(Luận văn thạc sĩ) Nghiên cứu xây dựng phần mềm thu thập và giám sát dữ liệu trong nông nghiệp thông minh sử dụng nền tảng THINGS BOARD

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------

Nguyễn Thành Sơn

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM THU THẬP VÀ
GIÁM SÁT DỮ LIỆU TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG
MINH SỬ DỤNG NỀN TẢNG THINGS BOARD

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

HÀ NỘI - 2017


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------

Nguyễn Thành Sơn

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG PHẦN MỀM THU THẬP VÀ
GIÁM SÁT DỮ LIỆU TRONG NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH
SỬ DỤNG NỀN TẢNG THINGS BOARD

Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
Mã số: 8.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Quốc Uy

HÀ NỘI - 2021


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan: Luận văn tốt nghiệp với đề tài “Nghiên cứu xây dựng phần
mềm thu thập và giám sát dữ liệu trong nông nghiệp thông minh sử dụng nền
tảng Things Board” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi, các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tơi xin chịu mọi trách nhiệm về cơng trình nghiên cứu của riêng mình !
Tác giả luận văn

Nguyễn Thành Sơn


ii

LỜI CẢM ƠN
Học viên xin được gửi lời chân thành cảm ơn đến TS. Nguyễn Quốc Uy đã
trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ, chỉ dạy, động viên và tạo điều kiện thuận lợi trong
suốt quá trình từ xây dựng đề cương, xây dựng chương trình, đến hồn thiện nội
dung luận văn “Nghiên cứu xây dựng phần mềm thu thập và giám sát dữ liệu
trong nông nghiệp thông minh sử dụng nền tảng Things Board”.
Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa quốc tế và đào tạo sau đại
học, Học viện Cơng nghệ Bưu chính Viễn thơng, những nhà giáo đã tận tâm truyền
dạy những kiến thức quý báu trong suốt những năm học vừa qua.
Do thời gian hồn thành luận văn có hạn cho nên những suy nghĩ cũng như sự

thể hiện ý tưởng trong luận văn không tránh khỏi những khiếm khuyết. Học viên rất
mong được sự động viên và đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo.
Xin chân thành cảm ơn!


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .......................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vi
DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRONG NƠNG
NGHIỆP THƠNG MINH ...........................................................................................3
1.1.

Tình hình ứng dụng cơng nghệ trong nông nghiệp thông minh ....................3

1.1.1

Ứng dụng công nghệ trong nông sản hữu cơ ..........................................3

1.1.2

Một số phần mềm trong nông nghiệp thông minh..................................5

1.2.

Một số giao thức trao đổi dữ liệu ..................................................................8

1.2.1 Giao thức CoAP ..........................................................................................8
1.2.2 Giao thức MQTT .......................................................................................11
1.2.3 Giao thức RESTful (HTTP) ......................................................................13
1.3. Một số chuẩn giao thức truyền tải dữ liệu trong IoT theo tiêu chuẩn công
nghiệp.....................................................................................................................15
1.3.1 Giao thức Bluetooth ..................................................................................15
1.3.2 Giao thức Zigbee .......................................................................................17
1.3.3 Giao thức Z-wave ......................................................................................17
1.3.4 Giao thức 6LoWPAN ................................................................................18
1.3.5 Giao thức Wifi ...........................................................................................19
1.3.6 Giao thức LoRa .........................................................................................21
1.4.

Kết luận ........................................................................................................22

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ MƠ HÌNH THU THẬP VÀ GIÁM SÁT DỮ LIỆU ......23
2.1.

Hệ thống nông nghiệp thơng minh ..............................................................23

2.1.1 Tính chất của hệ thống nơng nghiệp thơng minh ......................................24
2.1.2 Tính năng của phần mềm trong nông ngiệp thông minh ..........................27


iv

2.2.

Mơ hình hệ thống .........................................................................................29

2.3.

Giới thiệu nền tảng Things Board ...............................................................31

2.4.

Kết luận ........................................................................................................35

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG VÀ KIỂM THỬ PHẨN MỀM ..................................36
3.1.

Cài đặt nền tảng Things Board ....................................................................36

3.1.1.

Cấu hình yêu cầu...................................................................................36

3.1.2.

Cài đặt nền tảng Things Board trên Ubuntu .........................................37

3.1.3.

Xây dựng một ứng dụng đơn giản với ThingsBoard ............................42

3.2.

Xây dựng mô hình ứng dụng trên nền tảng Things Board ..........................49

3.3.

Thử nghiệm và đánh giá phần mềm ............................................................53

3.4.

Kết luận ........................................................................................................57

KẾT LUẬN ...............................................................................................................58
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................59
PHỤ LỤC ..................................................................................................................60


v

DANH SÁCH CÁC KÍ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ADC

Analog to Digital Converter

Bộ chuyển đối tương tự sang số

DMA

Direct Memory Access

Truy cập bộ nhớ trực tiếp

IoT

Internet of Thing

Vạn vật kết nối

DNS

Domain Name System

Hệ thống tên miền

GSI

Global Standards Initiative

Sáng kiến tiêu chuẩn toàn cầu

HVAC

Heating, Ventilating, and Air

Hệ thống sưởi ấm, thơng gió và

Conditioning
MQTT

điều hồ khơng khí

Message Queue Telemetry

Giao thức truyền nhận bản tin xác

Transport

thực

HTTP

HyperText Transfer Protocol

Giao thức truyền siêu văn bản

LAN

Local Area Network

Mạng cục bộ

M2M

Machine to Machine

Máy tới máy

LPC

Linear Predictive Coding

Mã hóa dự đốn tuyến tính

PAM

Pulse Amplitude Modulation

Điều chế biên độ xung

PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế mã xung

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SNR

Signal to noise ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SPI

Serial Peripheral Interface

Giao tiếp ngoại vi nối tiếp

WAN

Wide High Frequency

Mạng diện rộng


vi

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Chức năng chính của phần mềm nông nghiệp thông minh HiFarm ...........6
Bảng 1.2: Chức năng của phần mềm nông nghiệp thông minh NextFarm .................8
Bảng 1.3: Các chuẩn wifi hiện hành .........................................................................19


vii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1: Phần mềm nơng nghiệp thơng minh HiFarm ..............................................5
Bảng 1.1: Chức năng chính của phần mềm nơng nghiệp thơng minh HiFarm ...........6
Hình 1.2: Phần mềm nơng nghiệp thơng minh NextFarm ..........................................7
Hình 1. 3: Mơ hình giao thức CoAP so sánh với HTTP .............................................9
Hình 1. 4: Mơ hình giao tiếp MQTT .........................................................................11

Hình 1. 5: Kiến trúc thành phần giao tiếp MQTT .....................................................13
Hình 1. 6: Cách thức hoạt động của giao thức RESTFul ..........................................14
Hình 1.7: Ứng dụng của bluetooth thế hệ thứ 5 ........................................................16
Hình 1. 8: ứng dụng của Zigbee trong phát triển IoT ...............................................17
Hình 1. 9: Giao tiếp Z-Wave .....................................................................................18
Hình 1.10: Mơ hình giao tiếp 6LOWPAN ................................................................19
Hình 1.11: Cấu trúc phân lớp mạng giao thức Lora .................................................22
Hình 2.1: Ứng dụng rộng rãi của IoT trong xã hội ...................................................24
Hình 2.2: Chip ARM thế hệ mới tích hợp Lora ........................................................26
Hình 2.3: hiển thị dữ liệu giám sát và thu thập đa nền tảng......................................27
Hình 2.4: Đa dạng cảm biến trong nơng nghiệp thơng minh ....................................28
Hình 2.5: Moule Lora tầm phát 7000 mét .................................................................29
Hình 2.7: Mơ hình tính năng của ThingsBoard ........................................................31
Hình 2.8: Mơ hình một hệ thống IoT sử dụng ThingsBoard ....................................31
Hình 2.9: Giao diện một thệ thống quản lý kho nơng nghiệp sử dụng ThingsBoard
...................................................................................................................................32
Hình 2.10: Giao diện tạo các quy tắc ràng buộc của ThingsBoard ...........................33
Hình 2.11: Cơng cụ Rule Engine của ThingsBoard ..................................................34
Hình 3. 1: Các nền tảng hệ điều hành Things Board hỗ trợ ......................................36
Hình 3. 2: Các phương án cấu hình CSDL của ThingsBoard ..................................38
Hình 3. 3: Giao diện ThingsBoard sau khi cài đặt thành cơng .................................42
Hình 3. 4: Giao diện cấu hình thơng tin thiết bị ........................................................43


viii

Hình 3. 5: Giao diện thơng tin chi tiết của thiết bị ....................................................44
Hình 3. 6: Giao diện LATEST TELEMETRY .........................................................46
Hình 3. 7: Giao diện cấu hình Alias ..........................................................................47
Hình 3. 8: Giao diện cấu hình đồ thị .........................................................................47

Hình 3. 9: Cấu hình thơng tin cần hiển thị lên biểu đồ .............................................48
Hình 3. 10: Hiển thị dữ liệu nhiệt độ trên giao diện ThingsBoard ...........................48
Hình 3. 11: Giao diện hiển thị dữ liệu cảm biến nhiệt độ/độ ẩm thực ......................49
Hình 3. 12: Mơ hình hệ thống ứng dụng ...................................................................50
Hình 3. 13: Board Raspberry Pi 3 được trang bị kết nối 3G .....................................51
Hình 3. 14: Thiết bị cảm biến nhiệt độ, độ ẩm SHT21 .............................................51
Hình 3.15: Thiết bị cảm biến độ ẩm đất ....................................................................52
Hình 3. 16: Mơ hình dịch vụ Cloud MQTT ..............................................................52
Hình 3. 17: Mơ hình kiến trúc ThingsBoard Server được sử dụng...........................53
Hình 3. 18: Kết nối cảm biến và Raspberry Pi..........................................................53
Hình 3. 19: Dữ liệu cảm biến đã được đọc và xử lý .................................................54
Hình 3. 20: Dữ liệu đã gửi thành cơng lên ThingsBoard ..........................................55
Hình 3. 21: Giao diện quan sát dữ liệu từ cảm biến thực tế ......................................56


1

MỞ ĐẦU
Nông nghiệp ứng dụng công nghệ thông tin và truyền thơng (Information
and Communications Technology - ICT), cịn gọi là “nơng nghiệp thơng minh” hay
“nơng nghiệp chính xác” - đang trở thành xu thế mới, cải thiện đáng kinh ngạc nền
nơng nghiệp ở nhiều nơi trên thế giới. Hình ảnh nhà nông vất vả và lạc hậu đang trở
thành lỗi thời, thay vào đó là những nơng dân ứng dụng thuần thục công nghệ và kỹ
thuật hiện đại vào thương mại, sản xuất. Yếu tố ICT ở đây chỉ các thiết bị, công cụ
hoặc ứng dụng thông tin và truyền thông, cho phép thu thập-trao đổi dữ liệu thông
qua việc tương tác hoặc truyền tải, ví dụ: radio, vệ tinh, điện thoại di động, internet,
điện toán đám mây, ứng dụng thanh tốn điện tử, phần mềm quản lý tài chính, hệ
thống tự động hóa... Khi được ứng dụng trong nơng nghiệp, ICT giúp người nông
dân nâng cao khả năng tiếp cận thơng tin, cải thiện năng lực thanh tốn, tăng năng
suất, nâng cao năng lực quản lý, ứng phó hiệu quả với rủi ro, thậm chí hưởng lợi

nhờ đón đầu thay đổi. Bên cạnh đó số lao động tham gia vào lĩnh vực nơng nghiệp
ngày càng suy giảm thì các hệ thống tự động hóa trở thành giải pháp hàng đầu. Đây
cũng là công cụ mang lại thành quả nông nghiệp đáng nể cho Israel, vốn chỉ có 3%
dân số theo nghề nơng. Với số lượng nơng dân ít ỏi, các trang trại bò sữa tại Israel
đã áp dụng hệ thống vắt sữa tự động điều khiển bằng máy tính. Hệ thống có khả
năng làm thay phần việc của người ở một số khâu trong q trình vắt sữa bị. Nhờ
đó, Israel có thể vận hành hiệu quả những trang trại bị sữa quy mơ lớn chỉ với số
lượng nhân cơng hạn chế. Tại Việt Nam các tập đồn kinh tế lớn có tham gia vào
lĩnh vực nơng nghiệp cũng đã và đang áp dụng triệt để các hệ thống cơ giới hóa để
nâng cao hiệu quả trong nơng nghiệp. Cùng với đó là sự hỗ trợ mạnh mẽ của Chính
Phủ trong thời đại của cuộc cách mạng cơng nghiệp lần thứ tư, đã tạo những điều
kiện tốt nhất để các doanh nghiệp lớn có thể mạnh dạn ứng dụng các công nghệ tiên
tiến trên thế giới.
Tuy nhiên so với mặt bằng chung trên thế giới tình hình cơ giới hóa nơng
nghiệp ở nước ta vẫn cịn diễn ra cục bộ và chỉ ở các tập đoàn kinh tế lớn đầu tư vào
nơng nghiệp, trong khi đó nền nơng nghiệp Việt Nam phần nhiều là cá thể, việc các


2

hộ gia đình có thể đẩy mạnh cơ giới hóa vẫn cịn nhiều khó khăn do các loại máy
móc thiết bị để tự động hóa trong nơng nghiệp cịn khá đắt và đặc điểm sản xuất của
hộ gia đình là trên diện tích canh tác khơng lớn. Nhìn chung, một nền nông nghiệp
thông minh là tăng cường thông tin, nâng cao năng suất, cải thiện năng lực quản lý,
chủ động tìm kiếm thị trường, giảm bớt rủi ro, tạo nền tảng phát triển các mơ hình
kinh doanh mới… Hơn thế nữa, kể từ khi nông nghiệp thông minh phát triển, giới
trẻ đã bắt đầu quan tâm nhiều hơn đến nông nghiệp. Trước đây, nông nghiệp vẫn
gắn liền với các đặc tính kém hấp dẫn như năng suất thấp, thu nhập thấp, lao động
trình độ thấp và rủi ro tài chính. Do triển vọng công việc hạn chế, thanh niên thường
sớm rời nơng thơn để tìm kiếm cơ hội việc làm ở nơi khác. Trong khi đó, với khả

năng tiếp cận công nghệ thông tin, năng lực đổi mới và xu hướng đương đầu với rủi
ro, giới trẻ chính là “mắt xích cịn thiếu” để thúc đẩy sự phát triển của kinh tế nơng
thơn. Chính bởi các yếu tố đó, cần có một hệ thống ứng dụng nơng nghiệp thơng
minh tinh gọn, phù hợp với đặc điểm kinh tế cá thể ở nước ta, có như vậy nghề
nơng trở nên hấp dẫn hơn nhờ kỹ thuật sản xuất tốt, khả năng ứng dụng công nghệ
hiện đại, chiến lược định hướng thị trường hiệu quả và nhiều cơ hội tạo thu nhập
bền vững. Đây sẽ là những yếu tố thuyết phục để thu hút thanh niên đến với nghề
nông, tạo động lực phát triển mạnh mẽ cho nông nghiệp trong tương lai..
Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu học viên đã xây dựng luận văn với cấu
trúc gồm 3 chương chính như sau:
 Chương I: Tổng quan về ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp thông
minh.
 Chương II: Thiết kế mô hình thu thập và giám sát dữ liệu.
 Chương III: Xây dựng và kiểm thử phẩn mềm.
Do hạn chế về thời gian cũng như kiến thức bản thân, luận văn không thể
tránh khỏi các khiếm khuyết. Học viên rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của
các thầy cơ, các học viên quan tâm để luận văn được hoàn thiện hơn.


3

CHƯƠNG I:
TỔNG QUAN VỀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ TRONG
NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH
Chương I của luận văn gồm 3 phần, phần đầu trình bày về tình hình ứng dụng
dụng cơng nghệ trong nông nghiệp thông minh trên thế giới và Việt Nam và một số
phần mềm trong nông nghiệp thông minh đã được cơng bố, tiếp theo học viên sẽ trình
bày một số phương pháp trao đổi dữ liệu trong nông nghiệp thơng minh,phần cuối sẽ
trình bày một số chuẩn giao thức truyền tải dữ liệu trong IoT.

1.1. Tình hình ứng dụng công nghệ trong nông nghiệp thông minh
Do nước ta là một quốc gia nông nghiệp với ưu thế về tự nhiên, khí hậu, đất
đai và nguồn lao động thuận lợi cho sản xuất các loại nơng sản có giá trị dinh dưỡng
và kinh tế cao. Khi cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư bùng nổ, rất nhiều ứng
dụng áp dụng công nghệ cao vào trong sản xuất nông nghiệp đã được triển khai.
Các công nghệ mới nhất như IoT (theo dõi dữ liệu cảm biến, điều khiển tự động/từ
xa các động cơ, máy bơm, quạt, rèm che…), Big Data (trích xuất, xử lý dữ liệu lớn,
xây dựng các mơ hình dữ liệu), Deep learning (Xử lý ảnh, đưa ra cảnh báo dịch
bệnh trên diện rộng)… đều đã được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau của
nông nghiệp công nghệ cao.

1.1.1 Ứng dụng công nghệ trong nông sản hữu cơ
Nông sản là hướng phát triển quan trọng của nước ta, đặc biệt là khi đơ thị
hóa phát triển nhanh, các vùng nguyên liệu trên thế giới nói chung đều đang ngày
càng thu hẹp. Trong nông nghiệp hữu cơ, thì sản xuất nơng sản, đặc biệt là rau theo
phương thức hữu cơ chiếm vị trí quan trọng hàng đầu bởi vì các cây rau là đối
tượng chịu ảnh hưởng nặng nề nhất của nền sản xuất hóa nơng nghiệp. Việc sản
xuất rau an tồn nói chung và sản xuất rau hữu cơ nói riêng là vấn đề bức thiết cần
giải quyết hiện nay.
Trồng rau hữu cơ đòi hỏi phải thực hiện một quy trình nghiêm ngặt, từ chọn
vùng đất trồng phải có quy hoạch cách xa khu cơng nghiệp, xí nghiệp, bệnh viện
hay bãi rác… nguồn nước, khơng khí phải đảm bảo yêu cầu sạch không bị ô nhiễm,


4

phải đảm bảo vùng đệm để cách ly với các khu vực khơng an tồn. Hạt giống cần
được thu từ cây trồng đã qua quy trình sản xuất rau hữu cơ có kiểm định. Lập kế
hoạch xen canh và luân canh cho các loại rau trồng hữu cơ là yếu tố tất yếu giúp
trang trại rau hữu cơ hạn chế khả năng dịch sâu bệnh hại tấn công. Luân canh quay

vịng giữa các nhóm rau nên cân nhắc mùa vụ và thời tiết trong năm để sắp xếp loại
cây trồng phù hợp. Sử dụng nguồn phân hữu cơ đúng quy cách, có thể tự làm phân
hữu cơ bằng cách ủ phân chuồng hoại mục hoặc ủ phân xanh. Các phương pháp
sinh học, cơ học và vật lý luôn được ưu tiên. Ví dụ như thu hút thiên địch vào
ruộng, đặt bẫy đèn, bẫy dính, trồng cây xua đuổi cơn trùng như gừng, tỏi, hành, hoa
cúc…
Những công nghệ về IoT không phải là quá mới trong những năm gần đây,
đã được triển khai tại nhiều nơi, trong nhiều lĩnh vực. Tuy nhiên, chưa có mơ hình
nơng nghiệp cơng nghệ cao điển hình ứng dụng IoT cho tồn bộ chuỗi sản xuất, thu
hoạch và cung cấp tới tận tay người tiêu dùng một cách hồn chỉnh, đảm bảo quy
trình, sự kết hợp giữa nền tảng hệ thống phần cứng, nền tảng hệ thống phần mềm
dùng để theo dõi, điều khiển với mô hình nhà kính hiện đại.
Những vấn đề kỹ thuật được giải quyết, đảm bảo tính cập nhật của cơng nghệ
mà luận văn định hướng áp dụng, so với các công nghệ tiên tiến trên thế giới.
-

Đầu tiên là phần mềm quản lý, IoT Platform, được bảo mật, sử dụng
được trên nền tảng web và ứng dụng máy tính nội bộ. Phần mềm quản lý
đáp ứng được các tiêu chí đề bài đưa ra và có tính cập nhật với thế giới về
mặt công nghệ.

-

Thứ hai là về chuẩn truyền thông trong IoT như LoRA. Đây đang là công
nghệ phát triển bậc nhất trên thế giới về truyền thông trong IoT. Mặc dù ở
VN, dải tần 800-900MHz không được cấp phép cho LoRA, nhưng dải tần
433MHz vẫn được sử dụng tốt trong phạm vi trang trại (hỗ trợ lên đến
10km).

-

Giải pháp công nghệ về IoT cho phép người dùng theo dõi, kiểm sốt
thơng số mơi trường thơng qua hệ thống mạng cảm biến, tự động hóa quy


5

trình sản xuất bằng việc đưa ra các kịch bản điều khiển dựa trên yêu cầu
của từng thời kỳ phát triển của từng loại cây. Quy trình tự động hóa trong
trồng trọt giúp quản lý quy trình sản xuất, cũng như quản lý chất lượng
sản phẩm đầu ra.

1.1.2 Một số phần mềm trong nông nghiệp thông minh
a) Phần mềm Hifarm
HiFarm có thể nói là một trong những doanh nghiệp ứng dụng công nghệ cao
vào nông nghiệp khá thành công tại Đà Lạt. Với việc tích hợp nhiều cơng nghệ lại
với nhau để tận dụng triệt để những ưu điểm của nông nghiệp công nghệ cao trong
trồng trọt, HiFarm đang chiếm được thị phần khá lớn tại khu vực Đà Lạt.

Hình 1.1: Phần mềm nông nghiệp thông minh HiFarm

Hiện tại HiFarm đang có hơn 5 nơng trại thơng minh với diện tích 4,2 hecta
đất canh tác. Đặc biệt HiFarm cũng đã nghiên cứu và cho ra đời những giống cây,
loại quả đạt chất lượng chuẩn 100% VietGAP và 90% GlobalGAP như Dâu New