Nông nghiệp công nghệ cao có thể tiết kiệm đến 70% lượng nước sử dụng trong nông nghiệp

Internet vạn vật (IoT) là mạng lưới hệ thống các thiết bị tính toán, máy móc cơ khí và kỹ thuật số được trang bị cảm biến để truyền nhận dữ liệu qua Internet, ví dụ bộ điều nhiệt gia đình thông minh hay ô tô tự lái v.v. 

Trong nông nghiệp, IoT bao gồm các công nghệ như thông tin liên lạc ngầm không dây, cảm biến dưới bề mặt và ăng-ten trong lòng đất. Những hệ thống này giúp nông dân có thể theo dõi điều kiện của đất trong thời gian thực, đồng thời sử dụng chính xác lượng nước và các yếu tố khác như phân bón vào đúng thời điểm và địa điểm cần thiết.

Theo Business News, việc theo dõi điều kiện đất hứa hẹn sẽ giúp nông dân sử dụng nước hiệu quả hơn. Giờ đây, các cảm biến có thể được tích hợp không dây vào các hệ thống tưới tiêu nhằm cung cấp thông tin cho nông dân về độ ẩm của đất theo thời gian thực. Các nghiên cứu cũng cho thấy chiến lược này sẽ giảm nhu cầu tưới tiêu nước từ 20% - 72% mà không cản trở sự phát triển của cây trồng trên các cánh đồng. 

IOT NÔNG NGHIỆP (AG–IOT) LÀ GÌ? 

Quản lý nước hiệu quả giúp cho việc canh tác có thể thực hiện ngay cả ở những nơi khô cằn như Trung Đông và Bắc Phi, khi mà tình trạng thời tiết khắc nghiệt do biến đổi khí hậu đang gây ra nhiều gây khó khăn cho những khu vực đó. Hạn hán, cháy rừng và các thảm họa thiên tai khác liên tục tái diễn đã gây thiệt hại hàng tỷ đô la cho mùa màng ở miền Tây Hoa Kỳ trong 20 năm qua.

Phải mất đến nhiều thập kỷ để các chuyên gia hàng đầu về nước tại Hoa Kỳ đo độ ẩm của đất và đưa ra những quyết định quản lý tưới tiêu tối ưu trong trồng trọt. Theo đó, các kỹ thuật thiết bị thủ công rất khó để kiểm tra độ ẩm của đất tại các khu vực sản xuất xa xôi. Vì vậy, giải pháp thay thế: công nghệ không dây sẽ cung cấp dữ liệu hữu ích về độ ẩm của đất, cho phép những người nông dân đưa ra các quyết định quản lý nước hiệu quả hơn. Trên thực tế, IoT cũng có thể ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như an toàn công cộng, giám sát cơ sở hạ tầng đô thị,v.v.

Để tạo thuận lợi cho việc thu thập dữ liệu, các cảm biến và ăng-ten trong IoT sẽ liên kết thông qua mạng lưới internet với các thiết bị nông nghiệp. Ag-IoT là một khung phần mềm hoàn chỉnh có thể phát hiện các điều kiện thực của đất đồng thời đề xuất các hành động và giải pháp để đáp ứng và gửi lệnh đến máy móc nông nghiệp.

Nhìn chung, các thiết bị cảm biến độ ẩm và nhiệt độ của đất tại môi trường thực tế đã giúp người dân điều khiển hiệu quả hệ thống tưới tiêu và tiết kiệm nước một cách tự động. Hệ thống có thể lên lịch trình tưới tiêu, theo dõi các điều kiện môi trường và điều khiển các máy móc trong nông nghiệp, chẳng hạn như máy gieo hạt và máy bón phân. Các ứng dụng khác bao gồm ước tính mức độ dinh dưỡng của đất và xác định sâu bệnh.

THÁCH THỨC CỦA IOT NÔNG NGHIỆP

Theo các chuyên gia, thu thập dữ liệu không dây giúp nông dân sử dụng nước hiệu quả hơn, nhưng ăng-ten truyền dữ liệu cảm biến nếu bị chôn trong đất, các đặc tính hoạt động của chúng cũng thay đổi đáng kể tùy thuộc vào độ ẩm xung quanh.

Thông thường, nông dân sẽ sử dụng thiết bị nặng trên đồng ruộng, vì vậy ăng-ten phải được chôn đủ sâu để tránh bị hư hại. Khi đất trở nên ẩm ướt, độ ẩm sẽ ảnh hưởng đến đường truyền giữa mạng cảm biến và hệ thống điều khiển. Vì nước trong đất có thể hấp thụ năng lượng tín hiệu, điều này sẽ làm suy yếu tín hiệu do hệ thống gửi đi, ngoài ra đất bị nén cũng là nguyên nhân khiến đường truyền tín hiệu bị chặn.

Để giải quyết vấn đề này, các chuyên gia tại Purdue ENT đã phát triển một mô hình lý thuyết và một ăng-ten giúp giảm thiểu ảnh hưởng của đất với thông tin của đường truyền bằng cách thay đổi tần số hoạt động và băng thông hệ thống. Với ăng-ten này, các cảm biến được nhúng trong các lớp đất trên cùng có thể cung cấp thông tin về tình trạng đất theo thời gian thực cho các hệ thống tưới tiêu cách xa tới 200 m. 

Một giải pháp khác mà họ cũng đã phát triển để cải thiện giao tiếp không dây trong đất là sử dụng ăng ten định hướng cho phép ăng ten tăng hiệu suất và giảm nhiễu từ các nguồn xung quanh để tập trung năng lượng tín hiệu theo hướng mong muốn. 

Ngoài ra, để cải thiện chất lượng thông tin liên lạc vô tuyến, họ cũng sử dụng công nghệ SDR (software-defined radio), công nghệ này cho phép người nông dân điều chỉnh tần số hoạt động để đáp ứng với những thay đổi về độ ẩm của đất. 

NHỮNG GỢI MỞ TRONG TƯƠNG LAI 

Theo Business News, an ninh mạng sẽ ngày càng trở nên quan trọng khi Ag-IoT ngày một phát triển. Các trang trại đang yêu cầu một hệ thống bảo mật tiên tiến hơn nhằm bảo vệ thông tin nội bộ mà các thiết bị của họ truyền tải. 

Bên cạnh đó, cũng cần có những giải pháp cho phép các nhà nghiên cứu và đại lý khuyến nông hợp nhất thông tin từ nhiều trang trại. Thu thập dữ liệu theo cách này sẽ đưa đến các quyết định chính xác hơn về các vấn đề như sử dụng nước. 

Ngoài ra, mạng lưới IoT cũng cần liên tục cải tiến để thích ứng với các điều kiện tự nhiên của địa phương, chẳng hạn như nhiệt độ, lượng mưa và gió. Những biến đổi theo mùa và chu kỳ sinh trưởng của cây trồng có thể dẫn tới những thay đổi trong hoạt động của thiết bị Ag-IoT. Sử dụng điện toán đám mây và máy học, các nhà khoa học có thể giúp Ag-IoT thích ứng với những thay đổi của môi trường xung quanh.

Cuối cùng, việc thiếu Internet tốc độ cao vẫn là một bài toán nan giải ở nhiều khu vực nông thôn. Mặc dù các nhà nghiên cứu đã tích hợp các cảm biến ngầm không dây với Ag-IoT vào các hệ thống tưới tiêu trung tâm, nhưng do thiếu internet tốc độ cao, nông dân vẫn không thể cài đặt công nghệ đó.

Hiện nay, các nhà nghiên cứu cũng đang phát triển các nền tảng Ag-IoT di động. Những hệ thống như vậy có thể cung cấp khả năng truyền tải liên tục những dữ liệu trên đồng ruộng, giúp nông dân dễ dàng theo dõi tình hình trang trại dù ở bất cứ đâu.