Erudite Farming Enterprise (Doanh nông thông thái)

Đặt vấn đề:

Đề bài cho Erudite Farming Enterprise là thiết kế một hệ thống để hỗ trợ doanh nghiệp nhà nông canh tác một cách thông thái. Chúng ta gọi doanh nghiệp nhà nông là doanh nông. Kết nối với nơi canh tác của doanh nông là một thiết bị IoT dùng để đọc thông tin của một số tham số và dùng để điều khiển bật/tắt các thiết bị máy móc theo một quy trình được lập trình từ trước. Chúng ta đặt tên thiết bị này là Farmics. Đặc tả yêu cầu (Requirement Specification) cho Farmics chỉ dừng ở mức đơn giản. Thiết bị là một hộp hình khối mỏng dẹt (cỡ của một chiếc máy tính bảng). Bên ngoài phía mặt trước có một đèn led chỉ thị có nguồn hay không và một nút dùng tắt/bật nguồn. Thiết bị được cài đặt thông qua một máy tính kết nối với thiết bị bằng USB. Mối liên kết được thể hiện như trong hình vẽ sau:

Diễn giải:

• Doanh nông sử dụng 1 app (hoặc giao tiếp web) trên PC/Tablet/Smartphone có kết nối Internet để xem tình trạng canh tác. Canh tác có thể là 1 đàm nuôi tôm, một ao nuôi cá tra, một vườn ra nhà kính, một cánh đồng rau sạch, khu nuôi bò sữa tập trung … Tình trạng canh tác có thể gồm độ pH trong ao nuôi cá tra, nhiệt độ, độ ẩm của vườn rau, số lượng cá giống trong 1 mét khối nước, … Tình trạng được đo bởi Farmics và gửi trực tiếp đến app của doanh nông. Tùy theo cấu hình, app của doanh nông có lưu ký các tham số canh tác đo được từ vài ba ngày đến một tháng trước;
• Doanh nông được hỗ trợ bởi một Phác đồ canh tác. Phác đồ canh tác được lưu và vận hành theo phương thức điện toán đám mây. Phác đồ canh tác có tác dụng gì đối với doanh nông? Ví dụ, tôm giống được thả sau 1 tháng thì cần loại thức ăn nào, tần suất sục khí là bao nhiêu lần một ngày. Ví dụ, trồng rau trong nhà kính thì sau 1 tuần cần giữ nhiệt độ bao, độ ẩm bao nhiêu, …
• Tín hiệu sẽ được truyền/nhận qua mạng Internet kết nối với Farmics, sử dụng bộ giao thức TCP/IP. Việc truyền tin được thực hiện qua modem. Modem kết nối với Farmics bằng wi-fi;
• Mỗi Farmics có một địa chỉ IP (IPv6, 128 bit). Farmics có thể kết nối với các thiết bị đo bằng Wi-fi hoặc bằng các giao thức khác, ưu tiên kết nối bằng Wi-fi. Khi LPWAN trở thành phổ biến, chúng ta sẽ chuyển kết nối qua LPWAN. Đối với các thiết bị vận hành, Farmics kết nối hữu tuyến. Thiết bị vận hành bao gồm hệ thống tưới, sục khí, hút gió, …
• Farmics là một hệ thống nhúng (embedded system), hoạt động độc lập. Hệ thống nhúng thường có phần cứng là bản mạch đơn (Single-Board Microcontroller), bộ nhớ trong SRAM và bộ nhớ ngoài Flash/EEPROM. Trong bước đầu chúng ta nên dựa vào giải pháp Arduino (https://en.wikipedia.org/wiki/Arduino), giải pháp này là giải pháp phần cứng mở và phần mềm nguồn mở. Một tùy chọn khác là chúng ta có thể dựa vào Raspberry Pi (https://en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi). Hai tiếp cận này có nhiều điểm tương đồng.
• Kết nối hữu tuyến với Farmics còn có Farmics_AI. Farmics_AI đóng vai trò tự động hóa. Ví dụ, khi vườn rau trong nhà kính có độ ẩm thấp thì sẽ tự động kích hoạt máy tưới nước. Sau khi độ ẩm đạt ngưỡng thì Farmics_AI lại tự động tắt máy tưới nước. Farmics_AI lấy đầu vào là các tham số đo và Phác đồ canh tác. Farmics_AI chạy trên một máy PC, đặt gần với thiết bị Farmics.

Khuyến cáo nghiên cứu:

• Phần cứng:         Nhìn vào toàn bộ hệ thống của Erudite Farming Enterprise thì vấn đề còn tương đối mới đối với cộng đồng là phần cứng của Farmics. Cụ thể ở đây là hệ thống nhúng phần cứng - hệ thống đơn mạch. Tuy là hệ thống đơn mạch nhưng Farmics là một hệ vi xử lý đầy đủ: Bộ xử lý  (Processor) – 8 bit, 16 bit, 32 bit, Bộ nhớ trong (RAM), Bus, Bộ nhớ ngoài (Flash, EEPROM), các cổng (serial port, USB port, …), ngoại vi.
  
  Ngoài ra, để đọc được thông tin từ các cảm biến (sensor), chúng ta phải hiểu nguyên lý của các thiết bị mà chúng ta sẽ phải đọc thông tin (nhiệt độ, độ ẩm, CO2, pH, …).
  
  Khuyến cáo: Nghiên cứu Arduino và Raspberry Pi, mua một bộ Arduino và/hoặc Raspberry Pi.

• Phần mềm:         Phần mềm của Erudite Farming Enterprise chủ yếu gồm:
  
  a) Phần mềm điều khiển và cài đặt Farmics. Phần mềm này chạy trên PC/Tablet. Chúng ta đặt tên là Farmics_Set;
  
  b) App được viết để chạy được trên iOs, Android. Chúng ta đặt tên là Farmics_App; 
  
  c) Giao tiếp Web chạy được trên tất cả các bộ duyệt (Browser). Chúng ta đặt tên là Farmics_Web;
  
  d) Phác đồ canh tác là một hệ chuyên gia về canh tác. Chúng ta đặt tên là Farmics_Reg;
  
  e) Hệ điều hành nhúng (Embedded Operating System). Chúng ta đặt tên là Farmics_OS.
  
  Các phần mềm trên PC/Tablet/Smartphone, trên Web đều là các vấn đề mà cộng đồng đã quen thuộc. Chỉ duy nhất một vấn đề còn tương đối mới đối với cộng đồng là hệ điều hành nhúng.
  
  Khuyến cáo:
  - Đối với các phần mềm chạy trên PC/Tablet/Smartphone và trên Web: cộng đồng sử dụng các công cụ mà mình quen dùng;
  - Đối với hệ thống nhúng: chúng tôi khuyến cáo nên sử dụng bộ Adruino IDE (Adruino Integrated Development Environment).

• Giao thức/Chuẩn: Farmics cần phải liên lạc với 2 loại đối tượng.
  
  Loại đối tượng thứ nhất là các phần mềm chạy trên PC/Tablet/Smartphone. Đối với loại đối tượng này Farmics cần sử dụng bộ giao thức TCP/IP.
  
  Loại đối tượng thứ hai là các cảm biến môi trường. Trong trường hợp của Farmics, để tăng cao tính thực tế, chúng ta ưu tiên sử dụng Wi-fi.
  
  
  Khuyến cáo: Tập trung nghiên cứu các thiết bị đo chấp nhận kết nối Wi-fi. Đồng thời chúng ta cũng nghiễn các giao thức/chuẩn LoRaWan và Symphony Link. Tuy các giao thức/chuẩn này khá mới, chúng ta vẫn cần nghiên cứu, hiểu nguyên lý và phân tích các ưu điểm, nhược điểm để đón đầu công nghệ và đầu tư.