1. Đo lường các thông số cơ bản trong phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng
Theo FAO (Food and Agriculture Organization) và UNEP (United Nations Environment Programme), nông nghiệp xanh liên quan đến việc quản lý thành công các nguồn tài nguyên nông nghiệp và áp dụng nhiều hơn các công nghệ tiên tiến vào trang trại – nông trường nhằm đáp ứng nhu cầu của con người trong khi duy trì hoặc nâng cao chất lượng môi trường và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên, chính xác là cần đạt những tiêu chí như: Duy trì và làm tăng năng suất – lợi nhuận nông nghiệp trong khi đảm bảo việc cung cấp thực phẩm và các dịch vụ hệ sinh thái trên cơ sở bền vững; giảm thiểu các tác động tiêu cực bên ngoài, như đất bị xói mòn, ô nhiễm do chất thải nông nghiệp, và khí thải nhà kính nông nghiệp; tái tạo lại các nguồn tài nguyên sinh thái như màu mỡ của đất, Không khí, nước và đa dạng sinh học bao gồm cả đa dạng thực vật và động vật. Nông nghiệp xanh đem lại kết quả tốt hơn về chất lượng và số lượng sản phẩm tạo ra.
Hiện nay trên thị trường hàng hóa, sản phẩm nông nghiệp xanh được nhận diện với một số chứng chỉ thương hiệu như GAP (Good Agricultural Practices). Ở Việt Nam, sản phẩm nông nghiệp xanh được nhận diện bởi thương hiệu VietGAP (hoạt động sản xuất nông nghiệp tốt ở Việt Nam) – đó là những nguyên tắc, trình tự, thủ tục hướng dẫn tổ chức, cá nhân sản xuất nông nghiệp, thu hoạch, xử lý sau thu hoạch sản phẩm nông nghiệp nhằm đảm bảo an toàn, nâng cao chất lượng sản phẩm, đảm bảo phúc lợi xã hội, sức khỏe người sản xuất và người tiêu dùng; đồng thời bảo vệ môi trường và biết rõ được nguồn gốc sản xuất sản phẩm.
Nông nghiệp xanh thường yêu cầu rất cao trong việc duy trì nhiệt độ và độ ẩm cho môi trường sinh trưởng của cây trồng theo từng loại cây cũng như thời gian sinh trưởng của chúng. Điều đó đòi hỏi người quản lý cần thu thập và theo dõi sát sao các chỉ số sinh trưởng của cây trồng trong từng thời kỳ. Nhờ quá trình giám sát và thu thập số liệu nhiệt độ – độ ẩm, nhà nông có thể theo dõi được độ ẩm của các loại hạt để quyết định thời điểm thu hoạch thích hợp (độ ẩm của hạt phải đạt mức yêu cầu). Biết được độ ẩm của đất, độ ẩm – nhiệt độ của không khí sẽ cho phép người canh tác điều chỉnh hoạt động canh tác của mình một cách phù hợp để đạt được năng suất tối ưu của cây trồng. Như vậy, có thể thấy việc đo lường chỉ số nhiệt độ – độ ẩm là điều đặc biệt quan trọng đối với quá trình phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng. Tuy nhiên một số vấn đề phát sinh liên quan đến việc áp dụng các cảm biến độ ẩm – nhiệt độ vào phát triển nông nghiệp xanh đó là không gian lớn, khoảng cách truyền dữ liệu xa, số lượng cảm biến nhiều. Ngoài ra còn một số khó khăn khác như vấn đề tiêu thụ điện của các cảm biến, sự ăn mòn của cảm biến cũng là các thách thức đặt ra khi thiết kế mạng cảm biến giám sát và thu thập số liệu nhiệt độ – độ ẩm ứng dụng trong ngành nông nghiệp xanh.
2. Hệ thống giám sát nhiệt độ và độ ẩm theo mô hình phát triển nông nghiệp xanh cho cây trồng chính
Các thành phần chính trong hệ thống được chia thành 3 cấp độ: cấp 1 là trung tâm giám sát vận hành; cấp 2 là trạm thu thập dữ liệu cơ sở; cấp 3 bao gồm các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm của không khí, của đất trồng tại nông trường. Tùy theo quy mô diện tích đất canh tác của nông trường và yêu cầu cấp độ giám sát ta có thể triển khai xây dựng hệ thống giám sát và thu thập số liệu phù hợp.
Trung tâm giám sát ở đây gồm đường mạng tốc độ cao kết nối đến các trạm thu thập dữ liệu cơ sở; máy chủ với hệ cơ sở dữ liệu lưu trữ thông tin hệ thống; máy tính giám sát vận hành với các màn hình theo dõi quan sát tình trạng môi trường sinh trưởng của cây trồng, đồng thời đưa ra các cảnh báo để nhà nông điều chỉnh phương pháp canh tác phù hợp nhất. Tùy vào nhu cầu của người dùng, trung tâm giám sát cũng có thể cho phép người quản lý từ xa truy cập vào cơ sở dữ liệu hệ thống qua mạng Wi-Fi (phạm vi hoạt động tối đa là 100m), GSM/GPRS (phạm vi không giới hạn) khi được trang bị phần cứng tương ứng.
Trạm thu thập dữ liệu cơ sở, có thể hiểu là trạm tổng cùng với các cảm biến đo tạo thành mạng cảm biến với cấu hình sao (star). Cấu trúc mạng cảm biến không dây hình sao khá phù hợp với diện tích giám sát không quá rộng, số lượng điểm đo không quá lớn. Khi diện tích rộng, điểm đo lớn ta có thể sử cấu trúc mạng cảm biến không dây hình cây (tree) hoặc hình lưới (mesh). Trạm thu thập dữ liệu được cấu tạo từ các module chính sau: module điều khiển xử lý thu thập dữ liệu; module truyền thông tốc độ cao để truyền dữ liệu về trung tâm; module truyền thông không dây theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc Wi-Fi để nhận dữ liệu nhiệt độ – độ ẩm từ các cảm biến truyền về. Tùy vào thiết kế được chọn, trạm thu thập dữ liệu dựa trên mạng Wi-Fi, GSM/GPRS cho phép cấu hình để người quản lý có thể truy cập xem dữ liệu gốc từ cảm biến đo gửi về.
 |
| Hình 2. Cấu trúc hệ thống giám sát nhiệt độ – độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng |
Cấp độ 3 là các cảm biến đo tại hiện trường, bài báo này chỉ tập trung vào các cảm biến đo nhiệt độ và độ ẩm của đất trồng, không khí môi trường sinh trưởng của cây trồng. Dựa vào nhu cầu sử dụng, các thiết bị đo nhiệt độ – độ ẩm ngoài đầu đo cơ sở, sẽ được tích hợp kèm theo module khuếch đại – xử lý – chuyển đổi tín hiệu đo, màn hình hiển thị, bộ nhớ, module điều khiển, module nguồn và mudle truyền thông theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc Wi-Fi. Dựa trên công nghệ truyền thông không dây tương ứng giữa cảm biến đo và trạm cơ sở các dữ liệu đo sẽ trao đổi với nhau.
3. Thiết kế nút mạng cảm biến không dây đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường sinh trưởng của cây trồng Độ ẩm không khí và độ ẩm của đất là hai yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến sinh trưởng và phát triển của cây trồng, cây trồng sẽ khó phát triển tốt trong môi trường có độ ẩm quá cao hoặc quá thấp, do đó việc kiểm soát độ ẩm theo từng chu kỳ sinh trưởng của cây là vô cùng cần thiết. Hơn nữa khí hậu vùng miền ảnh hưởng nhiều đến lượng mưa, đây là nguyên nhân làm tăng độ ẩm không khí, khiến cây dễ mắc bệnh và giảm năng suất. Việc kiểm tra độ ẩm hàng ngày, giúp chủ đầu tư có thể tự điều chỉnh phương thức canh tác sao cho phù hợp với điều kiện khí hậu, giúp cây sinh trưởng ổn định hơn.
3.1. Cấu trúc cơ bản của nút mạng cảm biến không dây
Trong mạng cảm biến không dây, các nút mạng chính là các cảm biến thông minh. Cảm biến thông minh là sự tích hợp dựa trên cảm biến cơ bản, được mô tả như hình 3. Cảm biến thông minh gồm các thành phần sau: cảm biến cơ bản (ở đây là đầu đo nhiệt độ, độ ẩm), module khuếch đại – xử lý – chuyển đổi tín hiệu đo (ví dụ bộ chuyển đổi A/D), màn hình hiển thị, bộ nhớ, module điều khiển, module nguồn và mudle truyền thông theo chuẩn mạng GSM/GPRS hoặc Wi-Fi. Tùy theo yêu cầu người dùng mà số lượng các thành phần cấu thành lên thiết bị đo thông minh có thể giảm đi, từ đó giảm được giá thành thiết bị. Các nút mạng cảm biến không dây phụ thuộc mạnh mẽ vào nguồn điện cung cấp cho nó. Vì vậy cần thực hiện bổ sung nguồn năng lượng và/hoặc thực hiện tối ưu hóa việc tiêu thụ nguồn điện cho mỗi cảm biến thông minh được thiết kế. Nhờ giải pháp kết hợp giữa đặc tính của đầu đo cơ bản với bộ vi xử lý để làm giảm thời gian tiền xử lý giá trị đo nên đã làm giảm mức tiêu thụ điện tổng thể.
 |
| Hình 3. Cấu trúc cơ bản của nút mạng cảm biến không dây |
Ngày nay một số cảm biến cơ bản đo nhiệt độ có thể sử dụng để chế tạo thiết bị đo nhiệt độ thông minh như là IC đo nhiệt độ: LM 134, LM235, LM335 cho đầu ra 10mV/oK; LM 35 cho đầu ra 10mV/oC, LM 34 cho đầu ra 10mV/oF
 |
| Hình 4. Sơ đồ nối dây cảm biến IC đo nhiệt độ cơ bản |
Một số cảm biến cơ bản đo độ ẩm có thể kể đến như Honeywell HCH 1000, Humirel S110x [3].
 |
| Hình 5. Hình ảnh IC đo độ ẩm cơ bản |
Ngoài ra trên thị trường cũng có một số loại IC tích hợp đo đồng thời cả nhiệt độ và độ ẩm, như Texas Instruments HDC1000, Silicon Labs Si701x/2x.
Nghiên cứu thiết kế mạng cảm biến không dây trên cơ sở sử dụng cảm biến cơ bản nhiệt độ và độ ẩm nhằm xây dựng hệ thống giám sát thu thập số liệu môi trường sinh trưởng của cây trồng đã được trình bày trong bài báo này. Mỗi nút mạng cảm biến không dây được coi là một trạm đo nhiệt độ – độ ẩm thông minh, từ đó tiến hành thiết kế trạm đo này. Trạm đo thông minh này được tích hợp chip điều khiển, có khả năng xử lý sơ bộ thông tin đo, hiển thị số liệu đo tại hiện trường và thực hiện truyền thông không dây các số liệu đo đến trạm thu thập dữ liệu cơ sở. Điều này tạo tiền đề quan trọng cho việc xây dựng hệ thống giám sát và thu thập số liệu môi trường sinh trưởng của cây trồng, góp phần quan trọng trong việc ứng dụng công nghệ hiện đại vào phát triển bền vững nông nghiệp, là giai đoạn quan trọng tiến tới phát triển nông nghiệp xanh trên diện rộng cho đông đảo nhà nông.
Tuy nhiên việc áp dụng vào nông nghiệp nước nhà cần phải trải qua từng giai đoạn, triển khai theo từng phần để phù hợp với mức đầu tư và việc nắm bắt công nghệ của nhà nông.
Ý kiến bạn đọc