Система орошения с использованием датчика влажности почвы

Оптимизация сельскохозяйственного орошения с помощью датчиков влажности почвы: достижение экономии воды и эффективности земледелия 

 Введение

Орошение всегда было важнейшим компонентом сельскохозяйственного производства и ухода за садом. Однако традиционные методы полива имеют ряд недостатков, которые не отвечают требованиям современного общества. 

Традиционное орошение в значительной степени опирается на ручной опыт, при этом время полива и объем воды определяются путем визуального наблюдения и субъективных суждений. Фермерам или ландшафтным дизайнерам приходится часто проверять влажность почвы и состояние роста растений, что требует значительных затрат времени и усилий, а точность при этом трудно гарантировать. Часто происходит чрезмерный полив, что ведет к потере больших объемов воды и возможному переувлажнению, которое лишает корни растений кислорода и может вызвать заболевания. С другой стороны, недостаточный полив также является распространенной проблемой, приводящей к замедлению роста растений, плохому развитию и снижению урожайности, а также к ухудшению эстетики ландшафта. 

Кроме того, традиционное орошение малоэффективно и трудно поддается масштабированию. На больших полях или в садах ручное управление ирригационным оборудованием происходит медленно и не позволяет обеспечить равномерное распределение воды. В разных зонах растения могут расти неодинаково из-за неравномерного полива, что влияет на общую эффективность производства и красоту ландшафта. 

Интеллектуальная система орошения, основанная на датчиках влажности почвы, обеспечивает эффективное и экологически безопасное решение для современного сельского хозяйства. В этой статье будут представлены принцип работы, преимущества и рекомендуемые модели датчиков влажности почвы в ирригационных системах, что послужит практическим руководством для работников сельского хозяйства.

 Принцип работы систем орошения с датчиками влажности почвы 

Интеллектуальная система орошения состоит из трех основных компонентов: 

1. Датчики: Датчики влажности почвы измеряют содержание воды на различных глубинах и предоставляют точные данные о влажности. Кроме того, метеорологические датчики собирают информацию об окружающей среде, такую как температура, влажность, количество осадков, освещенность и скорость ветра, обеспечивая критически важные данные для принятия решений об орошении.

2. Контроллер: Выполняя роль «мозга» системы, контроллер анализирует данные датчиков и рассчитывает потребность сельскохозяйственных культур в воде на основе таких факторов, как стадия роста, тип почвы и погодные условия. Когда влажность почвы опускается ниже установленного порога, контроллер автоматически запускает систему орошения.

3. Исполнительные механизмы: К ним относятся водяные насосы, электромагнитные клапаны и дождеватели, которые выполняют план орошения. Вода подается точно через капельное орошение, микроразбрызгивание или подпочвенное орошение для обеспечения равномерного распределения влаги.

Эта система с замкнутым циклом эффективно снижает потери воды, сводит к минимуму ручной труд и адаптируется к меняющимся условиям окружающей среды, что делает ее идеально подходящей для нужд современного сельского хозяйства.

 Основные компоненты

1. Уровень сбора данных:

   - Мониторинг почвы: датчики влажности почвы (многоуровневый мониторинг на глубинах, например, 10 см / 30 см / 60 см).

   - Датчики электропроводности почвы (EC): оценка рисков накопления солей.

   - Метеорологический и экологический мониторинг: малые метеостанции (осадки, испарение, температура, влажность, скорость ветра).

   - Датчики физиологии растений: измерители тока сока в стеблях, датчики влажности листьев.

2. Уровень анализа и принятия решений:

   - Модель потребности культур в воде: расчет потребности на основе типа культуры, стадии роста и глубины залегания корней в сочетании с прогнозами погоды для будущих нужд (например, оповещения о засухе).

3. Уровень управления и исполнения:

   - Оборудование для орошения: капельные ленты / микродождеватели (водосберегающие, точные в зоне корней).

   - Интеллектуальные клапаны: зональное управление для регулирования распределения воды в соответствии с потребностями различных участков.

   - Системы фертигации: регулировка концентрации питательного раствора по мере необходимости.

   - Методы управления: автоматический режим (орошение по сигналу датчика), дистанционное ручное вмешательство (через мобильное приложение или веб-платформу).

4. Управление источником воды и трубопроводами:

   - Система сбора дождевой воды, фильтры качества воды (для предотвращения засорения капельниц).

   - Датчики давления + насосы с частотно-регулируемым приводом (для поддержания стабильного давления в трубопроводе).

 Типы технологий

1. Система капельного/микроорошения: подходит для фруктовых деревьев, овощей и других товарных культур, обеспечивая экономию воды на 30-60%.

2. Дождевальная система орошения: для полевых культур (таких как пшеница, кукуруза), с использованием передвижных дождевальных машин или стационарных разбрызгивателей.

3. Подпочвенное орошение: трубы, проложенные под землей, увлажняют непосредственно корневые зоны, уменьшая потери на испарение.

4. Умное орошение с переменной скоростью (VRI): сочетает ГИС-карты и данные о различиях влажности почвы для регулирования распределения воды в пределах одного поля.

 Преимущества ирригационных систем с датчиками влажности почвы 

1. Экономия воды: По сравнению с традиционным орошением, интеллектуальные системы могут повысить эффективность использования воды на 20-30%. Контролируя влажность почвы в реальном времени, система гарантирует, что растения получают оптимальное количество воды, предотвращая чрезмерный полив и потери при стоке. Это особенно важно в регионах с дефицитом воды. 

2. Улучшение здоровья почвы: Чрезмерный полив может привести к засолению или уплотнению почвы, а недостаточный — к стрессу от засухи. Интеллектуальные системы поддерживают стабильную влажность, способствуют микробиологической активности и поглощению питательных веществ, повышают плодородие почвы и обеспечивают долгосрочную продуктивность. 

3. Снижение загрязнения окружающей среды: Традиционное орошение часто приводит к загрязнению водоемов стоками из-за чрезмерного использования удобрений и пестицидов. Умное орошение снижает химический сток за счет точного внесения воды и удобрений, защищая близлежащие водоемы и экосистему. 

4. Снижение энергопотребления: Интеллектуальная система оптимизирует время работы и мощность насоса на основе реальных потребностей, сокращая потери энергии. Автоматизация также снижает затраты на ручной труд и повышает эффективность орошения. 

5. Гибкость и масштабируемость: Будь то небольшие семейные фермы или крупные коммерческие хозяйства, интеллектуальную систему орошения можно адаптировать к различным культурам и рельефу местности. Система может быть интегрирована с устройствами капельного, дождевального или подпочвенного орошения, что делает ее пригодной для садов, виноградников, зерновых культур и городского ландшафтного дизайна. 

Системы точного орошения — это современные решения по управлению водными ресурсами в сельском хозяйстве, основанные на данных об окружающей среде в реальном времени, потребностях культур и интеллектуальных технологиях управления. Динамически регулируя объемы, сроки и методы полива, эти системы обеспечивают эффективное использование воды и максимизируют урожайность. Основная цель — сокращение отходов, предотвращение чрезмерного полива (например, засоления почвы) и адаптация к изменениям климата, что делает это ключевой практикой для «умного» сельского хозяйства и устойчивого развития.

 Рекомендуемые датчики влажности почвы: продукция Niubol 

Чтобы удовлетворить потребности точного орошения, Niubol предлагает два высокопроизводительных датчика влажности почвы, сочетающих надежность и долговечность: 

Датчик температуры и влажности почвы Niubol NBL-S-TM

- Особенности:

  - Одновременно измеряет влажность и температуру почвы.

  - Коррозионностойкие электроды из сплава, ударопрочные, подходят для длительного использования.

  - Герметичная конструкция IP68, может быть закопана в почву или погружена в воду для динамического мониторинга.

  - Использует технологию FDR (рефлектометрия в частотной области), быстрый отклик, высокая точность.

  - Поддерживает протоколы RS485 и Modbus для легкой интеграции в систему.

- Технические параметры:

  - Диапазон измерения влажности: 0-100% RH, точность: ±5%

  - Диапазон измерения температуры: от -40°C до 80°C, точность: ±0.5°C

  - Источник питания: DC 5V-24V

  - Размеры: 45 x 15 x 135 мм, длина электрода: 50 мм

- Сценарии применения: подходит для теплиц, садов, пастбищ и научных экспериментов.

Датчик температуры и влажности почвы Niubol NBL-S-THR

- Особенности:

  - Использует технологию электромагнитных импульсов для измерения влажности и температуры почвы со стабильными данными.

  - На работу не влияют удобрения или ионы металлов в почве, обеспечивая надежность данных.

  - Поддерживает несколько методов вывода (RS485, 4-20 мА, 0-5 В), обеспечивая высокую гибкость.

  - Уровень защиты IP68, подходит для суровых полевых условий.

  - Низкое энергопотребление (0.3 Вт), энергосбережение и экологичность.

- Технические параметры:

  - Диапазон измерения влажности: 0-100% RH, точность: ±3%

  - Диапазон измерения температуры: от -50°C до 100°C, точность: ±0.5°C

  - Источник питания: DC 12-24V

  - Рабочая среда: от -40°C до 80°C

- Сценарии применения: подходит для выращивания овощей, водосберегающего орошения, управления теплицами и быстрого тестирования почвы.

 Сценарии применения

1. Засушливые и полузасушливые регионы: точный контроль воды для решения проблемы дефицита водных ресурсов (например, пустынное сельское хозяйство в Израиле).

2. Объектное сельское хозяйство: взаимосвязанный экологический контроль внутри теплиц или туннелей (например, автоматическая вентиляция после полива).

3. Склоновые земли и террасные поля: капельницы с компенсацией давления, адаптированные к перепадам высот рельефа, обеспечивающие равномерное распределение воды.

4. Улучшение засоленных почв: динамическое вымывание солей на основе значений EC почвы для предотвращения ущерба от засоления.

5. Городское озеленение и сады: умное дождевальное орошение, разделенное по видам растений, снижающее нагрузку на муниципальную водопроводную сеть.

 Примеры реального применения 

Во всем мире системы орошения с датчиками влажности почвы трансформируют методы сельскохозяйственного производства. В засушливых регионах, таких как Австралия и Калифорния, интеллектуальные системы орошения повысили эффективность использования воды до 40%, помогая фермерам сохранять высокие урожаи при ограниченных водных ресурсах. В тепличном хозяйстве датчики в сочетании с капельным орошением улучшили качество дорогостоящих культур (таких как томаты и клубника). Городские ландшафтные проекты также выиграли от автоматизированного полива, снизив затраты на воду и сохранив красоту общественных зеленых зон.

Меры предосторожности при применении 

Хотя интеллектуальные системы орошения обладают значительными преимуществами, фермерам следует обратить внимание на следующие моменты при развертывании: 

Калибровка датчиков: различные типы почв (например, глинистые и песчаные) могут влиять на точность датчиков, поэтому необходима регулярная калибровка.

Первоначальные инвестиции: высококачественные датчики и системы требуют первоначальных вложений, но долгосрочная экономия воды и сокращение трудозатрат могут компенсировать эти расходы.

Обеспечение электропитания: в отдаленных районах датчики на солнечных батареях могут обеспечить непрерывную работу, однако следует предусмотреть резервные аккумуляторы на случай пасмурной погоды.

Обслуживание устройств: регулярная очистка и проверка датчиков необходимы для предотвращения расхождений в данных и обеспечения долгосрочной стабильности системы.

Заключение

Основная функция станций мониторинга влажности почвы — «точное измерение + интеллектуальное решение». Оборудование оснащено высокоточными датчиками, которые могут контролировать влажность почвы на различных глубинах (например, 10 см, 30 см и 50 см) и одновременно фиксировать температуру почвы, электропроводность и другие данные. Например, при выращивании кукурузы, когда содержание влаги в корневой зоне падает ниже порогового значения, система выдает напоминание об орошении. При выращивании фруктовых деревьев изменения температуры позволяют предсказать риск повреждения от заморозков, что дает возможность заранее принять профилактические меры. Все данные передаются по беспроводной сети в облако, и фермеры могут в любое время просматривать графики истории и текущий статус через мобильное приложение. 

По сравнению с традиционными методами орошения, преимущество станций мониторинга влажности почвы заключается в «подаче по потребности» и «сохранении ресурсов». Ручной полив часто приводит к переувлажнению поверхностного слоя почвы, в то время как глубокие слои остаются сухими из-за невозможности контролировать влажность на большой глубине. Однако система может точно определить зоны дефицита воды, избегая «паводкового орошения». Например, в овощных теплицах при использовании с системой капельного полива станция мониторинга может повысить эффективность экономии воды более чем на 40%. В регионах с богарным земледелием фермеры могут выбрать лучшее время для полива, отслеживая динамику влажности почвы и снижая бесполезное испарение. Более того, система поддерживает сетевое объединение нескольких участков, что позволяет дифференцированно управлять орошением на разных делянках. 

С технической точки зрения конструкция станции мониторинга влажности почвы сочетает практичность и долговечность. Датчики используют технологию FDR (рефлектометрия в частотной области), обеспечивающую высокую устойчивость к помехам и погрешность данных менее 3%. Внешний корпус изготовлен из высокопрочного инженерного пластика, устойчивого к коррозии и давлению, что делает его пригодным для сложных полевых условий. Система поддерживает питание как от солнечных батарей, так и от аккумуляторов, обеспечивая стабильную работу более 30 дней даже при длительной дождливой погоде. Для передачи данных используются сети LoRa или 4G, что гарантирует стабильность сигнала в отдаленных районах. Кроме того, некоторые устройства оснащены функциями пороговой сигнализации, автоматически отправляя оповещения при аномальной влажности почвы. 

Однако при выборе станций мониторинга влажности почвы фермерам следует обратить внимание на несколько моментов: во-первых, выбирать глубину установки датчика в зависимости от глубины залегания корней культуры. Для культур с неглубокой корневой системой (таких как клубника) следует контролировать слой почвы 10–20 см, в то время как глубококорневые культуры (например, фруктовые деревья) требуют мониторинга на глубине 30–50 см. Во-вторых, следует уделить внимание возможностям интерпретации данных. Некоторые устройства предлагают визуализацию уровней влажности (например, сухо, нормально или избыточно влажно), что снижает порог вхождения для пользователя. Наконец, важно послепродажное обслуживание. Регулярная калибровка датчиков и техническое обслуживание устройств гарантируют долгосрочную точность. 

Датчики Niubol NBL-S-TM и NBL-S-THR предоставляют фермерам надежные инструменты, помогая экономить водные ресурсы, улучшать здоровье почвы и повышать урожайность сельскохозяйственных культур. В условиях нехватки воды и усиливающегося изменения климата интеллектуальные системы орошения являются решающим шагом на пути к обеспечению продовольственной безопасности и защите окружающей среды. Внедряя эту технологию, ваша ферма движется к более эффективному и устойчивому будущему.

Технические описания (Datasheets) датчиков влажности почвы:

1. Техническое описание датчика температуры и влажности почвы NBL-S-THR

NBL-S-THR-Soil-temperature-and-moisture-sensors-Instruction-Manual-V4.0.pdf

2. Техническое описание датчика температуры, влажности и электропроводности почвы NBL-S-TMC

NBL-S-TMC-Soil-temperature-and-moisture-conductivity-sensor.pdf

3. Техническое описание датчика температуры и влажности почвы NBL-S-TM

NBL-S-TM-Soil-temperature-and-moisture-sensor-Instruction-Manual-4.0.pdf

4. Интегрированный датчик температуры, влажности, электропроводности и засоленности почвы NBL-S-TMCS

NBL-S-TMCS-Soil-Temperature-Humidity-Conductivity-and-Salinity-Sensor.pdf