การแก้ปัญหาการขาดแคลนน้ำด้วยการให้น้ำเพื่อการเกษตรขั้นสูง

ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา การควบคุมการให้น้ำเพื่อการเกษตรมีความซับซ้อนมากขึ้นเรื่อย ๆ ในปัจจุบัน เกษตรกรจำนวนมากได้เปลี่ยนจากการใช้ตัวตั้งเวลาให้น้ำและตัวควบคุมไฮดรอลิกแบบเดิมไปใช้อุปกรณ์ควบคุมและการเชื่อมต่อขั้นสูงที่ดัดแปลงมาจากการใช้งานทางอุตสาหกรรม ซึ่งรวมถึงระบบที่ใช้ตัวควบคุมลอจิกแบบตั้งโปรแกรมได้ (PLC) พีซีอุตสาหกรรม และอุปกรณ์ระบบอัตโนมัติที่ประหยัดมากขึ้นด้วยความสามารถในการเชื่อมต่อและใช้ประโยชน์จากโปรโตคอลการสื่อสารทางอุตสาหกรรมทั่วไป ตัวควบคุมและอุปกรณ์เหล่านี้สามารถรับอินพุตจากแหล่งต่าง ๆ เช่น เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดิน สถานีตรวจอากาศ และเซ็นเซอร์ตรวจจับน้ำแข็ง เพื่อให้เกิดการตอบสนองจากการทำฟาร์มดิจิทัลที่ปรับเปลี่ยนได้แบบเรียลไทม์

ยิ่งไปกว่านั้น ราคาระบบควบคุมการให้น้ำที่ซับซ้อนเหล่านี้จับต้องได้มากขึ้น ขณะที่การใช้ข้อมูลเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการให้น้ำนั้นมีความชาญฉลาดมากขึ้นเรื่อย ๆ

รูปที่ 1: Toro บริษัทอุปกรณ์ดูแลดินและเกษตรกรจำหน่ายระบบให้น้ำเพื่อการเกษตร Tempus Automation ที่ใช้ประโยชน์จากการเชื่อมต่อ 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth สถานีฐานช่วยให้เกษตรกรควบคุมวาล์วและอุปกรณ์ตรวจสอบได้ภายในระยะสูงสุด 1.6 กม. สามารถเพิ่มสถานีฐานได้อย่างง่ายดายเพื่อขยายระยะ โดยระบบทั้งหมดสามารถใช้พลังงานแสงอาทิตย์หรือการเดินสายไฟ (แหล่งที่มาภาพ: The Toro Co.)

การอนุรักษ์น้ำมีความจำเป็นมากขึ้นเมื่อสภาพอากาศร้อนขึ้น ภูมิภาคต่างๆ แห้งแล้งมากขึ้น ประชากรเพิ่มขึ้น และชั้นหินอุ้มน้ำก็ลดลง ในความเป็นจริง น้ำอาจกลายเป็นทรัพยากรหลักที่สำคัญในไม่ช้า ซึ่งจะถือว่ามีความสำคัญทางภูมิรัฐศาสตร์มากกว่าน้ำมันในศตวรรษที่ 21 ซึ่งอาจถึงขั้นจุดชนวนสงครามในอนาคต ปัญหาเกี่ยวกับน้ำมีมานานแล้วในตะวันออกกลาง ภูมิภาคนี้แห้งแล้งมากขึ้นเรื่อย ๆ นับตั้งแต่กำเนิดอารยธรรมและตอนนี้รองรับประชากร 5% ของประชากรโลกแต่มีน้ำจืดใช้เพียง 1% ของโลกเท่านั้น

รูปที่ 2: การให้น้ำในโรงเรือนและการให้น้ำพืชกลางแจ้งตามระบบไมโครสเปรย์และวิธีน้ำหยดอื่นๆ ใช้ประโยชน์จากการควบคุมการให้น้ำขั้นสูง (แหล่งที่มาภาพ: Getty Images)

จากมุมมองทางธุรกิจ การขาดแคลนน้ำสะท้อนให้เห็นในราคาอาหารและผลผลิตทางการเกษตรที่สูงขึ้น เนื่องจากราคาน้ำขึ้นเร็วกว่าพลังงานในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา เพื่อให้ชัดเจนยิ่งขึ้น เรื่องนี้กลายเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับทั้งการดำเนินการเชิงพาณิชย์ขนาดใหญ่ เช่นเดียวกับการเริ่มต้นดำเนินการด้านการเกษตร เพื่อลดการใช้น้ำในขณะที่เพิ่มผลผลิตพืชผลสูงสุด

กลไกการให้น้ำและการเจริญเติบโตที่ควบคุมได้

ข้อกำหนดสำหรับตัวควบคุมการให้น้ำขึ้นอยู่กับการใช้งานและประเภทของระบบ ไม่ว่าจะเป็นสปริงเกลอร์ การให้น้ำแบบหยด หรือวงจรการให้น้ำแบบไฮโดรโปนิกส์

รูปที่ 3: เซ็นเซอร์คาร์บอนไดออกไซด์ ซีรีส์ T3000 มีการป้องกันระดับ IP67 ที่ทนทานต่อความชื้น สิ่งสกปรก และการสัมผัสกับปุ๋ยในการทำฟาร์มแนวตั้งในร่ม สัญญาณฟีดแบ็คจากเซ็นเซอร์สามารถแจ้งระบบให้น้ำไฮโดรโปนิกส์แบบอัตโนมัติและการให้ปุ๋ยได้ (แหล่งที่มาภาพ: Amphenol Telaire)

การให้น้ำพืชผลที่ปลูกในโรงเรือนสามารถควบคุมได้อย่างรัดกุม หากปราศจากความแปรปรวนของสภาพแวดล้อมภายนอก แสงที่เหมาะสม น้ำ ปุ๋ย และองค์ประกอบของดินสามารถคงอยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้อย่างสม่ำเสมอ การให้น้ำมักอาศัยบ่อเก็บน้ำที่ใช้เครื่องสูบน้ำและวงจรการให้น้ำแบบถาด โดยแทบไม่มีน้ำสูญเสียไปกับการระเหยและการหก ตัวเลือกซอฟต์แวร์มากมายสำหรับพืชโดยเฉพาะ โปรแกรมเหล่านี้รวมเอาความรู้ทางอุตสาหกรรมเกี่ยวกับวัฏจักรการเจริญเติบโตของพันธุ์พืชและพารามิเตอร์การเติบโตที่ต้องการ

รูปที่ 4: ไฟ WIL การป้องกันระดับ IP67 เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานการทำฟาร์มดิจิทัลในร่ม (แหล่งที่มาภาพ: Weidmüller)

สำหรับการทำฟาร์มกลางแจ้งแบบดั้งเดิม สปริงเกลอร์เป็นอุปกรณ์การให้น้ำที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย โดยมีการออกแบบตั้งแต่สปริงเกลอร์สนามหญ้าขนาดเล็ก (คล้ายกับที่ใช้กันบนสนามหญ้า) ไปจนถึงสปริงเกลอร์อุตสาหกรรมแรงดันสูงที่ขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าหรือปั๊มดีเซล ระบบหลังประกอบด้วยระบบการเคลื่อนที่เชิงเส้นขนาดใหญ่ที่สามารถให้น้ำในทุ่งโล่งซึ่งทอดยาวหลายเฮกตาร์ด้วยชุดสปริงเกลอร์ขนาดใหญ่

การออกแบบอีกอย่างหนึ่งที่พบเห็นได้ทั่วไปในระบบการให้น้ำแบบอัตโนมัติสำหรับการใช้งานขนาดใหญ่ก็คือ สปริงเกลอร์ชนิดตีน้ำ รูปแบบที่เรียบง่ายของสิ่งเหล่านี้ยังขายเป็นผลิตภัณฑ์ให้น้ำสำหรับสนามหญ้าสำหรับอุปโภคบริโภค กล่าวโดยย่อ สปริงเกลอร์ชนิดตีน้ำประกอบด้วยชุดหัวที่ส่งกระแสน้ำผ่านแขนกล น้ำนี้ถูกแขนตีซ้ำ ๆ และกระจายไปทั่วพืชผลที่ปลูก ผลที่ได้คือแรงดันและการเคลื่อนไหวของแขนกลจะดันไปรอบ ๆ แกนหมุน ซึ่งจะทำให้สปริงเกลอร์หมุนเป็นวงกลมหรือมีรัศมีจำกัด

ตัวเลือกสุดท้ายสำหรับการให้น้ำพืชผลทางการเกษตรแบบอัตโนมัติคือการให้น้ำแบบหยด การให้น้ำแบบหยดช่วยลดการใช้น้ำ (และโดยเฉพาะอย่างยิ่งที่สูญเสียไปจากการระเหย) โดยส่งน้ำโดยตรงไปยังบริเวณรากของพืช ขึ้นอยู่กับสิ่งที่เรียกว่าท่อเจาะรูหรือหัวไมโครสเปรย์

ข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับการให้น้ำเพื่อการเกษตรแบบแกนหมุนและการเคลื่อนที่เชิงเส้น

การให้น้ำแบบแกนหมุนเป็นการปรับการให้รดพืชขั้นสูงโดยใช้สปริงเกลอร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการให้น้ำในทุ่งโล่งขนาดใหญ่ ด้วยระบบทั่วไปในอุตสาหกรรมที่สามารถครอบคลุมรัศมี 400 ม. ในพื้นที่ได้ถึง 50 เฮกตาร์ (125 เอเคอร์) หรือมากกว่านั้น ระบบให้น้ำแบบแกนหมุนจะให้น้ำเป็นส่วนโค้งที่เป็นวงกลมหรือบางส่วนโดยหมุนท่อให้น้ำ (มีหัวสปริงเกลอร์หลายหัว) รอบแกนกลาง ท่อถูกเคลื่อนย้ายโดยเสาหลายอันเคลื่อนไปตามพื้นดินด้วยล้อขับเคลื่อน

รูปที่ 5: การควบคุมเวลา ใช้กับระบบให้น้ำแบบแกนหมุนเพื่อสั่งการกำหนดการให้น้ำขั้นพื้นฐาน นอกจากนี้การตรวจวัดกระแสต่ำมักจะดูแลขาข้างหนึ่งของระบบสามเฟสบนเสาของระบบให้น้ำแบบแกนหมุน การตรวจวัดกระแสต่ำดังกล่าวจะตรวจจับเสาที่หยุดหรือติดขัดเพื่อป้องกันการให้น้ำมากเกินไป (ที่มาของภาพ: Littelfuse)

ระหว่างเสา ท่อน้ำรองรับด้วยโครงถักโดยใช้สายเคเบิลสำหรับตัวรับแรงดึง ซึ่งคล้ายกับตัวรองรับของสะพานแขวน ระบบให้น้ำแบบแกนหมุนเดิมที่พัฒนาขึ้นในปี 1940 ใช้การไหลของน้ำเพื่อขับเคลื่อนล้อ ทุกวันนี้ เป็นเรื่องปกติมากขึ้นที่อุปกรณ์ดังกล่าวต้องอาศัยมอเตอร์ไฟฟ้าในการหมุนล้อเพื่อขับเคลื่อน ความเร็วของล้อเหล่านี้อาจค่อนข้างช้า เนื่องจากอาจใช้เวลาสองสามวันกว่าที่ระบบควบคุมจะสั่งการล้อผ่านการหมุนครบหนึ่งรอบ

รูปที่ 6: ซอฟต์แวร์ AgSense (เข้าถึงได้ในรูปแบบแอปผ่านอุปกรณ์เคลื่อนที่และแล็ปท็อป) ใช้ประโยชน์จาก GPS และเทคโนโลยีป้อนกลับเพื่อช่วยเกษตรกรติดตามปั๊มน้ำและส่วนประกอบเสริม สถานะการไหลและความดัน ระดับความชื้นในดิน สภาพอากาศ; ระดับถัง (ถ้ามี) และการโจรกรรม ตัวเลือกชั้นนำสำหรับระบบการให้น้ำแบบแกนหมุนอัตโนมัติ (ยังเข้ากันได้กับระบบเชิงเส้นด้วย) ข้อเสนอนี้ให้ข้อมูลแบบเรียลไทม์และสัญญาณเตือน และยังช่วยให้สามารถจัดการกลุ่มอุปกรณ์ไฮดรอลิกและไฟฟ้าแบบหมุนได้ โดยพื้นฐานแล้ว ซอฟต์แวร์จะเปิดใช้งานฟังก์ชันแผงดิจิทัลในขณะที่รักษาความเข้ากันได้กับแผงกลไกของแบรนด์ใดๆ (แหล่งที่มาภาพ: Valmont Industries Inc.)

ระบบให้น้ำแบบแกนหมุนเป็นเครื่องจักรขนาดใหญ่และซับซ้อนอย่างน่าประหลาดใจ ซึ่งนำเสนอความท้าทายในการควบคุมเขตของตนเอง เสาไม่ได้เคลื่อนที่ไปพร้อมกัน แต่ควรหยุดและเริ่มทีละจุดเพื่อรักษาแนวท่อโดยประมาณ ความยืดหยุ่นอย่างมากของท่อพร้อมกับโครงถักที่รองรับการเคลื่อนตัวที่ไม่สม่ำเสมอของหอคอยและลูกคลื่นตามธรรมชาติบนพื้นดิน

ในระบบการให้น้ำแบบแกนหมุน ส่วนของเสาจะถูกควบคุมแยกจากกัน แต่เดิมสามารถทำได้ด้วยกลไกง่าย ๆ และลิมิตสวิตช์ แต่ละส่วนสามารถตรวจจับมุมของมันได้อย่างง่ายดายเมื่อเทียบกับส่วนถัดไปโดยการตรวจสอบตำแหน่งของคันโยกที่ติดอยู่กับส่วนถัดไป จากนั้นลิมิตสวิตช์อย่างง่ายสามารถเริ่ม หยุด และกลับล้อได้ตามตำแหน่งเชิงมุมสัมพัทธ์ของส่วนของเสาถัดไป วิธีการดังกล่าวเหมาะสำหรับการควบคุมไฮดรอลิกอย่างง่ายด้วยล้อที่ขับเคลื่อนด้วยไฮดรอลิก

หัวฉีดที่ส่วนท้ายของหอหมุนตรงกลางด้านนอกสุดสามารถขยายพื้นที่การให้น้ำออกไปนอกเหนือโครงสร้างทางกายภาพได้ หากให้น้ำอย่างต่อเนื่อง พื้นที่การให้น้ำจะยังคงเป็นวงกลม อย่างไรก็ตาม ด้วยการควบคุมหัวฉีด ทำให้สามารถให้น้ำในพื้นที่สี่เหลี่ยมโดยประมาณโดยใช้ระบบให้น้ำแบบหมุนตรงกลาง

(แหล่งที่มาวิดีโอ: UNL Biological Systems Engineering)

นอกจากนี้การใช้สปริงเกลอร์ในระบบให้น้ำแบบเคลื่อนที่เชิงเส้นก็คล้ายกับระบบแกนหมุน อย่างไรก็ตาม ส่วนของเสาไม่ได้ขับเคลื่อนเป็นวงโค้งรอบแกนตายตัว แต่จะเคลื่อนกลับไปมาเป็นเส้นตรงแทน ซึ่งหมายความว่าระบบการให้น้ำแบบเคลื่อนที่เชิงเส้นจะครอบคลุมพื้นที่สี่เหลี่ยมมากกว่าแบบวงกลม พื้นที่ครอบคลุมดังกล่าวสามารถเหมาะสมกับระบบที่มีอยู่และให้ความคุ้มครองที่ดินที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น อย่างไรก็ตาม มันยังทำให้การควบคุมหอคอยขับเคลื่อนและการควบคุมการจ่ายน้ำมีความท้าทายมากขึ้น

รูปที่ 7 นี่คือการออกแบบการให้น้ำแบบเคลื่อนที่เชิงเส้น ระบบอัตโนมัติที่ใช้อุปกรณ์เชิงกลนี้ช่วยรับมือกับความท้าทายในการให้น้ำกลางแจ้งที่ยากลำบาก (แหล่งที่มาภาพ: Getty Images)

ในบางการออกแบบ น้ำถูกจ่ายโดยช่องทางเปิดตามขอบด้านหนึ่งของพื้นที่การให้น้ำหรือ (ในรูปแบบอื่น) ผ่านท่ออ่อน ข้อควรระวังคือเสาของระบบให้น้ำแบบเคลื่อนที่เชิงเส้นดังกล่าวต้องมีความเร็วที่ประสานกันเพื่อให้ท่อตรงกัน และเสาต้องบังคับทิศทางให้ตรงกันเพื่อให้ระบบเคลื่อนที่ไปข้างหน้าและย้อนกลับอย่างต่อเนื่องบนสนามโดยไม่หันเหออกนอกเส้นทาง เพื่อให้เป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้ เสาบางเสาได้รับการตั้งโปรแกรมให้เดินตามสายเคเบิลที่ฝังไว้

ตัวควบคุมการให้น้ำทางการเกษตร

ตัวควบคุมการให้น้ำที่ง่ายที่สุดเป็นเพียงตัวจับเวลาที่ช่วยให้น้ำไหลได้อย่างอิสระตามเวลาที่ตั้งไว้ เช่น ตัวจับเวลายังพบได้ในสปริงเกอร์สนามหญ้าในอุปโภคบริโภค

ซับซ้อนกว่านั้นเล็กน้อยคือตัวควบคุมการให้ระดับอุตสาหกรรม สิ่งเหล่านี้มีรูปแบบเป็นระบบควบคุมไฮดรอลิกแบบดั้งเดิม และมักจะจับคู่กับเครื่องฉีดน้ำแบบหมุนวนตรงกลาง

ปัจจุบัน การควบคุมการให้น้ำในอุตสาหกรรมขั้นสูงจำนวนมากใช้ PLC มาตรฐาน นอกเหนือจากการควบคุมการเคลื่อนที่ของเครื่องให้น้ำขนาดใหญ่ เช่น ที่ใช้อุปกรณ์ให้น้ำแบบเคลื่อนที่เชิงเส้นแล้ว อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้ PLC เหล่านี้สามารถกำหนดค่าให้รับอินพุตจากเซ็นเซอร์ความชื้นในดิน เซ็นเซอร์วัดการไหล สถานีตรวจอากาศ และเซ็นเซอร์วัดน้ำแข็ง ระบบดังกล่าวบางระบบสามารถเข้าถึงได้ง่ายสำหรับการทำฟาร์มขนาดเล็กมาก (ในอุตสาหกรรมผลไม้และอุตสาหกรรมสมาร์ทฟาร์มในร่ม) โดยใช้ตัวควบคุมเช่น Arduino เพื่อให้น้ำต้นไม้โดยอัตโนมัติ และในเรือนกระจก

รูปที่ 8: NETBEAT NetMCU เป็นตัวอย่างของตัวควบคุมการให้น้ำเชิงพาณิชย์แบบบูรณาการ และในความเป็นจริง ผลิตภัณฑ์ที่แข็งแรงทนทานนี้ดำเนินการโฮสต์ของการใส่ปุ๋ย การใส่ปุ๋ย การสร้างแบบจำลองพืชผล และงานคาดการณ์สำหรับโซลูชันการทำฟาร์มดิจิทัลที่สมบูรณ์ (แหล่งที่มาภาพ: Netafim)

ตัวควบคุมการให้น้ำแบบอัตโนมัติสามารถวัดอัตราการไหลเพื่อให้แน่ใจว่ามีการให้น้ำตามปริมาณที่วัดได้ แทนที่จะให้ในปริมาณหนึ่ง ๆ ในช่วงเวลาที่กำหนดไว้ล่วงหน้า การให้น้ำตามปริมาณที่ทราบสำหรับพื้นที่ดินหนึ่งๆ จะทำให้ได้สภาพการเจริญเติบโตที่เหมาะสมโดยไม่สูญเสียน้ำ การควบคุมการไหลยังช่วยให้สามารถตรวจจับการอุดตันและการรั่วไหล แจ้งเตือนผู้ปฏิบัติงานถึงปัญหาก่อนที่พืชผลเสียหายหรือสูญเสียน้ำอย่างมีนัยสำคัญ ใช้โปรโตคอล IoT ตัวควบคุมที่ทันสมัย ยังสามารถส่งการแจ้งเตือนไปยังโทรศัพท์มือถือของผู้ควบคุมเมื่อมีเหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้น

รูปที่ 9: การควบคุมอัตโนมัติของ RevPi และส่วนประกอบ I/O สร้างขึ้นจากรูปแบบ Compute Module ของมินิคอมพิวเตอร์ Raspberry Pi SoM/CPU/GPU แบบบอร์ดเดี่ยว รูปแบบ RevPi ล่าสุดรองรับสัญญาณอะนาล็อกที่เป็นประโยชน์สำหรับวิธีการควบคุมการการให้น้ำพืชผลบางวิธี (แหล่งที่มาภาพ: KUNBUS)

อีกทางเลือกที่ล้ำสมัยสำหรับเกษตรกรบางรายคือ การคายระเหย หรือตัวควบคุม ET ที่จะประมาณการความต้องการน้ำโดยยึดหลักความสมดุลของดินกับน้ำ

ความสมดุลของน้ำได้รับการศึกษาโดยอุทกวิทยาการเกษตร แต่โดยพื้นฐานแล้ว น้ำที่ไหลเข้าจะต้องเท่ากับการไหลออกบวกกับการเปลี่ยนแปลงในการกักเก็บ การไหลออกประกอบด้วยกระแสน้ำ (ไหลออก) และการคายระเหย ซึ่งเป็นการเคลื่อนที่ของน้ำสู่ชั้นบรรยากาศโดยการระเหยและการคายน้ำผ่านพืช

ตัวควบคุม ET ต้องการข้อมูลตามเวลาจริงเกี่ยวกับการไหลเข้า (อัตราการไหลของน้ำและปริมาณน้ำฝน) รวมถึงพารามิเตอร์ด้านสิ่งแวดล้อมที่ส่งผลต่อการคายระเหย เช่น อุณหภูมิ ความชื้น และการแผ่รังสีแสงอาทิตย์ พารามิเตอร์หลักที่ต้องการการควบคุมอย่างเข้มงวดผ่านตัวควบคุม ET (มักเป็นตัวควบคุมอัตโนมัติที่ดัดแปลง) รวมถึงค่าสัมประสิทธิ์การปลูกพืชและความสามารถในการอุ้มน้ำของดิน ค่าสัมประสิทธิ์พืชผลทางการเกษตรกำหนดอัตราการคายน้ำตามสภาพอากาศและความพร้อมของน้ำ ตัวควบคุม ET สามารถลดการใช้น้ำได้ถึง 63% การประหยัดที่น่าทึ่งอย่างเหลือเชื่อซึ่งต่างจากแนวทางอื่น ๆ

สรุป

โซลูชันการให้น้ำที่ซับซ้อนมีอยู่มากมายสำหรับเกษตรกรภาคอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ในปัจจุบัน ในความเป็นจริง เทคโนโลยีระบบอัตโนมัติยังทำให้วิธีการให้น้ำขั้นสูงมีราคาที่เกษตรกรรายย่อยอาจเอื้อมไม่ถึง เช่นเดียวกับผู้ผลิตอาหารที่เชี่ยวชาญด้านผักและพืชผลที่ละเอียดอ่อนโดยมีอัตรากำไรที่ต่ำกว่า