Tiết kiệm nước trong nông nghiệp bằng công nghệ không dây

Nước là tài nguyên quan trọng nhất cho cuộc sống của cả con người lẫn mùa màng cho ta sản phầm. Trên thế giới, nông nghiệp chiếm 70% trong việc sử dụng nước ngọt, Phó Giáo sư Abdul Salam ở Đại học Bách khoa Purdue (bang Indiana, Mỹ) viết trong bài đăng trên trang tin khoa học "The Conversation" ngày 11/8.

Ông Salam điều hành Phòng thí nghiệm Công nghệ Mạng Môi trường (ENT) của Đại học Purdue, nơi ông cùng các đồng sự tìm cách đối phó với những thử thách về môi trường và sự bền vững thông qua việc nghiên cứu đa ngành về Interner vạn vật (IoT) trong nông nghiệp.

IoT là một mạng lưới thiết bị có cảm biến để có thể nhận và truyền dữ liệu thông qua Internet, ví dụ như các thiết bị tập thể dục thể chất đeo trên tay, máy điều nhiệt cho nhà thông minh và xe tự động lái.

Trong nông nghiệp, nó bao gồm những công nghệ như giao tiếp không dây dưới đất, cảm biến dưới đất và ăng ten ở trong đất. Những hệ thống này giúp nông dân theo dõi tình trạng đất trong thời gian thực, và cấp nước hoặc các dưỡng chất như phân bón chính xác vào thời điểm và vị trí họ cần.

Cụ thể, việc giám sát tình trạng đất hứa hẹn sẽ giúp nông dân rất nhiều trong việc sử dụng nước hiệu quả hơn.

Những bộ cảm biến nay đã có thể được tích hợp không dây vào các hệ thống thủy lợi để đem lại thông tin theo thời gian thực về độ ẩm của đất. Các nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp này có thể giảm nhu cầu về nước trong tưới tiêu từ 20% đến 72% mà không cản trở hoạt động hằng ngày trên ruộng đồng.

IoT trong nông nghiệp

Kể cả ở những nơi khô hạn như vùng Trung Đông hay Bắc Phi, việc trồng trọt hoàn toàn khả thi khi quản lý nước hiệu quả. Tuy nhiên những hiện tượng thời tiết khắc nghiệt do biến đổi khí hậu gây ra đang khiến điều đó trở nên khó khăn hơn.

Những trận hạn hán lặp đi lặp lại ở miền Tây nước Mỹ trong suốt 20 năm qua, cùng với những thiên tai khác như cháy rừng, đã gây tổn thất hàng tỷ đô cho mùa màng.

Các chuyên gia nước đã đo độ ẩm của đất để đưa ra các quyết định về quản lý nước và thủy lợi hàng thập kỷ nay. Các công nghệ tự động đã thay thế phần lớn các công cụ quản lý độ ẩm đất cầm tay bởi khó có thể lấy được các chỉ số độ ẩm của đất bằng tay ở đồng ruộng tại những nơi xa xôi.

Trong thập kỷ qua, các công nghệ thu hoạch dữ liệu không dây đã bắt đầu cung cấp dữ liệu độ ẩm đất theo thời gian thực, giúp đưa ra các quyết định quản lý nước tốt hơn. Những công nghệ này cũng có thể đem lại những ứng dụng IoT nâng cao trong an toàn công cộng, giám sát cơ sở vật chất đô thị và an toàn thực phẩm.

IoT trong nông nghiệp (Ag-IoT) là một mạng lưới radio, ăng ten và cảm biến thu nhận các thông số theo thời gian thực về đất và vụ mùa. Để tạo điều kiện thu thập dữ liệu, những cảm biến và ăng ten này được kết nối không dây với nhau cùng với các nông cụ.

Ag-IoT là một bộ khung hoàn chỉnh có thể phát hiện các điều kiện đất trồng trọt, đề xuất các phương án phù hợp và gửi lệnh cho thiết bị.

Các thiết bị được kết nối với nhau như các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đất tại đồng khiến việc điều khiển các hệ thống thủy lợi và tiết kiệm nước một cách tự động hoàn toàn khả thi.

Hệ thống này có thể lên lịch tưới tiêu, giám sát các điều kiện môi trường và điều khiển nông cụ, như máy gieo hạt và máy thả phân bón. Những ứng dụng khác bao gồm ước lượng độ dinh dưỡng của đất và xác định côn trùng.

Thử thách trong việc hạ ngầm mạng lưới

Việc thu thập dữ liệu không dây có tiềm năng giúp nông dân sử dụng nước hiệu quả hơn, nhưng hạ ngầm các bộ phận này lại là thử thách. Ví dụ, ở phòng thí nghiệm ENT Purdue, các nhà nghiên cứu phát hiện rằng khi ăng ten truyền dữ liệu cảm biến được chôn dưới đất, các đặc tính hoạt động của chúng bị thay đổi đáng kể theo độ ẩm của đất.

Nông dân sử dụng các thiết bị nặng trên đồng ruộng, nên ăng ten phải được chôn đủ sâu để tránh hư hại. Khi đất bị ẩm, độ ẩm gây ảnh hưởng đến giao tiếp giữa mạng lưới cảm biến và hệ thống điều khiển. Nước ở trong đất hấp thụ năng lượng tín hiệu, làm yếu các tín hiệu do hệ thống gửi đi. Đất đặc hơn cũng ngăn chặn việc truyền tín hiệu. 

Abdul Salam và các đồng nghiệp đã phát triển một mô hình lý thuyết và một loại ăng ten có thể giảm bớt tác động của đất lên giao tiếp dưới lòng đất bằng cách thay đổi tần số hoạt động và băng tần của hệ thống.

Với chiếc ăng ten này, các bộ cảm biến được đặt ở lớp đất phía trên có thể đem lại thông tin theo thời gian thực về tình trạng của đất cho các hệ thống thủy lợi cách đó đến 200 mét - khoảng cách dài hơn 2 sân bóng đá.

Một giải pháp tăng cường giao tiếp không dây trong đất mà họ đã phát triển là việc sử dụng các ăng ten định hướng để tập trung năng lượng tín hiệu vào một hướng nhất định. Các ăng ten có thể hướng năng lượng lên không trung cũng có thể được sử dụng cho giao tiếp không dây dưới đất tầm xa.

Điều tiếp theo cho Ag-IoT là gì?

An ninh mạng đang dần trở nên quan trọng hơn khi Ag-IoT phát triển. Các mạng lưới tại ruộng đồng cần các hệ thống an ninh cao cấp để bảo vệ thông tin mà chúng truyền đi.

Cũng có nhu cầu tìm ra giải pháp giúp các nhà nghiên cứu và các đại lý khuyến nông kết hợp thông tin từ nhiều nông trại. Tập hợp dữ liệu theo cách này sẽ đem lại những quyết định chuẩn xác hơn về các vấn đề như cách sử dụng nước, trong khi vẫn đảm bảo quyền riêng tư cho người trồng.

Những mạng lưới này cũng cần phải thích nghi với những điều kiện hay thay đổi ở địa phương như nhiệt độ, lượng mưa và gió. Những thay đổi theo mùa và chu kỳ phát triển mùa vụ có thể thay đổi tạm thời các điều kiện hoạt động của thiết bị Ag-IoT.

Bằng việc sử dụng điện toán đám mây và máy học, các nhà khoa học có thể giúp Ag-IoT đối phó với những thay đổi trong môi trường quanh nó.

Thiếu mạng Internet tốc độ cao hiện vẫn là một vấn đề ở các cộng đồng nông thôn. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã tích hợp các bộ cảm biến không dây dưới lòng đất với Ag-IoT trong các hệ thống trung tâm tưới tiêu xoay trục, nhưng nông dân nếu không có Internet tốc độ cao không thể lắp đặt công nghệ này được.

Việc tích hợp kết nối mạng bằng vệ tinh với Ag-IoT có thể hỗ trợ các trang trại không được kết nối do không có mạng băng thông rộng. Các nhà nghiên cứu cũng đang phát triển các nền tảng Ag-IoT di động được gắn trên xe và sử dụng thiết bị bay điều khiển từ xa.

Những hệ thống như trên có thể đem lại kết nối liên tục ngay ở đồng ruộng, do đó mang công nghệ số đến với nông dân ở nhiều nơi hơn.