Сільське господарство є специфічною галуззю економіки і результати його діяльності значною мірою зумовлюють природно-кліматичні умови. Успіх фермера залежить від того, як складуться погодні умови в конкретний сезон. І одним з найбільш дієвих способів захисту від них є використання такої складової точного землеробства та ІТ-технологій як моделювання погоди та управління ризиками на основі прогнозу. Важливе значення для агрометеорологічного обслуговування мають заходи, що враховують безпосередній вплив метеоумов на всі етапи виробництва сільськогосподарської продукції. Цього досягають шляхом аналізу і постійної оцінки наявних агрометеорологічних умов формування врожаю, порівняння на основі аналізу наявних та очікуваних умов агрометеорологічних рекомендацій, що направлені на оптимізацію факторів життєдіяльності рослин, моделювання рівнів продуктивності сільгоспкультур та використання таких моделей для планування різних систем землеробства.
Системи моніторингу
Моніторинг та прогнозування погодних умов, а також оперативне планування і управління агротехнічними заходами відбувається за допомогою сучасних професійних польових автоматичних інтернет-агрометеостанцій з різноманітним набором датчиків та сенсорів, а також програмного забезпечення. При цьому користуватися такими станціями можливо у межах окремого господарства, або окремого поля, ділянки. Використання цього інструменту дає повний спектр кліматичних показників у режимі реального часу; контролювати зрошення, прогнозувати основні захворювання сільгоспкультур, раціонально використовувати добрива, пестициди, водні та енергоресурси — це особливо важливо за необхідності (яка постійно зростає) в екологічно безпечних і економічних методах ведення сільського господарства. Основні можливості сучасних метеостанцій дозволяють:
- вести безперервне збирання даних з можливістю передачі інформації в будь-який час, у тому числі погодинні і щоденні звіти;
- спостерігати основні погодні параметри: температури і відносну вологість повітря, швидкість вітру, сонячну радіацію, вологість листя, кількість опадів;
- автоматично розраховувати коефіцієнт випаровування і транспірації (ET) в режимі реального часу для конкретних сільгоспкультур;
- аналізувати накопичення суми негативних температур, необхідних для стабільного розвитку окремих посівів;
- за сумами температур визначати фази зростання і розвитку рослин, вести огляд їх стану за допомогою програмного забезпечення;
- прогнозувати та попереджувати спалахи хвороб і розвитку шкідників на підставі моделей розрахунку для різних сільгоспкультур;
- визначати моменти, коли потрібне чергове внесення добрив, пестицидів, поливної води, або їх скасування чи зміни терміну робіт у полі;
- отримувати повідомлення на електронну пошту і смартфон у разі виникнення екстрених ситуацій;
- застосовувати програмне забезпечення для контролю процесу зрошення, попередження про заморозки в повітрі і прогнозування розвитку захворювань;
- застосовувати безпосередньо автоматизацію і контроль зрошувальних контролерів або інших релейних пристроїв;
- створювати власні алгоритми розрахунку різних параметрів і моделей хвороб на посівах сільгоспкултьур.
Станції обладнані надійними і точними датчиками, що ведуть безперервне збирання метеоінформації і передачу її на сервер для обробки і візуалізації. В результаті користувач отримує доступ до візуально зрозумілої інформації, на підставі якої можна приймати рішення. Показники метеостанцій мають прив’язку до місця їх розташування, а також властивостей грунту, умов поливу, тощо. Превагою їх є також те, що вони працюють цілком автономно — електроживлення від сонячної батареї.
Стандартна конфігурація польової агрометеостанції складається з таких елементів: модему, сонячної батареї, датчиків температури, відносної вологості повітря та сонячної радіації, дощоміру, датчиків швидкості та напрямку вітру, датчику вологості листка, антени (GPS/зв’язок).
До метеостанції можна під’єднувати додаткові датчики і сенсори — вологості й температури ґрунту, атмосферного тиску, росту рослини, тиску тургору, глибини снігу, електричної провідності ЕС та багато інших пристроїв залежно від завдань метеостанції.
Найвідоміші виробники польових інтернет-метеостанцій представлені Pessl Instruments (метеостанції іMETOS). Використання Adcon Telemetry і Davis Instrumtnts також вельми поширене в Україні. Розкажемо детальніше про них.
iMetos
Метеостанції iMetos (фото 1) чи не найбільше користуються попитом у українських сільгоспвиробників, зокрема, у південній частині країни — зоні недостатнього та нестійкого природного зволоження. iMetos мають повну модульну конструкцію і обладнані великим набором додаткових сенсорів та датчиків (до 80 різновидів залежно від потреб користувача), які щохвилини збирають інформацію про погоду та інші дані. Зібрана інформація автоматично передається через GPRS на захищену паролем платформу www.fieldclimat.com. Платформа має високий рівень безпеки і надає доступ до даних по всьому світу через Інтернет, Android- або iOS-смартфони.
Фото 1. Базова конфігурація метеостанції іMetos
Метеостанції iMetos надають можливість високоточного, індивідуального прогнозу погоди для конкретної локальної ділянки в радіусі до 10 км на 5–7 днів.
Як уже було сказано, залежно від потреб і завдань, що їх необхідно вирішити для тої чи іншої сільгоспкультури, технологічної операції, метеостанції комплектують різними датчиками і сенсорами (температури, відносної вологості повітря, глобальної радіації, опадів, швидкості вітру, вологості листя, температури та вологості ґрунту тощо) і тому вони мають різні модифікації.
Основним критерієм оптимального зрошення є впровадження фактичних режимів зрошення, тобто проведення поливів на основі фактичних погодних показників. У сучасних метеостанціях виконується одночасне автоматичне вимірювання метеорологічних параметрів, вологості ґрунту та показників розвитку рослин з можливістю визначення строків і норм поливу як на основі розрахунку сумарного випаровування, так і за даними прямих вимірювань вологості ґрунту і показників стану рослин (фото 2). Система наземних і підземних пристосувань на посівах сільгоспкультур (датчиків вологості ґрунту), яка в заданий час показує інформацію про необхідність проведення поливу саме тоді, коли рослини цього потребують. Датчики знаходяться під землею і взаємодіють з корінням рослин.
Фото 2. Метеостанція на зрошуваному полі
Для використання пропонують різні типи датчиків вологості (залежно від культури, типу ґрунту, способу поливу — крапельне, дощування): тензіометри, сенсори Watermark, МРS-1 (Decagon Devices), принцип дії яких заснований на вимірюванні капілярного потенціалу ґрунтової вологи, ємнісні профільні датчики Sentek (вимірюють вологість грунту у вертикальному розрізі 50–150 см за допомогою 5–15 одиничних сенсорів).
За допомогою метеостанції збирають метеорологічні дані, обробляють інформацію і програма інформує користувача про необхідність проведення поливів. Програма використовує показники фактора сільгоспкультури, випаровування, кількості опадів та їх ефективності, поливної норми та коефіцієнта ефективності зрошення і розраховує показники водного балансу. Дана інформація виводиться на загальний інтерфейс щодобово (фото 3). Таким чином використання метеостанцій дає змогу оптимізувати обсяг і графік поливу, уникнути надмірного або недостатнього поливу, спостерігати глибину залягання найбільш активних коренів, спостерігати за станом поля не виходячи з офісу.
Фото 3. Інтерфейс програми Pessl Instruments
Системи дощування, що керуються електронікою
Виробники зрошувальної техніки, дощувальні машини яких найбільше представлені на українському ринку, Valmont Industries (Valley) та Lindsay Corporation (Zimmatic) нові свої розробки впроваджують у технології точного зрошення — дистанційного моніторингу, бездротового управління дощувальними системами і контролю зрошення — від традиційного поливу до зрошування змінними поливними нормами та диференційованого внесення добрив і хімікатів з поливною водою. Так, Lindsay пропонує інтегрований інструмент дистанційного управління круговими і фронтальними машинами за допомогою системи FieldNET (фото 4).
Фото 4. Застосування системи FieldNET
Ця система встановлюється на більшість смартфонів і планшетів, що дає змогу на будь-якому етапі аграрного циклу відслідковувати, які операції виконують дощувальні машини, а також управляти ними. Система створює і надає такі можливості:
- швидкий і простий контроль та дистанційне управління практично з будь-якого місця групою дощувальних машин, їх кінцевими дощувальними апаратами, насосами для подавання води та інжекторами для внесення хімічних речовин. Дистанційний контроль параметрів — операційного статусу, місця початку і зупинення процесу зрошення, поточного місця розташування в полі, тиску, витрати води і час виконання роботи машиною. Дистанційне управління — початок, зупинка та зміна напрямку зрошення, регулювання норми поливу, вмикання та припинення подавання води, встановлення положення автоматичної зупинки, програмування роботи кінцевих дощувальних апаратів;
- дистанційний контроль обладнання, відстеження роботи кожної окремої машини і сповіщення користувача у реальному часі;
- контроль і запис витрат води та енергії, моніторинг погодних умов з метою прийняття відповідних рішень, звітів про хід процесу зрошення та роботу складових частин дощувальних машин.
AGSENSE, що є складовою компанії Valmont Industries (Valley), представила на українському ринку систему дистанційного управління круговими машинами AgSense. Система AgSense (фото 5) дистанційно контролює і керує круговими дощувальними машинами за допомогою GPS-навігації, яка надає інформацію в режимі реального часу і передає сповіщення на мобільний телефон.
Фото 5. Застосування системи AgSense
Цю систему використовують на кругових дощувальних машинах різних виробників незалежно від моделі та панелей управління, які на них встановлені. Дозволяє модернізувати дощувальну машину без заміни вже наявної контрольної панелі. Надає змогу отримати дані про опади, температуру, витрати від додаткового обладнання, а також має функції контролю та оповіщення про крадіжку кабелю з дощувальної машини. Забезпечує набір обраних користувачем текстових повідомлень і сповіщень електронною поштою та комплексну систему ведення звітності про час роботи, ввімкнення/вимкнення насосів, обсяги подачі води насосами і питому витрату води на одиницю площі. Надає можливість контролювати і керувати кількома додатковими пристроями на зрошувальній мережі. AGSENSE також запропонувала на ринку нову серію інтелектуальних панелей — ICON. Основні переваги панелей: проста і зрозуміла система управління незалежно від того, використовують смартфон, планшет чи саму панель кругової дощувальної машини. Управління відбувається за допомогою простого інтерфейсу сенсорного екрану.
Основні тенденції розвитку дощувальних машин
1. Впровадження і застосування багатопозиційних машин, що дає змогу збільшувати площу обслуговування зрошуваних масивів та заощаджувати людські й енергетичні ресурси за рахунок зменшення кількості дощувальних машин для зрошування проектної площі.
2. Застосування в конструкції кругових машин керованого останнього висувного прольоту, що веде полив кутів, а також поливати в обхід будівель та інших перешкод.
3. Збільшення кількості прольотів у складі машини, що дає змогу значно збільшити ширину захвату (до 900 м і понад).
4. Застосування універсальних комбінованих дощувальних машин, що поливають як у фронтальному, так і у круговому режимах. Використання комбінації лінійного та кругового режимів дає змогу зрошувати поля з овальною конфігурацією по колу або по сектору (так звана «іподромна схема поливу»).
5. Використання принципово нової кругової зрошувальної системи з двома незалежними дощувальними крилами, що використовують одну точку водозабору. Це дає змогу зменшити час, потрібний на зрошення площі, а також здійснювати роздільний полив різних секторів цієї площі.
6. Можливість оснащення дощувальних машин модулями для фертигації — суміщення поливів із внесенням розчинних у поливній воді мінеральних добрив.
Внесення мінеральних добрив з поливною водою підвищує ефективність застосування і води, і добрив, сприяє збереженню структури ґрунту, поліпшує екологічні умови під час вирощування сільгосппродукції. Фертигація дає змогу впроваджувати комплексну механізацію і автоматизацію технологічних процесів, забезпечуючи за дотримання рекомендованої агротехнології одержання високих врожаїв сільгоспкультур і економію енергетичних ресурсів та трудозатрат.
7. Вдосконалення систем управління технологічним процесом. Розвиток комп’ютерних технологій дає змогу цілком або частково автоматизувати процес зрошення дощувальними машинами.
8. Впровадження сучасних рішень віддаленого доступу до управління дощувальними машинами, систем моніторингу використання зрошувальної техніки, що дає змогу не лише контролювати її рух, а й економно витрачати енергетичні й водні ресурси, а також збільшити врожайність вирощуваних сільгоспкультур.
Роботизація процесу дощування
Досвід експлуатації дощувальних машин засвідчує, що за питомими показниками експлуатаційної надійності, енергоємності і вартості найбільш ефективним є використання машин кругового пересування. Наприклад, в США понад 50% становлять ґрунти, що їх зрошують круговими машинами. Але використання таких машин має недолік: відсутність поливу кутів поля, а це до 21,5% площі описаного квадрату. У 2018 році Південноукраїнська філія УкрНДІПВТ ім. Л. Погорілого провела випробування дощувальної машини кругової дії з висувним крилом для поливу кутів VFC420 (V-FlexCorner) Valley.
Конструкція машини передбачає наявність висувного крила (кутового прольоту) для забезпечення так званого кутового зрошення, що збільшує площу зрошення кругової зрошувальної системи під час поливання полів квадратної, прямокутної чи неправильної форми. Використання дощувальних машин такої конструкції великою мірою усуває головний недолік кругових зрошувальних систем.
Кутова зрошувальна система складається з основного дощувального крила та додаткового — висувного крила (кутового прольоту) (фото 6) з опорним керованим приводом (фото 7), системи управління рухом, сигналізації та захисту від аварійних ситуацій. Управління опорним керованим приводом під час висування кутового прольоту для поливу додаткової площі ділянки зрошення визначеної форми здійснюється підземним індукційним кабелем. Кабель прокладений по розрахованій траєкторії руху опорного керованого приводу для визначеної сумарної (основне крило + кутовий проліт) проектної площі поливу.
Фото 6. Загальний вигляд кутового прольоту
Фото 7. Взаємне розташування кінцевого основного та кутового прольотів
Органи керування і контролю технологічного процесу поливу винесені на комп’ютеризовану панель управління, розміщену на боці центральної опори. Весь технологічний процес роботи кутового прольоту програмують і контролюють за допомогою комп’ютеризованої панелі управління, що розташована у верхній частині керованого опорного приводу (фото 8). Під час поливу кутовий проліт рухається позаду за основним крилом під визначеним кутом.
Фото 8. Загальний вигляд опорного керованого приводу кутового прольоту
Під час проходження з поливом ділянки, розташованої за зоною дії основного крила (кутових ділянок поля квадратної чи прямокутної форми, що обмежуються зовнішніми кордонами поля та внутрішньою дугою кола поливу), кермовий механізм повертає керовану опору і кутовий проліт висувається, тим самим збільшуючи ширину захвату дощувальної машини. По мірі проходження з поливом кутової ділянки висувне крило знову складається, зменшуючи кут між ним та основним крилом і відповідні дощувальні насадки кутового прольоту відповідно до зони їх відповідальності відмикаються.
Володимир СИДОРЕНКО, зав. лабораторії,
Південноукраїнська філія УкрНДІПВТ ім. Погорілого
