Датчики и метеостанции для «умного растениеводства»

Умное сельское хозяйство — концепция ведения сельскохозяйственной деятельности, основанная на внедрении современных технологий: IoT, датчиков, БПЛА, GPS и ГЛОНАСС, автоматизирующих систем и т.п., в процесс получения сельскохозяйственной продукции, с целью повышения урожайности, снижения затрат и получение качественной и безопасной продукции.

В современном мире сельское хозяйство становится сектором с очень интенсивным потоком данных. Само понятие «умное сельское хозяйство» подразумевает целый комплекс оборудования, техники, технологий, информационных и интеллектуальных решений. Информация поступает от различных устройств, расположенных в поле, на ферме, от датчиков, агротехники, метеорологических станций, дронов, спутников, внешних систем, партнерских платформ, поставщиков.
Общие данные от различных участников производственной цепочки, собранные в одном месте, позволяют получать информацию нового качества, находить закономерности, создавать добавочную стоимость для всех вовлеченных участников, применять современные научные методы обработки (data science) и на их основе принимать верные решения, минимизирующие риски, улучшающие бизнес производителей и клиентский опыт.
Рассматривая технологии, внедряемые в умное сельское хозяйство, стоит выделить несколько ключевых направлений:
1. Спутниковая навигация – ориентирование техники на местности, слежение за животными;
2. Беспилотные транспортные средства и летательные аппараты – обработка, слежение за состоянием и сбор урожая;
3. Датчики и сенсоры – мониторинг состояния урожая, погоды, почвы и т.п.;
4. IoT-платформы – контроль данных, поступающих с датчиков, техники и других устройств;
5. Big Data – анализ данных, получаемых за все время с датчиков для выделения знаний, полезных для сельского хозяйства.

В последние годы в сельское хозяйство началось внедрение интернет-технологий, спутниковой связи и геопозиционирования, робототехники, датчиков и систем автоматизации. На сегодняшний день в земледелии уже внедрены и активное используются: системы GPS и ГЛОНАСС, что позволило повысить точность движения техники по полю и дало развитие технологии контролируемого проезда по полю (CTF), а в перспективе – обеспечит переход к роботизированному транспорту и автономизации в АПК.
Использование чувствительных датчиков позволяет следить за состоянием почвы, точно учитывать ее состав на конкретных участках и вносить удобрения там, где нужно. Активно используются БПЛА для наблюдения за посевами, распыления удобрений и средств от насекомых. Предполагается, что применение Big Data в сельском хозяйстве обеспечит значительное улучшение качества знаний о процессах, происходящих при росте продукции. Сейчас период с 2015 до 2018 года эксперты в отрасли современных информационных и нано-технологий называют «экспериментальными» и прогнозируют бурное развитие умного сельского хозяйства уже в 2019 и последующих годах.
Одним из ключевых элементов «умного растениеводства» является использование современных датчиков (сенсоров), позволяющих получать объективную информацию с полей (состояние посевов, контроль насекомых, температурный режим почвы и т.д.) и метеоданные.

Датчики в растениеводстве

Использование датчиков и сенсоров в сельскохозяйственной деятельности — важный шаг на пути к созданию интеллектуального сельхозпроизводства.
Разнесенные на десятки квадратных километров, они могут непрерывно передавать по радиоканалам информацию о состоянии контролируемых объектов — в частности, значение таких параметров, как влажность, температура почвы и воздуха, уровень здоровья растения и т.д.
Например, основой системы определения характеристик почвы являются сенсоры, которые устанавливаются в контрольных точках. Эти датчики предназначены для выявления неоднородности (рельефа, типа почв, освещенности и т.д.). Измеряемые параметры отправляются на сервер, а оттуда – на устройства пользователей. Получив необходимые данные, агрономы принимают решения о том, какие агрокультуры можно более эффективно выращивать на каждом участке поля. Ведь на одном поле может насчитываться несколько участков с разными агрокультурами. После того как неоднородности выявлены, необходимо грамотно подойти к уходу за растениями.
Самые распространенные датчики в сельском хозяйстве – это сенсоры влажности почвы, их применяют сельхозпроизводители, которые выращивают культуры на орошении.
Как правило, такие сенсоры подключены к облачным сервисам для своевременной передачи информации. Обычно, при ручном поливе, норма расхода воды рассчитывается заблаговременно и не учитывает многих параметров, в результате чего, из-за избыточной циркуляции воды, может возникнуть эрозия почвы. Датчики же могут выявить, при учете таких факторов, как тип агрокультуры, фаза ее роста и т.д., когда почвенный слой достаточно увлажнен и избежать его переувлажнения. В этом случае значительно сокращается расход воды.
Кэрол Ренауро, менеджер продуктовой линейки для работы с водными ресурсами от корпорации John Deer, отмечает, что эта группа датчиков — лишь малая часть из представленных на рынке:
— Почвенные сенсоры являются важными источниками информации для точного земледелия. Есть еще сенсоры для мониторинга окружающей среды, для определения питательных веществ в почве, с каждым годом растет количество измеряемых величин, и увеличивается срок службы сенсоров.
При этом датчики помогают не только выращивать агрокультуры, но и хранить урожай. Замеры влажности и температуры в складских помещениях проводятся по графику или в режиме реального времени, а настройка сенсоров под индивидуальные характеристики агрокультуры позволяет как можно дольше сохранять урожай. Современные системы позволяют обнаруживать загнивание, даже если овощи или фрукты хранятся в больших навалах.



Подчас сенсоры в растениеводстве ставят в один ряд с основными средствами производства, потому что работают они совместно. Зарубежный опыт показывает, что даже небольшие семейные фермы размером в несколько десятков гектар получают значительный экономический эффект от установки датчиков и программного обеспечения для поддержки принятия решений. И если собственник предприятия относится к нему как к развивающемуся и долгосрочному бизнесу, считает маржу, обдумывает варианты оптимизации затрат, он неизбежно придет к автоматизации, вне зависимости от размера своего хозяйства.
По экспертным оценкам, к 2020 году порядка 40% российских хозяйств будут использовать для мониторинга текущей ситуации в полях различные сенсоры и соответствующее программное обеспечение.

Метеостанции

На сегодняшний день сразу несколько компаний на рынке предлагает аграриям в качестве базового инструмента для мониторинга погоды, почвы и состояния посевов профессиональные автоматические метеостанции с набором специализированных датчиков. Рассмотрим наиболее популярные модели метеостанций.
Автоматические метеостанции компании DAVIS — Vantage Pro и Vantage Pro2 Plus (проводная и беспроводная версии в различных комплектациях датчиками) производятся в США. Они позволяют оперативно получать собственный местный прогноз погоды, конкретизированный под участки поля. Прогноз погоды осуществляется по улучшенным алгоритмам на основании анализа текущих измеряемых параметров и тенденции их изменения. При помощи специализированного программного обеспечения данная информация архивируется, анализируется и затем отображается на консоли (дистанционно) пиктограммами (ясно, пасмурно, дождь, снег и проч.) и более подробно — бегущей строкой.



Данная метеостанция совместима с рядом дополнительных датчиков: для контроля ультрафиолетовой и солнечной радиации, интенсивности испарения, влажности и температуры почвы, и т. д.
Еще один представитель рынка – агро-метеосистемы SAS. Все погодные станции данной серии полностью автономны и могут быть установлены непосредственно на поле. Текущие показания сенсоров передаются по GSM-каналу на сервер для дальнейшей визуализации погодных данных пользователю, который самостоятельно может определять периодичность получения актуальных погодных данных. То есть, пользователь получает оперативные данные в любое время, из любой точки планеты, на компьютере, планшете или смартфоне. Система оповещает о наступлении неблагоприятных погодных условий, которые могут помешать качественному проведению полевых работ.
В базовую комплектацию SAS входят сенсоры для регистрации наиболее важных погодных показателей, таких как температура, осадки, скорость и направление ветра. Для контроля дополнительных метеорологических параметров к станции подключаются специализированные сенсоры: датчик температуры почвы способен определить оптимальные сроки для посева, датчик влажности покажет запас продуктивной влаги и даст необходимую информацию для управления ирригацией и т.д. Количество сенсоров ограничивается лишь сложностью решаемой задачи и набором необходимых к мониторингу параметров. Данные с датчиков и погодной станции поступают на сервер. Пользователь видит в программе все необходимые ему погодные данные в удобной для него визуальной форме: в виде графиков и диаграмм или, необходимой для дальнейшей сводной аналитики, табличной форме. Срок хранения погодных данных на сервере не ограничен. Для удобства пользователей в системе могут предоставляться исторически районированные погодные данные за последние 20 лет.



Достаточно широк ассортимент метеостанций, датчиков и регистраторов данных для растениеводства WatchDog (США). Полнофункциональные метеостанции семейства WatchDog позволяют получать точную информацию о погоде в режиме реального времени прямо с поля. Они осуществляют мониторинг, запись и анализ более десятка важных экологических показателей и обеспечивают хранение данных в безопасной, энергонезависимой памяти.
Выбор интервала измерений от 1 до 60 минут (хранит в течение 183 дней данные с 30 минутным интервалом). Возможно подключение нескольких ПК к станции, не влияя на процесс сбора данных. Метеостанция позволяет измерять следующие параметры:
— направление и скорость ветра;
— температуру и влажность воздуха;
— количество осадков;
— определяет точку росы;
— солнечную радиацию;
— эвапотранспирацию.
Метеостанции серии WatchDog имеют несколько внешних каналов для подключения различных датчиков:
— датчик влажности почвы WaterScout SM 100 емкостного типа, который реагирует на изменения в содержании влаги в почве для применения лучших решений для орошения;
— датчик влажности почвы/ЕС/температуры WaterScout SMEC 300 – его карбоновые электроды обеспечивают большую измерительную поверхность электрической проводимости (EC);
— датчик СО2 — недиспергирующий инфракрасный (НДИК) анализатор уровня углекислого газа, измеряет концентрацию в мг/м3;
— датчик LightScout регистрирует УФ-излучение в диапазоне 250-400 нанометров с последующим расчетом дневных норм;
— квантовый датчик света LightScout Quantum фиксирует излучение в диапазоне от 400 до 700 нм с последующим расчетом дневного освещения (точность is ± 5%);
— датчик влажности листьев, позволяет выявлять периоды, наиболее благоприятные для развития болезней растений. Принцип работы основан на изменении сопротивления между позолоченными дорожками при различных уровнях влажности. Возможно подключение до двух датчиков к погодной станции;
— датчик солнечной радиации LightScout — диапазон измерения от 300 до 1100 нанометров;
— внешний датчик температуры почвы, воздуха или воды;
— датчик включения/выключения орошения: позволяет проводить анализ взаимосвязи между периодами орошения и влажностью почвы, встраивается в систему полива, работает совместно с датчиком уровня почвенной влаги.



Возможно также комплексное использование станции болезней растений WatchDog 2000 с пакетом мониторинга и протоколирования данных, предназначенных для предупреждения ситуаций, которые приводят к той или иной болезни.
Интересен продукт от разработчиков из Австрии — автоматическая профессиональная метеостанция для сельского хозяйства iMETOS. iMETOS непрерывно собирает все необходимые данные с конкретного участка поля и передает их на веб-сайт каждые два часа, где информация сохраняется в базе данных. iMETOS питается от батарей, подзаряжаемых с помощью солнечной панели — нет необходимости в замене батарей или их специальной подзарядке.
Для установки iMETOS необходим действующий GPRS-контракт с достаточно хорошим GSM-приемом на территории и SIM-карта с отключенной опцией запроса пин-кода.
Плюсом данной метеостанции является то, что для получения данных об осадках не требуется дополнительного программного обеспечения. Интернет-браузер и пароль на сайте поддержки делают доступными отчеты и графики, построенные на базе данных, полученных с поля. Параметры метеостанции можно вводить и корректировать непосредственно на веб-сайте в специально отведенной для этого области. Там же можно ввести телефонные номера для посылки СМС-сообщений с предупреждениями о заморозках и других стрессовых ситуациях.
На сегодняшний день достаточно популярной моделью этого производителя является метеостанция SMT 300, которая уже в базе комплектуется датчиками температуры воздуха, температуры почвы и относительной влажности, влажности листьев, осадков, глобальной радиации и скорости ветра, позволяет максимально точно рассчитывать коэффициент ЕТ для конкретной территории, рассчитать водный баланс для определенной культуры в режиме реального времени. Очень удобно для пользователя то, что эти данные можно загрузить в программу Excel или в любую другую базу данных.
Также производитель метеостанции предлагает дополнительный сервис-подписку на прогнозы. Специальная модель на сервере может спрогнозировать заболевания в реальном времени для ряда сельхозкультур:
— пшеницы (ржавчина, септориоз, фузариоз);
— канолы, подсолнуха, перца (склеротиниоз);
— сои (ржавчина);
— сахарной свеклы (церкоспороз);
— картофеля (черная альтернариозная пятнистость картофеля, картофельная гниль — фитофтороз);
— лука (ложная мучнистая роса, ботритис) и т.д.
Ресурсосберегающее земледелие №1, 2019
Продолжение следует

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.