Công nghệ về phần cứng

Giải pháp phần cứng được khuyến nghị áp dụng phụ thuộc vào công nghệ và cách gắn chúng vào động vật. Về mặt giải pháp công nghệ, chúng ta có Radio Frequency Identification (RFID là công nghệ nhận dạng qua tần số vô tuyến), Wireless sensor and actuator network (WSAN là mạng cảm biến và truyền động không dây) và RFID Sensor network (RSN là sự kết hợp của hai loại đầu tiên). Mô tả WSN, RFID.

- Với WSN việc chọn giải pháp phần cứng tập trung vào ba thành phần: các thiết bị đầu cuối, Gateway và mô-đun radio kết nối. Các tiêu chí quan trọng cần cân nhắc cho các thiết bị đầu cuối là kích thước của bộ vi điều khiển, kích thước của mô-đun radio, cách thức để gắn các thiết bị lên động vật và giá thành của chúng. Với những thiết bị để gắn vào động vật, kích thước thiết bị không nên tạo ra cảm giác khó chịu, ức chế cho động vật. Hiện nay đã có một số thiết bị có thể đặt dưới lớp da của động vật (khuyến cáo cũng đưa ra với kích thước thiết bị của các mô-đun radio LoRa thì không thể đặt chúng dưới da của động vật được).

- Với RFID là công nghệ nhận dạng tự động sử dụng sóng điện từ để xác định các vật mang nhãn (hoặc thẻ) khi chúng đi gần bộ dò tín hiệu (hoặc đầu đọc). Một hệ thống RFID cơ bản bao gồm: Một thẻ RFID và 1 đầu đọc RFID. Công nghệ này được sử dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong nhận dạng động vật, thẻ RFID được phân thành ba loại như bảng dưới đây:

Bảng 1: Phân loại thẻ RFID

Phân loại đầu đọc:

+ Cố định đọc: Một đầu đọc cố định có thể được đặt ở một nơi cố định trong trang trai. Thông thường nó dùng để xác định động vật đi vào hoặc đi ra khỏi trang trại. Ví dụ như khi lùa đàn gia súc về chúng ta không cần mất công đếm từng con mà vẫn biết có về đủ số gia súc của mình hay không.

+ Đầu đọc di động: Nông dân có thể tùy ýtheo dõi, xác định tình trạng của gia súc ngay cả khi chúng đang ở trong khu vực chăn thả. Trình đọc di động có thể nhúng màn hình kỹ thuật số để tự động hiển thị kết quả.

Thách thức để thiết kế giải pháp phòng, chống trộm cắp gia súc

Để thiết kế được một hệ thống sử dụng các công nghệ mới xung quanh IoT trong việc phòng, chống trộm cắp gia súc cần phải giải quyết những thách thức dưới đâymột cách chính xác và cẩn thận, một số vấn đề quan trọng nhất được đã xác định như sau:

- Số lượng cảm biến cần được triển khai để quản lý đàn gia súc để tránh trộm cắp cần được xác định dựa trên 2 yếu tố là chi phí và độ phức tạp của hệ thống. Chi phí là một vấn đề rất quan trọng trong bối cảnh nông thôn ở châu Phi (trong đó mỗi trang trại thường có khoảng 100 con gia súc). Thực tế cho thấy, mỗi con bò thường cần một hoặc nhiều thiết bị cảm biến, nếu giảm số lượng cảm biến để giảm chi phí thì rủi ro là điều không thể tránh khỏi. Khía cạnh thứ hai là kỹ thuật, với mỗi đàn gia súc thường đi cùng nhau (kiểu bày đàn), chúng di chuyển mọi lúc theo cách không kiểm soát, sẽ rất khó để tránh và khử nhiễu hay quản lý đường truyền. Vì vậy, khi số lượng gia súc (bò) tăng lên khiến cho số lượng các thiết bị cần được kết nối cũng tăng điều này làm cho vấn đề càng trở lên nghiêm trọng. Để lựa chọn số lượng cảm biến phù hợp, giảm thiểu chi phí và giảm độ phức tạp của việc khử nhiễu. Cần trả lời một loạt các câu hỏi sau đây: Chúng ta sử dụng bao nhiêu cảm biến? Triển khai chúng như thế nào? Lựa chọn số lượng cảm biến theo tiêu trí nào, con vật nào được mang cảm biến? Theo kinh nghiệm của những người nông dân, thông thường một đàn gia súc (bò) có một con đầu đàn để các con bò khác sẽ đi theo nó. Với cấu hình này, việc gắn một cảm biến với con đầu đàn để theo dõi một đàn có thể được xem xét. Việc triển khai như vậy, làm thế nào để phát hiện một hành vi trộm cắp nhắm tới một hoặc nhiều con khác con đầu đàn?

- Diện tích khu chăn thả lớn (rộng lớn): Trong canh tác truyền thống, hệ thống thức ăn cho gia súc chủ yếu dựa vào chế độ chăn thả. Ở khu vực nông thôn, các khu vực chăn thả gần như không bị giới hạn và thường rất rộng lớn, đặc điểm này có thể được giải quyết bằng khả năng bao phủ của các công nghệ. Câu hỏi đặt ra: Vậy trong các công nghệ truyền thông công nghệ nào có thể khắc phục tốt nhất vấn đề này? Nếu muốn đánh bại kẻ trộm, bảo vệ đàn gia súc trong điều kiện này, cần phải có một cơ chế giao tiếp tốt với một phạm vi rộng lớn và linh hoạt.

- Các hành vi để ngăn chặn tốt nhất hành vi trộm cắp gia súc, cần phải có một sự hiểu biết tốt về hành vi của động vật. Trong bối cảnh nông thôn, có một vài nghiên cứu về hành vi của động vật. Hầu hết các nghiên cứu về hành vi động vật được thực hiện trong môi trường hoang dã hoặc trong chăn nuôi công nghiệp. Tuy nhiên, trong canh tác truyền thống, hành vi của động vật phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố môi trường như: khu chăn thả, địa điểm ăn và uống và hành vi của người nông dân (hướng dẫn). Khi hành vi trộm cắp xảy ra, hành vi của bầy đàn có thể thay đổi. Hiểu được hành vi của động vật không những giúp cho những người nông dân có thể dễ dàng trong việc quản lý, tổ chức bầy đàn và đây được coi là một yếu tố bắt buộc để phòng, tránh trộm cắp gia súc.

- Di chuyển theo mùa, người nông dân thường di chuyển từ vùng này sang vùng khác để tìm kiếm các khu vực chăn thả, nơi họ đến phụ thuộc vào mùa. Với cách thức trên, giải pháp IoT có thể giúp họ ngăn chặn trộm cắp. Nếu như ta thiết lập một hệ thống cho một nông dân trong khu vực chăn thả của mình, trong khu vực nhà của mình, chúng ta có thể ngăn chặn hành vi trộm cắp gia súc (với điều kiện gia súc trong khu vực này). Nếu ranh giới của khu vực chăn thả có thể được phân định một cách rõ ràng thì sẽ dễ dàng hơn rất nhiều để ngăn chặn tình trạng ăn cắp gia súc. Vấn đề là làm thế nào để có thể có một giải pháp IoT có thể đi theo nông dân trong mùa và giữa các khu vực chăn thả của họ?

- Tính di động, các con vật được gắn trên mình các cảm biến quản lý gia súc luôn di chuyển, vị trí của chúng thay đổi thường xuyên. Tùy thuộc vào công nghệ truyền thông, cấu trúc liên kết mạng và đường truyền định tuyến phải là động. Việc xem xét tham số này có thể khác nếu chúng ta có một mạng với giao tiếp trực tiếp (thiết bị đầu cuối đến Gateway) như: LoRa hoặc nếu chúng ta có mạng truyền thông Multi-hop (ZigBee).

- Chi phí là một khía cạnh quan trọng đối với bất kỳ giải pháp nào được thiết kế phù hợp trong bối cảnh nông thôn châu Phi. Nói chung khó để thuyết phục người nông dân sử dụng công nghệ trong mô hình chăn nuôi của họ. Vì vậy, trình bày một giải pháp đắt tiền cho họ có thể làm tăng sự hoài nghi của họ đặc biệt là mức thu nhập của họ không phải là cao. Vậy, để giải quyết vấn đế trên, giải pháp chi phí thấp là một giải pháp tốt để nông dân chấp nhận.

Khuyến nghị áp dụng

Giải pháp ứng dụng IoT để ngăn chặn hiện tượng trộm cắp gia súc ở châu Phi đem lại những lợi ích thiết thực và bền vững. Giải pháp này bao gồm các thiết bị LoRa IoT với chi phí thấp, LoRa Gateway với nhiệm vụ tiền xử lý và kết nối với nền tảng IoT cloud.

Hình 1: Mô hình mô tả giải pháp

Mô tả

Giải pháp dựa trên mạng LoRa với một giao tiếp Singlehop, trong đó gia súc (con bò) được coi như các nút chứa các thiết bị đầu cuối để gửi dữ liệu đến một LoRa Gateway. Gateway này có nhiệm vụ gửi thông tin liên quan đến tình hình gia súc (con bò) cho nông dân thông qua một đám mây IoT nếu kết nối internet có sẵn hoặc trực tiếp đến điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng của nông dân thông qua WiFi hoặc Bluetooth nếu không thể truy cập internet. Một vòng cổ được thiết kế tích hợp thiết bị đầu cuối LoRa được cố định (quanh cổ con bò). Chiếc vòng này được xây dựng với một hệ thống đèn hiệu sẽ giúp ngăn chặn mất gia súc bằng cách đưa ra báo động nếu gặp nguy hiểm.

Các thiết bị LoRa IoT chi phí thấp.

Các dòng mô đun Arduino được biết đến để thiết kế các chương trình, ứng dụng với các tính năng đơn giản. Đây là những vấn đề quan trọng cần xem xét trong bối cảnh các quốc gia đang phát triển, kém phát triển.Việc tìm mua các mô đun này rất là dễ dàng, với chi phí thấp, có nhiều loại khác nhau có thể được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng và cách triển khai. Tuy nhiên, Arduino Pro Mini, có kích thước nhỏ gọn và tiêu thụ điện năng thấp, dường như đây là bo mạch được phát triển để cung cấp nền tảng chung cho cảm biến và truyền dẫn tầm xa. Nó có thể được mua với giá ít hơn 2 Euro 1 cái từ các nhà sản xuất Trung Quốc với chất lượng và độ tin cậy chấp nhận được. Bên cạnh đó, tất cả các thư viện lập trình là mã nguồn mở và vì vậy rất dễ dàng và nhanh chóng cho việc thiết kế một chương trình tùy biến. Thông thường trong việc phòng chống trộm cắp gia súc, các thiết bị thường được tích hợp trong những chiếc vòng cổ của con bò để đảm bảo được độ bền.

Thiết kế kiểu vòng cổ

Hầu hết các vòng cổ được thiết kế để quản lý gia súc không phù hợp trong việc phòng, chống trộm cắp gia súc, chúng dễ dàng tháo lắp, kẻ trộm có thể cắt vòng cổ mà người nông dân không biết (không được cảnh báo). Để khắc phục vấn đề này, giải pháp khuyến nghị sẽ được thiết kế để có thể gửi thông báo cho người nông dân khi bị cắt hoặc hỏng vòng cổ. Chiếc vòng cổ sẽ được làm bằng các chất liệu bền bỉ và tích hợp một cảm biến để theo dõi hoạt động của nó. Ở chế độ hoạt động bình thường, ngoài những dữ liệu về gia súc chiếc vòng này còn gửi dữ liệu từ cảm biến trạng thái của vòng một cách liên tục cho Gateway. Vì vậy, khi Gateway không nhận được tín hiệu từ cảm biến trạng thái của vòng có nghĩa chiếc vòng đã bị hỏng hoặc bị phá bỏ.

Các LoRa gateway

Gateway được thiết kế dựa trên Raspberry PI (1B / 1B + / 2B / 3B) ghép nối với bộ truyền nhận dữ liệu bằng LoRa. Hiện nay, có rất nhiều mô-đun LoRa trên thị trường như: Libelium SX1272 LoRa, RFR RFR 92W / 95W, Modtronix inAir9 / 9B và NiceRF SX1276. Tổng chi phí của LoRa Gateway có thể thấp hơn 45 Euro. Với các mô-đun trên 1 cổng có thể gồm nhiều kênh, thuận tiện cho người dùng trong việc mở rộng quy mô giải pháp và đồng thời dự trữ kênh truyền để đề phòng việc mất kênh truyền. Giải pháp này cho thấy lợi thế là tối ưu hơn về mặt chi phí khi triển khai và cung cấp mức dự phòng cao hơn phù hợp với bối cảnh các nước đang phát triển.

Gateway có thể hoạt động mà không cần truy cập Internet.

Trong trường hợp không có kết nối internet, các Gateway cũng có thể xử lý các trường đơn giản, tự động. Gateway có thể được sử dụng như một máy tính khi được gắn bàn phím và màn hình hiển thị hoặc nó cũng có thể tương tác với smartphone, máy tính bảng của người dùng thông qua WiFi, Bluetooth. Đây là giải pháp dành cho các khu vực biệt lập không thể truy cập internet.

Nền tảng IoT cloud

Mặc dù các Gateway có thể chạy ở chế độ độc lập để đưa ra một số thông báo, hành động đơn giản dựa trên lượng dữ liệu thu được. Tuy nhiên, để đạt được hiệu quả cao nhất, khai thác tối đa chất lượng dữ liệu, việc phân tích và xử lý dữ liệu cần được xử lý ở mức cao và phức tạp hơn rất nhiều. Điều này là không thể đối với gateway, để có thể làm được điều này, các gateway sau khi thực hiện việc tiền xử lý sẽ gửi dữ liệu đó đến nền tảng IoT cloud. Đó là nơi thực hiện quá trình phân tích, xử lý dữ liệu ở mức cao, phức tạp hơn rất nhiều so với quá trình phân tích, xử lý ở gateway.

Ví du: Khi thấy xung quanh khu vực chăn thả gia súc (con bò) có xuất hiện các động vật ăn thịt sẽ ngay lập tức đưa ra âm thanh để đuổi chúng đi và gửi thông báo cho người dùng. Tuy nhiên các Gateway thường không thể thống kê lại các hành động như vậy để đưa ra các cảnh báo cho người dùng rằng khu vực này thường xuyên có động vật ăn thịt, hay là các động vật thường xuất hiện ở đây vào thời điểm nào. Để có thể làm được những việc này bắt buộc dữ liệu cần được xử lý, phân tích ở mức cao hơn. Với khả năng xử lý dữ liệu của các Gateway điều này là không thể, chúng ta cần những khối xử lý mạnh mẽ hơn rất nhiều. Và nền tảng IoT cloud là một giải pháp hiệu quả.

Hiện nay, việc triển khai một giải pháp IoT thường rất là nhanh chóng nếu chúng ta lựa chọn một số nền tảng IoT cloud sử dụng giao diện REST API đơn giản. Ví dụ như Firebase, ThingSpeak, freeboard, SensorCloud, GroveStream và FiWare. Một số các nền tảng cho phép lập các tài khoản miễn phí, các ứng dụng giám sát có thể được triển khai chỉ trong vài phút. Ví dụ, một trang trại nhỏ có thể triển khai các cảm biến và Gateway bằng cách sử dụng một tài khoản miễn phí với nền tảng ThingSpeak để thống kê sự xuất hiện của các con vật ăn thịttheo thời gian thực.

Có thể thấy rằng, việc ứng dụng IoT trong phòng chống trộm cắp gia súc (vật nuôi là con bò) là một điều cần thiết để đảm bảo chăn nuôi hiệu quả và bền vững. Theo thời gian, khi các công nghệ ngày càng được cải tiến về mặt kích thước thiết bị, chức năng cũng như giá thành trong việc triển khai ứng dụng trong chăn nuôi sẽ còn phổ biến hơn nhiều so với bây giờ.

Bài nghiên cứu về các giải pháp ứng dụng IoT để ngăn chặn ăn trộm gia súc ở châu Phi đã đưa ra một số các giải pháp cụ thể trong việc ứng dụng IoT để phòng chống trộm cắp, mất gia súc (vật nuôi đề cập trong bài viết là con bò). Việc áp dụng giải pháp trên tại Việt Nam cũng khá phù hợp. Vì chúng ta cũng có một số nơi khó khăn trong việc truy cập Internet, mức thu nhập thấp, người dân cũng chưa biết làm gì để đối phó với nạn trộm cắp gia súc ngoài việc gia cố chuồng trại.

Nguyễn Văn Phong

Tài liệu tham khảo

 A Study on IoT Solutions for Preventing Cattle Rustling in
African Context của Ousmane DIENG, Ousmane THIARE, Babacar DIOP, Congduc PHAM; 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

Và một số nguồn thông tin khác trên Internet: DASH7 ALLIANCE. 2016. DASH7 ALLIANCE Protocol 1.0. (2016). http://www.dash7-alliance.org/why-dash7/; LoRa Alliance. 2015. Atechnical overview of LoRa and LoRaWAN. Technical Report. 20 pages  https://www.lora-alliance.org/portals/0/documents/whitepapers ; LoRa Alliance. 2015. LoRa specification. Technical Report. 82 pages. https://www.lora-alliance.org/portals; Lora Alliance. 2015. What is LoRaWAN? (2015). https://www.loraalliance.org/portals/0/documents/whitepapers/LoRaWAN101.pdf Phân loại hệ thống RFID http://smartid.com.vn/phan-loai-he-thong-rfid.html; https://www.impinj.com/about-rfid/types-of-rfid-systems/