Ứng dụng Internet of Things xây dựng hệ thống hỗ trợ quản lý nhà kính

HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

ỨNG DỤNG INTERNET OF THINGS XÂY DỰNG HỆ THỐNG
HỖ TRỢ QUẢN LÝ NHÀ KÍNH
Võ Xuân Phong - 1410349
Nguyễn Thanh Tùng – 1410183

LỚP CTK38, Khoa Công nghệ Thông tin
1.

MỞ ĐẦU

Internet kết nối vạn vật – Internet of Things (IoT) là một mạng toàn cầu các thiết bị
truyền thơng được kết nối với nhau. IoT tích hợp các khái niệm truyền thơng mọi lúc mọi nơi,
tính tốn tự động và thông minh. Trong môi trường IoT, “mọi thứ” (things), đặc biệt là các vật
dụng hàng ngày như đồ dùng gia dụng, quần áo, xe cộ, đường xá, các vật liệu thơng minh,…
đều có thể đọc được, nhận dạng, định vị và có thể điều khiển thơng qua internet [1]. Điều này
tạo ra nền tảng cho nhiều ứng dụng mới như các ứng dụng giám sát và điều khiển áp dụng cho
nhiều lĩnh vực trong đó có nơng nghiệp.
Hiện nay, trong xu thế của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nông nghiệp công nghệ cao
là một trong những định hướng chính để phát triển kinh tế - xã hội của nước ta. Riêng đối với
Lâm Đồng, một địa phương rất có thế mạnh trong phát triển kinh tế nơng nghiệp với điều kiện
khí hậu, đất đai thích hợp với 4 vùng sinh thái đặc trưng, có gần 209.000 ha đất đỏ bazan thuận
lợi cho phát triển đa dạng, quanh năm nhiều chủng loại cây trồng như rau, hoa, chè, cà phê,
tiêu, điều, cây ăn trái, phát triển chăn nuôi bị sữa, ni cá nước lạnh, ứng dụng IoT trong sản
xuất nông nghiệp cũng đã trở thành một nhu cầu cấp thiết. Tồn tỉnh hiện có hơn 50.000ha đất
sản xuất nơng nghiệp sản xuất theo mơ hình ứng dụng cơng nghệ cao, chiếm 18% tổng diện
tích sản xuất nơng nghiệp, tỷ trọng giá trị sản xuất nông nghiệp công nghệ cao đạt 30% giá trị
toàn ngành, 80% giá trị xuất khẩu toàn tỉnh. Tuy nhiên, việc ứng dụng IoT trong nơng nghiệp
cơng nghệ cao cịn gặp nhiều khó khăn như chi phí đầu tư ban đầu lớn; tồn tại tâm lý ngại thay
đổi, ứng dụng giải pháp công nghệ, kỹ thuật mới; sự liên kết giữa nghiên cứu - quản lý và

chuyển giao - ứng dụng còn rời rạc. Theo thống kê năm 2017, trên địa bàn tỉnh hiện có khoảng
15 trang trại/doanh nghiệp ứng dụng IoT nhưng chỉ tập trung ở những doanh nghiệp lớn, chưa
áp dụng rộng rãi được mơ hình cho nhiều trang trại và hộ nơng dân khác [2].
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu các kiến trúc và nền tảng IoT để ứng dụng xây dựng
hệ thống mô phỏng hỗ trợ quản lý nhà kính, hướng tới việc tiếp cận phát triển ứng dụng nhà
kính thơng minh có chi phí triển khai thấp và có thể ứng dụng rộng rãi.
Đề tài “Ứng dụng Internet of Things xây dựng hệ thống hỗ trợ quản lý nhà kính” được
thực hiện góp phần giải quyết các vấn đề trên. Hệ thống sẽ cung cấp các chức năng hỗ trợ quản
lý và điều khiển các thiết bị của nhà kính theo thời gian thực, thu thập thơng số mơi trường, hệ
thống có thể tự động hóa dựa trên thông số môi trường được gửi lên từ các cảm biến hoặc do
người dùng lập lịch cho thiết bị bật tắt tự động theo thời gian, thống kê và lập báo cáo.

30


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

2.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Hướng tiếp cận của đề tài là dựa trên việc tìm hiểu, nghiên cứu kiến trúc, công nghệ và
các ứng dụng của IoT, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao để phát triển hệ
thống IoT quản lý nhà kính. Kiến trúc của hệ thống IoT có thể chia làm 05 tầng: tầng nhận thức
(Perception Layer), tầng mạng (Network layer), tầng trung gian (Middleware layer), tầng ứng
dụng (Application layer) và tầng nghiệp vụ (Bussiness layer) [3].

Hình 1. Kiến trúc hệ thống IoT

Dựa trên kiến trúc này, đề tài tập trung vào tầng ứng dụng để xây dựng hệ thống hỗ trợ

quản lý nhà kính. Để minh họa cho hoạt động của nhà kính, một bộ điều khiển khiển được thiết
kế và phát triển dựa trên board mạch vi xử lý Ardunio và ESP8266. Bộ điều khiển được kết nối
đến các thiết bị như thiết bị cảm biến, thiết bị chấp hành. Ứng dụng được xây dựng dựa trên
công nghệ điện toán đám mây, hỗ trợ nền tảng thiết bị di động.
3.

NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Hệ thống hỗ trợ quản lý nhà kính được được xây dựng gồm các chức năng chính như
quản lý và điều khiển các thiết bị thời gian thực, thu thập thông số môi trường, tự động hóa
hoạt động thiết bị dựa trên thơng số môi trường hoặc do người dùng lập lịch, thống kê và vẽ
biểu đồ các thông số theo nhiều khung thời gian.
3.1.

Mơ tả hệ thống

Hệ thống được phát triển gồm có 4 thành phần chính như sau: i) Ứng dụng trên máy chủ
(Server); ii) Cơ sở dữ liệu lưu trữ (Database); iii) Ứng dụng di động (Mobile Application); và
iv) Hệ thống thiết bị tại nhà kính.

31


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

Hình 2. Mơ hình tổng quan hệ thống

•

Ứng dụng trên máy chủ (Server)

Đóng vài trị trung tâm của hệ thống, được phát triển dựa trên các cơng nghệ điện tốn
đám mây, cung cấp dịch vụ cho người dùng thông qua hai cách thức là ứng dụng web và ứng
dụng trên thiết bị di động.
Việc giao tiếp với các thiết bị của nhà kính được thực hiện thông qua giao thức
Websocket để lấy các thông số môi trường cũng như gửi tín hiệu điều khiển cho thiết bị. Ứng
dụng web được xây dựng trên nền tảng NodeJS, một nền tảng công nghệ mới nhưng đầy sức
mạnh, được duy trì và phát triển bởi cộng đồng đơng đảo lập trình viên trên tồn thế giới. Nền
tảng mã nguồn mở này cũng cung cấp cơ chế tạo các thư viện API cho phép ứng dụng di động
được kết nối dễ dàng.
•

Cơ sở dữ liệu lưu trữ

Với đặc trưng của ứng dụng IoT là lượng dữ liệu phát sinh trong quá trình hoạt động của
hệ thống rất lớn (big data), do đó cơ sở dữ liệu của ứng dụng phải đảm bảo được việc lưu trữ
dữ liệu lớn và tốc độ truy xuất. Một phương án tối ưu là sử dụng cơ sở dữ liệu NoSQL, tức là
dữ liệu không lưu theo cấu trúc bảng mà lưu theo định dạng JSON, thay cho cơ sở dữ liệu SQL
thông thường.
Hệ thống được phát triển sử dụng cơ sở dữ liệu MongoDB. Cơ sở dữ liệu này được lưu
trữ theo kiểu BJSON, đảm bảo tốc độ truy xuất và lưu trữ với một lượng lớn cơ sở dữ liệu, tiết
kiệm được dung lượng về phần cứng một cách tối đa.

32


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

•

Ứng dụng di động

Ứng dụng di động được xây dựng trên nền tảng của React Native nó được bảo trợ bởi
cơng ty mạng xã hội lớn nhất tồn cầu Facebook. Cơng nghệ này có thể tương thích với hệ điều
hành IOS và Android, xây dựng một lần và chạy được trên nhiều nền tảng nhưng vẫn đảm bảo
về mặt tốc độ cũng như hiệu suất của ứng dụng.
•

Hệ thống thiết bị tại nhà kính

Gồm các thiết bị điều khiển (controller), cảm biến (sensor), thiết bị chấp hành (actuator).
Các thiết bị này được lập trình để thu thập và gửi các thông số môi trường (độ ẩm, ánh sáng)
lên máy chủ, đồng thời nhận lệnh từ máy chủ để điều khiển các thiết bị như đèn, quạt gió,…
Danh mục các thiết bị được liệt kê trong bảng sau.
Bảng 1. Danh mục thiết bị tại nhà kính
Loại thiết bị

Thiết bị

Chức năng

1

Thiết bị điều khiển

Module ESP8266 NodeMCU
Module ESP8266 ESP-01
Arduino Uno

Có hai chức năng chính là điều

khiển rơ le, bật tắt các công tắc và
thu thập dữ liệu từ các cảm biến gửi
lên máy chủ.

2

Cảm biến

DTH11
BH1750

Thu thập các thông số môi trường
như: nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh
sáng.

3

Thiết bị chấp hành

Relay Module

Nhận lệnh từ bộ điều khiển để bật
tắt thiết bị đèn, quạt.

STT

3.2.

Kết quả triển khai hệ thống
Đề tài đã xây dựng được hệ thống với các chức năng chính sau:

•
Xây dựng hệ thống thống ứng dụng trên máy chủ có khả năng mở rộng cao, kết
nối được với nhiều thiết bị và nền tảng phần cứng khác nhau.
•

Xây dựng chức năng phân quyền cho người dùng.

•

Điều khiển thiết bị và tiếp nhận thông tin môi trường từ các cảm biến.

•
Chức năng thu thập dữ liệu và lưu trữ, thống kê chi tiết ra dạng biểu đồ từ các
thông tin được gửi lên.
•
Chức năng nhận biết thiết bị đang hoạt động hay đã mất kết nối hiển thị trên
Google Map.
•

Chức năng điều khiển tự động theo thơng số mơi trường và lặp lịch.

33


HỘI NGHỊ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC SINH VIÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT NĂM 2018

4.

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

4.1.

Kết luận

Về mặt lý thuyết, hiểu rõ các khái niệm và kiến trúc của IoT cũng như qui trình để xây
dựng một hệ thống IoT.
Về mặt thực nghiệm, đã mô phỏng việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao
thông qua việc xây dựng hệ thống hỗ trợ quản lý nhà kính với nhiều chức năng từ cơ bản đến
nâng cao. Hệ thống được phát triển có khả năng mở rộng và tính khả thi cao, có thể áp dụng
vào thực tế nếu kết hợp với các thiết bị phần cứng chun dụng tại nhà kính.
4.2.

Hướng phát triển
•

Triển khai hệ thống vào thực tế (tại nhà kính thật).

•

Phát triển và bổ sung các chức năng bảo mật.

•
Phát triển các tính năng thơng minh như nhận dạng giọng nói, cảnh cáo hoạt động
thiết bị.
•
Xây dựng qui trình áp dụng cho một loại cây trồng cụ thể trong nhà kính, hệ
thống sẽ tự động điều chỉnh hoạt động theo quá trình sinh trưởng của cây được cài đặt
trước.
•
Áp dụng máy học để phân tích, rút trích thơng tin và dự báo từ dữ liệu thu thập

được.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Marques, G., Garcia, N., & Pombo, N. (2017). A survey on IoT: architectures, elements,
applications, QoS, platforms and security concepts. In Advances in Mobile Cloud Computing
and Big Data in the 5G Era (pp. 115-130). Springer, Cham.
[2] Vũ Đình Đơng, Lâm Đồng coi trọng ứng dụng, phát triển nông nghiệp công nghệ cao,
Nguồn: />[3] Al-Fuqaha, A., Guizani, M., Mohammadi, M., Aledhari, M., & Ayyash, M. (2015). Internet
of things: A survey on enabling technologies, protocols, and applications. IEEE
Communications Surveys & Tutorials, 17(4), 2347-2376.

34