Автоматизированная система мониторинга параметров почвы и природных бедствий.
Система мониторинга почвы и предупреждения природных бедствий на ардуино
В данной статье мы рассмотрим систему мониторинга на арудуино, которая измеряет автономно параметры почвы, апраметры воздуха, отслеживает пожары, нашествия саранчи. Система мониторинга природных бедствий передает по радиосигналу всю информацию на удаленный пульт.
Для крупных тепличных хозяйств актуальным является своевременный полив растений, для культур на открытом грунте параметры влажности почвы позволят определить оптимальные сроки вноса удобрений или искусственного полива в случае засухи.Природные бедствия, такие как лесные пожары и нашествие саранчи приносят большой урон экономике и природе России. Так от лесных пожаров по официальным данным «Авиалесоохраны» на 10 сентября, с начала 2017 года в России было зафиксировано 10 475 лесных пожаров общей площадью 4 632 358 гектаров. От нашествия саранчи страдают южные регионы России. В 2017 году саранчой были оккупированы сотни тысяч гектар сельхозземель. Для предотвращения и эффективной борьбы с обоими этими бедствиями необходима эффективная система мониторинга, которая позволяла бы определять возникновение очагов пожаров и нашествия саранчи, а также направления их распространения на ранней стадии. Поэтому особо актуальным стало разработка системы автоматизированного мониторинга лесных пожаров и нашествия саранчи.
Уникальность данной системы мониторинга заключается в автономности, большом покрытии, надежности (если выйдет из строя одна станция , то информация придёт через соседние станции, имитируется модель сотовой связи) и относительной дешевизне системы в целом.
Устройство системы:
Система мониторинга параметров почвы и природных бедствий должна охватывать большие территории, поэтому она включает в себя набор станций, связанных по радиосигналу. На каждой станции установлены сенсоры (датчик влажности для определения влажности почвы, сенсоры нажатий для обнаружения саранчи и датчики дыма для обнаружения лесных пожаров) также на станции установлен радиомодуль для передачи данных.
Алгоритм передачи информации позволяет ретранслировать данные с других станций и добавлять собственные данные и передавать их в конечную точку обработки информации. В конечной точке вся информация расшифровывается и отображается на экране компьютера на фоне карты местности . Таким образом оператор, оперативно видит на экране компьютера информацию о состоянии почвы, направление передвижения саранчи и направление распространения пожаров.
Каждая станция мониторинга параметров почвы имеет датчик влажности подключенный к arduino.
Для обнаружения саранчи по четырем сторонам света установлены датчики нажатий, которые прикреплены к пластинам. Саранча при полете будет ударять о пластины сенсоров . Микроконтроллер постоянно анализирует нажатия и определяет направление, по которому было больше нажатий в единицу времени. Эта информация обрабатывается микроконтроллером и передается в радио эфир с помощью радио модуля. Станция обнаружения лесных пожаров устроено аналогичным способом, только вместо сенсоров нажатий к микроконтроллеру подсоединяется к arduino датчик дыма.
Схема системы мониторинга природных бедствий
Система мониторинга запрограммирована в среде Arduino IDE.
Почвенный мониторинг
Почвенный экологический мониторинг является составной частью агроэкологического мониторинга. Он состоит из трех последовательных взаимосвязанных частей: контроль (наблюдения) за состоянием почв и почвенного покрова и оценка их пространственно-временных изменений; прогноз вероятных изменений состояния почв и почвенного покрова; научно обоснованные рекомендации по направленному регулированию основных средств и режимов в почвах, непосредственно определяющих их плодородие и урожайность сельскохозяйственных культур.
Получаемая на базе мониторинга информация об изменении свойств почвы, почвенных режимов и процессов под воздействием естественных факторов почвообразования и антропогенных нагрузок служит основой для моделирования почвенного плодородия.
Задача мониторинга состояния почвенного покрова — обеспечение регулярного контроля использования земель, однородности почвенного покрова полей, эрозионных процессов, оползневых и селевых наносов, подсклонового заиления, заболачивания, засоления, опустынивания и других негативных процессов.
Контроль за использованием земель подразумевает наблюдение за соответствием природного потенциала земель их производственному назначению. Контроль однородности почвенного покрова полей — выявление контурности, пятнистости, образования микрорельефа и др. Контроль за развитием эрозионных процессов подразумевает слежение за увеличением числа оврагов, дефляция поверхности, перемещение барханов, дюн и других негативных процессов.
Усиление негативных антропогенных воздействий, обусловливающих нарушение почв и снижение их плодородия, требует включения в программыпочвенно-экологического мониторинга следующих задач:
· определение потерь почвы (в том числе скорости потерь) в связи с развитием водной эрозии и дефляции;
· контроль за изменением кислотности и щелочности почв (прежде всего в районах с повышенными дозами внесения минеральных удобрений при осушении и орошении, а также при использовании мелиорантов и промышленных отходов в окрестностях крупных промышленных центров, которые характеризуются высокой кислотностью атмосферных осадков);
· контроль за изменением водно-солевого режима и водно-солевых балансов мелиорируемых, удобряемых или каким-либо другим способом изменяемых почв;
· выявление регионов с нарушенным балансом основных элементов питания растений; обнаружение и оценки скорости потерь почвами гумуса, доступных форм азота и фосфора;
Читайте также: Гост номенклатура показателей качества почв
· контроль за загрязнением почв тяжелыми металлами, выпадающими с атмосферными осадками, и за локальным загрязнением их тяжелыми металлами в зонах влияния промышленных предприятий и транспортных магистралей;
· контроль за загрязнением почв химическими средствами защиты растений в районах их постоянного использования (например, на рисовых полях);
· контроль за загрязнением почв детергентами и бытовыми отходами, особенно на территориях с высокой плотностью населения;
· сезонный и долгосрочный контроль за структурой почв и содержанием в них элементов питания растений, за водно-физическими свойствами и уровнем грунтовых вод;
· экспертная оценка вероятности изменения свойств почв при сооружении гидромелиоративных систем, внедрении новых систем земледелия и технологий, строительстве крупных промышленных предприятий и других объектов.
Многообразие природных условий и факторов антропогенных воздействий на почвы, сложность почвенных структур обусловливают необходимость разработки дифференцированных программ почвенно-экологического мониторинга.
Начальный этап мониторинга (первая форма) позволяет оценить состояние почв и почвенного покрова, масштабы воздействия антропогенных факторов, направленность и интенсивность развития негативных процессов и выбрать (в соответствии с базовыми принципами мониторинга) объекты для последующих исследований.
Стационарная форма почвенно-экологического мониторинга (вторая форма) реализуется по расширенной программе комплексных исследований свойств и параметров почв, режимов и процессов, протекающих в них.
Для длительных и комплексных наблюдений стационарный участок должен включать группу достаточных по размерам площадок, которые охватывали бы все виды почв, различающихся по степени проявления тех или иных процессов, например, при гидроморфизме мезоморфные почвы вершин повышений, глееватые почвы склонов, глеевые понижения рельефа. То же относится и к немелиорированным массивам. Размеры экспериментальных участков (площадок) трудно определить заранее. Их устанавливают с учетом размеров и состояния элементарных почвенных ареалов, длительности исследований, видов режимных исследований и периодичности наблюдений.
Третья форма мониторинга реализуется по сокращенной программе в процессе маршрутных обследований заранее выбранных участков или маршрутов (по тому же принципу, что и стационаров). При этом основное внимание уделяют репрезентативным диагностическим показателям, наиболее динамично меняющимся во времени (кислотность, ОВП, плотность и структурное состояние почвы, впитывание УГВ и т.д.). Маршрутные обследования пространственно могут быть приурочены к стационарным участкам или их прокладывают по самостоятельным направлениям.
По своему содержанию маршрутная система мониторинга представляет собой форму оперативного контроля за состоянием почв и почвенного покрова, мелиоративных систем, агроэкосистем и продуктивностью земель. Периодичность (частота) маршрутов 1. 3 за вегетационный период. В случае выявления негативных процессов (переосушение или подтопление площадей, утечка воды из дрен, изреженность и вымокание посевов, засоление, подкисление, осолонцевание, эрозия и т. д.) составляют соответствующие карты и картосхемы, специальные акты. При обнаружении значительных изменений в свойствах почв и структуре почвенного покрова оценивают целесообразность проведения дальнейших наблюдений на таких участках (территориях).
Четвертая форма мониторинга заключается в сплошном обследовании территории. Выходные информационные материалы при этой форме мониторинга составляют в первую очередь инвентаризационные картографические характеристики, а также картограммы агрохимических обследований и разработанные на этой основе рекомендации по рационализации землепользования.
Получаемые данные о фактическом состоянии почвенных (содержание гумуса, эродированность, рН, засоленность, солонцеватость и др.) и агрохимических (содержание подвижных форм азота, фосфора, калия и др.) свойств, агропроизводственная группировка почв и «почвенные очерки», характеризующие почвы по всему спектру пользования, служат базовыми предпосылками для последующих теоретических обобщений и практических рекомендаций. Последние же должны отражать трансформацию сельскохозяйственных угодий; охрану почв от водной и ветровой эрозии; осушение, орошение и проведение культуртехнических работ; химическую мелиорацию земель (известкование, гипсование и т.д.); рациональные размещения и набор сельскохозяйственных культур; особенности агротехнических приемов и систем применения удобрений с учетом почвенных условий; улучшение сенокосов и пастбищ.
Обязательное условие при осуществлении рассматриваемой формы мониторинга — использование методов картографирования. При этом набор приемов получения исходных данных (от визуальных до космических) должен быть максимально полным.
В зависимости от сложности почвенного покрова для проведения съемок, оценки специализации хозяйств и интенсивности использования земель устанавливают различные масштабы почвенных исследований (лесостепь — 1 : 10 000 — 1 : 25 000; пастбищные угодья в полупустыне — 1 : 50 000; орошаемые и осушенные земли — 1 : 2000 — 1 : 5000 ). Одновременно дифференцируют точность проводимых обследований и составляемых картографических материалов.
В результате длительной распашки, применения удобрений, химических мелиорантов, орошения, осушения и других агротехнических и мелиоративных мероприятий компонентный состав комплексных почвенных контуров изменяется. На это обстоятельство в процессе мониторинга следует обращать серьезное внимание.
Для достижения репрезентативности наблюдений и объективности оценок состояния и изменений почвенно-агрохимических свойств почвенные обследования целесообразно проводить с периодичностью 1 раз в 10-15 лет, а агрохимические — каждые 5 лет. Проведение таких работ повторно, с одной стороны, позволяет устранять недостатки и восполнять пробелы прежних наблюдений, а с другой (что наиболее существенно) — выявлять и фиксировать происшедшие изменения свойств почв и почвенного покрова вследствие природных и антропогенных воздействий.
Читайте также: Какую почву называют плодородной сообщение 4 класс
Объекты мониторинга закладываются во всех земледельческих зонах. Они должны отражать типичные природные и сельскохозяйственные ландшафты и быть приурочены к местам наиболее интенсивного антропогенного воздействия. Параллельно выбирают фоновые территории (участки), представленные природными ландшафтами, почвы которых за последние 40-50 лет не испытывали или испытывали незначительные антропогенные нагрузки. Фоновыми территориями могут служить заповедники.
При выборе объектов мониторинга учитывают специализацию хозяйства, систему земледелия, способы обработки почв, систему севооборотов. Целесообразно выбирать объекты исследования (хозяйства) с разным экономическим уровнем.
Вид и степень антропогенного воздействия на почвы и структуру почвенного покрова также существенно влияют на выбор объектов мониторинга и объекты соответствующих работ. Например, при организации почвенного мониторинга распространения вторичного засоления число наблюдательных участков помимо прочих условий будет зависеть от степени (и, возможно, вида) засоления, уровня грунтовых вод и других специфических факторов. Предположим, что в зоне засоления почв имеются эрозионно опасные земли и источники техногенного загрязнения (к примеру, тяжелыми металлами), тогда в схему объектов мониторинга включают участки, позволяющие учитывать различные масштабы смытости, а также особенности аккумуляции почвой техногенных веществ в зависимости от расстояния до источников загрязнения, вида ценозов и других экологических факторов.
На мелиорированных землях необходимо принимать во внимание способ орошения, тип дренажа, сроки функционирования оросительной или осушительной системы, состав оросительных и дренажных вод.[1]
Автоматизированные системы оценки плодородия почв в координатном земледелии
Автоматизированные системы оценки плодородия почв в координатном земледелии.
Р.Ф. Байбеков,
заместитель директора ВНИИА им. Д.Н. Прянишникова, доктор с.х. наук член-корреспондент РАСХН
генеральный директор ООО «КИНЖ-АГРО», кандидат биологических наук.
ООО “Кинж – Агро“. 127550, г. Москва, улица Прянишникова, 31/А. Тел./Факс: 8 (499) 976-31-93 Сайт: www.kinzh-agro.ru , Электропочта: king-agro@mail.ru|
Представленная работа выполнена совместными усилиями рада профильных институтов, конструкторских организаций, частных фирм и производств.
Использование передовых технологий в земледелии позволяет значительно увеличить урожайность сельскохозяйственных культур при экономном применении средств химизации.
Одно из новых направлений в земледелии – точное или координатное земледелие. Оно базируется на успехах спутниковой связи, точного нахождения объекта на земной поверхности и сканировании земной поверхности в различных областях спектра соответствующим оборудованием, находящимся на спутнике.
Координатное земледелие позволяет дифференцированно вносить минеральные удобрения в почву, обеспечивая выравненность содержания элементов питания по площади всего поля, засеваемой сельскохозяйственной культурой.
Можно сослаться на исследования и практическое применение новой технологии по внесению минеральных удобрений в почву, выполненные в Агрофизическом научно-исследовательском институте (АФИ) (определение
контура поля, компьютерная разбивка поля на квадраты 50×50 м или 100×100 м, механизированный отбор почвенных проб из каждого квадрата, дифференцированное внесение удобрений в почву по каждому квадрату и др.).
В системе координатного земледелия для точной и подробной оценки пестроты поля необходимо определять питательные вещества и агрохимические показатели в каждой усреднённой пробе, отобранной из квадрата, площадью 0,25 га или 1 га. Например, на небольшом поле площадью 25 гектар надо отобрать 100 почвенных проб и определить в каждой минимум 4-5 показателей (различные формы азота, подвижные фосфор и калий, кислотность, влажность и др.), т.е. выполнить до 500 определений. Результаты аналитических работ передаются в бортовой компьютер используемых сельскохозяйственных машин, которые обеспечивают внесение в почву необходимых элементов питания растений на каждом квадрате в автоматическом режиме с помощью спутниковой навигации. Этот объём аналитических работ, как минимум в 5-10 раз (в зависимости от площади элементарного участка) больше того, который осуществляет в настоящее время агрохимслужба на той же площади обследования.
Для выполнения указанного объёма аналитических работ нужна новая приборная техника, лабораторное оборудование и технология проведения анализов почв на химический состав.
В последние годы работы по созданию такой техники, оборудования и технологии были выполнены сорудниками ВНИИА с соразработчиками из нескольких организаций. Результаты этих работ были неоднократно опубликованы в периодической печати, представлены на многих конференциях и обобщены в монографии ”Автоматизация аналитических работ и приборное обеспечение мониторинга плодородия почв и качества продукции растениеводства”. Москва. Агробизнесцентр. 2010, которая получила диплом РАСХН, как лучшая работа, указанного года.
Предлагаемая поточно-декадная технология определения химического состава почв в настоящее время внедрена в лабораториях агрохимслужбы России, Украины и Белоруссии.
В основе предлагаемой технологии лежат 4 основных принципа.
1. Весь технологический процесс химического анализа делится на части, каждая из которых выполняется только одним оператором.
2. Mетодики химического анализа должны быть технологичны для использования на конвейере (в «потоке»).
Читайте также: Почва в озере как называется
3. Вместо химической посуды (химических стаканов, колб и т.д.), используемой обычно в отдельности, применяются декадные технологические кассеты — аналитические емкости, жестко связанные в одном каркасе. В стандартной технологической кассете содержится 10 емкостей и она является транспортным челноком аналитического конвейера. Под эту кассету конструируется всё остальное оборудование
4. Вместо классических мерных пипеток и бюреток применяются высокопроизводительные одно- или десятипозиционные дозаторы различных типов.
На этих принципах были разработаны лабораторное оборудование и приборы, обеспечивающие поточную технологию определения химического состава почв, а так же растительного материала и природных вод.
Как пример, можно рассмотреть поточно-декадную технологию одновременного определения фосфора и калия в почве для различных зон России.
На первой позиции аналитического потока к автоматическому весовому комплексу подвозят со склада кассеты с почвенными образцами и пустые технологические кассеты того типа, которого требует технология анализа. Оператор выверенной меркой загружает в бункер весов дозу почвы, которая автоматически взвешивается на весах и переносится в пустую ёмкость технологической кассеты. Одновременно пропорционально массе навески насос-дозатор перистальтического типа добавляет в загруженную ёмкость
необходимое количество экстрагента для извлечения из почвы анализируемого элемента. Таким образом, по предлагаемой технологии нет необходимости отвешивать точную массу пробы почвы и добавлять к ней точный объём экстрагента. В предлагаемой конструкции соотношение между массой почвенной пробы и объёмом экстрагента остаётся постоянным независимо от массы навески. Благодаря предлагаемой технологии производительность самой трудоёмкой операции при массовых анализах почв взвешивании резко возрастает и обеспечивает 15-ти секундный цикл взвешивания и добавления экстрвгента.
Тележки с заполненными кассетами поступают на вторую позицию для экстрагирования анализируемых элементов из почвы. Эта операция обеспечивается в зависимости от технологии анализа с помощью высокопроизводительных 10-ти позиционных мешалок или многопозиционных возвратно-поступательных взбалтывателей.
Полученная почвенная суспензия в ёмкостях кассеты поступает на третью позицию, где с помощью специально разработанной центрифуги производят разделение фракций суспензии (жидкий экстракт – твёрдая почва). Центрифуга обеспечивает вращение ротора до 1200 оборотов в минуту, вмещает до 4 технологических кассет (40 проб) и за цикл 7 минут обеспечивает полное разделение твёрдой и жидкой фракции суспензии. Отказ от традиционного разделения фракций суспензии путём фильтрования через фильтровальную бумагу обоснован тем, что фильтровальная бумага, используемая для массовых анализов, часто содержит мешающие примеси от которых надо освобождаться промыванием. Этот процесс очень трудоёмок. Кроме этого чистота фильтрата не всегда отвечает требованиям автоанализа (содержит илистую фракцию почвы, проходящую через поры бумаги). В этом случае гидравлическая система автоанализаторов забивается илом, что требует частой смены трубок прибора. Но самое главное почвы тяжёлого механического состава быстро забивают поры бумаги и процесс фильтрования длится очень долго, при этом мы наблюдали, что в этом случае
процесс извлечения элементов может происходить и в период фильтрования на бумаге. Это явление не даёт возможности строгого нормирования извлечения элементов из почвы (особенно это касается солянокислых вытяжек из почв).
На четвёртой позиции после ценрифугирования обеспечивается быстрый перенос очищенной жидкой фракции из технологических в аналитические кассеты с помощью специальных многоканальных переливных устройств. Заборные трубки устройства опускают в чистую зону жидкой фракции и перекачивают её с помощью перистальтического насоса не прижимного действия в ёмкости аналитической кассеты, с объёмами ячейки от 4 до 10 см3.
На пятой позиции производят автоматизированное определение химического состава полученного экстракта с помощью многоканальных автоанализаторов проточного типа и возможностью, если это необходимо, передачи результатов анализа на электронном носителе или с помощью кабельной связи в компьютер для машинного получения картограмм. Конструкция разработанного автоанализатора обеспечивает одновремённое определение фосфора и калия с производительностью до 120 проб в час. Это один из самых высокопроизводительных автоанализаторов, а его компактность позволяет разметить его без компьютерной системы на полтора лабораторного стола. Определение фосфора обеспечивается с помощью сверх миниатюрного колориметра, а калия малогабаритного пламенного фотометра. Компьюторная система и программа обеспечивает управление автоанализатором и обработку получаемой информации. Программное обеспечение даёт возможность преобразование результатов измерений в текстовой файл или формат XL для последующего использования этих результатов другими программами (в частности, для импортирования в базы данных или других целей).
По изложенному принципу разработаны системы для определения кислотности почв, для определения гумуса, для определения нитратов и
аммония, для определения азота, фосфора и калия в растительном материале и кормах и других показателей.
В разработках есть много “ноу-хау”, получены рад свидетельств на изобретения.
Это оборудование, выпускаемое отечественными производителями, внедрено на многих станциях и центрах химизации, а также в некоторых институтах. Оно хорошо зарекомендовало себя в работе в течение ряда лет.
- Свежие записи
- Как избавиться от мошек в цветах комнатных растений
- Что добавить в воду чтобы цветы дольше стояли
- Какие цветы сочетаются друг с другом на клумбе
- Жмых от кофе как удобрение для комнатных цветов
- Белый липкий налет на комнатных цветах как избавиться