I. Giới thiệu về Thiết kế hệ thống IoT cho nông nghiệp tại HCMUTE
Đồ án tốt nghiệp Thiết kế và thi công hệ thống IoT phục vụ cho nông nghiệp ứng dụng Gateway tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE) tập trung vào việc xây dựng một hệ thống giám sát và điều khiển môi trường trong nhà kính. Hệ thống sử dụng các cảm biến IoT nông nghiệp để thu thập dữ liệu về nhiệt độ, độ ẩm đất, độ ẩm không khí. Dữ liệu này được truyền về trung tâm xử lý (Gateway) dựa trên nền tảng Raspberry Pi, sau đó được hiển thị trên một giao diện web. Hệ thống cũng tích hợp khả năng điều khiển tự động các thiết bị như hệ thống phun sương, máy bơm nước thông qua giao diện web này. Đồ án nhấn mạnh vào khía cạnh thực tiễn, từ thiết kế, lắp ráp đến vận hành hệ thống. Ứng dụng IoT trong nông nghiệp được thể hiện rõ nét trong việc giám sát và điều khiển tự động, góp phần vào việc nông nghiệp thông minh và tự động hóa nông nghiệp.
1.1 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và xây dựng một hệ thống IoT nông nghiệp đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp, có khả năng giám sát và điều khiển môi trường nhà kính. Hệ thống giám sát IoT nông nghiệp bao gồm các cảm biến IoT nông nghiệp, một Gateway (Raspberry Pi) và một giao diện web. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế phần cứng, lập trình phần mềm điều khiển, và xây dựng giao diện người dùng. Thu thập dữ liệu IoT nông nghiệp được thực hiện bằng các cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, và độ ẩm đất. Phân tích dữ liệu IoT nông nghiệp được thực hiện trên Raspberry Pi và hiển thị trên web. Hệ thống chỉ tập trung vào điều khiển tự động một số thiết bị cơ bản trong nhà kính, như hệ thống phun sương và máy bơm nước. Kiểm soát điều khiển IoT nông nghiệp được thực hiện thông qua giao diện web. Giải pháp IoT cho nông nghiệp được đề xuất trong đồ án này là một ví dụ cụ thể cho ứng dụng công nghệ IoT trong lĩnh vực nông nghiệp. Mô hình IoT nông nghiệp này có khả năng mở rộng và phát triển thêm các tính năng trong tương lai.
1.2 Phương pháp luận nghiên cứu
Đồ án sử dụng phương pháp nghiên cứu định tính và định lượng kết hợp. Nghiên cứu định tính tập trung vào việc tìm hiểu các lý thuyết liên quan đến công nghệ IoT, nông nghiệp thông minh, và các ứng dụng di động IoT. Nghiên cứu định lượng tập trung vào việc thiết kế và xây dựng hệ thống, thu thập và phân tích dữ liệu từ các cảm biến. Lập trình IoT được thực hiện trên hai nền tảng chính: Arduino và Raspberry Pi. Thiết kế hệ thống nhúng bao gồm việc lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch điện, và lập trình firmware cho các vi điều khiển. Thiết kế hệ thống IoT cần đảm bảo sự ổn định, độ chính xác cao, và khả năng mở rộng. Triển khai hệ thống IoT được thực hiện trong một mô hình nhà kính nhỏ để thử nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống. Chi phí triển khai hệ thống IoT được tính toán để đảm bảo tính kinh tế của giải pháp. An ninh mạng IoT cũng được xem xét trong quá trình thiết kế và triển khai.
II. Phân tích hệ thống và kết quả nghiên cứu
Hệ thống được thiết kế dựa trên kiến trúc ba lớp: lớp cảm biến, lớp gateway và lớp ứng dụng web. Lớp cảm biến sử dụng các cảm biến DHT11, cảm biến độ ẩm đất, kết nối với Arduino Uno R3. Dữ liệu được truyền không dây tới Gateway (Raspberry Pi) qua module Lora SX1278. Raspberry Pi xử lý dữ liệu và truyền dữ liệu lên server thông qua giao thức MQTT. Ứng dụng web được xây dựng dựa trên Node-RED, hiển thị dữ liệu trực quan và cho phép người dùng điều khiển các thiết bị. Kết quả thử nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, dữ liệu chính xác, giao diện web thân thiện. Thực trạng IoT nông nghiệp Việt Nam cho thấy tiềm năng lớn nhưng cũng còn nhiều thách thức. Xu hướng IoT nông nghiệp đang phát triển mạnh mẽ, hướng tới sự tự động hóa và thông minh hóa. Tương lai IoT nông nghiệp hứa hẹn nhiều đột phá, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp.
2.1 Phân tích hiệu quả hệ thống
Hệ thống đạt được hiệu quả cao trong việc giám sát các thông số môi trường. Dữ liệu thu thập được chính xác, độ tin cậy cao. Giao diện web trực quan, dễ sử dụng, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển hệ thống. Giải pháp IoT cho nông nghiệp bền vững được đề xuất bằng cách tối ưu hóa việc sử dụng nước và phân bón. Dự báo năng suất nông nghiệp có thể được thực hiện dựa trên dữ liệu thu thập được. Quản lý nông nghiệp thông minh được hỗ trợ bằng hệ thống giám sát và điều khiển tự động. Tự động hóa nông nghiệp giúp giảm thiểu chi phí lao động và tăng năng suất. Tuy nhiên, hệ thống còn một số hạn chế về quy mô và khả năng mở rộng. Các bài toán IoT nông nghiệp cần được giải quyết trong các nghiên cứu tiếp theo. Giải pháp IoT cho nông nghiệp bản vững cần được nghiên cứu sâu hơn.
2.2 Thảo luận và đề xuất
Kết quả nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc áp dụng công nghệ IoT vào nông nghiệp thông minh. Hệ thống có thể được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp, đặc biệt là trong các nhà kính. Tuy nhiên, cần nghiên cứu thêm để cải thiện hiệu quả và khả năng mở rộng của hệ thống. Cải tiến hệ thống IoT cần tập trung vào việc tăng độ chính xác của cảm biến, tăng khả năng xử lý dữ liệu của Gateway, và phát triển các tính năng thông minh hơn. Phát triển phần mềm IoT nông nghiệp cần được đầu tư hơn nữa để tạo ra các ứng dụng đa dạng và hữu ích. Case study IoT nông nghiệp có thể được xây dựng để minh họa ứng dụng thực tế của hệ thống. Ví dụ ứng dụng IoT nông nghiệp này là một bước khởi đầu quan trọng, mở ra nhiều hướng nghiên cứu và ứng dụng trong tương lai. Hệ thống tưới tiêu thông minh có thể được tích hợp vào hệ thống để tối ưu hóa việc sử dụng nước.
