Cảm biến độ ẩm đất, cảm biến mưa và đồng hồ đo lưu lượng cho hệ thống tưới

Cảm biến độ ẩm đất là gì và hỗ trợ tưới như thế nào?

Cảm biến độ ẩm đất là một đầu dò được chôn trong vùng rễ, đo lượng nước đất giữ được (hàm lượng nước theo thể tích, tính bằng %) hoặc mức độ đất giữ chặt nước (sức căng nước trong đất, tính bằng kilopascal hoặc centibar), giúp người trồng tưới khi cây thực sự cần nước thay vì theo lịch hẹn giờ cố định. Khi kết hợp với cảm biến mưa và đồng hồ đo lưu lượng, thiết bị này giúp hệ thống tưới chuyển từ phỏng đoán sang tưới có đo lường và có thể kiểm chứng.

Hướng dẫn này so sánh các loại cảm biến chính, cung cấp các ngưỡng kích hoạt tưới thường dùng, trình bày cách lắp đầu dò và giải thích vai trò của cảm biến mưa cùng đồng hồ đo lưu lượng tưới trong trang trại, nhà kính và vườn ươm. Về cách chọn bộ điều khiển, hãy xem hướng dẫn của chúng tôi về bộ điều khiển tưới thông minh.

So sánh các loại cảm biến độ ẩm đất

Cảm biến độ ẩm đất gồm hai nhóm: cảm biến sức căng, cho biết rễ phải dùng lực lớn đến mức nào để hút nước, và cảm biến hàm lượng nước theo thể tích, cho biết lượng nước có trong đất. Cả hai đều dùng được để lập lịch tưới; lựa chọn phù hợp phụ thuộc vào đất, cây trồng, ngân sách và cách bạn muốn đọc dữ liệu.

Mô-đun cảm biến điện trở hai chấu được bán cho người làm điện tử nghiệp dư có thể dùng cho cây trồng chậu hoặc dự án trong lớp học; các que cảm biến độ ẩm vườn đơn giản giúp chủ nhà quyết định khi nào cần tưới. Đối với mạng cảm biến dùng làm cơ sở quyết định tưới tại trang trại, đầu dò điện dung và cảm biến sức căng là lựa chọn tiêu chuẩn trong ứng dụng chuyên nghiệp.

Sử dụng cảm biến độ ẩm đất để lập lịch tưới như thế nào?

Để lập lịch tưới bằng cảm biến độ ẩm đất, bạn đặt ngưỡng bổ sung nước, tại đó bắt đầu tưới, và ngưỡng đủ nước, tại đó dừng tưới, rồi theo dõi số đo thay đổi giữa hai ngưỡng. Mục tiêu là giữ độ ẩm vùng rễ trong khoảng từ độ ẩm đồng ruộng đến ngưỡng cây bắt đầu bị stress do thiếu nước.

Các ngưỡng kích hoạt tưới thường dùng

Ngưỡng kích hoạt phụ thuộc vào thành phần cơ giới đất, cây trồng và giai đoạn sinh trưởng. Các đơn vị khuyến nông thuộc trường đại học công bố giá trị cụ thể cho từng cây trồng; các khoảng dưới đây là mốc khởi đầu thường dùng cho cảm biến sức căng, sau đó bạn điều chỉnh dựa trên quan sát thực địa:

• Đất cát: tưới ở khoảng 10–30 kPa, vì cát giải phóng phần lớn lượng nước cây có thể sử dụng ở sức căng thấp.
• Đất thịt: tưới ở khoảng 30–50 kPa.
• Đất sét và đất thịt pha sét: tưới ở khoảng 50–80 kPa đối với nhiều loại cây trồng ngoài đồng.
• Rau có bộ rễ nông được tưới nhỏ giọt: thường được giữ ẩm hơn, với ngưỡng gần đầu thấp của các khoảng này.

Với cảm biến hàm lượng nước theo thể tích, người trồng thường theo dõi hình dạng đường cong thay vì một con số tuyệt đối: số đo tăng vọt sau khi tưới, giảm nhanh khi nước thoát đi, rồi ổn định tại độ ẩm đồng ruộng. Ngưỡng bổ sung nước được đặt tại điểm tốc độ giảm độ ẩm hằng ngày chậm lại, cho thấy rễ bắt đầu khó hút nước.

Nhà kính và cây trồng trên giá thể

Trong nhà kính trồng cây trên xơ dừa, len đá hoặc than bùn, cảm biến độ ẩm giá thể đo hàm lượng nước và EC (độ dẫn điện) trong tấm giá thể, đồng thời thường được kết hợp với tỷ lệ nước thoát và cân đo khối lượng. Nhiều hệ thống kích hoạt tưới theo bức xạ mặt trời tích lũy và dùng số đo độ ẩm để tinh chỉnh lượng nước mỗi lần tưới và thời điểm tưới. Hướng dẫn về hệ thống tưới nhà kính của chúng tôi trình bày các chiến lược này.

Cách lắp cảm biến độ ẩm đất

Vị trí đặt cảm biến quan trọng hơn thương hiệu: một đầu dò được lắp đúng ở vị trí đại diện cho kết quả tốt hơn một đầu dò đắt tiền đặt sai chỗ. Hãy làm theo các bước sau:

1. Chọn các vị trí đại diện. Đặt trạm đo ở nơi có loại đất điển hình cho từng khu tưới, tránh chỗ trũng, bờ ruộng và vệt bánh xe. Sử dụng ít nhất một trạm cho mỗi khu, nhiều hơn ở nơi đất không đồng nhất.
2. Đặt trong vùng được làm ướt. Với tưới nhỏ giọt, lắp đầu dò gần tuyến đầu nhỏ giọt, thường cách một đầu nhỏ giọt 10–30 cm (4–12 in) và gần hàng cây.
3. Lắp ở hai độ sâu trở lên. Với rau, đặt ở khoảng một phần ba và hai phần ba độ sâu bộ rễ, ví dụ 15 cm và 30 cm (6 và 12 in). Với vườn cây ăn quả và cây nho, thường đặt ở 30 cm và 60 cm (1 và 2 ft) hoặc sâu hơn.
4. Đảm bảo tiếp xúc tốt với đất. Dùng mũi khoan đất có đường kính phù hợp, thêm hỗn hợp đất nhão cho cảm biến sức căng và tránh để khe hở không khí quanh đầu dò điện dung.
5. Bảo vệ dây cáp và bộ ghi dữ liệu khỏi máy móc, động vật gặm nhấm và ánh nắng, đồng thời đánh dấu vị trí lắp đặt.
6. Để cảm biến ổn định qua vài chu kỳ tưới trước khi tin cậy vào số đo, sau đó đối chiếu bằng đầu dò cầm tay hoặc kiểm tra đất bằng cảm nhận khi cầm nắm.

Cảm biến ở độ sâu lớn hơn cho biết nước tưới có đến đáy vùng rễ hay đi quá sâu; nếu số đo của cảm biến sâu tăng vọt sau mỗi lần tưới thì thời gian mỗi chu kỳ tưới đang quá dài.

Cảm biến mưa có chức năng gì trong hệ thống tưới?

Cảm biến mưa là một công tắc nhỏ ngắt bộ điều khiển tưới tự động sau một lượng mưa đã đặt, để vòi phun không hoạt động trong hoặc ngay sau cơn mưa lớn. Phần lớn sử dụng các đĩa hút ẩm nở ra khi ướt và làm hở mạch công tắc; cảm biến trở về trạng thái ban đầu khi các đĩa khô. Các thiết bị thông dụng cho phép đặt ngưỡng ngắt ở lượng mưa khoảng 3–20 mm (1/8–3/4 in), và nhiều thiết bị tích hợp cảm biến đóng băng để chặn tưới khi nhiệt độ gần điểm đóng băng.

• Cảm biến mưa cho tưới phun và cảm biến mưa cho vườn: thiết bị có dây hoặc không dây, được gắn trên mép mái hoặc cột ở nơi không bị che chắn phía trên, kết nối với các đầu nối cảm biến của bộ điều khiển.
• Quy định: một số tiểu bang của Hoa Kỳ, trong đó có Florida, yêu cầu hệ thống tưới cỏ tự động phải có thiết bị ngắt khi mưa; hãy kiểm tra các yêu cầu hiện hành tại địa phương.
• Tại trang trại: cảm biến mưa là thiết bị liên động an toàn hữu ích cho vườn ươm ngoài trời và các khu tưới ngoài đồng, nhưng chỉ nhận biết đã có mưa, chứ không biết độ ẩm vùng rễ. Cảm biến độ ẩm đất và trạm thời tiết tại trang trại có chức năng tính lượng bốc thoát hơi nước (ET) giúp lập lịch tưới tốt hơn nhiều.

Đồng hồ đo lưu lượng và cảm biến lưu lượng cho hệ thống tưới

Đồng hồ đo lưu lượng tưới đo lượng nước mỗi khu thực sự nhận được, nên đây là công cụ đơn lẻ tốt nhất để phát hiện rò rỉ, tắc nghẽn và sự cố bơm. Thiết bị cũng hỗ trợ báo cáo lượng nước sử dụng và định lượng phân bón theo tỷ lệ.

Các loại đồng hồ đo lưu lượng tưới

• Đồng hồ cơ kiểu tuabin và đa tia: đồng hồ đo lưu lượng nước tưới bền chắc, giá phải chăng, có mặt số tổng lượng nước và tùy chọn đầu ra xung.
• Đồng hồ Woltmann: đồng hồ tuabin có đường kính lớn, dùng cho đường ống chính từ khoảng 50 mm (2 in) trở lên.
• Đồng hồ điện từ (mag): không có bộ phận chuyển động, tổn thất áp suất rất thấp và độ chính xác cao; đo được nước bẩn nhưng cần nước có tính dẫn điện và nguồn điện.
• Đồng hồ siêu âm: loại lắp trên đường ống hoặc kẹp ngoài ống, hữu ích khi cải tạo hệ thống mà không cần cắt ống.
• Cảm biến lưu lượng cánh guồng và hiệu ứng Hall: cảm biến lưu lượng nhỏ lắp trên đường ống, có đầu ra xung, thường dùng với bộ điều khiển và thiết bị tưới kết hợp bón phân.

Cách sử dụng dữ liệu lưu lượng

Ghi lại lưu lượng bình thường của từng khu khi hệ thống còn mới và sạch. Sau đó, số đo cao hơn nhiều so với mức chuẩn báo hiệu rò rỉ hoặc vỡ ống nhánh; số đo thấp hơn mức chuẩn báo hiệu tắc nghẽn, bộ lọc bẩn hoặc van chưa mở hết. Nhiều bộ điều khiển có thể tự động ngắt một khu khi lưu lượng cao. Lắp đồng hồ với đoạn ống thẳng trước và sau theo quy định của nhà sản xuất, thường mỗi bên dài bằng vài lần đường kính ống, và đặt đồng hồ sau bộ lọc để bảo vệ các bộ phận chuyển động. Hướng dẫn bảo trì và sửa chữa hệ thống tưới nhỏ giọt của chúng tôi trình bày cách xử lý khi lưu lượng thay đổi.

Hệ thống giám sát độ ẩm không dây và cảm biến thông minh

Giám sát không dây kết nối các cảm biến ngoài đồng với bảng theo dõi hoặc bộ điều khiển, giúp xem số đo trên điện thoại mà không phải đi đến từng lô. Cảm biến độ ẩm thông minh hoặc đồng hồ đo lưu lượng không dây thường truyền dữ liệu qua một trong các mạng sau:

• Wi-Fi: phù hợp gần các tòa nhà và nhà kính; cảm biến lưu lượng Wi-Fi thích hợp với các cụm đầu mối tưới gần văn phòng.
• LoRa / LoRaWAN: tầm xa (thường vài kilômét ở vùng đồng trống), tiêu thụ ít điện, phổ biến cho các trạm ngoài đồng.
• Mạng di động NB-IoT, LTE-M hoặc 4G: không cần bộ chuyển tiếp ở nơi có vùng phủ sóng tốt.
• Đầu ra có dây: SDI-12, RS-485/Modbus, 4–20 mA hoặc 0–5 V để kết nối trực tiếp với bộ điều khiển và PLC.

Thiết bị giám sát tưới kết hợp dữ liệu độ ẩm đất, lưu lượng, áp suất và thời tiết giúp một người quản lý giám sát nhiều khu và xác minh lượng nước sử dụng. Xem nông nghiệp thông minh IoT để tìm hiểu cách xây dựng các hệ thống này, và hệ thống tưới nông nghiệp IoT để xem ví dụ về cụm đầu mối tưới có kết nối.

Chọn cảm biến: danh sách kiểm tra cho người mua

Chọn cảm biến theo quyết định mà bạn muốn thiết bị hỗ trợ, sau đó chọn đầu ra, nguồn điện và khả năng kết nối phù hợp với bộ điều khiển. Nêu rõ các mục sau khi yêu cầu báo giá:

• Đại lượng đo: hàm lượng nước theo thể tích, sức căng nước trong đất hoặc cả hai; bổ sung nhiệt độ đất và EC nếu bạn tưới kết hợp bón phân.
• Độ sâu và số lượng trạm đo cho mỗi khu, cùng nhu cầu sử dụng đầu dò đo phân bố độ ẩm ở nhiều độ sâu.
• Đầu ra và giao thức: SDI-12, Modbus, 4–20 mA, 0–5 V hoặc xung cho phép đo lưu lượng.
• Nguồn điện: thời lượng pin, tùy chọn tấm pin mặt trời hoặc cấp điện từ bộ điều khiển.
• Kết nối: Wi-Fi, LoRaWAN, mạng di động hoặc nối dây đến cụm đầu mối tưới.
• Kích thước, áp suất định mức và độ chính xác của đồng hồ đo lưu lượng cho từng khu hoặc đường ống chính.
• Độ bền: vỏ cảm biến độ ẩm ngoài trời được đánh giá phù hợp để chôn dưới đất, chịu tia UV và chống động vật gặm nhấm.

Khi kết hợp với bộ điều khiển vận hành dựa trên dữ liệu, mạng cảm biến độ ẩm đất thường hoàn vốn nhờ tiết kiệm nước và năng lượng, năng suất ổn định hơn và cảnh báo sớm hơn về sự cố hệ thống.

Các bước tiếp theo

Mars Vertical Farm sản xuất các cụm đầu mối tưới và máy tưới kết hợp bón phân sẵn sàng kết nối IoT, tiếp nhận tín hiệu đầu vào về độ ẩm, lưu lượng và EC/pH. Khám phá dòng thiết bị tưới và tưới kết hợp bón phân, hoặc cho chúng tôi biết cây trồng, các khu tưới và mạng kết nối bạn mong muốn để chúng tôi đề xuất gói cảm biến và điều khiển, được cung cấp trực tiếp từ nhà máy với cấu hình tùy chỉnh.