Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh khoa học công nghệ phát triển mạnh mẽ, các mô hình sản xuất nông nghiệp trên thế giới và tại Việt Nam đang từng bước chuyển đổi phương thức vận hành từ nông hộ truyền thống sang kinh tế trang trại quy mô lớn. Tỉnh An Giang là một trong những địa phương dẫn đầu về sản xuất lúa gạo và nuôi trồng thủy sản nước ngọt tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Tuy nhiên, ngành nông nghiệp địa phương đang phải đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng từ biến đổi khí hậu và vấn đề an ninh nguồn nước sông Mê Kông.

Tại địa bàn huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang, mặc dù cán bộ quản lý và nông dân đã bước đầu tiếp cận công nghệ thông tin trong sản xuất, nhưng quy trình nghiệp vụ quản lý thông tin môi trường nông nghiệp nhìn chung vẫn chưa được tin học hóa đồng bộ. Việc quản lý kế hoạch sản xuất, sổ nợ vật tư, quy trình canh tác phần lớn vẫn dựa trên giấy tờ thủ công, gây khó khăn cho công tác theo dõi. Đồng thời, diễn biến thời tiết mưa nắng xen kẽ tạo điều kiện cho sâu bệnh phát sinh gây hại trên diện rộng. Trước thực tế đó, công nghệ WebGIS kết hợp với mạng cảm biến không dây (WSN) trở thành giải pháp trực quan giúp giám sát môi trường và quản lý vùng nguyên liệu trực tuyến.

Đề tài "Nghiên cứu và xây dựng hệ thống WebGIS phục vụ quản lý môi trường sản xuất nông nghiệp của nông trại" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ cụ thể sau:

  1. Mục tiêu tổng quát: Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ WebGIS phục vụ quản lý môi trường nông nghiệp của nông trại tại Việt Nam.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Nghiên cứu, xây dựng và cải tiến nền tảng mã nguồn mở FarmOS dựa trên công nghệ WebGIS.
    • Quản lý và lưu trữ hồ sơ nhật ký, tài sản nông trại.
    • Thu thập và cung cấp thông tin môi trường từ hệ thống mạng cảm biến không dây trên từng thửa đất.
  3. Đối tượng nghiên cứu: Môi trường sản xuất nông nghiệp nông trại; trang web quản lý nông trại FarmOS; thông tin yêu cầu chức năng quản lý vùng nguyên liệu và phục vụ sản xuất của nông dân; thông tin sản phẩm chăm sóc cây trồng (phân bón, thuốc bảo vệ thực vật); thông tin điểm tập kết nông sản; công nghệ, phương tiện và kho bãi phục vụ vận hành sau thu hoạch.
  4. Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Khảo sát và triển khai ứng dụng cho các nông trại canh tác lúa và chăn nuôi heo tại địa bàn huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang.
    • Thời gian: Báo cáo khóa luận hoàn thành vào tháng 04/2022 và bảo vệ vào tháng 05/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập hệ thống cơ sở lý thuyết và phương pháp tiếp cận kỹ thuật dựa trên các tiêu chuẩn quản lý nông nghiệp hiện hành và các công nghệ phần mềm mã nguồn mở:

  • Khung pháp lý và tiêu chuẩn nông trại: Nghiên cứu căn cứ vào Thông tư số 27/2011/TT-BNNPTNT ngày 13/04/2011 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn về tiêu chí xác định kinh tế nông trại. Theo đó, nông trại trồng trọt, nuôi trồng thủy sản và tổng hợp tại vùng Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long phải có diện tích tối thiểu trên mức hạn điền là 3,1 ha và giá trị sản lượng hàng hóa đạt từ 700 triệu đồng/năm trở lên; đối với cơ sở chăn nuôi phải đạt giá trị sản lượng từ 1 tỷ đồng/năm trở lên; đối với lâm nghiệp phải đạt diện tích tối thiểu 31 ha và giá trị sản lượng bình quân từ 500 triệu đồng/năm trở lên.
  • Khung lý thuyết WebGIS: Định nghĩa theo Edward (2000) và Tổ chức Bản đồ thế giới (Cartography), WebGIS là hệ thống thông tin địa lý phân tán qua môi trường mạng máy tính nhằm tích hợp, phân phối và truyền tải dữ liệu địa lý trực tuyến. Kiến trúc WebGIS tuân thủ mô hình 3 tầng tiêu chuẩn:
    • Tầng trình bày (Client side): Trình duyệt web (Firefox, Internet Explorer) hoặc ứng dụng GIS (QGIS, ArcMap).
    • Tầng giao dịch (Application Server): Máy chủ ứng dụng (Apache, Tomcat, IIS, GeoServer, MapServer) tiếp nhận yêu cầu, xử lý và phản hồi dữ liệu bản đồ dưới dạng raster (PNG) hoặc vector (KML, SVG, GML).
    • Tầng dữ liệu (Data Server): Quản trị dữ liệu không gian và phi không gian qua các hệ quản trị cơ sở dữ liệu như MySQL, PostgreSQL/PostGIS, Oracle hoặc định dạng tệp phẳng (shapefile, XML).
  • Nền tảng Drupal CMS và FarmOS: Drupal là hệ quản trị nội dung mã nguồn mở viết bằng ngôn ngữ PHP, cấp phép theo GNU/GPL. FarmOS là bản phân phối chuyên dụng của Drupal dành cho quản trị nông nghiệp, hỗ trợ quản lý khu vực, tài sản, cảm biến và hồ sơ nhật ký.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp khảo sát và thu thập thông tin thực tế từ cán bộ quản lý, nhà nghiên cứu và các hộ nông dân tại huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang.
    • Phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống hướng đối tượng thông qua sơ đồ Use Case và quy trình nghiệp vụ UML.
    • Phương pháp tích hợp công nghệ: Việt hóa ngôn ngữ giao diện FarmOS, tích hợp API thời tiết yr.no, nhúng bản đồ Google Maps và kết nối dữ liệu từ trạm cảm biến môi trường.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu điều tra quy trình canh tác lúa và chăn nuôi heo tại địa phương; dữ liệu bản đồ định dạng KML; dữ liệu cảm biến môi trường đo đạc trực tiếp trên ruộng lúa (nhiệt độ, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, độ pH nước, khí NH3, khí CH4); dữ liệu thời tiết trực tuyến từ dịch vụ yr.no.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế và cấu hình nhằm đáp ứng các yêu cầu quản lý thực địa tại địa phương, bao gồm các thành phần công nghệ và phân hệ chức năng:

Kiến trúc công nghệ và cơ sở dữ liệu

  • Nền tảng ứng dụng: Máy chủ FarmOS xây dựng trên lõi Drupal CMS; ứng dụng FarmOS Field Kit hỗ trợ nhập liệu ngoại tuyến trên nền tảng web tiến bộ (PWA) và thiết bị di động.
  • Cơ sở dữ liệu: Sử dụng hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ MySQL để quản lý 4 nhóm dữ liệu chính:
    • Dữ liệu hệ thống: Thông tin tài khoản người dùng, phân quyền vai trò (role-based), cấu hình tham số, danh mục khu vực, danh mục thành viên, danh mục tài sản và danh mục nhật ký.
    • Dữ liệu quy trình canh tác: Kế hoạch mùa vụ, giống cây trồng, giống vật nuôi, vật tư nông nghiệp, phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, dữ liệu giai đoạn sinh trưởng và lịch theo dõi thú y.
    • Dữ liệu bản đồ: Tọa độ địa lý của từng thửa đất, vùng sản xuất nguyên liệu, điểm tập kết nông sản và vị trí lắp đặt thiết bị cảm biến.
    • Dữ liệu thống kê - báo cáo: Dữ liệu quan trắc từ mạng cảm biến, bảng tổng hợp hoạt động và chức năng xuất tệp tin định dạng CSV.

Các phân hệ chức năng chính

Tên phân hệ Nhóm chức năng chính Mô tả chi tiết nghiệp vụ
Phân hệ Quản lý hệ thống - Quản lý người dùng
- Phân quyền truy cập
- Quản lý sao lưu dữ liệu		 Quản trị tài khoản, cấp quyền cho cán bộ và nông dân; sao lưu và phục hồi dữ liệu phòng ngừa sự cố.
Phân hệ Quản lý danh mục - Quản lý khu vực
- Quản lý tài sản
- Quản lý nhật ký
- Quản lý thành viên		 - Khu vực: Xem, thêm, sửa, xóa thông tin thửa đất, nhập dữ liệu ranh giới qua tệp KML.
- Tài sản: Quản lý phân trộn, cây trồng, loài vật, trang thiết bị, cảm biến, nhóm.
- Nhật ký: Theo dõi 16 loại nhật ký (hoạt động, ngày sinh, thu hoạch, đầu vào, bảo dưỡng, quan sát, mua hàng, bán hàng, y học, hạt giống, đất, nước, cấy ghép, nhóm, tồn kho, chuyển động).
- Thành viên: Quản lý danh sách, vai trò và trạng thái hoạt động.
Phân hệ Quản lý quy trình canh tác - nuôi trồng - Quản lý kế hoạch sản xuất
- Quản lý quá trình nuôi trồng		 Lập kế hoạch xuống giống theo mùa vụ, theo dõi tình hình sâu bệnh, quản lý điểm tập kết sau thu hoạch, theo dõi lịch trình nhiệm vụ sắp tới và nhiệm vụ quá hạn.
Phân hệ Thống kê và báo cáo - Trích xuất dữ liệu
- Xuất tệp CSV		 Cung cấp công cụ lọc dữ liệu theo danh mục tài sản, thời gian nhật ký và hỗ trợ tải dữ liệu về máy dưới định dạng CSV.

Tích hợp dữ liệu mở rộng

  • Bản đồ trực tuyến: Hệ thống nhúng nhiều lớp bản đồ Google Maps, cho phép hiển thị trực quan ranh giới vùng nguyên liệu và vị trí tài sản.
  • Thời tiết trực tuyến: Tích hợp dữ liệu thời tiết miễn phí từ dịch vụ yr.no, cung cấp thông tin thời tiết hiện tại và dự báo tối đa trong 11 ngày.
  • Mạng cảm biến: Kết nối trạm quan trắc để theo dõi các chỉ số môi trường ruộng lúa gồm: nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, độ pH nước, nồng độ khí Metan (CH4) và Amoniac (NH3).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc ứng dụng công nghệ thông tin và WebGIS vào sản xuất nông nghiệp tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long nói chung và tỉnh An Giang nói riêng. Tác giả xác lập hệ thống mục tiêu nghiên cứu (tổng quát và cụ thể), xác định 6 nhóm đối tượng nghiên cứu và 4 nội dung triển khai. Đóng góp của đề tài được phân định rõ ràng trên hai phương diện: xây dựng cơ sở khoa học về giải pháp kỹ thuật WebGIS tích hợp cảm biến, và tạo ra công cụ thực tiễn quản lý môi trường canh tác phục vụ địa bàn huyện Thoại Sơn.

Chương 2: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2 cung cấp bức tranh toàn diện về lý luận và thực tiễn qua các nội dung:

  • Lược khảo tình hình nông trại: Điểm lại lịch sử kinh tế nông trại từ thời La Mã, nhà Đường (Trung Quốc), thời nhà Trần (thái ấp tại Việt Nam) đến sự phát triển của nông trại hiện đại ở Mỹ (2,2 triệu nông trại), Pháp (0,98 triệu), Hà Lan (1.500) và Nhật Bản (4 triệu lao động). Tại Việt Nam, cả nước có khoảng 150.000 nông trại với 900.000 ha đất; tỷ trọng nông trại trồng trọt chiếm 55,3%, thủy sản 27,3%, chăn nuôi 10,3%, kinh doanh tổng hợp 4,9%, lâm nghiệp 2,2%.
  • Lược khảo nghiên cứu WebGIS và Drupal: Phân tích các công trình nghiên cứu WebGIS quốc tế (Ashwin Dhakal 2010 tại Bồ Đào Nha; Vojvodina 2016 tại Serbia; Puyam S. Singh cs. 2012 tại Ấn Độ; Nizamuddin cs. 2017 tại Indonesia) và trong nước (Trương Chí Quang 2013 tại An Giang; Nguyễn An Bình 2015 tại Tây Nguyên; Nguyễn Quốc Hiệp 2017 về quản lý tưới; Đinh Thị Phương Khanh cs. 2017 tại Long An). Khảo sát tỷ lệ ứng dụng Drupal CMS trên thế giới (chiếm 12,8% trong top 10.000 website theo BuiltWith, áp dụng tại Tesla, Nokia, Ủy ban Châu Âu, Đại học Oxford) và cộng đồng Drupal Việt Nam.
  • Lược khảo phần mềm quản lý nông nghiệp: Khảo sát các giải pháp quốc tế (BLAZE, Phoenix của AGDATA Australia, FarmRexx) và trong nước (Nextfarm, Nafaly, TracePig ứng dụng RFID).
  • Quy trình kỹ thuật nông nghiệp tại Việt Nam:
    • Quy trình canh tác lúa: Gồm 8 giai đoạn chi tiết: (1) Làm đất (vụ Đông Xuân và Hè Thu); (2) Gieo sạ và cấy (phía Nam sạ hàng 100-120 kg/ha hoặc sạ lan 120-150 kg/ha; phía Bắc cấy 30 kg/ha, mật độ 35-45 bụi/m2); (3) Cấy dặm bằng cào sắt; (4) Làm cỏ (các mốc 10-15 ngày, 30-35 ngày sau sạ, lúc trỗ 30-50% và trước thu hoạch); (5) Bón phân (bón lót, bón thúc lần 1 sau 7-10 ngày, thúc lần 2 khi đòng 1mm, bón bổ sung qua lá); (6) Quản lý nước (4 thời kỳ: 0-7 ngày sau sạ [NSG] giữ khô và láng mặt ruộng; 7-42 NSG giữ nước 3-5 cm kết hợp 2-3 lần thay nước; 42-65 NSG giữ 3-5 cm; 65-95 NSG giữ 5-10 cm và tháo cạn trước thu hoạch 7-10 ngày); (7) Phun thuốc BVTV; (8) Thu hoạch (sau trỗ 28-32 ngày hoặc khi 85-90% hạt chín vàng).
    • Quy trình chăn nuôi heo: Hướng dẫn kỹ thuật xây chuồng trại cao ráo xa khu dân cư; chọn giống thân dài, mông nở; dinh dưỡng theo 2 giai đoạn tuổi (giai đoạn 70-130 ngày tuổi đạt 23-60 kg với 17-18% protein thô; giai đoạn 131-165 ngày tuổi đạt 61-105 kg với 14-16% protein thô); vệ sinh chuồng trại và quy trình tiêm phòng vaccine phòng bệnh.

Chương 3: Phân tích và thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung mô tả chi tiết quá trình hiện thực hóa phần mềm:

  • Khảo sát và đặc tả: Dựa trên điều tra thực tế tại Thoại Sơn, tác giả xây dựng mô hình dữ liệu quan hệ MySQL cho 4 nhóm dữ liệu hệ thống, canh tác, bản đồ và thống kê.
  • Đặc tả các phân hệ và quy trình nghiệp vụ: Mô tả chi tiết quy trình 5 bước cập nhật thông tin thửa đất, quy trình cập nhật tài sản nông trại, quy trình cập nhật nhật ký và quy trình 3 bước lập kế hoạch sản xuất mùa vụ.
  • Mô hình hóa Use Case: Xây dựng sơ đồ Use Case tổng quát và 10 sơ đồ phân rã chi tiết cho từng nghiệp vụ (Use Case quản lý khu vực, Use Case nhà nhập khẩu KML, Use Case phân trộn, cây trồng, loài vật, thiết bị, cảm biến, nhóm).
  • Giao diện hệ thống: Minh họa các giao diện chính gồm Trang chủ, Quản lý khu vực bản đồ, Danh sách bản ghi nhật ký, Danh mục tài sản và Quản lý người dùng.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính đạt được

  • Xây dựng thành công tài liệu phân tích và thiết kế hệ thống thông tin WebGIS phục vụ công tác quản lý môi trường sản xuất nông nghiệp của nông trại.
  • Thực hiện Việt hóa hoàn chỉnh giao diện nền tảng mã nguồn mở FarmOS, giúp cán bộ quản lý và nông dân dễ dàng thao tác, quản lý hồ sơ mùa vụ và tài sản.
  • Nhúng và tích hợp thành công nhiều lớp bản đồ Google Maps kết hợp chức năng phân tích ranh giới khu vực thông qua tệp tin dữ liệu đầu vào chuẩn KML.
  • Tích hợp dịch vụ thời tiết trực tuyến miễn phí từ yr.no, hiển thị thông tin thời tiết thời gian thực và cung cấp dự báo tình hình khí tượng thủy văn trong thời gian tối đa 11 ngày.
  • Ứng dụng mạng cảm biến không dây kết nối với máy chủ FarmOS để thu thập và giám sát trực quan các thông số môi trường canh tác lúa (nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, độ pH nước, nồng độ khí CH4 và NH3).
  • Cung cấp tính năng kết xuất toàn bộ dữ liệu nhật ký, tài sản và kế hoạch mùa vụ ra tệp tin định dạng CSV phục vụ công tác báo cáo.

Đóng góp của đề tài

  • Về mặt khoa học: Đề tài xác lập phương pháp luận và quy trình kỹ thuật tích hợp nền tảng WebGIS mã nguồn mở với hệ thống mạng cảm biến không dây phục vụ giám sát môi trường nông nghiệp theo thời gian thực.
  • Về mặt thực tiễn: Mang lại một giải pháp tin học hóa toàn diện cho công tác quản trị nông trại tại huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang; hỗ trợ thay thế phương pháp ghi chép sổ sách thủ công bằng công cụ trực quan, giúp nông dân kịp thời nắm bắt chỉ số môi trường và dự báo thời tiết để đưa ra biện pháp xử lý mùa vụ phù hợp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Do giới hạn về thời gian và kinh nghiệm thực tiễn của tác giả, tài liệu phân tích và phiên bản Việt hóa hệ thống vẫn còn tồn tại một số sai sót kỹ thuật và lỗi logic trong quá trình phân tích thiết kế chi tiết.
  • Hướng phát triển: Tác giả xác định tiếp tục kiểm tra, rà soát và khắc phục các lỗi logic hiện có; cập nhật bổ sung các phân hệ chức năng quản trị vùng nguyên liệu chuyên sâu và tối ưu hóa hiệu năng vận hành của hệ thống WebGIS trong thời gian tới.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho các đối tượng:

  • Sinh viên và nhà nghiên cứu ngành Công nghệ thông tin, Hệ thống thông tin địa lý (GIS): Có thể tham khảo tài liệu phân tích thiết kế hệ thống phần mềm hướng đối tượng (UML, Use Case), phương pháp tùy biến và Việt hóa nền tảng Drupal/FarmOS, cũng như giải pháp tích hợp bản đồ số Google Maps và mạng cảm biến IoT.
  • Cán bộ quản lý nông nghiệp, khuyến nông và chủ nông trại: Là nguồn tư liệu giá trị về quy trình số hóa quản trị nông trại, phương pháp lập kế hoạch sản xuất theo mùa vụ, cùng quy trình kỹ thuật chuẩn trong canh tác lúa nước (8 giai đoạn) và chăn nuôi heo thịt.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống WebGIS trong đề tài được phát triển dựa trên nền tảng mã nguồn mở nào?
Hệ thống được phát triển và tùy biến dựa trên FarmOS – một bản phân phối mã nguồn mở chuyên dụng cho quản lý nông nghiệp chạy trên nền tảng hệ quản trị nội dung Drupal (CMS) viết bằng ngôn ngữ PHP.

2. Các thông số môi trường nào được thu thập trực tiếp qua mạng cảm biến tích hợp trong FarmOS?
Hệ thống thu thập 6 chỉ số môi trường trên từng thửa đất canh tác lúa gồm: nhiệt độ không khí, độ ẩm không khí, độ ẩm đất, độ pH của nước, nồng độ khí Metan (CH4) và nồng độ khí Amoniac (NH3).

3. Chức năng dự báo thời tiết của hệ thống sử dụng nguồn dữ liệu nào và dự báo được trong bao lâu?
Hệ thống tích hợp dữ liệu khí tượng miễn phí từ dịch vụ trực tuyến yr.no, cho phép hiển thị điều kiện thời tiết hiện tại và dự báo thời tiết trong thời gian tối đa 11 ngày.

4. Đề tài căn cứ vào văn bản pháp lý nào để xác định tiêu chí kinh tế nông trại tại địa phương?
Đề tài căn cứ vào Thông tư số 27/2011/TT-BNNPTNT ban hành ngày 13/04/2011 của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn quy định về các tiêu chí diện tích và giá trị sản lượng hàng hóa của kinh tế nông trại.

5. Người dùng có thể nhập ranh giới thửa đất và xuất dữ liệu báo cáo từ hệ thống theo những định dạng tệp nào?
Hệ thống hỗ trợ nhập dữ liệu phân tích ranh giới khu vực thông qua tệp tin chuẩn KML và cho phép kết xuất toàn bộ danh sách nhật ký, tài sản, số lượng ra tệp tin định dạng CSV.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Đặng Thị Thanh Ngân đã nghiên cứu và ứng dụng thành công công nghệ WebGIS trên nền tảng FarmOS nhằm tin học hóa công tác quản lý môi trường sản xuất nông nghiệp tại huyện Thoại Sơn, tỉnh An Giang. Hệ thống giải quyết hiệu quả bài toán quản lý dữ liệu bản đồ số, hồ sơ mùa vụ và tài sản nông trại, đồng thời tích hợp thành công dữ liệu thời tiết yr.no và mạng cảm biến quan trắc các chỉ số môi trường thực địa. Kết quả nghiên cứu không chỉ xác lập một giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho ngành nông nghiệp địa phương mà còn cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phân tích thiết kế hệ thống thông tin nông nghiệp ứng dụng WebGIS.