Những thay đổi mang tính cách mạng này đang làm lung lay các phương pháp nông nghiệp hiện có và tạo ra những cơ hội mới cùng một loạt các thách thức. Bài viết này sẽ trình bày những tiềm năng của việc sử dụng cảm biến không dây và IoT trong nông nghiệp cũng như những thách thức dự kiến sẽ phải đối mặt khi tích hợp các công nghệ này với các phương thức canh tác truyền thống.

Tác động của IoT đối với nông nghiệp thông minh

Theo số liệu dự báo, vào năm 2050, dân số thế giới dự kiến sẽ chạm ngưỡng 9.8 tỷ người, tăng khoảng 25% so với con số hiện tại. Xu hướng đô thị hóa sẽ tiếp tục tăng với tốc độ nhanh chóng, khoảng 70% dân số thế giới được dự đoán trở thành dân số thành thị đến năm 2050 (so với hiện nay là 49%). Hơn nữa, mức thu nhập sẽ tăng lên gấp đôi so với hiện tại, điều này thúc đẩy nhu cầu lương thực tăng cao, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Để nuôi sống một lượng dân số thành thị lớn này thì sản lượng lương thực phải tăng gấp đôi vào năm 2050.

Không chỉ đối với lương thực, mà lĩnh vực sản xuất cây trồng cũng trở nên quan trọng không kém đối với ngành công nghiệp. Các loại cây trồng như bông, cao su, đang đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế của nhiều quốc gia. Những nhu cầu này đang làm tăng thêm áp lực đối với các nguồn tài nguyên nông nghiệp vốn đã khan hiếm.

Do những hạn chế về mặt nhiệt độ, khí hậu, địa hình và chất lượng đất không đồng nhất nên khó định lượng sự khác biệt của các loại thực vật; các yếu tố về mô hình đất đai, khí hậu và mật độ dân số tăng nhanh trong quá trình đô thị hóa cũng đặt ra các mối đe dọa đối với sự sẵn có của đất canh tác. Đây là lý do tại sao nông nghiệp thông minh xuất hiện.

Nông nghiệp thông minh là một hệ thống nông nghiệp ứng dụng các công nghệ số để giám sát, điều khiển và chăm sóc cây trồng tự động, giúp tối đa hóa năng suất và chất lượng nông sản.

Theo báo cáo của tổ chức Allied Market Research, Thị trường nông nghiệp thông minh toàn cầu sẽ đạt quy mô 48 tỷ USD vào năm 2025, với mức tăng trưởng trung bình 14,7% /năm.

Hình 1. Động lực chính của công nghệ trong ngành nông nghiệp

IoT là công nghệ đóng vai trò quan trọng và bắt đầu tác động đến nhiều lĩnh vực và ngành công nghiệp, từ sản xuất, y tế, truyền thông, năng lượng cho đến ngành nông nghiệp. IoT bao gồm cơ sở hạ tầng truyền thông cơ bản được sử dụng để kết nối các đối tượng thông minh từ cảm biến, phương tiện, thiết bị di động đến việc thu thập dữ liệu từ xa dựa trên phân tích thông minh, giao tiếp người dùng và cách mạng hóa ngành nông nghiệp.

Bằng cách triển khai các công nghệ cảm biến và IoT trong thực tiễn nông nghiệp đã làm thay đổi mọi khía cạnh của phương pháp canh tác truyền thống. IoT giúp cải thiện các giải pháp về canh tác truyền thống như ứng phó với hạn hán, tối ưu hóa năng suất, tính phù hợp đất đai, tưới tiêu và kiểm soát dịch hại.

Hình 2. Hệ thống phân cấp chung của các ứng dụng, dịch vụ và cảm biến có thể có cho nông nghiệp thông minh

1. Lấy mẫu và bản đồ đất

Đất là “Dạ dày” của thực vật, việc lấy mẫu đất là bước đầu tiên để kiểm tra thông tin thực địa để đưa ra mục đích sử dụng đất ở các giai đoạn khác nhau (như mùa xuân, hạ, thu, đông). Mục tiêu của việc phân tích đất là xác định tình trạng dinh dưỡng của ruộng để thực hiện các biện pháp phù hợp khi phát hiện thấy thiếu dinh dưỡng.

Hiện nay, các nhà sản xuất đã cung cấp một loạt các bộ công cụ và cảm biến có thể hỗ trợ nông dân theo dõi chất lượng đất và dựa trên dữ liệu này để đề xuất các biện pháp khắc phục tình trạng suy thoái đất. Các bộ công cụ này cho phép theo dõi các đặc tính của đất, chẳng hạn như kết cấu, khả năng giữ nước và tỷ lệ hấp thụ để giúp giảm thiểu xói mòn, dày đặc, nhiễm mặn, axit hóa và ô nhiễm bằng cách tránh sử dụng quá nhiều phân bón. Labin-a-Box, một bộ công cụ kiểm tra đất do AgroCares phát triển có thể phân tích tới 100 mẫu mỗi ngày (hơn 22.000 mẫu dinh dưỡng mỗi năm) mà không cần đến bất kỳ phòng thí nghiệm nào.

Hạn hán là mối quan tâm lớn làm hạn chế năng suất cây trồng. Đặc biệt là ở các vùng nông thôn, viễn thám được sử dụng để thu thập dữ liệu về độ ẩm của đất, giúp phân tích tình trạng hạn hán nông nghiệp. Với mục đích này, vệ tinh Độ ẩm của đất và độ mặn của đại dương SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) đã được phóng vào năm 2009 để cung cấp bản đồ độ ẩm của đất sau 1-2 ngày.

2. Thủy lợi

Khoảng 97% nước trên trái đấy là nước mặn được lưu giữ bởi đại dương và biển, chỉ còn 3% còn lại là nước ngọt (2/3 trong số lượng nước ngọt này bị đóng băng dưới sông băng, chỉ có 0.5% lượng nước ngọt chưa đóng băng ở trên mặt đất hoặc trong không khí, phần còn lại nằm dưới lòng đất). Như vậy, con người dựa vào 0.5% lượng nước ngọt này để sử dụng và duy trì hệ sinh thái. Điều đáng nói là chỉ riêng ngành nông nghiệp đã sử dụng đến 70% lượng nước ngọt, ở một số nước còn tăng lên 75%. Theo ước tính của Công ước Liên hợp quốc về chống sa mạc hóa UNCCD (UN Convention to Combat Desertification) năm 2013 cho thấy có 168 quốc gia bị ảnh hưởng bởi sa mạc hóa và đến năm 2030, gần một nửa dân số thế giới sẽ sống ở những khu vực thiếu nước cao. Vì vậy, việc bảo tồn nguồn nước hiện có dựa trên việc sử dụng hệ thống tưới tiêu hiệu quả.

Các phương pháp tưới tiêu truyền thống được sử dụng như nhỏ giọt và tưới phun không đều dẫn đến cây trồng bị thiếu nước, giảm chất dinh dưỡng trong đất, gây ra các bệnh vi sinh. Vì vậy, việc sử dụng các công nghệ kỹ thuật dựa trên IoT như: các cảm biến không dây, hệ thống giám sát và các ứng dụng phần mềm thông minh để thu thập, phân tích, kiểm tra độ ẩm đất và không khí sẽ tối ưu hóa được lượng nước, ước tính chính xác nhu cầu nước của cây trồng và khả năng giữ ẩm của đất tại từng thời điểm trong năm, cải thiện hiệu quả sử dụng nước.

3. Phân bón

Phân bón là một hóa chất tự nhiên cung cấp các chất dinh dưỡng quan trọng cho sự phát triển và khả năng sinh sản của cây trồng. Thực vật chủ yếu cần ba chất dinh dưỡng chính là:

- Nitơ (N) cho sự phát triển của lá;

- Lân (P) cho sự phát triển của rễ, hoa và quả;

- Kali (K) cho sự phát triển của thân cây và sự di chuyển của nước.

Bất kỳ loại chất dinh dưỡng nào hoặc bón phân không đúng cách đều có thể gây hại nghiêm trọng cho sức khỏe cây trồng. Quan trọng hơn, việc sử dụng quá nhiều phân bón không chỉ gây thiệt hại về tài chính mà còn tạo ra các tác động có hại cho đất và môi trường, làm suy giảm chất lượng đất, đầu độc nguồn nước ngầm và góp phần làm biến đổi khí hậu toàn cầu.

Bón phân trong nông nghiệp thông minh giúp ước tính chính xác liều lượng chất dinh dưỡng cần thiết, giảm thiểu tác động tiêu cực đối với môi trường. Bón phân đòi hỏi các phép đo mức độ dinh dưỡng của đất cụ thể dựa trên các yếu tố khác nhau, chẳng hạn như loại cây trồng, loại đất, khả năng hấp thụ của đất, năng suất sản phẩm, loại màu mỡ, tỷ lệ sử dụng và điều kiện thời tiết,... Các phương pháp bón phân dựa trên IoT mới giúp ước tính các mô hình không gian về nhu cầu của chất dinh dưỡng với độ chính xác cao hơn.

Hình 3. Một số đầu vào chính, các quy trình liên quan và đầu ra có thể có của canh tác thông minh

4. Quản lý bệnh cây trồng

Nạn đói lớn, còn được gọi là Nạn đói khoai tây Ailen (Irish Potato Famine), đã làm cho một triệu người Ailen chết vào khoảng năm 1950, do mất mùa và giảm năng suất do bệnh. Thậm chí ngày nay, những người trồng ngô ở Hoa Kỳ và miền nam Canada đang phải đối mặt với thiệt hại kinh tế xấp xỉ một tỷ USD do bệnh cháy lá ngô ở miền Bắc. Tổ chức Nông lương FAO (Food and Agriculture Organization) ước tính rằng 20–40% sản lượng cây trồng toàn cầu bị mất hàng năm do sâu bệnh. Để kiểm soát thiệt hại, thuốc trừ sâu và các hóa chất nông nghiệp khác đã trở thành một thành phần quan trọng của ngành nông nghiệp trong thế kỷ trước. Người ta ước tính rằng, mỗi năm, chỉ riêng ở Hoa Kỳ có khoảng nửa triệu tấn thuốc trừ sâu được sử dụng, trong khi hơn hai triệu tấn được sử dụng trên toàn cầu. Hầu hết các loại thuốc trừ sâu đều có hại cho sức khỏe của con người và động vật, để lại tác động nghiêm trọng, thậm chí không thể phục hồi đối với môi trường, cuối cùng gây ô nhiễm đáng kể cho toàn bộ hệ sinh thái.

Các thiết bị thông minh dựa trên IoT như cảm biến không dây, robot và máy bay không người lái cho phép giảm đáng kể việc sử dụng thuốc trừ sâu bằng cách phát hiện chính xác sâu bệnh của cây trồng. So với quy trình kiểm soát dịch hại dựa trên truyền thống thì quản lý dịch hại dựa trên IoT cung cấp khả năng giám sát, mô hình hóa, dự báo dịch bệnh theo thời gian thực hiệu quả hơn. Các phương pháp tiếp cận nhận dịch bệnh và sâu bệnh tiên tiến dựa trên việc xử lý hình ảnh, trong đó các hình ảnh thô được thu thập bằng cách sử dụng cảm biến hiện trường, máy bay không người lái UAV (Unmanned Aerial Vehicle) hoặc vệ tinh viễn thám. Ví dụ: bẫy tự động dựa trên IoT có thể bắt, đếm và thậm chí xác định đặc điểm của các loại côn trùng, sau đó đẩy dữ liệu về sâu bệnh lên đám mây.

Các phương pháp tiếp cận như phun thuốc chính xác bằng xe và hóa chất VRT tự động được sử dụng theo phương pháp bón phân thông minh, cũng có thể được sử dụng để điều trị bệnh và các ứng dụng thuốc trừ sâu khác. Hơn nữa, sự tiến bộ của công nghệ robot mang đến những giải pháp mới. Khi trang bị cho một robot nông nghiệp với các thiết bị cảm biến đa hình ảnh và vòi phun chính xác, có thể xác định vị trí và phương pháp đối phó các vấn đề dịch hại chính xác hơn dưới sự điều khiển của hệ thống quản lý dịch bệnh IoT từ xa.

5. Theo dõi, dự báo và thu hoạch

Giám sát năng suất là cơ chế được sử dụng để phân tích các khía cạnh khác nhau tương ứng với năng suất nông nghiệp, như lưu lượng khối lượng hạt, độ ẩm và lượng hạt thu hoạch. Giám sát giúp đánh giá chính xác bằng cách ghi lại năng suất cây trồng và độ ẩm để ước tính cây trồng hoạt động tốt như thế nào và những việc gì cần làm tiếp theo. Giám sát năng suất được coi là một phần thiết yếu của canh tác chính xác không chỉ vào thời điểm thu hoạch mà cả chất lượng sản lượng trước đó. Chất lượng sản lượng phụ thuộc vào nhiều yếu tố, ví dụ: thụ phấn đủ chất lượng trong điều kiện môi trường thay đổi.

Dự báo mùa màng là một nghệ thuật để dự đoán năng suất và sản lượng (tấn / ha) trước khi vụ thu hoạch diễn ra. Dự báo này giúp người nông dân lập kế hoạch và ra quyết định về chất lượng sản phẩm để xác định thời điểm thu hoạch thích hợp. Việc giám sát này bao gồm các giai đoạn phát triển khác nhau. Dự đoán đúng thời điểm thu hoạch không chỉ giúp tối đa hóa sản lượng và chất lượng cây trồng mà còn tạo cơ hội điều chỉnh chiến lược quản lý. Để thu được lợi ích từ cây trồng, nông dân cần biết khi nào những cây trồng này được thu hoạch. Hình 4 thể hiện ảnh chụp nhanh của mạng khu vực nông trại (FAN) có thể hiển thị toàn bộ trang trại của người nông dân.

Hình 4. Mạng khu vực trang trại dựa trên IoT FAN (Farm Area Network)

Một bộ theo dõi năng suất, có thể được cài đặt trên bất kỳ tổ hợp máy gặt nào và được liên kết với ứng dụng di động FarmRTX, hiển thị dữ liệu thu hoạch trực tiếp và tự động tải lên nền tảng dựa trên web của nhà sản xuất. Ứng dụng này có khả năng tạo bản đồ năng suất và chia sẻ các bản đồ này với nhà nông học và người nông dân, sau đó được tùy chọn xuất sang phần mềm quản lý trang trại khác để phân tích chúng.

Kết luận

Để tạo ra nền nông nghiệp bền vững, việc sử dụng IoT sẽ là trung tâm hàng đầu trong các hoạt động nông nghiệp. IoT sắp xếp hợp lý cách làm việc từ sử dụng nước và điện, vận chuyển cây trồng, cảnh báo vận hành, bảo trì máy móc nông trại. IoT đã chứng tỏ một bước đột phá và tiếp tục thay đổi cách nhìn vào các hoạt động nông nghiệp khác nhau, trên thế giới ước tính có hơn 75 triệu thiết bị dựa trên IoT sẽ hoạt động trong ngành nông nghiệp vào năm 2020. Trong tương lai, IoT có thể được định hình bởi những tiến bộ vượt bậc trong Mạng cảm biến không dây WSN (Wireless Sensor Network - WSN) và thế hệ thứ 5 của công nghệ thông tin di động (5G) để cung cấp cho nông dân dữ liệu và thông tin theo thời gian thực mọi lúc mọi nơi trên đất của họ.

Từ những lợi ích của việc ứng dụng IoT trong nông nghiệp thông minh chúng ta có thể rút ra kết luận rằng, hiện nay, mỗi inch đất canh tác đều quan trọng để tối đa hóa sản lượng cây trồng. Vì vậy, cần phải tập trung vào các phương pháp trồng trọt thông minh hơn, tốt hơn và hiệu quả hơn để đáp ứng nhu cầu lương thực ngày càng tăng của dân số Việt Nam. Tuy nhiên, để giải quyết từng inch đất canh tác một cách phù hợp thì giờ đây, việc sử dụng các cảm biến và công nghệ truyền thông dựa trên IoT không phải là “một lựa chọn” nữa mà nó là “một điều cần thiết”.

Lê Thị Thùy Trang

Tài liệu tham khảo:

1. Internet-of-Things (IoT) based Smart Agriculture: Towards Making the Fields Talk

file:///C:/Users/TRANG%20CSHTTT/Downloads/Internet-of-Things_IoT-Based_Smart_Agriculture_Tow.pdf