Nghiên cứu hệ thống canh tác chính xác ứng dụng robot, AI và iot

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

VŨ VÂN THANH

VŨ VÂN THANH

C
C

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

R
L
T.

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CANH TÁC CHÍNH XÁC
ỨNG DỤNG ROBOT, AI VÀ IOT

DU

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

KHOÁ K37.KĐT
Đà Nẵng – Năm 2020


I

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

VŨ VÂN THANH

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CANH TÁC CHÍNH XÁC
ỨNG DỤNG ROBOT, AI VÀ IOT

C
C

R
L
T.

Chuyên ngành : Kỹ thuật điện tử
Mã số
: 8520203

DU

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. PHAN TRẦN ĐĂNG KHOA

Đà Nẵng, 2020

II

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác.

C
C

DU

R
L
T.


II

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I
MỤC LỤC .................................................................................................................... II
TÓM TẮT LUẬN VĂN ............................................................................................. V
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. VI
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... VII
DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................VIII
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH ......... 5
1.1 Giới thiệu chương ................................................................................................. 5
1.2 Cơ sở lý thuyết ...................................................................................................... 5

C
C

1.2.1 Giới thiệu nông nghiệp trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0 ....... 5

R
L
T.

1.2.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài .......................... 5
1.3 Ứng dụng IoT trong hệ thống canh tác chính xác cho nơng nghiệp................ 9

DU

1.4 Ứng dụng Robot trong canh tác chính xác ........................................................ 9
1.5 Ứng dụng trí tuệ nhận tạo trong canh tác nơng nghiệp chính xác ................ 11
1.6 Mục tiêu ............................................................................................................... 12
1.7 Kết luận chương ................................................................................................. 13
CHƯƠNG 2 - HỆ THỐNG CANH TÁC NƠNG NGHIỆP CHÍNH XÁC ........... 14
2.1 Giới thiệu chương ............................................................................................... 14
2.2 Sơ đồ khối của hệ thống ..................................................................................... 14
2.3 Khối trạm cảm biến ........................................................................................... 15
2.4 Hệ thống robot canh tác .................................................................................... 16
2.5 Hệ thống phát hiện cây trồng ............................................................................ 17
2.6 Khối giám sát và điều khiển từ xa .................................................................... 24
2.7 Kết luận chương ................................................................................................. 24


III

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG CANH TÁC NƠNG
NGHIỆP CHÍNH XÁC .............................................................................................. 25
3.1 Giới thiệu chương ............................................................................................... 25
3.2 Thiết kế khối trạm cảm biến ............................................................................. 25
3.2.1 Thiết kế phần cứng ...................................................................................... 26
3.2.2 Thiết kế phần mềm ....................................................................................... 28
3.3 Thiết kế hệ thống Robot canh tác ..................................................................... 30
3.3.1 Thiết kế phần cứng ............................................................................................. 30
3.3.2 Thuật toán chương trình điều khiển Robot ...................................................... 34
3.4 Khối phát hiện cây trồng ................................................................................... 36
3.4.1 Cơ sở dữ liệu (dataset) ................................................................................. 37

C
C

3.4.2 Quá trình huấn luyện .................................................................................. 40

R
L
T.

3.4.3 Triển khai thực hiện trên máy tính nhúng Raspberry Pi .......................... 41
3.5 Thiết kế khối giám sát và điều khiển từ xa ...................................................... 42

DU

3.6 Kết luận chương ................................................................................................. 43
CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG ......... 44
4.1 Giới thiệu chương ............................................................................................... 44

4.2 Thi công phần cứng khối trạm cảm biến ......................................................... 44
4.2.1 Layout mạch in khối trạm cảm biến .......................................................... 44
4.2.2 Mạch in và mạch hoàn thiện khối trạm cảm biến môi trường ................. 44
4.2.3 Kết quả thi công khối trạm cảm biến ......................................................... 45
4.3 Thi công phần cứng hệ thống robot canh tác .................................................. 46
4.3.1 Kết quả thi công robot canh tác ................................................................. 46
4.3.2 Kết quả thi công toàn bộ hệ thống ............................................................. 46
4.4 Thực nghiệm và đánh giá hệ thống phát hiện cây trồng ................................ 47
4.5. Thi công và thực nghiệm phần mềm hệ thống ................................................ 54
4.5.1. Website quản lý và điều khiển hệ thống .................................................... 54
4.5.2. Ứng dụng cho điện thoại thông minh Android ......................................... 55
4.6. Đánh giá chung kết quả làm việc của hệ thống ............................................... 56


IV

4.7. Kết luận chương ................................................................................................. 57
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................ 58
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 59
PHỤ LỤC 1 ................................................................................................................. 61
Các cảm biến của khối trạm cảm biến thu thập dữ liệu môi trường..................... 61
PHỤ LỤC 2 ................................................................................................................. 65
Máy tính nhúng Raspberry Pi 4 chạy mơ hình học sâu nhận dạng cây trồng ..... 65
PHỤ LỤC 3 ................................................................................................................. 66

C
C

DU

R
L
T.


V

TĨM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CANH TÁC CHÍNH XÁC ỨNG DỤNG
ROBOT, AI VÀ IOT
Học viên thực hiện: Vũ Vân Thanh

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 8520203

Khóa: 37 Trường Đại học Bách Khoa-ĐHĐN

Tóm tắt- Hiện nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang mang lại sự khác biệt lớn trong
nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực canh tác nông nghiệp. Các công nghệ tiên tiến hiện nay có
thể áp dụng cho canh tác chính xác trong nơng nghiệp bao gồm Vạn vật kết nối (Internet of
Things - IoT), robot và trí tuệ nhân tạo (Artificial Intelligent – AI). Sự kết hợp giữa các mảng
công nghệ lớn này cho phép tạo ra các giải pháp tự động hóa cao cũng như các phương pháp
phân tích, đánh giá cho canh tác chính xác. Từ thực trạng trên, tơi đề xuất thực hiện luận văn
theo hướng nghiên cứu và thực thi một hệ thống canh tác chính xác ứng dụng các công nghệ
IoT, Robot và AI. Hệ thống bao gồm các khối sử dụng nền tảng IoT để giám sát, điều khiển,
cảnh báo sớm các rủi ro giúp tăng năng xuất và giảm thiểu các nguy cơ, đồng thời thực thi một
robot kết hợp trí tuệ nhân tạo để giúp robot thực hiện một số tác vụ canh tác cơ bản. Kết quả hệ
thống hoạt động tối ưu hơn trong việc chăm sóc cây trồng như: chính xác cho từng loại cây, bỏ
qua những vị trí khơng có cây trồng nhằm tiết kiệm thời gian hoạt động, tiết kiệm năng lượng,

nguồn nước với mơ hình chăm sóc lớn hơn, đồng thời áp dụng IoT giúp chủ động ứng phó cũng
như tối ưu trong vận hành với bất kỳ thay đổi từ mơi trường sinh trưởng của cây trồng.

C
C

R
L
T.

DU

Từ khóa: Trí tuệ nhân tạo, Nông nghiệp thông minh, Vạn vật kết nối, Robot canh tác, công
nghiệp 4.0
A STUDY ON ACCURATE CULTIVATION SYSTEM WITH APPLICATION OF
ROBOT AI, AND IOT
Abstract- Currently, the Industrial Revolution 4.0 is making a big difference in many fields,
including the field of agricultural cultivation. Current advanced technologies that can be applied
to precision farming in agriculture include Internet of Things (IoT), robotics and Artificial
Intelligence (AI). The combination of these large technologies allows the creation of highly
automated solutions as well as analytical and evaluation methods for precision farming. From
the above situation, I propose to conduct the thesis in the direction of researching and
implementing a precision farming system applying IoT, Robot and AI technologies. The system
consists of blocks using the IoT platform to monitor, control, early warning of risks to increase
productivity and reduce risks, and implement a robot that incorporates artificial intelligence to
help the robot. performs some basic farming tasks. As a result, the system works more optimally
in the care of plants such as: precise for each plant, bypassing the location without plants to
save uptime, save energy, water resources with tissue. With a larger form of care, and the
application of IoT helps to proactively respond as well as optimize in operation to any changes
from the growing environment of plants.

Key word- AI, Smart Agriculture, IoT, Farming Robot, Industry 4.0.


VI

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

IoT

Internet of Thing (Internet vạn vật)

AI

Artifical Intelligence (Trí tuệ nhân tạo)

PC

Personal Computer (Máy tính cá nhân)

IC

Integrated Circuit (Vi mạch tích hợp)

I2C

Inter-Integrated Circuit (Giao tiếp bus nối tiếp)

UART

Universal Asynchronous Receiver – Transmitter (Giao tiếp phát –

thu bất đồng bộ phổ biến)

EEPROM

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (Bộ nhớ
chỉ đọc lập trình được có thể xố bằng tín hiệu điện)

SRAM

Static Random Access Memory (Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên tĩnh)

MCU

Microcontroller Unit (Bộ vi điều khiển)

PWM

Pulse Width Modulation (Điều chế độ rộng xung)

SoC

System on Chip (Hệ thống trên chip)

HTML

Hyper Text Markup Language (Ngôn ngữ đánh dấu siêu văn bản)

CSS

Cascading Style Sheet (Tập tin định dạng thiết kế theo tầng)

JS

Javascript (Tên một ngơn ngữ lập trình website)

CNN

Convolutional Neural Network (Mạng nơ ron tích chập)

FCNN

Full Convolutional Neural Network (Mạng nơ ron tích chập kết nối
đây đủ)

C
C

R
L
T.

DU


VII

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Mô tả chi tiết phần cứng và phần mềm của hệ thống robot canh tác ........... 15
Bảng 4.1. Số lượng nhãn đã thu thập ........................................................................... 48
Bảng 4.2. Bảng định nghĩa TP, FP, FN và TN ............................................................. 49

Bảng 4.3. Giá trị mAP của mơ hình huấn luyện........................................................... 53

C
C

DU

R
L
T.


VIII

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Cánh đồng thơng minh ở Đồng Tháp [10] ..................................................... 6
Hình 1.2. Mơ hình sản xuất nấm thông minh ứng dụng IoT của AgriConnect [11] ..... 7
Hình 1.3. Mơ hình nơng nghiệp thơng minh của Gigabyte ........................................... 8
Hình 1.4. Mơ hình robot thu hoạch cà chua của Panasonic [12] ................................... 8
Hình 1.5. Robot xua đuổi động vật gây hại Robirds [13] ............................................ 10
Hình 1.6. Robot diệt cỏ Tertill [14] ............................................................................. 10
Hình 1.7. Robot trồng cây Tree Rover [15] ................................................................. 11
Hình 2.1. Hệ thống canh tác cây trồng ứng dụng IoT, Robot và học sâu .................... 15

C
C

Hình 2.2. Các khối của trạm cảm biến thu thập dữ liệu môi trường canh tác ............. 16

R

L
T.

Hình 2.2. Sơ đồ khối hệ thống robot canh tác ............................................................. 16
Hình 2.3. Mơ hình di chuyển Prusa ............................................................................. 17

DU

Hình 2.4. Sơ đồ khối hệ thống phát hiện cây trồng ..................................................... 18
Hình 2.5. USB Camera Logitech C270 ....................................................................... 18
Hình 2.6. Máy tính nhúng Raspberry pi 4 mode B ...................................................... 19
Hình 2.7 So sánh các thuật tốn nhận dạng vật thể ..................................................... 19
Hình 2.8. Kiến trúc mạng lưới YOLOv3. .................................................................... 20
Hình 2.9. Ơ lưới và vùng bao ...................................................................................... 21
Hình 2.10. Dự báo hộp đường biên ............................................................................. 22
Hình 2.11. Nguyên lý hoạt động khối giám sát và điều khiển từ xa với FRD ............ 24
Hình 3.1. Sơ đồ thiết kế chi tiết khối trạm cảm biến thu thập dữ liệu môi trường ...... 25
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý mạch vi điều khiển PIC18F4550 ...................................... 26
Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý khối nguồn cung cấp cho trạm cảm biến .......................... 26
Hình 3.4. Khối mạch ESP8266 .................................................................................... 28
Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán khối đọc dữ liệu cảm biến (PIC18F4550) ...................... 29


IX

Hình 3.6. Lưu đồ thuật tốn chương trình cập nhật dữ liệu trên Firebase ................... 30
Hình 3.7. Sơ đồ tổng quát hệ thống robot canh tác ..................................................... 31
Hình 3.8. Mô hình robot canh tác chính xác ................................................................ 32
Hình 3.9. Sơ đồ kết nối mạch điều khiển robot canh tác ............................................. 32
Hình 3.10. Động cơ bước 1.2NM 57HS56 .................................................................. 33

Hình 3.11. Mạch điều khiển động cơ TB6600 ............................................................ 33
Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán khối thu thập dữ liệu trên cơ sở dữ liệu........................ 34
Hình 3.13. Lưu đồ thuật toán chương trình khối điều khiển robot .............................. 35
Hình 3.14. Lưu đồ thuật tốn chương trình chăm sóc cây trồng ................................. 36

C
C

Hình 3.15. Mơ tả mơ hình phát hiện cây trồng ............................................................ 37

R
L
T.

Hình 3.16. Vườn rau trồng xà lách đường Nguyễn Sinh Sắc ...................................... 38

DU

Hình 3.17. Hình bị nhịe và hình có chất lượng cao .................................................... 39
Hình 3.18. Giao diện của phần mềm “labelImg”......................................................... 39
Hình 3.19. Kết quả sau khi gán nhãn ........................................................................... 40
Hình 3.20. Giao diện sử dụng của Colab ..................................................................... 41
Hình 3.21. Thuật tốn chương trình xử lý trên Raspberry Pi ...................................... 42
Hình 3.22. Sơ đồ thiết kế website và ứng dụng điều khiển hệ thống .......................... 43
Hình 4.1. Layout mạch in trạm cảm biến .................................................................... 44
Hình 4.2. Mạch in và mạch hoàn thiện khối trạm cảm biến ........................................ 45
Hình 4.3. Thi công thực tế khối trạm cảm biến ........................................................... 45
Hình 4.4. Kết quả thi công thực tế Robot canh tác ...................................................... 46
Hình 4.5. Kết quả thi cơng tồn bộ hệ thống ............................................................... 47
Hình 4.6. Cơ sở dữ liệu được thu thập thực tế từ vườn rau xà lách............................. 47

Hình 4.7. Ví dụ về phát hiện cây xà lách lớn từ hình ảnh ........................................... 50


X

Hình 4.8. Mơ tả tỷ lệ IoU ............................................................................................. 50
Hình 4.9. Biểu đồ Average loss và mAP ..................................................................... 51
Hình 4.10. Giá trị IoU cho 2 trường hợp nhận dạng đúng (a) và sai (b) ..................... 52
Hình 4.11. Giá trị Precision và Recall (1: Xà lách lớn; 0: Xà lách nhỏ; 2: Cỏ) .......... 52
Hình 4.12. Kết quả nhận dạng thực tế ......................................................................... 53
Hình 4.13. Kết quả nhận dạng thực tế trên hệ thống robot canh tác chính xác ........... 54
Hình 4.14. Trang thiết lập các thông số hệ thống ........................................................ 54
Hình 4.15. Trang chế độ chăm sóc thơng minh của hệ thống ..................................... 55
Hình 4.16. Trang dữ liệu môi trường của hệ thống ..................................................... 55

C
C

Hình 4.17. Từ trái qua phải: Trang thông tin, Trang dữ liệu và Trang chế độ hoạt động

R
L
T.

...................................................................................................................................... 56

DU


1

MỞ ĐẦU
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hiện nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đang mang lại sự khác biệt lớn trong
nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực canh tác nông nghiệp [1]. Việc áp dụng các công
nghiệp tiên tiến để nâng cao năng suất lao động và sản lượng được tập trung vào 3 cơng
đoạn chính trong canh tác nông nghiệp, bao gồm:
-

-

Giám sát môi trường tăng trưởng của cây trồng, bao gồm tình trạng phát triển của
cây, thơng tin khí hậu, thơng tin mơi trường nhằm giúp tăng năng suất cây trồng,
giảm nguy cơ do thiên tai và các yêu tố khác thông qua các thiết bị mạng cảm
biến không dây và các thiết bị nông nghiệp;
Phân tích dữ liệu từng giai đoạn sinh trưởng của cây và đưa ra quyết định thông
qua dữ liệu thu thập được tích lũy, xử lý và phân tích dưới dạng dữ liệu lớn.
Ứng dụng máy móc nơng nghiệp thơng minh trong các khâu canh tác như gieo
trồng, chăm sóc và thu hoạch nhằm tăng tính tự động hóa của các phương tiện
nông trại và điều khiển thiết bị.

C
C

R
L
T.

Hiệu quả thu được từ việc sử dụng công nghệ vào canh tác nơng nghiệp có thể
giúp cơng việc canh tác trở nên tự động, mang lại nhiều giá trị lợi ích hơn phương pháp

canh tác thơng thường. Ngồi ra, phương pháp này cũng góp phần cải thiện chất lượng
cuộc sống cho công nhân nông trại bằng cách giảm khối lượng lao động. Chính vì những
lợi ích đó, hiện nay đang dần hình thành nên lĩnh vực nơng nghiệp thơng minh và canh
tác chính xác liên quan đến việc tích hợp các cơng nghệ tiên tiến vào q trình canh tác
hiện có để tăng hiệu quả sản xuất và chất lượng nông sản.

DU

Các cơng nghệ tiên tiến hiện nay có thể áp dụng cho canh tác chính xác trong nơng
nghiệp bao gồm Vạn vật kết nối (Internet of Things - IoT), robot và trí tuệ nhân tạo
(Artificial Intelligent – AI). Sự kết hợp giữa các mảng công nghệ lớn này cho phép tạo
ra các giải pháp tự động hóa cao cũng như các phương pháp phân tích, đánh giá cho
canh tác chính xác.
IoT là một công nghệ cho phép mọi thứ giao tiếp và kết nối với nhau. Điều này rất
hữu ích trong việc thay đổi mơ hình và quy trình trong cả ngành công nghiệp và nông
nghiệp theo hướng hiệu quả cao hơn. Ứng dụng IoT trong canh tác thông minh để cải
thiện quy trình sản xuất trong trồng trọt bao gồm hai phần chính là hệ thống cảm biến
và hệ thống điều khiển. Hệ thống cảm biến sẽ giúp thu nhận các giá trị biến đổi của môi
trường sinh trưởng của cây trồng, còn hệ thống điều khiển thực hiện các tác vụ canh tác
[2] [3] [4].
Bên cạnh IoT, robot góp phần thay thế lao động của con người thơng qua tự động
hóa. Hầu hết các lĩnh vực của nơng nghiệp đặc biệt cần nhiều lao động với phần lớn các


2

nhiệm vụ có quy trình lặp nên đây chính là một lĩnh vực lý tưởng cho robot và tự động
hóa. Ngày nay, các robot nông nghiệp bắt đầu xuất hiện trên các trang trại và thực hiện
các nhiệm vụ từ trồng và tưới nước, đến thu hoạch và phân loại. Điều này sẽ giúp cho
việc sản xuất thực phẩm có chất lượng cao hơn và giảm đáng kể công lao động [5].

Hiện nay, AI đang dần thay đổi diện mạo của nhiều lĩnh vực, và nơng nghiệp cũng
khơng nằm ngồi vùng ảnh hưởng. Trong nơng nghiệp, các nền tảng tích hợp AI sẽ dựa
vào các dữ liệu thu thập được để đưa ra dự báo về thời gian gieo hạt, tình hình dịch bệnh
của cây trồng hay sức khỏe của vật nuôi, thời điểm thu hoạch, sản lượng, giúp người
nông dân gia tăng năng suất và cải thiện thu nhập. Những thành quả thu được bước đầu
đang tạo nên một làn sóng ứng dụng AI mạnh mẽ vào sản xuất nơng nghiệp trên tồn
thế giới.
Từ thực trạng nêu trên, tơi đề xuất thực hiện luận văn theo hướng nghiên cứu và
thực thi một hệ thống canh tác chính xác ứng dụng các công nghệ IoT, Robot và AI. Hệ
thống bao gồm các khối sử dụng nền tảng IoT để giám sát, điều khiển, cảnh báo sớm
các rủi ro giúp tăng năng xuất và giảm thiểu các nguy cơ. Đồng thời, luận văn cũng
nghiên cứu và thực thi một robot kết hợp trí tuệ nhân tạo để giúp robot thực hiện một số
tác vụ canh tác như phun thuốc cỏ, chăm sóc cây.

C
C

DU

2. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
-

R
L
T.

Nghiên cứu hệ thống IoT bao gồm node mạng cảm biến không dây thu thập các
thông số môi trường và gateway tập hợp dữ liệu lên server nhằm quản lý và tiếp
cận đến người dùng thông qua website và ứng dụng di động, đồng thời cho robot
tự chọn các tính năng tự chăm sóc cây trồng.

- Nghiên cứu và thực thi robot kết hợp với kỹ thuật nhận dạng để thực hiện một số
tác vụ canh tác cơ bản.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Vạn vật kết nối (IoT)
- Robot
- Kỹ thuật nhận dạng
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Hệ thống IoT cho giám sát môi trường
- Robot nông nghiệp
- Kỹ thuật nhận dạng dựa trên học sâu
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
-

Nghiên cứu lý thuyết


3

 Nghiên cứu các mơ hình robot canh tác chính xác, hệ thống IoT và hệ thống
kết hợp IoRT
 Nghiên cứu kiến trúc mạng nơ-ron, đặc biệt là các thành phần có liên quan
như tập dữ liệu, các thuộc tính cho quá trình nhận dạng
-

Nghiên cứu thực nghiệm:
 Sử dụng ngơn ngữ lập trình Python để mơ tả các phương pháp, thuật toán.
 Thực nghiệm hệ thống IoT giám sát các thông số môi trường.
 Vận hành robot trong môi trường thực tế.
 Chạy thử nghiệm với các trường hợp thực tế và đánh giá kết quả.

5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Đề tài hướng đến xây dựng một hệ thống thực tiễn cho nền nông nghiệp thơng
minh, trong đó là một hệ thống IoT phục vụ giám sát các thông số môi trường sinh
trưởng của cây trồng, đồng thời điều khiển, cảnh báo sớm các rủi ro giúp tăng năng xuất
và giảm thiểu các nguy cơ.

C
C

R
L
T.

Một robot có khả năng nhận dạng được cây trồng và cỏ dại nhờ ứng dụng trí tuệ
nhân tạo nhằm tự đưa ra các quyết định chăm sóc cây trồng hay loại bỏ các loại cỏ dại
trong luống cây trồng trong thực tế.

DU

6. CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm 4 chương
Chương 1: Cơ sở lý thuyết về nông nghiệp thơng minh
Trình bày sản xuất nơng nghiệp trong thời đại cách mạng cơng nghệ 4.0, cùng với
đó là các đề tài, sản phẩm ứng dụng các công nghệ mới như Internet vạn vật, Trí tuệ
nhân tạo, Điện tốn đám mây, Dữ liệu lớn… và những ưu thế mà chúng đem lại. Từ đó,
nhu cầu phát triển một hệ thống sản xuất nông nghiệp ứng dụng các công nghệ hiện đại
là yêu cầu cấp thiết, cần phải tiến hành nghiên cứu, xây dựng và thi cơng hồn chỉnh
Chương 2: Hệ thống nơng nghiệp canh tác chính xác

Trình bày mơ hình chung của hệ thống canh tác chính xác cho cây trồng, sơ đồ
khối của các khối trong hệ thống và các linh kiện phần cứng chính được sử dụng trong
đề tài, so sánh lựa chọn mơ hình học sâu và phần cứng nhúng mơ hình học sâu phù hợp
để bước tiếp theo có thể nghiên cứu và thực hiện.
Chương 3: Thiết kế hệ thống nơng nghiệp canh tác chính xác
Trình bày việc tính tốn, thiết kế và thi cơng lần lượt từng khối trong hệ thống, bao
gồm: tính tốn, thiết kế, thi cơng phần cứng, lưu đồ thuật tốn phần mềm cho từng khối;


4

riêng với mơ hình ứng dụng học sâu phát hiện cây trồng sẽ bao gồm các bước: chuẩn bị
dữ liệu (dataset); huấn luyện mơ hình (train); nhúng vào phần cứng máy tính nhúng.
Phần cuối cùng là thiết kế website và phần mềm ứng dụng cho thiết bị di động thông
minh chạy trên hệ điều hành Android phuc vụ cho giám sát và điều khiển hệ thống.
Chương 4: Kết quả thực nghiệm và đánh giá hệ thống
Trình bày các kết quả đạt được của hệ thống robot canh tác chính xác, thông qua
các kết quả mô phỏng cũng như chạy thực nghiệm cả phần cứng lẫn phần mềm.

C
C

DU

R
L
T.


5

CHƯƠNG 1 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH
1.1 Giới thiệu chương
Việt Nam là một trong những quốc gia có nền nơng nghiệp được xem là ngành sản
xuất kinh tế trọng điểm của quốc gia. Bước vào thời đại hội nhập và kỷ nguyên rực rỡ
của khoa học kỹ thuật, địi hỏi sự phát triển trong mơ hình tổ chức sản xuất, phương
thức sản xuất hiện đại, tiên tiến nhằm đem lại hiệu suất sản phẩm tối đa về số lượng lẫn
chất lượng. Chương này sẽ giới thiệu tổng quát về cơ sở lý thuyết của mô hình nơng
nghiệp thơng minh cũng như một số các đề tài đã được thực hiện trong lĩnh vực này.
1.2 Cơ sở lý thuyết
1.2.1 Giới thiệu nông nghiệp trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0
Ngày nay, cùng với sự hội nhập và phát triển chung của xã hội, các ngành sản xuất
đang đứng trước nhiều cơ hội phát triển đầy triển vọng. Nông nghiệp Việt Nam vốn là
một trong những ngành kinh tế trọng điểm, đem lại lợi ích kinh tế quan trong cho quốc
gia, cải thiện đời sống kinh tế của nhân dân và bảo đảm an ninh lương thực quốc gia,
góp phần bảo đảm an ninh lương thực thế giới. Tuy nhiên, ngành nông nghiệp Việt Nam
hiện nay chưa phát triển xứng tầm với những điều kiện về khí hậu, thời tiết, đất đai mà
thiên nhiên đã ban tặng. Mơ hình sản xuất nơng nghiệp ở đây cịn đơn giản, nhỏ lẻ, rời
rạc, quy mô sản xuất thiếu tập trung, quản lý quy trình sản xuất và đảm bảo chất lượng
sản phẩm đầu cuối còn hạn chế. Đây là một trong những thách thức to lớn, đòi hỏi cần
có những cải cách lớn nhằm khắc phục những điểm yếu của nông nghiệp Việt Nam hiện
nay. Với mục tiêu đó, rất nhiều những nghiên cứu, ứng dụng nhiều kỹ thuật tiên tiến kế
thừa các thành quả từ cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã được thực hiện, nhằm nỗ lực
trong q trình hiện đại hố nơng nghiệp. Cách mạng công nghiệp 4.0 mang lại nhiều
ứng dụng, công nghệ tối tân như Internet vạn vật (IoT), trí tuệ nhân tạo (AI), dữ liệu lớn
(Big Data), điện toán đám mây (Cloud Computing) sẽ hứa hẹn là một trong những yếu
tố then chốt mang lại một bộ mặt hoàn toàn mới mẻ cho ngành nông nghiệp Việt Nam.
1.2.2 Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đề tài
1.2.2.1 Các đề tài và nghiên cứu về nông nghiệp thông minh ở Việt Nam
Tại Việt Nam, những nghiên cứu ban đầu về nông nghiệp thông minh đã xuất hiện

khá sớm. Gần đây, một số các mơ hình nơng nghiệp thơng minh đã được đề xuất, trong
đó có thể kể đến như:
a) Mơ hình cánh đồng thơng minh tại Đồng Tháp
Trong nơng nghiệp trồng lúa nước, cũng đã có một số địa phương đã ứng dụng khoa
học công nghệ nhằm nâng cao năng xuất cũng như giảm sức lao động. Điển hình như
tại Đồng Tháp, UBND tỉnh Đồng Tháp phối hợp với Công ty Rynan Agifoods (Trà
Vinh) để triển khai thực hiện mô hình cánh đồng thơng minh cho bà con nơng dân từ vụ
hè thu năm 2016 (xem Hình 1.1) [10].

C
C

DU

R
L
T.


6

Hình 1.1. Cánh đồng thông minh ở Đồng Tháp [10]

C
C

Đây là mơ hình do UBND tỉnh Đồng Tháp phối hợp với Công ty Rynan Agifoods
(Trà Vinh) triển khai thực hiện cho bà con nông dân từ vụ hè thu năm 2016. Cánh đồng
thơng minh có quy trình khép kín tồn bộ chuỗi giá trị từ đầu vào sản xuất đến thu hoạch,
chế biến, xuất khẩu.

R
L
T.

DU

Mơ hình này được triển khai với diện tích từ 100ha trở lên, áp dụng máy san phẳng
mặt ruộng bằng tia laser, máy bơm dùng năng lượng mặt trời và phân bón chậm tan.
Việc quản lý dinh dưỡng cho cây lúa được tiến hành qua máy tính bảng, điện thoại di
động có kết nối Internet và cơng nghệ điện tốn đám mây. Gạo sau khi thu hoạch sẽ
được đóng gói bằng bao bì thơng minh, có thể giữ chất lượng ổn định sau nhiều tháng.
b) Mô hình nhà trồng nấm thơng minh ứng dụng IoT của AgriConnect
Việt Nam là quốc gia rất có tiềm năng về nghề trồng nấm. Những điều kiện thời tiết,
khí hậu phù hợp, nguyên liệu sản xuất nấm (rơm, rạ, mùn cưa, bã mía, thân – lõi ngơ,
thân khoai mì, thân cây gỗ các loại,…) dồi dào và đa dạng. Tuy nhiên, nghề sản xuất
nấm, nhất là nấm ăn và dược liệu từ nấm, có quy mơ vẫn cịn nhỏ lẻ, phân tán, chưa có
sự kiểm định chất lượng trước và sau thu hoạch cũng như điều kiện sản xuất chưa được
kiểm sốt chặt chẽ, vì thế chất lượng sản xuất chưa được đồng đều, giá thành còn thấp,
hiệu quả sản xuất chưa cao [11].


7

Hình 1.2. Mơ hình sản xuất nấm thơng minh ứng dụng IoT của AgriConnect [11]
Mơ hình nhà trồng nấm với công nghệ giám sát và điều khiển tự động bằng IoT được
phát triển bởi AgriConnect cho phép người trồng nấm thiết lập quy trình trồng cho cả
mùa vụ. Cơng nghệ này cho phép việc điều chỉnh tự động các thông số của môi trường
nhà trồng phù hợp với từng giai đoạn sinh trưởng và phát triến của Nấm nhờ sự ghi nhận
của các cảm biến (nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng và nồng độ CO2). Từ các dữ liệu thu thập,

AgriConnect cùng với các chuyên gia sẽ phân tích và đưa ra giải thuật cho các thiết bị
để điều khiển môi trường nhà trồng phù hợp với từng giai đoạn sinh trưởng và phát triến
của nấm.

C
C

R
L
T.

DU

1.2.2.2 Các đề tài và nghiên cứu về nơng nghiệp thơng minh ở nước ngồi
a) Mơ hình nơng nghiệp thơng minh của Gigabyte
Nhằm mục đích đem lại hiệu quả tối ưu trong nông nghiệp bằng những công nghệ
tiên tiến, Gigabyte từ một nhà sản xuất linh kiện máy tính như mainboard (bo mạch
chủ), VGA (video graphic adaptor – card đồ họa), …. đã cho ra mắt hệ thống nơng
nghiệp thơng minh của riêng mình. Với những cảm biến môi trường hiện đại, hê thống
quan trắc và quản lý dữ liệu, cùng với đó là cơng nghệ truyền dẫn dữ liệu tiên tiến như
Wifi/Zigbee/LoRa. Cùng với đó, hãng cũng đã ứng dụng một số những cơng nghệ mới
của cách mạng 4.0 như điện toán đám mây (Cloud Computing), phân tích dữ liệu lớn
(Big Data Analysis) để tối ưu việc quản lý và theo dõi dữ liệu nhận được.


8

Hình 1.3. Mơ hình nơng nghiệp thơng minh của Gigabyte
b) Robot thu hoạch cà chua ứng dụng AI của Panasonic
Là nước có dân số đang già hóa, nguồn nhân cơng cho nông nghiệp ở Nhật Bản ngày

càng sụt giảm, ảnh hưởng đến sản lượng thu hoạch và khả năng tự cung cấp lương thực.
Bài tốn nguồn nhân lực cho nơng nghiệp Nhật Bản đang là vấn đề thách thức cần được
giải quyết nhanh chóng. Góp phần đưa ra các giải pháp cho vấn đề này, Panasonic đã
cho ra mắt mô hình robot thu hoạch quả cà chua.

C
C

R
L
T.

DU

Việc thu hoạch trái cây phụ thuộc vào độ chín và các điều kiện đi kèm của trái cây,
cụ thể ở đây là quả cà chua. Robot sẽ hoạt động bằng cách di chuyển giữa những luống
cây trồng đã quy định. Trong quá trình di chuyển, camera tích hợp cơng nghệ xử lý ảnh
gắn trên robot sẽ quan sát và nhận diện những quả cà chua đủ điều kiện để hái, sau đó
ra lệnh cho robot hái và đưa cà chua vào giỏ, sau đó đem về nơi lưu trữ. Đây là mơ hình
rất hiệu quả trong việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến của cách mạng 4.0 để mang lại
hiệu suất kinh tế cao, đồng thời góp phần thu hẹp bài tốn nhân lực trong ngành nơng
nghiệp [12].

Hình 1.4. Mơ hình robot thu hoạch cà chua của Panasonic [12]


9

1.3 Ứng dụng IoT trong hệ thống canh tác chính xác cho nông nghiệp
Ứng dụng Internet vạn vật (IoT) đang ngày càng là xu hướng, xuất hiện ở rất nhiều

khía cạnh cuộc sống. Nông nghiệp, vốn là một ngành sản xuất chịu ảnh hưởng rất lớn
tác động của môi trường và các tác nhân khách quan khác. Do đó, việc ứng dụng IoT
vào nông nghiệp để giải quyết những vấn đề cần thiết của thực tiễn canh tác đặc biệt
trong lĩnh vực canh tác chính xác cho nơng nghiệp.
Việc ứng dụng IoT đem lại rất nhiều lợi ích cho nơng dân và nhà sản xuất, trong đó
có thể nêu ra:
a) Dữ liệu được thu thập và kiểm soát
Ngày nay, rất nhiều các cảm biến được sản xuất có khả năng đo đạc các thông số
môi trường như nhiệt độ, độ ẩm đất và môi trường, lượng mưa, cường độ ánh sáng, tốc
độ gió… với độ chính xác cao. Việc thu thập những dữ liệu này cho phép nhà sản xuất
có thể theo dõi và kiểm sốt các thơng số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng
sản phẩm

C
C

R
L
T.

b) Kiểm sốt tốt các quy trình sản suất

Như đã nêu ở trên, việc thu thập các giá trị cảm biến cho phép lưu trữ và theo dõi
các thông số của môi trường. Bên cạnh đó, việc thu thập và xử lý khối dữ liệu này còn
cho phép nhà sản xuất dự đoán sản lượng sản xuất, đưa ra kế hoạch phân phối sản phẩm
cho phù hợp để đem đến lợi nhuận tối ưu, rủi ro sản xuất cũng từ đó mà được giảm đi.

DU

c) Tăng cường hiệu quả sản xuất thông qua mơ hình sản xuất tự động hóa

Bằng việc sử dụng nhiều máy móc, thiết bị thơng minh, nhà sản xuất có thể tối ưu
những cơng đoạn trong q trình sản xuất như tưới tiêu, phun thuốc, bón phân, kiểm
sốt dịch bệnh. Đó là một trong những ưu thế mà IoT đem lại, giúp cho quá trình sản
xuất được trơn tru, làm giảm vấn đề nhân công, đồng thời nâng cao số lượng và chất
lượng sản phẩm.
1.4 Ứng dụng Robot trong canh tác chính xác
Robot đang ngày càng thay thế con người trong các hoạt động sản xuất kinh tế. Từ
lâu, robot đã hỗ trợ con người trong việc thực hiện những nhiệm vụ khó khăn, nguy
hiểm, độc hại. Ngày nay, được tích hợp những cơng nghệ mới của cuộc cách mạng 4.0,
robot lại tiếp tục đồng hành cùng con người trong tiến trình hiện đại hóa sản xuất.
Robot đã có khả năng thực hiện những cơng đoạn trong quy trình sản xuất nơng
nghiệp. Dưới đây là một số các robot ấy:
a) Robot xua đuổi động vật phá hoại mùa màng Robirds


10

Robirds có hình dạng như Hình 1.5, robot có hình dáng giống chim, có khả năng bay
trong khơng gian như chim thật [13].

Hình 1.5. Robot xua đuổi động vật gây hại Robirds [13]
Robot này sẽ bay xung quanh khu vực canh tác cần bảo vệ để xua đuổi các loài động
vật phá hoại mùa màng như chim, cào cào, châu chấu…
b) Robot diệt cỏ Tertill
Tertill được thiết kế để di chuyển liên tục trên khu vực canh tác, đo đó nó hoạt động
bằng nguồn năng lượng mặt trời, có khả năng chống nước nên hoạt động ngay dưới trời
mưa [14].

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1.6. Robot diệt cỏ Tertill [14]
Các cảm biến trên robot sẽ định vị những nơi có xuất hiện cỏ và robot sẽ tiến hành
cắt xén cỏ tại nơi đó.
c) Robot trồng cây Tree Rover
Tree Rover (xem Hình 1.7) là một robot nơng nghiệp có nhiệm vụ trồng cây con
[15].


11

Hình 1.7. Robot trồng cây Tree Rover [15]
Robot sẽ di chuyển bằng các bánh xe nhỏ lắp bên dưới và hoạt động bằng pin. Robot
sẽ tạo một lỗ trồng cây bằng bình khí nén lắp trên thân robot, sau đó đưa cây con vào lỗ
trồng. Sau khi cây con đã vào vị trí, một cánh tay robot sẽ làm bằng phẳng đất xung
quanh, kết thúc quy trình trồng cây.
1.5 Ứng dụng trí tuệ nhận tạo trong canh tác nơng nghiệp chính xác
Hiện nay, AI đang dần thay đổi diện mạo của nhiều lĩnh vực, và nơng nghiệp cũng
khơng nằm ngồi vùng ảnh hưởng. Trong canh tác nơng nghiệp chính xác, các nền tảng
tích hợp AI sẽ dựa vào các dữ liệu thu thập được để đưa ra dự báo về thời gian gieo hạt,
tình hình dịch bệnh của cây trồng hay sức khỏe của vật nuôi, thời điểm thu hoạch, sản
lượng, giúp người nông dân gia tăng năng suất và cải thiện thu nhập. Những thành quả
thu được bước đầu đang tạo nên một làn sóng ứng dụng AI mạnh mẽ vào sản xuất nơng
nghiệp trên tồn thế giới.

C
C

R
L
T.

DU

Hình 1.8. Hệ thống ứng dụng học sâu phát hiện đối tượng cây trồng
Tại hệ thống nhà kính của NatureFress Farms ở Ohio và Ontario, những người công
nhân không cần phải đi khắp trang trại để kiểm tra tình trạng cây trồng. Thay vào đó,
các camera robot sẽ thay họ thực hiện cơng việc thu thập hình ảnh của thực vật, đưa dữ
liệu vào các thuật tốn AI để tính tốn chính xác thời điểm chín muồi. Các cảm biến đo
nhiệt độ của mỗi cây cũng như lượng nước và phân bón mà cây hấp thụ. Trên cơ sở đó,
các kỹ thuật viên sẽ thực hiện việc điều chỉnh thông số bằng ứng dụng trên điện thoại


12

thông minh. Trước đây, họ cần tới một giờ để ghi nhận sự thay đổi. Con số này bây giờ
được rút ngắn xuống chỉ còn 5 phút.
NatureFresh thực hiện việc phân tích thơng tin cây trồng trên quy mơ rộng để đưa
ra dự báo kế hoạch thu hoạch và năng suất chính xác của cây. Các hộ sản xuất có thể sử
dụng các chỉ số này để tính tốn cách điều chỉnh nước, độ ẩm hoặc phân bón để tăng
năng suất.
Thay vì đó, AI có thể làm được nhiều hơn thế. Để đảm bảo an toàn, NatureFresh sử
dụng AI để gắn thẻ cho mỗi loại cây, rau với mã vạch 32 ký tự cho biết vị trí ni trồng,
người thu hoạch và nơi giao hàng. Bằng cách đó, nếu có vấn đề xảy ra, nhà quản lý có

thể xác định nguyên nhân một cách nhanh nhất và có hướng xử lý để giảm thiểu rủi ro
của dịch bệnh.
Sau khi tiến hành khảo sát các hệ thống đã có, các phương pháp thì đề ra mục tiêu
của luận văn, các nhiệm vụ cần thực hiện để đạt được mục tiêu đó.
1.6 Mục tiêu
Dựa trên phân tích của các nghiên cứu nêu trên, tôi xác định mục tiêu của luận văn
như sau:
- Nghiên cứu hệ thống IoT bao gồm node mạng cảm biến không dây thu thập các
thông số môi trường và gateway tập hợp dữ liệu lên server nhằm quản lý và tiếp
cận đến người dùng thông qua website và ứng dụng di động, đồng thời cho robot
tự chọn các tính năng tự chăm sóc cây trồng.
- Nghiên cứu và thực thi robot kết hợp với kỹ thuật nhận dạng phát hiện đối tượng
để thực hiện một số tác vụ canh tác cơ bản.
Để hoàn thành được mục tiêu này, cần giải quyết các vấn đề sau:
- Nghiên cứu lý thuyết
 Nghiên cứu các mơ hình robot canh tác chính xác, hệ thống IoT và hệ thống
kết hợp IoRT

C
C

R
L
T.

DU

 Nghiên cứu mơ hình nhận dạng phát hiện đối tượng, đặc biệt là các thành
phần có liên quan như tập dữ liệu, các thuộc tính cho q trình nhận dạng
-

Nghiên cứu thực nghiệm:
 Sử dụng ngơn ngữ lập trình Python để mơ tả các phương pháp, thuật toán.
 Thực nghiệm hệ thống IoT giám sát các thông số môi trường.
 Vận hành robot trong môi trường thực tế.
 Chạy thử nghiệm với các trường hợp thực tế và đánh giá kết quả.


13

1.7 Kết luận chương
Qua chương này, ta đã có một cái nhìn bao qt về sản xuất nơng nghiệp trong thời
đại cách mạng cơng nghệ 4.0, cùng với đó là các đề tài, sản phẩm ứng dụng các công
nghệ mới như Internet vạn vật, Trí tuệ nhân tạo, Điện tốn đám mây, Dữ liệu lớn… và
những ưu thế mà chúng đem lại. Từ đó, nhu cầu phát triển một hệ thống sản xuất nông
nghiệp ứng dụng các công nghệ hiện đại là yêu cầu cấp thiết, cần phải tiến hành nghiên
cứu, xây dựng và thi cơng hồn chỉnh.

C
C

DU

R
L
T.