1.3.1. Ứng dụng của Cơng nghệ thơng tin
Việc áp dụng Cơng nghệ thơng tin vào trong nơng nghiệp giúp kiểm sốt mơi trường tăng trưởng, cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng; từ đĩ giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Khơng những vậy việc áp dụng Cơng nghệ thơng tin cịn giúp cải thiện chất lượng đất, khả năng chịu đựng thiên tai, điều này cĩ ý nghĩa quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển nền nơng nghiệp bền vững.
Những ứng dụng của cơng nghệ thơng tin như ứng dụng của máy tính, mạng máy tính, IOT, cơng nghệ giám sát hình ảnh, cơng nghệ truyền thơng khơng dây, tất cả được tích hợp lại để tạo lên hệ thống nơng nghiệp thơng minh hỗ trợ người nơng dân quản lý, giám sát, nhận cảnh báo và điều khiển từ xa. Điển hình cho việc áp dụng này là Isarel và Nhật Bản, các quốc gia này đã tạo nên một nền nơng nghiệp xanh sử dụng cơng nghệ cao.
Hình 1. 1: Điều khiển hệ thống tưới tiêu bằng thiết bị thơng minh [7]
Một ví dụ cho điều này tại Isarel, chỉ với một chiếc điện thoại thơng minh hay máy tính bảng cĩ kết nối mạng, với sự hỗ trợ của hệ thống và các phần mềm điều khiển từ xa, người nơng dân cĩ thể biết được vườn cây nào cần bĩn phân gì, số lượng bao nhiêu, diện tích nào cần tuới nước và tưới bao nhiêu là đủ. Với các dữ liệu đĩ, máy tính sẽ cho nơng dân biết cần phải điều chỉnh chỉ tiêu nào và những hoạt động đĩ đều được điều khiển thơng qua các thiết bị thơng minh. Chính những điều này đã giúp Isarel trở thành “thung lũng Silicon” của thế giới trong lĩnh vực nơng nghiệp. Chỉ 2,5% dân số làm nơng nghiệp nhưng Isarel là nước xuất khẩu nơng sản hàng đầu thế giới khoảng trên 3 tỷ USD. Trong khi đĩ quốc gia này cĩ tới 2/3 diện tích lãnh thổ là sa mạc. Hầu hết các khâu từ canh tác đến thu hoạch, bảo quản, tiêu thụ hiện nay tại Isarel đều được áp dụng Cơng nghệ thơng tin. [7]
Tổng thể của một hệ thống sẽ bao gồm: lớp nhận thức thơng tin, lớp vận chuyển thơng tin và lớp ứng dụng thơng tin như hình:
Hình 1. 2: Tổng thể một hệ thống
Lớp nhận thức thơng tin ở tầng thấp nhất, lớp này cĩ 2 nhiệm vụ chính là: thu thập và truyền dữ liệu điều này cĩ nghĩa tại lớp này thơng tin về mơi trường và cây trồng sẽ được thu thập dựa theo các cảm biến, máy ảnh tại hiện trường sau đĩ dữ liệu sẽ được truyền đến các lớp tiếp theo bằng cơng nghệ truyền dẫn khơng dây; cĩ dây nhưng ở khoảng cách ngắn hoặc 1 vài phương thức truyền thơng khác. Các lệnh điều khiển từ lớp phía trên đến lớp nhận thức thơng tin sẽ đi qua cổng vào, điều khiển từ xa bằng các thiết bị điều khiển khác nhau.
Lớp vận chuyển thơng tin kết nối cổng vào của các thiết bị ở lớp nhận thức thơng tin bằng kết nối Internet như 2G, 3G, 4G,… và một số kết nối khơng dây khác nhằm đạt được hiệu quả, đáng tin cậy, thuận tiện, giá rẻ và truyền dữ liệu an tồn. Sau đĩ dữ liệu sẽ được chuyển tới lớp ứng dụng thơng tin đồng thời chuyển thơng tin điều khiển trở lại lớp nhận thức thơng tin nếu cĩ.
Lớp ứng dụng thơng tin là phần quan trọng của hệ thống này. Tại đây dữ liệu nhận được từ lớp vận chuyển thơng tin đưa đến sẽ được xử lý, điều khiển và quản lý một cách thơng minh. Điều này giúp người nơng dân cĩ thể hướng đến một hệ thơng nơng nghiệp tự động, đưa ra các quyết định chính xác hơn trong quá trình sản xuất.
Việc ứng dụng cơng nghệ thơng tin là điều kiện tiên quyết để quản lý hiệu quả tất cả các quy trình, nĩ chính là chìa khĩa cho chính phủ trong việc nắm bắt tình hình nơng nghiệp của đất nước, xác định được bao nhiêu trong số cây trồng đĩ là cần thiết, sản lượng tại các khu vực và hợp tác xã nơng nghiệp như thế nào và sau đĩ mới quyết định loại và khối lượng tối ưu để phát triển.
1.3.2. Ứng dụng của Điện tử - Viễn thơng
Trong nơng nghiệp thơng minh, vai trị cùa ngành Điện tử viễn thơng vơ cùng quan trọng trong việc xây dựng và phát triển một hệ thống. Một số đặc điểm sẽ được liệt kê trong phần dưới:
a. Đối với ngành Điện tử
Hệ thống phần cứng được coi là nền tảng của việc quản lý trong nơng nghiệp thơng minh, việc lựa chọn và thiết kết sẽ dựa theo một số nguyên tắc:
- Khả năng thực thi, sự thích ứng với nhu cầu đo lường và quản lý các trang trại, cĩ độ tin cậy và khả năng hoạt động cao.
- Khả năng phát triển của hệ thống trong điều kiện hiện tại và tương lai. - Chi phí thực hiện cần phải được tính tốn để cân đối trong mức cho phép
của người nơng dân.
Một số ứng dụng của hệ thống cĩ thể áp dụng được là:
- Thu thập dữ liệu với các địa hình khác nhau, hệ thống mạng khơng dây cĩ thể giám sát tưới tiêu
Hệ thống thu thập dữ liệu trong lĩnh vực nơng nghiệp chủ yếu thơng qua các cảm biến khác khau được triển khai tại các hiện trường cần giám sát. Hệ thống sẽ tiến hành giám sát thời gian thực và xử lý kỹ thuật số trong đất, nhiệt độ mơi trường trong quá trình sinh trưởng của cây trồng; độ ẩm đất, khơng khí, nhiệt độ của đồng ruộng; độ ẩm khơng khí, bức xạ mặt trời, giĩ, hướng giĩ và các yếu tố khí tượng khác đồng thời hệ thống cũng
xác định xu hướng phát triển của cây trồng, các dữ liệu đĩ sẽ được tập trung và truyền tải qua các cổng khơng dây đến các nền tảng quản lý. Hệ thống giám sát thủy lợi chủ yếu bao gồm giám sát lưu lượng, kiểm sốt cổng và hệ thống giám sát video. Các thiết bị này được lắp đặt phân tán trong trang trại, được kết nối bởi mạng khơng dây và truyền tải thơng tin giám sát khác nhau cho nền tảng quản lý qua cổng khơng dây và cổng giao tiếp. Với việc thu thập phân tán các loại dữ liệu khác nhau và thiết bị giám sát cĩ thể đáp ứng tốt hơn các chỉ số tăng trưởng thực vật về mơi trường và chất dinh dưỡng một cách kịp thời, chính xác, thời gian thực. Từ đĩ dữ liệu được xử lý, phân tích theo sự phát triển của cây trồng để đưa ra những biện pháp phịng chống thiên tai hoặc sâu bệnh giúp tăng năng suất và hiệu quả quản lý.
- Hệ thống giám sát các cổng và trạm dữ liệu
Hệ thống giám sát cổng và trạm dữ liệu gồm cĩ hệ thống điều khiển tự động, hệ thống giám sát cổng dữ liệu và giám sát video. Các hệ thống này được thiết lập để thu thập dữ liệu từ nhiều nguồn và điều khiển hoạt động của các bộ chấp hành điều này cĩ nghĩa các loại thơng tin được vận chuyển đến nơi quản lý thơng qua mạng truyền dẫn và hệ thống cĩ thể nhận ra sự giám sát từ xa của trạm bơm và cổng.
b. Đối với ngành Viễn thơng
Theo dự báo đến năm 2020, khả năng khai thác thị trường cho các dịch vụ viễn thơng trong nơng nghiệp sẽ vào khoảng 12,9 tỷ USD, giá trị này sẽ đến từ việc hội nhập, hợp tác và tiếp thị chuyên ngành, các dịch vụ giá trị gia tăng.
Một số ứng dụng chính của viễn thơng trong nơng nghiệp thơng minh là: - Cơng nghệ truyền thơng khơng dây
Cơng nghệ truyền thơng khơng dây cĩ rất nhiều ứng dụng trong nơng nghiệp. Việc sử dụng cơng nghệ truyền thơng khơng dây giúp cho các hệ thống giám sát bằng cảm biến, giám sát video đơn giản hơn trong mạch kín; việc sử dụng cũng giúp loại bỏ sự cần thiết của việc lắp đặt hệ thống cáp đồng trục; tăng diện tích vùng quản lý và cĩ thể quản lý được những nơi con người khĩ cĩ thể tiếp cận.
Hình 1. 3: Hệ thống trang trại được kết nối bằng sĩng vơ tuyến [7]
- Hệ thống định vị tồn cầu GPS
Trong nơng nghiệp, việc sử dụng hệ thống định vị tồn cầu GPS mang lại nhiều lợi ích to lớn, nĩ giúp kết nối các vị trí địa lý, lập bản đồ và khảo sát vị trí. Trong những năm qua các thiết bị GPS đã cĩ giá thành ngày càng giảm điều này giúp cho việc tiếp cận và sử dụng nĩ trong dân sự càng dễ dàng và phổ biến hơn. Việc sử dụng GPS, người nơng dân cĩ thể tạo ra bản đồ số hĩa đơn giản nhưng rất chính xác mà khơng cần sự giúp đỡ của một người vẽ bản đồ chuyên nghiệp.
Một ví dụ cho việc sử dụng này là tại Kenya, để ngăn chặn những con voi lang thang đi vào các trang trại và phá hủy những loại cây quý giá, người ta đã gắn lên con voi một thiết bị gửi tin nhắn văn bản. Khi nĩ đi qua một hàng rào địa lý dựa vào cơng nghệ SMS và GPS, các nhà quản lý cĩ thể đưa ra các cảnh báo cho trang trại gần đĩ.
- Hệ thống thơng tin địa lý
Hệ thống thơng tin địa lý GIS được sử dụng rộng rãi trong nơng nghiệp đặc biệt trong canh tác chính xác. Đất được ánh xạ kỹ thuật số và các dữ liệu trắc địa được thích hợp như địa hình, đường nét địa lý được kết hợp với các dữ liệu thống kê khác để phân tích đất dễ dàng hơn. Với việc sử dụng hệ thống thơng tin địa lý GIS giúp người nơng dân dễ dàng hơn trong việc quyết định trồng loại cây gì và vị trí nào bằng cách sử dụng dữ liệu lịch sử và lấy mẫu.
Một ví dụ cho hệ thống này là hệ thống vắt sữa tự động, hệ thống này được điều khiển bằng máy tính giúp vắt sữa bị mà khơng cần sự lao động của con người. Việc tự động hĩa hồn tồn quá trình vắt sữa được kiểm sốt bởi một robot nơng nghiệp, một phần mềm quản lý và các máy tính chuyên dụng. Quá trình này giúp người nơng dân tiết kiệm thời gian để cĩ thêm thời gian giám sát nơng trại và đàn bị. Nơng dân cĩ thể cải thiện quản lý đàn bị bằng cách sử dụng dữ liệu thu thập bởi máy tính. Bằng cách phân tích ảnh hưởng của các loại thức ăn chăn nuơi khác nhau đến năng suất sữa người nơng dân cĩ thể điều chỉnh cho phù hợp để cĩ thể cĩ được sản lượng sữa tối ưu. Vì dữ liệu cĩ sẵn cho từng cấp độ nên mỗi con bị cĩ thể được theo dõi và kiểm tra và người nơng dân cĩ thể được cảnh báo khi cĩ những thay đổi bất thường như bệnh tật hoặc thương tích.
- Cơng nghệ RFID
Với cơng nghệ này, mỗi gia súc được gắn thẻ với việc sử dụng cơng nghệ RFID để xác định dễ dàng hơn, cung cấp quyền truy cập vào dữ liệu cĩ liên quan như: tên người chăm sĩc, nguồn gốc vật nuơi, giới tính và ngày xuất chuồng. Với việc theo dõi này sẽ giúp những người tiêu dùng và các cơ quan quản lý cĩ thể theo dõi được nguồn gốc và các thơng tin về thực phẩm.
1.3.3. Ứng dụng của Tự động hĩa
Việc áp dụng cơng nghệ cao vào trong nơng nghiệp ngày càng trở lên phổ biến hơn giúp con người tăng sản lượng nơng sản thu được, giảm sức lao động. Trong đĩ Tự động hĩa cĩ vai trị cực kỳ quan trọng trong việc tạo nên sự thay đổi lớn này. Quay trở lại với ví dụ vắt sữa bị, thay vì người nơng dân phải thực hiện cơng việc vất vả này các robot sẽ giúp họ một cách hiệu quả, nhanh chĩng và chính xác hơn. Điều này giúp nâng cao hiệu quả và sự thoải mái cho động vật, cơng nghệ tự động cĩ thể làm việc suốt ngày đêm giúp nâng cao sản lượng.
Hình 1. 4: Máy thu hoạch nho tự động [7]
Một số ứng dụng của Tự động hĩa đã và đang được áp dụng trong nơng nghiệp là:
Các hệ thống máy mĩc khơng người lái
Hình 1. 5: Máy cày khơng người lái [7]
Một số sản phẩm của cơng nghệ này là máy bay, máy cày khơng người lái. Với máy bay hoặc các phương tiện bay khơng người lái cĩ thể được sử dụng để chụp ảnh và khảo sát cây trồng, vật nuơi và đất đai. So với cách thức thực hiện bằng chụp ảnh về tinh cĩ thể mất tới 14 ngày. Máy bay khơng người lái mở ra khả năng khảo sát cây trồng bất cứ lúc nào ví dụ khi phát hiện sự phá hoại của sâu bệnh,… Khi vấn đề được xác định máy bay khơng người lái cĩ thể giúp con người thực hiện các hoạt động phun thuốc. Người nơng dân cĩ thể sử dụng máy bay khơng người lái
hồng ngoại để theo dõi sự sinh trưởng của cây trồng để điều chỉnh lượng nước phù hợp giúp tối ưu hĩa nguồn cung cấp nước. Kết hợp với các cảm biến cùng trí tuệ nhân tạo cho phép người nơng dân tự động hĩa các nhiệm vụ như loại bỏ cỏ dại,…
Cịn với các thiết bị máy cày, máy kéo khơng người lái, người nơng dân cĩ thể chỉ cần ngồi một chỗ mà cĩ thể điều khiển đồng thời nhiều loại máy mĩc và cơng cụ khác nhau. Khi đĩ một lượng lớn cơng việc sẽ đồng thời được giải quyết. Các máy mĩc nay trong một số trường hợp cịn mang lại hiệu quả và tính chính xác hơn so với loại máy cĩ người lái thơng thường.
Việc áp dụng các thiết bị khơng người lái khơng chỉ mang lại hiệu quả và tính chính xác cao. Nĩ cịn giúp người nơng dân tăng thời gian lao động của mình lên vì khi về già họ vẫn cĩ thể dễ dàng điều khiển máy mĩc thay cho họ làm việc trên đồng ruộng.
Cơng nghệ tưới nhỏ giọt
Cơng nghệ này là phát minh mang tính đột phá của Isarel giúp giải quyết bài tốn về tưới tiêu trong điều kiện khơ hạn. Theo đĩ, hệ thống dẫn tưới được tính tốn kỹ lưỡng với tốc độ chảy chậm, nhỏ giọt và cân bằng giúp cây phát triển nhanh và đồng đều. Một ví dụ điển hình như hệ thống tưới nhỏ giọt mang tên Tipa sau khi áp dụng ở Senegal đã giúp cho các nhà nơng Senegal thu hoạch 3 vụ/năm thay vì một vụ như trước đây, kể cả trên những vùng đất khơ cằn. [7]
Nhờ cơng nghệ này rất nhiều quốc gia đã gia tăng năng suất hay phát triển được nhiều loại hinh kinh tế nơng nghiệp hiệu quả hơn. Hệ thống tưới nhỏ giọt hiện đã được phổ cập nhanh chĩng tại nhiều nước trên thế giới. Các mẫu mới nhất cịn cĩ khả năng tự làm sạch, duy trì tốc độ tưới khơng phụ thuộc vào chất lượng nước và áp suất khí hậu,… [2]
Robot các loại
Hình 1. 7: Hệ thống robot trang trại [2]
Trong nơng nghiệp các sản phẩm robot rất đa dạng một số ví dụ như robot vắt sữa, robot gieo hạt, tưới nước, cào đất, nhổ cỏ,…Những loại robot này cĩ thể làm việc khơng biết mệt mỏi trong nhiều điều kiện về địa hình và khí hậu. Khi sử dụng các loại robot này năng suất được tăng lên nhiều lần so với con người.
1.4. Kết luận chương
Phần đầu của chương 1 đã giới thiệu về mơ hình cơ bản hệ thống nơng nghiệp thơng minh trên thế giới, những ứng dụng của khoa học kỹ thuật vào lĩnh vực này. Phần 2 của chương đi sâu hơn về những ứng dụng cụ thể của một số ngành nhất định là Cơng nghệ thơng tin, Điện tử viễn thơng, Tự động hĩa trong nơng nghiệp thơng minh. Từ đĩ cho thấy áp dụng khoa học kỹ thuật và sản xuất nơng nghiệp cĩ ý nghĩa vơ cùng quan trọng giúp người nơng dân cĩ thể quản lý, chăm sĩc tốt hơn những diện tích canh tác. Đồng thời thấy được tầm quan trọng của việc xây dựng một hệ thống giám sát tham số mơi trường để ứng dụng vào nơng nghiệp thơng minh.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG HỆ THỐNG GIÁM SÁT