiết bị loT (loT devices), chúng ta chỉ nghĩ đến các thiết bị vật lý có khả năng thu thập dữ liệu từ môi trường xung quanh (thường là qua các cảm biến) và được tích hợp các tính năng tạo kết nối đến các thực thể khác bằng các công nghệ như LPWAN (LoraWAN, SigFox, NB-IoT) [5], WiFi, Bluetooth, Zigbee, Cellular 4G, 5G Khi chúng

ta nói về ứng dụng loT (loT application), chúng ta nói về các ứng dụng được lập trình để xử lý khối lượng dữ liệu được thu thập từ các thiết bị vật lý IoT, đưa ra các kết quả thống

Hình 2: Mó hình tổng quan của giãi phap loT

kê và cao hơn là tự động hóa một số tiện ích dựa trên dữ liệu thu thập được Các thiết bị IoT có thể là thiết bị đầu cuối (end-device) hoặc các thiết bị trung chuyển (gateway/base station) Các ứng dụng IoT xử lý dữ liệu (thu thập từ các thiết bị IoT) được cài đặt tại hệ thống xử lý (máy chủ, lưu trữ) trung tâm Ngoài chức năng thu thập, lưu trữ, xử lý thống kê dữ liệu, ứng dụng IoT còn có thể lập trình để điều khiển ngược lại hành vi của các thiết bị đầu cuối, từ đó tạo ra các tiện ích tự động hóa cho của toàn bộ hệ thống.

2 Cơ sở kỹ thuật của loT.a Công nghệ cảm biến (SensorTechnology) :

Cảm biến không thể thiếu trong loT, nó tiếp nhận các dữ liệu của môi trường bên

ngoài rồi gửi dữ liệu về trung tâm Các công nghệ cảm biến thông dụng : Cảm biến tăng tốc, cảm biến rò rỉ , cảm biến hồng ngoại, Đặc biệt trong nông nghiệp, hệ thống cảm biến là điều không thể thiếu vì các nhân tố ngoại cảnh cần theo dõi sát sao.

b Khả năng truyền (Communication Capabilities) :

Trong IoT, mỗi thiết bị đều có một địa chỉ IP riêng lẽ cho kỹ sư gắn vào, biểu lộ tính xác định của thiết bị Do đó khả năng cấp phát địa chỉ IP sẽ quyết định đến tương lai của IoT Sự ra đời của IPv6(128bit) đã bổ trợ cho việc cạn kiệt của IPv4(32bit) Sự gia tăng mạnh mẽ của IPv6 trong không gian địa chỉ là một yếu tố quan trọng trong phát triển Internet of Things Hình 2-a biểu thị cách thức

truyền thông.

c Công nghệ RFID (RFID Technology) :

RFID viết tắt của chữ Radio Frequency Identiíication, nghĩa là nhận dạng bằng sóng vô tuyến là một phương pháp nhận dạng tự

Hình 2-a

131

động dựa trên việc lưu trữ dữ liệu từ xa, sử dụng thiết bị thẻ RFID và một

d Trí tuệ nhân tạo (AI).

Những tiến bộ trong mạng nơ-ron đã mang lại khả năng xử lý ngôn ngữ tự nhiên (NLP) cho các thiết bị IoT (chẳng hạn như trợ lý cá nhân kỹ thuật số Alexa, Cortana và Siri) Mô hình mạng nơ-ron chủ yếu bao gồm mô hình nhận thức đơn lớp, nhận thức nhiều lớp mô hình, mô hình bản đồ tính năng tự tổ chức của Kohonen (bản đồ tự tổ chức), xuyên tâm mạng nơron chức năng cơ bản, mạng nơron dự đoán, Nhờ đó, hệ thống sẽ giải quyết các yêu cầu, câu lệnh thông qua AI và thực hiện trong hệ thống IoT.

3 Cơ chế hoạt động của hệ thống loT.

Hầu hết, cơ chế hoạt động của hệ thống IoT gồm 3 bước cố định sau :

Ví dụ của một hệ thông loT

Thuthệpdữllệu -►

a Bước 1-Thu thập dữ liệu.

Đây là bước tiếp nhận yêu cầu, nó cho thấy được điều bất thường phải xử lý trong hệ thống thông qua các yêu cầu tiếp nhận Thực tế, dữ liệu không chỉ xuất hiện trên máy móc hay các vật chất được theo dõi, nó còn xuất hiện ngay chính người sử dụng, cụ thể là các câu lệnh được tiếp thu qua AI Có rất nhiều phương pháp/thiết bị IoT công nghiệp khác nhau để thu thập dữ liệu, phù hợp với từng đối tượng, có thể kết nối trực tiếp với máy, cài cảm biến, hoặc sử dụng các thiết bị thu thập thông tin đầu vào khác.

b Bước 2-Đối chiếu, số hóa dữ liệu.

Vai trò của giai đoạn này là tổng hợp tín hiệu từ các note - sensor hoặc máy rồi xử lý, chuyển đổi sang định dạng số trước khi đẩy lên server Sau khi tổng hợp, hệ thống cần nén lượng dữ liệu khổng lồ thu thập và xử lý được đến kích thước tối ưu để tiến hành phân tích trong các giai đoạn tiếp theo Điều này sẽ giúp giảm tải băng thông của thiết bị khi sử dụng đường truyền Internet từ dưới đẩy lên server Thông dụng nhất là công nghệ AI, được sử dụng kết hợp với IoT để tiếp nhận dữ liệu giọng nói và mã hóa câu lệnh, giúp cho hệ thống máy tính tiếp nhận và xử lý.

c Bước 3-Phân tích dữ liệu và thực hiện.

Đến lúc này, dữ liệu mới thực sự được chuyển sang thế giới CNTT Trong hệ thống IoT, các hệ thống CNTT được bố trí ngay tại thực địa (nhà máy) sẽ thực hiện xử lý dữ

liệu và một số phân tích nâng cao bước đầu Ví dụ, hệ thống sẽ ứng dụng công nghệ học

máy (Machine Learning) và trực quan hóa để đưa ra các thông tin có giá trị sử

thực hiện câu lệnh được đề ra.

III TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ loT TRONG NÔNG NGHIỆP.1 Mô hình hệ thống loT trong nông nghiệp.

Dựa vào hệ thống IoT chuẩn, các kỹ sư nông nghiệp đã thiết kế lên các hệ thống IoT nhằm xử lý các vấn đề canh tác, sản xuất theo hướng khoa học nhất Mô hình 3-a cho ta thấy được các nhu cầu cần

xử lý bằng IoT bên cạnh các thiết bị hỗ trợ xử lý Dữ liệu được

thu thập thông qua các cảm biến cung cấp thông tin về tình trạng môi trường khác nhau để giám sát toàn bộ hệ thống đúng cách Theo dõi các điều kiện môi trường hoặc năng suất cây trồng đối tượng không mong muốn, các cuộc tấn công của động vật hoang dã và

trộm cắp, Hơn nữa, loT cung cấp một lịch trình được tổ chức tốt cho các tài nguyên bị hạn chế, đảm bảo rằng việc sử dụng loT tốt nhất sẽ nâng cao năng suất Ví dụ : Ứng dụng agriculture Xtreme loT của Libedium giúp hỗ trợ việc canh tác trong nhà kính như tưới tiêu, bón phân hay kiểm tra quá trình phát triển của cây trồng Mặt khác, hệ thống IoT xử dụng các điện toán đám mây, bộ cảm ứng cũng như thiết bị truyền không dây như

Wireless, Zigbee, Bluetooth, để lưu truyền và tiếp nhận các yêu cầu cũng như dữ liệu báo cáo về những gì sảy ra xung quanh môi trường canh tác.

Hình 3-b cho ta thấy được các thành phần chính trong quy trình điều hành quản lý và vận hành công nghệ sản xuất nông nghiệp thông minh dựa vào IoT Dựa vào thông tin trong hình, cho ta thấy quy trình có 4 thành phần chính chính :

a.Cấu trúc vật lý.

Là thành phần quan trọng nhất của hệ thống, hay nói cách khác, đây là thành phần cấu tạo nên hệ thống quản lý và vận hành công nghệ IoT trong nông nghiệp Đây là cơ sở để hệ thống tiếp nhận dữ liệu từ môi trường, đối tượng được theo dõi, nhờ vào các ứng dụng cảm biến ( Sensor devices ) như : Cảm biến áp suất ( Presure sensor ), cảm biến độ ẩm ( Moisture sensor ), Các công nghệ cảm biến thực hiện nhiều chức năng điều khiển như, khám phá nút, dịch vụ nhận dạng và đặt tên thiết bị, Tất cả thiết bị công nghệ cảm biến được điều khiển thông qua một bộ vi điều khiển Thao tác điều khiển này được thực hiện bởi bất kỳ thiết bị từ xa hoặc máy tính nào được kết nối qua Internet.

b.Thu nhập dữ liệu.

Thu thập dữ liệu được chia thành hai thành phần phụ cụ thể là: Thu thập dữ liệu IoT và Thu thập dữ liệu tiêu chuẩn Theo đó, thành phần thu thập dữ liệu loT bao gồm bảy giao thức là Truyền tải từ xa xếp hàng tin nhắn (MQTT), Websocket, Giao thức xếp hàng tin

nhắn nâng cao (AMQP), Nút, Giao thức ứng dụng ràng buộc (CoAP), Dịch vụ

Xử lý dữ liệu bao gồm nhiều tính năng là xử lý hình ảnh hoặc video, tải dữ liệu, hệ thống hỗ trợ quyết định và khai thác dữ liệu như trong Hình 3-b Theo yêu cầu hệ thống, bất kỳ tính năng nào có thể được thêm vào có thể hoạt động song song để cung cấp các dịch vụ khác Công nghệ Data Mining giúp phát hiện sai sót trong dữ liệu, sau đó chuyển thông tin về hệ thống máy chủ để xử lý Hệ hỗ trợ quyết định (Decision Support System -DSS) sẽ sàng lọc và phân tích lượng dữ liệu khổng lồ, tổng hợp thông tin một cách toàn diện mà có thể được sử dụng để giải quyết các vấn đề và trong quá trình ra quyết định.

d.Phân tích dữ liệu.

Phân tích dữ liệu bao gồm hai tính năng chính là giám sát và kiểm soát Giám sát liên quan đến ba ứng dụng chính trong nông nghiệp thông minh là Giám sát chăn nuôi, Giám sát thực địa và Giám sát nhà kính IoT cho phép nông dân giám sát vật nuôi thông qua nhiều cảm biến được sử dụng để theo dõi các bệnh khác nhau của vật nuôi như nhiệt độ, nhịp tim và tiêu hóa, Trong khi đó, các ứng dụng giám sát thực địa báo cáo các ghi nhận của các yếu tố khác nhau như độ ẩm của đất, nhiệt độ, độ ẩm, không khí, áp suất (áp suất không khí và áp suất nước), và giám sát dịch bệnh cây trồng, Ứng dụng loT trong canh tác nhà kính giúp quản lý ánh sáng cây trồng, khí hậu nhân tạo và cả đề phòng dịch bệnh ngoại cảnh ảnh hưởng đến năng suất nông nghiệp.

2 Cơ sở kỹ thuật của loT trong nông nghiệp.a Hệ thống cảm biến E-Sensor loT.

Là thiết bị giám sát các thông số môi trường mọi lúc mọi nơi thông qua một chiếc điện thoại thông minh (smartphone) Nhờ vào sự giám sát 24/24 của hệ thống cảm biến trực tuyến, hạn chế tối đa các tác động của môi trường như : Nhiệt độ cao, độ ẩm thấp, ánh sáng yếu, nồng độ CO2 cao, kiểm soát lượng nước trong đất phục vụ tưới chính xác, Hệ thống còn tích hợp điều khiển tự động, điều khiển từ xa, quạt, đèn, hệ thống tưới nhỏ giọt, Sau cùng, các dữ liệu thu thập sẽ được lưu trữ phục vụ cho phân tích mùa vụ sau Hệ thống sử dụng công nghệ RF để truyền nhận dữ liệu không dây từ thiết bị trung tâm (E-Sensor Master) đến cảm biến (E-Sensor Slave) và bộ điều khiển (E-Sensor Control).

b Điện toán đám mây (Cloud computing).

Sự hợp tác của loT và điện toán đám mây trong nông nghiệp cung cấp khả năng truy cập phổ biến vào các nguồn tài nguyên được chia sẻ Để đáp ứng các nhu cầu nông

nghiệp khác nhau theo yêu cầu qua mạng và thực hiện các hoạt động, điện toán đám mây đóng một vai trò quan trọng Kiến trúc phần mềm dựa trên đám mây đã được đề xuất để

xử lý và truy xuất thông tin và các nhiệm vụ nông nghiệp theo cách chính xác

nhúng khác Điện toán biên hay điện toán sương mù được coi là xương sống của điện toán

đám mây Các ứng dụng công nghệ chuyên dụng trong lưu trữ điện toán đám mây :

Google Cloud Platform, IBM Watson, Amazon Web Services,

c Phân tích khối dữ liệu và học máy (Big Data Analytics & Machine learning).

Các dữ liệu thu thập được từ các cấu trúc vật lý, cụ thể là hệ thống cảm biến là rất lớn Việc quản lý và phân tích một khối lượng lớn dữ liệu là điều vốn rất khó khăn Thông qua Bid Data, các khối dữ liệu được phân tích nhờ vào các công nghệ tích hợp cung cấp các phương pháp giám sát cây trồng khác nhau và hiệu quả ở các giai đoạn khác nhau Một trong các công nghệ xử lý khối lượng lớn dữ liệu đó là học máy (ML) của AI, cho phép hệ thống máy tính có thể hiểu và “học” được các dữ liệu được thu nhập, từ đó tiến hành phân tích và đánh giá, cụ thể hơn là phân tích khối dữ liệu từ môi trường nông nghiệp và giải quyết các vấn đề của cây trồng, gia súc, yếu tố môi trường/ngoại cảnh.

d ROBOTICS.

Robot được xem như là bước tiến vượt bậc của công nghệ 4.0, đưa con người vào cuộc cách mạng 5.0-Tự động hóa Robot Kéo theo điều đó, nông nghiệp đang ngày ứng dụng cơ sở kỹ thuật của công nghệ Robot trong việc quản lý và vận hành hệ thống công nghệ IoT Robot nông nghiệp được sử dụng để xử lý các nhiệm vụ nông nghiệp thiết yếu như thu hoạch cây trồng với khối lượng lớn và nhanh hơn tốc độ lao động của con người Tùy vào mục đích mà các loại Robot được thiết kế để phục vụ, có thể kể đến như : Robot chim dung để xua đuổi côn trùng, Robot trồng cây dùng để gieo trồng, Robot diệt cỏ chạy bằng năng lượng mặt trời Tertill, Robot phun thuốc và bón phân-Vốn được thiết kế để tối thiểu mức rủi ro tính chất công việc tác động đến con người, Tất cả các robot này được điều khiển bằng cách sử dụng loT để tăng năng suất cây trồng và sử dụng tài nguyên hiệu quả.

e Mạng lưới truyền thông và giao thức (Communication networks and Protocols).

Giao thức truyền thông là những mô tả cụ thể của định dạng và luật lệ bản tin số Giao thức truyền thông có thể bao gồm chứng thực thông tin, phát hiện lỗi, sửa lỗi và báo hiệu Nó cũng có thể mô tả cú pháp, định dạng và đồng bộ hóa truyền thông số hoặc tương tự Có rất nhiều giao thức truyền thông khác nhau đã được phát triển Tuy nhiên, với mạng cảm biến dùng trong nông nghiệp, đòi hòi về dung lượng đường truyền không cao và thời gian cập nhật dữ liệu không quá cấp thiết Bằng việc thiết kế một giao thức đơn giản sử dụng công nghệ RF, nó có thể được triển khai trên vi điều khiển nhỏ gọn mà không tiêu tốn quá nhiều tài nguyên phần cứng Các mạng lưới và giao thức truyền thông trong nông nghiệp giúp cho hệ thống máy tính có thể liên kết các dữ liệu thu nhập từ nông trại, giám sát và thực hiện các thao tác đồng bộ trong môi trường nông trại.