Одним із ефективних способів моніторингу температури ґрунту – використання термосенсорів – пристроїв, які вимірюють температуру на різних глибинах, допомагаючи своєчасно виявляти та прогнозувати критичні періоди. Вимірювання температури ґрунту за допомогою термосенсорів дозволяє фіксувати моменти, коли ґрунт перегрівається і, відповідно, втрачає вологу, що безпосередньо впливає на стан рослин та біологічну активність. Розглянемо один з термосеносонсорів, який використовується в дослідженнях вітчизняних науковців.
Один з термосенсорів
Інструмент – термосенсор, базується на контролері Arduino. Прилад виконаний в корпусі з поліпропіленової труби діаметром 3,2 см і довжиною 200 см, а також в пластиковому корпусі для розміщення мікроконтролера, літій-іонних акумуляторів, флеш-карти та інших компонентів (рис. 1).
Рис. 1. Встановлені прилади для моніторингових спостережень за різноглибинною температурою ґрунту та ґрунтового покриву в теплий і холодний періоди року:
а) плодовий сад, моніторинг глибини промерзання ґрунту,
б) рілля, різнотрав’яна рослинність.
Система оснащена цифровими датчиками DS18B20, які забезпечують вимірювання температури з точністю +/- 0,5 °C, в діапазоні від -55 до +125°C. Датчики розміщені через кожні 10 см (5 см) по вертикалі на пристрої та підключені через інтерфейс 1-Wire, що дозволяє вимірювати температуру на глибинах від 10 до 120 см. Також передбачено датчик на гнучкому дроті для вимірювання температури поверхні ґрунту (0 см). Нині експлуатуються два варіанти інструменту, які вимірюють температуру ґрунту на глибині до 120 см (з кроком: 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 см) та на глибині до 60 см (з кроком: 0, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60 см).
Інтервал вимірювань налаштовується на етапі перед встановленням інструменту та можуть мати інтервали від 1 хвилини до кількох годин. У поточній комплектації двох варіантів інструменту, вимірювання здійснюються з інтервалом кожні 30 хвилин і складають 48 вимірювань на добу, при цьому енергоспоживання становить менше 0,5 Вт/добу, що достатньо на вегетаційний сезон із одним зарядом акумулятора. Збільшення кількості акумуляторів у кожному інструменті збільшує період його експлуатації без технічного обслуговування до 1 року.
Дані передаються в реальному часі через мережу GSM місцевого оператора, на спеціалізований веб-сайт і базу даних. На сайті, дані про різноглибинні температури ґрунту, відображаються відразу після їх надходження з пристроїв (рис. 2). Додатковий графічний функціонал дозволяє бачити перебіг температури ґрунту на досліджуваних глибинах у вигляді графіка (рис. 3). Вибір тих чи інших глибин дозволяє виводити на графік ті глибини, які цікаві в даний момент часу або всі одночасно, як показано на рисунку 3. Зберігання даних протягом тривалого часу забезпечує можливість їх аналізу завдяки функціоналу, який надає широкі можливості з налаштування відображення інформації.
Рис. 2. Відображення показників температури ґрунту на сайті користувача. По горизонталі «пакет» даних: дата, час отримання «пакету», внутрішній номер термосенсору, номер отриманого «пакету», температури ґрунту на поверхні (0 см) та по глибинах 5,10,15,20,25,30,40,50,60 см.
Рис.3 Добових хід температури ґрунту на досліджуваних глибинах і поверхні. По горизонталі – період спостережень (дата, години), по вертикалі – температури ґрунту (°C).
Практичні кейси роботи з термосенсорами
У своїй роботі ми застосовуємо методику для стабільної передачі та збереження інформації про температурні умови ґрунту. Щоб забезпечити передачу й накопичення даних у разі відсутності електропостачання, розроблено процедуру, яка передбачає надсилання пакетів з термосенсорів через GSM-модем на проміжний сервер, який розташований у захищеному дата-центрі. Сервер налаштований на швидке приймання і збереження пакетів даних у log-файлі. Усі термосенсори синхронно передають дані про температурний стан, використовуючи «вікно» передачі до 5 хвилин. Згодом, проміжний сервер, у асинхронному режимі передає ці пакети на сервер баз даних. У разі тимчасової недоступності серверу баз даних, інформація автоматично поміщається в чергу для повторного надсилання, яке виконується одразу після відновлення з'єднання. Однак на відрізку «GSM-модем – оператор» можуть виникати ситуації, коли певні «пакети» даних не досягають проміжного сервера через природні чи антропогенні чинники. Завдяки наявності флеш-карти в приладі, всі виміри температури зберігаються, що дозволяє уникнути втрати даних. При необхідності ці дані можуть бути завантажені та оброблені вручну.
Легкий монтаж на місцях дослідження здійснюється методом вертикального буріння ґрунтовим буром, що забезпечує надійний контакт із ґрунтом. Установку проводять за плюсових температур, мінімально порушуючи структуру ґрунту — об’єм пошкодження становить лише 0,0011 м³ при глибині свердловини 120 см і діаметрі 3,5 см, що дозволяє максимально зберегти його природний стан.
Термосенсор зручно застосовувати для підвищення ефективності аграрних практик, зокрема:
1. Визначення оптимальної температури ґрунту, щоб обрати найкращий час для посіву насіння рослин.
2. Розрахунок оптимальних періодів внесення добрив для максимального засвоєння їх рослинами.
3. Регулювання поливу для запобігання нестачі чи надлишку вологи, що також зменшує/заощаджує споживання води та енергії системами зрошення.
4. Запобігання втратам врожаю шляхом вчасного виявлення ранніх ознак теплового стресу та хвороб рослин, спричинених температурними коливаннями.
5. Контроль глибини промерзання ґрунту для прогнозування процесів інфільтрації вологи під час танення снігу.
Сучасні термосенсори, які стають дедалі доступнішими завдяки технологічному розвитку, відкривають нові перспективи для аграрного сектору та екологічного моніторингу. Завдяки впровадженню бездротових мереж та систем моніторингу в реальному часі, користувачі отримують актуальні дані про стан ґрунту, що особливо корисно для масштабних господарств.
Такі прилади надають незамінні можливості для ефективного управління ґрунтовими ресурсами. Вони дозволяють виявляти критичні періоди перегріву ґрунту, прогнозувати початок посух та вчасно вживати заходів для мінімізації негативних наслідків. Як свідчать дані наших досліджень, застосування термосенсорів сприяє більш глибокому розумінню ґрунтових процесів та оперативному реагуванню на зміни, що робить їх важливим інструментом для сталого розвитку сільського господарства та екологічної безпеки.
Олена ТРОЦЕНКО, директор «Скай Ай»
Текст, рисунки надані автором
