Основы построения метеорологических станций для сельского хозяйства

В статье автор описывает основные параметры для проектирования метеостанций в сельском хозяйстве.

Ключевые слова: датчики, метеорологическая станция, окружающая среда, сельское хозяйство.

Технологии, применяемые во всех сферах человеческой деятельности, всё более плотно интегрируются в эти же сферы. Умные дома, фитнесс-трекеры и прочие устройства призваны упростить жизнь и повысить эффективность соответствующих групп. Сельское хозяйство — не исключение. С каждым годом посевные площади Российской Федерации растут [1], что отображено в таблице 1.

Таблица 1

Посевные площади в России за 2007–2020 годы

Однако повышение роста посевных площадей не решает проблему эффективности (под эффективностью предлагается понимать отношение максимально возможной урожайности на единицу площади). Для её повышения необходимо следить за состоянием полей, а именно за температурой воздуха, влажностью воздуха, давлением, влажностью листьев, скоростью ветра и т. п. Контроль за этими показателями требует привлечения специалистов, которые сначала будут снимать показания, а затем обрабатывать, что повышает себестоимость сельскохозяйственной культуры, выращиваемой на поле. Решением этой проблемы является установка метеостанции на сельскохозяйственный участок. Её роль заключается в мониторинге показателей окружающей среды и отправки их оператору. Оператор обрабатывает показания, и делает заключение о том, какие меры необходимо принять, чтобы урожай оказался максимально эффективным. Например, при осуществлении работ по опрыскиванию сельхозкультур скорость ветра должна быть не выше 5 метров в секунду. Превышение порогового значения только на 1 единицу приводит к нарушению всего технологического процесса (разброс орошения может достигать 10 %), к потере средств, затраченных на химикаты, и в перспективе к низким показателям урожайности [2]. Также, при условии соответствующего технического решения, возможна автоматизация, например, автоматический полив растений для поддержки постоянного уровня влажности.

Схемотехническое решение таких проектов представляется следующим образом. Имеются датчики для получения информации о состоянии окружающей среды: датчик температуры воздуха, влажности воздуха, количества углекислого газа, давления, дождя, количества дождя, освещённости, влажности листа, влажности почвы, скорости ветра и его направления. Информацию с них собирает микроконтроллер, способный получать информацию с датчиков по соответствующим протоколам. В некоторых случаях, когда датчик отправляет не готовую информацию, а её составляющую, микроконтроллер должен обработать её (например, аналоговый датчик направления ветра на герконах). Также в устройстве необходимы часы реального времени (Real Time Clock), синхронизирующие время в случае незапланированной перезагрузки станции, а также внешняя память на случай ошибки отправки данных по беспроводному протоколу. Портативные метеостанции включают в себя датчик местоположения. После сбора и обработки данных в один пакет, метеостанция отправляет это фермеру при помощи модулей передачи данных по беспроводным протоколам.

Выбор модуля связи зависит в основном от предположительного местоположения станции. Для черты города и вблизи базовых станций сотовых операторов целесообразно внедрять GSM модули связи. Для фермеров, живущих неподалеку от собственных угодий — Wi-Fi протокол. Минусы этих протоколов связи заключаются в том, что устройство привязано к расположению сотовых вышек или зоне покрытия Wi-Fi. Ещё один, самый подходящий для необходимых целей протокол LoRaWAN. Его основными достоинствами являются: открытый стандарт, низкое энергопотребление, большая дальность работы [3]. К минусам можно отнести то, что для данного протокола необходимо дополнительно проектировать принимающее устройство, однако окупаемость такого решения в сравнении с предыдущими протоколами будет уже через несколько месяцев.

Питание устройства происходит при помощи аккумуляторов, а продление цикла работы обеспечивается установкой солнечной панели с контроллером заряда. Это стандартный комплект метеостанции, однако может отличаться в зависимости от условий, в которой будет располагаться станция. Обычно, количество датчиков зависит от требований фермера к получаемым данным.

Программа для микроконтроллера работает следующим образом: микроконтроллер запрашивает данные с датчиков, получает их, сопоставляет со временем, полученным с часов реального времени, и отправляет пакет данных по беспроводному протоколу, а также записывает во внешнюю память. В случае ошибок показаний одного из датчиков или ошибки записи во внешнюю память, микроконтроллер в пакете данных отправляет вместо данных с датчика код, обозначающий ошибку или предупреждение. Соответственно, пакет данных выглядит следующим образом: «Дата и время — показания с датчиков — наличие ошибок или предупреждений — код ошибки (если присутствует) — уровень заряда аккумулятора». Блок схема работы программы представлена на рис. 1.

Рис. 1. Блок схема программы микроконтроллера

Сама метеостанция разрабатывается блоками, так как внешнее воздействие необходимо датчикам, но не микроконтроллеру, и поэтому она состоит из следующих блоков: блок управления, блок датчиков и блок питания. Блок управления представляет собой микроконтроллер с необходимой оснасткой для датчиков, аккумулятором и закрывается в герметичный корпус. В блоке датчиков устанавливаются сенсоры, контролирующие окружающую среду, но не взаимодействующие с ней напрямую (датчики скорости ветра, направления, дождя, осадков устанавливаются отдельно), затем жгутами подключаются к блоку управления. Одной из отличительных особенностей блока является то, что монтируется он в метеорологическую будку. Эта особенность объясняется тем, что датчики внутри неё обеспечивают достоверные показания за счет открытости конструкции, но при этом защищены от вредных для электроники воздействий, таких как солнечная радиация и дождь.

Блок питания состоит из солнечной панели и платы управления зарядом аккумулятора. Жгутом подключается к блоку управления.

Все блоки устанавливаются на столб, который устанавливается на определенную глубину в землю (глубина определяется общей высотой установки для минимальной парусности). На рис. 2 показан внешний вид типовой метеорологической станции.

Рис. 2. Внешний вид метеостанции

Литература:

1. Посевные площади сельскохозяйственных культур в Российской Федерации. — Текст: электронный // Федеральная служба государственной статистики: [сайт]. — URL: https://rosstat.gov.ru/compendium/document/13277 (дата обращения: 05.05.2021).
2. Как решать проблемы агропредприятия, применяя метеомониторинг на базе Сокол-М. — Текст: электронный // Системы мониторинга: [сайт]. — URL: https://www.fmeter.ru/infocenter/helpful/sokol-m-weather-station-for-solving-agricultural-problems/ (дата обращения: 06.05.2021).
3. Перспективная универсальная сеть передачи данных / Г. Ф. Насонов, В. Ф. Танаев, Д. В. Ефанов [и др.]. — Текст: непосредственный // Транспорт Российской федерации. — 2016. — № 5 (66). — С. 29–32.