Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu IOT trong nông nghiệp công nghệ cao

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn trình bày tổng quan về nội dung nghiên cứu; giới thiệu về Công nghệ Internet of Things; cơ sở ứng dụng công nghệ tưới trong nông nghiệp thông minh; thiết kế và lắp đặt hệ thống tưới chè tự động. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Nghiên cứu IOT trong nông nghiệp công nghệ cao

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN HẢI NGHIÊN CỨU IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ THÁI NGUYÊN - 2020 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN VĂN HẢI NGHIÊN CỨU IOT TRONG NÔNG NGHIỆP CÔNG NGHỆ CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 HỌC VIÊN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGUYỄN VĂN HẢI PGS.TS ĐÀO HUY DU KHOA CHUYÊN MÔN TRƯỞNG KHOA THÁI NGUYÊN - 2020 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Văn Hải Sinh ngày: 10/10/1981 Học viên lớp cao học CHK20KTĐT - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường Cao Đẳng Kỹ Kỹ Thuật Công Nghiệp Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu IOT trong nông nghiệp công nghệ cao” do Thầy giáo PGS.TS. Đào Huy Du hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày 28 tháng 3 năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Đào Huy Du, luận văn với đề tài “Nghiên cứu IOT trong nông nghiệp công nghệ cao” đã hoàn thành. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS.Đào Huy Du đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp và đặc biệt là các Thầy, cô trong Khoa Điện tử đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn này./. Thái Nguyên, ngày 28 tháng 3 năm 2020 Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hải Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... ix LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU ................................2 1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài ................................................... 2 1.1.1. Trên thế giới ............................................................................................... 2 1.1.2. Tình hình trong nước .................................................................................. 5 1.2. Tính cấp thiết của luận văn ............................................................................. 6 1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn ................................................................... 7 1.4. Mục tiêu của luận văn ..................................................................................... 7 CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS ................8 2.1. Tổng quan về Internet of Things .................................................................... 8 2.1.1. Giới thiệu về mô hình Internet of Things (IoT) ......................................... 8 2.1.1.1.IoT ........................................................................................................... 8 2.1.1.2.Xu hướng và tính chất của IoT ............................................................ 9 2.1.1.2.1.Sự thông minh ..................................................................................... 9 2.1.1.2.2.Kiến trúc dựa trên sự kiện ............................................................... 10 2.1.1.2.3.Là một hệ thống phức tạp ................................................................ 10 2.1.1.2.4.Kích thước ......................................................................................... 10 2.1.1.2.5.Vấn đề không gian, thời gian .......................................................... 10 2.1.1.2.6.Luồng năng lượng mới .................................................................... 10 2.1.1.3. Những thách thức ảnh hưởng đến sự phát triển của mô hình IoT 11 2.1.1.3.1.Chưa có sự chuẩn hóa ...................................................................... 11 2.1.1.3.2.Hàng rào subnetwork ....................................................................... 11 2.1.1.3.3.Chi phí phát triển mạng ................................................................... 12 2.1.2. Các công nghệ thành phần ........................................................................ 12 2.1.2.1. Hệ thống nhúng (Embedded Sstems) ............................................... 13 2.1.2.1.1.Định nghĩa ......................................................................................... 13 2.1.2.1.2.Đặc điểm ............................................................................................ 13 2.1.2.1.3.Kiến trúc phần mềm của hệ thống nhúng...................................... 14 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.1.2.2.Mạng cảm biến không dây và mạng cảm biến rộng khắp (Wireless Sensor and Ubiquitous Sensor Networks ) ................................................... 14 2.1.2.3. Máy tính di động(Mobile Computing) ............................................ 15 2.1.2.4.Mạng máy tính (Computer Networking) .......................................... 17 2.1.3.Cấu trúc mạng mở rộng ............................................................................. 18 2.1.4.Các mô hình ứng dụng của IoT ................................................................. 19 2.1.4.1.Lưới điện thông minh .......................................................................... 20 2.1.4.2.Nhà thông minh ................................................................................... 20 2.1.4.3.Tự động hóa tòa nhà ............................................................................ 21 2.1.4.4.Mạng các thành phố và đô thị thông minh ....................................... 22 2.1.4.5.Hệ thống giao thông thông minh ....................................................... 22 2.1.5.Phần cứng và phần mềm của một node mạng trong mô hình ứng dụng IoT....................................................................................................................... 23 2.1.5.1.Phần cứng ............................................................................................. 23 2.1.5.2.Phần mềm ............................................................................................. 23 2.2.Kiến trúc tham chiếu của IoT ........................................................................ 24 2.2.1.Tổng quan .................................................................................................. 24 2.2.2.Phân loại thiết bị IoT và phương thức kết nối Internet ............................. 25 2.2.3.Các yêu cầu của kiến trúc tham chiếu cho IoT ......................................... 26 2.2.4.Mô hình tham chiếu của IoT ..................................................................... 27 2.2.4.1.Lớp thiết bị (Devices) ......................................................................... 28 2.2.4.2.Lớp truyền thông (Communications) ................................................ 28 2.2.4.3. Lớp hợp nhất/Bus (Aggregation/ Bus) ............................................ 29 2.2.4.4. Lớp xử lý sự kiện và phân tích (Event Processing and Analytics) ........................................................................................................... 29 2.2.4.5. Lớp truyền thông ngoài (External Communication) ...................... 30 2.2.4.6. Lớp quản lý thiết bị (Device Management) .................................... 30 2.2.4.7. Lớp quản lý định danh và truy nhập (Identity and Access Management)..................................................................................................... 30 2.3.Giới thiệu về điện toán đám mây ................................................................... 30 2.3.1.Giới thiệu chung ........................................................................................ 30 2.3.2.Các đặc điểm ............................................................................................. 33 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
2.3.2.1.Tự sửa chữa .......................................................................................... 33 2.3.2.2.Nhiều người sử dụng ........................................................................... 33 2.3.2.3.Khả năng mở rộng tuyến tính ............................................................. 33 2.3.2.4.Hưởng dịch vụ...................................................................................... 33 2.3.2.5.Điều khiển SLA (Service level agreement)...................................... 33 2.3.2.6. Khả năng ảo hóa ................................................................................. 34 2.3.2.7. Linh hoạt .............................................................................................. 34 2.4. Các công nghệ truyền thông trong IoT ......................................................... 34 2.4.1. Radio Frequency Identification (RFID) ................................................... 34 2.4.2. Bluetooth .................................................................................................. 35 2.4.3. Zigbee ....................................................................................................... 37 2.4.4. Wifi ........................................................................................................... 41 2.4.5.RF Links .................................................................................................... 43 2.4.6. Mạng di động: Internet di động (Cellular Networks: The Mobile Internet) .............................................................................................................. 43 2.4.7. Truyền thông có dây (Wired Communication) ........................................ 44 2.4.8. Lựa chọn công nghệ truyền thông cho IoT.............................................. 45 CHƯƠNG 3. CƠ SỞ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TƯỚI TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH .........................................................................................................47 3.1.Cơ sở lý thuyết áp dụng tính toán chế độ tưới ............................................... 47 3.1.1.Phương trình cân bằng nước tưới .............................................................. 47 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG TƯỚI CHÈ TỰ ĐỘNG......53 4.1.Kỹ thuật tưới phun mưa ................................................................................. 53 4.2. Lựa chọn loại vòi phun ................................................................................. 53 4.2.1. Phân loại vòi phun .................................................................................... 53 4.2.2.Lựa chọn vòi phun ..................................................................................... 54 4.3. Xác định cường độ phun mưa ....................................................................... 54 4.3.1. Xác định theo lý thuyết ............................................................................. 54 4.3.2. Xác định theo số liệu thực đo ngoài hiện trường ..................................... 55 4.3.3.Độ đồng đều của tưới phun mưa ............................................................... 56 4.4.Kỹ thuật bố trí vòi phun ................................................................................. 56 4.4.1. Sơ đồ bố trí vòi phun ................................................................................ 56 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
4.4.2. Tính toán số vòi phun và thời gian tưới một lần ...................................... 57 4.4.3. Khoảng cách giữa các vòi phun ................................................................ 58 4.4.4. Bố trí đường ống ....................................................................................... 58 4.4.5.Tính toán thủy lực đường ống ................................................................... 59 4.5. Xác định lưu lượng và cột nước thiết kế cho máy bơm, động cơ ................. 61 4.5.1. Lưu lượng thiết kế .................................................................................... 61 4.5.2. Cột nước thiết kế ...................................................................................... 61 4.6. Thiết kế mô hình tưới chè áp dụng công nghệ tưới phun mưa tự động ....... 63 4.6.1. Vùng nghiên cứu: ..................................................................................... 63 4.6.2. Xác định công suất động cơ ..................................................................... 63 4.6.3. Thiết kế hệ thống lưu trữ nước tưới.......................................................... 65 4.7.Lựa chọn thiết bị trong hệ thống điều khiển giám sát hệ thống tưới chè tự động 66 4.7.1. Hệ thống cảm biến độ ẩm đất ................................................................... 66 4.7.2.Phương thức truyền thông ......................................................................... 68 4.7.3.Thiết kế bộ điều khiển tưới nước tự động cho cây chè ............................. 69 4.7.3.1. Mô hình tổng thể hệ thống tưới tự động .......................................... 69 4.7.3.2. Sơ đồ mạch nguyên lý và các thiết bị trong hệ thống .................... 71 4.7.4.Thiết kế phần mềm điều khiển hệ thống tưới tự động dựa trên độ ẩm và nhiệt độ ............................................................................................................... 77 4.7.4.1.Chương trình chính điều khiển hệ thống .......................................... 77 4.7.4.2.Chương trình điều khiển thiết bị ........................................................ 79 4.7.4.3. Chương trình điều khiển và kiểm tra trạng thái thiết bị................. 79 4.7.4.4. Chương trình chính điều khiển thiết bị qua tin nhắn...................... 82 4.7.4.5. Chương trình chính Gửi/Nhận dữ liệu và giải mã địa chỉ ............. 82 4.7.5.Hệ thống điều khiển tưới chè dựa vào độ ẩm và nhiệt độ. ........................ 85 4.8. Kết luận chương 4 ......................................................................................... 85 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ...........................................................................87 1. Kết quả nghiên cứu đã đạt được ...................................................................... 87 3. Hướng phát triển của luận văn ........................................................................ 87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1. Mô hình IoT trong nông nghiệp công nghệ cao ..........................................8 Hình 2.2. Mô hình các công nghệ thành phần của IoT. ............................................12 Hình 2.3. Mô hình hệ thống nhúng giám sát điều khiển từ xa ..................................13 Hình 2.4. Mô hình mạng cảm biến chuyển tiếp thông tin đến trạm gốc. ..................14 Hình 2.5. Mô hình Mobile Computing. ....................................................................16 Hình 2.6. Mô hình Computing Netwworking ...........................................................17 Hình 2.7. Mô hình mạng mở rộng .............................................................................18 Hình 2.8. Mô hình TCP/IP ........................................................................................19 Hình 2.9. Kiến trúc phần cứng của hai đối tượng thông minh được trang bị các loại thiết bị truyền thông khác nhau. ................................................................................23 Hình 2.10. Cấu phần của IoT ....................................................................................24 Hình 2.11. Hai mô hình kết nối của thiết bị IoT .......................................................26 Hình 2.12. Mô hình tham chiếu của IoT ...................................................................27 Hình 2.13. Mô hình của điện toán đám mây .............................................................32 Hình 2.14. Cơ chế hoạt động của thẻ RFID ..............................................................34 Hình 2.15. Một loại thẻ chip RFID phổ biến ............................................................35 Hình 2.16. Hình ảnh module Bluetooth HC05..........................................................36 Hình 2.17. Mô hình mạng Zigbee .............................................................................39 Hình 2.18. Cấu trúc của Zigbee ................................................................................40 Hình 2.19. Mô hình thu phát song Wifi ....................................................................42 Hình 2.20. Module GPRS .........................................................................................44 Hình 4. 1. Các sơ đồ bố trí vòi phun mưa .................................................................57 Hình 4. 2. Cắt dọc một đường ống tưới phun mưa cho chè ......................................59 Hình 4. 3. Cảm biến độ ẩm đất (Moisture Sensor) ...................................................66 Hình 4.4. Module Sim 900A .....................................................................................68 Hình 4.5. Sơ đồ khối hệ thống tưới nước tự động ....................................................70 Hình 4.6. Sơ đồ mạch tổng thể của hệ thống ............................................................71 Hình 4.7. Hệ thống Simatic S7 1200 ......................................................................71 Hình 4.8.CPU SIMATIC S7-1200 ...........................................................................72 Hình 4.9. CPU và các Module mở rộng Modules mở rộng tín hiệu vào/ra: .............74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Hình 4.10. Sơ đồ giải thuật chương trình chính ........................................................78 Hình 4.11. Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển thiết bị chấp hành ..................79 Hình 4.12. Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển Bật thiết bị chấp hành ............80 Hình 4.13. Sơ đồ giải thuật chương trình điều khiển Tắt thiết bị chấp hành ............80 Hình 4.14. Sơ đồ giải thuật chương trình kiểm tra trạng thái các thiết bị .................81 Hình 4.15. Giải thuật gửi nhận tin nhắn ....................................................................82 Hình 4.16. Giải thuật chương trình Nhận dữ liệu. ....................................................83 Hình 4.17. Giải thuật chương trình Gửi dữ liệu. .......................................................83 Hình 4.18. Giải thuật chương trình giải mã địa chỉ ..................................................84 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT API - Giao diện lập trình ứng dụng (Application Programming Interface) IERC - Trung tâm Nghiên cứu IoT châu Âu (European Internet of Things Research Cluster) IoT - Internet vạn vật (Internet of Things ) LTE - Tiến hóa dài hạn (Long Term Evolution) M2M - Máy - Máy (tương tác) (Machine-to-Machine) MEMS - Hệ thống vi cơ điện tử (Micro-Electro-Mechanical Systems) PLC - Bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller), RFID - Nhận dạng bằng tần số vô tuyến (Radio-frequency identification) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay khoa học công nghệ ngày càng phát triển, con người ngày càng chế tạo ra được nhiều các vật dụng thông minh hơn, hiện đại hơn. Từ đó có thể tối ưu hóa các nhu cầu của con người một cách dễ dàng hơn. Mỗi giai đoạn phát triển của lịch sử thế giới đều gắn liền với những cuộc cách mạng về khoa học kĩ thuật.Và ngày nay, cuộc cách mạng Internet of Things đã tạo nên những thay đổi đáng kể cho cuộc sống con người ở hiện tại và trong tương lai. Internet of Things được ứng dụng vào rất nhiều mặt của cuộc sống. Ứng dụng trong công nghiệp, nông nghiệp, giáo dục , y tế… Đặc biệt là ứng dụng trong việc giám sát sự thay đổi của môi trường, và việc thu thập và đánh giá nhiệt độ độ ẩm môi trường là một phần trong đó.Việc giám sát được nhiệt độ, độ ẩm môi trường thông qua internet là một điều mang tính ứng dụng cao. Nhiệt độ, độ ẩm là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều do nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Vì thế luận văn: “Ứng dụng công nghệ Internet of Things trong nông nghiệp thông minh” đảm bảo tính cấp thiết, quan trọng mà xã hội phát triển đặt ra. Luận văn có bố cục như sau: Chương 1. Tổng quan. Chương 2. Giới thiệu về Công nghệ Internet of Things. Chương 3. Cơ sở ứng dụng công nghệ tưới trong nông nghiệp thông minh Chương 4. Thiết kế và lắp đặt hệ thống tưới chè tự động Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1.1. Tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài Với sự phát triển của Internet, smartphone và đặc biệt là các thiết bị cảm biến, Internet of Things (IoT) đang trở thành xu hướng mới của thế giới. IoT được định nghĩa là những vật dụng có khả năng kết nối Internet. Bạn vào nhà, mở khóa cửa, đèn sẽ tự động sáng chỗ bạn đứng, điều hòa sẽ tự động điều chỉnh nhiệt độ, nhạc sẽ tự động bật để chào đón bạn… những điều chỉ có trong phim khoa học viễn tưởng, đang dần trở thành hiện thực với công nghệ IoT. Việc giám sát được nhiệt độ, độ ẩm môi trường là một vấn đề rất quan trọng trong các ngành công nghiệp cũng như nông nghiệp, và thật là tuyệt vời nếu ở bất kỳ nơi đâu và lúc nào nếu bạn có internet thì bạn đề có thể làm được điều đó. Công nghệ Internet of Things khiến điều này trở lên dễ dàng hơn. Nhiệt độ, độ ẩm là một trong những đại lượng vật lý được quan tâm nhiều do nó có vai trò quyết định trong nhiều tính chất của vật chất. Một trong những đặc điểm của nhiệt độ là làm thay đổi liên tục các đại lượng chịu sự ảnh hưởng của nó, ví dụ như áp suất, thể tích của một chất khí. Nó cũng là yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến chính con người chúng ta và tất cả sự sống trên trái đất. Ngày nay khi nền công nghiệp phát triển mạnh, sản phẩm tạo ra ngày càng phong phú thì nhu cầu lưu trữ hàng hóa trong các nhà kho càng lớn.Việc kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm khi bảo quản, lưu trữ sản phẩm công– nông nghiệp trong các nhà kho là rất quan trọng. Cũng giống như vậy, trong các phòng thí nghiệm trong bệnh viện, trong các nhà kính trồng cây cảnh, khu sản xuất rau sạch…việc đảm bảo nhiệt độ, độ ẩm cũng là yếu tố quan trọng quyết đến đến chất lượng sản phẩm... 1.1.1. Trên thế giới Thế giới đang chuyển mình mạnh mẽ trước xu thế "Internet of Things" (IoT). Tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT. Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, tới năm 2021, dự kiến sẽ có 28 tỉ thiết bị kết nối trong đó có 15 tỉ thiết bị kết nối IoT bao gồm thiết bị M2M (machine-to-machine) như đồng hồ đo thông minh, cảm biến trên đường, địa điểm Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
bán lẻ, các thiết bị điện tử tiêu dùng như ti vi, đầu DVR, thiết bị đeo. 13 tỉ còn lại là điện thoại di động, máy tính xách tay PC, máy tính bảng. IDC dự kiến năm 2019, toàn cầu sẽ chi 1.300 tỉ đô la Mỹ cho IoT. Tới năm 2020, theo dự đoán của Gartner thì giá trị gia tăng do IoT mang lại sẽ là 1.900 tỉ đô la Mỹ. Và theo McKinsey, tới năm 2025 IoT sẽ đóng góp vào nền kinh tế toàn cầu là 11.000 tỉ đô la Mỹ. Tới năm 2021, dự kiến số thuê bao sẽ lên tới 9,1 tỉ. Số thuê bao này cao hơn số dân bởi mỗi người có thể sở hữu nhiều thiết bị. Trong các kết nối IoT như vậy, sẽ có bao gồm cả những có đăng ký thuê bao SIM/eSIM được gắn ngay trong thiết bị và cả những thiết bị như điện tử tiêu dùng không cần dùng SIM (Non-SIM). IoT đang diễn ra một cách mạnh mẽ. 50% doanh nghiệp đã bắt đầu triển khai những dự án về IoT. IoT mang lại một cơ hội doanh thu cho rất nhiều ngành và những giải pháp đó bắt đầu thương mại hóa với tốc độ rất nhanh. Ngành dịch vụ tiện ích, giao thông, tòa nhà thông minh và các ngành bán lẻ là những ngành đi đầu trong việc ứng dụng IoT. Tháng 2 vừa qua IBM giới thiệu một công cụ phát triển mã nguồn mở mới được gọi là Quarks. Công cụ này được cho là sẽ giúp các nhà sản xuất và nhà lập trình phát triển ứng dụng của mình hiệu quả hơn, dựa trên dữ liệu từ các cảm biến của thiết bị Internet of Things (IoT). Ứng dụng của Quarks: Thực chất, Quarks dựa trên nền tảng các sản phẩm của IBM Streams, một công cụ doanh nghiệp giúp xử lý lượng lớn các dữ liệu trực tiếp. Nhưng Quarks khác biệt ở chỗ, nó được thiết kế từ đầu để cung cấp cho các nhà sản xuất và nhà lập trình một công cụ mã nguồn mở, cho việc xây dựng các ứng dụng dựa trên các thiết bị kết nối. Ý tưởng này là một biện pháp để họ tận dụng lợi thế để xử lý dữ liệu trực tiếp từ các thiết bị IoT theo cách đơn giản và hiệu quả. Ví dụ, bạn có thể theo dõi sức khỏe của một bệnh nhân tiểu đường với các thiết bị đeo trên người, hoặc một nhân viên làm việc tại mỏ than với chiếc mũ bảo hiểm có gắn các cảm biến. Mỗi tình huống này đều liên quan đến việc giám sát dữ liệu ngay khi cảm biến thu nhận được, sau đó truy cập và truyền dữ liệu đó theo thời gian thực tới người hay thiết bị cần thiết. Ví dụ, khi một cảm biến trên mũ bảo hiểm của người Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
thợ mỏ phát tín hiệu cảnh báo điều kiện không an toàn, họ cần được biết ngay lập tức. Sẽ không thể có độ trễ khi thiết bị truyền dữ liệu về cơ sở dữ liệu của doanh nghiệp, để so sánh với các dữ liệu khác. Trong khi các chương trình có thể tạo điều kiện đẩy nhanh tốc độ giao tiếp giữa thiết bị và thiết bị, thiết bị và con người, nhưng tiềm năng của chúng vẫn chưa kết thúc tại đây. Các phần mềm còn có thể gửi các dữ liệu về doanh nghiệp, để có thể so sánh được với lượng dữ liệu lớn hơn thông qua các thiết bị tương tự theo thời gian. Ví dụ với một thiết bị y khoa, các nhà nghiên cứu có thể xem làm thế nào một nhóm người phản ứng với phác đồ điều trị theo thời gian, hay bác sỹ của các bệnh nhân có thể nhận dữ liệu một cách thường xuyên để theo dõi sức khỏe của các bệnh nhân. Thậm chí, các phần mềm có thể liên kết với nền tảng Watson Health của IBM, để có thể đánh giá tập dữ liệu trong điều kiện y tế. Sau đó, nền tảng này sẽ gửi lại phản hồi cho người bệnh hay bác sỹ để đưa ra phương pháp điều trị thích hợp. Đại diện Ericsson cho biết, ngay từ đầu năm 2016, hãng này đã giới thiệu giải pháp Connected Water với nhiệm vụ giám sát chất lượng nước dựa trên kết nối 4G/LTE và Internet of Things tại triển lãm CES (Mỹ). Ericsson và nhà mạng AT&T hợp tác triển khai giải pháp giúp tổ chức bảo vệ sông Chattahoochee ở Atlanta kiểm soát nước sông và cảnh báo kịp thời về sự ô nhiễm. Lưu vực sông này được sử dụng để cung cấp nguồn nước sinh hoạt cho hơn 4.000 người dân. Các thiết bị cảm biến đầu tiên được đặt ở khu vực đầu nguồn con sông tại Proctor Creek. Dòng chảy của con sông này ảnh hưởng tới hơn 60.000 người dân sinh sống ở các khu công nghiệp, khu dân cư, công viên, trường học quanh đó. Connected Water đặt những cảm biến giá thành rất thấp vào dòng nước trong hệ thống sông hồ. Chúng có vai trò đo và ghi nhận thời gian thực các thông số quan trọng về chất lượng nước như độ sạch, lượng kim loại nặng và liên tục chuyển thông số này qua đám mây và mạng di động thông qua công nghệ LTE Low Power Wide Area (LSWA). Các thiết bị này có tuổi thọ pin rất lâu đảm bảo tính hiệu quả lâu dài, giúp chính quyền địa phương giám sát hiệu quả và có hành động kịp thời, nhanh chóng đối với các vấn đề ô nhiễm nếu xảy ra. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Trên thế giới đã và đang nghiên cứu một số hệ thống, thiết bị đo nhiệt độ trong tất cả các lĩnh vực có thể kể đến như : Nhà chế tạo chip vi điều khiển hàng đầu thế giới – Atmel đã cho ra mắt dòng chip đo nhiệt độ có tên gọi AT30TS750, truyền thông theo giao thức số với bộ nhớ EEPROM tích hợp. Alfredo Milani Comparetti đã cho ra đời phần mềm Speedfan theo dõi điện áp, tốc độ quạt và nhiệt độ trong máy tính với màn hình phần cứng chip. Tại Úc các nhà vật lý học thuộc Đại học Adelaide tuyên bố đã chế tạo thành công nhiệt kế chính xác nhất thế giới. Hãng Cypress Micro System đã cho ra đời công nghệ PSOC (Programmable System On Chip) để có thể phát triển các thiết bị đo nhiệt độ dựa trên công nghệ này. 1.1.2. Tình hình trong nước Trước việc IoT phát triển mạnh mẽ trên thế giới, Việt Nam cũng là một nước đón đầu xu thế mới. Ngày 13/11/2015, trong khuôn khổ hội nghị quốc tế với chủ đề: Ứng dụng của Internet of Things cho đô thị thông minh và chất lượng cuộc sống diễn ra tại khu công nghệ cao TP.HCM (SHTP), các ứng dụng IoT trong thực tế, xu hướng công nghệ và thị trường của IoT, khởi nghiệp cùng IoT cùng khuyến nghị của chuyên gia về phát triển trên nền tảng IoT tiếp tục được các nhà khoa học và các chuyên gia trao đổi. Tuy vậy, hiện chưa có ứng dụng IoT thực sự nào ảnh hưởng mạnh tới đời sống xã hội trong nước. Với giao thông , trong thời gian tới một số ứng dụng như thu phí không dừng, phạt nguội bằng camera dự báo sẽ phổ biến tại các thành phố lớn như TP.HCM, Hà Nội. Các lĩnh vực tiềm năng như y tế điện tử, nông nghiệp thông minh, bất động sản thông minh sẽ cần thêm thời gian để có những ứng dụng IoT phù hợp với Việt Nam. Trong công nghiệp nội địa, sản phẩm IoT của doanh nghiệp trong nước hiện chỉ đếm được trên đầu ngón tay như: sản phẩm chip vi mạch của Trung tâm Nghiên cứu và đào tạo thiết kế vi mạch - ICDREC; hệ thống cảm ứng độ ẩm, nhiệt độ trong nông nghiệp của công ty Mimosa tại hệ sinh thái khởi nghiệp công nghệ - khu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
công nghệ phần mềm đại học quốc gia TP.HCM; chương trình TUHOC STEM và các dịch vụ trên nền OEP của công ty DTT (trụ sở chính tại Hà Nội). Các hệ thống IoT tại Việt Nam hiện có đều là của các doanh nghiệp nước ngoài, các doanh nghiệp trong nước mới chỉ tập trung vào các ứng dụng trên nền tảng điện thoại di động, máy tính và còn chưa khai thác hết tính thông minh của các hệ thống cảm biến hay khai thác dữ liệu big data. Và đặc biệt các thiết bị phần cứng thì hầu hết là nhập khẩu như camera, thiết bị RFID, các cảm biến hóa học. Giải pháp IoT không chỉ là phần mềm, phần cứng tiêu chuẩn (máy tính, điện thoại) mà còn là các phần cứng đặc thù như camera, RFID, cảm biến môi trường... Có thể thấy, các hệ thống này liên quan tới các ngành vật liệu, hóa học, sinh học, vật lý, y tế và đây là cơ hội cho các ngành khoa học công nghệ tại Việt Nam phối hợp để làm ra những ứng dụng hữu ích. 1.2. Tính cấp thiết của luận văn Hiện nay trong đời sống cũng như xã hội việc ứng dụng công nghệ Internet of Things là rất cần thiết, con người có thể điều khiển mọi thứ xung quanh mình nhanh và hiệu quả hơn.Vì vậy vậy chúng ta tìm hiểu về nó là một điều thật sự đúng đắn. Hiện nay trong đời sống và tất cả các lĩnh vực khác về kinh tế, quốc phòng, công nghiệp, nông nghiệp,... việc đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó liên quan đến chất lượng sản phẩm. Ví dụ như cảnh báo quá nhiệt trong lò luyện kim, cán thép, hệ thống đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường đất để phục vụ tưới tiêu.... Do đó việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm ngày càng đòi hỏi độ chính xác cao đáp ứng nhu cầu của thị trường. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ và hệ thống thông tin thì việc đo và cảnh báo an toàn về nhiệt độ , độ ẩm sẽ được đảm bảo chính xác và từ đó kịp thời hạn chế các hậu quả do nhiệt độ, độ ẩm gây ra ở mức thấp nhất. Các hệ thống đo và cảnh báo nhiệt độ, độ ẩm sẽ giúp cho con người chủ động hơn trong việc cảnh báo an toàn cho các hệ thống dây chuyền, các kho bảo quản sản phẩm, cũng như cảnh báo cho chính con người chúng ta. Do vậy việc thực hiện luận văn: Ứng dụng công nghệ Internet of Things trong thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường đảm bảo tính cấp thiết, quan trọng trong sự phát triển của thế giới hiện đại. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
1.3. Phạm vi nghiên cứu của luận văn Luận văn ứng dụng công nghệ Internet of Things ứng dụng trong nông nghiệp ở các trang trại cần sự đảm bảo về nhiệt độ độ ẩm( trang trại chăn nuôi gà, trồng nấm, vườn ươm cây, lò ấm trứng…). Ứng dụng trong công nghiệp để đảm bảo tính chính xác trong sản xuất. Sản phẩm cũng có thể được ứng dụng trong giám sát, quan trắc, thời tiết môi trường. Dựa vào sự thay đổi của nhiệt độ độ ẩm môi trường theo thời gian để có những dự báo cũng như biện pháp phù hợp với khu vực cần khảo sát thực nghiệm. 1.4. Mục tiêu của luận văn Luận văn ứng dụng công nghệ Internet of Thing trong nông nghiệp thông minh có mục tiêu cần đạt được là: - Nghiên cứu và tìm hiểu lý thuyết chung về công nghệ Internet of Things - Ứng dụng công nghệ Internet of Things vào việc thiết kế thi công sản phẩm thu thập và đánh giá nhiệt độ, độ ẩm môi trường để điều khiển các thông số môi trường cần thiết. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ INTERNET OF THINGS 2.1. Tổng quan về Internet of Things 2.1.1. Giới thiệu về mô hình Internet of Things (IoT) 2.1.1.1.IoT IoT (Internet of Things) là một mạng lưới gồm các đối tượng có khả năng kết nối Internet và tác động qua lại giữa các dịch vụ web. IoT không chỉ là các máy "giao tiếp" với nhau mà còn nhiều thứ khác nữa, bao gồm khả năng thay đổi hoàn toàn thế giới, cả trong cuộc sống và cách chúng ta cảm nhận trong thực tế. Hình 2.1. Mô hình IoT trong nông nghiệp công nghệ cao IoT là thuật ngữ dùng để chỉ các đối tượng có thể được nhận biết (identifiable) cũng như chỉ sự tồn tại của chúng trong một kiến trúc mang tính kết nối. Cụm từ này được đưa ra bởi Kevin Ashton vào năm 1999. Ông là một nhà khoa học đã sáng lập ra Trung tâm Auto-ID ở đại học MIT, nơi thiết lập các quy chuẩn toàn cầu cho RFID (một phương thức giao tiếp không dây dùng sóng radio) cũng như một số loại cảm biến khác. IoT sau đó cũng được dùng nhiều trong các ấn phẩm đến từ các hãng và nhà phân tích. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn
Vào tháng 6 năm 2009, Ashton từng cho biết rằng "hiện nay máy tính - và Internet gần như phụ thuộc hoàn toàn vào con người để chuyển tải dữ liệu. Gần như tất cả trong số 50 Petabyte dữ liệu đang có trên Internet (vào thời điểm đó) đều được ghi lại hoặc tạo ra bởi con người chúng ta, thông qua các cách thức như gõ chữ, nhấn nút, chụp ảnh, quét mã vạch... Con người chính là nhân tố quyết định trong thế giới Internet hiện nay. Thế nhưng con người lại có nhiều nhược điểm: chúng ta chỉ có thời gian hạn chế, khả năng tập trung và độ chính xác cũng ở mức thấp so với máy móc. Điều đó có nghĩa là chúng ta không giỏi trong việc thu thập thông tin về thế giới xung quanh, và đây là một vấn đề lớn. Một quan điểm khác lại cho rằng, IoT gồm các đối tượng thông minh có thể được điều khiển và tương tác với những đối tượng có thể đáp ứng tương tác từ xa, hay có thể làm việc độc lập nhằm cung cấp các dịch vụ và giải pháp mà không cần sự can thiệp của con người. 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. Trong những 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). 2.1.1.2.Xu hướng và tính chất của IoT 2.1.1.2.1.Sự 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. 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 thức mới liên quan tới cuộc sống, môi trường, các mối tương tác xã hội cũng như hành vi con người. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn