Công nghệ cảm biến đã phát triển nhanh chóng và hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử tiêu dùng. Tuy nhiên, việc ứng dụng chúng trong nông nghiệp vẫn còn khá chậm. Ngay cả trong ngành làm vườn nhà kính hiện đại, thường chỉ có một hộp cảm biến cho mỗi 1.000 m2 để đo các thông số môi trường như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ CO2 và bức xạ.
Việc áp dụng mạng lưới dày đặc các cảm biến và bộ truyền động trong nông nghiệp có thể cải thiện đáng kể năng suất, tăng khả năng phục hồi trước biến đổi khí hậu, đồng thời giảm phát thải và sử dụng tài nguyên thiên nhiên. Các mạng cảm biến này, được gọi là Internet thực vật (IoP), đóng vai trò như mắt, mũi và xúc giác của người nông dân, với khả năng đo các thông số mà con người không thể phát hiện.
Một mạng cảm biến IoP hiệu quả cần có khả năng cảm nhận nhiều thông số môi trường khác nhau và theo dõi sinh lý thực vật với độ phân giải không gian và thời gian cao. Bằng cách tích hợp mạng lưới IoP với các hệ thống kiểm soát khí hậu, tưới tiêu và dinh dưỡng, nông dân có thể nhận được thông tin chi tiết, khuyến nghị khả thi và thậm chí quản lý cây trồng một cách tự động.
Để mạng IoP được áp dụng rộng rãi, chúng cần có chi phí thấp, dễ triển khai, mạnh mẽ và hiệu quả. Tuy nhiên, việc chứng minh hiệu quả của chúng tốn nhiều thời gian và gặp khó khăn, điều này giải thích cho tốc độ áp dụng chậm.
Nhận thức các thông số môi trường
Sự phát triển của thực vật chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ môi trường, và thông tin chính xác với độ phân giải cao về các thông số môi trường là cần thiết để dự đoán và quản lý sản xuất sinh khối. Các cảm biến khí tượng đo áp suất không khí, nhiệt độ, bức xạ và độ ẩm có giá thành rẻ (khoảng 1 Euro/
mỗi cảm biến) nhờ được tích hợp vào thiết bị di động.
Cảm biến khí để đo nồng độ CO2 và các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi đang ngày càng trở nên phổ biến, với giá cao hơn một chút (khoảng 10 Euro/ cảm biến), chủ yếu được sử dụng để kiểm soát khí hậu trong nhà. Để đánh giá tốc độ luồng không khí trong lớp thảm thực vật, có thể sử dụng máy đo gió với giá thành hợp lý. Tương tự, môi trường phát triển rễ có thể được đánh giá thông qua cảm biến độ ẩm đất sử dụng công nghệ điện, trọng lực và vi sóng.
Các kỹ thuật dẫn điện và quang học cũng cung cấp thông tin chi tiết về độ pH của đất và thành phần ion. Mặc dù có nhiều công nghệ cảm biến khác nhau đáp ứng nhu cầu của mạng lưới cảm biến thực vật, việc đảm bảo hoạt động đáng tin cậy trong khi giữ chi phí ở mức thấp vẫn là một thách thức.
Cảm biến sinh lý thực vật
Những tiến bộ trong cảm biến sức khỏe con người, như đồng hồ thông minh đo các dấu hiệu sinh tồn, đã thúc đẩy lối sống lành mạnh. Tương tự, các cảm biến sinh lý thực vật mới nổi trong nông nghiệp có tiềm năng cách mạng hóa sản xuất cây trồng. Khi được phát triển và triển khai đầy đủ, các cảm biến này có thể cung cấp thông tin theo thời gian thực về phản ứng của cây trồng với môi trường, phát hiện các yếu tố gây căng thẳng ảnh hưởng đến sự phát triển.
Hiện nay, một số cảm biến theo dõi cây trồng bao gồm thiết bị đo trọng lượng, cảm biến dòng nhựa cây để đánh giá quá trình thoát hơi nước, cảm biến đường kính thân cây, máy ảnh đa quang phổ và thiết bị phân tích huỳnh quang diệp lục. Các cảm biến điện sinh lý và siêu âm cũng đang xuất hiện để đánh giá sức khỏe thực vật và phát hiện các căng thẳng sinh học cũng như phi sinh học.
Mũi điện tử có khả năng phát hiện bệnh tật, côn trùng gây hại và hóa chất bảo vệ thực vật, góp phần tăng cường an ninh lương thực. Điều này đặc biệt quan trọng khi các hiện tượng thời tiết khắc nghiệt do biến đổi khí hậu có thể làm gia tăng sâu bệnh trong nông nghiệp.
Mạng cảm biến không dây
Đạt được độ phân giải không gian cao là rất quan trọng để thể hiện chính xác các điều kiện khác nhau trên toàn bộ thực địa. Để hiện thực hóa mạng lưới cảm biến dày đặc, tính dễ lắp đặt và vận hành là yếu tố then chốt. Trong điều kiện lý tưởng, các mô-đun cảm biến có thể hoạt động tự động và giao tiếp không dây, sử dụng thiết bị điện tử công suất thấp và năng lượng từ pin. Các mô-đun thu năng lượng có thể tận dụng năng lượng mặt trời hoặc các phương pháp tiên tiến dựa trên năng lượng điện hóa từ thực vật.
Mạng IoP có thể sử dụng công nghệ truyền thông và ăng-ten thiết kế cho các ứng dụng IoT, đồng thời tận dụng cây trồng như một phần của ăng-ten. Việc lắp đặt các mô-đun cảm biến trên đồng ruộng mà không làm gián đoạn hoạt động nông nghiệp thông thường là một thách thức. Các giải pháp khả thi bao gồm lắp đặt trụ chuyên dụng gần cây trồng, gắn mô-đun cảm biến trực tiếp vào cây, hoặc phát triển các mô-đun cảm biến phân hủy sinh học có thể thải bỏ sau thu hoạch. Hiện tại, môi trường nhà kính hoặc trang trại thẳng đứng cung cấp điều kiện thuận lợi nhất để triển khai các mạng cảm biến như vậy.
Một cách tiếp cận mới nổi khác là sử dụng robot di động hoặc máy bay không người lái trang bị cảm biến để theo dõi cây trồng. Cách tiếp cận này cần ít cảm biến hơn, giúp giảm chi phí lắp đặt. Tuy nhiên, phương pháp này có thể không phù hợp với các cảm biến yêu cầu lắp trực tiếp trên cây, như máy đo lưu lượng nhựa cây, và có thể làm giảm độ phân giải thời gian của dữ liệu do tần suất lấy mẫu thấp.
Tính khả thi của IoP
Việc phát triển một mạng lưới để liên tục đo lường nhiều thông số liên quan đến môi trường và thực vật là một thách thức lớn. Một khó khăn đáng chú ý khác là sử dụng thông tin này một cách hiệu quả để tăng năng suất cây trồng. Để giải quyết vấn đề này, cần tăng cường sự hợp tác giữa các nhà khoa học thực vật, nông dân, kỹ sư điện và chuyên gia cảm biến. Các dự án như 4TU Plantenna nên được khuyến khích để thúc đẩy sự hợp tác này.
Do sự phức tạp trong tương tác giữa kiểu gen và môi trường, việc dự đoán chính xác mối quan hệ giữa các thông số môi trường và sự phát triển của thực vật là một thách thức. Vì vậy, cần có những nghiên cứu toàn diện sử dụng mạng cảm biến dày đặc, nhằm xác định giá trị dự đoán của nhiều loại cảm biến khác nhau. Điều này cho phép các nhà công nghệ cảm biến tập trung vào việc phát triển các cảm biến nông nghiệp hữu ích nhất.
Một vấn đề phức tạp khác là làm thế nào để sử dụng dữ liệu cảm biến IoP để tối ưu hóa điều kiện trồng trọt và tối đa hóa năng suất một cách bền vững về mặt kinh tế và môi trường. Vấn đề này có thể được giải quyết thông qua nghiên cứu IoP liên quan đến phát triển các mô hình tăng trưởng thực vật tiên tiến, bao gồm cả việc sử dụng các phương pháp học máy. Câu trả lời cho những câu hỏi này sẽ phụ thuộc vào sinh lý thực vật, chi phí và loại cảm biến, cũng như các thông số kiểm soát giúp tối ưu hóa điều kiện phát triển.
Triển vọng
Trong những thập kỷ tới, chúng ta hy vọng sẽ chứng kiến sự triển khai dần dần của nhiều mạng lưới IoP khác nhau trong nông nghiệp. Công nghệ cảm biến sẽ trải qua quá trình trưởng thành và thử nghiệm kỹ lưỡng, trong đó các cảm biến nông nghiệp cung cấp dữ liệu có giá trị nhất sẽ tồn tại và phát triển. Kiến thức và công nghệ sẽ tiếp tục phát triển, đòi hỏi sự tích hợp của nhiều cảm biến và chiến lược kiểm soát để thu thập dữ liệu thực vật chính xác ở độ phân giải tối ưu cho năng suất cây trồng.
Cuối cùng, những tiến bộ này sẽ dẫn đến các giải pháp cảm biến nông nghiệp phù hợp với nhu cầu của người dùng. Những nỗ lực chung này sẽ làm tăng đáng kể việc sử dụng cảm biến trong nông nghiệp, đảm bảo sản xuất lương thực đáng tin cậy và bền vững trong thế kỷ 21 và cả sau đó.
