بخشی از مقاله
فناوری نوین سنسورهای آنلاین در کشاورزی دقیق،
جهت بررسی برخی از خصوصیات خاک
چکیده
افزایش جمعیت و رقابت شدید جهانی در امر تولید محصولات کشاورزی، پیشرفت سریع تکنولوژیهای فضایی و علوم وابسته، سبب افزایش چشمگیری در پیشرفت فناوری کشاورزی دقیق شده است. جمع آوری اطلاعات در خصوص تغییرات ویژگی های خاک های مختلف در یک مزرعه برای فرآیند تصمیم گیری ضروری است. ناتوانی در تعیین خصوصیات خاک بصورت سریع و ارزان یکی از بزرگترین محدودیت های کشاورزی دقیق است. در این تحقیق به بررسی ابزارهایی اندازه گیری خواص مکانیکی- فیزیکی و شیمیایی خاک، توسط سنسورهای الکتریکی و الکترومغناطیسی، آکوستیک و سنسورهای پنوماتیک و سنسورهای الکتروشیمیایی پرداخته، مزایا و کاربرد آن ها مورد بررسی قرار گرفت.
کلمات کلیدی: سنسور، کشاورزی دقیق، خصوصیات خاک
. 1 مقدمه
کشاورزی دقیق (Precision Agriculture) جدیدترین فناوری در عرصه مهندسی کشاورزی می باشد که هم اکنون در اکثر کشورهای پیشرفته بصورت جدی بکار گرفته میشود. این علم جدید با بهره گیری از سیستم های GPS، GTS و RS قادر به اتوماتیک نمودن عملیات کشاورزی و هدایت بدون راننده ماشینهای کشاورزی، کاربرد مقادیر متغیر در مصرف سم، کود و بذر و نیز عمق کاشت متفاوت با توجه به شرایط ویژه هر قسمت از مزرعه گردیده است .[21] هر محلی که به بزرگی یک مزرعه باشد دارای تغییرات وسیعی در نوع خاک، قابلیت در دسترس بودن مواد غذایی و دیگر فاکتورهای مهم جهت رشد محصول میباشد. بدون در نظر گرفتن این پارامترها، تولید محصول نقصان خواهد یافت. از طرفی نتایج آزمایش خاک، داده های مهمی جهت کاربرد متناسب کود، آهک و دیگر مکمل های خاک فراهم می کند. هنگامی که نتایج آزمایش خاک همراه با اطلاعاتی در مورد ترکیب مواد مغذی محصولات مختلف در دسترس هستند، مبنای قابل اطمینانی برای برنامه ریزی می تواند .[14] یکی از مهم ترین جنبه های آزمایش خاک در واقع به دست آوردن نمونه خاک (یعنی با تراکم مناسب در عمق مناسب و در زمان مناسب) است. توصیه های عملی مربوط به جمع آوری و انتقال نمونه های خاک توسط Vitosh و همکاران داده شده است31] ، 14 و .[12 با این حال محل و تعداد نمونه های خاک بستگی به روش مورد استفاده برای مدیریت حاصلخیزی خاک دارد .[13] در حال حاضر از روش های نمونه گیری تصادفی، تطبیقی، و شبکه ای استفاده می کنند. برخی تلاش ها برای توسعه و بررسی سنسورهای در حال حرکت خاک قبلا گزارش شده اند 15] و .[27 پیشرفت سنسورها، انتظار می رود به افزایش اثربخشی کشاورزی دقیق کمک کند .[22] به طور خاص پیشرفت حسگرها بر روی اندازه گیری خصوصیات حین حرکت خاک باعث
افزایش تعداد اندازه گیری با هزینه هاینسبتاًپایین می گردد .[24] اگر چه تنها چند سنسور خاک به صورت تجاری در دسترس است، تلاش برای توسعه نمونه های جدید وجود دارد. هدف از این تحقیق اصول اندازه گیری ویژگی های مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی خاک، توسط سنسورهای الکتریکی و الکترومغناطیسی، سنسورهای آکوستیک و پنوماتیک و سنسورهای الکتروشیمیایی و بحث در مورد کاربردهای بالقوه این روش اندازه گیری است.
.2 مواد و روش ها
گیرنده های سیستم موقعیت یابی جهانی )GPS(، که جهت مکان یابی و مسیر یابی وسایل نقلیه کشاورزی در مزرعه استفاده می شود، به یکی از رایج ترین حسگر در کشاورزی دقیق تبدیل شده اند. از طرفی نیز سنسورهای در حین حرکت خاک می تواند بخشی از "سیستم های نقشه مبنا" و یا "زمان واقعی" باشند. اگر چه تنوع زیادی در مفاهیم طراحی سنسورهای خاک در حال حرکت وجود دارد، می توانند شامل یکی از روش های اندازه گیری زیر باشند:
• سنسورهای الکتریکی و الکترومغناطیسی اندازه گیری مقاومت / هدایت الکتریکی، ظرفیت خازن یا اندوکتانس که از خاک مورد آزمایش تاثیر می پذیرد.
• سنسورهای نوری و رادیومتری با استفاده از امواج الکترومغناطیسی برای تشخیص میزان انرژی جذب و یا منعکس شده ذرات خاک استفاده
می شود.
• سنسورهای مکانیکی جهت اندازه گیری نیروهای ناشی از ابزارهای درگیر با خاک است.
• سنسورهای آکوستیک تعیین کمیت صدای تولید شده توسط یک ابزار در ارتباط با خاک است.
• سنسور پنوماتیک ارزیابی توانایی تزریق هوا به داخل خاک است.
• سنسورهای الکتروشیمیایی با استفاده از غشاء یون برای تولید یک خروجی ولتاژ در پاسخ به فعالیت یون های انتخاب شده است H +)، K +، NO3، NA+، و غیره).
اکثر سنسورهای ذکر شده، سیگنال خروجی آنها تحت تاثیر چندین ویژگی خاک زراعی قرار دارد. در بسیاری از موارد، ارتباط قابل قبول بین خروجی سنسور و خصوصیات خاک زراعی و نوع خاک، زمانی که تغییرات ناشی از تداخل خواص ناچیز بود، پیدا شد. در این زمان مسئله ای که هنوز ناشناخته مانده است، این است که چه ترکیب سنسوری به طور همزمان می تواند برای چندین پارامتر خاک زراعی در شرایط مختلف رشد گیاه مورد استفاده قرار گیرد. مطالعات نشانگر سطوح مختلف نتایج پیشرفت سنسورهای خاص از مطالعات نظری تا ارزیابی مزرعه ای و پیاده سازی های تجاری است. دقت و صحت به عنوان ارزیابی کمی عملکرد سنسور مورد استفاده قرار گرفته است .[30] دقتمعمولاً به توانایی سنسور به تکرار اندازه گیری خود در همان محل و زمان اشاره دارد، در حالی که صحت اندازه گیری میزان صحیح بودن اندازه گیری سنسورها نسبت به خواص واقعی خاک که با استفاده از روش معمولی (مرجع) اندازه گیری شده است. دقت و صحت هر دو می توانند بر اساس خروجی سنسور، خواص خاک را پیش بینی کنند. با این حال اکثریت مطالعات انجام شده، ارتباط بین خروجی سنسور و اندازه گیری معمولی را به عنوان ضریب پیرسون همبستگی )r( و یا ضریب تعیین )R2( بیان می کنند. البته هر دو ارزش در طیف وسیعی از خاک مورد استفاده در ارزیابی و بسته به زمینه های مختلف ممکن است متفاوت باشد.
.2,2 سنسورهای الکتریکی و الکترومغناطیسی
در سیستم های مختلف اندازه گیری از مدارهای الکتریکی برای تعیین میزان رسانایی و یا ذخیره انرژی الکتریکی استفاده می گردد. اگر خاک به عنوان یک رسانه فرض شود، ویژگی های فیزیکی و شیمیایی آن می تواند بر رفتار مدار و بنابراین اندازه گیری پارامترهای الکتریکی تاثیر گذارد. واکنش
سریع، هزینه کم و دوام بالا، باعث شده سنسورهای الکترومغناطیسی و الکتریکی بیشترین روش قابل دسترسی برای تهیه نقشه خاک حین حرکت باشند. نقشه های به دست آمده به بافت خاک، شوری و ماده آلی، رطوبت و سایر ویژگی های خاک وابسته اند. توانایی هدایت الکتریسیته خاک،معمولاً با مقاومت الکتریکی )ER( و هدایت الکتریکی )EC( اندازه گیری می شود. هر دوی این مقادیر به نسبت ولتاژ و جریان الکتریکی انتقال و دریافت الکترود مربوط می شود. در مورد اندازه گیری مستقیم مقاومت/ هدایت الکتریکی ، علف برهای بشقابی می توانند به صورت ساده به عنوان الکترود باشد که باعث ایجاد میدان می شود. فاصله بین الکترودها در تعیین عمق اندازه گیری موثر است. بنابراین، در صورتی که بیش از دو الکترود به طور همزمان استفاده شود می توان چندین عمق مختلف را اندازه گیری کرد. به عبارت دیگر، ابزار اندازه گیری EC بدون تماس را می توان با استفاده از یک جفت سلف ایجاد کرد. هنگامی که یک سیم پیچ انتقال با جریان متناوب است و در مجاورت خاک قرار داده شده است، میدان مغناطیسی باعث جریان شار الکتریکی در خاک می شود. این جریان با استفاده از یک سیم پیچ که در مجاورت خاک قرار می گیرد حس می شود. فاصله بین دو سیم پیچ و جهت گیری آن در عمق اندازه گیری موثر است. تعداد زیادی توسعه تجاری انجام و به بازار عرضه شده است که در این روش ها از اندازه گیری مقاومت/ هدایت الکتریکی استفاده شده است. باچلر و فراهانی، فریتس و همکاران و Sudduth و همکاران، القای الکترومغناطیسی و سنسورهای تماسی در نقشه برداری از زمین های کشاورزی را مقایسه نموده اند 6]، 11 و .[28 آنها شباهت در الگوی نقشه و همبستگی بالا بین نقاط هم مرکز بصورت عددی (ضریب همبستگی پیرسون (0.92 را بیان کرد ه اند. اگر چه چند نقشه هدایت الکتریکی از داده های جمع آوری شده در مزرعه ممکن است از لحاظ الگوی تکرار، در زمانی که نقاط هم مرکز بصورت عددی با هم مقایسه می شوند تفاوت قابل ملاحظه ای داشته باشند. هنگام استفاده از یک سنسور الکترومغناطیسی ممکن است سرعت عملیات و ارتفاع، رطوبت خاک و دما، عمق خاک و خطای رانش ابزار دقیق نسبت به زمان اثرات قابل توجهی بر روی اندازه گیری های EC بگذارد .[26] از آنجا که خاک به ندرت یک ماده همگن است، مقادیر مقاومت / هدایت الکتریکی اندازه گیری شده در سطح، نشان دهنده ویژگی های فیزیکی آشکار از یک محیط همگن با ابعاد مشابه در خاک در حال آزمایش است. بنابراین، بسیاری از پروفیل خاک های مختلف ممکن است اندازه گیری مقاومت/ هدایت ظاهری الکتریکی مشابهی داشته باشند .[9] در نتیجه مقادیر اندازه گیری مقاومت / هدایت الکتریکی خاک موجود در مزرعه کشاورزی ناهمگنی زیادی را در بافت خاک، شوری و ماده آلی، رطوبت، و عمق خاک رس نشان می دهند [20] و از بیش از یکی از ویژگی های مهم فیزیکی خاک تحت تاثیر قرار می گیرند. ارتباط ثانویه با مواد مغذی خاک و PH در برخی از مطالعات مشاهده شده است. لوند و همکاران، همچنین کالبرن، کاربردهای بالقوه از اندازه گیری هدایت الکتریکی برای مدیریت خاص مکانی بیان کردند .[14] از آنجا که از لحاظ نظری یک اندازه گیری برای پیش بینی خواص خاک های مختلف در یک زمان کافی نیست، منطقی است که اندازه گیری ها به میزان ممکن زیاد باشند. فان و همکاران برای اندازه گیری همزمان خواص ظرفیت و رسانایی خاک تلاش کرده اند .[10] آنها از طریق آزمایش نشان دادند اگر یک فرکانس تجزیه و تحلیل پاسخ اعمال شود پتانسیل جدا کردن رطوبت خاک و شوری خاک وجود دارد .) R2 =0.56-0.73( لی و همکاران یک روش مشابه با کنترل تراکم و شرایط عمق خاک استفاده کردند که مقدار R2 برای رطوبت خاک و شوری خاک 0.88 و 0.83 به دست آمد .[16] این واقعیت که ثابت دی الکتریک آب از خاک بزرگتر است، ثابت اندازه گیری خازن یا دی الکتریک یک روش بسیار جذاب برای تعیین رطوبت خاک است. استار و پالتینانو و والی و همکاران ، یک سنسور باریک برای اندازه گیری رطوبت خاک حین حرکت طراحی کردند 32] و .[25 آنها گزارش کردند که 84% از واریانس سنسور می تواند از طریق تفاوت در مقدار رطوبت توضیح داده شود، در حالی که تراکم وزن مخصوص خشک خاک نیز اثر قابل توجهی در اندازه گیری به دست آمده دارد. لیو و همکاران سنسور رطوبت خاک که بر اساس دی الکتریک کار می کرد را در یک چیزل گنجاندند و از آن در انجام آزمایشهای مزرعه ای برای تعیین میزان رضایت بخش بودن سیستم تحت شرایط پویا مزرعه استفاده کردند .[18] آنها سنسور رطوبت را در یک بلوک نایلون عایق به دور از هرگونه فلز، به طور مستقیم در پشت لبه برش سنسور نقشه برداری مقاومت مکانیکی خاک قرار دادند. آزمایشهای مزرعه ای نشان داد که این یک روش مناسب برای اندازه گیری سریع محتوای رطوبت خاک در محل است، اگر چه شوری خاک، دما و شاید بافت خاک اندازه گیری رطوبت را تحت تاثیر قرار می دهد. آندراده و همکاران این سنسور را برای غلبه بر دخالت بهبود دادند .[4] اگر چه در مطالعه خود هیچ اثر قابل توجهی از بافت خاک تشخیص داده نشد، ولی تاثیر دما و شوری قابل ملاحظه بود. ارزیابی سنسور نشان می دهد که ارتباط قابل قبول در آزمونهای آزمایشگاهی و مزرعه ای برای رطوبت حجمی (مقدار0.87 R2 و (0.78 بود. جدول 1 خلاصه سنسورهای الکتریکی و الکترومغناطیسی که شرح داده شد است را بیان می دارد. به نظر می رسد که رسانایی و خواص خازنی خاک است که می تواند اندازه گیری حین حرکت چند ویژگی خاک زراعی را تحت تاثیر قرار دهد. این است که نوع خاکعمدتاً( بافت خاک) به میزان قابل توجهی تحت تاثیر خروجی سنسورهای مقاومت / هدایت الکتریکی است. تنوع میزان شوری خاک، رطوبت و ویژگی های دیگر در تداخل با این رابطه است.
