Những năm gần đây, ứng dụng công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo trong lĩnh vực nông nghiệp đã và đang trở thành xu hướng tất yếu. Các công nghệ Internet of Things (IoT), dữ liệu lớn (Big Data) và trí tuệ nhân tạo (AI) đã tạo nên cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, mở ra những cơ hội và tiềm năng to lớn cho phát triển nông nghiệp. Trong đó, hệ thống cảm biến (sensor) đóng vai trò then chốt, cho phép thu thập dữ liệu thực địa về môi trường và sinh trưởng của cây trồng một cách liên tục, chính xác. Các loại cảm biến phổ biến bao gồm: cảm biến nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng, CO2, EC, pH đất,... Chúng được lắp đặt tại các vườn ươm, nhà màng, nhà kính nhằm theo dõi liên tục điều kiện sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Kết hợp với hệ thống tưới tiêu tự động, bón phân tự động, cảm biến cho phép cung cấp đúng lúc, đủ lượng các yếu tố (nước, phân bón, ánh sáng, nhiệt độ,...) thiết yếu cho sự sinh trưởng tối ưu của cây trồng. Nhờ đó, năng suất và chất lượng nông sản được cải thiện rõ rệt so với phương thức canh tác truyền thống. Đồng thời việc sử dụng tài nguyên như nước, phân bón cũng trở nên tiết kiệm và hiệu quả hơn.
Chính phủ Việt Nam đã và đang có nhiều chính sách khuyến khích ứng dụng công nghệ cao nhằm hiện đại hóa ngành nông nghiệp. Đây chính là cơ hội lớn để các bạn trẻ theo học ngành Nông nghiệp Công nghệ cao tại Khoa Nông Học, Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên để làm việc và cống hiến cho sự phát triển của đất nước.
Cảm biến là thiết bị có khả năng cảm nhận thông tin đo được và biến đổi thành tín hiệu điện hoặc các dạng thông tin cần thiết khác xuất ra theo một quy luật nhất định nhằm đáp ứng yêu cầu truyền, xử lý, lưu trữ, hiển thị, ghi và điều khiển thông tin.
Các loại cảm biến ứng dụng trong nông nghiệp
Cảm biến nhiệt độ và độ ẩm không khí có thể theo dõi sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm không khí trong môi trường trồng trọt nông nghiệp. Phạm vi giám sát nhiệt độ và độ ẩm tương ứng là -40℃~+80℃ và 0%RH~100%RH. Hộp cảm biến được treo trong nhà kính, v.v ... Nơi có bóng mát, lưu thông không khí tốt; Đối với giám sát ngoài tự nhiên, nó có thể được lắp đặt trong tấm chắn bức xạ mặt trời để theo dõi thời tiết ngoài trời.
Hình 1: Cảm biến đo nhiệt độ và ẩm độ không khí
Cảm biến độ ẩm đất là một trong những cảm biến nông nghiệp quan trọng nhất. Độ ẩm của đất quyết định tình trạng cấp nước của cây trồng. Độ ẩm đất quá cao hoặc quá thấp sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của cây trồng trên mặt đất. Chỉ khi độ ẩm của đất thích hợp, sự hấp thụ nước của rễ và sự thoát hơi nước của lá mới có thể đạt đến trạng thái cân bằng, từ đó thúc đẩy sự phát triển của rễ cây trồng. Cảm biến độ ẩm đất đo phần trăm thể tích của độ ẩm đất bằng cách đo hằng số điện môi của đất. Phương pháp kiểm tra độ ẩm của đất đáp ứng các tiêu chuẩn quốc tế hiện hành có thể phản ánh trực tiếp và ổn định độ ẩm thực của các loại đất khác nhau.
Hình 2: Cảm biến đất độ ẩm đất
Hình 3: Cảm biến đo ẩm độ, nhiệt độ, EC và dinh dưỡng N,P,K đất
Hình 4: Thiết bị đo độ căng nước của đất
Hình 5: Cảm biến đo hàm lượng NPK đất
Hình 6: Cảm biến đất nhiều lớp
Duy trì độ pH thích hợp của đất là yêu cầu cơ bản cho sự phát triển bình thường của cây trồng. Khi cảm biến pH đất phát hiện điện cực (cảm biến) tiếp xúc trực tiếp với đất, dòng điện được tạo ra bởi phản ứng oxy hóa khử trong phản ứng hóa học được sử dụng và giá trị hiện tại sẽ truyền dữ liệu của các đơn vị giá trị pH khác nhau tương ứng với ampe kế , được chuyển đổi bởi máy chủ. Kết quả được hiển thị dưới dạng giá trị số; kim thép là một điện cực chống ăn mòn đặc biệt được làm bằng vật liệu hợp kim đặc biệt, có khả năng chống ăn mòn axit và kiềm. Vỏ được làm kín hoàn toàn bằng nhựa epoxy chống cháy màu đen.
Hình 7: Cảm biến đo pH đất
Cảm biến đo cường độ ánh sáng bao gồm ba phần: máy phát, máy thu và mạch phát hiện. Tất cả chúng đều bao gồm các bộ phận điện tử. Nó không bao gồm thời gian làm việc cơ học. Nó có thể nhanh chóng theo dõi cường độ ánh sáng từ 0 đến 200.000 Lux với thời gian phản hồi rất ngắn. Ứng dụng của cảm biến ánh sáng trong trồng trọt nông nghiệp nhà kính có thể giúp người trồng nắm bắt chính xác quy luật thời gian nắng, điểm bão hòa ánh sáng và điểm bù sáng của quá trình sinh trưởng của cây trồng, sau đó điều chỉnh sở thích ánh sáng của mình thông qua công nghệ điều khiển thủ công để kiểm soát và cải thiện Sinh trưởng khoa học của cây trồng để đạt năng suất cao.
Hình 8: Cảm biến đo cường độ ánh sáng
Cây trồng liên tục hấp thụ CO2 trong khí quyển để quang hợp và sử dụng quá trình quang hợp để tạo ra chất dinh dưỡng để duy trì sự phát triển và tăng trưởng của cây trồng. Các nghiên cứu đã phát hiện ra rằng khi nồng độ carbon dioxide trong khí quyển tăng lên, quá trình quang hợp của thực vật sẽ được tăng cường đáng kể. Cảm biến carbon dioxide của Renke sử dụng công nghệ xác minh hồng ngoại mới để đo nồng độ CO2 trong môi trường. Phản ứng nhanh và nhạy, tránh được tuổi thọ và độ trôi lâu dài của các cảm biến điện hóa truyền thống; phạm vi đo mặc định là 0 ~ 5000ppm, với bù nhiệt độ, bị ảnh hưởng bởi ảnh hưởng nhiệt độ bên ngoài là nhỏ.
Hình 9: Cảm biến đo nồng độ khí CO2
Cảm biến nông nghiệp chủ yếu được sử dụng trong giám sát nông nghiệp với hệ thống tích hợp với máy bơm nước và phân bón. Chúng chủ yếu được sử dụng để theo dõi các giá trị độ dẫn điện, pH và nhiệt độ của chất lỏng phân bón sau khi trộn, đồng thời hiển thị và tải lên hệ thống kiểm soát nước và phân bón thông qua màn hình LCD. Chip bộ nhớ tích hợp của cảm biến độ dẫn nông nghiệp và PH nông nghiệp có chức năng lưu trữ, có thể lưu trữ dữ liệu lịch sử tương ứng là 2 ngày và 3 ngày, sử dụng công nghệ chuyển đổi AD và vi xử lý đơn chip có độ chính xác cao và có nhiều chức năng như như thu thập dữ liệu và bù nhiệt độ tự động.
So với nền nông nghiệp hiện đại , nền nông nghiệp truyền thống vốn dựa nhiều vào sức người, sử dụng máy móc nông cụ đơn giản đã dần bộc lộ những nhược điểm. Nông nghiệp hiện đại sử dụng Internet of Things và công nghệ cảm biến để cung cấp dữ liệu tăng trưởng cây trồng chính xác và kịp thời nhằm xây dựng các chương trình trồng trọt khoa học, tiết kiệm lao động, tối ưu hóa giống cây trồng, đồng thời cải thiện chất lượng và năng suất cây trồng.
Tác giả: Phạm Văn Ngọc, Bộ môn KHCT
