Ứng dụng công nghệ Internet vạn vật cho quản lí chăn nuôi

Năm học 2016 - 2017 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ INTERNET VẠN VẬT CHO QUẢN LÍ CHĂN NUÔI Dương Thúy Vy (Sinh viên năm 4, Khoa Công nghệ Thông tin) GVHD: ThS Trần Sơn Hải 1. Lí do chọn đề tài Xu thế công nghệ vạn vật kết nối Internet (Internet of Thing – viết tắt IoT) đang bùng nổ làm cho các thiết bị trong nhà hay bất cứ nơi đâu cũng trở nên thông minh hơn do chúng được trang bị khả năng tính toán, khả năng kết nối mạng và khả năng cảm biến môi trường. Các thiết bị này rất đa dạng, có thể là điện thoại, tivi, đồng hồ thông minh, máy giặt, khóa cửa, tủ lạnh, đèn chiếu sáng và dễ thấy xu hướng mới là lắp đặt camera quan sát và cảm biến nhiệt. Nông nghiệp thông minh đang đứng vị trí thứ 6 trong top 10 ứng dụng phổ biến của IoT và đang có xu hướng phát triển. Trong tương lai việc giám sát quá trình chăn nuôi qua Internet có thể là một cuộc cách mạng trong phương thức làm việc của người nông dân (theo IoT-Analytics). Hình 1. Mười ứng dụng phổ biến của IoT trong quý III năm 2016 Ở Việt Nam, việc ứng dụng IoT vào nông nghiệp cũng đang được chú ý và ngày càng có nhiều dự án khởi nghiệp thuộc lĩnh vực này. Tuy nhiên, ứng dụng IoT cho nông nghiệp chăn nuôi vẫn đang còn bỏ ngỏ. Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 4 Chăn nuôi gà đạt chuẩn VietGAP có thể đem lại hiệu quả kinh tế cao cho các nông hộ ở nông thôn. Tuy nhiên, vấn đề là phải luôn đối mặt với tình hình dịch bệnh ở gà hiện nay. Nhiệt độ, ẩm độ là yếu tố quan trọng nhất đối với đàn gà, đặc biệt là gà con. Vì nhiệt độ quá cao hay quá thấp so với điều kiện chuẩn đều ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến sức khỏe của gà, làm tăng tỉ lệ tiêu chảy, hô hấp và tỉ lệ chết nếu gà bị stress nhiệt. Chuồng trại cần phải được kiểm soát chặt chẽ, ổn định nhiệt độ, độ ẩm để nâng cao hiệu quả sản xuất và cần quan sát thường xuyên hoạt động, biểu hiện của gà để phát hiện, xử lí kịp thời diễn biến bệnh tật trên đàn gà. Vì vậy, việc nghiên cứu và xây dựng ứng dụng hỗ trợ theo dõi chăn nuôi qua Internet là cấp thiết, có ý nghĩa khoa học công nghệ lẫn thực tế. 2. Mục tiêu đề tài, phương pháp – phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục tiêu đề tài - Theo dõi và kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng trại; - Theo dõi hình ảnh hoạt động và biểu hiện của đàn gà; - Phát hiện có người di chuyển trước cửa ra vào, phát cảnh báo và ghi nhật kí để xem lại video khi cần thiết. 2.2. Phương pháp – phạm vi nghiên cứu - Tiếp cận từ thực tiễn, khảo sát; - Nghiên cứu ứng dụng công nghệ vào thực tiễn, khảo sát công nghệ và thực nghiệm; - Phạm vi nghiên cứu: tích hợp cảm biến nhiệt, cảm biến chuyển động, theo dõi giám sát bằng camera. 3. Hệ thống quản lí chăn nuôi trên nền IoT 3.1. Linh kiện Bảng 1. Bảng chi tiết linh kiện STT Tên linh kiện Số lượng Hình ảnh 1 USB UART CP2102 1 2 Mạch thu phát wifi ESP8266 V7 1 Năm học 2016 - 2017 5 3 Đế ra chân ESP8266 V7 1 4 Cảm biến nhiệt độ, độ ẩm DHT22 ra chân 1 5 Module 2 relay kích H/L (5VDC) 1 6 Breadboard 2 7 Dây cắm đực đực, đực cái, cái cái 20 8 Mạch giảm áp 3.3V AMS1117 1 9 Cảm biến thân nhiệt chuyển động PIR HC- SR501 1 Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 6 3.2. Kiến trúc hệ thống 3.2.1. Thiết kế lắp ráp thiết bị Hình 2. Sơ đồ mạch điều khiển Kết nối cảm biến nhiệt, relay và cảm biến chuyển động vào nguồn 5V. Mạch ESP8266 nối vào nguồn 3.3V. Dây tín hiệu của cảm biến DHT22, relay và cảm biến PIR được nối với mạch ESP8266 như sau: ESP8266 v7 GPIO02 Signal DHT22 GPIO04 Relay 1 GPIO05 Relay 2 GPIO14 Signal PIR Năm học 2016 - 2017 7 3.2.2. Quy trình mạch điều khiển thực hiện Hình 3. Quy trình mạch điều khiển thực hiện Đầu tiên cần cài đặt tên wifi và password để mạch esp8266 có thể kết nối wifi. const char* ssid = “TenWifi”; const char* password = “MatKhauWifi”; Tạo một server port 80 #define LISTEN_PORT 80 WiFiServer server(LISTEN_PORT) ; Trong hàm setup(), ESP8266 kết nối mạng wifi WiFi.begin(ssid, password); Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 8 while(Wifi.status()!=WL_CONNECTED) delay(500); Serial.print(“.”); Sau đó, bắt đầu khởi động server và in địa chỉ IP ra cổng Serial server.begin(); Serial.println(WiFi.localIP()); Trong vòng lặp loop(), đọc nhiệt độ, độ ẩm từ cảm biến temperature = dht.readTemperature(); humidity = dht.readHumidity(); Đồng thời, đọc tín hiệu của cảm biến chuyển động để gửi đến webpage int new_motion_sensor_state = digitalRead(14); 3.2.3. Kiến trúc hệ thống Hình 4. Kiến trúc hệ thống myapi.js – là Javascript code phía server sử dụng Node và Express framework để tạo một web server đơn giản. index.html – trang giao diện web hiển thị cho người dùng. Năm học 2016 - 2017 9 myclient.js – Javascript code xử lí khi trang HTML được load lên, kết nối giữa giao diện và server. Nó gọi đến API server đang chạy trên ESP8266 module, lấy dữ liệu và hiện lên trên web. 3.3. Thiết kế giao diện người dùng 3.4. Màn hình điều khiển Hình 5. Màn hình điều khiển - Màn hình điều khiển gồm thông tin nhiệt độ, độ ẩm hiện tại trong chuồng trại và thông tin của cảm biến chuyển động. - Khi phát hiện có chuyển động, hệ thống sẽ phát âm thanh báo động và ghi lại thời gian đó. - Người dùng còn có thể bật tắt đèn ngay trên web bằng các nút điều khiển đèn. Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 10 - Cứ mỗi giờ hệ thống sẽ tự lưu lại nhiệt độ, độ ẩm hiện tại trong chuồng, và người dùng cũng có thể sử dụng nút để lưu nhiệt độ hoặc ghi lại thời gian nếu có nhu cầu. 3.5. Màn hình thống kê Hình 6. Màn hình thống kê nhiệt độ, độ ẩm 4. Bài toán điều chỉnh đèn tự động 4.1. Mô hình hóa bài toán Giả sử, trong chuồng trại có n bóng đèn, khi bật các bóng đèn L1, L2, , Ln thì nhiệt độ trong chuồng sẽ tăng lên một lượng lần lượt là t1, t2, , tn oC. Tương tự, khi tắt các bóng đèn nhiệt độ cũng sẽ giảm xuống một lượng t1, t2,, tn oC (các số liệu t1, t2, , tn có thể xác định dựa trên khảo sát thực tế). Cảm biến nhiệt được đặt ngay trung tâm của chuồng để biết nhiệt độ hiện tại trong chuồng là bao nhiêu. Do cảm biến đặt ngay giữa nên những bóng đèn đặt càng gần cảm biến sẽ ảnh hưởng nhiệt độ càng lớn. Người dùng cần nhập vào nhiệt độ tối đa và tối thiểu để duy trì nhiệt độ thích hợp cho đàn gà. Hệ thống sẽ tính toán để đưa ra giải pháp nên bật hay tắt những bóng đèn nào để đạt được nhiệt độ thích hợp. - Trường hợp 1, nếu nhiệt độ hiện tại nhỏ hơn nhiệt độ thấp nhất cho phép (MIN), ta đề nghị nên bật thêm bóng đèn để tăng nhiệt độ trong chuồng. Năm học 2016 - 2017 11 - Trường hợp 2, nếu nhiệt độ hiện tại lớn hơn nhiệt độ cao nhất cho phép (MAX), ta đề nghị nên tắt bớt bóng đèn để giảm nhiệt độ trong chuồng. - Trường hợp 3, nếu nhiệt độ hiện tại nằm trong khoảng cho phép, không cần làm gì thêm. Hình 7. Mô hình bài toán điều chỉnh đèn 4.2. Giải pháp 4.2.1. Đặt vấn đề Bài toán trên trở thành, cho một dãy số dương t1, t2,, tn . Tìm dãy số con của dãy đó có tổng bằng S (S = tMIN - tcurrent). Input: Dãy số t1, t2,, tn và tổng S Output: Vị trí và giá trị của dãy con có tổng bằng S 4.2.2. Ý tưởng dùng quy hoạch động Đặt f[i,j] = true nếu có thể tìm ra tổng j từ dãy con của dãy gồm các các phần tử t1, t2, , ti. Ngược lại, thì f[i,j] = false. Nếu f[i,S] = true tức là có thể tìm được dãy con. Nếu kết quả là false, ta sẽ thay đổi S bằng cách tăng S lên 1 đến khi S ≤ tMAX - tcurrent Tính f[i,j] theo công thức: f[i,j]=1 nếu f[i–1,j]=1 hoặc f[i–1,j–t[i]]=1. 4.2.3. Cài đặt thuật toán Mã giả: procedure subSetDP For i := 0 to n do {1} set f[i][0] to true; {2} For i := 1 to n do {3} For i := 1 to sum do {4} set f[i][j] to f[i-1][j] or f[i-1][j-A[i]; {5} Kỉ yếu Hội nghị sinh viên NCKH 12 return f[n-1][sum]; end 4.2.4. Đánh giá độ phức tạp thuật toán đề xuất Đoạn chương trình gồm lệnh lặp {1} và {3}. o Lồng trong lệnh {1} là lệnh {2}, lệnh gán {2} tốn O(1) thời gian. Vòng lặp {1} thực hiện n lần, mỗi lần O(1) thời gian do đó vòng lặp {1} tốn O((n).1)=O(n). o Lồng trong lệnh {3} là lệnh {4} và lồng trong lệnh {4} là lệnh {5}, lệnh gán {5} tốn O(1) thời gian. Vòng lặp {4} thực hiện n lần, mỗi lần O(1) do đó vòng lặp {4} tốn O((n).1) = O(n). Vòng lặp {3} lặp có i chạy từ 0 đến sum nên thời gian thực hiện của vòng lặp {1} tốn O(n*sum). Độ phức tạp của giải thuật là: T(n) = O(n) + O(n*sum) = O(n*sum) Độ phức tạp: T(n) = O(n*sum), trong đó sum là tổng, n là số phần tử của dãy. 4.2.5. Một áp dụng cho trạng trại gà nhỏ ở Đồng Tháp Hình 8. Áp dụng tại trang trại gà ở Đồng Tháp Ý kiến của người dùng thử: Hệ thống tiện lợi, dễ sử dụng. Năm học 2016 - 2017 13 5. Kết luận Module đạt được mục tiêu đặt ra và đáp ứng được nhu cầu, phù hợp với thực tế. Người dùng có thể theo dõi tình hình nhiệt độ, độ ẩm và hình ảnh đàn gà trong chuồng, kiểm soát nhiệt độ bằng cách bật tắt bóng đèn ngay trên web. Đồng thời, giải bài toán thực tế khi nào module sẽ tự động bật hay tắt đèn để đảm bảo duy trì nhiệt độ phù hợp. Ngoài ra, khi phát hiện có người vào chuồng hệ thống sẽ phát cảnh báo và ghi nhật kí thời gian để người dùng có thể xem lại thời điểm đó. Với các linh kiện, vật liệu có giá thành rẻ, module này hoàn toàn phù hợp với các nông hộ chăn nuôi gà, có thể giúp người nông dân theo dõi đàn gà dễ dàng và hiệu quả hơn, hạn chế việc vào chuồng để tránh lây lan mầm bệnh. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Nguyễn Xuân Bình (2011), Kĩ thuật chăn nuôi và phòng trị bệnh cho gà, Nxb Nông nghiệp Hà Nội. 2. Đỗ Võ Anh Khoa, Lưu Hữu Mãnh (2012),“Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm chuồng nuôi lên sức khỏe gà Ross 308”, Tạp chí Khoa học, Trường Đại học Cần Thơ. 3. Akutsu, Tatsuya, and Feng Bao (1996), "Approximating minimum keys and optimal substructure screens", International Computing and Combinatorics Conference, Springer Berlin Heidelberg. 4. Cao, Tien-Dung, and Hong-Linh Truong (2016), "Analyzing and Conceptualizing Monitoring and Analytics as a Service for Grain Warehouses", Recent Developments in Intelligent Information and Database Systems, Springer International Publishing, pp. 161-171. 5. Lee, Joonyoung et al. (2014), "A study on the necessity and construction plan of the internet of things platform for smart agriculture", Journal of Korea multimedia society 17.11: pp.1313-1324. 6. Marco Schwartz (2016), Discover the aREST Framework, CreateSpace Independent Publishing Platform (March 29, 2016). 7. TongKe, Fan (2013), "Smart agriculture based on cloud computing and IOT." Journal of Convergence Information Technology 8.2.