Tải bản đầy đủ

Ứng dụng iot trong nông nghiệp hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh, giám sát điều kiện môi trường cây trồng từ xa và điều khiển thông qua smart phone

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

ĐỒ ÁN
TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG IoT TRONG NÔNG NGHIỆP: HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
CHĂM SÓC CÂY TRỒNG TƯỚI TIÊU THÔNG MINH, GIÁM SÁT
ĐIỆU KIỆN MÔI TRƯỜNG CÂY TRỒNG TỪ XA VÀ ĐIỀU KHIỂN
THÔNG QUA SMART PHONE
Giảng viên hướng dẫn : ThS.HOÀNG ANH DŨNG
Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN HỮU PHI

Lớp

: K16A

Khoá


: 2013-2017

Hệ

: ĐẠI HỌC CHÍNH QUY

Hà Nội, 5/2017


VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM

KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Họ và tên sinh viên: Nguyễn Hữu Phi
Lớp: K16A
Khoá:16 (2013-2017)
Ngành đào tạo: Công nghệ Kỹ thuật điện tử, Truyền thông
Hệ đào tạo: ĐHCQ
1/ Tên đề tài đồ án tốt nghiệp đại học:
Ứng dụng iot trong nông nghiệp: hệ thống tự động chăm sóc cây trồng tưới
tiêu thông minh, giám sát điệu kiện môi trường cây trồng từ xa và điều
khiển thông qua smart phone
2/ Nội dung chính:
1. Đặt vấn đề và mục đích của đồ án.
2. Xây dựng tổng quan lí thuyết của đề tài.
3. Xây dựng thiết kế mô hình sản phẩm của đề tài.
4. Thực hiện làm sản phẩm cho đề tài.
5. Áp dụng, thử nghiệp thực tế sản phẩm
3/ Cơ sở dữ liệu ban đầu
1. Các kiến thức kĩ thuật điện tử, lập trình
2. Một số tài liệu tham khảo trong và ngoài nước
4/ Ngày giao :13 /02/2017
5/ Ngày nộp: 19/5/2017
TRƯỞNG KHOA
(Ký, ghi rõ họ tên)



GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên)


LỜI MỞ ĐẦU
Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng
công 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
về đặc tính của cây trồng, về thời tiết… Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất
canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”.
Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số nhanh
chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức mang tính
toàn cầu. Cộng thêm nhu cầu tự trồng, tự chăm sóc đảm bảo có thực phẩm sạch
đang là xu hướng của cư dân thành thị hay các khu đô thị. 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 hoạt động sản xuất, canh tác.
Do đó là một sinh viên ngành Điện tử-Viễn thông, cần nắm bắt được sự
phát triển không ngừng của khoa học - kĩ thuật, những tiến bộ công nghệ và
những ý tưởng mới lạ để có thể ứng dụng vào cuộc sống hiệu quả hơn, bên cạnh
đó sâu xa hơn là thúc đẩy sự phát triển của nền nông nghiệp nước nhà nói chung
và nông nghiệp tiểu canh hộ gia đình, khu đô thị nói riêng, nắm bắt và đi cùng
với xu thế phát triển đó, em đã chọn đề tài “Xây dựng mô hình hệ thống tự
động chăm sóc cây trồng tưới tiêu thông minh, giám sát điệu kiện môi trường
cây trồng từ xa và điều khiển thông qua smart phone” để làm đề tài cho đồ án
tốt nghiệp đại học của sinh viên.
Hà Nội, tháng 3 năm 2017
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Hữu Phi
LỜI CẢM ƠN


Qua những năm tháng học tập và rèn luyện tại Viện Đại học Mở Hà Nội,
nhận được sự chỉ bảo và giảng dạy nhiệt tình của quý thầy cô khoa Công nghệ
Điện Tử - Thông Tin, khoa mà em đã gắn bó suốt 4 năm qua, đã truyền đạt cho
em những kiến thức vô cùng quý báu về lý thuyết và thực tiễn trong suốt thời
gian học ở giảng đường. Cùng với sự nỗ lực của bản thân và với sự tìm tòi
nghiên cứu tài liệu hay là có sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián
tiếp của người khác đã góp phần giúp em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học
này.
Từ những kết quả đạt được này, em xin chân thành cảm ơn: Thầy giảng viên
hướng dẫn thạc sĩ Hoàng Anh Dũng đã hướng dẫn và góp ý kiến quý báu giúp
em hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại học này và cùng với đó là các thầy, cô khoa
Công nghệ Điện Tử-Thông Tin, Viện Đại học Mở Hà Nội đã nhiệt tình giảng
dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu, quan trọng và cần thiết cho em trong
suốt quá trình học tập tại trường.
Do kiến thức còn thiếu xót, hạn hẹp nên không tránh khỏi những sai sót
trong cách xây dựng và thực hiện đồ án tốt nghiệp đại học này. Em rất mong
nhận được sự thông cảm và đóng góp ý kiến của quý thầy cô để em tiếp thu
thêm để làm cho đồ án tốt nghiệp đại học của em đạt được kết quả tốt hơn nữa.
Em xin chân thành cảm ơn!

NHẬN XÉT


(Của giảng viên hướng dẫn)
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU .................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ............................................................................................. 1
1.2. Mục đích nghiên cứu............................................................................ 2
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT...................................................... 4
2.1. Khái quát về IoT..................................................................................... 4
2.1.1. Khái niệm ........................................................................................... 4
2.1.2. Xu hướng và tính chất ........................................................................ 5
2.1.3. Ứng dụng ........................................................................................... 8
2.1.4. Một số tác nhân cản trở sựu phát triển của IoT ................................. 12
2.2. Kit nodeMCU/esp8266 ......................................................................... 14
2.2.1. Lịch sử hình thành và khái niệm ....................................................... 14
2.2.2. Tổng quan về nodeMCU/esp8266 .................................................... 16
2.2.3. Các loại modules ESP ...................................................................... 18
2.2.4. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của nodeMCU/esp8266 ................. 22
2.3. Cảm biến ............................................................................................... 25
2.3.1. Tổng quan về cảm biến..................................................................... 25
2.3.2. Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT11 .................................................... 31
2.3.3. Cảm biến độ ẩm đất ....................................................................... 36
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH ............................... 40
3.1. Thiết kế phần cứng ............................................................................ 40
3.1.1

Phương án thiết kế ......................................................................... 40

3.1.2

Sơ đồ khối phần cứng .................................................................... 40

3.2. Thiết kế phần mềm ............................................................................... 55
3.2.1. Web server ThingSpeak ................................................................. 55
3.2.2. Ứng dụng Blynk ............................................................................ 61
3.3. Sơ đồ thiết kế và nguyên lí hoạt động ............................................... 75
3.4. Code điều khiển.................................................................................. 78
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC ................................................................................. 94
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................. 96


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Mô hình liên kết IoT ........................................................................ 4
Hình 2.3: Ứng dụng của IoT ............................................................................ 9
Hình 2.5: kit nodeMCU.................................................................................. 16
Hình 2.6: Sơ đồ chân của nodeMCU ............................................................. 22
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lí khối ESP 12-CORE trong nodeMCU................. 22
Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lí khối USB TO UART trong nodeMCU ............... 23
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lí khối POWER trong nodeMCU .......................... 23
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lí khối KEY trong nodeMCU ............................... 24
Hình 2.18: Đọc dữ liệu Bit 0.......................................................................... 35
Hình 2.12: Sơ đồ nguyên lí khối ADC trong nodeMCU ............................... 24
Hình 2.13: Các loại cảm biến ......................................................................... 31
Hình 2.14: Cảm biến DHT11 ......................................................................... 32
Hình 2.15: Kích thước cảm biến DHT11 ...................................................... 32
Hình 2.16: Kết nối DHT11 với vi xử lí .......................................................... 33
Hình 2.17: Gửi tín hiệu Start hoạt động trong DHT11 ................................ 34
Hình 2.19: Đọc dữ liệu Bit 1........................................................................... 35
Hình 2.20: Cảm biến độ ẩm đất ..................................................................... 36
Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lí của cảm biến độ ẩm đất .................................... 37
Hình 3.1: sơ đồ khối phần cứng ..................................................................... 41
Hình 3.2: Sơ đồ chân của nodeMCU ............................................................. 42
Hình 3.3: Kích thước của nodeMCU ............................................................. 43
Hình 3.4: chức năng các chân của nodeMCU ............................................... 43
Hình 3.5: Module cảm biến DHT11 .............................................................. 44
Hình 3.6: Sơ đồ nguyên lí của cảm biến DHT11........................................... 45
Hình 3.7: module cảm biến độ ẩm đất .......................................................... 46
Hình 3.8: Sơ đồ nguyên lí của cảm biến độ ẩm đất ...................................... 46
Hình 3.9: LCD 16x4 ....................................................................................... 48
Hình 3.10: Kích thước của màn hình LCD 16x4 .......................................... 48


Hình 3.11: module điều khiển màn hình giao tiếp I2C ................................ 50
Hình 3.12: kết nối LCD 16x4 với module giao tiếp điều khiển I2C ............. 51
Hình 3.13: Module relay 2 kênh .................................................................... 52
Hình 3.14: Sơ đồ nguyên lí của module relay 2 kênh ................................... 53
Hình 3.15: Sơ đồ chân của module relay 2 kênh .......................................... 53
Hình 3.16: máy bơm ....................................................................................... 54
Hình 3.17: tạo tài khoản trên Thingspeak .................................................... 56
Hình 3.18: Đăng nhập vào Thingspeak ......................................................... 57
Hình 3.19: tạo New Channel .......................................................................... 57
Hình 3.20: tạo New Channel .......................................................................... 58
Hình 3.21: Giao diện My Channels ............................................................... 59
Hình 3.22: API keys của Channel.................................................................. 60
Hình 3.23: Nhập API Keys vào chương trình ............................................... 60
Hình 3.24: hiển thị dữ liệu lên Channel ........................................................ 61
Hình 3.25: Ứng dụng Blynk ........................................................................... 61
Hình 3.26: Mô hình kết nối của Blynk .......................................................... 62
Hình 3.27: Tạo tài khoản trên Blynk ............................................................ 64
Hình 3.28: Tạo Project mới ........................................................................... 64
Hình 3.29: tạo Project mới ............................................................................. 65
Hình 3.30: Chọn thiết bị kết nối .................................................................... 65
Hình 3.31: Tạo các Widget ............................................................................ 66
Hình 3.32: cài đặt GAUSE cho nhiệt độ........................................................ 67
Hình 3.33: cài đặt các chỉ số của nhiệt độ ..................................................... 67
Hình 3.34: cài đặt thông số cho độ ẩm .......................................................... 68
Hình 3.35: Cài đặt thông số cho độ ẩm đất ................................................... 69
Hình 3.36: Thêm đèn LED ............................................................................. 69
Hình 3.37: Cài đặt đèm LED hiển thị bơm ................................................... 70
Hình 3.38: Cài đặt LED cho đèn ................................................................... 70
Hình 3.39: Cài đặt ảnh báo điện thoại .......................................................... 71


Hình 3.40: Lấy Widget nút bấm .................................................................... 72
Hình 3.41: Cài đặt nút bấm cho bơm ............................................................ 73
Hình 3.42: Cài đặt nút bấm cho đèn ............................................................. 74
Hình 3.43: Lấy Token .................................................................................... 74
Hình 3.44: Nhập Token vào code chương trình............................................ 75
Hình 3.45: Sơ đồ khối phần cứng .................................................................. 75
Hình 3.48: Cài đặt các thông số Board nodeMCU ....................................... 80
Hình 3.47: Intall Board ESP8266 .................................................................. 79


DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Các loại module ESP ..................................................................... 19
Bảng 2.2: So sánh cảm nhận của cảm biến qua 5 giác quan ........................ 26
Bảng 3.1: kết nối chân của DHT11 với nodeMCU ....................................... 45
Bảng 3.3: Sơ đồ chân và giá trị các chân của LCD 16x4 .............................. 49
Bảng 3.4: kết nối chân nodeMCU với module điều khiển giao tiếp I2C ..... 52
Bảng 3.5: Kết nối chân của nodeMCU với các linh kiện .............................. 76


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Viết tắt

Đầy đủ

Ý nghĩa

IoT

Internet of Thing

Internet vạn vật

SoC

System on Chip

Hệ thống trên chíp

Message Queuing Telemetry

Là một giao thức gởi dạng

Transport

publish/subscribe

Micro Controller Unit

Hệ thống vi điều khiển

MQTT
MCU

Một loại cấu trúc vi xử lý 32 bit và 64
ARM

Advanced RISC Machine

bit kiểu RISC được sử dụng rộng rãi
trong các thiết kế nhúng

CPU

Central Processing Unit

Bộ xử lí trung tâm

LCD

Liquid crystal display

Màn hình tinh thể lỏng

VGA

Video Graphics Array

Chuẩn hiển thị máy tính

TCP

Transmission Control Protocol Giao thức kiểm soát truyền tải

IP

Internet Protocol

Giao thức internet
Cổng đầu vào và ra với mục đích cơ

GPIO

General Purpose Input Output

bản, thực tế nó là các chân đầu ra, đầu
vào đa chức năng.

UART
ADC

Universal Asynchronous
Receiver – Transmitter
Analog-to-digital converter,

Là một mạch tích hợp được sử dụng
trong việc truyền dẫn dữ liệu nối tiếp
giữa máy tính và các thiết bị ngoại vi.
Mạch chuyển đổi tương tự sang số


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1.

Đặt vấn đề

Từ trước tới nay nông nghiệp là một trong những lĩnh vực ít được áp dụng
công 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
về đặc tính của cây trồng, về thời tiết… Chính vì vậy, năng suất và hiệu suất
canh tác gần như được để ngỏ, mang tính “may, rủi”.
Trong khi đó, trước những thách thức về biến đổi khí hậu, gia tăng dân số
nhanh chóng, vấn đề đảm bảo đủ lương thực là một trong những thách thức
mang tính 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 hoạt động sản xuất, canh tác.
Trong bối cảnh ngày nay xã hội càng lo ngại về chất lượng cũng như an
toàn thực phẩm. Điều then chốt trong việc đánh tan lo ngại này, và góp phần
thúc đẩy nâng cao chất lượng sản phẩm nông nghiệp, là việc nâng cao tính minh
bạch, chuyên nghiệp, và khoa học của chuỗi sản xuất nông nghiệp. IoT đóng vai
trò lớn trong việc giúp sự minh bạch và chuyên nghiệp này trở nên đáng tin cậy
hơn. Có thể lấy vài ví dụ như việc lắp đặt thẻ cảm ứng vào tai lợn để theo dõi và
thu thập dữ liệu về quá trình chăn nuôi; hay việc quản lí điều kiện môi trường
cây trồng, yếu tố dinh dưỡng trong cây trồng, quy trình tự động hóa trong việc
chăm sóc cho đến xử lý, đóng gói, bán sỉ và lẻ, giúp từng khuôn thịt khi đến tay
người dùng đều kèm theo một hồ sơ quản lý được lưu trữ đáng tin cậy giúp toàn
bộ quy trình sản xuất trở nên minh bạch hơn.

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 1Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

Hình 1.1: Minh họa IoT trong nông nghiêp
Chính vì vậy, người tiêu dùng sản phẩm nông nghiệp cũng nên chờ mong
vào ứng dụng IoT và việc đưa các ứng dụng IoT vào ngành nông nghiệp sẽ giúp
minh 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 lựa chọn để gọi vốn.
1.2.

Mục đích nghiên cứu
Mục đích tổng thể của nghiên cứu là: thiết kế, xây dựng mô hình vườn

giám sát điều kiện môi trường cây trồng, tự động bơm tưới thông minh, điều
khiển từ xa thông qua smart phone phù hợp với cây trồng trong nhà tại các khu
đô thị hay các khu vườn quy mô vừa và nhỏ. Với các mục tiêu cụ thể:
- Tự động: hệ thống vườn điều khiển bơm tưới thông minh có chức năng tự
động, giảm thiểu tối đá sức ảnh hưởng từ sức lao động.
- Năng suất, hiệu quả: có năng suất khá cao, hiệu quả lớn, khi cây được
chăm sóc theo nhu cầu của chính cây trồng dựa trên các yếu tố của môi
trường trồng như nhiệt độ, độ ẩm hay độ ẩm trong đât.

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 2Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

- Tiết kiệm được thời gian: Giảm thiểu tối đa công sức và thời gian chăm
sóc cho con người.
- Kinh tế: Mô hình vườn thông minh được thiết kế với các bộ phận, linh
kiện và công nghệ tối giản nhất nhằm vừa có thể đáp ứng được yêu cầu và
vừa tiết kiệm chi phí để làm sao cho mô hình vừa có hiệu quả vừa không
gây tốn kém kinh tế.

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 3Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN LÍ THUYẾT
2.1. Khái quát về IoT
2.1.1. Khái niệm
Mạng lưới vạn vật kết nối Internet hoặc là Mạng lưới thiết bị kết nối
Internet viết tắt là IoT ( Internet of Things) là một kịch bản của thế giới, khi mà
mỗi đồ vật, con người được cung cấp một định danh của riêng mình, và tất cả có
khả năng truyền tải, trao đổi thông tin, dữ liệu qua một mạng duy nhất mà không
cần đến sự tương tác trực tiếp giữa người với người, hay người với máy tính.
IoT đã phát triển từ sự hội tụ của công nghệ không dây, công nghệ vi cơ điện tử
và Internet. Nói đơn giản là một tập hợp các thiết bị có khả năng kết nối với
nhau, với Internet và với thế giới bên ngoài để thực hiện một công việc nào đó.

Hình 2.1: Mô hình liên kết IoT
Một vật trong IoT có thể là một người với một trái tim cấy ghép; một động
vật ở trang trại với bộ chip sinh học; một chiếc xe với bộ cảm ứng tích hợp cảnh
báo tài xế khi bánh xe xẹp hoặc bất kỳ vật thể tự nhiên hay nhân tạo nào mà có
thể gán được một địa chỉ IP và cung cấp khả năng truyền dữ liệu thông qua
mạng lưới. Cho đến nay, IoT là những liên kết máy-đến-máy (M2M) trong

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 4Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

ngành sản xuất, công nghiệp năng lượng, kỹ nghệ xăng dầu. Khả năng sản
phẩm được tích hợp máy-đến-máy thường được xem như là thông minh.
2.1.2. Xu hướng và tính chất

• Thông minh
Sự thông minh và tự động trong điều khiển thực chất không phải là một phần
trong ý tưởng về IoT. Các máy móc có thể dễ dàng nhận biết và phản hồi lại môi
trường xung quanh (ambient intelligence), chúng cũng có thể tự điều khiển bản
thân (autonomous control) mà không cần đến kết nối mạng. Tuy nhiên, trong
thời gian gần đây người ta bắt đầu nghiên cứu kết hợp hai khái niệm IoT và
autonomous control lại với nhau. Tương lai của IoT có thể là một mạng lưới các
thực thể thông minh có khả năng tự tổ chức và hoạt động riêng lẻ tùy theo tình
huống, môi trường, đồng thời chúng cũng có thể liên lạc với nhau để trao đổi
thông tin, dữ liệu.
Việc tích hợp trí thông minh vào IoT còn có thể giúp các thiết bị, máy móc,
phần mềm thu thập và phân tích các dấu vết điện tử của con người khi chúng ta
tương tác với những thứ thông minh, từ đó phát hiện ra các tri thứcmới liên quan
tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con
người.

• Kiến trúc dựa trên sự kiện
Các thực thể, máy móc trong IoT sẽ phản hồi dựa theo các sự kiện diễn ra trong
lúc chúng hoạt động theo thời gian thực. Một số nhà nghiên cứu từng nói rằng
một mạng lưới các sensor chính là một thành phần đơn giản của IoT.

• Là một hệ thống phức tạp
Trong một thế giới mở, IoT sẽ mang tính chất phức tạp bởi nó bao gồm một
lượng lớn các đường liên kết giữa những thiết bị, máy móc, dịch vụ với nhau,
ngoài ra còn bởi khả năng thêm vào các nhân tố mới.

• Kích thước

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 5Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

Một mạng lưới IoT có thể chứa đến 50 đến 100 nghìn tỉ đối tượng được kết nối
và mạng lưới này có thể theo dõi sự di chuyển của từng đối tượng. Một con
người sống trong thành thị có thể bị bao bọc xung quanh bởi 1000 đến 5000 đối
tượng có khả năng theo dõi.

• Vấn đề không gian, thời gian
Trong IoT, vị trí địa lý chính xác của một vật nào đó là rất quan trọng. Hiện nay,
Internet chủ yếu được sử dụng để quản lý thông tin được xử lý bởi con người.
Do đó những thông tin như địa điểm, thời gian, không gian của đối tượng không
mấy quan trọng bởi người xử lý thông tin có thể quyết định các thông tin này có
cần thiết hay không, và nếu cần thì họ có thể bổ sung thêm. Trong khi đó, IoT về
lý thuyết sẽ thu thập rất nhiều dữ liệu, trong đó có thể có dữ liệu thừa về địa
điểm, và việc xử lý dữ liệu đó được xem như không hiệu quả. Ngoài ra, việc xử
lý một khối lượng lớn dữ liệu trong thời gian ngắn đủ để đáp ứng cho hoạt động
của các đối tượng cũng là một thách thức hiện nay.

• Luồng năng lượng mới
Hiện nay, IoT đang trải qua giai đoạn phát triển "bộc phát" và điều này xảy ra
nhờ vào một số nhân tố, trong đó gồm IPv6, 4G, chi phí, tính sẵn có của công
nghệ. Gary Atkinson, Giám đốc tiếp thị sản phẩm nhúng của ARM cho rằng, đã
có nhiều thiết bị chứng tỏ rằng có thể thu thập dữ liệu và truyền tải dữ liệu trên
mạng nhưng chỉ có giá khoảng 40USD/sản phẩm. Hiện nay, chúng ta có thể
nhìn thấy các bộ vi điều khiển 32-bit nền tảng ARM có giá dưới chỉ trên dưới
1USD (chỉ ở 23.000 đồng - thời giá tháng 4/2017). Với bộ vi điều khiển này,
bạn có thể làm nhiều điều trên đó. Thu thập và truyền dữ liệu rẻ hơn nhiều: chỉ
50 xu cho một bộ vi điều khiển 32-bit của ARM.
ARM đã "nhanh chân" trong việc nhận ra rằng, ổ đĩa có xu hướng sử dụng các
bộ vi điều khiển 32-bit là giải pháp cho những người có ý định thực hiện một số
quyết định của riêng họ theo một cách tự động. Gary tin rằng, khả năng của các

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 6Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

bộ vi điều khiển này ngày càng tăng, điều này có nghĩa là người dùng có thể làm
những điều mà trước đây là bất khả.
Trong 5 năm tiếp theo, bạn sẽ thấy ngày càng có nhiều thiết bị trên thị trường.
Những thách thức đang diễn ra là quản lý dữ liệu và chuyển sang IPv6 (IPv6 đã
sẵn sàng và chạy với địa chỉ đã được cấp phát. IPv4 đã cạn kiệt và 2011 chỉ còn
lại những địa chỉ cuối cùng).
Axel Pawlik, Giám đốc Quản lý của RIPE NCC lý giải tại sao IPv6 cần thiết
cho tương lai của IoT, với IPv6 chúng ta sẽ có lượng địa chỉ phong phú và điều
này sẽ mở ra khả năng gán địa chỉ cho mỗi thiết bị (gadget) và chip. Các giải
pháp sẽ dễ dàng và đơn giản hơn, rõ ràng hơn, có thể phục hồi đến từng mục địa
chỉ riêng, và phạm vi phát triển vô cùng to lớn.
Lan Pearson, nhà tương lai học với thành tích ấn tượng tại những hãng như BT,
Canon và Fujitsu cho rằng, những gì mà chúng ta thấy ở đây là chưa có tiền lệ
hội tụ và phát triển nhanh chóng, không giống như bất kỳ điều gì chúng ta từng
thấy trước đó. Động lực cho việc này chính là áp lực hướng đến công nghệ mới,
để giúp chúng ta tạo ra những chiếc máy tính nhanh hơn, những ổ đĩa có tốc độ
quay nhanh hơn....

Hình 2.2: Xu hướng và tính chất

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 7Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

2.1.3. Ứng dụng
Theo Gartner, Inc. (một công ty nghiên cứu và tư vấn công nghệ), sẽ có gần
26 tỷ thiết bị trên IoT vào năm 2020. ABI Research ước tính rằng hơn 30 tỷ thiết
bị sẽ được kết nối không dây với "Kết nối mọi thứ" (Internet of Everything) vào
năm 2020. Theo một cuộc khảo sát và nghiên cứu gần đây được thực hiện bởi
Dự án Internet Pew Research, một phần lớn các chuyên gia công nghệ đã hưởng
ứng tham gia sử dụng Internet of Things với 83% đồng ý quan điểm cho rằng
Internet / Cloud of Things, nhúng và tính toán đeo (và các hệ thống năng động,
tương ứng) sẽ có tác động rộng rãi và mang lại lợi ích đến năm 2025. Như vậy,
rõ ràng là IoT sẽ bao gồm một số lượng rất lớn các thiết bị được kết nối với
Internet.
Tích hợp với mạng Internet có nghĩa rằng thiết bị này sẽ sử dụng một địa
chỉ IP như là một định danh duy nhất. Tuy nhiên, do sự hạn chế không gian địa
chỉ của IPv4 (cho phép 4,3 tỷ địa chỉ duy nhất), các đối tượng trong IOT sẽ phải
sử dụng IPv6 để phù hợp với không gian địa chỉ cực kỳ lớn cần thiết. Các đối
tượng trong IoT sẽ không chỉ có các thiết bị có khả năng cảm nhận xung quanh,
mà còn cung cấp khả năng truyền động (ví dụ, củ hoặc khóa điều khiển thông
qua Internet). Ở một mức độ lớn, tương lai của Internet of Things sẽ không thể
không có sự hỗ trợ của IPv6; và do đó việc áp dụng toàn cầu của IPv6 trong
những năm tới sẽ rất quan trọng cho sự phát triển thành công của IOT trong
tương lai.
Khả năng kết nối vào mạng của thiết bị nhúng với CPU, bộ nhớ giới hạn và
năng lượng bền bỉ. IoT được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực. Hệ thống như
vậy có thể có nhiệm vụ thu thập thông tin trong các thiết lập khác nhau, từ các
hệ sinh thái tự nhiên cho các tòa nhà và các nhà máy, do đó việc tìm kiếm các
ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến môi trường và quy hoạch đô thị.
Mặt khác, hệ thống IoT cũng có thể thực hiện các hành động, không chỉ
cảm nhận mọi thứ xung quanh. Hệ thống mua sắm thông minh, ví dụ, có thể

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 8Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Họcc

Ứng dụng
ng IoT trong nông nghiệp
nghi

theo dõi thói quen mua người
ng
dùng cần ở một cửa hàng bằng
ng cách theo dõi điện
thoại di động của họ. Người
Ngư dùng sau đó có thể được cung cấpp các ccập nhật trên
sản phẩm yêu thích củaa họ,
h hoặc thậm chí là vị trí của các mụcc mà hhọ cần, hay
tủ lạnh của họ cần. Tất cảả đã tự động chuyển vào điện thoại,
i, ví dụ
d bổ sung các
cảm biến trong các ứng dụ
ụng phản ứng lại với nhiệt độ môi trường,
ng, điện và quản
lý năng lượng, cũng như
ư hỗ
h trợ hành trình của các hệ thống
ng giao thông vvận tải.
Tuy nhiên, các ứng dụng của IoT không chỉ giới hạnn trong các llĩnh vực này.
Trường hợp sử dụng
ng chuyên ngành khác của
c IoT cũng có thể tồồn tại. Một cái
nhìn tổng quan về một số
ố lĩnh vực ứng dụng nổi bật nhất đượcc cung ccấp ở đây.
Dựa trên các miền ứng
ng dụng,
d
sản phẩm IoT có thể chia thành nă
năm loại khác
nhau: thiết bị đeo
eo thông minh, nhà thông minh, thành phố
ph thông minh, môi
trường thông minh,
nh, và doanh nghi
nghiệp thông minh. Các sản phẩm
m và gi
giải pháp
IoT trong mỗi thị trường
ng có đặc điểm khác nhau.

Hình 2.3: Ứng dụng của IoT

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng
D
9Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

IoT có ứng dụng rộng vô cùng, có thể kể ra một số thứ như sau:
- Quản lý chất thải
- Quản lý và lập kế hoạch quản lý đô thị
- Quản lý môi trường
- Phản hồi trong các tinh huống khẩn cấp
- Mua sắm thông minh
- Quản lý các thiết bị cá nhân
- Đồng hồ đo thông minh
- Tự động hóa ngôi nhà
Một trong những vấn đề với IoT đó là khả năng tạo ra một ứng dụng IoT
nhanh chóng. Để khắc phục, hiện nay nhiều hãng, công ty, tổ chức trên thế giới
đang nghiên cứu các nền tảng giúp xây dựng nhanh ứng dụng dành cho IoT. Đại
học British Columbia ở Canada hiện đang tập trung vào một bộ toolkit cho phép
phát triển phần mềm IoT chỉ bằng các công nghệ/tiêu chuẩn Web cũng như giao
thức phổ biến. Công ty như ioBridge thì cung cấp giải pháp kết nối và điều
khiển hầu như bất kì thiết bị nào có khả năng kết nối Internet, kể cả đèn bàn,
quạt máy...
Broadcom mới đây cũng đã giới thiệu hai con chip có mức tiêu thụ điện thấp
và giá rẻ dành cho các thiết bị "Internet of things". SoC đầu tiên, BCM4390,
được tích hợp một bộ thu phát sóng Wi-Fi 802.11 b/g/n hiệu suất cao để có thể
dùng với các vi điều khiển 8 hoặc 16-bit. Broadcom nói rằng sản phẩm này có
thể dùng trong các nồi nấu ăn thông minh, bóng đèn, hệ thống an ninh cũng như
các thiết bị gia dụng có khả năng điều khiển và quản lý từ xa. SoC thứ hai,
BCM20732, thì được tích hợp bộ thu phát tín hiệu Bluetooth và nhắm đến
những máy móc như bộ đo nhịp tim, bộ đo bước chạy, thiết bị cảnh báo khi có
vật gì đến gần hoặc ổ khóa cửa thông minh. Broadcom cũng đã đóng góp các tập
lệnh phần mềm hỗ trợ cho cả công nghệ Bluetooth thường và Bluetooth Smart
vào dự án Android Open Source (AOSP). Hiện bản mẫu của hai con chip này

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 10Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

đang được giao đến đối tác phần cứng và dự kiến sẽ được sản xuất đại trà trong
quý 4 năm nay.

• Quản lý hạ tầng
Giám sát và kiểm soát các hoạt động của cơ sở hạ tầng đô thị và nông thôn như
cầu, đường ray tàu hỏa, trên và trang trại là một ứng dụng quan trọng của IoT.
Các cơ sở hạ tầng IoT có thể được sử dụng để theo dõi bất kỳ sự kiện hoặc
những thay đổi trong điều kiện cơ cấu mà có thể thỏa hiệp an toàn và làm tăng
nguy cơ. Nó cũng có thể được sử dụng để lập kế hoạch hoạt động sửa chữa và
bảo trì một cách hiệu quả, bằng cách phối hợp các nhiệm vụ giữa các nhà cung
cấp dịch vụ khác nhau và người sử dụng của các cơ sở này. Thiết bị IoT cũng có
thể được sử dụng để kiểm soát cơ sở hạ tầng quan trọng như cầu để cung cấp
truy cập vào tàu. Cách sử dụng của các thiết bị iốt để theo dõi và hạ tầng hoạt
động có khả năng cải thiện quản lý sự cố và phối hợp ứng phó khẩn cấp, và chất
lượng dịch vụ, tăng lần và giảm chi phí hoạt động trong tất cả các lĩnh vực cơ sở
hạ tầng liên quan. Ngay cả các lĩnh vực như quản lý chất thải đứng được hưởng
lợi từ tự động hóa và tối ưu hóa có thể được đưa vào bởi IoT.

• Y tế
Thiết bị IoT có thể được sử dụng để cho phép theo dõi sức khỏe từ xa và hệ
thống thông báo khẩn cấp. Các thiết bị theo dõi sức khỏe có thể dao động từ
huyết áp và nhịp tim màn 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 được trang bị trong không gian sống để theo dõi sức
khỏe và thịnh vượng chung là người già, trong khi cũng bảo đảm xử lý thích hợp
đang được quản trị và hỗ trợ người dân lấy lại mất tính di động thông qua điều
trị là tốt. Thiết bị tiêu dùng khác để khuyến khích lối sống lành mạnh, chẳng hạn
như, quy mô kết nối hoặc máy theo dõi tim mạch, cũng là một khả năng của IoT.

• Xây dựng và tự động hóa nhà

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 11Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

Thiết bị IoT có thể được sử dụng để giám sát và kiểm soát các hệ thống cơ khí,
điện và điện tử được sử dụng trong nhiều loại hình tòa nhà (ví dụ, công cộng và
tư nhân, công nghiệp, các tổ chức, hoặc nhà ở). Hệ thống tự động hóa, như các
tòa nhà tự động hóa hệ thống, thường được sử dụng để điều khiển chiếu sáng,
sưởi ấm, thông gió, điều hòa không khí, thiết bị, hệ thống thông 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.

• 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 của IoT
mở rộng đến tất cả các khía cạnh của hệ thống giao thông, tức là xe, cơ sở hạ
tầng, và người lái xe hoặc sử dụng. Năng động, tương tác giữa các thành phần
của một hệ thống giao thông vận tải cho phép truyền thông giữa nội và xe cộ,
điều khiển giao thông thông minh, bãi đậu xe thông minh, hệ thống thu phí điện
tử, quản lý đội xe, điều khiển xe, an toàn và hỗ trợ đường bộ.
Còn rất nhiều các ứng dụng từ nhỏ đến lớn khác mà IoT có thể tạo nên và
đề tài cũng đang ứng dụng IoT vào nghiên cứu và xây dựng mô hình IoT
trong nông nghiệp.
2.1.4. Một số tác nhân cản trở sựu phát triển của IoT

• Chưa có một ngôn ngữ chung
Ở mức cơ bản nhất, Internet là một mạng dùng để nối thiết bị này với thiết bị
khác. Nếu chỉ riêng có kết nối không thôi thì không có gì đảm bảo rằng các thiết
bị biết cách nói chuyện nói nhau. Ví dụ, bạn có thể đi từ Việt Nam đến Mỹ,
nhưng không đảm bảo rằng bạn có thể nói chuyện với người Mỹ.
Để các thiết bị có thể giao tiếp với nhau, chúng sẽ cần một hoặc nhiều giao thức
(protocols), có thể xem là một thứ ngôn ngữ chuyên biệt để giải quyết một tác
vụ nào đó. Chắc chắn bạn đã ít nhiều sử dụng một trong những giao thức phổ
biến nhất thế giới, đó là HyperText Transfer Protocol (HTTP) để tải web. Ngoài

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 12Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

ra chúng ta còn có SMTP, POP, IMAP dành cho email, FTP dùng để trao đổi
file.
Những giao thức như thế này hoạt động ổn bởi các máy chủ web, mail và FTP
thường không phải nói với nhau nhiều, khi cần, một phần mềm biên dịch đơn
giản sẽ đứng ra làm trung gian để hai bên hiểu nhau. Còn với các thiết bị IoT,
chúng phải đảm đương rất nhiều thứ, phải nói chuyện với nhiều loại máy móc
thiết bị khác nhau. Đáng tiếc rằng hiện người ta chưa có nhiều sự đồng thuận về
các giao thức để IoT trao đổi dữ liệu. Nói cách khác, tình huống này gọi là "giao
tiếp thất bại", một bên nói nhưng bên kia không thèm (và không thể) nghe.

• Hàng rào subnetwork
Như đã nói ở trên, thay vì giao tiếp trực tiếp với nhau, các thiết bị IoT hiện nay
chủ yếu kết nối đến một máy chủ trung tâm do hãng sản xuất một nhà phát triển
nào đó quản lý. Cách này cũng vẫn ổn thôi, những thiết bị vẫn hoàn toàn nói
chuyện được với nhau thông qua chức năng phiên dịch của máy chủ rồi. Thế
nhưng mọi chuyện không đơn giản như thế, cứ mỗi một mạng lưới như thế tạo
thành một subnetwork riêng, và buồn thay các máy móc nằm trong subnetwork
này không thể giao tiếp tốt với subnetwork khác.
Lấy ví dụ như xe ô tô chẳng hạn. Một chiếc Ford Focus có thể giao tiếp cực kì
tốt đến các dịch vụ và trung tâm dữ liệu của Ford khi gửi dữ liệu lên mạng. Nếu
một bộ phận nào đó cần thay thế, hệ thống trên xe sẽ thông báo về Ford, từ đó
hãng tiếp tục thông báo đến người dùng. Nhưng trong trường hợp chúng ta
muốn tạo ra một hệ thống cảnh báo kẹt xe thì mọi chuyện rắc rối hơn nhiều bởi
xe Ford được thiết lập chỉ để nói chuyện với server của Ford, không phải với
server của Honda, Audi, Mercedes hay BMW. Lý do cho việc giao tiếp thất bại?
Chúng ta thiếu đi một ngôn ngữ chung. Và để thiết lập cho các hệ thống này nói
chuyện được với nhau thì rất tốn kém, đắt tiền.

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 13Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Đồ án tốt nghiệp Đại Học

Ứng dụng IoT trong nông nghiệp

Một số trong những vấn đề nói trên chỉ đơn giản là vấn đề về kiến trúc mạng, về
kết nối mà các thiết bị sẽ liên lạc với nhau (Wifi, Bluetooth, NFC,...). Những thứ
này thì tương đối dễ khắc phục với công nghệ không dây ngày nay. Còn với các
vấn đề về giao thức thì phức tạp hơn rất nhiều, nó chính là vật cản lớn và trực
tiếp trên còn đường phát triển của Internet of Things.

• Có quá nhiều "ngôn ngữ địa phương"
Bây giờ giả sử như các nhà sản xuất xe ô tô nhận thấy rằng họ cần một giao thức
chung để xe của nhiều hãng có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và họ đã phát triển
thành công giao thức đó. Thế nhưng vấn đề vẫn chưa được giải quyết. Nếu các
trạm thu phí đường bộ, các trạm bơm xăng muốn giao tiếp với xe thì sao? Mỗi
một loại thiết bị lại sử dụng một "ngôn ngữ địa phương" riêng thì mục đích của
IoT vẫn chưa đạt được đến mức tối đa. Đồng ý rằng chúng ta vẫn có thể có một
trạm kiểm soát trung tâm, thế nhưng các thiết bị vẫn chưa thật sự nói chuyện
được với nhau.

• Tiền và chi phí
Cách duy nhất để các thiết bị IoT có thể thật sự giao tiếp được với nhau đó là khi
có một động lực kinh tế đủ mạnh khiến các nhà sản xuất đồng ý chia sẻ quyền
điều khiển cũng như dữ liệu mà các thiết bị của họ thu thập được. Hiện tại, các
động lực này không nhiều. Có thể xét đến ví dụ sau: một công ty thu gom rác
muốn kiểm tra xem các thùng rác có đầy hay chưa. Khi đó, họ phải gặp nhà sản
xuất thùng rác, đảm bảo rằng họ có thể truy cập vào hệ thống quản lý của từng
thùng một. Điều đó khiến chi phí bị đội lên, và công ty thu gom rác có thể đơn
giản chọn giải pháp cho một người chạy xe kiểm tra từng thùng một.
2.2. Kit nodeMCU/esp8266
2.2.1. Lịch sử hình thành và khái niệm
NodeMCU được tạo ra ngay sau khi ESP8266 ra mắt. Vào ngày 30
tháng 12 năm 2013, Espressif Systems đã bắt đầu sản xuất ESP8266.
ESP8266 là một Wi-Fi SoC (System on Chip) tích hợp với một lõi Tensilica

GVHD : Ths Hoàng Anh Dũng 14Sinh viên : Nguyễn Hữu Phi


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×