Thách thức cho ngành nông nghiệp công nghệ cao
Trên trái đất hiện có hơn 7.5 tỷ người sinh sống, và con số đó vẫn đang tăng lên, với dự đoán của Liên Hợp Quốc rằng nó sẽ đạt 9,7 tỷ vào năm 2050. Với dân số như này sẽ mang đến rất nhiều thách thức cho ngành nông nghiệp công nghệ cao. Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc dự đoán rằng chúng ta cần phải tăng 70% sản lượng lương thực trên toàn thế giới trong vài thập kỷ tới để có thể nuôi sống dân số vào năm 2050.
Tăng cường sản xuất nông nghiệp đến mức đó không phải là mục tiêu dễ dàng, nhưng các kỹ sư và nông dân ngày nay đang hợp tác để tạo ra một giải pháp công nghệ cao, hay còn gọi là nông nghiệp chính xác và trang trại thông minh.
Nông nghiệp là ngành sản xuất lâu đời nhất của con người, và nó chắc chắn không xa lạ gì với sự thay đổi công nghệ. Các cuộc cách mạng công nghiệp của thế kỷ 19 và 20 đã thay thế các công cụ cầm tay và máy cày kéo ngựa bằng động cơ xăng và phân bón hóa học.
Hiện nay, chúng ta đang tiếp tục chứng kiến một sự thay đổi cơ bản khác trong nông nghiệp nhờ một cuộc cách mạng công nghiệp mới, cuộc cách mạng vè công nghệ, hay còn gọi là Công nghiệp 4.0.
Nông nghiệp công nghệ cao là gì?
Nông nghiệp công nghệ cao hay nông nghiệp thông minh và nông nghiệp chính xác liên quan đến việc tích hợp các công nghệ tiên tiến vào các công đoạn canh tác hiện có để tăng hiệu quả sản xuất và chất lượng nông sản. Điều đó cũng giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho nông dân bằng cách giảm lao động nặng nhọc và các công việc tẻ nhạt.
Một cánh đồng, trang trại sẽ trông như thế nào sau 50 đến 100 năm nữa? Đây là câu hỏi được đặt ra bởi nhiều nhà khoa học trên thế giới. Chúng ta phải giải quyết vấn đề tăng dân số, biến đổi khí hậu và cả vấn đề về lao động, và điều đó cần có sự hỗ trợ rất nhiều từ công nghệ.
Mọi khía cạnh của nông nghiệp đều có thể hưởng lợi từ những tiến bộ công nghệ, từ việc trồng và tưới nước đến chăm sóc cây trồng cũng như thu hoạch. Hầu hết các công nghệ nông nghiệp hiện tại và sắp được ứng dụng đều thuộc ba loại dự kiến sẽ trở thành trụ cột của nông nghiệp thông minh: robot tự động, máy bay không người lái hoặc UAV, cuối cùng là cảm biến và Internet of Things (IoT).
Làm thế nào những công nghệ này đã thay đổi ngành nông nghiệp, và tương lai chúng sẽ tiếp tục thay đổi ra sao?
Lao động tự động và Robot
Thay thế lao động của con người bằng các lực lượng tự động hóa là một xu hướng phát triển trên nhiều ngành công nghiệp và nông nghiệp cũng không ngoại lệ. Hầu hết các lĩnh của nông nghiệp đều cần nhiều lao động, với các nhiệm vụ lặp đi lặp lại và tiêu chuẩn hóa. Đó chính là một môi trường lý tưởng cho robot và tự động hóa.
Chúng tôi đã thấy các robot nông nghiệp, hoặc AgBots, bắt đầu xuất hiện trên các trang trại và thực hiện các nhiệm vụ từ trồng và tưới nước, đến thu hoạch và phân loại. Cuối cùng, làn sóng thiết bị thông minh mới này sẽ giúp sản xuất thực phẩm chất lượng cao hơn và tiết kiệm nhân lực hơn.
Máy kéo không người lái
Máy kéo là trái tim của một trang trại, được sử dụng cho nhiều nhiệm vụ khác nhau tùy thuộc vào loại trang trại. Khi các công nghệ lái xe tự động tiến bộ, máy kéo dự kiến sẽ trở thành các máy móc được chuyển đổi sớm nhất.
Trong giai đoạn đầu, vẫn cần có con người để thiết lập bản đồ cánh đồng và các ranh giới, lập trình các đường dẫn tốt nhất bằng phần mềm lập kế hoạch đường đi và quyết định các điều kiện hoạt động khác. Con người vẫn sẽ cần thiết trong các công việc sửa chữa và bảo trì thường xuyên.
Tuy nhiên, máy kéo tự động sẽ trở nên có khả năng tự vận hành hơn theo thời gian, đặc biệt khi có thêm camera và hệ thống thị giác máy, GPS để điều hướng, kết nối IoT để cho phép giám sát và vận hành từ xa, cũng như radar và LiDAR để phát hiện và tránh chướng ngại vật. Tất cả những tiến bộ công nghệ này sẽ làm giảm đáng kể nhu cầu cần có mặt con người để chủ động kiểm soát các máy này.
Theo CNH Industrial, một công ty chuyên về thiết bị nông nghiệp và đã giới thiệu khái niệm máy kéo tự hành vào năm 2016. Trong tương lai, những máy kéo này sẽ có thể sử dụng ‘dữ liệu lớn’ như thông tin vệ tinh thời tiết thời gian thực để tự động tối ưu các hoạt động sản xuất, không phụ thuộc vào sự điều khiển từ con người và có thể hoạt động bất kể thời gian nào trong ngày.
Gieo hạt và trồng trọt
Gieo hạt đã từng là một quá trình thủ công tốn nhiều công sức. Nông nghiệp hiện đại đã cải thiện điều đó với máy gieo hạt, có thể bao phủ mặt đất nhanh hơn nhiều so với con người. Tuy nhiên, những hệ thống này thường sử dụng một phương pháp phân tán, do đó sẽ không chính xác và lãng phí khi hạt giống nằm ngoài vị trí tối ưu. Việc gieo hạt hiệu quả đòi hỏi phải kiểm soát hai biến số: gieo hạt ở độ sâu chính xác và khoảng cách thích hợp giữa các cây để cây có thể tăng trưởng tối ưu về sau.
Thiết bị gieo hạt chính xác được thiết kế để tối đa hóa các biến này sau mỗi lần thực hiện. Việc kết hợp dữ liệu địa lý và dữ liệu cảm biến chi tiết chất lượng đất, mật độ, độ ẩm và mức độ dinh dưỡng sẽ đưa ra nhiều phỏng đoán trong quá trình gieo hạt. Hạt giống có cơ hội tốt nhất để nảy mầm và phát triển và cây trồng tổng thể sẽ có một vụ thu hoạch lớn hơn.
Trong tương lai, các nhà gieo hạt chính xác sẽ kết hợp với máy kéo tự hành và hệ thống hỗ trợ IoT cung cấp thông tin cho người nông dân. Toàn bộ cánh đồng sẽ hoạt động theo cách này, chỉ với một người duy nhất theo dõi quá trình qua các dữ liệu video hoặc bảng điều khiển kỹ thuật số trên máy tính hoặc máy tính bảng, trong khi các hệ thống máy móc đang làm việc ngoài cánh đồng.
Tưới tiêu tự động hóa
Tưới nhỏ giọt dưới bề mặt (SDI) đã là một phương pháp tưới phổ biến cho phép nông dân kiểm soát thời gian và lượng nước mà cây trồng của họ nhận được. Bằng cách ghép nối các hệ thống SDI này với các cảm biến hỗ trợ IoT ngày càng tinh vi để liên tục theo dõi độ ẩm và sức khỏe cây trồng, nông dân chỉ can thiệp khi cần thiết, nếu không, hệ thống sẽ vận hành tự động.
Ví dụ về hệ thống SDI cho nông nghiệp. Mặc dù các hệ thống hiện tại thường yêu cầu người nông dân tự kiểm tra đường dây và giám sát máy bơm, bộ lọc và máy đo, các trang trại trong tương lai có thể kết nối tất cả các thiết bị này với các cảm biến truyền dữ liệu giám sát trực tiếp vào máy tính hoặc điện thoại thông minh.
Trong khi các hệ thống SDI không có robot chính xác, chúng có thể hoạt động hoàn toàn tự động trong bối cảnh trang trại thông minh, dựa vào dữ liệu từ các cảm biến được triển khai xung quanh các cánh đồng để thực hiện tưới tiêu khi cần thiết.
Làm cỏ và chăm sóc mùa màng
Làm cỏ và kiểm soát dịch hại là hai vấn đề quan trọng trong chăm sóc mùa màng, và nó rất tiềm năng để ứng dụng robot tự động. Có rất nhiều mẫu robot đã được phát triển, và nó là một phần của sáng kiến trong nhiều công trình nghiên cứu về chủ đề nông trại thông minh hay nông nghiệp công nghệ cao.
Robot Bonirob có kích thước bằng một chiếc ô tô và có thể điều hướng tự động thông qua một cánh đồng hoa màu bằng cách sử dụng video, LiDAR và GPS vệ tinh. Các nhà phát triển của nó đang sử dụng máy học để dạy Bonirob để xác định cỏ dại trước khi loại bỏ chúng. Với việc học máy tiên tiến, hoặc thậm chí trí thông minh nhân tạo (AI) sẽ được tích hợp trong tương lai, các máy như thế này hoàn toàn có thể thay thế nhu cầu của con người để tự làm cỏ hoặc theo dõi cây trồng.
Nguyên mẫu UC Davis hoạt động hơi khác một chút. Hệ thống trồng trọt được kéo phía sau máy kéo và được trang bị hệ thống hình ảnh có thể xác định thuốc nhuộm huỳnh quang mà hạt giống được phủ khi trồng, và chuyển đến cây non khi chúng mọc lên và bắt đầu phát triển. Và các loại cỏ dại không phát sáng sẽ bị cắt tự động.
Trong khi những ví dụ này là robot được thiết kế để làm cỏ, được trang bị cảm biến, máy ảnh và máy phun để xác định sâu bệnh và ứng dụng thuốc trừ sâu.
Những robot này và những hệ thống khác sẽ không hoạt động riêng rẽ trong các trang trại của tương lai. Chúng sẽ được kết nối với máy kéo tự hành và IoT, cho phép toàn bộ hoạt động được tự động hóa cao.
Thu hoạch mùa màng, cây trồng
Thu hoạch phụ thuộc vào việc biết thời điểm cây trồng đã sẵn sàng. Cần xác định các yếu tố thời tiết và hoàn thành việc thu hoạch trong một khoảng thời gian định sẵn. Có rất nhiều loại máy móc hiện đang được sử dụng để thu hoạch cây trồng, nhiều loại trong số đó sẽ phù hợp cho tự động hóa trong tương lai.
Máy gặt đập liên hợp truyền thống, thức ăn gia súc và đặc sản có thể ngay lập tức được hưởng lợi từ công nghệ máy kéo tự hành. Thêm vào công nghệ tinh vi hơn với các cảm biến và kết nối IoT, và các máy có thể tự động bắt đầu thu hoạch ngay khi điều kiện lý tưởng, giải phóng người nông dân cho các nhiệm vụ khác.
Phát triển công nghệ có khả năng thu hoạch tinh tế, như hái trái cây hoặc rau như cà chua, là nơi các trang trại công nghệ cao sẽ thực sự tỏa sáng. Các kỹ sư đang làm việc để tạo ra các thành phần robot phù hợp cho các nhiệm vụ phức tạp này, chẳng hạn như robot hái cà chua của Panasonic, kết hợp các máy ảnh và thuật toán tinh vi để xác định màu sắc, hình dạng và vị trí của cà chua để xác định độ chín của nó.
Robot này hái cà chua tại vị trí thân cây để tránh quả bị dập nát, nhưng các kỹ sư khác đang cố gắng thiết kế các bộ phận đầu robot có khả năng kẹp nhẹ trái cây và rau quả đủ chặt để thu hoạch mà vẫn đảm bảo không bị hư hại, dập nát.
Một nguyên mẫu khác để hái trái cây là robot hái táo chạy bằng chân không của Abitable Robotics, sử dụng mắt thần để xác định vị trí táo trên cây và xác định xem chúng đã sẵn sàng để thu hoạch chưa.
Đây chỉ là một vài trong số hàng chục thiết kế robot sắp ra mắt và sẽ sớm tiếp quản công việc thu hoạch. Một lần nữa, với xương sống của một hệ thống IoT mạnh mẽ, những khối này có thể liên tục tuần tra trên các cánh đồng, kiểm tra bằng cảm biến của chúng và thu hoạch cây trồng chín khi thích hợp.
Giảm lao động, tăng năng suất và hiệu quả công việc
Khái niệm cốt lõi của việc kết hợp robot tự hành vào nông nghiệp vẫn là mục tiêu giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công, đồng thời tăng hiệu quả, năng suất và chất lượng sản phẩm.
Không giống như tổ tiên của mình, dành phần lớn thời gian vào các hoạt động nặng nhọc, những người nông dân trong tương lai sẽ dành thời gian để thực hiện các nhiệm vụ như sửa chữa máy móc, gỡ lỗi hoạt động cho robot, phân tích dữ liệu và lập kế hoạch vận hành trang trại.
Như đã lưu ý với tất cả các AgBots này, việc có một bộ cảm biến và IoT mạnh mẽ được tích hợp trong cơ sở hạ tầng nông trại là điều cần thiết. Chìa khóa cho một trang trại thông minh thực sự phụ thuộc vào khả năng của tất cả các máy móc và cảm biến có thể giao tiếp với nhau và với người nông dân, ngay cả khi chúng hoạt động tự chủ.
Máy bay không người lái để chụp ảnh và phân tích cây trồng
Trước đây nông dân nào muốn có một cái nhìn từ trên không toàn bộ cánh đồng thì cần phải thuê một máy bay trực thăng hoặc phi công máy bay nhỏ để bay phía trên cánh đồng và chụp ảnh trên không. Ngày nay máy bay không người lái được trang bị máy ảnh giờ đây có thể tạo ra những hình ảnh chi tiết, sắc nét với chi phí thấp.
Ngoài ra, những tiến bộ trong công nghệ hình ảnh có nghĩa là bạn không còn bị giới hạn trong phổ ánh sáng nhìn thấy được hay chụp ảnh tĩnh. Hệ thống máy ảnh có sẵn trải rộng từ hình ảnh chụp ảnh tiêu chuẩn, đến hình ảnh hồng ngoại, tia cực tím và thậm chí là siêu âm. Các máy ảnh này cũng có thể quay video với độ phân giải cao.
Tất cả các loại hình ảnh khác nhau này cho phép nông dân thu thập dữ liệu chi tiết hơn bao giờ hết, tăng cường khả năng giám sát sức khỏe cây trồng, đánh giá chất lượng đất và lập kế hoạch địa điểm trồng để tối ưu hóa tài nguyên và sử dụng đất. Việc có thể thường xuyên thực hiện các khảo sát thực địa này giúp cải thiện việc lập kế hoạch cho các mô hình gieo hạt, tưới tiêu và lập bản đồ vị trí ở cả 2D và 3D. Với tất cả dữ liệu này, nông dân có thể tối ưu hóa mọi khía cạnh của quản lý đất đai và cây trồng.
Trồng từ trên không
Máy bay không người lái đang được chế tạo và thử nghiệm để sử dụng trong gieo hạt và trồng trọt để thay thế nhu cầu lao động thủ công. Một số công ty và nhà nghiên cứu đang nghiên cứu máy bay không người lái có thể sử dụng khí nén để bắn viên nang chứa hạt giống, phân bón và chất dinh dưỡng trực tiếp xuống mặt đất.
DroneSeed và BioCarbon là hai công ty như vậy, cả hai đều đang phát triển máy bay không người lái có thể mang mô-đun bắn hạt giống xuống đất tại các vị trí tối ưu. Mặc dù hiện tại được thiết kế cho các dự án trồng lại rừng, nhưng không khó để tưởng tượng rằng các mô-đun có thể được cấu hình lại để phù hợp với các hạt giống nông nghiệp khác nhau. Với IoT và phần mềm cho hoạt động tự hành, một đội máy bay không người lái có thể hoàn thành việc trồng cực kỳ chính xác vào điều kiện lý tưởng cho sự tăng trưởng của từng loại cây trồng, giúp cây trồng tăng trưởng nhanh hơn và năng suất cao hơn.
Máy bay phun thuốc bảo vệ thực vật
Bên cạnh máy bay gieo hạt, máy bay phun thuốc đã được phát triển hoàn thiện và sẵn sàng cho các ứng dụng phun thuốc, mang lại cơ hội tự động hóa một nhiệm vụ đặc biệt và đòi hỏi nhiều lao động. Sử dụng kết hợp GPS, đo laser và định vị siêu âm, máy bay không người lái có thể dễ dàng điều chỉnh độ cao và vị trí, điều chỉnh các biến số như tốc độ gió, địa hình và địa lý. Điều này cho phép máy bay không người lái thực hiện các nhiệm vụ phun thuốc hiệu quả hơn, với độ chính xác cao hơn và ít ảnh hưởng đến môi trường.
Ví dụ, DJI cung cấp một máy bay không người lái tên là Agras MG-1P được thiết kế dành riêng cho việc phun thuốc trong nông nghiệp, với dung tích bình chứa 10 lít thuốc trừ sâu dạng lỏng, thuốc diệt cỏ hoặc phân bón. Mẫu máy bay này có thể hoàn thành việc phun thuốc trên diện tích 1 héc-ta trong vòng chỉ 10 phút. Radar vi sóng cho phép máy bay không người lái này duy trì khoảng cách chính xác từ máy bay đến bề mặt cây trồng và đảm bảo phủ đều thuốc trên diện tích phun. Theo DJI, nó có thể hoạt động tự động, bán tự động hoặc thủ công.
Tại Việt Nam, mẫu máy bay phun thuốc MG-1P này đã bắt đầu được ứng dụng từ đầu năm 2019. Hiện đã có hơn 30 tỉnh thành áp dụng thành công trong việc phun thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật cho các loại cây trồng như cây lúa, ngô, chè, mía, chuối, thanh long, cam, sen và nhiều cây hoa màu khác.
Giám sát và phân tích thời gian thực
Một trong những nhiệm vụ hữu ích nhất mà máy bay không người lái có thể đảm nhận là giám sát và phân tích từ xa các cánh đồng và cây trồng. Hãy tưởng tượng những lợi ích của việc sử dụng một đội máy bay không người lái nhỏ thay vì một nhóm công nhân dành hàng giờ trên đôi chân của họ hoặc trong một chiếc xe di chuyển qua lại trên cánh đồng để kiểm tra trực quan điều kiện mùa màng.
Đây là yếu tố cần thiết cho một cánh đồng hay một trang trại thông minh. Vì tất cả dữ liệu này rất hữu ích. Nông dân có thể xem xét dữ liệu và chỉ thực hiện việc ra cánh đồng khi có một vấn đề cụ thể cần sự chú ý của họ, thay vì lãng phí thời gian và công sức vào việc đi lại trên cánh đồng của mình.
Trang trại được kết nối: Cảm biến và IoT
Các nông trại và máy bay không người lái đã được chứng minh là rất hữu ích, nhưng những gì thực sự sẽ làm cho trang trại tương lai trở thành một trang trại thông minh, sẽ là thứ mang tất cả công nghệ này lại với nhau: Internet of Things.
IoT đã trở thành một thuật ngữ dễ hiểu cho ý tưởng về một hệ thống khép kín, nơi mà máy tính, máy móc và mọi loại thiết bị nông nghiệp kết nối với nhau, trao đổi dữ liệu và giao tiếp theo cách cho phép chúng hoạt động một cách thông minh và tối ưu. Chúng tôi đã thấy các công nghệ IoT được sử dụng theo nhiều cách, như thiết bị nhà thông minh và trợ lý kỹ thuật số, nhà máy thông minh và thiết bị y tế thông minh.
Trang trại thông minh sẽ có các cảm biến được nhúng trong mọi giai đoạn của quy trình canh tác và trên mọi thiết bị. Các cảm biến được thiết lập trên các khu vực sẽ thu thập dữ liệu về mức độ ánh sáng, điều kiện đất, thủy lợi, chất lượng không khí và thời tiết. Dữ liệu đó sẽ quay trở lại phục vụ nông dân hoặc được gửi đến trực tiếp cho các robot trên cánh đồng. Các nhóm robot sẽ đi lại làm việc tự động để đáp ứng nhu cầu của cây trồng, và thực hiện các chức năng làm cỏ, tưới nước, cắt tỉa và thu hoạch được hướng dẫn bởi hệ thống cảm biến, điều hướng và dữ liệu cây trồng của riêng chúng. Máy bay không người lái sẽ quan sát từ trên cao, thu thập dữ liệu về tình trạng sức khỏe và đất đai của thực vật, hoặc tạo ra các bản đồ hướng dẫn các robot và giúp người nông dân lên kế hoạch cho trang trại. Tất cả điều này sẽ giúp tạo ra sản lượng cây trồng cao hơn, và tăng chất lượng nông sản.
BI Intelligence đã chia sẻ dự báo của họ rằng các thiết bị IoT trong nông nghiệp sẽ tăng từ 30 triệu vào năm 2015 lên đến 75 triệu vào năm 2020. Theo xu hướng này, các trang trại thông minh dự kiến sẽ tạo ra tới 4,1 triệu điểm dữ liệu mỗi ngày vào năm 2050.
Hàng núi dữ liệu và thông tin khác được tạo ra bởi công nghệ canh tác và khả năng kết nối cho phép chia sẻ nó sẽ là xương sống của trang trại thông minh trong tương lai. Nông dân sẽ có thể thấy được tất cả các khía cạnh trong hoạt động của họ và giúp họ đưa ra quyết định sáng suốt.
Và bài viết này chỉ chạm vào phần nổi của tảng băng mang tên Nông nghiệp Công nghệ cao; Nếu mọi trang trại đều trở thành một trang trại thông minh, việc đạt được mức tăng 70% trong sản xuất nông nghiệp là một điều chắc chắn.
Hãy cho Agras biết những công nghệ nông nghiệp mà bạn đang mong đợi và chúng tôi sẽ cùng các bạn thảo luận.
GỌI ĐIỆN CẦN TƯ VẤNTìm hiểu thêm thông tin về máy bay nông nghiệp
- Tính năng và thông số kỹ thuật của máy bay phun thuốc MG-1P
- Tính năng và thông số kỹ thuật của máy bay phun thuốc T16
- Tin tức ứng dụng máy bay nông nghiệp thực tế tại Việt Nam
- Tìm hiểu các mẫu Flycam khác
- Điện thoại: 079.955.8855 / 033.838.9999
- Email: contact@agras.vn
- Fanpage: facebook.com/MayBayNongNghiep
- Youtube: youtube.com/MayBayNongNghiep