Краткий ответ
Датчик влажности почвы — это зонд в корнеобитаемом слое, который измеряет содержание воды в почве (%) или её всасывающее давление (kPa), чтобы полив выполнялся только тогда, когда растениям нужна вода. Тензиометры и гранулированные матричные датчики измеряют всасывающее давление; ёмкостные и TDR-зонды — объёмную влажность. Типичные пороги запуска полива по всасывающему давлению составляют около 10–30 kPa для песчаных почв и 30–50 kPa для суглинков; их уточняют с учётом культуры и стадии роста.
Что такое датчик влажности почвы и как он помогает управлять поливом?
Датчик влажности почвы — это зонд, установленный в корнеобитаемом слое, который измеряет либо количество удерживаемой почвой воды (объёмную влажность, в %), либо силу её удержания (всасывающее давление почвы, в килопаскалях или сантибарах). Это позволяет поливать растения, когда им действительно нужна вода, а не по фиксированному таймеру. В сочетании с датчиками дождя и расходомерами он позволяет перейти от полива наугад к поливу на основе измерений с проверяемым результатом.
В этом руководстве сравниваются основные типы датчиков, приводятся типичные пороги запуска полива, показана установка зондов и объясняется роль датчиков дождя и расходомеров в хозяйствах, теплицах и питомниках. О выборе самого контроллера читайте в нашем руководстве по интеллектуальным контроллерам полива.
Сравнение типов датчиков влажности почвы
Датчики влажности почвы делятся на две группы: датчики всасывающего давления, показывающие, какое усилие требуется корням для извлечения воды, и датчики объёмной влажности, показывающие количество воды в почве. Оба типа подходят для планирования полива; выбор зависит от почвы, культуры, бюджета и желаемого способа получения данных.
| Тип датчика | Что измеряет | Типичный диапазон | Преимущества | Ограничения |
|---|---|---|---|---|
| Тензиометр | Всасывающее давление почвы | От 0 до примерно 80 kPa | Прямая оценка доступности воды для растений, без калибровки | Требует долива воды, в сухой почве возможен срыв вакуума, есть риск замерзания |
| Гранулированный матричный датчик / гипсовый блок | Всасывающее давление по электрическому сопротивлению | Примерно 0–200 kPa | Низкая стоимость, минимальное обслуживание, более широкий диапазон измерений в сухой почве | Медленный отклик, меньшая точность в очень влажной почве, влияние засолённости |
| Ёмкостный / FDR-зонд | Объёмная влажность | От 0 до насыщения | Быстрый отклик, непрерывная регистрация данных, профильные зонды для измерений на нескольких глубинах | Необходим хороший контакт с почвой и, желательно, калибровка под конкретную почву |
| TDR (рефлектометрия во временной области) | Объёмная влажность | От 0 до насыщения | Высокая точность, меньшая зависимость от типа почвы | Выше стоимость |
| Модуль резистивного датчика влажности | Относительная степень увлажнения | Без калибровки | Очень низкая стоимость, простота использования в любительских проектах | Электроды корродируют, соли вызывают дрейф показаний; не подходит для планирования полива в хозяйствах |
Резистивный модуль с двумя электродами, продаваемый для любительской электроники, подходит для растения в горшке или учебного проекта, а простые садовые датчики влажности в виде щупов помогают владельцам участков определить время полива. Для сетей датчиков, на основе которых принимаются решения об орошении в хозяйствах, профессиональным стандартом являются ёмкостные зонды и датчики всасывающего давления.
Как использовать датчик влажности почвы для планирования полива?
Чтобы планировать полив с помощью датчика влажности почвы, задайте нижний порог, при котором полив начинается, и верхний порог, при котором он прекращается, затем отслеживайте изменение показаний между ними. Цель — поддерживать влажность корнеобитаемого слоя в пределах от наименьшей влагоёмкости до уровня, при котором у культуры начинается водный стресс.
Типичные пороги запуска полива
Пороги запуска зависят от гранулометрического состава почвы, культуры и стадии роста. Университетские сельскохозяйственные консультационные службы публикуют значения для конкретных культур; приведённые ниже диапазоны — распространённые исходные ориентиры для датчиков всасывающего давления, которые затем уточняют по наблюдениям в поле:
- Песчаные почвы: поливайте примерно при 10–30 kPa, поскольку песок отдаёт большую часть доступной воды при низком всасывающем давлении.
- Суглинки: поливайте примерно при 30–50 kPa.
- Глинистые почвы и тяжёлые суглинки: для многих полевых культур полив проводят примерно при 50–80 kPa.
- Овощи с неглубокой корневой системой на капельном орошении: почву часто поддерживают более влажной, ближе к нижней границе этих диапазонов.
При использовании датчиков объёмной влажности агрономы обычно следят за формой кривой, а не за абсолютным значением: после полива показания резко возрастают, быстро снижаются по мере стекания воды, затем кривая выравнивается на уровне наименьшей влагоёмкости. Порог запуска полива устанавливают там, где суточное снижение влажности замедляется: это показывает, что корням становится труднее извлекать воду.
Теплицы и выращивание на субстратах
В теплицах, где растения выращивают на кокосовом субстрате, минеральной вате или торфе, датчики влажности субстрата измеряют содержание воды и EC (электропроводность) в мате; их часто используют совместно с учётом доли дренажа и весами. Многие системы запускают полив по накопленной солнечной радиации и используют показания влажности для точной настройки объёма разовой подачи и времени полива. Эти стратегии описаны в нашем руководстве по системам орошения теплиц.
Как установить датчики влажности почвы
Место установки датчика важнее его марки: правильно установленный зонд в характерном месте полезнее дорогого зонда в неподходящей точке. Выполните следующие шаги:
- Выбирайте характерные участки. Размещайте станции на типичной для каждой зоны полива почве, избегая понижений рельефа, краёв поля и колеи. Используйте не менее одной станции на зону, а при неоднородной почве — больше.
- Размещайте в зоне увлажнения. При капельном орошении устанавливайте зонд рядом с капельной линией, обычно на расстоянии 10–30 cm (4–12 in) от капельницы и близко к ряду растений.
- Устанавливайте на двух или более глубинах. Для овощей — примерно на одной трети и двух третях глубины корневой системы, например 15 cm и 30 cm (6 и 12 in). Для плодовых садов и виноградников — часто 30 cm и 60 cm (1 и 2 ft) или глубже.
- Обеспечьте хороший контакт с почвой. Используйте бур подходящего диаметра, добавляйте почвенную болтушку при установке датчиков всасывающего давления и не допускайте воздушных зазоров вокруг ёмкостных зондов.
- Защитите кабели и регистраторы данных от техники, грызунов и солнечного света и обозначьте место установки.
- Дайте датчикам стабилизироваться в течение нескольких циклов полива, прежде чем полагаться на показания, затем сравните их с результатами измерений ручным зондом или оценки почвы на ощупь.
Более глубокий датчик показывает, достигает ли полив нижней границы корнеобитаемого слоя или вода уходит ниже; если после каждого полива показания глубокого датчика резко возрастают, циклы слишком продолжительны.
Какую функцию выполняет датчик дождя в системе орошения?
Датчик дождя — это небольшой выключатель, который блокирует работу автоматического контроллера полива после выпадения заданного количества осадков, чтобы дождеватели не включались во время ливня или сразу после него. Большинство моделей используют гигроскопические диски, которые набухают при намокании и размыкают контакт; по мере высыхания дисков блокировка снимается. Типичные устройства позволяют задать порог отключения примерно 3–20 mm (1/8–3/4 in) осадков, а многие также оснащены датчиком заморозков, блокирующим полив при температуре около точки замерзания.
- Датчик дождя для дождевателей и садовой системы полива: проводные или беспроводные устройства, устанавливаемые на краю крыши или на столбе под открытым небом и подключаемые к клеммам датчиков контроллера.
- Требования: в некоторых штатах США, включая Флориду, автоматические системы полива газонов должны иметь устройство отключения при дожде; уточняйте действующие местные требования.
- В хозяйствах: датчик дождя полезен как защитная блокировка для открытых питомников и полевых зон, но он определяет только факт дождя, а не влажность корнеобитаемого слоя. Датчики влажности почвы и метеостанции хозяйства, рассчитывающие эвапотранспирацию (ET), позволяют гораздо точнее планировать полив.
Расходомеры и датчики расхода для орошения
Расходомер для орошения измеряет, сколько воды фактически получает каждая зона, что делает его лучшим отдельным инструментом для выявления утечек, засоров и проблем с насосом. Он также помогает вести отчётность по водопотреблению и дозировать удобрения пропорционально расходу воды.
Типы расходомеров для орошения
- Механические турбинные и многоструйные счётчики: надёжные и доступные приборы учёта воды для орошения с индикатором накопленного объёма и опциональным импульсным выходом.
- Счётчики Вольтмана: турбинные счётчики большого проходного сечения для магистралей диаметром примерно от 50 mm (2 in).
- Электромагнитные расходомеры: без движущихся частей, с очень низкими потерями давления и высокой точностью; допускают работу с загрязнённой водой, но требуют электропроводной воды и электропитания.
- Ультразвуковые расходомеры: врезные или накладные, удобны при модернизации без разрезания трубы.
- Крыльчатые датчики расхода и датчики на эффекте Холла: небольшие проточные датчики с импульсным выходом, широко используемые с контроллерами и установками фертигации.
Как использовать данные о расходе
Зафиксируйте нормальный расход каждой зоны, пока система новая и чистая. В дальнейшем показания значительно выше исходного уровня указывают на утечку или разрыв поливной линии, а ниже исходного уровня — на засор, загрязнённый фильтр или неполное открытие клапана. Многие контроллеры могут автоматически отключать зону при повышенном расходе. Устанавливайте расходомеры с прямыми участками трубы до и после прибора согласно требованиям производителя, часто длиной в несколько диаметров трубы с каждой стороны, и размещайте их после фильтра для защиты движущихся частей. В нашем руководстве по обслуживанию и ремонту капельного орошения описано, как действовать при изменениях расхода.
Беспроводные системы мониторинга влажности и интеллектуальные датчики
Беспроводной мониторинг связывает полевые датчики с панелью мониторинга или контроллером, позволяя получать показания на телефоне без обхода каждого участка. Интеллектуальный датчик влажности или беспроводной расходомер обычно передаёт данные через одну из следующих сетей:
- Wi-Fi: подходит для участков рядом со зданиями и теплицами; датчик расхода с Wi-Fi удобен для головных узлов, расположенных недалеко от офиса.
- LoRa / LoRaWAN: большая дальность связи (часто несколько километров на открытой местности) при низком энергопотреблении; популярный вариант для полевых станций.
- Сотовая связь NB-IoT, LTE-M или 4G: при хорошем покрытии шлюз не требуется.
- Проводные выходы: SDI-12, RS-485/Modbus, 4–20 mA или 0–5 V для прямого подключения к контроллерам и ПЛК.
Системы мониторинга орошения, объединяющие данные о влажности почвы, расходе, давлении и погоде, позволяют одному специалисту контролировать множество зон и документально подтверждать водопотребление. О построении таких систем читайте в материале «Умное сельское хозяйство на базе IoT», а пример подключённого головного узла представлен на странице сельскохозяйственной системы орошения IoT.
Выбор датчиков: контрольный список покупателя
Выбирайте датчики исходя из решений, которые вы будете принимать по их данным, затем подбирайте выходной сигнал, питание и связь с учётом вашего контроллера. При запросе коммерческих предложений укажите следующие параметры:
- Измеряемые параметры: объёмная влажность, всасывающее давление или оба параметра; при фертигации добавьте температуру почвы и EC.
- Глубины и количество станций на зону, а также необходимость профильных зондов для измерений на нескольких глубинах.
- Выходной сигнал и протокол: SDI-12, Modbus, 4–20 mA, 0–5 V или импульсный выход для расхода.
- Питание: срок службы батареи, возможность использования солнечной панели или питание от контроллера.
- Связь: Wi-Fi, LoRaWAN, сотовая связь или проводное подключение к головному узлу.
- Диаметр расходомера, номинальное давление и точность для каждой зоны или магистрали.
- Стойкость к внешним воздействиям: корпуса уличных датчиков влажности должны быть рассчитаны на установку в грунт, воздействие ультрафиолета и грызунов.
В сочетании с контроллером, использующим полученные данные для управления, сеть датчиков влажности почвы обычно окупается за счёт экономии воды и энергии, более стабильной урожайности и раннего предупреждения о неисправностях системы.
Следующие шаги
Mars Vertical Farm производит головные узлы орошения и установки фертигации с поддержкой IoT и входами для датчиков влажности, расхода и EC/pH. Ознакомьтесь с ассортиментом оборудования для орошения и фертигации или сообщите нам вашу культуру, зоны полива и предпочтительную сеть связи, и мы предложим комплект датчиков и средств управления с поставкой напрямую с завода и индивидуальной конфигурацией.
