Đồ án IoT trong nông nghiệp và truy xuất nguồn gốc cây dâu qua mã QR

Khám phá giải pháp ứng dụng IoT trong nông nghiệp và truy xuất nguồn gốc cây dâu bằng mã QR, nâng cao năng suất và minh bạch chuỗi cung ứng.

• Tác giả: Nguyễn Thị Thúy Vi
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Trương Ngọc Sơn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông
• Đề tài: Ứng dụng IoT trong nông nghiệp và truy xuất nguồn gốc cây dâu bằng mã QR
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng IoT trong nông nghiệp truy xuất nguồn gốc cây dâu

IoT (Internet of Things) đang cách mạng hóa nông nghiệp thông qua tích hợp cảm biến, thiết bị thông minh và hệ thống dữ liệu. Trong trồng dâu, IoT hỗ trợ giám sát điều kiện môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và chất lượng đất theo thời gian thực. Việc ứng dụng IoT giúp tối ưu hóa năng suất, giảm chi phí nhân công và nâng cao chất lượng sản phẩm. Mã QR đóng vai trò quan trọng trong truy xuất nguồn gốc, cung cấp thông tin minh bạch từ quá trình canh tác đến tiêu thụ. Hệ thống này bao gồm ba thành phần chính: cảm biến IoT thu thập dữ liệu, bộ xử lý trung tâm (NodeMCU ESP8266) và giao diện người dùng hiển thị thông tin. Kết hợp IoT và mã QR giúp nông dân quản lý hiệu quả và người tiêu dùng truy xuất nguồn gốc sản phẩm dễ dàng.

1.1. Vai trò của IoT trong nông nghiệp hiện đại

IoT cung cấp giải pháp giám sát toàn diện cho nông nghiệp thông qua mạng lưới cảm biến không dây. Các cảm biến đo lường các yếu tố quan trọng như nhiệt độ, độ ẩm đất, ánh sáng và độ pH đất. Dữ liệu thu thập được truyền về trung tâm xử lý qua mạng LoRa hoặc WiFi, giúp phát hiện sớm các vấn đề tiềm ẩn. Hệ thống IoT còn hỗ trợ tự động hóa tưới tiêu, bón phân và kiểm soát sâu bệnh. Đối với cây dâu, IoT giúp duy trì điều kiện sinh trưởng tối ưu, tăng năng suất và chất lượng quả. Ngoài ra, dữ liệu IoT hỗ trợ dự báo thời tiết và lập kế hoạch canh tác hiệu quả.

1.2. Tầm quan trọng của truy xuất nguồn gốc trong nông nghiệp

Truy xuất nguồn gốc là yếu tố then chốt đảm bảo an toàn thực phẩm và xây dựng niềm tin cho người tiêu dùng. Mã QR cung cấp giải pháp truy xuất nhanh chóng thông qua việc lưu trữ thông tin sản phẩm trên nền tảng số. Người tiêu dùng có thể quét mã QR để xem lịch sử canh tác, sử dụng phân bón, thuốc bảo vệ thực vật và thời gian thu hoạch. Điều này giúp ngăn chặn gian lận thương mại và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng. Đối với cây dâu, truy xuất nguồn gốc còn hỗ trợ xác định giống cây, điều kiện trồng trọt và phương pháp chăm sóc, từ đó nâng cao giá trị sản phẩm.

II. Các vấn đề trong canh tác cây dâu và nhu cầu ứng dụng IoT

Canh tác cây dâu truyền thống gặp nhiều thách thức như phụ thuộc vào kinh nghiệm chủ quan, thiếu dữ liệu chính xác về điều kiện môi trường và khó kiểm soát sâu bệnh. Nông dân thường gặp khó khăn trong việc xác định thời điểm tưới tiêu, bón phân và phòng trừ sâu bệnh hiệu quả. Việc thiếu minh bạch trong quy trình canh tác dẫn đến sản phẩm kém chất lượng và mất niềm tin từ thị trường. Hơn nữa, biến đổi khí hậu làm thay đổi điều kiện sinh trưởng của cây dâu, đòi hỏi các giải pháp thích ứng nhanh chóng. Ứng dụng IoT giúp giải quyết những vấn đề này thông qua giám sát liên tục, phân tích dữ liệu và đưa ra cảnh báo kịp thời.

2.1. Những hạn chế trong canh tác truyền thống

Canh tác truyền thống dựa chủ yếu vào kinh nghiệm cá nhân, dẫn đến sự thiếu nhất quán trong chất lượng sản phẩm. Nông dân thường tưới tiêu theo cảm quan, gây lãng phí nước hoặc thiếu nước cho cây. Việc sử dụng phân bón và thuốc bảo vệ thực vật không theo khuyến cáo cũng ảnh hưởng đến chất lượng quả. Ngoài ra, thiếu hệ thống cảnh báo sớm khiến sâu bệnh được phát hiện muộn, gây thiệt hại lớn. Hơn nữa, việc ghi chép thủ công về quy trình canh tác gây khó khăn trong truy xuất nguồn gốc và quản lý chất lượng.

2.2. Nhu cầu về hệ thống giám sát thông minh

Hệ thống giám sát thông minh là giải pháp tất yếu cho canh tác hiện đại. Nó cung cấp dữ liệu thời gian thực về điều kiện môi trường, giúp nông dân đưa ra quyết định chính xác. Hệ thống cần tích hợp cảm biến đa dạng, mạng truyền dữ liệu ổn định (như LoRa) và giao diện thân thiện. Ngoài ra, hệ thống phải hỗ trợ cảnh báo tự động khi phát hiện bất thường. Đối với cây dâu, giám sát thông minh giúp tối ưu hóa điều kiện sinh trưởng, tăng năng suất và chất lượng quả. Nó cũng tạo nền tảng cho truy xuất nguồn gốc minh bạch và tin cậy.

III. Giải pháp ứng dụng IoT và mã QR truy xuất nguồn gốc cây dâu

Giải pháp đề xuất kết hợp IoT và mã QR để giám sát canh tác cây dâu và truy xuất nguồn gốc sản phẩm. Hệ thống bao gồm ba khối chính: khối cảm biến, khối xử lý trung tâm (NodeMCU ESP8266) và khối giao diện người dùng. Cảm biến đo lường nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng và độ pH đất, truyền dữ liệu qua mạng LoRa hoặc WiFi. Bộ xử lý trung tâm phân tích dữ liệu, điều khiển hệ thống tưới tiêu và lưu trữ thông tin trên nền tảng đám mây. Mã QR được in trên bao bì sản phẩm, chứa liên kết truy xuất thông tin từ cơ sở dữ liệu. Người tiêu dùng quét mã QR để xem lịch sử canh tác, đảm bảo sản phẩm an toàn và chất lượng.

3.1. Thiết kế hệ thống IoT cho canh tác cây dâu

Hệ thống IoT sử dụng cảm biến đa dạng như DHT11 (nhiệt độ, độ ẩm không khí), BH1750 (ánh sáng), cảm biến độ ẩm đất và cảm biến pH. Dữ liệu từ cảm biến truyền về NodeMCU ESP8266 qua giao tiếp I2C hoặc UART. Module WiFi tích hợp sẵn trên ESP8266 giúp kết nối internet dễ dàng. Hệ thống sử dụng mạng LoRa cho truyền dữ liệu khoảng cách xa, tiết kiệm năng lượng. Bộ xử lý trung tâm điều khiển bơm tưới, quạt thông gió và hệ thống chiếu sáng. Dữ liệu được lưu trữ trên nền tảng Firebase hoặc MySQL, hỗ trợ truy xuất nhanh chóng.

3.2. Tích hợp mã QR trong truy xuất nguồn gốc

Mã QR chứa thông tin sản phẩm dưới dạng URL truy cập cơ sở dữ liệu. Khi quét mã, người tiêu dùng truy cập vào trang web hiển thị thông tin chi tiết về quá trình canh tác. Thông tin bao gồm giống cây, ngày gieo trồng, loại phân bón sử dụng, lịch sử tưới tiêu và kiểm tra sâu bệnh. Hệ thống cho phép cập nhật dữ liệu tự động từ hệ thống IoT, đảm bảo thông tin luôn cập nhật. Mã QR có thể in trên bao bì sản phẩm hoặc tem nhãn, dễ dàng in ấn và quét. Giải pháp này nâng cao tính minh bạch, giúp xây dựng niềm tin cho người tiêu dùng.

IV. Kết quả ứng dụng và triển vọng phát triển hệ thống

Sau khi triển khai hệ thống IoT và mã QR, năng suất cây dâu tăng 20-30% nhờ điều kiện sinh trưởng tối ưu. Chất lượng quả cải thiện rõ rệt, giảm thiểu sâu bệnh và lãng phí nước. Hệ thống cảnh báo sớm giúp nông dân phản ứng kịp thời với các vấn đề tiềm ẩn. Truy xuất nguồn gốc qua mã QR tăng cường niềm tin của người tiêu dùng, mở rộng thị trường tiêu thụ. Hơn nữa, dữ liệu thu thập được hỗ trợ nghiên cứu khoa học, cải tiến giống cây và phương pháp canh tác. Hệ thống có thể mở rộng sang các loại cây trồng khác, đóng góp vào nông nghiệp thông minh và bền vững.

4.1. Hiệu quả sau khi triển khai hệ thống

Hệ thống IoT giúp giảm 40% lượng nước tưới nhờ giám sát chính xác độ ẩm đất. Năng suất cây dâu tăng từ 1,5 tấn/ha lên 2 tấn/ha nhờ điều chỉnh dinh dưỡng và ánh sáng phù hợp. Tỷ lệ sâu bệnh giảm 30% nhờ cảnh báo sớm từ cảm biến. Truy xuất nguồn gốc qua mã QR giúp sản phẩm đạt chứng nhận hữu cơ, tăng giá trị thương mại. Hệ thống cũng hỗ trợ quản lý tài chính, giảm chi phí nhân công và vật tư. Kết quả này chứng minh tính hiệu quả của IoT trong nông nghiệp thông minh.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Trong tương lai, hệ thống có thể tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) để dự báo sâu bệnh và đề xuất giải pháp canh tác. Ứng dụng di động sẽ cung cấp giao diện thân thiện, hỗ trợ nông dân theo dõi dữ liệu từ xa. Hệ thống có thể mở rộng sang các vùng canh tác rộng lớn nhờ công nghệ 5G. Ngoài ra, tích hợp blockchain giúp tăng cường bảo mật dữ liệu truy xuất nguồn gốc. Việc áp dụng công nghệ sinh học kết hợp IoT sẽ tạo ra giống cây dâu kháng sâu bệnh, nâng cao năng suất và chất lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan Giới thiệu tổng quan về đề tài, ứng dụng của IoT trong nông nghiệp, tình hình nghiên cứu nông nghiệp ứng dụng IoT trong và ngoài nước, mục tiêu, giới hạn đề tài, phương pháp nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, bố cục của đồ án. 7 Chương 2: Cơ sở lý thuyết Giới thiệu về cây dâu tây, mạng truyền thông Lora, Arduino Nano, ESP8266 và mã QR. Chương 3: Thiết kế mô hình Tính toán và đề ra các yêu cầu chức năng. Thi công phần cứng, phần mềm của hệ thống.

Chương 4: Thi công và kết luận Đưa ra kết quả thực hiện và đánh giá toàn bộ hệ thống. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Tổng hợp đánh toàn bộ hệ thống, kết luận và đề xuất hướng phát triển. 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khảo sát về cây dâu tây 2.1 Đặc tính của câu dâu tây Fragaria vesca L là tên khoa học của dâu tây, cây họ thân thảo, thân của cây dâu tây không dài như những cây khác và có khá nhiều lá mọc gần nhau, sống lâu năm nếu được chăm sóc tốt. Tùy theo đặc tính từng giống và môi trường sinh sống mà cây dâu phát sẽ triển khác nhau (thành thân bò, phát hoa hoặc thân nhánh).

Cây dâu tây phù hợp sống trong đất xốp, nhẹ, cung cấp hàm lượng dinh dưỡng nhất định và đầy đủ, thích hợp nhất là đất có độ pH 6-7. Quả của cây dâu tây rất được ưa chuộng vì dâu tây cung cấp đầy đủ dinh dưỡng như vitamin C, B1, đạm, canxi,… và nhiều dinh dưỡng khác nữa. Việc trồng dâu tây không khó nếu ta biết cách trồng và cần phải có nhiều kiến thức, kinh nghiệm trong việc chăm sóc để dâu tây phát triển tốt, năng suất được tăng cao và đạt được các chỉ tiêu về an toàn thực phẩm. Có khá nhiều yếu tố gây tác động, ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình lớn lên của cây dâu như nhiệt độ môi trường, độ ẩm đất, cường độ ánh sáng, độ ẩm không khí,…Yếu tố môi trường quyết định phần lớn chất lượng, hương vị của quả, đặc biệt là năng suất và giá trị những chất dinh dưỡng của quả khi thu hoạch.1: Vườn dâu tây trồng trong nhà màng (nguồn: https://vi.2 Những nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến cây dâu a) Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ trực tiếp ảnh hưởng đến sự phát triển của cây dâu.

Nhiệt độ mà cây dâu cần để phát triển tốt nhất là từ 18°C - 25°C [8]. Chất lượng và sản lượng của quả sẽ tăng trong trường hợp ngày và đêm có biên độ nhiệt cao [8]. Song song với đó thì chu kỳ sinh trưởng phải đảm bảo nhiệt độ tương thích để ra những quả dâu căng mong, đầy đủ dinh dưỡng nhất có thể. Ví dụ, nhiệt độ từ 15°C - 24°C sẽ thích hợp cho thời kỳ cây ra chồi non và hoa, nếu biên độ nhiệt ngày trong khoảng 20°C -25°C, ban đêm trong khoảng 10°C - 15°C thì cây sẽ cho nhiều trái khi trong thời kỳ hình thành trái [8].

b) Ảnh hưởng của ánh sáng Ánh sáng là một yếu tố gây ảnh hưởng lớn, trực tiếp đến sự quang hợp của của cây dâu, cây sẽ sinh trưởng tốt khi có ánh sáng tốt, ngược lại khi cây dâu sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều khi thiếu ánh sáng. Khi ánh sáng không đủ đáp ứng, cây sẽ cho quả không mọng nước, nhỏ, cũng như chất dinh dưỡng trong quả dâu không dồi dào. Ở cường độ ánh sáng từ 800mol/m2/s cho đến 1200mol/m2/s thì cây sẽ quang hợp tốt, ngược lại khi thấp hơn 700mol/cm2/s thì sự quang tổng hợp của cây sẽ giảm nhanh chóng [8]. Sự phát triển và sinh trưởng của dâu tây luôn bị ảnh hưởng bởi quang kỳ, khi ngày dài sẽ dẫn đến cây dâu kích thích phát triển chòi non, cuống và phiến lá tốt hơn.

c) Ảnh hưởng của độ ẩm đất Bên cạnh những yếu tố trên thì độ ẩm đất cũng ảnh hưởng mạnh mẽ, trực tiếp đến quá trình phát triển của cây. Để dâu tây có thể lớn lên bình thường thì cần trồng trong đất có độ ẩm đất phù hợp là khoảng 65% đến 75%, cây dâu sẽ cho quả lớn và năng suất đạt được tối đa. Môi trường trồng phải được đảm bảo, nếu thoát nước kém (quá ẩm ướt) nấm bệnh sẽ xuất hiện, nấm bệnh thường gặp nhất ở cây dâu là Phytoppthora Fragariae. Nếu môi trường quá khô (thiếu nước) cây sẽ cằn cõi và quả sẽ không mọng nước.

10 d) Ảnh hưởng của độ ẩm không khí Ngoài các yếu tố trên, sự phát triển của cây dâu cũng bị độ ẩm không khí ảnh hưởng trực tiếp, khi mưa kéo dài sẽ làm độ ẩm tăng cao từ đó dễ làm cây bị bệnh, ảnh hưởng lớn đến độ cứng/mềm của quả. Ngoài ra, độ ẩm không khí gây rất nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến việc bảo quản quả, khi quá ẩm ướt quả dễ bị hư hỏng vì xuất hiện hai loại nấm Rhizopusspp và Botrytiscin. Tương tự, khi trời quá nóng, độ ẩm không khí cao, cây thiếu nước sẽ dẫn đến sự phát triển chậm, thậm chí cây có thể héo và mất đi sự sống.2 Sơ lược về chuẩn truyền thông Lora 2.1 Giới thiệu Ngày nay, khi nhắc đến các công nghệ truyền thông được dùng nhiều trong nông nghiệp thông minh để thực hiện viêc theo dõi nhiệt độ môi trường, độ ẩm đất, độ ẩm không khí,… ở khoảng cách xa không thể không nhắc đến các chuẩn truyền thông truyền thống như: Wifi, Bluetooth, GSM/GPRS, Zigbee…. Tuy nhiên, những chuẩn truyền thông này chỉ có thể giám sát được trong một khu vực nhỏ bởi vì phạm vi hoạt động chỉ nằm trong khoảng 10m đến 100m.

Nếu muốn theo dõi giám sát một khu vực lớn hoặc theo dõi cùng một lúc nhiều khu vực khác nhau thì phải xây dựng một mạng cảm biến phức tạp và tốn nhiều chi phí xây dựng. Không những thế, các chuẩn truyền thông này tiêu thụ khá nhiều năng lượng. Vào năm 2013, công ty STEMTECH đã thành công phát minh ra công nghệ truyền thông LoRa dựa trên phương pháp điều chế Chirp Spread Spectrum. Sự ra đời của chuẩn truyền thông Lora đã thỏa mãn không ít nhu cầu, một trong số đấy là tạo sự giao tiếp với các cảm biến và tiêu hao nguồn năng lượng ít trên một phạm vi rộng, dễ vận hành, bảo trì thiết bị.

So với những chuẩn truyền thông trước đó, Lora có có nhiều điểm khác và nổi trội, trong số những ưu điểm đấy nổi bật nhất là Lora truyền được dữ liệu ở khoảng cách xa lên đến 5km mà nó tiêu tốn nguồn năng lượng không nhiều. 11 Điểm nổi bật thứ hai trong truyền thông Lora là tạo được sự tương tác với các cảm biến mà không cần kết nối dây, từ đó việc lắp ráp sẽ nhanh và dễ dàng hơn, dữ liệu sẽ được truyền đi xa và an toàn cho các ứng dụng IoT. Lora không dùng mạch khuyếch đại công suất nhưng dữ liệu của nó có thể gửi - nhận ở một khoảng cách kên dến vài kilometer, vì vậy năng lượng tiêu thụ sẽ được giảm khi gửi và nhận dữ liệu. Trong những mạng cảm biến, tại các node cách xa trung tâm thường sử dụng truyền thông Lora để có thể gửi giá trị nhận được.

Với phạm vi giao tiếp vượt trội, khả năng truyền dữ liệu lớn vì thế để những mô hình IoT được triển khai trên các khu vực rộng lớn thì Lora luôn là lựa tốt.2: Công nghệ Lora được ứng dụng vào mô hình tưới tiêu tự động (Nguồn: https://techway.2 Ưu điểm và nhược điểm của Lora Truyền thông Lora có nhiều rất điểm nổi bật và đa số nó sử dụng vào các mảng về IoT, Nhưng song song đó thì Lora vẫn còn một số nhược điểm.1 dưới đây nói về những ưu và nhược điểm của Lora.1: Bảng so sánh ưu điểm và nhược điểm của Lora Ưu điểm Nhược điểm Thiết bị cảm biến sử dụng một nguồn Tải trọng lớn không dùng được, giới công suất coi như rất thaaos và nó có 12 thể phủ sóng đến hàng kilometer. hạn là 100byte Chi phí ban đầu đầu tư (dây và vỏ bảo Khó lắp đặt gateway trong khu đông vệ dây) được tiết kiệm tối đa và độ ổn dân cư. định hệ thống tăng. Vận hành dễ dàng, chỉ cần có Internet Sóng có độ ổn định không bằng các là có thể giám sát ở bất kỳ đâu.

thiết bị đi dây Triển khai nhanh chóng và dễ cài đặt Có thể giao tiếp hai chiều qua lại.3 Dải tần hoạt động của Lora Dựa vào những đặc điểm đặc thủ ở từng khu vực trên toàn cầu thì hoạt động của Lora sẽ trãi dài trên băng tần từ 430MHz đến 915 MHz. Ở Châu Á, tần số làm việc là 430Mhz, riêng Trung Quốc hoạt động trên tần số là 780MHz. Đối với Châu Âu, tần số hoạt động là 433MHz hoặc 866MHz. Riêng USA, tần số hoạt động 915MHz cao hơn các khu vực khác.4 Nguyên lí hoạt động Công nghệ Lora được nghiên cứu thành công dựa trên nền tảng công nghệ kỹ thuật điều chế CSS.

Đầu tiên, các xung cao tần sẽ băm dữ liệu để tạo ra tín hiệu, so với tần số ban đầu thì dãy tần số của tín hiệu này sẽ cao hơn, tiếp theo tín hiệu sẽ được mã hóa thành dạng chuỗi tín hiệu chirp và cuối cùng từ anten tín hiệu sẽ được gửi đi. Nhờ vào nguyên lý này mà tín hiệu Lora chỉ cần lượng công suất thấp cũng có thể truyền được đi xa dù tín hiệu nhiễu bên ngoài môi trường luôn cao hơn tín hiệu gửi đi.5 Vai trò của LoRa trong IOT Điểm nổi bật nhất của LoRa là trong một khoảng cách xa là nó vẫn truyền nhận dữ liệu nhưng nó tiêu tốn một guồn năng lượng không đáng kể. Nhờ vào điều này mà việc thay pin sẽ hạn và việc kết nối của các sensor trong mạng IoT 13 sẽ diễn ra mượt mà hơn. Những thiết bị sử dụng trong mạng IoT có thể điều khiển bằng máy tính hay iện thoại thông minh với mức độ ổn định cao.4 mô tả được xung quanh cuộc sống chúng ta sử dụng LoRa.3: Vai trò của LoRa trong cuộc sống (Nguồn: https://www.com/hoi-dap ) 2.3 Giới thiệu, mã QR 2.1 Khái niệm Vào năm 1994, mã QR được hình thành bởi Deso Wave là dạng mã vạch hai chiều.

Mã QR được hình thành từ những ô vuông nhỏ đen nằm trong ô vuông mẫu nền trắng tạo thành một ma trận và có thể lưu các dữ liệu thông tin của một trang web.4 : Mã QR (Nguồn:https://www.com/hoi-dap ) 14 2.2 Ứng dụng Ngày nay, mã QR đã quá gần gũi, quen thuộc với mọi người dân, gần như tất cả ngành nghề trong nhiều lĩnh vực khác nhau đều sử dụng mã QR.