Датчики для «умного растениеводства». Продолжение

В последние годы в сельское хозяйство началось внедрение интернет-технологий, спутниковой связи и геопозиционирования, робототехники, датчиков и систем автоматизации.

Оригинальные решения: электронный нос и язык

Интересное решение предлагает индийский Центр по развитию современных вычислений (C-DAC). Его исполнительный директор Набарун Бхаттачариа уверен, что почти на всех этих этапах сельхозпроизводства можно применять современные сенсорные системы.
— Уже сегодня мы можем отслеживать температуру, влажность воздуха, состояние почвы, чтобы, например, определять, когда пора проводить мелиорацию, — отметил он. – А с помощью электронно-химических сенсоров, таких как электронный нос, мы можем контролировать качество итоговой продукции. И, наконец, биологические сенсоры позволяют нам не переборщить с пестицидами, не допустить повышения токсичности почвы или воды.
В C-DAC для лабораторного тестирования жидкостей использовали потенцио-метрические датчики. Они также применяются для электрохимического анализа окружающей среды. Метод инфракрасной спектроскопии позволяет определять состав различных природных смесей, не разрушая структуру исследуемого вещества. С помощью камер с качественным увеличением изображения фермеры могут удаленно заметить болезнь, поразившую ту или иную сельскохозяйственную культуру.
С помощью электронного носа или электронного языка можно узнать состав тех или иных образцов выращенных культур и, как следствие, их потребительские свойства. Эти сенсоры можно использовать для определения вкуса и аромата не только продуктов питания, но и тех растений, которые используются в парфюмерии, например жасмина. Подобные технические устройства уже успешно коммерциализируются в Индии, ряд аналогичных разработок уже применяется в странах Европы и Америке.

Датчики на колесах

В последние годы во многих странах ведутся разработки по созданию мобильных датчиков, позволяющих собирать и систематизировать информацию с поля с «колес», а в идеале — в процессе прохода техники. Уже есть ряд удачных тому примеров, например, с успехом в Австралии и Канаде работает автоматизированная система точного опрыскивания WeedSeeker. Она монтируется на опрыскиватель и предусматривает оперативное дифференцированное внесение СЗР, которое осуществляется за счет индивидуальных форсунок и оптических элементов, распознающих наличие сорной растительности на поле. Встроенные светодиоды сканируют поверхность поля в красном и инфракрасном диапазоне. Затем отраженный от поверхности свет улавливается детектором, который находится на центральной части сенсора. Электронная часть сенсора анализирует характеристики отраженного света, если зеленое растение определено, то подается сигнал на форсунку. Определив, что под сенсором находится зеленое растение, в зависимости от настройки скорости, сенсор ожидает, пока форсунка не окажется над растительностью, после чего происходит моментальное опрыскивание. Все это позволяет сельхозпроизводителю снизить затраты, отказавшись от сплошного применения химикатов, и сократить необходимость их повторного применения.



Интересным является решение по дифференцированному внесению удобрений от немецкого разработчика – компании Fritzmeier, которая предлагает аграриям сенсор стеблестоя ISARIA. Благодаря активному, невидимому для человеческого глаза излучению датчик измеряет в режиме реального времени содержание азота в растениях. Принцип при этом довольно прост: чем больше азотосодержащих соединений в растениях, тем интенсивнее отражение. В результате определяется недостающее количество азота, что вместе с рекомендациями с прикладных карт – если таковые имеются – становится исходной точкой для назначения оптимальной нормы внесения.
Благодаря различным элементам крепления сенсор ISARIA может быть легко установлен на передней навеске трактора либо на штанге опрыскивателя для внесения жидких удобрений. Bluetooth-соединение обеспечивают быструю передачу данных, а сенсорным терминалом может управлять даже низкоквалифицированный персонал. Благодаря размещению сенсорики непосредственно над стеблестоем ISARIA определяет содержание азота во всем растении, вплоть до последнего нижнего листка. Четыре потока излучения служат для получения максимально точных данных, а картирование стеблестоя позволяет создать универсальную карту поля.
Понятно, что велик соблазн поставить «на колеса» и почвенные сенсоры. Но, как выяснилось, в данном вопросе есть свои трудности. Как известно, наиболее распространенные методы измерений при автоматическом отборе и анализе почвенных проб, так же как и при лабораторных исследованиях, можно разделить на три группы: геоэлектрические, гамма-спектрометрические, а также ИСЭ (ионоселективные электроды). Однако универсальный измерительный прибор до сих пор не разработан. Каждый из методов имеет свои сильные и слабые стороны.
Результаты геоэлектрических измерений, будь то электропроводность или электрическое сопротивление, зависят от довольно большого количества факторов: влажности, гранулометрического состава почвы, плотности, содержания солей и температуры. На гамма-спектрометрию, заключающуюся в измерении естественного излучения содержащихся в почве радио-нуклидов, влияют кислотность почвы, содержание в ней глины и степень обогащения ее питательными веществами. Самые точные и быстрые измерения pH почвы можно произвести с помощью ИСЭ.
 С недавних пор для почвенного анализа стали использовать и оптические датчики. Принцип их работы во многом схож с принципом работы азотного сенсора. Однако в данном случае почвенный спектрометр определяет степень отражения света не от поверхности листа, а от частиц почвы. Поэтому сенсор располагается гораздо ближе к поверхности почвы — на высоте около 10 см. Заключение о составе почвы делается на основе регистрации отраженных световых волн как в видимом, так и в инфракрасном спектрах. Степень поглощения световых волн различными частицами почвы различается достаточно сильно. Скажем, почва, содержащая много железа, имеет красноватый оттенок, а много гумуса – черный.
Мобильные почвенные сенсоры для управления актуальной нормой внесения удобрений в режиме реального времени представлены продукцией американской компании Crop Technology. Для работы предлагаемой ею системы Soil Doctor System требуются предварительно собранные данные и подготовленные карты полей. И лишь при наличии этих составляющих можно будет приступить к дифференцированному внесению удобрений. Однако лаг между измерением и внесением имеет и свои преимущества. Во-первых, данные, полученные сенсорами, можно проверить на отсутствие в них ошибки. Вторым моментом является то, что можно провести калибровку сенсоров дополнительными почвенными пробами.
Подобного типа системы представлены в производственном портфеле другой американской компании – Veris Technologies. В данном случае системы устанавливаются на модульной платформе. Измерения выполняются на ходу, когда платформу буксируют по полю. За измерение электропроводности отвечают шесть заглубленных в почву дисков. Что же касается кислотности почвы, то для ее измерения на платформе закреплен перфорированный конус. Оттуда захваченные частицы почвы отправляются в накопитель. Последний периодически поднимается, и благодаря этому сурьмяные электроды оказываются погруженными в пробу. Опционально можно дооснастить указанную платформу почвенным спектрометром, чтобы измерять разные характеристики почвы, в частности содержание в ней гумуса, фосфора и азота.
Однако, как отмечают практики, минусом данной машины является низкая производительность (200 га в день) и ряд ограничений (замерзшее или сухое поле, осадки во время измерения, наличие на поверхности поля большого количества растительных остатков и т.д.), связанных с возможностью их использования. При этом метод дает информацию о неоднородности почвы и является хорошим инструментом, облегчающим принятие агрономических решений.
На сегодняшний день достаточно распространенной моделью почвенного сканера является EM 38 от канадской компании Geonics. Вместо дисковых электродов, которые прорезают пласт почвы, за измерение электропроводности отвечают две индукционные катушки. Они закреплены на специальных полозьях и буксируются по полю. При этом каждую секунду передающая катушка излучает электромагнитные волны в почву, которые при прохождении через различные структуры почвы индуцируют различные токи. Образуются вторичные волны, которые улавливает и преобразует приемная катушка.
Пять лет назад ученые из Университета Потсдама, Института овощеводства и декоративного садоводства (IGZ) им. Г. В. Лейбница (Гросберен и Эрфурт) разработали гибридный почвенный сенсор Geophilus electricus, в котором измерение электропроводности почвы скомбинировано с использованием гамма-зонда. Двенадцать изолированных и установленных попарно металлических дисков выполняют функции электродов. Первая пара дисков служит для почвы источником электрического заряда. Остальные пять пар – для регистрации электрического напряжения в пластах почвы на различной глубине. Чем больше расстояние от питающего электрода до снимающего показания электрода, тем на большую глубину работает эта пара. Ширина захвата такого сенсора составляет 18 метров. На основе значений электропроводности почвы, информации гамма-зонда, а также данных точного геопозиционирования создается трехмерная почвенная карта поля. Отдельные тематические карты полей могут быть объединены в общую информационную базу для создания атласа всех полей хозяйства. Наряду с получением информации о почвенных горизонтах, их конфигурации (уклоны, ровные участки и т. д.), способности почвы накапливать воду и питательные вещества вышеуказанная база позволяет сформировать массив данных о влиянии вышеупомянутых параметров на такие релевантные агрономические показатели, как влажность устойчивого завядания и эффективность влагоудерживающей способности, т. е. фактически получить картированные данные по влагоемкости и доступности влаги для растений.
— Подобная информация поможет понять причины колебаний электропроводности почвы. Ведь одно дело, когда высокая влажность почвы определяется тем, что здесь просто низина, а совсем другое – ее связь с составом почвы,– рассказывает один из разработчиков Geophilus electricus д-р Йерг Рюльман из IGZ. — Все это требует особого внимания в регионах с лимитированным количеством осадков: норма внесения удобрений должна соответствовать влагоемкости почвы. Конечно, мелкому фермеру подобная точность измерений и картирования может и не нужна. Но если говорить о крупном хозяйстве, то такой подход оправдан: во-первых, он способен полностью раскрыть в долгосрочной перспективе весь потенциал урожайности; а во-вторых, сэкономить за счет дифференцированного внесения минеральных удобрений.



Кроме этого, в Европе ведутся научные работы с применением ионоселективных электродов, которые могут определять не только pH почвы, но и содержание фосфатов, калия, нитратов. Совершенствуются и сами сенсоры. Необходимость в большей проникающей способности подталкивает исследователей к переходу на так называемые терагерцевые сенсоры. Однако повышенная проникающая способность – не единственное преимущество. Наряду с малой мощностью, соответственно меньшим энергопотреблением, а также отсутствием вреда для здоровья их излучение полностью поглощается водой и отражается металлом. Новые сенсоры определяют органические субстанции в почве.
При всем желании сделать датчики мобильными, у данной системы есть один минус — обладая немалой, по сравнению с метеостанциями и стационарными датчиками стоимостью, они не могут похвастаться высокой производительностью. В ряде случаев использование базовых метеостанций с комплектом необходимых датчиков, в комплексе с применением БПЛА и космической съемки могут быть на несколько порядков эффективнее. Как правило, на практике наиболее актуален тот подход, который обеспечивает наибольшую производительность при сохранении качества. Все зависит от конкретной задачи, для решения которой используются сенсоры.
Константин Сергеев
Ресурсосберегающее земледелие, №1, 2019

0 комментариев

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.