Đưa hoạt động làm vườn và canh tác trong nhà lên môi trường điện toán đám mây

Các mạng Internet Vạn vật (IoT) kết nối đám mây sẽ cho phép sử dụng các hệ thống quản lý trước và sau thu hoạch một cách hiệu quả cho các ứng dụng trồng trọt và canh tác trong nhà, đồng thời thúc đẩy sự hình thành và phát triển của ngành Nông nghiệp trong Môi trường có Kiểm soát (Controlled Environmental Agriculture - CEA) quy mô lớn, có đạo đức, bền vững và cuối cùng là có lợi nhuận.

Các hệ thống này sẽ sử dụng các cảm biến IoT để liên tục đo lường và báo cáo dữ liệu môi trường, cũng như kích hoạt các hành động hoặc mệnh lệnh khi cần đưa ra những điều chỉnh nhất định. Người trồng cần phải hiểu rõ các thông lệ tốt nhất để xác định và triển khai các hệ thống này, bao gồm cả yêu cầu quan trọng là họ phải triển khai các công nghệ mã hóa và xác thực để tin tặc không thể giành quyền kiểm soát nhằm phá hoại hoạt động hoặc đánh cắp dữ liệu có giá trị.

Ba lợi ích chính

Trước khi tìm hiểu cách phát triển các hệ thống canh tác tại chỗ được kết nối với môi trường điện toán đám mây, điều quan trọng là phải hiểu những lợi ích tiềm năng của mô hình canh tác trong nhà. Có ba lợi ích chính bao gồm:

Thứ nhất, tạo ra nhiều sản phẩm hơn. Nhu cầu toàn cầu về trái cây, quả hạch, rau và thảo mộc không có nguồn gốc từ một vùng địa lý cụ thể có thể được đáp ứng một cách nhanh chóng và hiệu quả hơn nếu những loại cây này được trồng tại địa phương ở khu vực địa lý đó. Nó cũng sẽ giúp rút ngắn quãng đường vận chuyển thực phẩm – mặc dù điều này có thể không làm giảm phát thải các-bon của các hoạt động, chắc chắn nó sẽ giúp tăng cường an ninh lương thực và sự sẵn có của các sản phẩm mà nếu không sẽ được vận chuyển trên quãng đường dài từ một nơi khác. Các lợi ích phụ khác bao gồm kéo dài thời vụ trồng trọt, giúp cho một loại cây lương thực nhất định có thể có sẵn trong 12 tháng của năm và khả năng duy trì sản xuất lương thực toàn cầu hiệu quả bất chấp điều kiện khí hậu thất thường của Trái đất.

Thứ hai, giảm mức độ tàn phá môi trường sống. Việc gia tăng CEA hoặc canh tác trong nhà đối với các loại cây không phải ngũ cốc cũng có thể làm giảm mức độ tàn phá môi trường sống. Mặc dù đây vẫn có thể là vấn đề còn gây nhiều tranh cãi, nhưng có những lý do chính đáng khiến nông nghiệp thường bị coi là mối đe dọa đối với môi trường sống và môi trường nói chung, trong đó phần lớn sự chú ý tập trung vào các hoạt động phát triển đất và phá rừng của ngành khai thác gỗ.

Theo World Wide Fund for Nature (WWF), “Trái đất mất đi 18,7 triệu mẫu rừng mỗi năm” do ba yếu tố đóng góp chính này và “khoảng 50% diện tích đất có thể sinh sống trên thế giới đã bị chuyển đổi thành đất canh tác”. Các mục đích sử dụng đất chính bao gồm chăn thả gia súc và làm chuồng trại, các hoạt động trồng trọt quy mô lớn, trồng rau và ngũ cốc cho con người, trọng đó hơn một phần ba được dành để sản xuất cây thức ăn chăn nuôi như ngô, lúa mạch, yến mạch, lúa miến và đậu nành. Rõ ràng là các kỹ thuật canh tác tiêu tốn nhiều diện tích đất là những kỹ thuật không bền vững.

Thứ ba, chế độ ăn lành mạnh hơn. Ngoài việc giảm diện tích đất cần thiết cho các kỹ thuật canh tác truyền thống, CEA và canh tác trong nhà có thể giúp thúc đẩy chế độ ăn uống lành mạnh hơn. Một nghiên cứu y học đã chứng minh rằng mặc dù con người là loài ăn tạp, nhưng con người lại ăn ngon hơn với chế độ ăn thiên về hỗn hợp thực vật, trái cây và các loại hạt với việc giảm mức độ tiêu thụ thịt. Việc áp dụng rộng rãi hơn chế độ ăn này sẽ dẫn đến việc giảm đáng kể sản lượng thức ăn chăn nuôi, và do đó tạo ra sự thay đổi cơ bản hướng tới việc tạo ra một lối sống bền vững cho người dân toàn cầu. Ngoài ra, điều này có thể làm giảm số lượng vật nuôi, qua đó có thể giảm yêu cầu vận chuyển thực phẩm và giảm phát thải khí nhà kính. Theo Tổ chức Nông Lương (Food and Agriculture Organization - FAO) Liên hợp quốc, hoạt động chăn nuôi toàn cầu tạo ra lượng phát thải khí nhà kính chiếm 14,5% tổng lượng phát thải khí nhà kính do con người gây ra.

CEA quy mô lớn và canh tác trong nhà vẫn còn đang ở giai đoạn sơ khai. Mặc dù cách tiếp cận phổ biến hơn là triển khai các cấu trúc trong nhà như nhà kính trên các vùng đất rộng, có một xu hướng ngày càng phổ biến là xây dựng các cấu trúc canh tác thẳng đứng riêng biệt, bao gồm cả các nhà máy hoặc nhà kho nhiều tầng được thay đổi mục đích sử dụng. Điều này cho phép sử dụng bất động sản và đất đai một cách hiệu quả và thực dụng hơn để phát triển các loại cây không phải ngũ cốc. Mô hình chăn nuôi dọc cũng rất thích hợp để chăn nuôi gia cầm dưới dạng một nguồn cug cấp thịt tiềm năng hơn.

Có một số điều kiện tiên quyết để thực hiện CEA và canh tác trong nhà quy mô lớn. Việc tái tạo và duy trì các điều kiện tự nhiên đòi hỏi người trồng phải thường xuyên theo dõi các thông số như nhiệt, ánh sáng nhân tạo, độ ẩm, độ ẩm trong đất và trong trường hợp thủy canh/khí canh, là các chất dinh dưỡng trong nước. Các nhà sản xuất với ý định nghiêm túc sẽ có nhiều tòa nhà với môi trường khép kín, mỗi tòa nhà phải được tối ưu hóa cho các điều kiện tăng trưởng đó. Điều này đòi hỏi phải sử dụng cảm biến được kết nối với đám mây hoặc các cảm biến để liên tục đo các mức điều kiện môi trường theo thời gian và báo cáo dữ liệu về một trạm giám sát trung tâm.

Các thông lệ tốt nhất để triển khai hệ thống

Bước đầu tiên là tạo nhật ký về các điều kiện ngoài trời tự nhiên hoặc không có nguồn gốc tự nhiên và sẽ được sử dụng làm tiêu chuẩn để thực hiện các điều chỉnh môi trường cần thiết theo yêu cầu.

Tiếp theo, phải đưa ra quyết định về loại hình mạng sẽ triển khai. Với sự sẵn sàng ngày càng cao hơn của công nghệ IoT để kết nối các cảm biến, sẽ là hợp lý khi triển khai mạng được quản lý bởi một Hub hoặc Gateway trung tâm giao tiếp với bộ điều khiển cục bộ hoặc máy tính (xem Hình 1). Bộ điều khiển được sử dụng để tải dữ liệu lên đám mây để phục vụ nhu cầu phân tích thêm. Đám mây có thể là môi trường đóng hoặc được cung cấp dưới dạng dịch vụ bởi một nhà cung cấp dịch vụ truyền thống hoặc mới nổi.

Triển khai điển hình của hệ sinh thái IoT

Người trồng có thể quyết định việc không cần thiết phải phản ứng tức thời với dữ liệu cảm biến. Trong những trường hợp này, đám mây có thể đưa ra các mệnh lệnh hoặc hành động trong khung thời gian được cho là có thể chấp nhận được. Tuy nhiên, nếu yêu cầu độ trễ tối thiểu hoặc bằng 0 giữa thời điểm dữ liệu cảm biến được gửi và thời điểm máy tính trung tâm đưa ra hành động hoặc lệnh, thì người trồng/người sản xuất có thể thực hiện bước trung gian là sử dụng bộ điều khiển biên mạng giữa thiết bị gateway và đám mây để rút ngắn thời gian từ khi phân tích đến hành động. Cuối cùng, môi trường càng được kiểm soát chính xác, thì cây trồng càng phát triển tốt hơn.

Việc triển khai điện toán biên mạng có thể được chia thành các phân hệ back-end và front-end, mỗi phân hệ đóng một vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa sản xuất cây trồng trong môi trường khép kín. Phân hệ back-end chứa các phần tử điện toán đám mây và điện toán biên trong khi phân hệ front-end chứa mạng cảm biến và các phần tử gateway. Một hệ sinh thái gồm các nhà cung cấp phần cứng và nhà tích hợp hệ thống sẽ ra đời để cung cấp tất cả các thành phần cần thiết nhằm hỗ trợ kiến trúc giải pháp này cho số lượng ngày càng nhiều các trường hợp sử dụng và môi trường triển khai IoT trong các ngành kinh tế khác nhau. Một yếu tố đặc biệt quan trọng là mạng cảm biến vì mạng này sẽ được đặt gần cây trồng nhất, chịu trách nhiệm giám sát môi trường và thu thập dữ liệu để truyền đến cổng. Một điều quan trọng nữa là mỗi nút cảm biến riêng lẻ phải đảm bảo tính đơn giản, tin cậy, dễ bảo trì, hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng rất thấp để kéo dài tuổi thọ pin, có thể giao tiếp với thiết bị gateway và cuối cùng là với nhà cung cấp dịch vụ đám mây bằng cách sử dụng các phương thức kết nối không dây khác nhau.

Giao thức kết nối không dây được ưu tiên sẽ là Bluetooth® Low Energy (BLE) hoặc chuẩn Wi-Fi® năng lượng thấp 802.11ah mới. Điều này sẽ đảm bảo rằng các giải pháp có thể hoạt động trên các băng tần không được cấp phép và giao tiếp qua các khoảng cách thông thường từ 10 đến 100 mét (m) trong hoạt động trồng trọt trong nhà. Chuẩn 802.11ah có phạm vi kết nối xa nhất, lên đến 1 km (km). Tốc độ dữ liệu của Wi-Fi BLE và 802.11ah tương ứng là 10 kilobit / giây (Kbps) đến 10 Mbps và 50 Kbps - 100 Kbps, đảm bảo đủ băng thông cho các dữ liệu của những tham số khác nhau đang được đo lường.

Bảng mạch phát triển AVR-IoT WG có bộ vi điều khiển (MCU) AVR®, phần tử bảo mật và bộ điều khiển mạng Wi-Fi mạnh mẽ

Điều quan trọng là node cảm biến cũng phải có chức năng bảo mật mạnh mẽ. Cũng giống như trong bất kỳ doanh nghiệp nào, sẽ có nhiều nông dân hoặc các tập đoàn lớn tham gia vào ngành trồng trọt trong nhà hoặc CEA trên quy mô lớn. Bất kỳ thông tin nào có thể giúp một nhà cung cấp có được lợi thế cạnh tranh so với một nhà cung cấp khác đều đồng nghĩa với doanh thu và lợi nhuận cao hơn. Mong muốn và khả năng xâm nhập vào mạng không dây để lấy những dữ liệu đang mang lại lợi thế này được công nhận và hiểu biết rộng rãi. Cách tốt nhất để giảm thiểu rủi ro là sử dụng giải pháp dựa trên phần cứng có thể mã hóa cũng như xác thực cả dữ liệu và node. Các phương pháp tiếp cận sử dụng phần mềm hoặc firmware được cho là dễ bị tin tặc tấn công hơn.

Các nhà thiết kế và nhà sản xuất node cảm biến sẽ đưa ra các giải pháp chip giúp thiết kế hệ thống hoàn thiện dễ sử dụng, có kiến trúc mô-đun và có thể cập nhật, hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng thấp, chức năng bảo mật mạnh mẽ và độ linh hoạt để hỗ trợ các tùy chọn kết nối không dây cần thiết. Các nhà cung cấp này cũng tích cực hợp tác với các nhà cung cấp dịch vụ đám mây nổi tiếng. Nếu một giải pháp không nhất thiết phải phụ thuộc vào một môi trường điện toán đám mây nhất định, thì nhà cung cấp phải có khả năng cấu hình giải pháp để giao tiếp với một đám mây đóng với tất cả các năng lực cần thiết.

Một ví dụ về loại giải pháp này là nền tảng phát triển Google Cloud IoT Core do công ty Microchip Technology cung cấp (xem Hình 2 và 3). Các bảng mạch phát triển kết hợp bộ vi điều khiển, phần tử bảo mật và bộ điều khiển mạng Wi-Fi được chứng nhận đầy đủ sẽ mang đến một cách thức đơn giản và hiệu quả nhất để kết nối các node cảm biến với nền tảng Cloud IoT Core của Google. Người dùng có thể kết nối trực tiếp với Google Cloud, được triển khai sẵn bằng tài khoản sandbox miễn phí hoặc môi trường thử nghiệm ảo, để xem dữ liệu về ánh sáng và nhiệt độ. Các cảm biến khác có thể được kết nối theo nhu cầu thông qua việc sử dụng các bảng mạch Click™ bổ trợ có sẵn từ MikroElektronika giúp cho việc bổ sung thêm các khả năng vào thiết kế trở nên dễ dàng.

CEA và hoạt động canh tác trong nhà hứa hẹn về mô hình sản xuất lương thực toàn cầu an toàn, tin cậy và hiệu quả hơn trên một diện tích địa lý nhỏ hơn đáng kể so với các phương pháp canh tác truyền thống. Việc hiện thực hóa tiềm năng này đòi hỏi công nghệ giám sát môi trường có thể đảm bảo môi trường phát triển ổn định trong nhà trên một quy mô lớn cho các loại cây trồng không phải là cây bản địa. Trong số những công nghệ này, phân hệ quan trọng nhất là mạng lưới cảm biến thu thập và truyền dữ liệu cảm biến giám sát môi trường đến và đi từ đám mây cho hoạt động xử lý và phân tích. Các giải pháp phát triển nhanh chóng được giới thiệu với các nhà cung cấp đám mây hàng đầu để đáp ứng các yêu cầu đó, mang đến những phương thức đơn giản và linh hoạt để hỗ trợ nhiều kiểu ứng dụng và tình huống sử dụng CEA và canh tác trong nhà.