Спецвозможности
Техника и оборудование

Использование датчиков состояния почвы в сельскомхозяйстве

16.04.2021
1976
Использование датчиков состояния почвы в сельскомхозяйстве фото, иллюстрация

Наблюдая за развитием сельскохозяйственной техники, особенно таких сложных машин, как комбайны, трактора и даже сеялки, в которых объединены функции выполнения различных технологических процессов, для их согласованности и правильной работы всего механизма в целом сегодня все больше и больше используют различные датчики и контроллеры.

 

 

Например трактор - это уже не просто энергосредство, основное назначение которого - продуцирование огромной тяговой силы для выполнения различного рода задач. Сегодня - это совокупность сложных систем, которые работают в унисон и взаимосвязаны между собой, что позволяет не только создавать соответствующее тяговое усилие, но и иногда участвовать в принятии решений по выполнению того или иного технологического процесса. Да что там говорить о «возможном принятии решений трактором», когда уже есть прототипы с искусственным машинным интеллектом, которые путем анализа и консолидации широкого потока информации эти решения успешно принимают и воплощают! Аналогичное можно сказать и о других видах техники, такие, как, например, комбайны, сеялки и даже плуги. Хотя различные системы основном используют только для упрощения контроля рабочих параметров этих машин и возможности их работы при оптимальных рабочих параметрах (имеется в виду как комбайна в целом, так и каждого отдельного его узла или системы). То есть вся сложная техника сегодня уже интеллектуализирована. Нельзя сказать, что все полностью компьютеризировано, ведь оценка состояния рабочих механизмов все же происходит на основе показателей ряда датчиков, согласно которым оператор принимает решение о выборе оптимального рабочего режима. Конечно, уже есть системы, которые «самостоятельно» принимают решения по настройке и перенастройки, но оператор до сих пор является ключевым в данном технологическом процессе, а «самостоятельность» техники, о которой мы говорили выше, - еще только на определенных этапах испытаний.

А что же предлагает нам простая, на первый взгляд, техника для сплошной почвообработки, например культиваторы? Мы имеем примеры использования «умной» гидравлики и электроники в плугах компании Lemken, когда почвообрабатывающая машина руководит выполнением рабочего процесса и системами трактора, чтобы качественно выполнять обработку почвы.

Возвращаясь к культиваторам, можно сказать, что на сегодня это уже не такие простые машины. Сейчас в их конструкции есть множество систем и механизмов, которые также управляются с помощью компьютерных технологий.
 
Если посмотреть на историю развития земледелия, то первые операции по обработке почвы проводил с помощью простейших полеводческих орудий сам человек. И здесь имел место фактор принятия решения о том, как и чем обрабатывать тот или иной участок поля и, соответственно, какое орудие использовать. Это решение принимал человек с соответствующим уровнем знаний. И все работали так, как понимали природные процессы, в том числе и происходящие в почве, а также требования растений к качеству подготовки почвы и их потребности по питанию, обеспечению влагой и тому подобное. Именно тогда, наверное, и были заложены основные принципы подготовки почвы и определены основные моменты, которые следует контролировать и выполнять именно человеку.

Какие же это моменты? Первое, на что обращает внимание современный агроном, - это выполнение качественной почвообработки. Для него важны такие параметры, как глубина обработки почвы, а точнее - четкое соблюдение этих параметров в каждой точке поля и наличие однородной (желательно в зависимости от вида выполняемой работы) структуры почвы на поверхности поля.

Когда первый параметр мы косвенно можем определить путем нагрузки, создающейся почвообрабатывающим орудием на трактор и определением и фиксированием расхода топлива при соблюдении или несоблюдении указанной глубины почвообработки, то второй параметр можем определить, только визуально оценив состояние поверхности поля после прохождения агрегата. И как правило, этот параметр контролирует сегодня в основном именно человек. Ведь земледелец, например при использовании конной тяги, шел рядом и наблюдал за полученным результатом (измельчение почвы, положение плуга, качество обработки). Сегодня с появлением тракторной тяги мы имеем возможность значительно повысить производительность выполнения рабочего процесса. Соответственно, и время для контроля его выполнения также значительно уменьшается. Кроме того, сегодня в основном все рабочие орудия размещены в задней части машины и оператор не имеет возможности так точно и близко контролировать качество подготовки почвы.

И, будем откровенны, операторы тракторов не заинтересованы в выполнении качественной почвообработки. Ведь платят им за гектары, а не за качество, да и не знают они, что такое «качество» и что нужно получить, как говорится, на выходе. У них всегда есть ответ типа: «Поле обработано - обработано, какие ко мне вопросы? Вон есть агроном, который мне сказал обрабатывать, - к нему и все вопросы». Но может ли один человек одновременно контролировать выполнение рабочего процесса пяти-десяти машин? Однако это уже тема другого материала. В нашем же случае решение о настройке или перенастройке систем и рабочих механизмов почвообрабатывающего орудия или вообще целесообразности почвообработки обычно принимается, когда поле обработано и на его поверхности «пестрит» ряд комьев или налеплено «лошадок»...

Поэтому в современную конструкцию машин был внедрен ряд элементов (выравнивающие планки, дополнительные опорные колеса, грудоразбиватели различной конструкции), которые способствуют качеству работы и помогают получить (по крайней мере визуально) ту картинку качества почвенной поверхности, которую мы хотим.
 
Сегодня же мир техники обогащается новыми понятиями, и мировые производители предлагают новое качество в производстве культиваторов, а главное - соблюдение ими высокого качества выполнения почвообработки и ведения контроля процесса в полностью автоматическом режиме.

 

ПОДГОТОВКА СЕМЕННОГО ЛОЖА С ВИДЕОКОНТРОЛЕМ

Відеоконтроль від компанії Pöttinger для підготовки насіннєвого ложа

Эта технология фирмы Pöttinger использует камеры, которые в реальном времени делают снимки поверхности поля после прохождения почвообрабатывающего агрегата (активная фреза, которая работает в комбинации с сеялкой) и измеряют степень ее комковатости.
 
Перед началом работ механизатор (агроном) вводит в программу параметры желаемой величины комковатости поверхности поля, а реальные ее величины (после прохождения агрегата) измеряются позади бороны. После соответствующих измерений полученные данные передаются во встроенную электронную систему управления трактора.

На основе полученных изображений такая система регулирует скорость трактора и вращения ВОМ бороны для достижения установленного качества почвенной поверхности. В результате становится возможным создание равномерного посевного ложа даже на тяжелых почвах, а также значительно упрощается работа оператора.

Однако нужно быть откровенными - и машины должны иметь надлежащую техническую подготовку и хорошо отлаженную, четкую и быструю обратную связь для выполнения настройки в режиме он-лайн.

При оценке работы различных видов орудий эксперты ставили оценку по таким показателям: соблюдения агрегатом конкретной задачи по технологии почвообработки; качество обработки в соответствии с требованиями (выравненность, бугорчатость, прикатывание поверхности, измельчение растительных остатков, их заделка или перемешивание с поверхностным слоем и т. д.), соблюдение скоростного режима, глубины обработки и ее равномерность.

Эту систему производитель предлагает использовать только на почвообрабатывающих орудиях с активным приводом рабочих органов. Однако если приложить небольшие усилия и инженерный талант, она без проблем может быть интегрирована и на обычные культиваторы, где бы регулирование рабочих параметров и положение выравнивающих планок, дополнительных опорных колес, грудоразбивателей различной конструкции происходило бы в автоматическом режиме для получения желаемого качества обработки.

 

ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА И СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ ДЛЯ ВОЗМОЖНОСТИ ПОСЕВА ПРИ ПОМОЩИ ДАТЧИКА SMART FIRMER ФИРМЫ PRECISION PLANTING

Датчик Smart Firmer система SmartDepth фірми Precision PlantingНа основе этого датчика компания Precision Planting разработала и внедрила на своих сеялках точного высева систему SmartDepth, за которую на Международной выставке Agritechnica 2019 получила серебряную награду.

Благодаря показателям датчика Smart Firmer, эта система автоматически контролирует и регулирует в режиме он-лайн глубину заделки семян относительно текущих условий почвы, в частности с учетом уровня ее влаги и температуры. Для этого оператор определяет диапазон, который имеет минимальную и максимальную глубину, и указывает параметр минимальной влажности.

Во время посева система SmartDepth измеряет и анализирует различные уровни воды на разных глубинах в режиме реального времени. Автоматически размещенное семя на глубине, где уровень влаги оптимальный для его быстрого старта, обеспечивает равномерное прорастание каждому семени, и как следствие - получение равномерных и дружных всходов в каждой части поля. Кроме получения равномерных всходов, система позволяет экономить дорогостоящий посевной материал. Ведь из-за затягивания посевной кампании или в условиях посева на полях со сложным рельефом, когда семена могут попадать в пересушенную почву, не нужно для перестраховки увеличивать высевную норму семян. Система всегда положит семя в оптимальные для него условия в четко указанном оператором или агрономом диапазоне параметров.

 

ТЕХНОЛОГИЯ TRUEVIEW ОТ GREAT PLAINS

TrueView від Great Plains: датчик і технологія для аналізу ґрунтуНесколько в другом направлении направила свою работу американская компания Great Plains со своим датчиком и технологии для анализа почвы TrueView.

Недавно появилось сообщение о датчиках, которые, двигаясь, способны измерять содержание влаги в почве. В перспективе такие приборы можно будет использовать для изменения режимов работы сельскохозяйственных агрегатов в реальном времени или в сочетании с навигационными системами - для построения полевых карт или изучения свойств почв. Скорость перемещения, отбора проб или их количество на гектар колеблются в зависимости от интервалов между проходами датчика при определении содержания влаги в почве. Однако в большинстве случаев процесс протекает намного быстрее по сравнению с ручным отбором образцов. Стоимость такого анализа также меньше.

Эта технология должна быть доступна для почвообрабатывающих агрегатов Turbo-Max и дает возможность фермеру получить важную информацию во время выполнения обычных полевых работ. Система технологического картирования поля включает в себя датчики, которые измеряют электрическую проводимость (тип почвы), органические составляющие, влажность и температуру. Также она определяет особенности и свойства почвенных условий с большей точностью.

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ СКАНЕР TOPSOIL MAPPER

Уже очень много современных украинских компаний предлагают свои услуги по агрохимическому обследованию полей и предоставлению рекомендаций по выращиванию сельскохозяйственных культур, известкованию почв, удобрению и системе защиты. TopSoil Mapper позволяет дополнить данные, которые предоставляют такие компании, картами рельефа, уплотнения и почвенных отличий.

Сканер состоит из собственно электромагнитного сканера и полевого компьютера для накопления данных в файлах. Прибор имеет четыре электромагнитных датчика, которые предназначены для сканирования на четырех различных глубинах: 0,5 м, 0,7 м, 0,9 м, 1,1 м. Полевой терминал оснащен GPS-приемником для определения местоположения сканера. После того, как соответствующие файлы со сканера собраны, они обрабатываются в специализированном программном обеспечении Topsoil Data Box (TSDB), базирующемся на ядре Матлаб (для сложных математических вычислений). Topsoil Data Box позволяет выполнять анализ и коррекцию данных, моделировать разные карты распределения в случае изменения параметров. Но это промежуточный этап. Для дальнейшей работы с данными они переносятся в геоинформационную систему (ArcGIS, QGIS, SAGA GIS и др.). Там данные сопоставляются с данными рельефа, картами урожайности, NDVI, и уже на этой информационной основе создаются электронные карты, которые можно использовать в рабочих целях, в частности для планирования глубины обработки, определения нормы высева и пр.

Особенностью сканера является то, что геофизический метод измерения неинвазивный, то есть не требует нарушения почвенной поверхности поля. Электропроводность земли используется для установки таких параметров, как уплотнение и насыщение почвы влагой на глубине около 1 м (40 дюймов). Для определения типа почвы система Topsoil Data Box (TSDB) использует специальные библиотеки, подготовленные организациями (такими, как USDA), которые идентифицируют типы почв, встречающихся во всем мире. Другие базы данных при необходимости могут регулярно добавляться.
 
Первые впечатления от созданных карт невероятные: колоссальные различия в пределах одного поля, критические уплотнения на глубинах 15-20 см, неравномерность распределения влаги и много других факторов, которые не позволяют повысить урожайность при наличии всех питательных веществ для получения максимального урожая.

Кроме этого, использование этих датчиков позволяет регулировать глубину почвообработки в режиме он-лайн, что, в свою очередь, помогает: при наличии уплотнений в более глубоких горизонтах почвы успешно с ними бороться, а при уплотнениях ближе к поверхности почвы - уменьшать глубину обработки, тем самым уменьшая расход топлива на обработку единицы площади поля. И одновременно - создавать оптимальные условия для прорастания культурных сельскохозяйственных растений в каждой его части.

 

CROPX

Датчик CropX для аналізу стану ґрунту в певній зоні поля та вимірювання його вологостіCropX — датчик почвы второго поколения, который анализирует состояние почвы в определенной зоне поля и измеряет ее влажность.

Оптимальная влажность почвы положительно влияет на развитие корневой системы растения, что позволяет ему получить большее количество питательных веществ и повышает урожайность культуры. В странах с низким количеством осадков функционируют системы орошения, однако часто не учитывается разная потребность во влаге в разных частях поля. Это приводит к переувлажнению и вымыванию полезных микроэлементов. CropX может решить эту проблему. Принцип работы заключается в анализе состояния почвы в определенной зоне поля и внесении нормированного объема воды.

Датчики влажности размещают непосредственно в поле. Их подключают к сети Интернета, и пользователь сможет получать информацию о необходимости орошения через мобильное приложение. Далее, как говорится, - дело техники.

 

АМЕРИКАНСКИЙ СТАРТАП TERALYTIC анонсировал выпуск первой партии беспроводных почвенных зондов собственной разработки​.

Перший у світі бездротовий сенсор NPK, який працює в режимі реального часу

Каждый зонд имеет 26 датчиков, включая первый в мире беспроводный сенсор NPK, который работает в режиме реального времени.

Зонд Teralytic позволяет проводить сбор и передачу данных о состоянии почвы в реальном времени 24 часа в сутки и 365 дней в году. Это позволит фермеру выявлять негативные изменения в почве еще до того, как они станут проблемными. Для эффективной работы зондов и получения точной информации компания применяет технологии машинного обучения, обрабатывая собранные с зондов данные в облаке.

Классический анализ почвы - это ручной или полумеханизированный длительный процесс, который длится несколько дней или недель. Teralytic позиционирует свой продукт как решение, которое позволит фермеру следить за состоянием почвы без проведения отбора проб и в режиме он-лайн. В частности, встроенные в зонд датчики позволяют получать такую ​​информацию, как:
 
• текущее состояние микроклимата: зонд имеет датчики для слежения за погодой на участке, собирает информацию о температуре, влажности, уровне инсоляции;
 
• аэрация почвы: показывает количество O2 и CO2, содержащееся в почве, а также его обмен с атмосферой;

• качественные показатели почвы: уровень засоленности, влажность, кислотность (pH) и показатели по содержанию азота, фосфора и калия (NPK).

Устройство производит снимки почвенных условий каждые 15 мин, передавая информацию на облачный сервер с помощью беспроводной технологии LoRa.

 

ВЫВОД

Для успешного выполнения управленческих решений нужны точные карты почвенных свойств. Неподходящая густота отбора образцов по количеству почвенных различий в пределах поля и высокая стоимость анализа обычных почвенных проб ограничивают возможность точного определения границ разнородных по плодородию участков. Зато оборудование автомобиля сенсорами является перспективной альтернативой, которая смогла бы повысить качество и снизить стоимость создания почвенных карт.

Дальнейшее совершенствование процесса анализа почвы датчиками во время движения позволит использовать их для регулирования режимов работы агрегатов в реальном времени или для дальнейшего контроля производственных затрат. На сегодня только системы электромагнитного картографирования доступны потребителю на коммерческой основе.
 
Подходы точного земледелия позволяют существенно повысить урожайность сельскохозяйственных культур, минимизировать затраты, сэкономить энергоресурсы, сделать адекватные прогнозы и правильно спланировать все сельскохозяйственные операции в соответствии с потребностями выращиваемой культуры. Как результат - производитель получает высококачественную продукцию за меньшую себестоимость.
 
Итак, определяем кислотность почвы, ее влажность, измеряем параметры воды для полива, анализируем освещенность с помощью современных датчиков почвы.

 

СЕНСОРЫ ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ

Ученые и производители оборудования постоянно пытаются усовершенствовать существующие методы лабораторного анализа, которые бы позволили в результате косвенных измерений создавать почвенные карты. На сегодня исследовано лишь несколько типов датчиков, в частности:
 
электромагнитные; оптические; механические; электрохимические; воздушного потока; акустические.
 
Электромагнитные датчики используют электрическую цепь для измерения потенциальной возможности почвенных частиц проводить и накапливать электрический заряд. Во время такого рода анализа почва становится частью электромагнитной цепи и любые локальные изменения условий влияют на сигнал и сразу фиксируются. На рынке есть несколько таких датчиков, которые:

• отслеживают электрическую проводимость (Veris® 3100, Veris Technologies, Salina, Kansas)

• отслеживают кратковременную электромагнитную реакцию почвы (EM-38, Geonics Limited, Mississauga, Ontario, Canada)
 
• используют электрическую реакцию почвы для регулирования режимов работы в реальном времени (Soil Doctor® System, Crop Technology, Inc., Bandera, Texas).
 
Электромагнитные свойства большинства элементов почвы определяются ее структурой, содержанием солей, органического вещества и влажности. В некоторых случаях такие почвенные показатели, как содержание остаточных нитратов или рН почвенной среды, также могут быть определены с помощью вышеуказанных сенсоров. В последние годы наблюдается несколько способов применения электромагнитных датчиков.

Оптические датчики используют светоотражающие свойства почв. Они могут имитировать «человеческий глаз» при изучении свойств почвы и выполняют измерения коэффициента отражения света в ближнем и среднем инфракрасном или поляризованном диапазоне спектра. Оптические датчики, устанавливаемые на транспортные средства, используют тот же принцип работы, что и при дистанционном зондировании. Сегодня различные поставщики услуг дистанционного зондирования свойств почв проводят измерения коэффициента отражения света со спутника или самолета. Стоимость анализа, облачная погода, которая мешает исследованиям, время проведения и большое количество растительных остатков на поверхности поля являются основными проблемами, которые ограничивают применение снимков обработанной поверхности поля с помощью этих платформ.

Оптические сенсоры на базе транспортных средств являются перспективными при проведении агротехнических мероприятий подобно электромагнитным датчикам и могут предоставить больше информации, поскольку с их помощью гораздо легче измерить коэффициент отражения света. Несколько исследователей разработали оптические сенсоры для измерения содержания глины, органического вещества и влаги.
 
Механические сенсоры могут быть использованы для оценки механического сопротивления почвы (часто является отражением ее плотности). Такие датчики используют механизм, который проникает или разрезает слой почвы, а тензометры или тензодатчики фиксируют силу сопротивления. Несколько исследователей уже имеют усовершенствованные прототипы, которые дают возможность проводить непрерывное отображение сопротивления почвы, однако они пока недоступны для продажи. Сенсоры тяги (или система регулирования тяги) на тракторах используют подобную технологию управления трехточечной навеской во время движения агрегата.

Электромеханические сенсоры могли бы обеспечивать важнейшим типом информации для точного земледелия - относительно содержания питательных веществ в почве и ее кислотности. После отправки почвенных образцов в лабораторию там происходит комплекс стандартизированных процедур: подготовка образцов и непосредственно измерения. Некоторые анализы (особенно определение рН) происходят с использованием ионселективных электродов (со стеклянной или полимерной оболочкой, или с иончувствительным приемником). Эти электроды определяют активность определенных ионов (нитратов, калия или водорода, как в случае с рН). Несколько исследователей пытаются адаптировать имеющиеся методики подготовки и измерения агрохимических показателей почвы для проведения важных тестов непосредственно во время движения по полю. Полученные значения могут быть не столь точны, как данные анализа образцов в лаборатории, но в случае большого количества отбора образцов могут увеличить общую точность для отображения содержания питательных веществ и рН.

Сенсоры потоков воздуха использовали для измерения воздухопроницаемости почвы во время движения по полю. Давление, необходимое для сжатия заданного объема воздуха в почве на определенной глубине, сравнивалось с несколькими его свойствами. Исследования подтвердили возможность распределения почв по их типу, содержанию влаги и структуре.
 
Акустические сенсоры использовали для определения гранулометрического состава почвы путем измерения уровня шума на основе взаимодействия почвенных частиц с устройством. Низкий уровень шума не позволил этой технологии развиваться дальше.

 

 

А. Сухина

a.sukhina@univest-media.com

журнал «Пропозиція», №1, 2020 р.

Интервью
Президент УАВК Микола Пономаренко
На рынке картофеля сейчас - ажиотаж, которого не случалось почти 10 лет. Потребители обеспокоены неурожаем и закупаются картофелем на сезон - целыми мешками. Производители (прежде всего огородники) жалуются на неурожай. Таким образом,... Подробнее
Сейчас многие страны мира ищут способ, как улучшить экологические условия и найти новые источники энергии. Одним из решений этой глобальной проблемы является выращивание уникального дерева, которое уже известно во всем мире под названием «... Подробнее

1
0