Telemetria w sadzie – precyzyjne nawadnianie dzięki telemetrii
„Współczesna telemetria i automatyka to nie tylko rozwiązania do zastosowań przemysłowych, w potocznym znaczeniu tego terminu. Ich obecność zaczyna również obejmować zupełnie nowe dziedziny, w których dotychczas wykorzystywane były marginalnie. Poniższy artykuł opisuje zastosowanie telemetrii, czy też jak to się obecnie określa, Internetu Rzeczy, do zastosowań w Produkcji Rolnej, która w ostatnim czasie zamieniła się w pełnoprawny, coraz bardziej wymagający i nowoczesny, Przemysł Rolny.
Bezpośrednim powodem włączenia tych zagadnień do Telemetronu jest fakt, że trzy lata temu rozpoczęliśmy proces dywersyfikacji potencjalnych odbiorców naszych rozwiązań telemetrycznych włączając do nich Producentów Rolnych. Powstały w wyniku współpracy z Instytutem Sadownictwa i Panem Profesorem Trederem osobiście, system eSAD, podlega obecnie procesowi komercjalizacji pod nazwą AGREUS i przygotowywany jest do wprowadzenia na rynek. Im szybciej to nastąpi, tym szybciej możliwe będzie rozpoczęcie naszej zupełnie nowej gałęzi działalności: wsparcia nowoczesnego, precyzyjnego rolnictwa, czyli Smart Farming.
Zachęcam do przeczytania artykułu przygotowanego przez P. Profesora Tredera, niekwestionowanego autorytetu w dziedzinie nawadniania i fertygacji upraw. Poniższy tekst przybliża złożoność zachodzących w tej dziedzinie procesów i wskazuje, jak przydatne mogą być nowoczesne rozwiązania zaczerpnięte z systemów automatyki i telematyki. Poruszane zagadnienia nie są łatwe, terminologia nie zachęca, ale warto. To nowy, dynamicznie rozwijający się obszar produkcji przemysłowej, jakże ważny dla przyszłości mieszkańców Naszego Świata.”
Jerzy Białousz
Ludzkość stoi przed wyzwaniem wyżywienia dynamicznie rosnącej populacji. Jedynym sposobem zwiększenia produkcji żywności jest dalsza intensyfikacja rolnictwa. Czynnikiem szczególnie wpływającym na wysokość plonowania roślin i jakość chowu zwierząt jest dostępność wody. Niestety większość scenariuszy prognostycznych przewiduje w najbliższym czasie dalszy wzrost średniej temperatury powietrza przy zmniejszającej się ilości opadów. Ograniczone zasoby wodne mogą w przyszłości stanowić barierę rozwoju gospodarczego wielu rejonów świata oraz negatywnie wpływać na stan środowiska i jakość życia społeczeństw. Koniecznym jest więc podejmowanie działań na rzecz zwiększenia retencji wodnej, poprawy jakości wody i podniesienia efektywności nawadniania. To właśnie rolnictwo jest głównym konsumentem wody na świecie. W Unii Europejskiej średnio 24% rocznego poboru wody jest zużywane w rolnictwie, ale w krajach o wysokiej kulturze rolnej i gorącym klimacie udział wody stosowanej do nawadniania sięga nawet 80% całości poboru. Z powodu znacznego zwiększenia powierzchni upraw nawadnianych zużycie wody na świecie wzrosło dwukrotnie w przedziale lat 1960-2000. Dlatego trzeba zrobić wszystko, aby jak najoszczędniej gospodarować ograniczonymi zasobami wody.
Także w skali gospodarki Polski rolnictwo jest znaczącym konsumentem wody. Chcąc konkurować na rynkach światowych będziemy zmuszeni do znacznego zwiększenia powierzchni nawadnianych upraw, a więc i większego zużycia wody. Niestety Polska ma jeden z najgorszych bilansów wodnych w Europie. Powodem tego są niskie zasoby wód powierzchniowych, małe opady roczne, wysoka ewapotranspiracja i mały udział dopływu rzecznego spoza granic kraju. Odnawialne zasoby wodne w Polsce wynoszą około 1600 m3 na rok na mieszkańca, co stanowi trzykrotnie mniej niż średnia w Europie. Złym zjawiskiem jest także ciągłe obniżanie jakości wód spowodowane działaniami antropogenicznymi. Niestety w okresie najbliższych kilkunastu lat należy oczekiwać, że bilans wodny Polski ulegnie dalszemu pogorszeniu. Bardzo niepokojącym jest fakt, że po bardzo suchym roku 2015 w roku 2018 znowu wystąpiły dotkliwe susze. Takiej częstotliwości występowania lat bardzo suchych w Polsce dotychczas nie odnotowywaliśmy. Niedostateczna ilość wody podczas sezonu wegetacyjnego istotnie zmniejsza plon, ale przede wszystkim obniża jego jakość. Jedynym sposobem na utrzymanie wysokiego poziomu produkcji ogrodniczej jest stosowanie nawadniania.
Fot.1 Stacja bazowa systemu Agreus
W warunkach Polski, dla zapewnienia wysokich plonów dobrej jakości owoców, należy dostarczyć za pomocą nawadniania średnio 100 – 200 mm wody (1000 – 2000 m3 wody/ha). W naszych warunkach klimatycznych na wyprodukowanie 1 kg jabłek niezbędne jest około 200 – 250 l wody. W latach suchych ok 30% tej wody pochodzi z nawadniania. Są to bardzo duże ilości wody, które wpływają na koszty produkcji. Istotnym kosztem nie jest tylko cena wody, ale też cena energii elektrycznej, za pomocą której woda będzie pobierana i wtłaczana do instalacji nawodnieniowej. W przypadku wody czerpanej ze złoży głębinowych cena energii elektrycznej niezbędnej na pompowanie może być nawet wyższa od ceny wody. Biorąc pod uwagę perspektywę zmian klimatycznych oraz przewidywane w przyszłości wzrosty cen wody i energii nawadnianie staje się istotnym elementem wpływającym na koszty produkcji owoców. Przy określonej ilości dostępnej wody i rosnącym zapotrzebowaniu (intensyfikacja produkcji roślin i zmiany klimatyczne) zmuszeni jesteśmy do stosowania w praktyce jak najbardziej efektywnych metod nawadniania. Badania ankietowe prowadzone przez nas wśród producentów roślin sadowniczych wskazują na pozytywny kierunek rozwoju nawodnień w Polsce, np. w sadownictwie dominującym (ok. 78%) systemem nawadniania w gospodarstwach są wodooszczędne instalacje kroplowe. Niestety, nikt z prawie 1000 respondentów nie znał żadnej metody szacowania potrzeb wodnych roślin. Ponad 80% użytkowników systemów nawodnieniowych deklarowało, że dawki nawodnieniowe ustala „na oko”. Tylko kilkanaście procent gospodarstw sadowniczych deklarowało stosowanie pomiarów wilgotności gleby. Badania te wykazały, że olbrzymia większość producentów nie stosuje jakichkolwiek wiarygodnych kryteriów szacowania potrzeb nawodnieniowych, co w praktyce wiąże się z bardzo nieracjonalnym wykorzystaniem wody. W większości przypadków stosowane są zbyt wysokie dawki wody, często nawet o 50% wyższe od potrzeb wodnych roślin. Pilotażowe doświadczenia prowadzone w Instytucie Ogrodnictwa wskazują, że przy właściwym zastosowaniu wiarygodnych kryteriów nawadniania można znacznie ograniczyć zużycie wody istotnie podnosząc efektywność nawadniania (zwyżka plonu na jednostkę zużytej wody). W praktyce do wykorzystania mamy dwie grupy kryteriów: klimatyczne lub glebowe. Kryteria klimatyczne wykorzystują do szacowania potrzeb wodnych modele obliczeniowe wyznaczające wysokość ewapotranspiracji (parowanie z powierzchni gleby – ewaporacja, roślin –transpiracja). W przypadku kryteriów glebowych nawadnianie prowadzone jest w oparciu o pomiary wilgotności (lub potencjału) gleby mierzonej w warstwie aktywnej strefy korzeniowej roślin. Początkowo pomimo teoretycznej przydatności praktyczne zastosowanie tej metody do sterowania nawadnianiem roślin było bardzo ograniczone. Główne powody to stosunkowo wysoka cena czujników oraz mierników wilgotności gleby, konieczność „ręcznego” prowadzenia pomiarów i ograniczone możliwości wykorzystania pomiarów wilgotności gleby do zautomatyzowania całego procesu sterowania nawadnianiem. Większość z tych ograniczeń można wyeliminować po zastosowaniu rozwiązań telemetrii bezprzewodowej.
Fot. 2 Czujnik wilgotności, temperatury i zasolenia gleby
Działania takie podjęła firma Inventia wspólnie z Instytutem Ogrodnictwa w Skierniewicach. W ramach programu „Działanie RPO WM 1.2 Działalność badawczo-rozwojowa przedsiębiorstw” przystąpiono do projektu e-Sad. Celem projektu było opracowanie systemu składającego się z urządzeń do zdalnego pomiaru parametrów powietrza oraz gleby na terenach rolnych (temperatura i wilgotność powietrza oraz wilgotność gleby), a także modułów sterujących zaworami nawodnieniowymi. Efektem tych prac jest system „Agreus”, którego pierwsze prototypowe elementy prezentowaliśmy 14 VI 2018 roku w Sadzie Doświadczalnym w Dąbrowicach na XXI Drzwiach Otwartych Instytutu Ogrodnictwa.
Sercem systemu jest stacja bazowa transmitująca dane z/do rozproszonych terminali, czyli tworząca sieć czujników i modułów pomiarowo-wykonawczych. Transmisja odbywa się z wykorzystaniem bezprzewodowej sieci radiowej dalekiego zasięgu – LoRa. Technologia ta, w zależności od warunków terenowych, umożliwia pokrycie swoim działaniem dużego obszaru upraw przy jednoczesnym niskim zużyciu energii, co jest parametrem krytycznym dla urządzeń zasilanych bateryjnie. Pierwszą stację bazową zainstalowaliśmy na Gmachu Instytutu Ogrodnictwa w Skierniewicach przy ulicy Pomologicznej 18 (fot. 1), uzyskując skuteczną transmisję w obrębie Sadu Pomologicznego i Obiektu Szklarniowego oraz Pola Doświadczalnego SGGW. Stacja bazowa systemu może łączyć się z Internetem wykorzystując Wi-Fi istniejącej sieci lokalnej, niezależnie poprzez GSM (3G, LTE) lub, opcjonalnie, przez kablowe połączenie Ethernet. Połączenie z Internetem pozwala przesłać zebrane dane do pracującego w chmurze portalu. Dane gromadzone na indywidualnym koncie użytkownika mogą służyć do prowadzenia analiz i generowania raportów. Bardzo ważnym elementem całego systemu są opracowane przez firmę Inventia, a testowane w Instytucie, czujniki wilgotności, temperatury i zasolenia gleby AM-100 (fot. 2), czujnik temperatury i wilgotności powietrza AM-200 (fot. 3) oraz stacja zaworowa sterowana radiowo AM-421. Jest to moduł wykonawczy pozwalający na niezależne sterowanie 4 zaworami systemu nawadniania aktywowanymi napięciem 9 VDC. Rozwiązanie to pozwala na wprowadzenie automatyki sterowania nawadnianiem wszędzie tam gdzie z jakiś powodów (technicznych lub ekonomicznych) prowadzenie przewodów sterujących było dotychczas niemożliwe.
Fot. 3 Czujnik temperatury i wilgotności powietrza AM-200
Agreus to oczywiście nie tylko nawadnianie i fertygacja. Testowany przez nas czujnik pomiaru temperatury i wilgotności powietrza może być bardzo przydatny do monitorowania tych parametrów wiosną w okresie występowania przymrozków. Wiarygodne informacje o aktualnej temperaturze w różnych miejscach sadu są niezbędne do prowadzenia aktywnej ochrony sadów przed przymrozkami. Na podstawie już pierwszych naszych badań i obserwacji można stwierdzić, że możliwości wykorzystania nowoczesnych systemów telemetrycznych w sadownictwie są bardzo szerokie, a kierunek ich rozwoju będzie uzależniony od potrzeb użytkowników.
Prof. dr hab. Waldemar Treder
Przy opracowaniu projektu korzystamy z dofinansowania unijnego w ramach programu Działanie RPO WM 1.2 Działalność badawczo – rozwojowa przedsiębiorstw, numer projektu RPMA.01.02.00-14-5663/16-00: „Opracowanie innowacyjnego system pomiaru rozproszonego parametrów klimatyczno-glebowych jako narzędzia optymalizacji nawadniania, ochrony roślin i prac agrotechnicznych.”
