Tóm tắtViệc số hóa nông nghiệp nhà kính hiện đại chủ yếu phụ thuộc vào hệ thống vận hành và bảo trì. Việc số hóa hệ thống vận hành và bảo trì có liên quan trực tiếp đến hiệu quả tổng thể của hoạt động nhà kính, đồng thời thể hiện sự hiện đại hóa của nông nghiệp nhà kính, có giá trị phổ biến và phát triển chuyên sâu. Bài báo này giới thiệu ứng dụng hệ thống vận hành và bảo trì thông minh tại một cơ sở nông nghiệp nhà kính ở Thanh Đảo, phân tích hiệu quả ứng dụng và đánh giá giá trị phổ biến của hệ thống, nhằm cung cấp thông tin tham khảo cho các nhà thực hành có liên quan và mở rộng nghiên cứu chuyên sâu hơn về các hệ thống liên quan, từ đó nâng cao trình độ kỹ thuật và tính thông minh của nông nghiệp nhà kính.

Từ khóaHệ thống vận hành và bảo trì thông minh; Nông nghiệp nhà kính; Ứng dụng

Với sự phát triển nhanh chóng của Trung Quốc, các phương pháp sản xuất nông nghiệp truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu của xã hội về chất lượng và số lượng nông sản. Nông nghiệp nhà kính hiện đại, đặc trưng bởi năng suất cao, hiệu quả và chất lượng vượt trội, đã phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây, mang lại tiềm năng thị trường to lớn. Tuy nhiên, so với các quốc gia hoặc khu vực nông nghiệp phát triển trên thế giới, trình độ công nghệ nông nghiệp nhà kính của Trung Quốc vẫn còn tụt hậu đáng kể, đặc biệt là trong việc ứng dụng các hệ thống vận hành và bảo trì thông minh dựa trên IoT trong nông nghiệp như cảm biến nông nghiệp và hệ thống não bộ đám mây cho máy móc, nơi cần cải thiện khẩn cấp quá trình số hóa.

1. Hệ thống vận hành và bảo trì thông minh cho nông nghiệp

1.1 Định nghĩa hệ thống

Hệ thống vận hành và bảo trì thông minh cho nông nghiệp là một công nghệ hệ thống mới nổi, tích hợp sâu sắc công nghệ IoT, công nghệ quản lý thông minh và các quy trình nông nghiệp khác nhau như trồng trọt, lưu trữ, chế biến, vận chuyển, truy xuất nguồn gốc và tiêu thụ. Thông qua sự tích hợp "hệ thống + phần cứng", hệ thống vận hành và bảo trì thông minh trong nông nghiệp sử dụng các công nghệ chủ chốt của Internet vạn vật, như công nghệ cảm biến, công nghệ truyền dẫn, công nghệ xử lý và công nghệ chung, để giải quyết toàn diện các vấn đề tương tác đa chiều như nhận dạng cá thể nông nghiệp, nhận thức tình huống, kết nối mạng thiết bị không đồng nhất, xử lý dữ liệu không đồng nhất từ ​​nhiều nguồn, khám phá tri thức và hỗ trợ ra quyết định.

1.2 Lộ trình kỹ thuật

Thông thường, cấu trúc của hệ thống quản lý nông nghiệp chủ yếu bao gồm nhận thức, mạng lưới và nền tảng. Trên cơ sở này, các doanh nghiệp có thể mở rộng thêm các lớp logic tùy theo loại hình nông nghiệp và nhu cầu kinh doanh. Kiến trúc của hệ thống vận hành và bảo trì thông minh trong nông nghiệp được thể hiện trong Hình 1.

Để đáp ứng nhu cầu vận hành và bảo trì thông minh trong nông nghiệp nhà kính, các cảm biến như cảm biến nhiệt độ và độ ẩm, cảm biến carbon dioxide, cảm biến ánh sáng, cảm biến dòng điện, cảm biến lưu lượng nước, cảm biến lưu lượng carbon dioxide, cảm biến lưu lượng khí tự nhiên, cảm biến trọng lượng và áp suất, cảm biến EC và cảm biến pH có thể được tùy chỉnh. Các doanh nghiệp có nhu cầu lớn có thể nghiên cứu và phát triển các cảm biến, đồng thời thông qua giao thức truyền dữ liệu cơ bản để đảm bảo việc truyền tải và thu thập dữ liệu ổn định.

1.3 Ý nghĩa phát triển

Hệ thống vận hành và bảo trì thông minh sử dụng công nghệ cảm biến thông minh, công nghệ truyền tải thông tin và công nghệ xử lý thông minh thông qua Internet vạn vật nông nghiệp để thực hiện giám sát thời gian thực và điều khiển từ xa tất cả các khâu trong hoạt động nông nghiệp, thúc đẩy tin học hóa thông minh trong sản xuất, quản lý và ra quyết định chiến lược nông nghiệp, đồng thời hiện thực hóa hiệu quả cao, thâm canh, quy mô và tiêu chuẩn hóa sản xuất nông nghiệp. Cuối cùng, kết nối dọc của tất cả các khâu trong sản xuất cây trồng và kết nối ngang của tất cả các khâu trong toàn bộ chuỗi ngành nông nghiệp sẽ được hiện thực hóa. Tạo ra một hệ sinh thái kinh tế tuần hoàn với hệ thống công nghệ trồng trọt, nền tảng trí tuệ nông nghiệp, an toàn thực phẩm nông nghiệp, nền tảng thương mại nông sản, hệ thống tài chính chuỗi cung ứng nông nghiệp mới, du lịch nông nghiệp đặc sắc và trồng trọt, chăn nuôi bổ sung (Hình 2).

 

2.Giám sát thông tin về sự tích hợp nước và phân bón

2.1 Nguyên lý hệ thống

Hệ thống thực hiện phản hồi tiêu cực đối với hệ thống tưới tiêu và bón phân bằng cách phát hiện hàm lượng nước, độ dẫn điện (EC), độ pH và các giá trị khác của ma trận cám dừa, đóng vai trò quan trọng trong việc hướng dẫn tưới tiêu chính xác. Dựa trên đặc điểm của các điều kiện trồng trọt khác nhau, thông qua phân tích và nghiên cứu đặc điểm và cấu trúc của ma trận, để phát triển mô hình tưới tiêu theo thời gian thực nghiệm, mô hình tưới tiêu giới hạn trên và dưới cho việc thiết lập lượng nước trong ma trận; hệ thống thu thập thông tin tích hợp về tưới tiêu và bón phân có thể điều khiển mô hình tưới tiêu, quá trình tối ưu hóa và lặp lại có thể được thực hiện liên tục trong quá trình vận hành và bảo trì sản xuất.

2.2 Thành phần hệ thống

Hệ thống bao gồm thiết bị thu gom chất lỏng đầu vào, thiết bị thu gom chất lỏng đầu ra, thiết bị giám sát chất nền theo thời gian thực và thành phần truyền thông, trong đó thiết bị thu gom chất lỏng đầu vào bao gồm cảm biến pH, cảm biến EC, bơm nước, lưu lượng kế và các bộ phận khác; và thiết bị thu gom chất lỏng đầu ra bao gồm cảm biến áp suất, cảm biến pH, cảm biến EC và các bộ phận khác; Thiết bị giám sát chất nền theo thời gian thực bao gồm khay thu gom chất lỏng đầu ra, lưới lọc chất lỏng đầu ra, cảm biến áp suất, cảm biến pH, cảm biến EC, cảm biến nhiệt độ và độ ẩm và các bộ phận khác. Mô-đun truyền thông bao gồm hai mô-đun LoRa, một ở phòng điều khiển trung tâm và một ở nhà kính (Hình 3). Có kết nối có dây giữa máy tính và thành phần truyền thông đặt ở phòng điều khiển trung tâm, kết nối không dây giữa thành phần truyền thông đặt ở phòng điều khiển trung tâm và thành phần truyền thông đặt ở nhà kính, và có kết nối có dây giữa thành phần truyền thông ở nhà kính và rơle, thành phần phát hiện chất nền và thành phần phát hiện chất lỏng đầu ra (Hình 4).

2.3 Tác dụng của ứng dụng

Hiệu quả của hệ thống tưới tiêu bằng nước và phân bón có phản hồi từ hệ thống giám sát này được so sánh với hệ thống tưới tiêu do nhà cung cấp cung cấp. So với hệ thống do nhà cung cấp cung cấp, lượng nước tưới trung bình cho mỗi cây cà chua khi sử dụng hệ thống giám sát này giảm 8,7% mỗi ngày, lượng nước hồi lưu giảm 18%, và giá trị EC của nước hồi lưu về cơ bản là tương đương, cho thấy cây trồng sử dụng nhiều dung dịch dinh dưỡng hơn khi sử dụng hệ thống giám sát này để tưới tiêu theo quy luật hấp thụ dung dịch dinh dưỡng của cây trồng. Sử dụng hệ thống tưới tiêu thông minh này có thể giảm lượng nước tưới trung bình 29% và lượng nước hồi lưu 53% so với phương pháp tưới tiêu theo thời gian định sẵn (Hình 5 ~ 6).

 

3. Hệ thống kiểm soát môi trường dựa trên IoT

Trước nhu cầu điều khiển chính xác các nút quang phổ động quy mô lớn trong các nhà máy trồng cây, công nghệ Internet vạn vật (IoT) tích hợp được giới thiệu để giải quyết các vấn đề về thu thập dữ liệu nút quy mô lớn và không đồng nhất cũng như điều khiển chính xác môi trường ánh sáng của cây trồng. Hệ thống điều khiển chiếu sáng thông minh trong nhà máy trồng cây sử dụng đèn LED thông minh làm phương tiện, và áp dụng công nghệ IoT tích hợp dữ liệu lớn WF-IOT để xây dựng mạng lưới thiết bị đầu cuối phân tán quy mô lớn hỗ trợ thu thập, truyền tải và điều khiển dữ liệu. Hệ thống có thể được nhóm tự do theo yêu cầu sản xuất, và cường độ ánh sáng của đèn chiếu sáng nhà máy có thể được điều chỉnh liên tục theo thời gian thực dựa trên các điều kiện chiếu sáng khác nhau và nhu cầu sinh trưởng của cây, để thực hiện điều khiển chính xác cường độ và lượng ánh sáng bổ sung (Hình 7). Thông qua mạng lưới ngoại vi, việc thu thập và truyền tải dữ liệu cảm biến như môi trường và độ chiếu sáng có thể được thực hiện, đồng thời, việc giám sát trực tuyến mức tiêu thụ năng lượng có thể được thực hiện, và mức tiêu thụ năng lượng của ánh sáng bổ sung trong mỗi khu vực sinh trưởng có thể được nắm bắt theo thời gian thực.

Hệ thống này thực hiện quản lý cây trồng một cách chính xác bằng cách thu thập dữ liệu điều khiển bên trong và bên ngoài nhà kính, đồng thời hoàn thiện việc phát triển sản phẩm "mô hình quản lý cây trồng". Thông qua các cảm biến dòng điện, CO2, khí tự nhiên và nước, việc thu thập dữ liệu giám sát của "hệ thống năng lượng" được thực hiện. Sử dụng công nghệ thị giác robot, thông qua dữ liệu về màu sắc quả, số lượng quả, kích thước cuống quả, lá, thân cây, v.v., toàn bộ quá trình sinh trưởng của cây trồng được giám sát và nhận dạng (Hình 8).

4.Giá trị khuyến mãi

Hệ thống vận hành và bảo trì thông minh trong nông nghiệp, tận dụng ưu điểm của nền tảng Internet công nghiệp, với mô hình đầu tư một lần, sử dụng nhiều lần dịch vụ, ứng dụng khái niệm chia sẻ của Internet công nghiệp, thúc đẩy xây dựng Internet vạn vật trong nông nghiệp nhà kính với chi phí thấp và hiệu quả cao, đồng thời nâng cao mức độ thông minh và xanh của nông nghiệp nhà kính. Lấy ví dụ một dự án áp dụng hệ thống này tại thành phố Laixi, Thanh Đảo, tỷ lệ sử dụng phân bón tổng hợp có thể đạt trên 90%, gấp ba lần so với canh tác truyền thống trên đất. Toàn bộ quy trình không phát sinh nước thải, tiết kiệm 95% lượng nước so với canh tác trên đồng ruộng và giảm thiểu ô nhiễm phân bón cho đất. Thông qua việc phát hiện CO2 trong nhà kính bằng hệ thống này, các yếu tố môi trường như nhiệt độ và ánh sáng bên trong và bên ngoài nhà kính được phân tích toàn diện, và việc cung cấp CO2 được điều chỉnh theo thời gian thực, không chỉ đáp ứng nhu cầu của cây trồng mà còn tránh lãng phí, tăng cường hiệu quả quá trình quang hợp của cây trồng, đẩy nhanh quá trình tích lũy carbohydrate, tăng năng suất trên mỗi đơn vị diện tích và cải thiện chất lượng rau quả. Toàn bộ hệ thống quản lý vận hành và bảo trì đã giúp tự động hóa việc vận hành các thiết bị kiểm soát môi trường nhà kính, vận hành tự động và chính xác các thiết bị hoạt động trong mọi điều kiện thời tiết, giảm 10% chi phí năng lượng và 60% chi phí vận hành thủ công, đồng thời có thể thực hiện các biện pháp bảo vệ như đóng cửa sổ ngay lập tức khi gặp thời tiết xấu như gió mạnh, mưa và tuyết, giúp tránh thiệt hại cho nhà kính và cây trồng trong nhà kính khi gặp thời tiết xấu đột ngột.

5.Phần kết luận

Sự phát triển hiện đại của nông nghiệp nhà kính không thể tách rời khỏi sự hỗ trợ của hệ thống quản lý nông nghiệp thông minh. Chỉ có hệ thống quản lý tương ứng với khả năng nhận thức, phân tích và ra quyết định mạnh mẽ hơn mới có thể tiếp tục tiến lên trên con đường hiện đại hóa. Hệ thống quản lý nông nghiệp thông minh giúp giảm thiểu đáng kể những hạn chế của quản lý thủ công và thúc đẩy quá trình tin học hóa thông minh trong sản xuất, quản lý và ra quyết định chiến lược nông nghiệp. Với sự gia tăng đầu vào và sự phong phú liên tục của các kịch bản sử dụng hệ thống, mô hình dữ liệu của nó cần được cập nhật và lặp lại liên tục dựa trên nhiều dữ liệu hơn, trở nên thông minh hơn và nâng cao toàn diện mức độ thông minh của nông nghiệp nhà kính hiện đại.

KẾT THÚC

[thông tin trích dẫn]

Tác giả gốc: Sha Bifeng, Zhang Zheng, et al. Công nghệ kỹ thuật nông nghiệp trồng trọt trong nhà kính, ngày 19 tháng 4 năm 2024, 10:47 Bắc Kinh