Trăim cu toții în secolul XXI, un secol în care automatizarea joacă un rol important în viața omului. Automatizarea ne permite controlul aparatelor și al echipamentelor. Acest lucru nu numai că oferă confort, ci și reduce consumul de energie, eficiență și economie de timp. Așadar, o tehnologie de irigare la costuri reduse, utilizată de către fermieri, este perfect posibilă, după cum propun inginerii Universității din Utrecht, care au gândit un sistem automatizat, prevăzut cu motor și control al fluxului de apă în conductă cu ajutorul senzorului de umiditate al solului. Prototipul a fost descris în lucrarea cu titlul ”A Low Cost Smart Irrigation Control System”, publicată în primăvara acestui an.

Avantajele automatizării

Inclusiv în România, agricultura este o sursă majoră de producție alimentară, răspunzând cererii crescânde a populației autohtone sau necesităților de export ale fermierilor. În agricultură, irigarea este un proces esențial de cultură, care influențează producția. În general, fermierii își vizitează câmpurile agricole pentru a verifica periodic nivelul de umiditate al solului și, pe baza cerințelor constatate, apa este pompată de motoare pentru a iriga respective câmpuri. Însă agricultorul trebuie să aștepte o anumită perioadă, pentru ca apa să curgă în cantitate suficientă pe câmpurile respective. Această metodă de irigare durează mult timp și necesită un efort special, atunci când un fermier trebuie să irige mai multe câmpuri agricole, distribuite în diferite zone geografice.

În zilele noastre, fermierii trebuie să-și gestioneze activitatea agricolă împreună cu alte ocupații. Automatizarae în sistemul de irigare face munca fermierului mult mai ușoară. Senzorii sistemului de irigații automatizată, bazat pe soluții digitale, oferă o soluție promițătoare, acolo unde prezența fermierului pe câmp nu este obligatorie. Un procesor mic, programat pentru control, o supapă electromagnetică un motor, pot fi de ajuns pentru a începe de udarea terenului.

Însă fermieri au nevoie de o interfață de utilizator ieftină și simplă, pentru controlul senzorului sistemului automatizat de irigare. Acum, internetul este utilizat pe scară largă și poate fi folosit de agricultor, pentru irigarea terenurilor. Acest lucru îi ajută pe fermieri să cunoască starea direcției de udare a câmpului, printr-un simplu mesaj primit pe telefon.

Un prototip olandez

În această lucrare prezentăm un prototip pentru automatizarea completă și accesarea motorului de irigare. Prototipul include numărul senzorilor Nod, plasați în diferite locuri ale câmpului. Fiecare senzor este integrat cu un dispozitiv de rețea wireless. Datele primite de microcontrolerul ATMEGA-328, care se află pe o consolă ARDUINO-UNO RASPBERRY-Pi, este utilizat pentru a trimite mesaje prin internet, fiind în corespondență cu procesorul microcontroler-ului.

Pentru experimentare, inginerii olandezi au extras o valoare de umiditate a solului pentru fiecare senzor utilizat în direcția diferită a câmpurilor agricole. Umiditatea, în fiecare direcție a câmpului, este sesizată de senzor, iar datele sesizate sunt trimise către microcontroler prin wireless, spre dispozitivul de rețea. La recepția valorii senzorului, regulatorul îl compară cu valoarea necesară a umidității solului.

Când umiditatea solului dintr-un anumit câmp nu este la nivelul necesar, atunci comutatorul nodului de control al motorului acționează automat pentru a iriga câmpul asociat, iar dispozitivul RASPBERRY-Pi procesează toate datele care transmite prin SMS-urile de notificare fermierului care poate interveni direct, în timp real, concomitent cu monitorizarea de pe un ecran, pentru a vedea starea curentă a irigației și utilizarea apei.

Metode de irigație

Există diferite tipuri de metode pentru irigarea câmpului agricol și pentru diferite tipuri de cultură. Cel mai des, agricultorii folosesc trei metode: sistem de canale, sistem de aspersoare, sistem de picurare. Sistemul de canale este o metodă tradițională de irigare. Dar sistemul de irigații smart este o tehnologie nouă pentru irigarea fermei în mod automat. Să vedem, deocamdată, diferențele:

Sistemul de canale: Acest sistem este utilizat pe scară largă în irigațiile agricole, fiind un sistem cu costuri foarte mici pentru irigarea unei zone mari de teren agricol. În acest sistem, conductele sunt conectate la o pompă și, în timp ce pompa începe curgerea apei prin conducta de la lac sau râu, trimite apa la câmpul agricol. Însă, în acest mod, sunt mari cantități de deșeuri de apă și un număr mare de lucrători angajat în timpul udării.

Sistemul de stropire: Acest sistem este mai util dacă apa este disponibilă în cantitate mai mică. Atunci când pompa a pornit, începe curgerea apei prin conducta principală și, de asemenea, prin conductele perpendiculare. Duza de pe partea superioară a conductei perpendiculare se rotește automat la intervale regulate. Acest sistem este foarte util pe solul nisipos.

Sistemul de picurare: În acest sistem, căderea apei se oprește la poziția rădăcinii plantei. Este cea mai bună tehnologie pentru udarea plantelor fructifere sau a legumelor din grădini. Apa curge printr-o conductă principală și este divizată în sub-conducte. Acestea sunt prevăzute cu duze speciale, montate sub conducte. În acest sistem, risipa de apă este foarte mică.

Sistemul inteligent de irigare

Irigarea inteligentă presupune că sistemul total este controlat de un mediu autonom, care controlează automat total irigarea, chiar dacă fermierul nu este prezent pe câmp. Sistemul, care nu necesită niciun muncitor agricol, trimite mesaje fermierului cu informațiile necesare, rezultând o irigare eficientă și determinând mai puține pierderi de apă, cu comparativ cu cele trei metode anterioare.

Senzorul de umiditate al solului include un comparator (LM393), care transformă datele analogice în date digitale. Două sonde de sol constau din două fire subțiri de cupru, cu lungimea de 5 cm, care pot fi cufundate în solul testat. Circuitul oferă o tensiune corespunzătoare conductivității solului. Pământul dintre sonde acționează ca o rezistență variabilă, a cărei valoare depinde de conținutul de umiditate din sol.

Rezistența peste sondele de sol pot varia de la infinit (pentru un sol complet uscat), până la o rezistență foarte mică (pentru 100% umiditate în sol). Variația rezistenței RS, duce la variația tensiunii de polarizare, comparativ cu variația corespunzătoare a curentului de bază de intrare (Ib). Pentru emițătorul comun, variația curentului de bază duce la o mare variație a emițătorului curent și, prin urmare, tensiunea emițătorului este luată ca tensiune de ieșire a senzorului.

Pentru a completa sistemul, sunt necesare ventile electromagnetice cu trei conexiuni de conductă și două orificii. Când un orificiu este deschis, celălalt este închis și invers. Ventilul este controlat automat de apă și cerința transmisă de senzor. Senzorii de umiditate ai solului sunt folosiți pentru a detecta nivelul de umiditate din interiorul solului, trimițând datele către dispozitivul de rețea wireless.

La concret

Pe o mare suprafață de teren se utilizează un număr mare de conducte pentru udarea plantelor în direcții diferite, față de priza motorului. Dar utilizarea supapelor electromagnetice care sunt întotdeauna conectate, schimbă automat direcția de udare necesară. În timp ce robinetul este deschis, atunci motorul este pornit automat, de un simplu mesaj SMS trimis de fermier. Pe o suprafață neregulată a câmpului se folosesc un număr mare de senzori și dispozitive de rețea wireless, fapt care crește costul sistemului inteligent.

Așadar, ne concentrăm să scădem numărul de senzori și dispozitive de rețea wireless. În mod normal, câmpurile agricole sunt neregulate în suprafață. Așadar, schimbați interiorul unei suprafețe neregulate în pătrat. Senzorii sunt dislocați în fiecare colț al zonei neregulate și apoi proiectați interiorul unei suprafețe neregulate ca pătrat, și apoi, senzorii sunt dislocați în fiecare colț al pătratului. Care necesită un număr mai mic de senzori. Fiecare nod de senzor se conectează cu dispozitive de rețea wireless.

Modelul de rețea

Un algoritm, numit Local Shortest Path (LSP), utilizează pentru control rețele multiple fără fir. În acest algoritm, fiecare dispozitiv WSN calculează cele mai scurte căi care se conectează la el, prin dispozitivele WSN din apropiere, bazate pe o funcție de greutate a legăturii. Nodurile senzorului și dispozitivele de rețea wireless sunt alimentate prin baterie cu sursă de alimentare limitată. Prin urmare, energia nodurilor senzorului este tratată ca fiind cea mai gravă problemă, pentru funcționarea îndelungată a WSN.

Clustering WSN este o tehnică eficientă, cunoscută pentru energie salvarea nodurilor senzorului. Un WSN cu două anvelope este format prin gruparea nodurilor senzorului în anvelopa inferioară. În fiecare cluster există un cluster head (CH), iar nodurile rămase sunt membre de cluster (CM). CM-urile colectează datele și le trimit către CH. CH trimite apoi datele agregate direct fermierului și sistemului automatizat sau prin intermediul altor CH. Acolo sunt două tipuri de comunicări între CH: comunicarea single-hop și comunicarea multi-hop. În CH-single-hop se conectează direct la sursa de apă; în comunicarea multi-hop, CH-ul se conectează prin intermediul altor CH. Fiecare CH distribuie și transmite pachetul de date, astfel încât, încărcarea nodurilor de redirecționare sunt echilibrate, iar  energia consumată de CH este redusă la minimum, în procesul de rutare a datelor.

Costuri

Într-un sistem inteligent de irigare se utilizează un cost foarte mare și multe instrumente pentru control. Dar aici folosim un nivel foarte scăzut și costuri hardwires care pot fi achiziționate cu ușurință de un fermier, implementarea în câmp putând fi făcut ușor. Scăderea numărului de senzori oferă, de asemenea, un cost rentabil al sistemului de irigare inteligent. Totalul costurilor se poate ridica la cca 5.000 de euro, ceea ce este foarte puțin pentru o fermă.