Вимірювально-аналітичні засоби ІоТ-моніторингу вологості ґрунтів
Анотація
Ефективне управління водним режимом ґрунтів є одним із ключових завдань сучасного агровиробництва, особливо в умовах точного та органічного землеробства, яке потребує точного контролю за зволоженням без шкоди для екологічної рівноваги. Досягнення цієї мети можливе за умови застосування високоточних вимірювально-аналітичних засобів, здатних функціонувати в автономному режимі в реальних польових умовах. У межах цього дослідження розроблено апаратно-програмний комплекс моніторингу вологості ґрунтів, до складу якого входять гідроелектричний пристрій для експрес-аналіз якості ґрунтів, сенсори тиску та електропровідності, а також мікропроцесорна система керування з підтримкою бездротової передачі даних. Запропоновано архітектуру локальної системи моніторингу, адаптовану до умов керованих модулів осушувально-зволожувальних систем. Така система забезпечує безперервне збирання і передавання даних про рівень вологості, електропровідність і склад відпрацьованої вологи у ґрунті. Наведено математичну модель перехідних процесів насичення та осушення ґрунтів із використанням лінеаризованого рівняння Буссінеска. Реалізовано методику розрахунку вмісту вологи за показами тензіометрів із врахуванням фізико-механічних властивостей ґрунтів різного складу. Побудовано обчислювальні моделі в середовищі Matlab, які дають змогу відтворювати характерні перехідні процеси у ґрунтовому середовищі та можуть бути використані для удосконалення алгоритмів керування зволоженням у режимі реального часу. Для розробленого вимірювального пристрою характерні низька інерційність, висока точність та можливість автономної роботи. Його конструкція дає змогу ефективно адаптуватися до різних типів ґрунтів і кліматичних умов. Важливою перевагою такого пристрою є можливість його інтеграції в масштабовану інформаційно-аналітичну ІоТ-платформу TankToad, яка забезпечує централізований моніторинг, оброблення та зберігання телеметричних даних від великої кількості пристроїв. Подані в роботі результати підтверджують доцільність запропонованого технічного рішення та можуть бути використані для створення адаптивних цифрових систем управління водним режимом ґрунтів у сталому землеробстві.
Завантаження
Посилання
Abdelmoneim, A. A., Khadra, R., Derardja, B., & Dragonetti, G. (2023). Internet of Things (IoT) for Soil Moisture Tensiometer Automation. Micromachines, 14(2), article ID 263. https://doi.org/10.3390/mi14020263
Abdelmoneim, A. A., Khadra, R., Elkamouh, A., Derardja, B., & Dragonetti, G. (2024). Towards Affordable Precision Irrigation: An Experimental Comparison of Weather-Based and Soil Water Potential-Based Irrigation Using Low-Cost IoT-Tensiometers on Drip Irrigated Lettuce. Sustainability, 16(1), article ID 306. https://doi.org/10.3390/su16010306
Abdelmoneim, A. A., Kimaita, H. N., Al Kalaany, C. M., Derardja, B., Dragonetti, G., & Khadra, R. (2025). Iot Sensing for Advanced Irrigation Management: A Systematic Review of Trends, Challenges, and Future Prospects. Sensors (Basel, Switzerland), 25(7), 1–25. https://doi.org/10.3390/s25072291
Bashir, R. N., Bajwa, I. S., Abbas, M. Z., Rehman, A., Saba, T., Bahaj, S. A., & Kolivand, H. (2022). Internet of Things (IoT) assisted soil salinity mapping at irrigation schema level. Applied Water Science, 12, 1–16. https://doi.org/10.1007/s13201-022-01619-1
Chavanne, X., & Frangi, J.-P. (2024). A Sensor to Monitor Soil Moisture, Salinity, and Temperature Profiles for Wireless Networks. Journal of Sensor and Actuator Networks, 13(3), 1–25. https://doi.org/10.3390/jsan13030032
Comegna, A., Di Prima, S., Hassan, S. B. M., & Coppola, A. (2025). A Novel Time Domain Reflectometry (TDR) System for Water Content Estimation in Soils: Development and Application. Sensors (Basel, Switzerland), 25(4), article ID 1099. https://doi.org/10.3390/s25041099
Comegna, A., Hassan, S. B. M., & Coppola, A. (2024). Development and Application of an IoT-Based System for Soil Water Status Monitoring in a Soil Profile. Sensors (Basel, Switzerland), 24(9), 1–19. https://doi.org/10.3390/s24092725
Escriba, C., Aviña Bravo, E. G., Roux, J., Fourniols, J.-Y., Contardo, M., Acco, P., & Soto-Romero, G. (2020). Toward Smart Soil Sensing in v4.0 Agriculture: A New Single-Shape Sensor for Capacitive Moisture and Salinity Measurements. Sensors (Basel, Switzerland), 20(23), 1–23. https://doi.org/10.3390/s20236867
Hardie, M. (2020). Review of Novel and Emerging Proximal Soil Moisture Sensors for Use in Agriculture. Sensors (Basel, Switzerland), 20(23), article ID 6934. https://doi.org/10.3390/s20236934
Kascheiev, O. Y., & Lymar, V. A. (2005). Device for determining moisture content in soil (tensiometer) (15512). Ukraine. URL: https://ua.patents.su/2-15512-prilad-dlya-viznachennya-vologosti-gruntu-tenziometr.html
Melton, F. S., Johnson, L. F., Lund, C. P., Pierce, L. L., Michaelis, A. R., Hiatt, S. H., Guzman, A., Adhikari, D. D., Purdy, A. J., Rosevelt, C., Votava, P., Trout, T. J., Temesgen, B., Frame, K., Sheffner, E. J., & Nemani, R. R. (2012). Satellite Irrigation Management Support With the Terrestrial Observation and Prediction System: A Framework for Integration of Satellite and Surface Observations to Support Improvements in Agricultural Water Resource Management. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 5(6), 1709–1721. https://doi.org/10.1109/JSTARS.2012.2214474
Pastushenko, V. Y., Matus, S. K., & Shatniy, S. V. (2012). Technical means of remote monitoring of soil moisture on controlled modules of dehumidification and humidification systems. Bulletin of Engineering Academy of Ukraine, 1, 87–91. URL: http://nbuv.gov.ua/UJRN/Viau_2012_1_19
Pastushenko, V., & Stetsenko, A. (2010). Development, modeling and technical implementation of automated control system of soils moistness by underground irrigation. In 2010 International Conference on Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science (TCSET), pp. 33–34. URL: https://ieeexplore.ieee.org/document/5445959
Placidi, P., Gasperini, L., Grassi, A., Cecconi, M., & Scorzoni, A. (2020). Characterization of Low-Cost Capacitive Soil Moisture Sensors for IoT Networks. Sensors (Basel, Switzerland), 20(12), 1–14. https://doi.org/10.3390/s20123585
Placidi, P., Morbidelli, R., Fortunati, D., Papini, N., Gobbi, F., & Scorzoni, A. (2021). Monitoring Soil and Ambient Parameters in the IoT Precision Agriculture Scenario: An Original Modeling Approach Dedicated to Low-Cost Soil Water Content Sensors. Sensors, 21(15), 1–28. https://doi.org/10.3390/s21155110
Romashchenko, M., Baliuk, S., Tarariko, Y., & Lisoviy, V. (2022). Development and implementation of the Agricultural Information Support System. Bulletin of Agricultural Science, 100, 5–13. https://doi.org/10.31073/agrovisnyk202209-01
Shatnyi, S. V., & Matus, S. K. (2011). Tensiometer for express-analysis of soil humidity (66701). URL: https://iprop-ua.com/inv/vk3afffj. URL: https://ua.patents.su/3-66701-tenziometr-dlya-ekspres-analizu-vologosti-runtu.html
Shatnyi, S., Kunytskyi, S., Volkov, V., & Shatna, A. (2021, September – 2021, September). Information Technology of Data Processing and Analysis on Automated Measuring Complex of Water Systems Stability. In 2021 IEEE 16th International Conference on Computer Sciences and Information Technologies (CSIT), pp. 123–127. IEEE. https://doi.org/10.1109/CSIT52700.2021.9648816
Sofwan, A., Sumardi, Adhipratama, F. R., Budiraharo, K., & Karno. (2022). Data Communication Design Based on Internet of Things Architecture for Smart Greenhouse Monitoring and Controlling System. 2022 5th International Conference on Information and Communications Technology (ICOIACT), Yogyakarta, Indonesia, pp. 205–209. https://doi.org/10.1109/ICOIACT55506.2022.9971912
Tank Toad. (2021, May 9). Remote Monitor Equipment | Tank Toad. URL: https://www.tanktoad.com/
Zhang, X., Feng, G., & Sun, X. (2024). Advanced technologies of soil moisture monitoring in precision agriculture: A Review. Journal of Agriculture and Food Research, 18, article ID 101473. https://doi.org/10.1016/j.jafr.2024.101473
Zhukovskyy, V. V., Shatnyi, S. V., & Zhukovska, N. A. (2020). Hydroelectric device for rapid soil quality analysis (145988). URL: https://iprop-ua.com/inv/pdf/b4f9bjze-pub-description.pdf
Zhukovskyy, V., Printz, D., & Zhukovska, N. (2023). Human-computer interaction in IoT system for water tank monitoring and controlling. 2023 IEEE 18th International Conference on Computer Science and Information Technologies (CSIT), pp. 1–5. https://doi.org/10.1109/CSIT61576.2023.10324294
Zhukovskyy, V., Printz, D., Zhukovska, N., Hubach, M., & Rajab, H. (2021, July – 2021, July). IoT based Intelligent Information-Analytical System Architecture for Water Tank Monitoring. In 2021 International Conference on Information Technology (ICIT) pp. 924–928. IEEE. https://doi.org/10.1109/ICIT52682.2021.9491762
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
