## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0 và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ Internet of Things (IoT), việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp công nghệ cao trở thành xu hướng tất yếu nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và quản lý tài nguyên. Theo báo cáo Ericsson Mobility Report, đến năm 2021, dự kiến có khoảng 28 tỷ thiết bị kết nối, trong đó 15 tỷ thiết bị thuộc lĩnh vực IoT, tạo ra giá trị kinh tế toàn cầu lên tới 11.000 tỷ đô la Mỹ vào năm 2025 theo McKinsey. Tại Việt Nam, mặc dù các ứng dụng IoT còn đang trong giai đoạn phát triển, nhưng tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp thông minh là rất lớn, đặc biệt trong việc giám sát và điều khiển các yếu tố môi trường như nhiệt độ và độ ẩm.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp công nghệ cao, với mục tiêu thiết kế và triển khai hệ thống thu thập, đánh giá nhiệt độ và độ ẩm môi trường nhằm tối ưu hóa quá trình tưới tiêu và quản lý cây trồng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các trang trại nông nghiệp như trồng chè, chăn nuôi gà, trồng nấm và vườn ươm cây tại khu vực Thái Nguyên trong giai đoạn 2019-2020. Nghiên cứu không chỉ góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giảm thiểu lãng phí tài nguyên nước và năng lượng, đồng thời tăng cường khả năng giám sát từ xa qua Internet, phù hợp với xu hướng phát triển nông nghiệp thông minh hiện nay.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

- **Mô hình Internet of Things (IoT):** Định nghĩa IoT là mạng lưới các thiết bị có khả năng kết nối và trao đổi dữ liệu qua Internet, bao gồm các thành phần như thiết bị cảm biến, bộ vi xử lý, truyền thông và điện toán đám mây. Mô hình tham chiếu IoT gồm 5 lớp: thiết bị, truyền thông, hợp nhất dữ liệu, xử lý sự kiện và phân tích, cùng quản lý thiết bị và truy nhập.

- **Hệ thống nhúng (Embedded Systems):** Các thiết bị IoT được xây dựng trên nền tảng hệ thống nhúng, tích hợp phần cứng và phần mềm chuyên dụng để thu thập và xử lý dữ liệu môi trường.

- **Điện toán đám mây (Cloud Computing):** Sử dụng điện toán đám mây để lưu trữ, xử lý và phân tích dữ liệu lớn từ các thiết bị IoT, đảm bảo khả năng mở rộng, linh hoạt và đa người dùng.

- **Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSN):** Mạng lưới các cảm biến không dây thu thập dữ liệu môi trường và truyền về trạm trung tâm để xử lý.

- **Các công nghệ truyền thông IoT:** Bao gồm RFID, Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, và các giao thức truyền thông như MQTT, CoAP, HTTP/HTTPS, đảm bảo kết nối ổn định và tiết kiệm năng lượng.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Thu thập dữ liệu thực nghiệm từ hệ thống cảm biến độ ẩm đất và nhiệt độ môi trường tại các trang trại nông nghiệp công nghệ cao ở Thái Nguyên.

- **Cỡ mẫu:** Hệ thống được triển khai trên khoảng 10-15 điểm cảm biến tại các khu vực khác nhau trong trang trại chè và các mô hình nông nghiệp khác.

- **Phương pháp chọn mẫu:** Lựa chọn các điểm khảo sát đại diện cho các vùng đất có đặc tính khác nhau về độ ẩm và nhiệt độ nhằm đảm bảo tính đa dạng và chính xác của dữ liệu.

- **Phương pháp phân tích:** Sử dụng phân tích thống kê mô tả, so sánh dữ liệu thực tế với các mô hình lý thuyết về cân bằng nước tưới. Áp dụng các thuật toán xử lý sự kiện phức tạp (Complex Event Processing) để phân tích dữ liệu theo thời gian thực. Dữ liệu được lưu trữ và xử lý trên nền tảng điện toán đám mây, sử dụng các công cụ như Apache Hadoop để phân tích dữ liệu lớn.

- **Timeline nghiên cứu:** Nghiên cứu được thực hiện trong vòng 12 tháng, từ tháng 1/2019 đến tháng 12/2019, bao gồm các giai đoạn khảo sát, thiết kế hệ thống, triển khai thử nghiệm và đánh giá kết quả.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- **Hiệu quả giám sát môi trường:** Hệ thống IoT thu thập dữ liệu nhiệt độ và độ ẩm với độ chính xác cao, sai số dưới 5%, giúp giám sát liên tục và kịp thời các biến động môi trường trong trang trại.

- **Tiết kiệm nước tưới:** So với phương pháp tưới truyền thống, hệ thống tưới tự động dựa trên dữ liệu IoT giúp giảm lượng nước sử dụng khoảng 20-30%, đồng thời duy trì độ ẩm đất ở mức tối ưu cho cây trồng.

- **Tăng năng suất cây trồng:** Ứng dụng hệ thống tưới tự động đã giúp tăng năng suất chè lên khoảng 15% so với phương pháp tưới thủ công, nhờ kiểm soát tốt hơn các điều kiện môi trường.

- **Khả năng giám sát từ xa:** Hệ thống cho phép người quản lý theo dõi và điều khiển thiết bị tưới từ xa qua Internet, tăng tính linh hoạt và giảm nhân công vận hành.

### Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực trên là do hệ thống IoT cung cấp dữ liệu thời gian thực, chính xác về nhiệt độ và độ ẩm, giúp điều chỉnh chế độ tưới phù hợp với điều kiện thực tế. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này tương đồng với xu hướng ứng dụng IoT trong nông nghiệp thông minh trên thế giới, như các dự án tại Mỹ và châu Âu đã chứng minh hiệu quả trong việc tiết kiệm nước và tăng năng suất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thời gian thực về nhiệt độ và độ ẩm, bảng so sánh lượng nước tưới và năng suất giữa các phương pháp, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống. Ngoài ra, việc sử dụng các giao thức truyền thông như MQTT và ZigBee đảm bảo kết nối ổn định và tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị cảm biến.

Tuy nhiên, một số thách thức như chi phí đầu tư ban đầu và yêu cầu kỹ thuật cao trong vận hành vẫn cần được giải quyết để mở rộng ứng dụng trong thực tế.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Triển khai mở rộng hệ thống IoT:** Khuyến nghị các trang trại nông nghiệp công nghệ cao mở rộng ứng dụng hệ thống cảm biến và tưới tự động nhằm nâng cao hiệu quả quản lý môi trường, mục tiêu giảm 25% lượng nước tưới trong vòng 2 năm tới, do các cơ quan quản lý nông nghiệp và doanh nghiệp thực hiện.

- **Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật:** Tổ chức các khóa đào tạo về vận hành và bảo trì hệ thống IoT cho cán bộ kỹ thuật và người lao động tại các trang trại, nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả và bền vững, thực hiện trong 12 tháng đầu tiên.

- **Phát triển phần mềm quản lý tập trung:** Xây dựng và hoàn thiện phần mềm quản lý dữ liệu và điều khiển thiết bị trên nền tảng điện toán đám mây, tích hợp các công nghệ phân tích dữ liệu lớn để hỗ trợ ra quyết định chính xác, hoàn thành trong vòng 18 tháng.

- **Hỗ trợ chính sách và đầu tư:** Đề xuất các chính sách hỗ trợ tài chính, ưu đãi thuế cho các doanh nghiệp và hộ nông dân đầu tư vào công nghệ IoT trong nông nghiệp, nhằm thúc đẩy nhanh quá trình chuyển đổi số trong lĩnh vực này.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, công nghệ thông tin:** Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về ứng dụng IoT, hệ thống nhúng và điện toán đám mây trong nông nghiệp, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

- **Doanh nghiệp công nghệ và startup trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh:** Tham khảo để phát triển sản phẩm, giải pháp IoT phù hợp với thị trường Việt Nam, từ đó nâng cao năng lực cạnh tranh và mở rộng thị trường.

- **Cơ quan quản lý nhà nước về nông nghiệp và công nghệ:** Sử dụng làm tài liệu tham khảo để xây dựng chính sách, kế hoạch phát triển nông nghiệp công nghệ cao và chuyển đổi số trong nông nghiệp.

- **Người nông dân và các trang trại ứng dụng công nghệ cao:** Áp dụng các giải pháp IoT để nâng cao hiệu quả sản xuất, quản lý tài nguyên và giảm chi phí vận hành, từ đó tăng thu nhập và phát triển bền vững.

## Câu hỏi thường gặp

1. **IoT trong nông nghiệp là gì và có lợi ích gì?**  
IoT trong nông nghiệp là việc sử dụng các thiết bị cảm biến và kết nối Internet để thu thập và phân tích dữ liệu môi trường, giúp tự động hóa và tối ưu hóa quá trình sản xuất. Lợi ích bao gồm tiết kiệm nước, tăng năng suất, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

2. **Hệ thống cảm biến độ ẩm đất hoạt động như thế nào?**  
Hệ thống sử dụng các cảm biến độ ẩm đặt trong đất để đo lượng nước hiện có, dữ liệu được truyền về bộ điều khiển trung tâm qua mạng không dây, từ đó điều chỉnh chế độ tưới phù hợp, đảm bảo cây trồng luôn được cung cấp đủ nước.

3. **Chi phí đầu tư cho hệ thống IoT trong nông nghiệp có cao không?**  
Chi phí ban đầu có thể cao do đầu tư thiết bị và hạ tầng mạng, nhưng về lâu dài giúp tiết kiệm nước, giảm nhân công và tăng năng suất nên mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt.

4. **Làm thế nào để quản lý và điều khiển hệ thống từ xa?**  
Hệ thống được kết nối với Internet và sử dụng phần mềm quản lý trên nền tảng điện toán đám mây, cho phép người dùng theo dõi và điều khiển thiết bị qua máy tính hoặc điện thoại thông minh mọi lúc mọi nơi.

5. **Các thách thức khi triển khai IoT trong nông nghiệp là gì?**  
Bao gồm chi phí đầu tư, yêu cầu kỹ thuật cao, vấn đề bảo mật dữ liệu, và sự thiếu chuẩn hóa giao thức kết nối giữa các thiết bị. Cần có giải pháp đồng bộ và hỗ trợ kỹ thuật để khắc phục.

## Kết luận

- Luận văn đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ IoT trong giám sát và điều khiển nhiệt độ, độ ẩm môi trường phục vụ nông nghiệp công nghệ cao.  
- Hệ thống tưới tự động dựa trên dữ liệu IoT giúp tiết kiệm 20-30% nước tưới và tăng năng suất cây trồng khoảng 15%.  
- Mô hình kiến trúc IoT được xây dựng phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, tích hợp các công nghệ truyền thông và điện toán đám mây hiện đại.  
- Đề xuất các giải pháp mở rộng ứng dụng, đào tạo nhân lực và phát triển phần mềm quản lý nhằm nâng cao hiệu quả và tính bền vững của hệ thống.  
- Khuyến nghị các bước tiếp theo bao gồm triển khai thử nghiệm quy mô lớn, hoàn thiện phần mềm và xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển IoT trong nông nghiệp.

Hành động tiếp theo là triển khai các dự án ứng dụng IoT tại các vùng nông nghiệp trọng điểm, đồng thời tăng cường hợp tác giữa các nhà khoa học, doanh nghiệp và cơ quan quản lý để thúc đẩy chuyển đổi số trong nông nghiệp Việt Nam.