bài giảng chương 1 2 Công nghệ IoT trong nghiên cứu Sinh học

Công nghệ IoT trong nghiên cứu Sinh học2 Kỹ thuật số là việc áp dụng các công nghệ tiên tiến để thu thập dữ liệu và tạo ra các thiết kế trong một môi trường số hóa... Các nội dung thực

Ứng dụng kỹ thuật số trong nghiên cứu

Sinh học

1

Giảng viên: ThS Phạm Văn BìnhEmail: binh.agriconnect@gmail.com

Công nghệ IoT trong nghiên cứu Sinh học

2

Kỹ thuật số là việc áp dụng các công nghệ tiên tiến để thu thập dữ liệu và tạo

ra các thiết kế trong một môi trường số hóa

Nội dung môn học

Chương 1 Giới thiệu về công nghệ IoT

1.1. Khái niệm về Nông nghiệp IoT

1.2 Tình hình công nghệ IoT trên thế giới1.3.Tình hình công nghệ IoT tại Việt Nam1.4 Định hướng phát triển nông nghiệp IoT

Chương 2 Giải pháp IoT trong nông nghiệp

2.1 Nguyên lý cơ bản của giải pháp IoT2.2 Các thành phần của giải pháp IoT2.3 Vận hành giải pháp IoT

2.3.1 Dữ liệu2.3.2 Điều khiển thiết bị2.3.3 Thông báo

2.4 Chuẩn đoán và kiểm soát dịch bệnh

Chương 3 Ứng dụng công nghệ IoT cho cây trồng trong nhà màng

3.1 Mô hình nhà màng3.2 Hệ thống Rau thủy canh3.3 Hệ thống trồng giá thể (dưa lưới, ớt chuông, cà chua,…)3.4 Hệ thống trồng thổ canh

3.5 Canh tác điện 3.6 Mô hình Container thuỷ canh3.7 Mô hình trồng nấm

Chương 4 Ứng dụng công nghệ IoT cho cây trồng ngoài nhà màng

4.1 Thiết kế hệ thống tưới4.2 Hệ thống châm dinh dưỡng (bón phân), phun thuốc.

Chương 5 Ứng dụng công nghệ IoT trong chăn nuôi và thuỷ sản

4.1 IoT trong chăn nuôi (Seminar)4.2 IoT trong ngành dẫn dụ yến 4.3 IoT trong nuôi trồng thuỷ sản (Seminar)

Chương 6 Phát triển chuỗi nông nghiệp thông minh, chuyển đổi số

nông nghiệp

5.1 Nhật ký canh tác điện tử5.2 Truy xuất nguồn gốc5.3.Thương mại điện tử

Giáo trình và tài liệu tham khảo

1 Jinyuan Xu, Baoxing Gu, and Guangzhao Tian Review of agricultural IoT technology Artificial Intelligence in Agriculture 6,

10–22.

2 Vivek Ramakant Pathmudi, Narendra Khatri, Sandeep Kumar, Antar Shaddad Hamed Abdul-Qawy, Ajay Kumar Vyas A

systematic review of IoT technologies and their constituents for smart and sustainable agriculture applications Scientific African 19, e01577.

3 Ahmad Fattahi IoT product design and development IoT skills in practice series 2023 John Wiley & Sons, Inc.4 David Shoch and Erin Swails Methodology for improved Agricultural land management Document prepared by TerraCarbon

LLC, Version 1.0, 19 October 2020, Sectoral Scope 14.

5 Smart Agricultural Transformation in Asian Countries Dr Roehlano Briones and Dr Joe-Air Jiang served as the volume

editor 2023 Asian Productivity Organization.

6 Joe J Hanan· Winfred D Holley Kenneth L Goldsberry 1978 Greenhouse Management Berlin Heidelberg New York.

7 J Benton Jones, Jr 2014 Complete Guide for Growing Plants Hydroponically GroSystems, Inc Anderson, South Carolina,

USA8 Bạch Tân Sinh và Đặng Thị Hoa 2019 Internet kết nối vạn vật ở Việt Nam: Thực trạng và giải pháp phát triển Diễn đàn Khoa học - Công nghệ

Các nội dung thực hiện seminar

1.Thiết kế hệ thống tưới và giả định vận hành cho 1ha sầu riêng ứng dụng công nghệ IoT

2.Thiết kế và giả định vận hành 1000m2 trồng rau thuỷ canh nhà màng ứng dụng CN IoT

3.Thiết kế và giả định vận hành 1000m2 trồng dưa lưới/cà chua nhà màng ứng dụng công nghệ IoT

4.Ứng dụng IoT trong nông nghiệp thẳng đứng (vertical agriculture)

5.Ứng dụng IoT trong chăn nuôi và (bảo vệ) động vật hoang dã

6.Ứng dụng IoT, công nghệ AI trong chuẩn đoán và quản lý bệnh cây trồng

7.Ứng dụng công nghệ IoT trong ngành nuôi trồng nấm (nấm ăn và nấm dược liệu)

8.Vai trò của công nghệ IoT, công nghệ số trong bối cảnh toàn cầu giảm phát thải CO2

9.Mô hình nông nghiệp tuần hoàn ứng dụng công nghệ IoT

1.Thi: 60%2.Chuyên cần: 10%

Chương 1 Giới thiệu về công nghệ IoT

Nông nghiệp 4.0?

Nông nghiệp Công nghệ cao?

Nông nghiệp IoT?

Nông nghiệp thông minh?Chuyển đổi số

Sơ đồ phát triển từ nông nghiệp 1.0 đến nông nghiệp 4.0

Nông nghiệp 4.0

1 Ứng dụng công nghệ IoT2 Công nghệ đèn LED sử dụng đồng bộ trong canh tác kỹ thuật cao3 Canh tác trong nhà kính, nhà lưới, sử dụng công nghệ thủy canh, khí canh4 Tế bào quang điện (Solar cells) nhằm sử dụng hiệu quả không gian, giảm chi phí năng lượng

5 Sử dụng người máy (Robot) thay cho việc chăm sóc cây trồng, vật nuôi6 Sử dụng các thiết bị bay không người lái (Drones) và các vệ tinh (satellites) để khảo sát thực trạng thu thập dữ liệu của các trang trại

7 Công nghệ tài chính phục vụ trang trại (Farm Fintech)üNông nghiệp 4.0 là nền nông nghiệp thông minh, được cơ giới hóa và ứng

dụng các thành tựu công nghệ hiện đại của công nghiệp 4.0 như Internet, công nghệ nano, công nghệ robot, công nghệ sinh học, công nghệ chiếu sáng,… vào sản xuất -> Tăng năng suất, nông nghiệp hiệu quả cao

Nông nghiệp IoT

IoT: Internet of Things (Internet của vạn vật)

üThuật ngữ IoT (Internet of Things, Internet vạn vật) lần đầu tiên được sử dụng bởi Kevin Ashton và David L Brock - những thành viên sáng lập của trung tâm Auto-ID của MiT IoT là một công nghệ cho phép sự giao tiếp liên tục và theo thời gian thực giữa các sự vật hoặc giữa sự vật với con người

üTrong nông nghiệp, ứng dụng công nghệ IoT nhằm cải thiện năng suất, hiệu quả, chất lượng cây trồng, cung cấp thông tin sản xuất và phân phối cho người tiêu dùng

Nông nghiệp IoT

Mỗi vật (thiết bị) được cung cấp một định danh, có khả năng truyền tải, trao đổi thông tin và dữ liệu thông qua một hệ thống mạng mà không cần đến sự tương tác của con người

Các vật thể được kết nối sử dụng các công nghệ: Wifi, Bluetooth, radio, Lora,

NB-IoT,…

Lý do ứng dụng IoT nông nghiệp

14

üBiến đổi khí hậu toàn cầu, thời tiết ngày càng khắc nghiệt, bất thường.üCác phương pháp canh tác truyền

thống không thể đáp ứng được nhu cầu về cây lương thực üPhương pháp canh tác truyền

thống sử dụng các nguồn tài nguyên như đất, nước, thuốc diệt cỏ và phân bón khá kém hiệu quảüỨng dụng công nghệ là giải pháp

cho nông nghiệp bền vữngüGóp phần vào mục tiêu chung

giảm phát thải CO2

ü Cần có thêm 70% lương thực & sử dụng 70% lượng nước ngọt của Trái đất

ü Dt đất Nông nghiệp ngày càng bị thu hẹp, lao động cho nông nghiệp ngày càng giảm

Xu hướng công bố đơn đăng ký sáng chế của lĩnh vực IoT

trong nông nghiệp trên thế giới 15

üNăm 2015, 2016 thế giới bắt đầu chú ý hơn đến IoT ứng dụng trong nông nghiệp.üNăm 2017, nghiên cứu

trong lĩnh vực công nghệ ứng dụng IoT trong nông nghiệp phát triển mạnh mẽ và bùng nổ trong năm 2020 và 2021

Tình hình công nghệ IoT trên thế giới

Các quốc gia trên thế giới đăng ký sáng chế về ứng dụng

IoT trong nông nghiệp được công bố tại

16

üTrung Quốc: 701 sáng chế (chiếm tỷ lệ 24,15%)

üHoa Kỳ: 581 sáng chế (chiếm tỷ lệ 20,01%)

üẤn Độ: 478 sáng chế (chiếm tỷ lệ 16,47%)üHàn Quốc: 270 sáng chế (chiếm tỷ lệ 9,3%)

üAustralia: 42 sáng chếüNhật Bản: 25 sáng chếüĐức: 15 sáng chế

üPháp: 8 sáng chếüTheo khảo sát của GE Digital Industrial Evolution Index, 58% nhà sản xuất

cho biết họ cần có IoT để chuyển đổi kỹ thuật số các hoạt động sản xuất üCác chuyên gia cũng kỳ vọng IoT toàn cầu trong quy mô thị trường sản

xuất sẽ tăng từ 33,2 tỷ USD vào năm 2020 lên 53,8 tỷ USD vào năm 2025

Những chủ sở hữu dẫn đầu về áp dụng công nghệ IoT

trong nông nghiệp

17

üLG Electronics Inc là công ty hàng đầu trong nghiên cứu và phát triển công nghệ IoT trong nông nghiệp với

540 sáng chế chiếm 65,61% üHuawei Technologies Co.,

Ltd.: 38 sáng chế (4,62%)üNEC Corporation: 33 sáng

chế (4,01%)üIBM (International Business

Machines Corporation): 29 sáng chế (3,52%)

Vài nghiên cứu và ứng dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp

18

ü Kainjan Mahesh Sanghavi (2017) đã thực hiện nghiên cứu “Thiết kế các công nghệ hiệu quả để phát hiện và phòng ngừa bệnh trên cây nho theo thời gian thực sử dụng IoT và xử lý hình ảnh”:

§ Dùng drone để ghi lại hình ảnh lá nho khoẻ và bệnh§ Bệnh sương mai, bệnh phấn trắng và bệnh thán thưü Bălăceanu, C và cs (2021) đã nghiên cứu “Theo dõi sức khỏe vườn nho bằng các

cảm bởi công nghệ IoT trong nông nghiệp thông minh”: § Độ ẩm tương đối của không khí tối ưu là 55- 65%, trên khoảng này, vườn nho

bắt đầu xuất hiện các vần đề về bệnh § Nhiệt độ có ảnh hưởng đến quá trình trồng nho, thành phần và chất lượng của

nho, nhiệt độ thích hợp là 25-32°C § Với môi trường đất ở độ sâu 25 cm, nhiệt độ trong khoảng 16,54°C - 25,07°C là

điều kiện tối ưu để không phát triển tuyến trùng § Ẩm độ của đất trong nghiên cứu được ghi nhận nằm trong khoảng 28.46°C -

56.62°C

Vài nghiên cứu và ứng dụng công nghệ IoT trong nông nghiệp

ü Bradley A King và cs (2023) đã nghiên cứu hệ thống hỗ trợ quyết định dựa trên chỉ số căng thẳng về nước của cây trồng dựa trên công nghệ IoT để tưới chính xác cho nho làm rượu vang

ØIoT tại Việt Nam đang là một lĩnh vực “nóng”

üNông nghiệp: AgriConnect, Mimosa Tech, Hachi, MrVina, Nextfarm, üNhà thông minh: BKAV, Lumi và Acis, là những doanh nghiệp đứng đầu trong thị

trường nhà thông minh üGiao thông: Abivin (thu thập dữ liệu của xe tham gia giao thông và dựa trên bản đồ số,

tối ưu hóa cho các phương tiện vận chuyển).ØCác dự án được triển khai mở rộng với quy mô lớn của IoT, phần lớn được cung cấp bởi các

doanh nghiệp nước ngoài üGiải pháp TAP của Israel Vendor (chế biến rau quả chính xác) đã được triển khai ở

Tam Đảo (Vĩnh Phúc)üFPT kết hợp với Fujitsu phát triển nông nghiệp thông minhüTHTrue Milk nhập công nghệ chăn nuôi bò sữa của nước ngoàiüỨng dụng trong công nghiệp mía đường nhập khẩu công nghệ từ Isarel; üVinEco trồng rau nhà kính nhập công nghệ từ Isarel…

ØCác lĩnh vực tiềm năng như y tế điện tử, nông nghiệp thông minh, bất động sản thông minh sẽ cần thêm thời gian để có những ứng dụng IoT phù hợp với Việt Nam.

Tình hình IoT tại Việt Nam

Định hướng phát triển công nghệ 4.0, IoT

Định hướng phát triển IoT cây trồng

22Tích hợp:

ü Dữ liệu từ các cảm biến (Big -data)

ü Máy bay không người lái (Drone)

ü Camera (thuật toán về dự đoán bệnh, sức khoẻ cây trồng và năng suất)

ü AI chẩn đoán và kiểm soát dịch bệnh

ü Robot trang trại để tự động hóa nông nghiệp toàn diện (máy cắt cỏ, máy phun thuốc, robot thu hoạch, )

Số hoá ngành nông nghiệp

1 Theo dõi liên tục điều kiện thời tiết2 Tự động hóa trong canh tác nhà kính3 Quản lý cây trồng

4 Giám sát và quản lý vật nuôi5 Nông nghiệp chính xác

6 Máy bay không người lái nông nghiệp7 Phân tích dự báo cho nông nghiệp thông minh8 Các hệ thống quản trị trang trại thích hợp

23

IoT trong lĩnh vực nông nghiệp thông

minh - 8 Ứng dụng điển hình

Chương 2 Giải pháp IoT trong nông nghiệp

Gateway(PC, Raspberry,

PLC, )

(2)(3)

1, 2 : Wireless (RF, Lora, Blu, wifi), Wire 3 : Wifi

2.2 Các thành phần của giải pháp IoT

üCảm biến nhiệt độ, độ ẩm không khí

üCảm biến ánh sángüCảm biến gió

üCảm biến mưaüCảm biến áp suấtüCảm biến khí NH3üCảm biến khí CO2, üCảm biến khí O2üCảm biến NOx, CH4

Sensor Node (Thiết bị cảm biến): Ghi nhận các điều kiện/dữ liệu môi

üCảm biến O2 hoà tan

üCảm biến độ đục

üCảm biến ORP

Sensor probe:https://www.rikasensor.com/soil-sensor.htmlhttps://atlas-scientific.com/?s=sensor&post_type=product

Thiết kế mạch đọc dữ liệu từ sensor probe + code nhúng

Sensor Node (Thiết bị cảm biến)

31

Weather station

2.2 Các thành phần của giải pháp IoT

IoT-Gateway/Switch (Controller):

üNhận dữ liệu từ các cảm biếnüRa lệnh (và) điều khiển các tải (thiết bị)

2.2 Các thành phần của giải pháp IoT

Tủ điện (Điều khiển tải):

üChuyển đổi hệ thống điện phù hợp (220V, 380V, 24VAC, DC)

üĐiều khiển thiết bị phù hợp với công suất:

Auto/Manual

Tủ điện

2.2 Các thành phần của giải pháp IoT

üTruyền/nhận dữ liệu Cloud

2.3 Vận hành giải pháp IoT

BigData

38Xem dữ liệu cảm biến: Tóm tắt 1 ngày

39Xem dữ liệu cảm biến: Xuất dữ liệu

Điều khiển (phần mềm)

üAuto & manual

üĐiều khiển thiết bị theo thời gian

üĐiều khiển thiết bị theo cảm biến

Chế độ đặt lịch

Quản lý mùa vụ

Thông báo/Cảnh báo

üGởi cảnh báo qua SMS, Zalo, Telegram,

Thông báo/Cảnh báo

https://botanicfarm-longan.cc.agriconnect.vnhttps://saurieng-hungphuoc.cc.agriconnect.vn

üDựa vào hình ảnh, dữ liệu về bệnh học:

ví dụ: Bộ dữ liệu bao gồm 47363 hình ảnh của 27 bệnh liên quan đến 10 loại cây trồng (chủ yếu là cà chua, khoai tây, ngô, v.v.) üCông nghệ viễn thám thu thập dữ liệu theo thời gian thực (drone)üThuật toán học máy để phân tích lượng lớn dữ liệu

2.4 Chẩn đoán và kiểm soát dịch bệnh

2.4 Chẩn đoán và kiểm soát dịch bệnh

ü Train: The training set contains 1322 images.ü Validation: The validation set contains 60 images.ü Test: The test set contains 150 images

2.4 Chẩn đoán và kiểm soát dịch bệnh

Camera RGB, đa phổ, siêu phổ, nhiệt hoặc LiDAR

PHI: Photochemical reflectance indexDI: Quantifying the disease index

Hình ảnh định lượng chỉ số bệnh (DI) được lấy từ hình ảnh Chỉ số phản xạ quang hóa (PHI) trên không

của địa điểm thử nghiệm