Công nghệ IoT mở đường cho canh tác lúa phát thải thấp

PGS.TS Lê Minh Thùy, Trưởng nhóm nghiên cứu RF tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu Cảm biến, Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội, Ủy viên Ban chấp hành kiêm Phụ trách của IEEE AP-S/MTT Joint Vietnam Chapter, thành viên Ủy ban Women in Microwaves (IEEE WiM), đã chia sẻ với phóng viên Báo Công Thương về hành trình phát triển thiết bị IoT sử dụng cảm biến giá thành thấp đo phát thải và tiềm năng ứng dụng công nghệ này vào thực tiễn sản xuất.

Làm chủ thiết bị IoT đo phát thải, mở nền tảng cho nông nghiệp số

- Thưa bà, điều gì đã đưa bà từ nghiên cứu về công nghệ truyền thông không dây sang lĩnh vực đo phát thải khí nhà kính trong nông nghiệp?

PGS.TS Lê Minh Thùy: Tôi được đào tạo chuyên sâu về hạ tầng các thiết bị truyền thông không dây, chủ yếu phục vụ các hệ thống tiên tiến như 5G, 6G. Tuy nhiên, khoảng giai đoạn từ 2018 tới nay, Hà Nội đối mặt với tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, khiến tôi trăn trở về việc ứng dụng nền tảng công nghệ mình đang nghiên cứu để giải quyết các vấn đề môi trường. Vì vậy, tôi bắt đầu bằng quan điểm lường liên tục, cụ thể chính xác các thông số môi trường. Chỉ khi chúng ta biết rõ hiện trạng thông qua các con số đo, mới có cơ sở đề xuất các hành động tiếp theo.

Sinh viên Lê Văn Công (K66) Đại học Bách Khoa Hà Nội và TS. Nguyễn Thị Ngọc Dinh thử nghiệm trên ruộng lúa ở Gia Lâm. Ảnh: Lê Minh

Ban đầu, nhóm chúng tôi phát triển các thiết bị đo và quan trắc chất lượng không khí trong môi trường và triển khai trên các tuyến xe bus của Hà Nội. Từ nền tảng đó, chúng tôi nhận ra hoàn toàn có thể mở rộng sang đo các loại khí nhà kính, đặc biệt là khí methane trong canh tác lúa nước, một nguồn phát thải quan trọng trong nông nghiệp. Khi đã có nền tảng cảm biến, thiết bị IoT và hệ thống thu thập dữ liệu, việc tùy biến để đo các thông số khác nhau là hoàn toàn khả thi.

Đến năm 2022, các nhà khoa học từ Học viện Nông nghiệp Việt Nam (VNUA) đề xuất hợp tác, bởi họ đang nghiên cứu canh tác lúa phát thải thấp và cần định lượng chính xác lượng khí phát thải. Trước đây, họ phải thu mẫu khí và mang về phòng thí nghiệm phân tích, quy trình này tốn kém, hạn chế về số lượng dữ liệu và mất nhiều thời gian. Vì vậy, nhóm chúng tôi đề xuất phát triển một thiết bị IoT có thể đặt trực tiếp ngoài đồng ruộng, đo liên tục theo suốt vòng đời cây lúa.

Thiết bị cho phép đo phát thải liên tục theo thời gian thực, từ giai đoạn đẻ nhánh đến làm đòng, trổ bông và thu hoạch. Nhờ đó, các nhà khoa học có thể theo dõi sự thay đổi phát thải theo từng giai đoạn sinh trưởng, từng phương thức canh tác như tưới ngập – khô xen kẽ hay sử dụng phân sinh học thay cho phân hóa học.

Điều quan trọng là dữ liệu này giúp lượng hóa chính xác tác động của các biện pháp canh tác. Khi có cơ sở khoa học rõ ràng, chúng ta mới có thể đưa ra khuyến cáo phù hợp cho nông dân nhằm vừa giảm phát thải, vừa đảm bảo năng suất.

- Quá trình phát triển thiết bị có gặp nhiều khó khăn không, thưa bà?

PGS.TS Lê Minh Thùy: Ban đầu, chúng tôi nghĩ việc phát triển thiết bị sẽ tương đối thuận lợi vì đã có nền tảng về IoT và cảm biến. Tuy nhiên, thực tế phức tạp hơn nhiều. Lượng khí phát thải trên ruộng lúa rất nhỏ và chịu ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và điều kiện đất.

Nhóm Nghiên cứu Phòng thí nghiệm Cảm biến, Đại học Bách khoa Hà Nội và nhóm nghiên cứu VNUA triển khai thử nghiệm. Ảnh: Lê Minh

Phiên bản đầu tiên của thiết bị chưa đạt độ chính xác như mong muốn bởi dải đo chưa phù hợp với mức phát thải thực tế. Nhóm phải phát triển phiên bản thứ hai với độ nhạy và độ phân giải cao hơn để ghi nhận được những biến động nhỏ. Ngoài ra, thiết bị sử dụng cảm biến giá thành thấp để đảm bảo khả năng phổ cập, việc hiệu chuẩn cảm biến trở thành thách thức lớn, đồng thời cũng là bài toán nghiên cứu thú vị cho nhóm nghiên cứu.

Một khó khăn quan trọng khác là thiết bị phải hoạt động trong điều kiện ngoài đồng ruộng, nơi không có nguồn điện ổn định. Vì vậy, chúng tôi phải thiết kế hệ thống tự cấp nguồn và tối thiểu hóa mức tiêu thụ năng lượng và phải đủ đơn giản để nông dân có thể sử dụng mà không cần thao tác phức tạp.

Quá trình thử nghiệm thực địa đóng vai trò quyết định. Nhóm đã phải trải qua hai mùa vụ, mỗi mùa kéo dài khoảng ba tháng, để hoàn thiện thiết bị. Lần thử nghiệm đầu tiên giúp chúng tôi nhận diện nhiều vấn đề như khả năng cấp nguồn khi thiếu ánh sáng và độ ổn định của cảm biến. Sau khi cải tiến, phiên bản tiếp theo đã đạt độ tin cậy cao hơn, đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế.

Chúng tôi cũng phát triển thuật toán giúp thiết bị tự điều chỉnh chu kỳ đo một cách linh hoạt cho phép tối ưu hóa việc thu thập dữ liệu và tiết kiệm năng lượng mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết.

- Các kết quả thử nghiệm cho thấy những tín hiệu tích cực như thế nào, thưa bà?

PGS.TS Lê Minh Thùy: Sau nhiều lần thử nghiệm, chúng tôi nhận thấy dữ liệu có tính lặp lại cao, chứng minh thiết kế là đáng tin cậy. Thiết bị có thể theo dõi phát thải một cách ổn định và cung cấp dữ liệu liên tục.

PGS. TS Lê Minh Thùy, Trưởng nhóm nghiên cứu RF tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu Cảm biến, Trường Điện – Điện tử, Đại học Bách khoa Hà Nội. Ảnh: Nguyễn Hạnh

Tuy nhiên, để đưa vào ứng dụng rộng rãi, cần triển khai trên nhiều vùng sinh thái khác nhau, bởi phát thải phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng và phương thức canh tác. Khi có đủ dữ liệu, chúng tôi có thể xây dựng các mô hình học máy và hệ thống “chuyên gia nông nghiệp số”, từ đó đưa ra khuyến cáo tối ưu cho từng vùng và từng loại cây trồng.

- Vì sao nhóm nghiên cứu lựa chọn cây lúa là đối tượng ưu tiên, thưa bà?

PGS.TS Lê Minh Thùy: Có hai lý do chính. Thứ nhất, Việt Nam là một trong những quốc gia xuất khẩu gạo hàng đầu thế giới, nên việc nâng cao chất lượng và đáp ứng tiêu chuẩn phát thải thấp là rất quan trọng.

Thứ hai, canh tác lúa đóng góp tỷ lệ đáng kể trong tổng phát thải khí nhà kính của ngành nông nghiệp, đặc biệt là methane. Nếu kiểm soát được phát thải từ lúa, chúng ta sẽ tiến gần hơn tới các mục tiêu giảm phát thải và phát triển nông nghiệp bền vững. Khi đã đo được phát thải ở mức rất nhỏ trong ruộng lúa, chúng tôi có thể mở rộng sang các lĩnh vực có mức phát thải lớn hơn như chăn nuôi hoặc công nghiệp.

Nền tảng công nghệ đã sẵn sàng, nhưng việc triển khai cần thêm nguồn lực và sự hợp tác với các doanh nghiệp. Đây là hướng đi tiềm năng, xây dựng hệ thống giám sát phát thải toàn diện, phục vụ mục tiêu phát triển bền vững.

Cần hệ sinh thái hợp tác để đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm ra đồng ruộng

- Tiềm năng ứng dụng của công nghệ này trong thực tiễn và thương mại hóa ra sao, thưa bà?

PGS.TS Lê Minh Thùy: Tôi tin rằng thiết bị này có tiềm năng trở thành nền tảng cho chuyển đổi số nông nghiệp. Nó không chỉ phục vụ nghiên cứu trong Học viện Nông Nghiệp Việt Nam mà còn có thể triển khai ở quy mô hợp tác xã, doanh nghiệp và nông hộ.

Tuy nhiên, để thương mại hóa, cần có sự phối hợp giữa các viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý. Chúng tôi cần thêm nguồn lực để triển khai trên diện rộng, thu thập dữ liệu dài hạn và hoàn thiện hệ thống chuyên gia phân tích. Nếu được hỗ trợ, khả năng đưa sản phẩm ra thị trường trong tương lai gần là hoàn toàn khả thi.

- Theo bà, điều kiện quan trọng nhất để các nghiên cứu như vậy có thể đi vào thực tiễn là gì?

PGS.TS Lê Minh Thùy: Có hai yếu tố cốt lõi là nhân lực và tài chính. Bên cạnh đó, cần cơ chế hợp tác hiệu quả giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp, cũng như các chính sách hỗ trợ chuyển giao công nghệ.

Chúng tôi kỳ vọng các chủ trương thúc đẩy khoa học công nghệ và chuyển đổi số sẽ tạo điều kiện thuận lợi hơn cho nghiên cứu ứng dụng. Khi có hệ sinh thái phù hợp, các sản phẩm nghiên cứu hoàn toàn có thể bước ra khỏi phòng thí nghiệm và phục vụ trực tiếp cho sản xuất.

Xin cảm ơn bà!

Nguyễn Hạnh