IoT Edge และ Cloud ที่ลงตัวสำหรับการปลูกพืชภายใต้การควบคุมสภาพแวดล้อม

“ลองศึกษาถึงเหตุผลที่เครือข่าย IoT ที่เชื่อมต่อกับระบบคลาวด์ สามารถใช้งานได้อย่างลงตัวและได้ประโยชน์สูงสุด กับเกษตรกรรมที่อยู่ในรูปแบบ อุตสาหกรรมการปลูกพืชภายใต้การควบคุมสภาพแวดล้อม (CEA)

หนึ่งในเหตุผลทางธุรกิจที่ทำให้บริการระบบคลาวด์และอินเทอร์เน็ตของสรรพสิ่ง (Internet of Things หรือ IoT) มีแนวโน้มจะประสบความสำเร็จมากที่สุดคือ การตรวจติดตามสภาพแวดล้อม ในกระบวนการทางเกษตรกรรม เพื่อช่วยจำลองสภาพแวดล้อมการในการเพาะปลูกพืชต่างถิ่น เช่น ผลไม้ ถั่ว ผัก และสมุนไพร ให้มีความเสถียร

มีหลายๆ เหตุผลที่ชี้ว่า เครือข่าย IoT Edge และ Cloud สามารถใช้งานได้อย่างลงตัวและได้ประโยชน์สูงสุด กับเกษตรกรรมที่อยู่ในรูปแบบ อุตสาหกรรมการปลูกพืชภายใต้การควบคุมสภาพแวดล้อม (Controlled Environmental Agriculture หรือ CEA) ที่สามารถใช้งานระบบจัดการขั้นตอนก่อนและหลังการเก็บเกี่ยวในการทำพืชสวนและการเพาะปลูกได้ สนับสนุนการเติบโตของ ที่มีจริยธรรม ยั่งยืน และสร้างผลกำไร

ระบบเหล่านี้จะใช้เซ็นเซอร์ IoT ในการตรวจวัดและรายงานข้อมูลสภาพแวดล้อมอย่างต่อเนื่อง รวมถึงออกคำสั่งหรือสั่งการเมื่อต้องมีการปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อม ผู้เพาะปลูกจะต้องมีความรู้ความเข้าใจในการเลือกใช้งานระบบเหล่านี้ให้ดีที่สุด รวมถึงเข้าใจในความจำเป็นที่จะต้องติดตั้งเทคโนโลยีการเข้ารหัสและยืนยันตัวตน เพื่อไม่ให้แฮกเกอร์สามารถเข้าควบคุมระบบ ทำลายการปฏิบัติงาน หรือขโมยข้อมูลสำคัญไปได้

ขอนำประเด็นสำคัญจากบทความของ Aloke Barua วิศวกรการตลาดผลิตภัณฑ์ระดับอาวุโส บริษัท ไมโครชิพเทคโนโลยี จำกัด ได้เปิดมุมมองที่น่าสนใจเกี่ยวกับ กระแสความนิยมที่กำลังเพิ่มขึ้นสำหรับ การทำพืชสวนและการเพาะปลูกในร่ม โดยอาศัยเทคโนโลยีอย่าง IoT ในระบบคลาวด์

ประโยชน์สำหรับการเพราะปลูกพืชต่างถิ่นและการเพาะปลูกในร่ม

ก่อนจะศึกษาวิธีพัฒนาระบบการเพาะปลูกพืชต่างถิ่นที่เชื่อมต่อกับระบบคลาวด์ สิ่งสำคัญคือต้องเข้าใจถึงประโยชน์ของการเพาะปลูกในร่ม ซึ่งประโยชน์หลักๆ 3 ประการมีดังนี้

1. มีผลผลิตที่พร้อมส่งมอบมากกว่า

ความต้องการในผลไม้ ถั่ว ผัก และสมุนไพรทั่วโลกที่ไม่ใช่พืชท้องถิ่นจะได้รับการตอบสนองได้รวดเร็วกว่าและมีประสิทธิภาพกว่า หากพืชเหล่านั้นปลูกในพื้นที่ท้องถิ่น ซึ่งจะช่วยลดระยะทางในการขนส่งอาหารได้อีกด้วย

ทั้งนี้ ถึงแม้ว่าการลดระยะทางในการขนส่งอาหารนี้จะไม่ลดดัชนีการเกิดคาร์บอน แต่ก็จะช่วยเพิ่มความมั่นคงทางอาหารและความพร้อมของผลผลิตที่หากไม่ปลูกในท้องถิ่น ก็จะต้องขนส่งระยะไกลมาจากที่อื่น

ประโยชน์อื่นๆ ที่จะได้รับนั้นรวมถึงฤดูกาลเพาะปลูกที่นานขึ้น ซึ่งทำให้สามารถส่งมอบพืชพรรณเพื่อเป็นอาหารได้ตลอดทั้งปี และทำให้การผลิตอาหารทั่วโลกดำเนินไปอย่างต่อเนื่องและมีประสิทธิภาพ ถึงแม้สภาพอากาศของโลกจะคาดเดายาก

2. ลดการทำลายถิ่นฐานธรรมชาติ

การปลูกพืชในแบบ CEA หรือในร่ม มากขึ้น สามารถลดการทำลายถิ่นฐานธรรมชาติได้เช่นกัน ทั้งนี้ ถึงแม้ว่าจะยังเป็นที่ถกเถียง แต่ก็มีเหตุผลที่มีน้ำหนักที่ชี้ให้เห็นว่าทำไม เกษตรกรรมจึงเป็นภัยต่อถิ่นฐานธรรมชาติและสิ่งแวดล้อมที่ผู้คนมักมองข้าม โดยส่วนมากมักจะมองว่า การพัฒนาที่ดิน และ การตัดไม้ทำลายป่าของอุตสาหกรรมตัดไม้ เป็นภัยมากกว่า

จากข้อมูลขององค์การกองทุนสัตว์ป่าโลกสากล (World Wide Fund for Nature หรือ WWF) พบว่า โลกเสียพื้นที่ป่าไป 18.7 ล้านเอเคอร์ต่อปี เนื่องจากปัจจัยหลักทั้งสามประการดังกล่าว และ พื้นที่ที่สามารถอยู่อาศัยได้ราว 50 เปอร์เซ็นต์ของโลกได้ถูกใช้เป็นพื้นที่เกษตรกรรม

โดยการใช้พื้นที่หลักๆ จะรวมถึงการสร้างที่อยู่ให้กับปศุสัตว์ การปฏิบัติงานทางเกษตรกรรมขนาดใหญ่ และการเพาะปลูกผักและธัญพืชเพื่อรองรับการบริโภคของมนุษย์ โดยมากกว่า 1 ใน 3 เป็นการผลิตพืชอาหารสำหรับปศุสัตว์ เช่น ข้าวโพด ข้าวบาร์เลย์ ข้าวโอ๊ต ข้าวฟ่าง และถั่วเหลือง ในปัจจุบัน เป็นที่ชัดเจนแล้วว่า เทคนิคเกษตรกรรมที่ใช้พื้นที่ขนาดใหญ่เป็นเกษตรกรรมที่ไม่ยั่งยืน

3. อาหารที่ดีต่อสุขภาพมากขึ้น

นอกจากจะลดการใช้พื้นที่สำหรับเทคนิคเกษตรกรรมแบบดั้งเดิมแล้ว CEA และการเพาะปลูกในร่มยังช่วยส่งเสริมอาหารที่ดีต่อสุขภาพมากยิ่งขึ้นอีกด้วย ข้อเท็จจริงทางการแพทย์ที่ได้รับการยอมรับได้ชี้ให้เห็นว่า ถึงแม้มนุษย์จะสามารถกินได้ทั้งพืชและสัตว์ แต่จะได้รับประโยชน์มากกว่าหากรับประทานอาหารที่ประกอบด้วยพืชผัก ผลไม้ และถั่ว โดยรับประทานเนื้อในปริมาณน้อย

เมื่อผู้คนหันมารับประทานอาหารในสัดส่วนนี้มากขึ้น การผลิตอาหารสำหรับปศุสัตว์จะลดลงอย่างมีนัยสำคัญ และส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสู่วิถีชีวิตที่ยั่งยืนสำหรับประชากรโลก

นอกจากนี้ การรับประทานพืชผักมากขึ้นและบริโภคเนื้อน้อยลงยังสามารถลดปริมาณการเลี้ยงปศุสัตว์ได้อีกด้วย ซึ่งจะช่วยลดความต้องการในการขนส่งอาหาร และลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG)

CEA มาถึงทางเลือกเทคโนโลยีการจัดการระบบเพาะปลูก

CEA และการเพาะปลูกในร่มยังอยู่ในช่วงเริ่มต้น และถึงแม้แนวทางที่ใช้กันทั่วไปจะเป็นการติดตั้งและใช้งานโครงสร้างในร่ม เช่น เรือนกระจกในพื้นที่กว้าง แต่ก็มีแนวโน้มเพิ่มมากขึ้นในการใช้โครงสร้างเกษตรกรรมแนวตั้ง ซึ่งรวมถึงโรงงานที่ปรับเปลี่ยนโครงสร้างใหม่หรือคลังสินค้าที่มีหลายชั้น

เกษตรกรรมแนวตั้งนี้จะทำให้การใช้งานที่ดินและการเพาะปลูกพืชต่างถิ่นมีประสิทธิภาพและให้ผลดีมากยิ่งขึ้น นอกจากนี้ เกษตรกรรมแนวตั้งยังเหมาะกับการเลี้ยงสัตว์ปีก ซึ่งอาจมีประสิทธิภาพมากกว่าการเลี้ยงปศุสัตว์ชนิดอื่นเพื่อเอาเนื้อ

มีหลายสิ่งที่ต้องทำก่อนที่จะดำเนินการ CEA และการเพาะปลูกในร่ม ในการสร้างและคงสภาพแวดล้อมให้เหมาะกับพืชต่างถิ่น ผู้เพาะปลูกจะต้องตรวจติดตามตัวแปรต่างๆ เสมอ เช่น ความร้อน แสงไฟ ความชื้นของอากาศ ความชื้นในดิน และธาตุอาหารในน้ำในกรณีที่ปลูกพืชไฮโดรโปนิกส์หรือแอโรโปนิกส์

ผู้ผลิตที่เอาจริงเอาจังในการเพาะปลูกจะมีอาคารหลายหลังที่ใช้สร้างสภาพแวดล้อมปิด ซึ่งในแต่ละหลังจะต้องปรับสภาพแวดล้อมการเพาะปลูกให้เหมาะสมที่สุด โดยจะทำเช่นนี้ได้ ต้องใช้เซ็นเซอร์ที่เชื่อมต่อกับระบบคลาวด์ หรือเซ็นเซอร์ที่ตรวจวัดระดับสภาพแวดล้อมเป็นระยะอย่างต่อเนื่องและรายงานข้อมูลไปยังสถานีตรวจติดตามส่วนกลาง

IoT Edge และ Cloud สำหรับการเพาะปลูก

ขั้นแรกคือ การบันทึกและเก็บข้อมูลสภาพแวดล้อมกลางแจ้งในท้องถิ่นและต่างถิ่น ที่จะใช้เป็นเกณฑ์มาตรฐานในการปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมเมื่อจำเป็น

ในขั้นต่อไป จะต้องเลือกว่าจะใช้เครือข่ายประเภทใด ทั้งนี้ เนื่องจาก IoT สำหรับเซ็นเซอร์เชื่อมต่อมีพร้อมใช้งานมากขึ้นเรื่อยๆ ก็สมเหตุสมผลที่จะใช้เครือข่ายที่ควบคุมด้วยฮับศูนย์กลางหรือเกตเวย์ที่สื่อสารกับเครื่องควบคุมหรือคอมพิวเตอร์

เครื่องควบคุมจะใช้ในการอัปโหลดข้อมูลลงคลาวด์เพื่อใช้ในการวิเคราะห์ต่อไป ทั้งนี้ สามารถใช้ได้ทั้งบริการระบบคลาวด์ที่จดสิทธิบัตรหรือเสนอขายโดยซัพพลายเออร์ที่ได้รับการยอมรับหรือซัพพลายเออร์หน้าใหม่

ผู้เพาะปลูกอาจพิจารณาว่าไม่จำเป็นต้องตอบสนองต่อข้อมูลเซ็นเซอร์ในทันที ในกรณีเช่นนี้ ระบบคลาวด์อาจออกคำสั่งหรือสั่งดำเนินการภายในกรอบเวลาที่ยอมรับได้ อย่างไรก็ตาม หากกำหนดให้มีเวลาแฝงขั้นต่ำหรือไม่มีเลยระหว่างช่วงเวลาส่งข้อมูล

และคอมพิวเตอร์ศูนย์กลางออกคำสั่งหรือสั่งดำเนินการ ผู้เพาะปลูก/ผู้ผลิตสามารถใช้ขั้นตอนระหว่างกลาง โดยใช้เครื่องควบคุมเอดจ์ระหว่างเกตเวย์และระบบคลาวด์ได้ เพื่อเร่งเวลาจากการวิเคราะห์สู่การดำเนินการ สุดท้ายแล้ว ยิ่งสภาพแวดล้อมได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำมากเท่าใด พืชผลก็จะเติบโตได้ดีขึ้นเท่านั้น

การใช้งานเอดจ์คอมพิวติ้งสามารถแยกได้เป็นส่วนหลังบ้าน (Back-end) และหน้าบ้าน (Front-end) โดยแต่ละส่วนมีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงการผลิตพืชผลในสภาพแวดล้อมแบบปิด ส่วนหลังบ้านจะมีองค์ประกอบของเอดจ์คอมพิวติ้งและคลาวด์คอมพิวติ้ง ขณะที่ส่วนหน้าบ้านจะมีองค์ประกอบของเครือข่ายเซ็นเซอร์และเกตเวย์

ทั้งนี้ ในอนาคตจะเกิดระบบนิเวศน์ของซัพพลายเออร์ฮาร์ดแวร์ และผู้บูรณาการระบบเพื่อส่งมอบองค์ประกอบที่จำเป็นในการสนับสนุนสถาปัตยกรรมของโซลูชันนี้เพื่อเพิ่มตัวเลขการใช้งาน IoT ในอุตสาหกรรมที่หลากหลาย องค์ประกอบหนึ่งที่สำคัญคือเครือข่ายเซ็นเซอร์ เนื่องจากเครือข่ายนี้จะจัดวางใกล้กับพืชมากที่สุด และทำหน้าที่ตรวจติดตามสภาพแวดล้อมของพืชและเก็บข้อมูลเพื่อส่งไปยังเกตเวย์

ทั้งนี้ เป็นสิ่งสำคัญเช่นกันที่โหนดเซ็นเซอร์แต่ละตัวจะต้องมีความเรียบง่าย วางใจได้ ใช้งานง่าย และทำงานโดยใช้พลังงานต่ำเพื่อเพิ่มอายุแบตเตอรี่ ทั้งยังสามารถสื่อสารกับเกตเวย์และผู้ให้บริการระบบคลาวด์ โดยใช้วิธีการเชื่อมต่อไร้สายที่หลากหลาย

วิธีเชื่อมต่อไร้สายที่น่าใช้คือ บลูทูธพลังงานต่ำ (Bluetooth Low Energy หรือ BLE) หรือมาตรฐาน Wi-Fi 802.11ah พลังงานต่ำ แบบใหม่ ซึ่งจะทำให้โซลูชันสามารถทำงานภายใต้ย่านความถี่อิสระ (Unlicensed Band) และสื่อสารในระยะทางปกติ คือ 10-100 เมตรในพื้นที่เพาะปลูกในร่ม

มาตรฐาน 802.11ah มีระยะส่งสัญญาณไกลที่สุด คือมากถึง 1 กิโลเมตร อัตราข้อมูลของ BLE และ Wi-Fi 802.11ah คือ 10 กิโลบิตต่อวินาที ถึง 10 Mbps และ 50 Kbps – 100 Kbps ตามลำดับ ทำให้ได้แบนด์วิดท์ที่กว้างสำหรับข้อมูลตัวแปรต่างๆ ที่กำลังตรวจวัด

โหนดเซ็นเซอร์จะต้องมีความปลอดภัยอย่างมาก เช่นเดียวกับธุรกิจอื่นๆ อุตสาหกรรมการเพาะปลูกในร่มหรือ CEA ขนาดใหญ่จะมีเกษตรกรหรือกลุ่มบริษัทเข้ามาเกี่ยวข้องจำนวนมาก ข้อมูลใดๆ ที่สามารถช่วยให้ซัพพลายเออร์รายหนึ่งได้เปรียบในการแข่งขันกับซัพพลายเออร์รายอื่นจะมีคุณค่าในการสร้างกำไรสูง

ความต้องการและความสามารถในการแฮ็กเครือข่ายไร้สายเพื่อชิงข้อมูลที่สร้างความได้เปรียบนั้นได้รับการยอมรับ มองเห็น และเข้าใจ ว่ามีอยู่จริง วิธีที่ดีที่สุดในการลดความเสี่ยงคือ การใช้โซลูชันที่ใช้ฮาร์ดแวร์เป็นหลัก ซึ่งสามารถเข้ารหัสและยืนยันตัวตนได้ทั้งข้อมูลและโหนด ทั้งนี้ วิธีที่ใช้เฟิร์มแวร์หรือซอฟต์แวร์นั้นเป็นที่รู้กันอย่างกว้างขวางแล้วว่าป้องกันแฮ็กเกอร์ได้ไม่ดี

ผู้ออกแบบและผู้ผลิตโหนดเซ็นเซอร์จะสร้างผลิตภัณฑ์ของตนโดยใช้โซลูชันด้านซิลิคอน ที่จะช่วยให้ระบบที่สร้างเสร็จใช้งานง่าย เป็นแบบโมดูลาร์ และสามารถอัปเดตได้ ทั้งยังทำงานโดยใช้พลังงานต่ำ มีความปลอดภัยสูง และยืดหยุ่นในการรองรับทางเลือกการเชื่อมต่อไร้สายต่างๆ

ซัพพลายเออร์เหล่านี้จะทำงานอย่างแข็งขันร่วมกับผู้ให้บริการระบบคลาวด์ชั้นนำเช่นกัน ทั้งนี้ หากโซลูชันจะต้องทำงานได้โดยไม่สนระบบคลาวด์ (Cloud-agnostic) ซัพพลายเออร์ควรมีความสามารถในการปรับแต่งโซลูชันให้สามารถสื่อสารกับระบบคลาวด์ที่จดสิทธิบัตรที่มีคุณสมบัติจำเป็นครบถ้วน

ตัวอย่างหนึ่งของโซลูชันประเภทนี้คือแพลตฟอร์มพัฒนา Google Could IoT Core ซึ่งผลิตโดย Microchip Technology บอร์ดที่พัฒนาแล้วประกอบด้วยไมโครคอนโทรเลอร์, Secure Element, และตัวควบคุมโครงข่าย Wi-Fi เพื่อให้การเชื่อมต่อโหนดเซ็นเซอร์เข้ากับแพลตฟอร์ม Cloud IoT Core ของ Google เป็นไปอย่างง่ายดายและมีประสิทธิภาพที่สุด

ผู้ใช้สามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับ Google Cloud ซึ่งได้รับการ Pre-provision มาพร้อมกับบัญชีทดลองซึ่งไม่เสียค่าใช้จ่ายหรือการทดสอบเสมือนจริง เพื่อดูข้อมูลแสงและอุณหภูมิ

วิธีที่ดีกว่าในการผลิตอาหารให้แก่โลก

CEA และการเพาะปลูกในร่มสามารถช่วยให้การผลิตอาหารทั่วโลกมีความปลอดภัย วางใจได้ และมีประสิทธิภาพมากขึ้น โดยสร้างรอยเท้าภูมิศาสตร์ (Geographic Footprint) น้อยกว่าเกษตรกรรมดั้งเดิมอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ดี ในการทำสิ่งนี้ให้เป็นจริง จะต้องมีเทคโนโลยีตรวจติดตามสภาพแวดล้อม ซึ่งสามารถช่วยให้สภาพแวดล้อมการเพาะปลูกพืชต่างถิ่นปริมาณมหาศาลในร่มมีความเสถียร เครือข่ายเซ็นเซอร์คือหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีความสำคัญอย่างมาก

เนื่องจากสามารถเก็บและส่งข้อมูลตรวจติดตามสภาพแวดล้อมไปยังคลาวด์และดึงข้อมูลจากคลาวด์ได้ เพื่อใช้ในการประมวลผลและวิเคราะห์ นอกจากนี้ โซลูชันการพัฒนาอย่างรวดเร็วยังได้รับการเปิดตัวโดยผู้ให้บริการระบบคลาวด์ชั้นนำเพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ โดยมอบวิธีการรองรับโซลูชันด้าน CEA และการเพาะปลูกในร่มที่เรียบง่ายและยืดหยุ่น