ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỂN THÔNG

SILIVONG TONY

NGUYÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP MỚI TRONG
PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

THÁI NGUYÊN – 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỂN THÔNG

SILIVONG TONY

NGUYÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP MỚI TRONG
PHÁT TRIỂN NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số: 8480101

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH
Giáo viên hướng dẫn : TS. Nguyễn Tuấn Minh

THÁI NGUYÊN – 2019
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN

ii


CỤM CỤM

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii
MỤC LỤC .......................................................................................................... 1
DANH SÁCH HÌNH ........................................................................................... 3
DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................ 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. 6
TÓM TẮT ........................................................................................................... 7
MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 8
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH
.......................................................................................................................... 10
1.1. Giới thiệu về hệ thống nông nghiệp thông minh hiện nay ........................ 10
1.2. Giới thiệu một số công nghệ áp dụng cho nông nghiệp thông minh ......... 11
1.3. Giới thiệu về hệ thống IOTs phục vụ cho nông nghiệp ............................ 11
1.3.1. Internet vạn vật (IoT)......................................................................... 11
1.3.2. Các thành phần cơ bản của IoT.......................................................... 11
1.3.3. IoT trong nông nghiệp ....................................................................... 12
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG THỰC TẾ IOTS ÁP
DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH ........................................... 17
2.1. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống ......................................................... 17
2.2. Các hệ thống cảm biến ............................................................................ 17
2.2.1. Bộ cảm biến ...................................................................................... 17
2.2.2. Phần cứng.......................................................................................... 23
2.3. Phần mềm................................................................................................ 33
2.3.1. Arduino IDE ...................................................................................... 33
2.3.2. Ứng dụng Blynk ................................................................................ 35

Hình 2.5: Nút cảm biến ánh sang ............................................................................... 22
Hình 2.6: Mô-đun cảm biến ánh sang......................................................................... 23
Hình 2.7: Sơ đồ các chân pin ..................................................................................... 24
Hình 2.8: Kit RF Thu Phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua CP2102 ........................... 25
Hình 2.9: Bộ chuyển đổi hạ áp LM2596 DC/DC ........................................................ 25
Hình 2.10: Mạch nguyên lý của rơ le ......................................................................... 26
Hình 2.11: Mô-dun 8 kênh rơ le 5V ........................................................................... 27
Hình 2.12: Sơ đồ PIN của LCD 16x02 ....................................................................... 28
Hình 2.13: Sơ đồ mô-đun I2C .................................................................................... 29
Hình 2.14: Máy bơm nước ......................................................................................... 30
Hình 2.15: LED thanh 12V ........................................................................................ 31
Hình 2.16: Đèn sưởi................................................................................................... 32
Hình 2.17: Quạt nhà kính ........................................................................................... 32
Hình 2.18: Phần mềm Arduino IDE ........................................................................... 34
Hình 2.19: Ứng dụng Blynk cho IOS và Android....................................................... 35
Hình 2.20: Cấu hình hoạt động Blynk ........................................................................ 36
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống..................................................................... 38
Hình 3.2: Sơ đồ thuật toán của Mạng cảm biến không dây thông minh cho nhà kính tự
động hóa .................................................................................................................... 39
Hình 3.3: Điều kiện rơ le nhiệt độ .............................................................................. 40
Hình 3.4: Điều kiện rơ le độ ẩm không khí ................................................................ 41

3


Hình 3.5: Điều kiện hoạt động của rơ le điều khiển cường độ ánh sang ..................... 41
Hình 3.6: Điều kiện hoạt động của rơ le điều khiển máy bơm (độ ẩm đất) ................. 41
Hình 3.7: Mạng cảm biến không dây dựa vào Wi-Fi .................................................. 42
Hình 3.8: Hình chiếu từ trên xuống của trung tâm điều khiển .................................... 42
Hình 3.9: Hình chiếu trước của trung tâm điều khiển ................................................. 43


RF

Sóng siêu âm vô tuyến điện

LCD

Màn hình tinh thể lỏng

AVR

Điều chỉnh điện áp

BLE

Bluetooth 4. 0 trở đi

API

Giao diện lập trình ứng dụng

UI

Giao diện người dùng

PAN

Mạng cá nhân

IDE

TÓM TẮT
Trong bối cảnh biến đổi khí hậu hiện nay, ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến
môi trường đã thúc đẩy những người nông dân lắp đặt nhà kính trên các cánh đồng.
Nhà kính là một kết cấu kín cung cấp môi trường vi phù hợp với sự tăng trưởng thực
vật. Luận văn đề xuất việc áp dụng mạng cảm biến không dây để giám sát thời gian
thực về nhiệt độ, độ ẩm không khí và độ ẩm trong đất của một nhà kính. Một hệ thống
điều khiển tự động hóa để quản lý các thông số vi khí hậu được phát triển để tối ưu
hóa các thông số và sử dụng nước. Nút cảm biến xử lý dữ liệu từ các bộ cảm biến và
khởi động các bộ dẫn động dựa trên thuật toán phân ngưỡng được lập trình trong bộ vi
điều khiển. Cổng nối nhận dữ liệu bộ cảm biến và kiểm soát thông tin thông qua công
nghệ Wi-Fi và truyền dữ liệu đến ứng dụng Web và các ứng dụng Android/ IOS để
giám sát từ xa. Phần mềm giám sát cung cấp mạng lưới với các nút mạng và thông tin.
Hệ thống quản lý thông tin cũng được thiết kế để giám sát dữ liệu vào bất kỳ thời gian
đã yêu cầu.

7


MỞ ĐẦU
Sự phát triển của khoa học công nghệ nói chung mà công nghệ thông tin nói
riêng góp một phần không nhỏ trong sự thay đổi và phát triển của cuộc sống con
người. Chiếc máy vi tính ngày càng có nhiều những chức năng mạnh mẽ giúp ích con
người thực thi các công việc trong rất nhiều lĩnh vực như khoa học, sản xuất công
nghiệp hay các lĩnh vực xã hội khác như kinh tế, chính trị, văn hóa.
Không chỉ máy tính, sự phát triển chóng mặt của các thiết bị di động cầm tay
cũng tác động không nhỏ đến đời sống của con người. những chiếc smartphone nhỏ
gọn, thông minh không chỉ giúp mọi người liên lạc với nhau dễ dàng hơn , mà nó còn
cung cấp rất nhiều những tính năng hữu ích khác như các ứng dụng văn phòng, giải trí,
khả năng kết nối mạng để tìm hiểu thông tin ... Với những tính năng mạnh mẽ ấy cộng
với giá thành vừa phải đã khiến các thiết bị này trở nên rất phổ biến và như vật bất ly

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH

1.1. Giới thiệu về hệ thống nông nghiệp thông minh hiện nay
Hiện nay cùng với sự phát triển của xã hội, cuộc sống ngày càng được nâng cao
thì việc áp dụng công nghệ khoa học kỹ thuật vào đời sống công việc ngày càng cần
thiết. Cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ kỹ thuật điện
tử mà trong đó đặc biệt là kỹ thuật điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong
mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiêp, nông nghiệp, đời sống, quản lý
thông tin...
Nông nghiệp thông minh là một cuộc cách mạng trong ngành nông nghiệp giúp
hướng dẫn các hành động cần thiết để sửa đổi và định hướng lại các hệ thống nông
nghiệp để h trợ hiệu quả cho sự phát triển và đảm bảo an ninh lương thực trong điều
kiện khí hậu luôn thay đổi. Trọng tâm chính của nông nghiệp thông minh là tăng năng
suất và thu nhập nông nghiệp. Nông nghiệp thông minh giúp giảm khí thải nhà kính.
Nông nghiệp thông minh đi liền với sự áp dụng những tiến bộ trong khoa học, kỹ thuật
vào việc canh tác giúp giảm lượng nhân công trong ngành nông nghiệp mà vẫn nâng
cao năng suất.
Trong xã hội hiện đại, nhu cầu trang trí đã trở thành một chỉ tiêu. Sự đa dạng
của các loài hoa luôn có thể tiếp cận được. Tuy nhiên, khí hậu ở miền Bắc Việt Nam
ngăn cản sự tăng trưởng của các loài hoa nhất định, đặc biệt vào mùa đông. Điều này
dẫn đến việc phải nhập khẩu hoa từ miền Nam Việt Nam, do đó, có một số mặt không
thuận lợi. Không chỉ vận chuyển hàng hóa nhập khẩu ảnh hưởng tiêu cực đến môi
trường, mà các loài hoa đã nhập cũng được bán với giá cao hơn. Mặt khác, vận chuyển
hoa trong một quãng đường dài đã làm nát hoa và giảm chất lượng sản phẩm.
Do đó, mục đích của dự án này là giúp trồng trọt dễ dàng hơn trong nước. Mục
đích này có thể đạt được với việc sử dụng một nhà kính tự động hóa. Một nhà kính có
thể tái tạo một khí hậu khác nhau và trồng trọt các loại cây không thể trồng trong khu
vực. Ngoài ra, xây dựng nhà kính tự động hóa có thể giúp con người trồng cây lương
thực hoặc cây trồng trong nước mà không phải chăm sóc liên tục cây lương thực hoặc
cây trồng đó. Có thể an tâm khi biết rằng các cây trồng vẫn được chăm sóc trong khi

và cung cấp dịch vụ (Services-creation and Solutions Layers) [12], [13].
1.3.2.1. Vạn vật (Things)
Ngày nay có hàng tỷ vật dụng đang hiện hữu trên thị trường gia dụng và công
nghệ, ở trong nhà hoặc trên tay của người dùng. Chẳng hạn như xe hơi, thiết bị cảm
biến, thiết bị đeo và điện thoại di động đang được kết nối trực tiếp thông qua băng tầng

11


mạng không dây và truy cập vào Internet. Giải pháp IoT giúp các thiết bị thông minh
được sàng lọc, kết nối và quản lý dữ liệu một cách cục bộ, còn các thiết bị chưa thông
minh thì có thể kết nối được thông qua các trạm kết nối [1], [13].
1.3.2.2. Trạm kết nối (Gateways)
Một rào cản chính khi triển khai IoT đó là gần 85% các vật dụng đã không được
thiết kế để có thể kết nối với Internet và không thể chia sẻ dữ liệu với điện toán đám
mây. Để khắc phục vấn đề này, các trạm kết nối sẽ đóng vai trò là một trung gian trực
tiếp, cho phép các vật dụng có sẵn này kết nối với điện toán đám mây một cách bảo
mật và dễ dàng quản lý.
1.3.2.3. Hạ tầng mạng và điện toán đám mây (Network and Cloud)
 Cơ sở hạ tầng kết nối: Internet là một hệ thống toàn cầu của nhiều mạng IP
được kết nối với nhau và liên kết với hệ thống máy tính. Cơ sở hạ tầng mạng này bao
gồm thiết bị định tuyến, trạm kết nối, thiết bị tổng hợp, thiếp bị lặp và nhiều thiết bị
khác có thể kiểm soát lưu lượng dữ liệu lưu thông và cũng được kết nối đến mạng lưới
viễn thông và cáp - được triển khai bởi các nhà cung cấp dịch vụ.
 Trung tâm dữ liệu/hạ tầng điện toán đám mây: Các trung tâm dữ liệu và hạ
tầng điện toán đám mây bao gồm một hệ thống lớn các máy chủ, hệ thống lưu trữ và
mạng ảo hóa được kết nối.
1.3.2.4. Các lớp tạo và cung cấp dịch vụ (Services-Creation and Solutions Layers)
Intel đã kết hợp những phần mềm quản lý API hàng đầu (Application
Progmraming Interface) là Mashery* và Aepona* để giúp đưa các sản phẩm và giải

có thể được coi là việc canh tác kiểm soát chính xác hơn khi nuôi gia súc và trồng trọt.
Trong cách tiếp cận quản lý trang trại này, một thành phần quan trọng là sử dụng
CNTT và các hạng mục khác nhau như cảm biến, hệ thống điều khiển, robot, xe tự trị,
phần cứng tự động, công nghệ tỷ lệ biến đổi, ... [11].

Hình 1.1: Nông nghiệp thông minh

13


Nông nghiệp chính xác là một trong những ứng dụng nổi tiếng nhất của IoT
trong nghành nông nghiệp và rất nhiều tổ chức đang sử dụng kỹ thuật này trên toàn thế
giới. CropMetrics là một tổ chức nông nghiệp chính xác tập trung vào các giải pháp
nông nghiệp cực kỳ hiện đại.
b) Trống nông nghiệp
Công nghệ đã thay đổi theo thời gian, ngày nay nông nghiệp là một ngành công
nghiệp chính để kết hợp máy bay không người lái. Trống đang được sử dụng trong
nông nghiệp để tăng cường các biện pháp canh tác khác nhau. Các phương pháp sử
dụng máy bay không người lái đang được sử dụng trong nông nghiệp để đánh giá sức khỏe
cây trồng, thủy lợi, giám sát cây, phun thuốc trừ sâu, trồng trọt và phân tích đất đai [11].

Hình 1.2: Máy bay không người lái
c) Giám sát chăn nuôi
Các chủ trang trại lớn có thể sử dụng các ứng dụng IoT để thu thập dữ liệu về vị
trí, sức khỏe gia súc của họ. Thông tin này giúp họ xác định được các động vật bị bệnh
để chúng có thể tách rời khỏi đàn, do đó ngăn ngừa sự lây lan của bệnh tật. Nó làm
giảm chi phí nhân công vì người chăn nuôi có thể xác định được gia súc của họ với sự
trợ giúp của cảm biến dựa trên IoT.

14


2.1. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống
Nhiều dự án về làm vườn và nhà thông minh và Arduino đã được thực hiện. Vi
xử lý Arduino là một nền tảng nguyên mẫu phù hợp đối với các dự án tương tác vì
Arduino có thể nhận biết các khu vực xung quanh với sự h trợ của các bộ cảm biến và
ảnh hưởng đến các khu vực xung quanh tương tự bằng các bộ dẫn động điều khiển.
Thực tế, có một thuật ngữ về nhà kính. Truyền hệ thông của tôi gôm (gồm bộ cảm biến
đo độ ẩm và nhiệt độ không khí (DHT22), bộ cảm biến đo độ ẩm đất và bộ cảm biến
đo ánh sáng) bên trong nhà kính.
2.2. Các hệ thống cảm biến
2.2.1. Bộ cảm biến
2.2.1.1. Khái niệm
a) Tại sao sử dụng cảm biến?
Thu thập dữ liệu là việc của mọi công việc không chỉ trong việc khoa mà còn
trong việc đưa ra quyết định ở nhiều lĩnh vực khác ngoài thực tế. Công nghệ cảm biến
có thể nâng cao quá trình này theo nhiều cách. Dữ liệu đã thu thập được chuyển đổi
thành dạng số nhị phân và được xử lý với tốc độ cao. Sau đó, dữ liệu được truy hồi và
xử lý bất kỳ khi nào người dung muốn [1-4].
Thuật ngữ ghi dữ liệu được sử dụng rộng rãi để mô tả công nghệ cảm biến.
Công nghệ này có thể cung cấp tốc độ cao hơn và sức bền lâu hơn. Do đó, có một tiềm
năng lớn đối với việc sử dụng công nghệ cảm biến trong đời sống. Khi tự động hóa
quy trình đo lường, công nghệ này có thể giảm khối lượng các nhiệm vụ lặp lại và tăng
hiệu quả [3].
b) Bộ cảm biến có thể làm gì?
Bộ cảm biến thu thập dữ liệu nhanh và ghi chép dữ liệu chính xác, dù là trong
phòng thí nghiệm khoa học hoặc ngoài thực tế. Công nghệ cảm biến có thể lưu dữ liệu
trong bộ nhớ, từ đó dữ liệu có thể được truy hồi để xử lý, phân tích và trình bày. Mặt
khác, công nghệ cảm biến có thể hiển thị các đồ thị dữ liệu theo “thời gian thực”, đồ

17

2.2.1.2. Các loại bộ cảm biến được sử dụng trong dự án
1) Nhiệt độ và độ ẩm không khí (Mô-đun DHT22)

Nhiệt kế

Thiết bị chuyển tương
tự sang số
(ADC)

Tín hiệu ra dạng
số

Ẩm kế

Hình 2.1: Nút cảm biến Nhiệt độ và Độ ẩm không khí
Nút cảm biến này đọc nhiệt độ và độ ẩm không khí bên trong nhà kính bằng
một màng hỏa điện đối với nhiệt độ và một ẩm kế - là một bộ cảm biến đo độ ẩm
không khí loại điện trở. Đầu đọc này đọc giá trị điện trở của bộ cảm biến và phản hồi
sự thay đổi độ ẩm. Các thay đổi được ghi chép bằng hai thiết bị này được gửi đến một
hệ thống ADC chung để chuyển đổi dạng dữ liệu dạng tương tự thành dạng kỹ thuật số
để dễ dàng giải mã và dễ hiểu bằng máy chủ. Đối với hệ thống của chúng tôi, bộ cảm
biến DHT 22 được sử dụng là một bộ cảm biến phức hợp gồm một đầu ra tín hiệu kỹ
thuật số lấy chuẩn của nhiệt độ và độ ẩm không khí. Bộ cảm biến này hoạt động trên
đầu ra công suất thấp và tin cậy cao vì bộ cảm biến này có thể được vận hành trong
nhiệt độ lên đến 50oC và độ ẩm lên đến 80% RH. Bộ cảm biến DHT22 được sử dụng
để đo lường nhiệt độ và độ ẩm không khí tại một vị trí nhất định, kích cỡ nhỏ, mức
tiêu thụ điện thấp và khoảng cách truyền dữ liệu dài (20m). Chúng tôi chọn bộ cảm
biến này vì các ưu điểm như chất lượng tốt, sai số thấp, đáp ứng nhanh, khả năng
chống nhiễu, chi phí thấp và các ưu điểm khác so với bộ cảm biến loại khác.


DHT22, có giá trị 5mS đối với truyền thông thời gian đơn lẻ. Dữ liệu gồm bộ phận
tích phân và thập phân, sau đây là công thức đối với dữ liệu.
Đầu tiên, DHT22 gửi dữ bit dữ liệu cao hơn! DATA = dữ liệu RH tích phân 8
bit + dữ liệu RH thập phân 8 bit + dữ liệu T tích phân 8 bit + dữ liệu T thập phân 8 bit
+ tổng kiểm tra 8 bit. Nếu việc truyền dữ liệu là đúng, tổng kiểm tra phải là 8 bit cuối
cùng của " dữ liệu RH tích phân 8 bit + dữ liệu RH thập phân 8 bit + dữ liệu T tích
phân 8 bit + dữ liệu T thập phân 8 bit ".

20


Khi MCU gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 thay đổi từ chế độ tiêu thụ điện năng
thấp sang chế độ chạy. Khi MCU hoàn thành gửi tín hiệu bắt đầu, DHT22 sẽ gửi tín
hiệu phản hồi của dữ liệu 40 bit để phản ánh thông tin về độ ẩm và nhiệt độ tương đối
cho MCU. Nếu không có tín hiệu bắt đầu MCU, nó sẽ không đưa ra tín hiệu phản hồi
cho MCU. Tín hiệu bắt đầu đối với dữ liệu phản hồi của một lần phản ánh thông tin về
độ ẩm và nhiệt độ tương đối từ cảm biến. DHT22 thay đổi thành chế độ tiêu thụ điện năng
thấp dữ liệu được thu thập nếu cảm biến không nhận lại tín hiệu bắt đầu từ MCU.
2) Cảm biến độ ẩm đất

Thiết bị chuyển tương
tự sang số
(ADC)

Ẩm kế

Tín hiệu ra dạng
số

Hình 2.3: Nút cảm biến độ ẩm đất