Nhiều giải pháp đã xuất hiện trong những năm gần đây nhưng chúng thường được thiết kế cho các nước châu Âu và những giải pháp này không phù hợp với bối cảnh nông thôn châu Phi. Một trong những hạn chế chính do các vùng nông thôn này là người nông dân không rất khó truy cập internet và chưa có kỹ năng sử dụng internet, các khu này thường không được bao phủ bởi mạng 3G / 4G.

Bài viết này trình bày tổng quan về các công nghệ kết nối trong IoT để phòng chống trộm cắp bò ở Châu Phi, đưa ra những thách thức có thể xảy ra ở châu Phi và làm thế nào công nghệ như Internet vạn vật (Internet of things-IoT) có thể được sử dụng để chống lại các mối đe dọa hiện có bằng cách đưa ra một số giải pháp phòng ngừa. Chúng tôi cũng đề xuất một giải pháp dựa trên công nghệ LoRa (Long Range) cho phép xác định tình huống bất thường có xảy ra trong đàn hay không. Giải pháp này bao gồm các thiết bị đầu cuối LoRa công suất thấp và một LoRa gateway. Bài viết phần 2, tìm hiểu về các công nghệ phần cứng và một số các giải pháp cụ thể trong việc ứng dụng IoT để phòng chống trộm cắp, mất bò.

Trộm cắp gia súc là một hiện tượng thường xuyên tái diễn và rất khó bị phát hiện tại nhiều nước châu Phi. Trong những năm gần đây, nó ngày càng trở thành mối quan tâm chính của nông dân. Đối với các nước châu Phi, đây là một trong những trở ngại rất lớn cho việc phát triển chăn nuôi. Những vấn đề này ảnh hưởng đến cả nông dân và chính phủ, có tác động xấu đến xã hội và kinh tế. Việc chăn nuôi bò là nguồn thu nhập chính của người nông dân châu Phi, gần như là toàn bộ kinh tế của họ đều đến từ chăn nuôi. Bên cạnh đó là những thách thức họ phải đối mặt đó là vấn đề trộm cắp gia súc gây ra thiệt hại đáng kể.

Ví dụ: Ở Senegal, hành vi trộm cắp gia súc được chính phủ đánh giá khoảng 2 tỷ USD mỗi năm. Ở một số khu vực không có điện tại Senegal, việc trộm cắp gia súc thường diễn ra nhiều hơn trong mùa mưa, vì tại thời điểm đó người nông dân rất khó để đảm bảo sự an toàn của đàn gia súc trong trang trại của mình. Đối mặt với vấn đề này, người nông dân vẫn chưa có giải pháp cụ thể, hiệu quả để chấm dứt vấn đề trộm cắp bò. Theo phương thức truyền thống, để ngăn chặn hành vi trộm cắp gia súc, người nông dân thường đánh dấu từng con bò trước và sau khi chăn thả và đưa chúng vào khu vực chăn nuôi của mình đã được rào chắn từ trước. Giải pháp này rõ ràng là không đủ hiệu quả để chống lại việc trộm cắp ở quy mô lớn. Hơn nữa, kẻ trộm đang sử dụng các kỹ thuật tinh vi và thông minh hơn để có được những gì họ muốn đó là con bò. Ngoài ra, việc tìm kiếm những con vật bị đánh cắp dường như không thể, vì chúng có thể bị giết hoặc bị bán ngay sau đó. Các phương án được Chính phủ đưa ra để ngăn chặn tình trạng này vẫn còn tái diễn. Án phạt dành cho hành vi trộm cắp gia súc đi tù từ 5 đến 10 năm.

Giải pháp IoT quản lý gia súc

Việc sử dụng các công nghệ mới bao gồm những công nghệ liên quan đến IoT có thể là một giải pháp tốt trong công tác phòng và chống trộm cắp gia súc. Các công nghệ xoay quanh IoT như mạng cảm biến không dây và thiết bị truyền động (WSAN), nhận dạng tần số vô tuyến (RFID) và dữ liệu lớn (BigData) có thể giúp khắc phục các lỗ hổng của các giải pháp truyền thống giúp chống lại trộm cắp gia súc, các loài động vật, quản lý trang trại và đàn, quản lý khu chăn thả, nghiên cứu hành vi của động vật, dự đoán trộm cắp ... Mặc dù, việc sử dụng các công nghệ này trong lĩnh vực phòng chống trộm cắp gia súc mang lại lợi nhuận đáng kể, nhưng những ứng dụng của họ sẽ không thể triển khai mà không có ràng buộc. Một số thách thức không chỉ liên quan đến sự phức tạp của vấn đề mà còn phải xác định và giải quyết các vấn đề để hệ thống có thể phòng và chống trộm cắp gia súc một cách hiệu quả đặc biệt phù hợp với điều kiện kinh tế xã hội ở nông thôn châu Phi.

Các công nghệ phòng chống trộm cắp gia súc

IoT không phải là một công nghệ mới, nó chỉ là sự tích hợp của một số công nghệ đã chứng minh được khả năng của nó trong thực tế để kết nối gần như tất cả các đối tượng để cải thiện khả năng thu thập dữ liệu qua đó tăng hiệu quả của việc ra quyết định. Trên hầu hết các nghiên cứu về kiến trúc IoT, chúng tôi thấy luôn có các thiết bị đầu cuối để thu thập dữ liệu và chuyển chúng đến một hoặc nhiều trung tâm xử lý thông qua môi trường Internet. Có thể rút ra rằng IoT là cả một tập hợp các công nghệ từ phần cứng từ các thiết bị đầu cuối và gateway, cảm biến thu thập dữ liệu đến các mạng truyền thông, kết nối và đến phần mềm nơi xử lý, lưu trữ dữ liệu. Việc lựa chọn công nghệ IoT để ngăn chặn và chống trộm cắp gia súc tại châu Phi cần được thực hiện dưa trên các tiêu chí cụ thể phù hợp với bối cảnh khu vực nông thôn và điều kiện xã hội của nông dân và các tiêu chí chính như chi phí và khả năng truy cập internet, phần lớn nông dân là những người nghèo, thu nhập thấp nên họ mong muốn cần có một giải pháp có chi phí thấp. Ngoài ra, tại khu vực họ sống, việc truy cập Internet là rất khó khăn và các nhà mạng thường không triển khai lắp đặt các mạng lưới 3G hoặc 4G tại đây. Trong bài viết phần 2, sẽ trình bày việc lựa chọn công nghệ phần cứng và một số các giải pháp cụ thể trong việc ứng dụng IoT để phòng chống trộm cắp, mất bò.

Công nghệ truyền thông

Việc lựa chọn công nghệ truyền thông đa phần phụ thuộc vào các mục đích sử dụng và các loại kiến trúc mà bạn muốn thiết lập. Bài viết trình bày một số mô hình triển khai như sau.

Mô hình 1: Mô hình này thường được dùng để theo dõi, giám sát gia súc trong khu vực trang trại

Một mạng cảm biến không dây với mỗi con bò là một“node” di động. Trong trường hợp này, mỗi con bò đều có một bộ cảm biến và bộ định tuyến, các dữ liệu thu được từ mạng cảm biến không dây này sau đó sẽ được chuyển tiếp đến một cổng (gateway). Gateway này có thể được đặt trong trang trại và được kết nối với internet để truyền dữ liệu đến trung tâm xử lý đồng thời cổng này cũng có thể gửi thông báo trực tiếp đến người nông dân.

Hình 1: Ví dụ về một mô hình kết nối trong trang trại

Mô hình này sử dụng các chuẩn kết nối như: ZigBee. Bluetooth, WiFi. Trong đó, ZigBee và Bluetooth được dùng cho các phạm vi nhỏ, cần tiêu tốn ít năng lượng, WiFi thì lại ngược lại, chúng có thể kết nối trongrộng hơn nhưng nó rất tốn nhiều năng lượng.Trong trường hợp, nếu chọn ZigBee cho mô hình trên, việc giả định rằng các loài động vật đang được nuôi trong trang trại (chúng không bao giờ xa Gateway) thì kiểu triển khai này hoàn toàn phù hợp. Ngược lại, cũng có những quan điểm với việc triển khai như vậy sẽ vô lý, động vật bày đàn thường luôn luôn đi với nhau, có nghĩa là khoảng cách từ chúng đến Gateway là gần như là bằng nhau, do đó dữ liệu chuyển tiếp sẽ là không hợp lý.

Mô hình 2: Mô hình này thường được dùng để xác định gia súc vượt ra khỏi phạm vi trang trại

Cũng giống như mô hình kết nối trong trang trại, mỗi con bò là một “node”. Tuy nhiên, điểm khác biệt rõ nhất ở 2 mô hình đó là mô hình hai, các “node”sẽ gửi trực tiếp các số đo này đến Gateway. Như trong trường hợp đầu tiên, gateway có thể kết nối với internet hoặc kết nối trực tiếp đến điện thoại di động của người nông dân để thông báo.

Với bối cảnh ở trên, việc ứng dụng mô hình hai dường như là phù hợp nhất trong cuộc chiến chống mất mát gia súc. Tuy nhiên, đối với những người chăn nuôi, khoảng cách giữa động vật và Gateway rất lớn vì khu vực chăn thả gia súc rất rộng, với trường hợp này, chúng ta phải áp dụng các công nghệ cung cấp giao tiếp tầm xa như LPWAN (Mạng diện rộng công suất thấp) đây là công nghệ tiêu thụ điện năng thấp và tầm xa. Một số công nghệ liên quan đến LPWAN đã xuất hiện, hầu hết các sản phẩm cung cấp ra độc quyền và giá thành cao so với mức sống của người nông dân châu Phi. Ngày nay, một số công nghệ LPWAN là LoRa, Sigfox và Weightless (với ba tiêu chuẩn: Weightless-N, Weightless-W, Weightless-P). Ngoài ra, còn có một số nhà cung cấp khác đang nổi lên và cung cấp các tính năng như Ingenu RPMA, nWave, Long Term Evolution cho giao tiếp M2M, Dash7 vv.. Tất cả các công nghệ này đều có cùng mục tiêu về phạm vi và các yếu tố công suất thấp nhưng có sự khác biệt giữa chúng.

LPWAN cung cấp phạm vi kết nối cực kỳ ấn tượng, ví dụ như: LoRa khoảng cách mà nó có thể đạt được tại khu vực nông thôn lên đến 15km, hay với Sigfox khoảng cách của chúng có thể lên tới 1000 km truyền thẳng không có vật cản (Los - Line-of-sight). LPWAN được thiết kế để có tốc độ truyền dữ liệu thấp, sử dụng ít băng thông hơn và chi phí thấp với hiệu quả năng lượng tuyệt vời. Hầu hết các công nghệ LPWAN áp dụng cấu kết nối trực tiếp các thiết bị đầu cuối với Gateway. Trong bối cảnh châu Phi, tiêu chuẩn mở LoRa có vẻ phù hợp hơn, phạm vi triển khai thuận lợi, chi phí thấp, cung cấp khả năng di động, độ mạnh tín hiệu tốt..

LoRa là một công nghệ LPWAN mới được thiết kế chủ yếu dùng cho giao tiếp trên IoT. Mục đích chính của nó là tập trung vào một số tính năng, đặc điểm quan trọng của LPWAN để cải thiện việc sử dụng chúng trên IoT. Các tính năng chính tuổi thọ pin, dung lượng mạng, khoảng cách kết nối và chi phí. Những khía cạnh này rất quan trọng cho việc thiết kế bất kỳ ứng dụng IoT nào đặc biệt khi thiết kế một giải pháp IoT để phòng, chống trộm cắp hay lạc mất gia súc ở các vùng nông thôn châu Phi, thì 2 tính năng quan trọng nhất đó là cần chi phí thấp và phạm vi kết nối lớn. Nguyên lý hoạt động của LoRa sử dụng kỹ thuật điều chế gọi là Chirp Spread Spectrum  một kỹ thuật phổ phổ biến được sử dụng trong quân đội để đạt được kết nối an toàn và ổn định, băng tần làm việc của LoRa từ 430MHz đến 915MHz cho từng khu vực khác nhau trên thế giới.

LoRaWAN là giao thức mạng công suất thấp, khoảng cách kết nối rộng (LPWA) được thiết kế để kết nối không dây “Things” hoạt động bằng pin với Internet trong các mạng khu vực, quốc gia hoặc toàn cầu, và nhắm đến các yêu cầu quan trọng trong IoT. LoRaWAN chịu trách nhiệm quản lý tuổi thọ pin, dung lượng mạng, chất lượng dịch vụ, bảo mật.

Bài viết này đã tìm hiểu về một số công nghệ kết nối trong IoT để ứng dụng việc phòng chống trộm cắp bò trong bối cảnh Châu Phi. Qua 2 mô hình trên, có thể thấy rằng ứng dụng LoRa vào mô hình thứ 2 đang tỏ ra vượt trội hoàn toàn so với các công nghệ truyền thông khác được sử dụng trong IoT như WiFi, BLE, Zigbee trong việc phòng chống trộm cắp bò ở khu vực nông thôn Châu Phi. Mặc dù những năm gần đây BLE và Zigbee đã phát triển để mang lại mức chi phí thấp và tiết kiệm năng lượng nhưng phạm vi của chúng lại khá hạn chế, không phù hợp trong việc phòng chống trộm cắp gia súc khi mà chúng ta cần phải quản lý trên một khu vực rộng lớn. WiFi mặc dù có tốc độ dữ liệu tốt nhưng trong việc phòng chống trộm cắp điều này là không cần thiết, bên cạnh đó Wifi tiêu tốn quá nhiều năng lượng. Các giá trị lý tưởng được đưa ra bởi LoRa cung cấp chi phí thấp, tiêu thụ năng lượng thấp, tầm xa và dung lượng mạng cao.

(Còn nữa)

                                                                             Nguyễn Văn Phong

Tài liệu tham khảo:

[1] Erik Aguirre, Peio Lopez-Iturri, Leyre Azpilicueta, Jos´e Javier Astrain, Jes´us Villadangos, Daniel Santesteban, and Francisco Falcone. 2016. Implementation and Analysis of a Wireless Sensor Network-Based Pet Location Monitoring System for Domestic Scenarios. Sensors 16, 9 (2016), 1384.

[2] Omar Ahumada and J Rene Villalobos. 2009. Application of planning models in the agri-food supply chain: A review. European journal of Operational research 196, 1 (2009), 1-20.

[3] Moussa Drame allafrica. 2016. Afrique de l’Ouest: Sedhiou - Lutte contre le vol de betail en zone transfrontaliere. (Mars 2016).

http://fr.allafrica.com/stories/201603071829.html

[4] DASH7 ALLIANCE. 2016. DASH7 ALLIANCE Protocol 1.0.

(2016). http://www.dash7-alliance.org/why-dash7/.

[5] LoRa Alliance. 2015. Atechnical overview of LoRa and LoRaWAN. Technical Report. 20 pages.

 https://www.lora-alliance.org/portals/0/documents/whitepapers

[6] LoRa Alliance. 2015. LoRa specification. Technical Report.

82 pages. https://www.lora-alliance.org/portals

[7] Lora Alliance. 2015. What is LoRaWAN? (2015). https://www.loraalliance.org/portals/0/documents/whitepapers/LoRaWAN101.pdf.

[8] Lusine H Aramyan, Alfons GJM Oude Lansink, Jack GAJ Van

Der Vorst, and Olaf Van Kooten. 2007. Performance measurement in agri-food supply chains: a case study. Supply Chain

Management: An International Journal 12, 4 (2007), 304{315.

[9] arib info. 2016. Protocole de lutte contre le vol de btail en Afrique de l’Est. (Novembre 2016). https://www.arib.info/index2.php?option=com content&do pdf=1&id=225

[10] A Study on IoT Solutions for Preventing Cattle Rustling in
African Context. Ousmane DIENG, Ousmane THIARE, Babacar DIOP , Congduc PHAM