شرح معمق لأجهزة الاستشعار الزراعية الذكية وتطبيقاتها

تُمكّن الزراعة الذكية، المعروفة أيضاً بالزراعة الدقيقة، المزارعين من تحقيق أقصى إنتاجية باستخدام الحد الأدنى من الموارد، كالماء والأسمدة والبذور. فمن خلال استخدام أجهزة الاستشعار ورسم خرائط الحقول، يستطيع المزارعون فهم محاصيلهم بدقة متناهية، مما يوفر الموارد ويقلل من تأثيرهم على البيئة. يعود تاريخ الزراعة الذكية إلى ثمانينيات القرن الماضي، مع ظهور نظام تحديد المواقع العالمي (GPS). وبمجرد أن تمكن المزارعون من رسم خرائط محاصيلهم بدقة، أصبح بإمكانهم مراقبة المحاصيل وتطبيق الأسمدة ومكافحة الأعشاب الضارة عند الحاجة فقط.

في تسعينيات القرن الماضي، استخدم رواد الزراعة الدقيقة الأوائل مراقبة غلة المحاصيل لتوليد توصيات بشأن الأسمدة وتصحيح درجة الحموضة. ومع القدرة على قياس المزيد من المتغيرات وإدخالها في نماذج المحاصيل، أصبحت التوصيات المتعلقة بتطبيق الأسمدة والري وحتى أوقات الحصاد المثلى أكثر دقة.

1. أجهزة الاستشعار الزراعية

تُستخدم العديد من تقنيات الاستشعار في الزراعة الدقيقة، ويمكن للبيانات التي توفرها أن تساعد المزارعين على مراقبة محاصيلهم وتحسينها للتكيف مع العوامل البيئية المتغيرة، بما في ذلك.

تستخدم أجهزة استشعار الموقع إشارات من أقمار نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) لتحديد خطوط الطول والعرض والارتفاع بدقة تصل إلى أقدام. تتطلب طريقة التثليث ثلاثة أقمار صناعية على الأقل. ويُعدّ تحديد الموقع بدقة حجر الزاوية في الزراعة الدقيقة.

تستخدم المستشعرات الضوئية الضوء لقياس خصائص التربة. تقيس هذه المستشعرات انعكاس الضوء عند ترددات مختلفة في أطياف الأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة والمستقطبة، ويمكن تركيبها على مركبات مثل الطائرات المسيّرة أو حتى الأقمار الصناعية، أو على منصات مرتفعة لقياس التربة الموجودة أسفلها. يُعدّ انعكاس التربة وبيانات لون النبات مثالين فقط على المتغيرات التي يمكن تجميعها ومعالجتها بواسطة المستشعرات الضوئية. وقد طُوّرت هذه المستشعرات لتحديد محتوى الطين والمواد العضوية والرطوبة في التربة. على سبيل المثال، تُقدّم شركة فيشاي مئات من كاشفات الضوء والثنائيات الضوئية، وهي المكونات الأساسية للمستشعرات الضوئية.

توفر المجسات الكهروكيميائية معلومات بالغة الأهمية للزراعة الدقيقة، مثل درجة حموضة التربة ومستويات العناصر الغذائية فيها. تعمل أقطاب هذه المجسات عن طريق الكشف عن أيونات محددة في التربة. حاليًا، تُستخدم مجسات مثبتة على "زلاجات" مصممة خصيصًا لجمع بيانات كيمياء التربة ومعالجتها ورسم خرائط لها.

تقيس المجسات الميكانيكية انضغاط التربة أو "المقاومة الميكانيكية". يستخدم المجس مسبارًا لاختراق التربة وتسجيل المقاومة عبر خلية قياس الحمل أو مقياس الإجهاد. يُستخدم شكل مشابه لهذه التقنية في الجرارات الكبيرة للتنبؤ بمتطلبات الجر للمعدات الزراعية. تكشف أجهزة قياس التوتر، مثل جهاز Honeywell FSG15N1A، القوة التي يستخدمها نظام الجذور أثناء امتصاص الماء، وهو أمر مفيد لتدخلات الري.

تقوم أجهزة استشعار رطوبة التربة العازلة بتقييم محتوى الرطوبة عن طريق قياس ثابت العزل الكهربائي (الخاصية الكهربائية التي تتغير بتغير كمية الرطوبة) في التربة.

تقيس مستشعرات تدفق الهواء نفاذية التربة. ويمكن إجراء القياسات في موقع واحد أو بشكل ديناميكي أثناء الحركة. والناتج المطلوب هو الضغط اللازم لدفع كمية محددة مسبقًا من الهواء إلى باطن الأرض على عمق محدد مسبقًا. وتُنتج خصائص التربة المختلفة، بما في ذلك التماسك والبنية ونوع التربة والرطوبة، سمات مميزة فريدة.

محطات الأرصاد الجوية الزراعية عبارة عن وحدات مستقلة تُوضع في مواقع مختلفة في الحقل. تحتوي هذه المحطات على أجهزة استشعار مناسبة للمحصول المحلي والمناخ. تُقاس وتُسجل درجة حرارة الهواء، ودرجة حرارة التربة على أعماق مختلفة، وهطول الأمطار، ورطوبة الأوراق، والكلوروفيل، وسرعة الرياح، ودرجة حرارة نقطة الندى، واتجاه الرياح، والرطوبة النسبية، والإشعاع الشمسي، والضغط الجوي على فترات زمنية محددة مسبقًا. تُجمع هذه البيانات وتُرسل لاسلكيًا على فترات زمنية مُبرمجة إلى مسجل بيانات مركزي. سهولة نقلها وانخفاض سعرها يجعلان محطات الأرصاد الجوية جذابة للمزارع من جميع الأحجام.

2. بيانات مخرجات المستشعرات في الزراعة الدقيقة

توفر تقنية الاستشعار بيانات قابلة للتنفيذ يمكن معالجتها وتطبيقها حسب الحاجة لتحسين غلة المحاصيل مع تقليل الأثر البيئي. فيما يلي بعض الطرق التي تستخدم بها الزراعة الدقيقة هذه البيانات

تُركّب أنظمة مراقبة المحصول على آلات حصاد المحاصيل، مثل الحصادات الآلية وحصادات الذرة. ويمكنها توفير معلومات عن زيادة وزن المحصول من خلال قياس وتسجيل الوقت والمسافة أو موقع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) بدقة تصل إلى 30 سم.

تعتمد عملية رسم خرائط المحصول على بيانات الإحداثيات المكانية من أجهزة استشعار نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) المثبتة على معدات الحصاد. ويتم دمج بيانات مراقبة المحصول مع الإحداثيات لإنشاء خريطة المحصول.

تتحكم أدوات تطبيق الأسمدة ذات المعدل المتغير في الأسمدة الحبيبية والسائلة والغازية باستخدام خرائط المحصول والمسوحات البصرية لصحة النبات (والتي يمكن تحديدها من خلال اللون). ويمكن التحكم في وحدات التحكم ذات المعدل المتغير يدويًا أو تلقائيًا باستخدام حاسوب مدمج يتم توجيهه بواسطة موقع نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).

تستخدم عمليات رسم خرائط الأعشاب الضارة حاليًا أجهزة استقبال نظام تحديد المواقع العالمي (GPS).