Спецможливості
Техніка та обладнання

Використання датчиків стану грунту в сільському господарстві

16.04.2021
10006
Використання датчиків стану грунту в сільському господарстві фото, ілюстрація

Спостерігаючи за розвитком сільськогосподарської техніки, особливо таких складних машин, як комбайни, трактори та навіть сівалки, в яких поєднано функції виконання різних технологічних процесів, для їхньої узгодженості та правильної роботи всього механізму в цілому сьогодні все більше й більше використовують різноманітні датчики й контролери.

 

 

 

 

Наприклад трактор — це вже не просто енергозасіб, основне призначення якого — продукування величезної тягової сили для виконання різного роду завдань. Сьогодні — це сукупність складних систем, які працюють в унісон і взаємопов’язані між собою, що дає змогу не лише створювати відповідне тягове зусилля, а й інколи брати участь у прийнятті рішень щодо виконання того чи іншого технологічного процесу. Та що там говорити про «можливе прийняття рішень трактором», коли вже сьогодні є прототипи зі штучним машинним інтелектом, які шляхом ана­лізу та консолідації широкого потоку інформації ці рішення успішно приймають і втілюють! Аналогічне можна сказати й про інші види техніки, такі, як, наприклад, комбайни, сівалки та навіть плуги. Хоча різноманітні системи здебільшого використовують лише для спрощення контролю робочих параметрів цих машин та можливості їхньої роботи за оптимальних робочих параметрів (мається на увазі як комбайна в цілому, так і кожного окремого його вузла чи системи). Тобто вся складна техніка на сьогодні вже інтелектуалізована. Не можна сказати, що все повніс­тю комп’ютеризовано, адже оцінка стану робочих механізмів усе ж таки відбувається на основі показників низки датчиків, згідно з якими оператор приймає рішення про вибір оптимального робочого режиму. Звісно, вже є системи, які «самостійно» приймають рішення щодо налаштування та переналаштування, але оператор досі є ключовим у цьому технологічному процесі, а «самостійність» техніки, про яку ми говорили вище, — ще тільки на певних етапах випробувань.

А що ж пропонує нам проста, на перший погляд, техніка для суцільного ґрунтообробітку, наприклад культиватори? Ми маємо приклади використання «розумної» гідравліки та електроніки в плугах компанії Lemken, коли ґрунтообробна машина керує виконанням робочого процесу та системами трактора, щоб якісно виконувати обробіток ґрунту.

Повертаючись до культиваторів, можна сказати, що на сьогодні це вже не такі прості машини. Нині в їхній конструкції є безліч систем і механізмів, які також керуються за допомогою комп’ютерних технологій.

Якщо подивитися на історію розвитку землеробства, то перші операції з обробітку ґрунту проводила за допомогою найпростіших рільничих знарядь сама людина. І тут мав місце фактор прийняття рішення щодо того, як та чим обробляти ту чи іншу ділянку поля і, відповідно, яке знаряддя використовувати. Це рішення приймала людина з відповідним рівнем знань. І всі працювали так, як розуміли природні процеси, зокрема й ті, що відбуваються в ґрунті, а також вимоги рослин до якості підготовки ґрунту та їхні потреби щодо живлення, забезпечення вологою тощо. Саме тоді, напевно, й були закладені основні принципи підготовки ґрунту та визначені головні моменти, які слід контролювати та виконувати саме людині.

Які ж це моменти? Перше, на що звертає увагу сучасний агроном, — це виконання якісного ґрунтообробітку. Для нього важливі такі параметри, як глибина обробітку ґрунту, а точніше — чітке дотримання цих параметрів у кожній точці поля та наявність однорідної (бажаної залежно від виду виконуваної роботи) структури ґрунту на поверхні поля.

Коли перший параметр ми опосередковано можемо визначити шляхом навантаження, яке створюється ґрунтообробним знаряддям на трактор та визначенням і фіксуванням витрати пального за дотримання чи недотримання вказаної глибини ґрунтообробтіку, то другий параметр можемо визначити, лише візуально оцінивши стан поверхні поля після проходження агрегату. І як правило, цей параметр контролює сьогодні здебільшого саме людина. Адже землероб, наприклад за використання кінної тяги, йшов поруч і спостерігав за отриманим результатом (кришення ґрунту, положення плуга, якість обробітку). Сьогодні, з появою тракторної тяги, ми маємо можливість значно підвищити продуктивність виконання робочого процесу. Відповідно, й час для контролю його виконання також значно зменшується. Крім того, сьогодні здебільшого всі робочі знаряддя розміщені в задній частині машини й оператор не має змоги так точно та близько контролювати якість підготовки ґрунту.

Та й, будемо відвертими, оператори тракторів не зацікавлені у виконанні якісного ґрунтообробітку. Адже платять їм за гектари, а не за якість, та й не знають вони, що таке «якість» і що саме потрібно отримати, як то кажуть, на виході. В них завжди є відповідь на кшталт: «Поле оброблено — оброблено, які до мене питання? Он є агроном, який мені сказав обробляти, — до нього й усі питання». Але чи може одна людина водночас контролювати виконання робочого процесу п’яти — десяти машин? Проте це вже тема іншого матеріалу. У нашому ж випадку рішення стосовно налаштування чи переналаштування систем і робочих механізмів ґрунтообробного знаряддя чи взагалі доцільності ґрунтообробітку зазвичай приймається, коли поле оброблене і на його поверхні «рясніє» низка груддя чи наліплено «коників»…

Тому в сучасну конструкцію машин було впроваджено низку елементів (вирівнювальні планки, додаткові опорні колеса, грудорозбивачі різної конструкції), які сприяють якості роботи та допомагають отримати (принаймні візуально) ту картинку якості ґрунтової поверхні, яку ми хочемо.

Сьогодні ж світ техніки збагачується новітніми поняттями, і світові виробники пропонують нову якість у виробництві культиваторів, а головне — дотримання ними високої якості виконання ґрунтообробітку та ведення контролю процесу в повністю автоматичному режимі.

 

ПІДГОТОВКА НАСІННЄВОГО ЛОЖА З ВІДЕОКОНТРОЛЕМ

Відеоконтроль від компанії Pöttinger для підготовки насіннєвого ложаЦя технологія фірми Pöttinger використовує камери, які в реальному часі роблять знімки поверхні поля після проходження ґрунтообробного агрегату (активна фреза, яка працює в комбіна­ції із сівалкою) та вимірюють ступінь її грудкуватості.

Перед початком робіт механізатор (агроном) уводить в програму параметри бажаної величини грудкуватості поверхні поля, а реальні її величини (після проходження агрегату) вимірюються позаду борони. Після відповід­них вимірювань отримані дані передаються у вбудовану електронну систему управління трактора.

На основі отриманих зображень така система регулює швидкість трактора та обертання ВВП борони для досягнення встановленої якості ґрунтової поверхні. В результаті стає можливим створення рівномірного посівного ложа навіть на важких ґрунтах, а також значно спрощується робота оператора.

Проте потрібно бути відвертими — і машини повинні мати належну техніч­ну підготовку та добре налагоджений, чіткий і швидкий, зворотний зв’язок для виконання налаштування в режимі он-лайн.

Під час оцінювання роботи різних видів знарядь експерти ставили оцінку за такими показниками: дотримання агрегатом конкретного завдання щодо технології ґрунтообробітку; якість обробітку згідно з вимогами (вирівня­ність, грудкуватість, прикочування поверхні, подрібнення рослинних решток, їхнє загортання або перемішування з поверхневим шаром та інше), дотримання швидкісного режиму, глибини обробітку та її рівномірність.

Цю систему виробник пропонує використовувати лише на ґрунтообробних знаряддях із активним приводом робочих органів. Проте якщо докласти невеликі зусилля та інженерний хист, вона без проблем може бути інтегрована й на звичайні культиватори, де б регулювання робочих параметрів і положення вирівнювальних планок, додаткових опорних коліс, грудорозбивачів різної конструкції відбувалося б у автоматичному режимі задля отримання бажаної якості обробітку ґрунту.

 

ОЦІНКИ ЯКОСТІ ТА СТАНУ ҐРУНТУ ДЛЯ МОЖЛИВОСТІ ВИСІВАННЯ ЗА ДОПОМОГОЮ ДАТЧИКА SMART FIRMER ФІРМИ PRECISION PLANTING

Датчик Smart Firmer система SmartDepth фірми Precision PlantingНа основі цього датчика компанія Precision Planting розробила та впровадила на власних сівалках точного висіву систему SmartDepth, за яку на Міжнародній виставці Agritechnica 2019 отримала срібну нагороду.

Завдяки показникам датчика Smart Firmer, ця система автоматично контролює та регулює в режимі он-лайн глибину закладання насіння відносно поточних умов ґрунту, зокрема з урахуванням рівня його вологи та температури. Для цього оператор визначає діапазон, який має мінімальну й максимальну глибину, та вказує параметр мінімальної вологості.

Під час висівання система SmartDepth вимірює та аналізує різні рівні вологи на різних глибинах у режимі реального часу. Автоматично розміщена насінина на глибині, де рівень вологи оптимальний для її швидкого «стар­ту», забезпечує рівномірне проростання кожної насінини, і як наслідок — отримання рівномірних та дружних сходів у кожній частині поля. Окрім отримання рівномірних сходів, система дає змогу економити вартісний посів­ний матеріал. Адже через затягування посівної кампанії чи за умов висівання на полях зі складним рельєфом, коли насіння може потрапляти в пересушений ґрунт, не потрібно для перестраховки збільшувати висів­ну норму насіння. Система завжди покладе насінину в найоптимальніші для неї умови в чітко вказаному оператором чи агрономом діапазоні параметрів.

 

ТЕХНОЛОГІЯ TRUEVIEW ВІД GREAT PLAINS

TrueView від Great Plains: датчик і технологія для аналізу ґрунтуДещо в іншому напрямі спрямувала свою роботу американська компанія Great Plains зі своїм датчиком і технологією для ана­лізу ґрунту TrueView.

Нещодавно з’явилося повідомлення про датчики, які, рухаючись, здатні вимірювати вміст вологи в ґрунті. У перспективі такі прилади можна буде використовувати для зміни режимів роботи сільськогосподарських агрегатів у реальному часі або в поєднанні з навігаційними системами — для побудови польових карт чи вивчення властивостей ґрунтів. Швидкість переміщення, відбору проб або їхня кількість на гектар коливаються залежно від інтервалів між проходами датчика під час визначення вмісту вологи в ґрунті. Однак здебільшого процес перебігає набагато швидше порівняно з ручним відбором зразків. Вартість такого аналізу також менша.

Ця технологія має бути доступна для ґрунтообробних агрегатів Turbo-Max і дає можливість фермерові отримати важливу інформацію під час виконання звичайних польових робіт. Система технологічної картифікації поля включає в себе датчики, які вимірюють електричну провідність (тип ґрунту), органічні складові, вологість і температуру. Також вона визначає особливості та властивості ґрунтових умов з біль­шою точністю.

 

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИЙ СКАНЕР TOPSOIL MAPPER

Уже дуже багато сучасних українських компаній пропонують свої послуги з агрохімічного обстеження полів і надання рекомендацій щодо вирощування с.-г. культур, вапнування ґрунтів, удобрення та системи захисту. TopSoil Mapper дає змогу доповнити дані, які надають такі компанії, картами рельєфу, ущільнення та ґрунтових відмін.

Сканер складається із власне електромагнітного сканера та польового комп’ютера для накопичення даних у файлах. Прилад має чотири електромагнітні датчики, які призначені для сканування на чотирьох різних глибинах: 0,5 м, 0,7 м, 0,9 м, 1,1 м. Польовий термінал оснащений GPS-приймачем для визначення місцезнаходження сканера. Після того, як відповідні файли зі сканера зібрані, вони обробляються в спеціалізованому програмному забезпеченні Topsoil Data Box (TSDB), що базується на ядрі Матлаб (для складних математичних обчислень). Topsoil Data Box дає змогу виконувати аналіз і корекцію даних, моделювати різні карти розподілу в разі зміни параметрів. Але це є проміжний етап. Для подальшої роботи з даними вони переносяться в Геоінформаційну Систему (ArcGIS, QGIS, SAGA GIS і ін.). Там дані зіставляються з даними рельєфу, картами врожайності, NDVI, і вже на цій інформаційній основі створюються електронні карти, які можна використовувати в робочих цілях, зокрема для планування глибини обробітку, визначення норми висіву тощо.

Особливістю сканера є те, що геофізичний метод вимірювання неінвазивний, тобто не потребує порушення ґрунтової поверхні поля. Електропровідність землі використовується для встановлення таких параметрів, як ущільнення та насичення ґрунту вологою на глибині близько 1 м (40 дюймів). Для визначення типу ґрунту система Topsoil Data Box (TSDB) використовує спеціальні бібліотеки, підготовлені організаціями (такими, як USDA), які ідентифікують типи ґрунтів, що зустрічаються у всьому світі. Інші бази даних за потреби можуть регулярно додаватися.

Перші враження від створених карт неймовірні: колосальні відмінності в межах одного поля, критичні ущільнення на глибинах 15–20 см, нерівномір­ність розподілу вологи та багато інших факторів, які не дають змоги підвищити врожайність за наявності всіх поживних речовин для отримання максимального врожаю.

Крім цього, використання цих датчиків дає змогу регулювати глибину ґрунтообробітку в режимі он-лайн, що, своєю чергою, допомагає: за наявності ущільнень у глибших горизонтах ґрунту успішно з ними боротися, а за ущільнень ближче до поверхні ґрунту — зменшувати глибину обробітку, тим самим зменшуючи витрату пального на обробіток одиниці площі поля. І водночас — створювати оптимальні умови для проростання культурних сільськогосподарських рослин у кожній його частині.

 

CROPX

Датчик CropX для аналізу стану ґрунту в певній зоні поля та вимірювання його вологостіCropX — датчик ґрунту другого покоління, який аналізує стан ґрунту в певній зоні поля та вимірює його вологість.

Оптимальна вологість ґрунту позитивно впливає на розвиток кореневої системи рослини, що дає змогу їй отримати більшу кількість поживних речовин і підвищує врожайність культури. У країнах із низькою кіль­кістю опадів функціонують системи зрошення, проте часто не враховується різна потреба у волозі в різ­них частинах поля. Це призводить до перезволоження та вимивання корисних мікроелементів. CropX може вирішити цю проблему. Принцип роботи полягає в аналізі стану ґрунту в певній зоні поля та внесенні нормованого обсягу води.

Датчики вологості розміщують безпосередньо в полі. Їх підключають до мережі Інтернету, і користувач зможе отримувати інформацію про необхідність зрошення через мобіль­ний додаток. Далі, як то кажуть, — справа техніки.

 

АМЕРИКАНСЬКИЙ СТАРТАП TERALYTIC анонсував випуск першої партії бездротових ґрунтових зондів власної розробки.

Перший у світі бездротовий сенсор NPK, який працює в режимі реального часуКожен зонд має 26 датчиків, включаючи перший у світі бездротовий сенсор NPK, який працює в режимі реального часу.

Зонд Teralytic дає змогу проводити збирання й передавання даних про стан ґрунту в реальному часі 24 години на добу і 365 днів на рік. Це дасть змогу фермерові виявляти негативні зміни в ґрунті ще до того, як вони стануть проблемними. Для ефективної роботи зондів і отримання точної інформації компанія застосовує технології машинного навчання, обробляючи зібрані із зондів дані в хмарі.

Класичний аналіз ґрунту — це ручний або напівмеханізований тривалий процес, який триває кілька днів або тижнів. Teralytic позиціонує свій продукт як рішення, яке дасть змогу фермерові стежити за станом ґрунту без проведення відбору проб і в режимі он-лайн. Зокрема, вбудовані в зонд датчики дають змогу отримувати таку інформацію, як:

поточний стан мікроклімату: зонд має датчики для стеження за погодою на ділянці, збирає інформацію про температуру, вологість, рівні інсоляції;

аерація ґрунту: показує кількість O2 і CO2, що міститься в ґрунті, а також його обмін з атмосферою;

якісні показники ґрунту: рівень засоленості, вологість, кислотність (pH) і показники за вмістом азоту, фосфору і калію (NPK).

Пристрій виробляє знімки ґрунтових умов кожні 15 хв, передаючи інформацію на хмарний сервер за допомогою бездротової технології LoRa.

 

ВИСНОВОК

Для успішного виконання управлінських рішень потрібні точніші карти ґрунтових властивостей. Невідповідна щільність відбору зразків щодо кількості ґрунтових відмін у межах поля та висока вартість аналізу звичайних ґрунтових проб обмежують можливість точного визначення меж різнорідних за родючістю ділянок. Натомість обладнання автомобіля сенсорами є перспективною альтернативою, яка змогла б підвищити якість і знизити вартість створення ґрунтових карт.

Подальше вдосконалення процесу аналізу ґрунту датчиками під час руху дасть змогу використовувати їх для регулювання режимів роботи агрегатів у реальному часі або для подальшого контролю виробничих витрат. На сьогодні лише системи електромагнітного картографування доступні споживачеві на комерційній основі.

Підходи точного землеробства дають змогу суттєво підвищити врожайність с.-г. культур, мінімізувати витрати, зекономити енергоресурси, зробити адекватні прогнози та правильно спланувати всі сільськогосподарські операції відповідно до потреб вирощуваної культури. Як результат — виробник отримує високоякісну продукцію за меншу собівартість.

Отже, визначаємо кислотність ґрунту, його вологість, вимірюємо параметри води для поливу, аналі­зуємо освітленість за допомогою сучасних датчиків ґрунту.

 

 

СЕНСОРИ ДЛЯ АВТОМАТИЧНОГО ВИМІРЮВАННЯ

Вчені та виробники обладнання постійно намагаються вдосконалити наявні методи лабораторного аналізу, які б дали можливість у результаті непрямих вимірювань створювати ґрунтові карти. На сьогодні досліджено лише декілька типів датчиків, зокрема:

електромагнітні; оптичні; механічні; електрохімічні; повітряного потоку; акустичні.

Електромагнітні датчики використовують електричний ланцюг для вимірювання потенційної можливості ґрунтових часточок проводити й накопичувати електричний заряд. Під час такого роду аналізу ґрунт стає частиною електромагнітного ланцюга й будь-які локальні зміни умов впливають на сигнал і відразу фіксуються. На ринку є декілька таких датчиків, які:

відслідковують електричну провідність (Veris® 3100, Veris Technologies, Salina, Kansas);

відслідковують короткотривалу електромагнітну реакцію ґрунту (EM-38,Geonics Limited, Mississauga, Ontario, Canada);

використовують електричну реакцію ґрунту для регулювання режимів роботи в реальному часі (Soil Doctor® System, Crop Technology, Inc., Bandera, Texas).

Електромагнітні властивості більшості елементів ґрунту визначаються його структурою, вмістом солей, органічної речовини та вологості. У деяких випадках такі ґрунтові показники, як вміст залишкових нітратів або рН ґрунтового середовища, також можуть бути визначені за допомогою вищевказаних сенсорів. Останніми роками практикується декілька способів застосування електромагнітних датчиків.

Оптичні датчики використовують світло­відбивні властивості ґрунтів. Вони можуть імітувати «людське око» під час вивчення властивостей ґрунту та виконують вимірювання коефіцієнта відбиття світла в ближньому та середньому інфрачервоному або поляризованому діапазоні спектра. Оптичні датчики, які встановлюють на транспортні засоби, використовують той самий принцип роботи, що й під час дистанційного зондування. На сьогодні різні постачальники послуг дистанційного зондування властивостей ґрунтів проводять вимірювання коефіцієнта відбиття світла з використанням супутника або літака. Вартість аналізу, хмарна погода, яка заважає дослідженням, час проведення та велика кількість рослинних решток на поверхні поля є основними проблемами, які обмежують застосування знімків обробленої поверхні поля з допомогою цих платформ.

Оптичні сенсори на базі транспортних засобів є перспективними під час проведення агротехнічних заходів подібно до електромагнітних датчиків і можуть надати біль­ше інформації, оскільки з їхньою допомогою набагато легше виміряти коефіцієнт відбиття світла. Декілька дослідників розробили оптичні сенсори для вимірювання вмісту глини, органічної речовини й вологи.

Механічні сенсори можуть бути використані для оцінки механічного опору ґрунту (часто є відображенням його щільності). Такі датчики використовують механізм, що проникає або розрізає шар ґрунту, а тензометри або тензодатчики фіксують силу опору. Декілька дослідників уже мають удосконалені прототипи, які дають можливість проводити неперервне відображення опору ґрунту, однак вони поки що недоступні для продажу. Сенсори тяги (або система регулювання тяги) на тракторах використовують подібну технологію управління триточковою навіскою під час руху агрегату.

Електромеханічні сенсори могли б забезпечувати найважливішим типом інформації для точного землеробства — щодо вмісту поживних речовин у ґрунті та його кислотності. Після відправлення ґрунтових зразків до лабораторії там відбувається комплекс стандартизованих процедур: підготовка зразків і безпосередньо вимірювання. Деякі аналізи (особливо визначення рН) відбуваються з використанням іонселективних електродів (зі скляною або полімерною оболонкою, або з іончутливим приймачем). Ці електроди визначають активність певних іонів (нітратів, калію або водню, як у випадку з рН). Декілька дослідників намагаються адаптувати наявні методики підготовки й вимірювання агрохімічних показників ґрунту для проведення важливих тестів безпосередньо під час руху полем. Отримані значення можуть бути не такі точні, як дані аналізу зразків у лабораторії, але в разі великої кількості відбору зразків можуть збільшити загальну точність для відображення вмісту поживних речовин і рН.

Сенсори потоків повітря використовували для вимірювання повітропроникності ґрунту під час руху полем. Тиск, потрібний для стиснення заданого обсягу повітря в ґрунті на певній глибині, порівнювався з кількома його властивостями. Дослідження підтвердили можливість розподілу ґрунтів за їхнім типом, вмістом вологи й структурою.

Акустичні сенсори використовували для визначення гранулометричного складу ґрунту шляхом вимірювання рівня шуму на основі взаємодії ґрунтових часточок із пристроєм. Низький рівень шуму не дав змоги цій технології розвиватись далі.

 

 

А. Сухина

a.sukhina@univest-media.com

журнал «Пропозиція», №1, 2020 р.

Інтерв'ю
Висока культура землеробства потребує організованості та злагодженості у виконанні кожного технологічного процесу. А в умовах інтенсивного землеробства всі технологічні операції слід довести до ідеалу, оскільки їхнє виконання є найбільш... Подробнее
Нова кліматична політика ЄС і міжнародних організацій викликала занепокоєння широких кіл виробників по всьому світі. Адже вона вимагає закрити цілі галузі. І хоча йдеться передусім про видобуток корисних копалин, енергетику і металургію,... Подробнее

1
0