Технічне оснащення інформаційно-консультативної системи управління режимами зрошення

Технічний склад і призначення системи

Інформаційно-консультативна система (ІКС) створена для того, щоб агроном міг оперативно коригувати полив на основі реальних ґрунтово-кліматичних умов і прогнозу погоди. Це допомагає точно дозувати воду та управляти продуктивністю зрошуваних культур. Система дозволяє уникнути перезволоження ґрунту або посухи, оптимізуючи витрати на меліорацію.

Технічний комплекс системи включає три основні компоненти. До нього входять датчики вологості ґрунту, професійна метеостанція Vantage Pro2 та персональний комп'ютер. Мінімальні вимоги до комп'ютера — процесор Intel Pentium III з частотою від 750 МГц.

• Інтервал опитування датчиків — від 2,5 с
• Обсяг пам'яті інтерфейсу — 2560 записів
• Розмір дисплея консолі — 150х90 мм
• Звукові попередження — 35 функцій

Функції та технічні характеристики метеостанції Vantage Pro2

Метеостанція Vantage Pro2 складається з консолі управління та блока зовнішніх датчиків (Integrated Sensor Suite, ISS). Датчики об'єднані в єдиний корпус, що суттєво спрощує їх монтаж безпосередньо в полі. У стандартну комплектацію входять датчик вологості повітря, анемометр для вимірювання швидкості та напрямку вітру, а також кабель консолі довжиною 30 м.

Управління метеостанцією та зчитування інформації здійснюються через консоль. Користувач може перемикатися між вбудованими режимами роботи для детального аналізу ситуації. Уся необхідна статистика відображається на вбудованому дисплеї.

• Current Data — відображення поточних показників, вибір одиниць вимірювання та калібрування приладів.
• High/low — виведення максимальних і мінімальних значень за добу, місяць або рік.
• Alarm — налаштування звукової сигналізації при досягненні критичних значень метеопараметрів.
• Graph — побудова до 100 різних варіантів графіків за збереженими даними.

На екран консолі виводиться комплекс ключових параметрів погоди. Метеостанція фіксує температуру, вологість, тиск, швидкість вітру та рівень опадів. На основі цих даних система розраховує точку роси, фази Місяця, а також час заходу та сходу Сонця.

Вбудований алгоритм локального прогнозу погоди враховує кілька факторів. Система аналізує географічні координати поля, поточний сезон, динаміку тиску, напрямок вітру та вологість. Це дозволяє отримувати точні короткострокові прогнози безпосередньо для вашої ділянки.

Для автоматичного наповнення бази даних системи використовується спеціальна схема передачі та накопичення метеоінформації. Передавати зібрані дані на комп'ютер можна двома способами. Це дозволяє вести безперервний моніторинг і зберігати історію спостережень для подальшого аналізу.

Перший - метеорологічні показники датчиків метеостанції по радіоканалу передаються на консоль, у стандартному виконанні максимальна відстань передачі даних становить 100 м. Використання антен спрямованої дії, встановлених на консолі та метеостанції, дозволяє збільшити відстань передачі даних до 8 км. Потім дані з консолі через USB-кабель передаються на ПК. Програма WeatherLink, встановлена на ПК, дозволяє в режимі реального часу переглядати дані, що надходять з метеостанції. Також створюється архів даних, який зберігається в директорії С:\WeatherLink\Метеостанція\2009-06.wlk.

Другий спосіб передбачає використання на метеостанції GSM-модему. Метеорологічна інформація передається через супутник на сервер у мережі Internet, при цьому відстань передачі даних не обмежена. На сервері інформація також зберігається у файлі \2009-06.wlk. Недоліком такої схеми є додаткові витрати на оплату Інтернету та утримання сервера. Після того як дані опинилися на сервері, здійснюються налаштування програми WeatherLink. Після завершення налаштувань програма звертається до сервера, дані завантажуються та відображаються на екрані ПК.

Рис. 19. Схема передачі та накопичення метеорологічної інформації

Оскільки файл формату.wlk не розпізнається жодним стандартним додатком ПК, то в програмі WeatherLink передбачено експорт даних у.txt файл. З.txt файла дані можна перевести в будь-яку іншу програму для аналізу або подальшого розрахунку.

Також у програмі WeatherLink можна проводити попередній аналіз даних. Уся отримана інформація відображається у вигляді графіків,

Рис. 20. Перегляд показників метеостанції в режимі реального часу

Рис. 21. Експорт метеоданих у .txt файл

Використання цього додатка дозволяє комплексно оцінювати всю метеорологічну інформацію і дає можливість перетворювати дані у необхідний формат для подальшої роботи з інформацією.

Контроль вологості ґрунту. Визначення вологості ґрунту зрошуваного агробіоценозу проводиться за допомогою ґрунтових датчиків, що таруються з використанням методик та обладнання, наведених у табл. 23.

Рис. 22. Графічне відображення метеоінформації

Продовження табл. 23

Найменування Методика Засоби вимірювання, показника визначення прилади

Водно-фізичні властивості Польова (найменша) Метод заливних Ємність для води, ваги, вологоємність, % майданчиків сушильна шафа Вологість ґрунту орного Термостатно- Бур, бюксы, ваги, су горизонту, % ваговий метод шильна шафа Максимальна гігроско ГОСТ 28268-89 Сушильна шафа, ексипічна вологість та катор, скляні бюксы, вологість стійкого ваги аналітичні зав'ядання, %

Фізико-хімічні властивості pH Іономір, ваги лаборатор ні, хімічний посуд, стандарт-титри Органічна Муфельна піч, тиглі,

ГОСТ 26483-85 речовина, % сушильна шафа Гідролітична Іономір, лабораторний кислотність, мг-екв. посуд на 100 г Обмінний ГОСТ 26489-85 Фотоколориметр амоній, мг/кг (за методом

ЦІПАО) Нітрати, мг/100 г ґрунту ГОСТ 26951-86 Іономір, електроди, хі (іонометрич мичний посуд, реакти ний) ви

Валовий вміст поживних елементів Азот, мг/100 г ґрунту ГОСТ 26107-84 Прилад Сиренєва

Рухомі (доступні для рослин) форми Гідролізований азот, Метод Тюріна і Прилад К'єльдаля, реакти мг/100 г ґрунту Кононової ви, лабораторний посуд Рухомий фосфор, Спектрофотоколориметр мг/100 г ґрунту

ГОСТ 26207-91 Обмінний калій, Полум'яний фотометр мг/100 г ґрунту

Найменування Методика Засоби вимірювання, показника визначення прилади Магній, мг/100 г ґрунту Бюретки, лабораторний

ГОСТ 26487-85 Кальцій, мг/100 г ґрунту посуд, реактиви Натрій, мг/100 г ґрунту ГОСТ 26426-85 Іономір, електроди, хі мічний посуд, реакти ви Урожайність, ц/га Метод суцільного Ваги, обчислювальна збирання (метод апаратура облікових площа док)

Комп'ютерна програма оперативного планування поливів

Комп'ютерна програма, один з режимів якої здійснює розрахунок для ІСС (режим «Розрахувати сезон»), розроблена у ВНДІ «Райдуга» у 2008 р. на основі наявних методик і програм з урахуванням сучасних вимог та з використанням математичного апарату. Номер Державної реєстрації 2008615169, робоча назва «Розрахунок динаміки агрокліматичних ресурсів та їх регулювання (Raduga Irrigation)».

Програмний комплекс працює в наступних режимах:

Додавання нових метеостанцій (метеоданих) і культур, які ще не включені в робочу базу даних програми;

Розрахунок динаміки тепло-, вологозабезпеченості за багаторічний період для культур і метеостанцій, включених у робочу базу. Введено розрахунок біокліматичного потенціалу (БКП), що характеризує потенційну продуктивність клімату. Значення БКП можуть змінюватися від 1 до 5,2 при достатньому зволоженні та від 0,6 до 4,68 — при недостатньому;

Режим для оперативного розрахунку вологозапасів ґрунту та поливної норми одного сезону (року) на основі фактичних і нових даних, що вводяться, з періодом (або кроком) розрахунку від однієї години. Розрахунок проводиться з початку вегетаційного періоду до будь-якої вказаної дати для певної сільськогосподарської культури з використанням прогнозних метеоданих;

Аналітичний розділ використовується при математичній обробці результатів розрахунку та побудові сплайн-функцій.

Додавання нових метеостанцій і культур (Add Data)

Рис. 23. Панель режиму Add Data

Культури, що вводяться до складу робочої бази даних програми, рекомендується попередньо описати в додатковому (допоміжному) файлі «Культури», для зручності сформованому в Excel.

У файлі для формування робочої бази програми пропонується наступний порядок розташування інформації:

• Перші чотири таблиці файлу (аркуш «загальний») — значення коефіцієнта Кб за зонами для регіону BD OSN, що об'єднує європейську частину землеробської території. Значення коефіцієнтів наведені відповідно до сум температур від початку вегетації з кроком 200°С. При перенесенні даних на іменні аркуші Excel (аркуш організований по кожній культурі) порядок зон такий: сухий степ, помірний степ, лісостеп, лісова зона.
• Наступні чотири таблиці — це значення коефіцієнта Кб за зонами для регіону BD URAL, що включає в себе землеробську територію Уралу, Зауралля та Західного Сибіру.
• Наступні дві таблиці — залежність глибини кореневмісного шару hk (м) сільськогосподарських культур від суми середньодобових температур повітря Ef для BD OSN відповідно для аридної та гумідної зон.
• Наступні дві таблиці — залежність глибини кореневмісного шару hk (м) сільськогосподарських культур від суми середньодобових температур повітря Ef для BD URAL відповідно для аридної та гумідної зон.

Усі перелічені таблиці можуть доповнюватися у зв'язку з потребою (у розрахунку на культури, ще не введені в робочу базу програми).

На основі цих таблиць формуються файли даних за заданим форматом для кожної культури (поповнення робочої бази програми) і переносяться в робочі поля програми під час розрахунку. Кожна культура розташовується на окремому аркуші Excel файлу «Культури», назва якого для зручності збігається за написанням із назвою культури.

Формат заповнення аркуша наступний:

• У рядки 1-6 для BD OSN, починаючи зі стовпця А, послідовно копіюється інформація щодо культури: перший рядок — для пустель, другий — для напівпустель (якщо ці зони не беруть участі в розрахунках, то рядки до позиції S1 заповнюються нулями); третій для зони сухих степів: температура початку вегетації (АЗ); сума температур вегетаційного періоду культури (ВЗ); C3-R3 — значення біологічного коефіцієнта Кб відповідно до сум температур від початку вегетації з кроком 200°С; S3 — коефіцієнт фактичного насичення вологою ju.
• Далі, з позиції А4 (четвертий рядок), копіюється аналогічна інформація для зони помірного степу, з А5 — для лісостепової зони, з А6 — для лісової.
• З позиції А7 копіюється глибина кореневмісного шару hk (м) сільськогосподарських культур залежно від суми середньодобових температур повітря Ef для BD OSN відповідно для аридної зони, з позиції А8 — аналогічна інформація для гумідної зони.
• Далі вся інформація (рядки 1-8) повторюється для BD URAL (заповнюються рядки 9-16).

Після того, як аркуш сформовано, культуру можна включати в робочу базу програми за допомогою режиму Add Data.

Для цього слід:

1. Скопіювати весь аркуш.
2. Помістити його в поле, запропоноване програмою при увімкненому режимі Add Data.
3. Ввести в запропоноване вікно назву культури та натиснути клавішу «Додати культуру».

Можливе введення даних у запропоноване вікно вручну з дотриманням місця розташування даних і правил введення (t — табуляція для введення із заданої позиції, / — роздільник чисел, h — перехід на новий рядок).

Метеодані вставляються аналогічно. Формат, кількість і порядок введення даних збігаються з форматом із попередньої програми ROSK. Після заповнення даними поля при увімкненому режимі Add Data натиснути клавішу «Додати метеостанцію». Метеостанція з метеоданими додасться в робочу базу.

Програмний модуль у режимі «Розрахувати для багатьох» розроблений на основі методики для програми ROSK, що експлуатується з 2004 р. (у цьому варіанті він удосконалений і розширений).

Розрахунок за програмою здійснюється після натискання кнопки button 1, але попередньо необхідно встановити правильну інформацію у вікнах таким чином:

• Перше вікно — вибрати в меню, що випадає, назву метеостанції, для якої проводиться розрахунок. Якщо в запропонованому меню метеостанція відсутня — значить, її немає в робочій базі. Слід увійти в режим програми Add Data і ввести метеостанцію згідно з інструкцією п.1);
• Друге вікно — вибрати назву культури для розрахунку. Якщо потрібної культури серед перелічених немає, увійти в режим програми Add Data і ввести культуру згідно з інструкцією;
• Третє вікно — призначити один із запропонованих регіонів: Європейська Частина (BD OSN) або Сибірська Частина (BD URAL) для вибору програмою масиву коефіцієнтів Кб;
• Четверте вікно — вибір гумідної або аридної зони для розрахунку динаміки кореневмісного шару кк.

Потім користувачем вводяться значення:

Далі, нижче вікон, виводиться коментар «Вибірка за...», тобто значення розрахункового періоду в годинах: 24 — добовий, 240 — декадний і т.д.

У коментарі «Для аналізу використовується... %» — вказати значення забезпеченості, вибране користувачем за допомогою пропонованої шкали: 25% — середньовологий, 50 — середній рік, 75% — середньосухий і т.д.

Далі у вікнах зазначаються (або уточнюються) значення температури початку і кінця вегетаційного періоду (KY T_s і KY Т_е відповідно), необхідні для обчислення інтегрального показника Ку.

Потім потрібно перевірити правильність заданих установок і запустити програму, натиснувши кнопку buttonL.

Отриману в результаті розрахунку інформацію скопіювати (Ctrl-A, Сtrl-Ins) і вставити (Shift-Ins) на чистий аркуш Excel для зручності читання і друку.

У режимі «Розрахувати сезон» для оперативного управління поливами (ОУП) здійснюється оперативний розрахунок вологозапасів ґрунту та дефіциту водоспоживання.

Робота в цьому режимі для певної сільськогосподарської культури завжди проводиться з початку вегетаційного періоду. Останні кілька рядків метеоданих можуть представляти собою прогнозні значення на кілька діб вперед, які під час наступних розрахунків замінюються фактичними.

На початку роботи в першому верхньому вікні з меню, що випадає, слід вибрати назву метеостанції (або поля), для якої проводитиметься розрахунок. Після вибору потрібної назви потрібно натиснути сусідню кнопку «Завантажити метеостанцію».

Після цього на панелі активується наступне вікно, в нього вводять дату початку сезону, яку підтверджують натисканням кнопки «Вибрати сезон».

Для введення нового сезону (або зміни дати початку розрахунку) використовується кнопка «Додати С», натискання якої дозволяє виправити дату в сусідньому (правому) вікні.

Після цього натисканням кнопки «Вибрати дані» завантажують обрану за сезоном інформацію з файлу по метеостанції або допоміжного файлу.

Для розрахунку за оперативними та прогнозними даними, які вибираються з допоміжного файлу, організованого за заданим форматом, їх слід скопіювати, вставити в порожнє робоче вікно, потім натиснути кнопку «Вибрати дані».

Таблиця 24

              Послідовність розташування даних
                     у допоміжному файлі
 Часовий
                  Т         А         Р         V         HF       AddP
 проміжок
     24         11,65      68,7      0,3       0,9        12         0
     24         9,45        81        4        1,6        12         0
     24         9,85       77,1       0        U          12         0
     24         11,45      70,3       0        0,9        12         0
     24         15,85       61        0          1        12         0
     24         16,25      67,2       0         1,6       12         0
     24         13,45       71        0        1,75       12         0
     24         13,55      72,3       10        3         12         0
     24         15,85      82,9       2         1,9       12         0
     24         12,55      71,5       6        3,25       12         0
     24         12,25      69,2      0,3        1,6       12         0

Примітка. Т - температура, А - вологість повітря, Р - опади, V - швидкість вітру, HF - висота флюгера, AddP - додано води (полив, мм).

Натискання кнопки «Вибрати сезон» активізує наступне меню:

• «Відобразити дані» - у полі панелі з'явиться завантажена інформація. Якщо потрібно видалити кілька останніх записів (наприклад, прогнозну інформацію), треба у вікні поруч із кнопкою «Видалити N останніх записів» вказати потрібну кількість і підтвердити, натиснувши кнопку. Після цього ще раз дати команду «Відобразити дані», щоб переконатися в проведеній операції;

КО - мікрокліматичний коефіцієнт.

М Полив % - задається полив, у % від максимального.

М Слив Сут - швидкість відходу зайвої води з поля, мм/добу (щоб не враховувати цей параметр, слід задавати завідомо більше число, ніж максимальна поливна норма).

M in % - мінімальний допустимий поріг вологості, з якого потрібно починати полив;

• вибрати культуру для розрахунку з переліку, що пропонується та міститься в робочій базі програми;

• вибрати дату початку вегетації - вказати в сусідньому вікні;

• натиснути кнопку «Обрахувати». Результати розрахунку скопіювати на чистий аркуш Excel.

Рядки з додатним дефіцитом відповідають дням, у які необхідний полив.

У дод. АЗ представлено розрахунок сезону 2007 р. (травень-вересень) за фактичними щоденними метеоданими метеостанції Коломна для культури люцерна минулих років. Умови розрахунку задані користувачем і відображені на робочій панелі. Рядки з додатним дефіцитом відповідають дням, у які необхідний полив.

Від'ємне значення дефіциту свідчить про надлишок вологи (мм), що утворює поверхневий стік.

При нульовому значенні дефіциту полив не потрібен.

Робота в режимі «Аналітичний розділ»

Побудова сплайн-функції здійснюється за наступним алгоритмом:

F(t) = ао + a it + a2t + aklcos(tw1) + ak2cos(tw2) + ak3cos(tw3) +

+bklsin(tW]) + bk2$in(tW2)+ bk3sin(tw3). 1. Запустити програму «Raduga Irrigation». 2. Вибрати режим «Аналітичний розділ». Попередньо в Excel організувати ряди:

Рік (починаючи з нуля) Значення показника (наприклад К у)

Ці два стовпці скопіювати і вставити в поле вікна «Аналітичний розділ».

Заповнити пропоновані вікна першого ряду (навпроти напису Т1 (перший період): у першому вікні - початковий рік (це 0), у другому - кінцевий рік (за кількістю років спостережень), у третьому - крок розрахунку (найбільш доцільно 0,5).

Натиснути кнопку «1 період».

Отримані після розрахунку результати скопіювати на аркуш Excel.

Вибрати в скопійованому масиві три рядки з найменшим значенням у стовпці Sigma*2. Відповідно вибрати три значення періоду в сусідньому стовпці Т.

Повернутися в «Аналітичний розділ». У вікнах по рядках Т1, Т2 та ТЗ вказати відповідно межі кожного з трьох періодів (± дві одиниці) і крок розрахунку (теж 0,5). У вікно скопіювати ряди (як у п. 3). Натиснути кнопку «3 періоди».

В отриманих результатах, скопійованих в Excel, знайти рядок із мінімальним значенням Sigma*2.

Коефіцієнти відповідного рядка вставити у формулу і прорахувати для всіх значень показника з п. 3.

За отриманими результатами побудувати графік сплайн-функції.

6, МЕТОДИЧНІ ОСОБЛИВОСТІ