Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nông nghiệp thông minh dựa trên nền tảng vạn vật kết nối - IoT

eo yêu 
cầu của từng loại cây được trồng. Trong tương lai, đề tài này cũng hướng đến việc ứng 
dụng trí thông minh nhân tạo vào việc quản lý để hoạt động của toàn trang trại có thể 
tự động hóa hoàn toàn. 
2. THIẾT KẾ HỆ THỐNG QUẢN LÍ NÔNG NGHIỆP THÔNG MINH TRÊN NỀN 
TẢNG IoT 
2.1. Giao thức MQTT 
 MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) là giao thức truyền tin theo mô 
hình công bố/đăng kí (publish/subcribe) [5]. Nó dựa trên một ‚người môi giới‛ 
(Broker) trung gian được thiết kế có tính mở (không đặc trưng cho ứng dụng nào), rất 
đơn giản và dễ dàng tích hợp vào hệ thống. Do tính đơn giản, tốc độ truyền không cao 
nhưng chiếm ít băng thông, giao thức MQTT rất phù hợp cho các ứng dụng IoT. 
 Mô hình MQTT gồm các thành phần chính của MQTT là Clients, Servers 
(Brokers), Phiên (Session), quá trình đăng kí (Subscriptions) và chủ đề (Topics). Hình 1 
mô tả mô hình hoạt động của mô hình MQTT: 
+ MQTT Client (điểm xuất, điểm nhận): Client thực hiện đăng kí chủ đề để xuất hoặc 
nhận các gói tin. 
+ MQTT Server (broker): Servers thực hiện khởi tạo các chủ đề, nhận đăng kí từ Clients 
yêu cầu các chủ đề, nhận các dữ liệu được gửi đến và chuyển tiếp chúng. 
+ Chủ đề: Về mặt kĩ thuật, chủ đề là các hàng đợi chứa tin nhắn. Về mặt logic, chủ đề 
cho phép Clients trao đổi thông tin và dữ liệu. 
+ Phiên: Một phiên được định nghĩa là kết nối từ Client đến Server. Tất cả các giao tiếp 
giữa Client và Server đều là một phần của phiên. 
 96 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
+ Quá trình đăng kí: Không giống như phiên, quá trình đăng kí về mặt logic là kết nối 
từ Client đến chủ đề. Khi thực hiện đăng kí đến chủ đề, Client có thể trao đổi thông tin 
với chủ đề. Quá trình đăng kí có thể ở trạng thái ‘tạm thời’ hoặc ‘bền vững’, phụ thuộc 
vào cờ xóa phiên trong gói kết nối. 
+ Thông tin (Message): Thông tin là các đơn vị dữ liệu được trao đổi giữa các chủ đề. 
 Hình 1. Mô hình MQTT. 
2.2. Đề xuất mô hình cấu trúc cho hệ thống 
 Hệ thống được xây dựng dựa trên nhu cầu quản lý tập trung các khu vực trang 
trại có cùng hoặc khác các đặc điểm nuôi trồng. Tại các địa điểm cần quản lí, một bộ 
thiết bị bao gồm các cảm biến và bo điều khiển được lắp đặt. Ta gọi mỗi điểm là một 
nốt hệ thống (system node). Các nốt sẽ gửi dữ liệu về một thiết bị trung tâm để tập hợp 
lại và gửi lên hệ thống máy chủ. 
 Thiết bị trung tâm sẽ chuyển tiếp dữ liệu của mỗi nốt đến máy chủ để xử lí, lưu 
trữ và hiển thị lên các thiết bị giao tiếp với con người. Để thuận tiện cho người sử 
dụng, một giao diện trang web sẽ được xây dựng để đưa ra các thông số đã thu thập 
được. Đồng thời, các chức năng điều khiển hoặc chức năng tiện ích cũng sẽ tích hợp 
vào hệ thống để tăng tính tương tác giữa con người và thiết bị. Hơn nữa, các tính năng 
về báo hiệu như thông báo một ‚notification‛ hoặc tự động báo hiệu trên điện thoại 
cũng được tích hợp khi hệ thống xây dựng được ứng dụng chạy trên các nền tảng điện 
thoại thông minh. Sơ đồ tổng quát của hệ thống được phát họa như ở Hình 2. 
 97 
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nông nghiệp thông minh dựa trên nền tảng vạn vật kết nối - IoT 
 Hình 2. Mô hình đề xuất cho hệ thống quản lý trang trại nông nghiệp. 
 Trên thực tế, hệ thống sẽ bao gồm các khối chính như ở Hình 3: 
 - Khối các cảm biến (sensor) và chấp hành (actuator): bao gồm các cảm biến để 
đo những thông số khác nhau của môi trường trong trang trại và các cơ cấu chấp hành 
để điều khiển đóng mở các thiết bị điện khác. 
 - Khối xử lí tín hiệu trung gian: là nơi để thu nhận dữ liệu từ các cảm biến và 
gửi những thông số này đến Khối xử lý, lưu trữ, chuyển tiếp. Ngoài ra, khối này còn 
nhận các lệnh điều khiển được gửi xuống để đưa ra tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp 
hành. 
 - Khối xử lí, lưu trữ và chuyển tiếp dữ liệu: là các máy chủ ảo được đặt trên các 
hệ thống điện toán đám mây để nhằm lưu trữ, xử lý và sau đó gửi các dữ liệu cần thiết 
đến thiết bị đầu cuối cho người dùng có thể truy cập. Khối này cũng sẽ nhận dữ liệu 
gửi từ thiết bị của người dùng, sau đó phân tích và gửi đến các khối xử lý tín hiệu 
trung gian phù hợp nhằm truyền đến đúng khối chấp hành cần điều khiển. 
 - Thiết bị đầu cuối: có thể là máy tính, điện thoại di động, hay một thiết bị 
thông minh có khả năng kết nối mạng để người dùng có thể truy cập dữ liệu và điều 
khiển hệ thống của mình từ khắp mọi nơi. 
 98 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
 Hình 3. Sơ đồ khối chi tiết cho hệ thống quản lý nông nghiệp thông minh. 
2.3 Thiết kế hệ thống quản lý nông nghiệp tự động 
 Ứng dụng nền tảng IoT dựa trên giao thức MQTT và hệ quản trị cơ sở dữ liệu 
MongoDB. Hệ thống thực tế được xây dựng với các thiết bị và công nghệ được đề xuất 
như trong Hình 4: 
 Hình 4. Đề xuất các công nghệ để triển khai cho hệ thống thực tế. 
 Hệ thống sử dụng bo máy tính nhúng Raspberry Pi 3 để đóng vai trò của khối 
xử lý tín hiệu trung gian. Raspberry Pi 3 là một máy tính mini với lõi CPU ARM 
Cortex-A53 Quadcore 1.2GHz 64-bit, bộ nhớ RAM 1GB đáp ứng được yêu cầu xử lí 
nhanh các tác vụ. Đặc biệt, Raspberry Pi 3 hỗ trợ chuẩn Wifi 802.11n giúp cho việc kết 
nối Internet dễ dàng hơn, không bị ràng buộc bởi mạng Ethernet. Raspberry Pi 3 sẽ đọc 
 99 
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nông nghiệp thông minh dựa trên nền tảng vạn vật kết nối - IoT 
dữ liệu về thông số của môi trường (như nhiệt độ và độ ẩm) từ các cảm biến để gửi 
đến Broker. Trong mô hình thử nghiệm ở bài báo này, chúng tôi tạm sử dụng cảm biến 
DHT-22 để đo các thông số nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. 
 Phần máy chủ chạy hoàn toàn trên đám mây bao gồm các phần: Mosquitto 
Broker, Server Node.js, MongoDB cloud. 
 Mosquitto Broker là một broker nhẹ, mã nguồn mở thực hiện MQTT được triển 
khai trên dịch vụ website của Amazon (AWS) nên có thể hoạt động liên tục. Điều này 
giúp tránh được sự ngắt quãng dữ liệu khi trao đổi. Broker là phần trung gian giữa 
Web-server và bo máy tính nhúng Raspberry Pi 3, làm nhiệm vụ trao đổi dữ liệu giữa 
hai bên. 
 Node.Js [1][6] là công cụ chính được chúng tôi sử dụng để dựng lên Web-
server. Tất cả kết nối với nhau để tạo thành hệ thống có thể hoạt động hoàn chỉnh. 
Trong hệ thống này, Node.Js kết hợp với Socket.IO để tạo thành một máy chủ có khả 
năng chạy các ứng dụng thời gian thực. Máy chủ Node.Js được triển khai trên Heroku 
– một hosting miễn phí nhưng đảm bảo ổn định. 
 Trong hệ thống này, MongoDB được sử dụng để lưu lại các dữ liệu mà hệ 
thống thu được từ cảm biến. MongoDB là hệ quản trị cơ sở dữ liệu mã nguồn mở được 
thiết kế theo kiểu hướng đối tượng với cấu trúc rất linh hoạt, truy vấn nhanh. Dữ liệu 
sau khi được chuyển đến Web-server sẽ được chuyển tiếp và lưu tại một máy chủ chạy 
MongoDB. Các dữ liệu này sẽ được truy vấn để phục vụ các mục đích nghiên cứu, dự 
đoán. 
 Trong hệ thống quản lý thì không thể thiếu một giao diện hiển thị và điều 
khiển tương tác cho người dùng. Chúng tôi đã xây dựng một giao diện web-based, có 
thể sử dụng trên tất cả các trình duyệt phổ biến như Chrome, Firefox, Safari Giao 
diện này có nhiệm vụ xử lí, hiển thị dữ liệu thời gian thực nên người dùng có thể cập 
nhật thông tin một cách thuận tiện. 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
 Do những giới hạn về kinh phí và thiết bị, trong hệ thống này chúng tôi chỉ xây 
dựng một mô hình của thiết bị phần cứng để thử nghiệm các tính năng của toàn hệ 
thống. Trong thiết bị mô hình này, cảm biến DHT-22 đóng vai trò như một phần của 
các cụm cảm biến để đo nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. Các cơ cấu chấp hành 
chẳng hạn như bộ điều khiển động cơ phun nước sẽ được mô hình tạm thời bằng một 
động cơ DC, bộ điều khiển cơ chế sưởi sẽ được mô hình bởi đèn LED. Mô hình thiết bị 
phần cứng được thực thi thử nghiệm như ở trong Hình 5. 
 100 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
 Hình 5. Thực thi thử nghiệm mô hình phần cứng cho hệ thống. 
 Một giao diện người dùng cũng đã được xây dựng thử nghiệm như ở Hình 6, 
với đầy đủ các tính năng như hiển thị các thông số đo theo thời gian thực và cho phép 
người dùng điều khiển từng cơ cấu chấp hành trong hệ thống thông qua giao diện đồ 
hoạ. 
 Hệ thống giám sát và quản trị nông nghiệp đã triển khai thành công, thực thi 
đầy đủ chức năng đặt ra như ban đầu bao gồm các giai đoạn đọc dữ liệu từ cảm biến, 
chuyển dữ liệu đến Web-server và lưu dữ liệu vào hệ quản trị cơ sở dữ liệu MongoDB, 
chuyển tiếp dữ liệu đến giao diện người dùng. 
 101 
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nông nghiệp thông minh dựa trên nền tảng vạn vật kết nối - IoT 
 Hình 6. Giao diện người dùng của phần mềm giám sát, điều khiển. 
 Trong hình trên, ta có thể thấy khi các dữ liệu từ cảm biến thay đổi thì ngay lập 
tức các biểu đồ biểu diễn sẽ thay đổi tương ứng. Từ đây chúng ta có thể dễ dàng quan 
sát sự thay đổi và đọc được các giá trị thông số của môi trường một cách tức thời. 
 Ở chiều ngược lại, các lệnh điều khiển từ người dùng sẽ được chuyển tới Web-
server để xử lý. Sau đó, lệnh điều khiển sẽ được chuyển đến đúng thiết bị tại các nốt hệ 
thống để thực hiện các thao tác bật - tắt động cơ phun nước (tượng trưng bằng một 
động cơ DC), bật – tắt hệ thống sưởi (tượng trưng bằng một đèn LED). Hình ảnh phía 
dưới minh hoạ khả năng điều khiển từ giao diện người dung để đóng ngắt hệ thống 
sưởi thông qua thiết bị là điện thoại thông minh (Hình 7). 
 102 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
 Hình 7. Điều khiển hệ thống từ thiết bị di động. 
4. KẾT LUẬN 
 Trong bài báo này, chúng tôi tập trung việc nghiên cứu và đề xuất một hệ 
thống quản lý nông nghiệp tự động xây dựng dựa trên nền tảng IoT và hệ quản trị cơ 
sở dữ liệu điện toán đám mây. Hệ thống này đã được nghiên cứu và xây dựng thành 
công dựa trên phần cứng là bo máy tính nhúng Raspberry Pi 3, cảm biến DHT – 22 và 
một số dịch vụ điện toán đám mây. Phần chính của hệ thống là Node.Js server cùng 
với giao thức truyền tin đặc trưng của IoT là MQTT được xây dựng và triển khai trên 
các dịch vụ điện toán đám mây Heroku và AWS. 
 Một giao diện người dùng với khả năng hiển thị thời gian thực đã được thiết kế 
đảm bảo yêu cầu thân thiện cho việc tương tác với hệ thống. Các giá trị đo và lệnh điều 
khiển thử nghiệm đã chứng tỏ hệ thống hoạt động tốt và ổn định, có thể phát triển 
thành một hệ thống hoàn chỉnh để ứng dụng vào thực tiễn ở các nông trại quy mô vừa 
và nhỏ. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Basarat Ali Syed (2014), Beginning Node.js, Apress Publisher; 1st ed. edition (November 25, 
 2014). 
[2]. Kaewmard, Nattapol; Saiyod, Saiyan (2014). Sensor data collection and irrigation control 
 on vegetable crop using smart phone and wireless sensor networks for smart farm, IEEE 
 Conference on Wireless sensors (ICWiSE) 2014, Page(s): 106 – 112. 
 103 
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nông nghiệp thông minh dựa trên nền tảng vạn vật kết nối - IoT 
[3]. Nelson Sales, Artur Arsenio (2016). Wireless Sensor and Actuator System for Smart 
 Irrigation on the Cloud, 2nd World forum on Internet of Things (WF-IoT) Dec 2015, published 
 in IEEE Xplore. 
[4]. Nikesh Gondchawar, Prof. Dr. R. S. Kawitkar (2016). IoT based Smart Agriculture, 
 International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, Vol. 5, 
 Issue 6, ISSN (Online) 2278-1021 ISSN (Print) 2319 5940. 
[5]. OASIS Standard (2014). MQTT Version 3.1.1, Website: 
 open.org/mqtt/mqtt/v3.1.1/os/mqtt-v3.1.1-os.doc. 
[6]. Pedro Teixeira (2012). Professional Node.js: Building Javascript Based Scalable Software, Wrox 
 Publisher; 1 edition (October 23, 2012). 
[7]. Prathibha, S. R.; Hongal, A. & Jyothi, M. P (2017). IoT Based Monitoring System in Smart 
 Agriculture, International Conference on Recent Advances in Electronics and Communication 
 Technology (ICRAECT) 2017, Paper(s): 81-84. 
[8]. Rupanagudi, SudhirRao; Ranjani B.S; Nagaraj, Prathik; Bhat, Varsha G; Thippeswamy G 
 (2015). A novel cloud computing based smart farming system for early detection of borer 
 insects in tomatoes, International Conference Communication, Information & Computing 
 Technology (ICCICT) 2015, Page(s): 1 – 6. 
[9]. Rajeswari, S.; Suthendran, K. & Rajakumar, K (2017). A smart agricultural model by 
 integrating IoT, mobile and cloud-based big data analytics, International Conference on 
 Intelligent Computing and Control (I2C2) 2017, Paper(s): 1-5. 
[10]. Sushanth, G. & Sujatha, S (2018). IoT Based Smart Agriculture System, International 
 Conference on Wireless Communications, Signal Processing and Networking (WiSPNET) 2018, 
 Paper(s): 1-4. 
 104 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học, ĐH Huế Tập 14, Số 1 (2019) 
 STUDYING AND DESIGNING A SMART MANAGEMENT SYSTEM FOR 
 AGRICULTURE BASED ON INTERNET OF THING – IoT 
 Phan Van Dai Phan, Phan Hai Phong * 
 Faculty of Electronics and Telecommunications, University of Sciences, Hue University 
 *Email: phphong@hueuni.edu.vn 
 ABSTRACT 
 There has been a trend of combination of IoT technology platform with production 
 and management in agriculture in many countries around the world. In this 
 research, we have studied and proposed a system which can manage 
 environmental parameters on farms based on IoT platform and real-time 
 communication protocols to transmit and manage data in a timely and efficient 
 manner. Users can easily understand the parameters of the environment 
 throughout the farm and can control to interfere immediately to ensure the best 
 environment conditions. Agricultural farm management system is built with 
 servers located on cloud services. Experimental results show that the system 
 transmits data in a stable, accurate. User can monitor and control the system on an 
 intuitive interface through many different devices. 
 Keywords: Internet of Thing (IoT), MongoDB, MQTT, Smart Agriculture. 
 105 
Nghiên cứu, thiết kế hệ thống quản lí nông nghiệp thông minh dựa trên nền tảng vạn vật kết nối - IoT 
 Phan Văn Đại sinh ngày 02/09/1995 tại Thừa Thiên Huế. Ông tốt nghiệp 
 kỹ sư ngành Điện tử viễn thông tại trường Đại học Khoa học, Đại học Huế 
 vào năm 2018. Hiện tại, ông đang học thạc sỹ ngành Kkỹ thuật điện tử tại 
 trường Đại học Thành Công – Đài Loan. 
 Lĩnh vực nghiên cứu: điện tử, hệ thống nhúng, IoT, máy học 
 Phan Hải Phong sinh ngày 23/05/1082 tại Thừa Thiên Huế. Ông tốt 
 nghiệp cử nhân Vật lý tại trường Đại học Khoa học, Đại học Huế vào năm 
 2004; tốt nghiệp thạc sỹ chuyên ngành Kỹ thuật điện tử tại trường Đại học 
 Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội vào năm 2010, và năm 2018 ông 
 nhận bằng tiến sỹ trong lĩnh vực Kỹ thuật máy tính cũng tại trường này. 
 Hiện tại, ông công tác tại khoa Điện tử viễn thông, trường Đại học Khoa 
 học, Đại học Huế. 
 Lĩnh vực nghiên cứu: vi điện tử, thiết kế vi mạch số, hệ thống nhúng, IoT, 
 học máy 
 106