Системи за напояване в селското стопанство

С нарастването на световното население е необходимо производството на все по-голямо количество храна, но нужната за напояване вода е ограничен ресурс, затова наред с разработването на алтернативни източници на водни ресурси, се развиват и по ефективни системи за напояване, които да намалят загубите и да оптимизират използването на ресурси по най-благоприятен за посевите начин, така че да се постигне максимално количество и качество на реколтата.
При интелигентните системи за напояване се използват множество сензори, измерващи различни параметри, които предават събраните данни към система, чрез която земеделският производител получава пълна информация за условията и решава кога и колко вода да бъде подадена, а в някои случаи системата е автоматизирана според предварително зададени желани стойности. Развитието на тези технологии и постигането на все-по голяма автономия е свързано както с разработването на все по-прецизни сензори, така и все по-мощни алгоритми и сложни софтуерни платформи, които да обработват получените данни.

Текст: списание АгроБио Техника

Световното население нараства, а с него и количеството храна, която трябва да бъде произвеждана всяка година, докато водата, наред с обработваемите площи, въпреки усъвършенстването на алтернативни източници като пречистване на отпадни води или обезсоляване, остава силно ограничен ресурс. Повече от половината от извличаните водни ресурси на планетата се използват в земеделието, като в същото време по-голямата част от нея се губи заради изпарения, течове или просто заради неефективни методи за напояване. Това налага въвеждането на по-добри системи за напояване, които да пестят водата, като същевременно спомагат за оптималното развитие на насажденията. Това включва не само пренасочване към методи като капково напояване и напояване с пръскачки, но и внедряването на интелигентни технологии, чрез които процесът да се автоматизира и да се извършва само тогава, когато наистина е необходимо, за което се разработват разнообразни сензори от една страна, а от друга - софтуер, който да обработва постъпващата информация. Автоматизацията и Интернет на нещата при земеделското напояване, наред с други операции, е свързана и с намаляването на работната ръка в селското стопанство.

Ползи от интелигентните технологии в напояването

Отчитането в реално време на количеството използвана вода спомага за контролирането на напояването и пестенето на водните ресурси. Работата с данни в реално време наистина е ключова за постигането на максимална ефективност. Интелигентните сензори могат също така да откриват неизправности в напоителната система и могат да предотвратят изтичането на вода при липса на подходящ надзор от работници. Малките течове и пукнатини в традиционните напоителни системи (в резервоари, тръбопроводи и др.) могат да доведат до значителни загуби на вода. Ръчното откриване на източника на тези проблеми често е трудно и може да отнеме много време. Инсталирането на интелигентни инструменти за напояване е добър начин да справяне с такива проблеми. Сензори могат да открият съществуващи проблеми във всяко напоително устройство в реално време, което страна улеснява незабавното извършване на необходимите ремонти.

Освен за пестенето на ресурси, прецизното контролиране на напояването чрез автоматизирани системи, работещи с данни от различни сензори, спомага и за постигането на най-добри условия за насажденията - те получават точното количество вода в правилния момент. Така се предотвратява умирането им поради суша или преполиване и се повишават качеството и количеството на реколтата. Чрез създаването на оптимални условия за растенията може дори дотолкова да се съкрати периодът на тяхното развитие, че да бъде възможно отглеждането на още една реколта годишно. Замяната на ръчно контролираното напояване с автоматични клапани и системи също премахва елемента на човешка грешка, като например да се забрави да се изключи клапан след поливане на посевите.

Методи за напояване

Съществуват няколко основни метода за напояване, като всеки от тях има своите подвидове. Повърхностното напояване е прилагането на вода чрез гравитачен поток към повърхността на полето. Или цялото поле се залива с вода (което е изключително подходящо за някои култури) или водата се подава в малки канали, бразди или ивици земя.

Напояването с пръскачки наподобява ефекта от естествените валежи. Водата се изпомпва през тръбна система и след това се разпръсква върху културите чрез въртящи се спринклерни глави. Системата трябва да бъде проектирана така, че да позволява равномерно разпределение на водата.

При капково напояване водата се пренася през тръбна система до нивите, където изтича бавно върху почвата близо до самите растения. Овлажнява се само непосредствената коренова зона на всяко растение, поради което това може да бъде много ефективен метод за напояване. При капково напояване към растенията се подава вода по-често (обикновено на всеки 1 до 3 дни), отколкото при други методи и това осигурява много благоприятно високо ниво на влага в почвата, в която растенията могат да се развиват по най-добрия начин, но също така ги прави по-уязвими при възникнали повреди, които трябва да бъдат отстранявани възможно най-бързо. Системата за капково напояване обикновено е постоянна, така че лесно може да бъде автоматизирана, което обаче изисква специализирани умения и затова този подход е неподходящ, ако те липсват. Пестенето на вода, което може да се постигне с помощта на капково напояване, се осъществява благодарение на намаляването на просмукването, повърхностния отток и изпаряването на вода, но това зависи не само от самото оборудване, но и от това как е управлявано.

Пригодността на различните методи за напояване зависи главно от фактори като природни условия (вид на почвата, наклон, климат, качество и наличност на водата), видовете отглеждани култури, вид технология, предишен опит с такъв метод за напояване, необходим труд и квалификации на работниците, разходи и ползи. Като цяло капковото напояване и напояването с пръскачки са технически по-сложни методи. Закупуването на оборудване изисква големи инвестиции, а за поддържането му са необходими определени компетенции и редовно снабдяване с гориво и резервни части.

След като днес на селскостопанските производители им се налага да използват възможно най-малко вода, един от начините да се постигне това е като се премине към по-ефективни методи за напояване, като капковото напояване или напояването с пръскачки. Тези методи намаляват загубата на водни ресурси заради изтичането й по повърхността на почвата или изпаряването й.

Основни принципи на интелигентните системи за напояване

В основата на селскостопанските решения, използващи интернет на нещата (Internet of Things - IoT) е система за наблюдение на условията (светлина, влажност, температура, влага в почвата, здраве на културите и др.), при които се развиват посевите, с помощта на сензори. Автоматизираната напоителна система действа въз основа на събраните по този начин данни. IoT в селскостопанските технологии включва специализирано оборудване, безжична връзка, специализирани софтуерни програми, облачни и други услуги, свързани с информационните технологии. Събирането, съхранението, анализа и разпространението на данни между различни интерфейси, приложения и устройства дава възможност за бързо реагиране и за взимането на най-добрите решения при напояването на земеделски култури.

Компонентите на автоматичните системи за напояване включват сензори и/или датчици, превключватели за налягане, дебитомери, детектори за ниво на водата, задвижващи механизми, електромагнитни или моторизирани клапани, помпи, комуникационна система, подаваща сигнали безжично, използваща локален достъп до компютъра на потребителя или отдалечен достъп чрез интернет и/или чрез SMS, както и управляващи устройства или компютри, снабдени с различни приложения за обработка и съхранение на получените данни и подаване на команди към системата.

За контрол на напоителните системи се използват два основни типа контролери: отворени системи за управление и затворени системи за управление. Отворените системи за управление прилагат предварително зададено действие, като това се прави с прости таймери за напояване. Затворените системи за контрол получават обратна връзка от сензори, вземат решения и прилагат резултатите от тези решения към напоителната система.

При отворена система за контрол, операторът взима решение за количеството вода, което ще се използва, както и кога ще се случи напояването. Тази информация се програмира в контролера и водата се подава според желания график. Прекратяването на напояването може да се извършва според предварително зададено време или може да се основава на определен обем вода, преминаващ през дебитомер. Отворените системи за управление се различават по дизайн и сложност и често предлагат гъвкавост по отношение на броя на зоните и начина на планиране на напояването. Техен недостатък е неспособността им да реагират автоматично на променящите се условия в околната среда. Също така може да се налага често рестартиране и препрограмиране, за да се постигне висока ефективност.

В затворени системи за контрол, операторът разработва обща стратегия за управление. След като тя бъде определена, системата за контрол взима подробни решения кога да се подава вода и в какви количества. Този тип система изисква обратна връзка от един или повече сензори и въз основа на данни от тях се взимат решения и се извършват действия относно напояването. Обратната връзка и контролът на системата се извършват непрекъснато. Затворените системи за контрол изискват събиране на данни за параметри на околната среда (като влага на почвата, температура, радиация, скорост на вятъра и др.), както и за параметри на самата напоителна система (налягане, поток и др.). Състоянието на системата се сравнява с конкретно желано състояние и решението дали да се извърши конкретно действие се основава на това сравнение.

Сензори

Автоматизираните системи за напояване могат да включват разнообразие от сензори, които измерват различни показатели, свързани с почвата, въздуха и самите растения. Сензорите за влага в почвата действат като система за мониторинг, която засича също солеността, pH и други показатели на почвата около растението. Някои системи включват устройства за мониторинг на почвата в интелигентните пръскачки. Част от различните технологии са просто различни методи за събиране на едни и същи типове данни, но от различни места. Някои технологии могат по уникален начин да събират огромни количества данни, което не е възможно с други методи, включително някои измервания (като ултравиолетови показания на почвата при култури) е невъзможно да се събират ръчно.

Напоителните технологии отбелязват значителен напредък във възможностите, които предлагат, заради увеличаването на търсенето на такива продукти и засилената конкуренция. Иновациите засягат както подобрения на функционалностите на вече утвърдени устройства, така и създаването на нови видове сензори, които измерват показателите с повече подробности, анализират данните по по-лесни за разбиране начини или автоматично задействат помпите и пръскачките, когато се засекат определени показатели за влагата в почвата или във въздуха.

В интелигентните напоителни системи се използват няколко основни вида сензори. Сензорът за влажност на почвата (soil moisture sensor - SMS) изследва диелектричната константа на повърхността на почвата (способността на почвата да предава електричество), за да изчисли съдържанието на вода. Контролерите с такива сензори могат да работят, като имат възможност за започване и прекратяване на напояването или имат възможност за разрешаване на напояването в рамките на предварително зададени прагови нива. Температурните сензори обикновено използват усъвършенствани компоненти за устойчивост на температура (Resistance Temperature Detector components - RTD) за точно проследяване на температурата на почвата. Тези системи са отговорни за включването или изключването на помпите по всяко време съгласно точното определени желани показатели на почвата.

Други сензори следят за улавянето на влагата в почвата, т.е. количеството вода на разположение на растението в даден момент. Тези сензори обикновено са заровени близо до корените на растенията в плътен слой почва (но все пак върху тях не трябва да има прекалено голям натиск), така че въздушните мехурчета да не повлияят на показанията. Тези данни понякога се изпращат обратно към цялостна система за напояване, която отваря или затваря клапаните на тръбопроводите и пръскачките. Камерите под налягане измерват количеството влага, налично в дадено растение във всеки даден момент, като прилагат въздушно налягане върху листата и изследват количеството напрежение вътре в растението и може да се използват за оценка на здравето на растенията.

Ключово за оптималното използване на всеки тип сензори е правилното им поставяне, за да засичат и изпращат достоверни данни. Също така за развитието на тези технологии е важно разработването на батерии, които издържат по-дълго време, така че на селскостопанските работници да не им се налага често да сменят батериите на десетки и дори стотици устройства, разположение след посевите, което би елиминирало пестенето на човешки труд като предимство при интелигентните напоителни системи. Някои производители твърдят, че техните сензори и методи са единствените, които могат да предоставят цялата необходима информация, но засега това не е възможно, тъй като всяко стопанство е различно и се нуждае от различни данни, които не могат да бъдат събрани само чрез един сензор и трябва да се работи по разработването на индивидуални решения, съчетаващи различни технологии. Могат да бъдат инсталирани цифрови метеорологични станции, за да помагат на земеделските производители да наблюдават текущите условия като температура на околната среда, обща сума на валежите, влажност и други показатели.

Обработка на данни и автоматизиране на системата

Иновациите в технологията за напояване засягат не само разработването на по-добри сензори, но и развитието на софтуер за анализ на данните от тях. В началото събирането на данни се е извършвало веднъж седмично или дори месечно, но днешните технологии позволяват състоянието на посевите да се проверява в реално време. Засега тези технологии предоставят по-добра информация на земеделските производители, така че те да взимат правилните решения и малко системи разполагат с изкуствен интелект, който да замени интуицията и познанията на опитните земеделци при взимането на решения за предприемането на различни действия, но някои функции като капково напояване могат да бъдат автоматизирани според предварително зададени параметри. Има платформи, които също така изключват системата за напояване, ако сензорите засекат течове.

Интелигентните микроконтролери са в основата на автоматизираните напоителни системи. Сензорите за влага на почвата и сензорите за температура изпращат данни в реално време до микроконтролера. Предварително е посочен диапазон за влажност и температура и когато действителните стойности са извън този диапазон, микроконтролерът автоматично включва водна помпа, а цялата система обикновено може да се управлява чрез мобилно приложение.

Въпреки че интелигентните сензори имат много предимства, за тях си остава ограничение, че не отчитат по-общи метеорологични данни, които също имат голямо значение при планиране на напояването, за да не се губят водни ресурси поради изпаряване в горещите дни или да се полива напразно, докато в същото време вали. По-сложните интелигентни системи за напояване работят не само с данни от сензорите, но и получават данни от други източници, например спътници, за да получат информация за по-мащабни атмосферни влияния, като използват също и историческа информация за метеорологичните условия.

Други системи взимат предвид вида отглеждани култури, типа почви и наклона, за да определят времето за напояване и необходимото количество вода. Напоителните методи ще продължат да се развиват и ще изискват все по-малко от времето на земеделците, тъй като интелигентните сензори стават все по-достъпни. Напояването ще преминава все повече към пасивно управление и контрол, което означава също, че ще бъдат нужни по-малко работници. Всички данни, генерирани от различните сензори, са само началото на автоматизацията, но от ключово значение за нейното развитие са прогнозните анализи. Мощните алгоритми обработват големи обеми от данни и разработват прогнозни модели, които от своя страна са гръбнакът на автоматизирани, базирани на правила системи. Освен данните, генерирани от всяко стопанство, прогнозните анализи може също да използва регионални, национални и дори глобални бази данни, за да усъвършенства своите модели.

Бъдещо развитие на интелигентните напоителни системи

Към момента трябва да се преодолеят някои предизвикателства, които все още пречат на широкото използване на Интернет на нещата при прецизното напояване. Все още няма пълна автоматизация при разработвания за целта софтуер, липсват разширени платформи за интегриране на различни технологии и за внедряване на пилотни приложения за интелигентно управление на водните ресурси. Интегрирането на разнородни и усъвършенствани сензори изисква подходящи стандарти и информационни модели. Също така изборът на архитектура на различните платформи за Интернет на нещата влияе на мащабируемостта на системата, а автоматичното взимане на решения в реално време е възможно в среда, състояща се от десетки хиляди сензори, непрекъснато предаващи данни. Бързо развиващата се технология на безжичните сензорни мрежи е полезна в приложения, които включват наблюдение на данните в реално време, необходими за да оптимизирането на използваните ресурси. Въпреки огромния напредък, който е движен от все по-голямото търсене на подобни технологии, досега не е разработено приложение, което да позволява пълна свобода от човешката намеса в системата.