Сенсори для точного землеробства

Сенсор, або датчик — це пристрій, який отримує, сприймає або сканує певні вхідні дані, такі як інтенсивність сонячного світла, температура, вологість тощо, та реагує на них і перетворює їх на зображення або сигнали, які придатні для подальшого зчитування, аналізу й обробки.

По суті, сенсори виявляють фізичні або хімічні зміни в навколишньому середовищі та перетворюють їх на електричні сигнали. Тип сенсора залежить від типу виявленої зміни. Наприклад, датчик температури виявляє зміни температурного режиму середовища і перетворює ці зміни на електричні сигнали, які передає на підключений до нього пристрій. Подальше завдання пристрою – інтерпретувати ці сигнали й залежно від алгоритму вживати чи не вживати певні дії (вмикати чи вимикати полив, закривати чи піднімати штори в теплиці тощо).

Для ведення точного землеробства використовують різні типи сенсорів. 

Оптичні сенсори

Оптичні сенсори реагують на світло. Вони почали з’являтися понад 20 років тому і від початку були призначені для вимірювання вмісту азоту в рослинах. Фактично, сенсори оцінюють співвідношення відбитого світла в кількох діапазонах і кількість хлорофілу в рослинах, розраховуючи вегетаційний індекси, наприклад, індекс біомаси. Здорові, добре сформовані рослини під час фотосинтезу поглинають більше червоного і синього світлового спектра та відбивають зелений. Цю особливість рослин було покладено в основу роботи оптичних сенсорів.

Для функціонування сенсорам необхідне джерело світла. Пасивна технологія передбачає використання сонячних променів, натомість активна функціонує на штучних джерелах світла, таких як світлодіодні або ксенонові лампи.

Оптичні сенсори використовують навесні для визначення потреби в підживленні озимої пшениці. При цьому виявлені слабкі рослини підживлюють інтенсивніше, а на ділянках з достатньо розвинутими посівами норму внесення зменшують. За таким самим принципом оптичні сенсори використовують для розрахунку потреби в живленні інших культур.

Оптичні датчики можуть встановлюватися на будь-яку сільськогосподарську техніку, супутники, дрони та роботизовані машини.

Нині оптичні сенсори стали настільки якісними, що за їх допомогою проводять розпізнавання бур’янів на полі. При цьому сенсори встановлюють на кожну з форсунок обприскувача. Під час руху полем сенсори автоматично і безперервно сканують рослинний покрив. Виявляючи бур’яни, комп’ютер подає робочий розчин на форсунки, під якими було виявлено небажану рослинність. Завдяки цьому препарат потрапляє точно на бур’ян. Під час внесення гербіцидів контактної групи це дає змогу отримувати колосальну економію засобів захисту рослин.

Також використання оптичних сенсорів допомагає визначити оптимальні норми внесення регуляторів росту.

Електрохімічні сенсори

Електрохімічні датчики допомагають збирати, обробляти та картографувати дані про хімічний аналіз ґрунту. Іншими словами, вони призначені для виявлення в ґрунті поживних речовин та визначення його рН. 

Вимірювання проводять за допомогою іон-селективних електродів. Ці електроди реагують на специфічні іони.

Недолік електрохімічних сенсорів у тому, що вони доволі дорогі й масивні, тому працюють із ними переважно в лабораторіях. Для цього зразки ґрунту відбирають на полі за певною схемою і надають безпосередньо для вимірювання.

Нині дослідники намагаються адаптувати існуючі методики підготовки і вимірювання агрохімічних показників ґрунту для проведення важливих тестів безпосередньо під час руху по полю. Отримані значення можуть бути не такими точними, як під час аналізу зразків у лабораторії, але при великій кількості відбору зразків можуть збільшити загальну точність для відображення вмісту поживних речовин і рН.

Механічні сенсори

Механічні датчики використовують для вимірювання механічного опору ґрунту, який часто є відображенням його щільності. Їх також називають щільномірами, або пенетрометрами. Такі датчики використовують механізм, що проникає або розрізає шар ґрунту, а тензометри або тензодатчики фіксують силу опору. Вони дають змогу визначити, чи є на полі проблема з ущільненням ґрунту, а також визначити глибину залягання підплужної підошви. 

Декілька дослідників вже мають вдосконалені прототипи, які дають можливість проведення неперервного відображення опору ґрунту, однак ці прототипи поки що не доступні для продажу.

Діелектричні сенсори

Діелектричні сенсори призначені для вимірювання вологості ґрунту шляхом визначення його діелектричної проникності.

Такі сенсорні можуть встановлюватися в будь-якому місці на полі для контролю рівномірності його зволоження. 

Базові станції, сенсори розташування

Їх розміщують на полі для посилення сигналу GPS. Основне призначення: вимірювання висоти, довготи та широти обраної точки.

Метеостанції

Насправді, метеостанція — це комплект датчиків, які здійснюють метеорологічні спостереження на цільовій локації, у полі, в саду чи в іншому місці господарської діяльності. Метеорологічні датчики збирають та надають дані про умови навколишнього середовища, які впливають на ріст і розвиток рослин. Основні показники, які збирають датчики: кількість опадів, температура ґрунту і повітря, вологість ґрунту, вологість повітря та листя, а також швидкість і напрям вітру. Додатково метеостанції можуть комплектуватися датчиками сонячної радіації та вологості листя.

GPS трекери для моніторингу сільськогосподарської техніки

Ці електричні сенсори призначені для супутникового моніторингу всього автопарку, який є в господарстві. Вони допомагають контролювати роботу персоналу та автономних систем водіння, покращують логістику та пришвидшують ухвалення рішень.

Сенсори потоків повітря

Сенсори потоків повітря використовують для вимірювання повітропроникності ґрунту під час руху по полю. Тиск, необхідний для стиснення заданого обсягу повітря в ґрунті на певній глибині,  порівнюють з кількома його властивостями. Дослідження підтвердили, що в такий спосіб можна розподіляти ґрунти за їх типом, умістом вологи і структурою.

Акустичні сенсори

Акустичні сенсори використовують для визначення гранулометричного складу ґрунту шляхом вимірювання рівня шуму за рахунок взаємодії ґрунтових часточок з пристроєм. Низький рівень шуму не дозволив даній технології розвиватись далі.

Інноваційні рішення

Перелічені вище типи сенсорів використовують достатньо тривалий час, при цьому вони постійно вдосконалюються та з часом перелік їхніх можливостей розширюється.

Нині активно ведеться робота з розробки сенсорів інших типів, які могли б виконувати більше завдань і надавати ширшу інформацію користувачам.

Один із таких прикладів – новий розумний пристрій для оцифрування ґрунту під назвою SoilReader, який має вийти на ринок до кінця 2023 року. SoilReader – це технологія аналізу ґрунту в реальному часі за допомогою спектрометрії у видимому та ближньому інфрачервоному діапазоні спектра (visible and near-infrared spectrometry, VNIRS). Такий підхід дозволяє вивести обробіток ґрунту, внесення добрив зі змінною нормою, посів та багато інших технологічних операцій на зовсім новий рівень, оскільки поєднує в собі можливості різноманітних систем зондування ґрунту та приладів, що здійснюють лабораторні дослідження на основі VNIR-аналізу.

Інший приклад – оснащення БПЛА великими гамма-спектрометрами, які використовуються для картографування природних радіонуклідів. Рівень радіоактивності ґрунту дає інформацію про його тип. Ці дані можна використовувати для визначення родючості ґрунту або вмісту в ньому поживних речовин. Радіоактивність є також показником вологості ґрунту (хоча зазвичай для вимірювання вологості використовують електричні або тензіометричні методи). Ця інформація може бути використана виробниками для оптимізації внесення добрив або коригування стратегій зрошення, тобто визначення норм на різних ділянках відповідно до даних моніторингу. До недавнього часу такі вимірювання проводилися лише із землі за допомогою великих і важких детекторів.

Отже, розробка ідеального сенсора, за допомогою якого можна було б проводити моніторинг поля, триває. У найближчі роки на нас чекає багато нових відкриттів у цій галузі.