Cảm biến thông minh để đo đất chính xác

Cảm biến là một công nghệ nông nghiệp hiện đại, được phát triển để giúp nông dân thu được kết quả nhanh hơn và tốt hơn, hỗ trợ xác định các đặc tính khác nhau của đất. Chúng có thể được sử dụng để đo lường trong thời gian thực, do đó kiểm soát ứng dụng tỷ lệ thay đổi. Nó cũng có thể được sử dụng khi đang di chuyển, tạo bản đồ đất kết hợp với GPS.

Các cảm biến trên xe này được đặt ở phía trước máy kéo hoặc được gắn trên nông cụ của nó, tiếp xúc trực tiếp với đất hoặc gần bề mặt của nó. Khi máy kéo đi qua cánh đồng, cảm biến sẽ thu thập dữ liệu, xử lý dữ liệu và diễn giải trên bản đồ đất, do đó cung cấp thông tin nhiều lớp về đất. Trong trường hợp cảm biến thời gian thực, dữ liệu được thu thập và giải thích dẫn đến thay đổi ứng dụng tốc độ tức thời.

Có một số cảm biến được sử dụng để lập bản đồ đất, khác nhau trong lĩnh vực kỹ thuật đo lường để đo các đặc tính của đất. Bao gồm các:

• Điện từ
• Điện hóa
• Cơ khí
• Quang học
• Luồng không khí

cảm biến điện từ

Cảm biến điện từ đo các thành phần khác nhau của tính chất đất có thể ảnh hưởng đến năng suất cây trồng, chẳng hạn như kết cấu đất, khả năng trao đổi cation (CEC), điều kiện thoát nước, mức độ chất hữu cơ, độ mặn và đặc điểm của lớp đất dưới đất. Các cảm biến sử dụng các mạch điện để đo khả năng dẫn hoặc tích điện của các hạt đất.

Cảm biến điện từ đo EC của đất bằng cách sử dụng hai phương pháp: tiếp xúc và không tiếp xúc.

Phương pháp tiếp xúc sử dụng các điện cực thâm nhập vào đất. Cảm biến được cài đặt trên một thiết bị và được kéo bởi máy kéo hoặc phương tiện được trang bị bộ thu GPS. Đây là một phương pháp đo đất được sử dụng rộng rãi do khả năng cung cấp bản đồ chính xác của toàn bộ cánh đồng. Nhược điểm duy nhất là nó không phù hợp với các lĩnh vực quá lớn hoặc quá nhỏ.

Phương pháp không tiếp xúc sử dụng cảm ứng điện từ (EM) không tiếp xúc vật lý với đất. Cảm biến thường được lắp đặt ở phía đối diện của xe hoặc máy kéo và được trang bị bộ thu GPS.

Tùy thuộc vào kỹ thuật được sử dụng, cảm biến điện từ có thể được chia thành:

• cảm biến để lập bản đồ độ dẫn điện
• cảm biến để lập bản đồ phản ứng điện từ nhất thời
• cảm biến điều chỉnh ứng dụng tốc độ khác nhau trong thời gian thực

EC đất đo được không ảnh hưởng trực tiếp đến tăng trưởng hoặc năng suất cây trồng. Tuy nhiên, dựa trên dữ liệu đất đo được, người nông dân có thể dễ dàng xác định các tính chất cụ thể của đất có thể ảnh hưởng đến năng suất cây trồng.

Giải thích Bản đồ đất EC

Bản đồ đất EC có thể được giải thích theo hai cách;

• bằng cách so sánh nó với các bản đồ khác của cùng lĩnh vực (ví dụ: bản đồ đặc điểm của đất)
• bằng cách chia nó thành các ô lưới và so sánh giá trị trung bình của một ô với giá trị của cùng một ô trên bản đồ

Cảm biến điện hóa

Cảm biến điện hóa được sử dụng để đo các đặc tính quan trọng nhất của đất để quản lý chính xác; mức độ dinh dưỡng của đất và độ pH. Đó là một sự thay thế tuyệt vời cho phân tích đất hóa học tiêu chuẩn, tốn kém và mất nhiều thời gian hơn để có kết quả.

Các cảm biến này sử dụng điện cực chọn lọc ion (ISE) hoặc bóng bán dẫn hiệu ứng trường chọn lọc ion (ISFET) để đo điện áp giữa phần cảm biến và phần tham chiếu của hệ thống liên quan đến nồng độ của các ion cụ thể (H+, K+, NO3-) . Cơ chế lấy mẫu đất múc một mẫu đất và đưa nó tiếp xúc với điện cực. Sau khi đo được số đọc ổn định, điện cực được rửa sạch trước lần đọc tiếp theo.

cảm biến cơ khí

Các cảm biến cơ học được sử dụng để ước tính sức cản cơ học của đất (độ nén) liên quan đến mức độ nén thay đổi. Các cảm biến này sử dụng cơ chế xuyên qua hoặc cắt xuyên qua đất và ghi lại lực được đo bằng máy đo biến dạng hoặc cảm biến tải trọng.

Khi một cảm biến di chuyển qua đất, nó sẽ ghi lại lực cản phát sinh từ việc cắt, phá vỡ và dịch chuyển đất. Sức cản cơ học của đất được đo bằng một đơn vị áp suất và biểu thị tỷ lệ lực cần thiết để xuyên qua môi trường đất với diện tích phía trước của dụng cụ tiếp xúc với đất.

Cảm biến quang học và phóng xạ

Cảm biến quang học đo các đặc tính phản xạ, hấp thụ hoặc truyền qua của đất. Họ sử dụng độ phản xạ ánh sáng để đo chất hữu cơ của đất, độ ẩm của đất, thành phần khoáng chất, hàm lượng đất sét, màu đất, carbon hữu cơ, độ pH và khả năng trao đổi cation.

Các cảm biến xác định khả năng phản xạ ánh sáng của đất ở các phần khác nhau của quang phổ điện từ. Những thay đổi trong phản xạ sóng có thể chỉ ra những thay đổi về mật độ đất hoặc hạn chế các lớp đất.

Cảm biến quang học sử dụng kết hợp bốn bước sóng khác nhau để đo các đặc tính nhất định của đất; bước sóng tử ngoại (100-400 nm), khả kiến (400-700 nm), cận hồng ngoại (700-2500 nm) và trung hồng ngoại (2500-25000 nm). Bước sóng tử ngoại được sử dụng kết hợp với quang phổ khả kiến để xác định khoáng chất vô cơ (oxit sắt) trong đất.

Cảm biến đo phóng xạ sử dụng máy quang phổ tia gamma để đo sự phân bố cường độ bức xạ gamma (γ) so với năng lượng của mỗi photon. Có hai loại cảm biến đo phóng xạ; chủ động và thụ động. Các cảm biến tia γ chủ động sử dụng nguồn phóng xạ để phát ra các photon năng lượng mà sau đó có thể được phát hiện bằng tia γ, trong khi các cảm biến thụ động đo năng lượng của các photon phát ra từ các đồng vị phóng xạ tự nhiên của nguyên tố mà chúng bắt nguồn.

Dữ liệu đo được so sánh với các đồng vị của kali, uranium và thorium trong đất, trong đó cường độ của tia γ có liên quan đến hàm lượng nguyên tố trong đất.

cảm biến luồng không khí

Cảm biến luồng không khí đo độ thoáng khí của đất, tức là áp suất cần thiết để ép một lượng không khí nhất định vào đất ở độ sâu cố định của đất.

Cảm biến âm thanh và khí nén

Cảm biến âm thanh được sử dụng để đo kết cấu đất (cát, phù sa, đất sét), mật độ khối đất (độ chặt) và sự thay đổi độ sâu của đất (độ sâu của lớp đất mặt, độ sâu đến độ cứng). Chúng hoạt động bằng cách đo sự thay đổi mức độ tiếng ồn do sự tương tác của dụng cụ với các hạt đất.

Cảm biến khí nén đo độ thấm không khí của đất, là áp suất cần thiết để ép một lượng không khí nhất định vào đất, ở một độ sâu nhất định. Dữ liệu đo được so sánh với các đặc tính của đất như cấu trúc và độ nén của đất.

Cả cảm biến âm thanh và khí nén đều là sự thay thế tốt cho cảm biến cơ học.

Năng suất của đất bị giới hạn bởi nhiều yếu tố khác nhau như loại đất, kết cấu, hàm lượng chất hữu cơ và độ ẩm. Do đó, cần phải đo lường các đặc tính của đất chính xác hơn để đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu thành công. Lấy mẫu đất không đầy đủ và chi phí cao là những lý do chính để tạo ra sự thay đổi mang tính cách mạng trong canh tác, bằng cách sử dụng cảm biến.

Cảm biến phát hiện các sự kiện hoặc thay đổi về đặc tính của đất và cung cấp đầu ra tương ứng, được biểu thị thông qua tín hiệu điện hoặc quang. Các cảm biến có thể cải thiện chất lượng và giảm chi phí phân tích đất trong phòng thí nghiệm, cũng như cải thiện quản lý cây trồng và sản xuất cây trồng nói chung.