Komunikacja bezprzewodowa w przemyśle rolnym

| Prezentacje firmowe Komunikacja

Ludzkość stoi przed wyzwaniem wyżywienia dynamicznie rosnącej populacji. Jedynym sposobem zwiększenia produkcji żywności jest dalsza intensyfikacja rolnictwa. Czynnikiem szczególnie wpływającym na wysokość plonowania roślin i jakość chowu zwierząt pozostaje dostępność wody. Niestety, większość scenariuszy prognostycznych przewiduje w najbliższym czasie dalszy wzrost średniej temperatury powietrza przy zmniejszającej się ilości opadów. Ograniczone zasoby wodne mogą w przyszłości stanowić barierę rozwoju gospodarczego wielu rejonów świata oraz negatywnie wpływać na stan środowiska i jakość życia społeczeństw. Konieczne staje się więc podejmowanie działań na rzecz zwiększenia retencji wodnej, poprawy jakości wody i podniesienia efektywności nawadniania.

Komunikacja bezprzewodowa w przemyśle rolnym

Rolnictwo jest głównym konsumentem wody na świecie. W Unii Europejskiej odpowiada średnio za 24% rocznego jej poboru, a w krajach o wysokiej kulturze rolnej i gorącym klimacie udział wody stosowanej do nawadniania sięga nawet 80% całości poboru. W latach 1960‒2000 z powodu znacznego zwiększenia powierzchni nawadnianych upraw zużycie wody na świecie wzrosło dwukrotnie. Dlatego trzeba zrobić wszystko, aby jak najoszczędniej gospodarować jej ograniczonymi zasobami.

ZŁY BILANS, SŁABE PERSPEKTYWY

Także w skali gospodarki Polski rolnictwo jest znaczącym konsumentem wody. Chcąc konkurować na rynkach światowych, będziemy zmuszeni do znacznego zwiększenia powierzchni nawadnianych upraw, a więc i większego zużycia wody. Niestety, Polska ma jeden z najgorszych bilansów wodnych w Europie. Powodem tego są małe zasoby wód powierzchniowych, skąpe opady roczne, duża ewapotranspiracja (parowanie z powierzchni gleby – ewaporacja; z powierzchni roślin – transpiracja) i mały udział dopływu rzecznego spoza granic kraju. Odnawialne zasoby wodne w naszym kraju wynoszą ok. 1600 m3 na rok na mieszkańca, co stanowi trzykrotnie mniej niż średnia w Europie. Złym zjawiskiem jest także ciągłe obniżanie jakości wód, spowodowane działaniami antropogenicznymi.

Niestety, należy oczekiwać, że w ciągu najbliższych kilkunastu lat bilans wodny Polski ulegnie dalszemu pogorszeniu. Niezwykle niepokojącym jest fakt, że po bardzo suchym roku 2015, w latach 2018 i 2019 znowu wystąpiły dotkliwe susze. Bardzo suchy był również początek wiosny roku bieżącego. Takiej częstotliwości występowania lat bardzo suchych dotychczas u nas nie odnotowywaliśmy. Niedostateczna ilość wody podczas sezonu wegetacyjnego istotnie zmniejsza plony, ale przede wszystkim obniża ich jakość. Jedynym sposobem na utrzymanie wysokiego poziomu produkcji rolnej, a szczególnie ogrodniczej, jest stosowanie nawadniania.

Dla zapewnienia wysokich plonów dobrej jakości owoców należy w polskich warunkach dostarczyć za pomocą nawadniania średnio 100‒200 mm wody (1000‒2000 m³ wody/ha). W naszym klimacie na wyprodukowanie 1 kg jabłek potrzeba ok. 200‒250 l wody. W latach suchych ok. 30% tej wartości pochodzi z nawadniania. Są to bardzo duże ilości, które wpływają na koszty produkcji. Istotnym składnikiem owych kosztów jest cena nie tylko wody, ale też energii elektrycznej, za pomocą której woda będzie pobierana i wtłaczana do instalacji nawodnieniowej. W przypadku wody czerpanej ze złoży głębinowych cena energii elektrycznej niezbędnej do pompowania może być nawet wyższa od ceny samej wody.

Systemy telemetrii i telematyki oparte na komunikacji bezprzewodowej znajdują zastosowanie już nie tylko w aplikacjach stricte przemysłowych. Ich obecność zaczyna również obejmować zupełnie nowe dziedziny, w których dotychczas wykorzystywane były marginalnie. Prezentowany tu artykuł opisuje użycie telemetrii, czy też – jak to się obecnie określa – Internetu Rzeczy, do zastosowań w produkcji rolnej, która w ostatnim czasie zamieniła się w pełnoprawny, coraz bardziej wymagający i nowoczesny przemysł rolny.

Cztery lata temu Inventia rozpoczęła proces dywersyfikacji potencjalnych odbiorców swoich rozwiązań telemetrycznych, włączając do nich producentów rolnych. Do współpracy nad nowym rozwiązaniem przeznaczonym właśnie dla tej branży zaprosiliśmy specjalistów z Pracowni Nawadniania Zakładu Agroinżynierii Instytutu Ogrodnictwa w Skierniewicach. W efekcie powstał kompleksowy system wspierający podejmowanie decyzji agrotechnicznych, wprowadzany na rynek pod nazwą AGREUS. Tym samym rozpoczęliśmy nową działalność dążącą do wsparcia nowoczesnego, precyzyjnego rolnictwa, czyli Smart Farming.

Jerzy Białousz – Prezes firmy Inventia

STOSOWAĆ WŁAŚCIWE KRYTERIA

Znaczenie wpływu nawadniania na koszty produkcji owoców rośnie jeszcze bardziej, gdy weźmiemy pod uwagę perspektywę zmian klimatycznych oraz przewidywane w przyszłości wzrosty cen wody i energii. Przy określonej ilości dostępnej wody i rosnącym zapotrzebowaniu (intensyfikacja produkcji roślin i zmiany klimatyczne) zmuszeni więc jesteśmy do stosowania w praktyce jak najbardziej efektywnych metod nawadniania. Badania ankietowe prowadzone przez Instytut Ogrodnictwa wśród producentów roślin sadowniczych wskazują na pozytywny kierunek rozwoju krajowych nawodnień – np. w sadownictwie dominującym systemem nawadniania (ok. 78%) w gospodarstwach są wodooszczędne instalacje kroplowe. Niestety, nikt z prawie tysiąca respondentów nie znał żadnej metody szacowania potrzeb wodnych roślin. Ponad 80% użytkowników systemów nawodnieniowych deklarowało, że dawki nawodnieniowe ustala "na oko". Tylko kilkanaście procent gospodarstw sadowniczych informowało o stosowaniu pomiarów wilgotności gleby. Badania te wykazały, że olbrzymia większość producentów nie sięga po jakiekolwiek wiarygodne kryteria szacowania potrzeb nawodnieniowych, co w praktyce wiąże się z bardzo nieracjonalnym wykorzystaniem wody. W większości przypadków stosowane są jej zbyt duże dawki, często nawet o 50% większe od potrzeb roślin. Pilotażowe doświadczenia prowadzone w Instytucie Ogrodnictwa wskazują, że przy właściwym zastosowaniu wiarygodnych kryteriów nawadniania można znacznie ograniczyć owe dawki, istotnie podnosząc efektywność nawadniania (zwyżka plonu na jednostkę użytej wody).

W praktyce do wykorzystania mamy dwie grupy kryteriów: klimatyczne lub glebowe.

Kryteria klimatyczne stosują do szacowania potrzeb wodnych modele obliczeniowe wyznaczające wysokość ewapotranspiracji.

W przypadku kryteriów glebowych nawadnianie prowadzone jest w oparciu na pomiarach wilgotności (lub potencjału) gleby, mierzonej w warstwie aktywnej strefy korzeniowej roślin. Początkowo, pomimo teoretycznej przydatności, praktyczne zastosowanie tej metody do sterowania nawadnianiem roślin było bardzo ograniczone. Główne powody to stosunkowo wysoka cena czujników oraz mierników wilgotności gleby, konieczność "ręcznego" prowadzenia pomiarów wilgotności gleby i ograniczone możliwości wykorzystania ich wyników do zautomatyzowania całego procesu sterowania nawadnianiem.

Większość z tych ograniczeń można jednak wyeliminować po zastosowaniu rozwiązań telemetrii bezprzewodowej.

Tematem tym zajęła się firma Inventia, wspólnie z Instytutem Ogrodnictwa w Skierniewicach. W ramach programu "Działanie RPO WM 1.2 Działalność badawczo-rozwojowa przedsiębiorstw" przystąpiono do projektu e-Sad.

 
Fot. 1 Stacja bazowa systemu AGREUS temat numeru PREZENTACJE PRODUKT

Jego celem było opracowanie systemu składającego się z urządzeń do zdalnego pomiaru parametrów powietrza oraz gleby na terenach rolnych (temperatury i wilgotności powietrza oraz wilgotności gleby), a także modułów sterujących zaworami nawodnieniowymi. Efektem tych prac jest system AGREUS, którego pierwsze prototypowe elementy prezentowaliśmy 14 czerwca 2018 r. w Sadzie Doświadczalnym w Dąbrowicach, w trakcie XXI Drzwi Otwartych Instytutu Ogrodnictwa.

 
Fot. 2 Czujnik wilgotności, temperatury i zasolenia gleby – AM- 100

Sercem systemu jest stacja bazowa transmitująca dane z/do rozproszonych terminali, czyli tworząca sieć czujników i modułów pomiarowo- -wykonawczych. Transmisja odbywa się z wykorzystaniem bezprzewodowej sieci radiowej – LoRa. Technologia ta, w zależności od warunków terenowych, umożliwia pokrycie swoim działaniem dużego obszaru upraw przy jednoczesnym małym zużyciu energii, co jest parametrem krytycznym dla urządzeń zasilanych bateryjnie.

 
Fot. 3 Czujnik temperatury i wilgotności powietrza AM-200

Pierwszą stację bazową zainstalowaliśmy na gmachu Instytutu Ogrodnictwa w Skierniewicach, przy ul. Pomologicznej 18 (fot. 1), uzyskując skuteczną transmisję w obrębie Sadu Pomologicznego i Obiektu Szklarniowego oraz Pola Doświadczalnego SGGW. Stacja bazowa łączy się z portalem AGREUS poprzez GSM, co pozwala przesyłać dane między poszczególnymi elementami systemu. Dane gromadzone na indywidualnym koncie użytkownika mogą służyć do prowadzenia analiz i generowania raportów. Bardzo ważnym elementem są opracowane przez firmę Inventia, a testowane w Instytucie, czujniki wilgotności, temperatury i zasolenia gleby AM- 100 (fot. 2), czujnik temperatury i wilgotności powietrza AM- 200 (fot. 3) oraz stacja zaworowa sterowana radiowo AM- 421. Jest to moduł wykonawczy pozwalający na niezależne sterowanie czterema zaworami systemu nawadniania, aktywowanymi napięciem 9 VDC. Rozwiązanie to pozwala na wprowadzenie automatyki sterowania nawadnianiem wszędzie tam, gdzie z jakichś powodów (technicznych lub ekonomicznych) prowadzenie przewodów sterujących było dotychczas niemożliwe.

GLEBA POD KONTROLĄ

Dowolne przemieszczanie i zdalny odczyt czujników pomiarowych pozwala na zintegrowanie obydwu kryteriów nawadniania roślin (klimatycznych i glebowych). Nawadnianie może być teraz prowadzone w oparciu na szacowanej ewapotranspiracji wskaźnikowej (ETo), a czujniki pomiarowe są w stanie monitorować wilgotność gleby w celu "ręcznego" lub automatycznego wprowadzenia niezbędnych korekt w stosowanych dawkach i częstotliwości nawadniania.

Znacznie lepszym rozwiązaniem jest jednak automatyczne sterowanie pracą poszczególnych zaworów na bazie stałego monitoringu wilgotności gleby, mierzonej w okolicach aktywnej strefy korzeniowej roślin. W takim przypadku zawór otworzy się według zdefiniowanego harmonogramu, pod warunkiem że wilgotność gleby spadnie poniżej wcześniej ustalonego progu. Dzięki telemetrycznemu rozwiązaniu wilgotność, temperatura i zasolenie gleby mogą być mierzone w dowolnym miejscu całego obszaru objętego transmisją danych. Uzyskane tu informacje pozwalają na podejmowanie decyzji o konieczności nie tylko nawadniania, ale także nawożenia czy też fertygacji (nawożenie wraz z nawadnianiem). Sonda AM- 100 bezpośrednio mierzy przewodność elektryczną gleby σb (tzw. przewodność objętościową – bulk EC), ale dzięki modelom kalibracyjnym możemy wyznaczać także przewodność elektryczną przy pełnym nasyceniu gleby wodą σe (saturation extract EC) oraz przewodność elektryczną wody zawartej w porach glebowych σw (pore water EC). Bezpośrednie przeniesienie wyników pomiarów przenikalności elektrycznej (σb) do podejmowania decyzji związanej z nawożeniem jest praktycznie niemożliwe, ponieważ mechaniczne części gleby i pory glebowe wypełnione powietrzem znacznie modyfikują wartości pomiarów. Mierzone wartości są bardzo małe, a ich poziom zależny jest nie tylko od rzeczywistego zasolenia gleby, ale także od aktualnej wilgotności i pierwotnych właściwości powietrzno-wodnych gleby. Dzięki zastosowaniu odpowiednich modeli przeliczeniowych użytkownik otrzymuje dodatkowo informacje o potencjalnej zawartości związków mineralnych w glebie (σe).

 
Fot. 4 Portal AGREUS dostępny jest z każdego miejsca na świecie przez przeglądarkę internetową lub aplikację mobilną przeznaczoną na urządzenia z systemem Android. Po założeniu konta użytkownik może dostosować wygląd aplikacji do swoich potrzeb poprzez zdefiniowanie własnych pulpitów i widżetów z danymi, które go interesują

Zakresy parametru σe dla wielu gatunków roślin były wyznaczane eksperymentalnie w USA i od wielu już lat służą w praktyce jako informacja do podejmowania decyzji o nawożeniu konkretnego gatunku roślin. Na jakość mineralnego żywienia roślin ma wpływ nie tylko zasobność gleby, ale także stężenie związków mineralnych w roztworze glebowym. Z powodu przesychania gleby obniża się zawartość wody w porach glebowych przy jednoczesnym wzroście koncentracji rozpuszczonych w niej związków mineralnych. Nadmierna koncentracja nawozów początkowo tylko ogranicza ich pobieranie, ale w skrajnych przypadkach może prowadzić do suszy fizjologicznej.

Parametrem określającym ogólną zawartość rozpuszczonych związków mineralnych w jednostce objętości gleby lub podłoża jest zasolenie. Jego wielkość zależna jest od ilości rozpuszczonych w wodzie soli mineralnych zawartych w glebie lub podłożach ogrodniczych. Ich źródłem są wietrzejące minerały glebowe, rozkładające się resztki organiczne oraz przede wszystkim nawozy mineralne. Zasolenie gleby wyrażane jest w gramach na litr w odniesieniu do soli standardowej NaCl lub KCl. Dla celów diagnostyki nawożenia poza pomiarami przewodności elektrycznej gleby opracowaliśmy więc także indeks zasolenia MCI (Mineral Content Index). Określa on ogólną zawartość rozpuszczonych w porach glebowych soli mineralnych. Tolerancja roślin na stężenie soli w glebie (zasolenie) zależy od uprawianego gatunku i fazy rozwojowej. Stężenie soli w roztworze glebowym odgrywa zasadniczą rolę w pobieraniu wody przez korzenie roślin. Korzystne jest jak najniższe stężenie przy prawidłowej zawartości składników pokarmowych. Dlatego zaleca się stosowanie do nawożenia soli, z których zarówno kation, jak i anion są pobierane przez rośliny.

Mierzona przez sondę AM- 100 wilgotność gleby, szacowana przewodność elektryczna wody zawartej w porach glebowych (σw) oraz MCI pozwalają na optymalne sterowanie nawadnianiem oraz nawożeniem roślin.

 
Rys. 1 Zdalna kontrola nad wszystkimi uprawami

MONITORING POWIETRZA I CHORÓB

AGREUS to oczywiście nie tylko nawadnianie i fertygacja. Testowany przez nas czujnik pomiaru temperatury i wilgotności powietrza może być bardzo przydatny do monitorowania tych parametrów wiosną w okresie występowania przymrozków. Wiarygodne informacje o aktualnej temperaturze w różnych miejscach sadu są niezbędne do prowadzenia jego aktywnej ochrony przed przymrozkami.

Monitorowanie warunków pogodowych jest niezbędne również do prognozowania wystąpienia infekcji chorobowych roślin. Jedną z dodatkowych funkcji systemu AGREUS jest m.in. określanie możliwości wystąpienia parcha jabłoni. Na podstawie danych o przebiegu temperatury i wilgotności powietrza system szacuje prawdopodobieństwo wystąpienia infekcji (PWI) jabłoni przez grzyb Venturia inaequalis, który jest sprawcą tej najpospolitszej i najgroźniejszej choroby tych drzew. Dzięki takim informacjom dostarczanym automatycznie przez system sadownicy mogą racjonalnie stosować programy chemicznej ochrony swoich sadów.

TELEMETRIA W SADOWNICTWIE

Już na podstawie pierwszych naszych badań i obserwacji widać, że możliwości wykorzystania nowoczesnych systemów telemetrycznych w sadownictwie są bardzo szerokie, a kierunek ich rozwoju będzie uzależniony od potrzeb użytkowników.

 

prof. dr hab. Waldemar Treder Pracownia Nawadniania Zakładu Agroinżynierii Instytutu Ogrodnictwa w Skierniewicach

Inventia
www.agreus.pl
www.inventia.pl

Zobacz również