Wojciech SKIERUCHA, Andrzej WILCZEK INSTYTUT AGROFIZYKI PAN, LUBLIN Polowy system monitorowania wilgotnoci gleby Dr hab. in. Wojciech SKIERUCHA Wojciech Skierucha urodzi si w 1956 r. w Lublinie. Tytu magistra inyniera elektronika uzyska w 1980 r. po ukoczeniu studiów w Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Od 1985 r. pracuje w Instytucie Agrofizyki PAN w Lublinie, obecnie na stanowisku docenta. Jego zainteresowania koncentruj si na rozwoju czujników i systemów monitorowania wielko- ci fizyko-chemicznych w zastosowaniu do wielofazowych materiaów porowatych, takich jak gleba. e-mail: w.skierucha@demeter.ipan.lublin.pl Mgr Andrzej WILCZEK Andrzej Wilczek urodzi si w 1972 r. w Lublinie. Tytu magistra fizyki uzyska w 1998 r. po ukoczeniu studiów na Uniwersytecie Marii Curie-Skodowskiej w Lublinie. Od 2003 r. pracuje w Instytucie Agrofizyki PAN w Lublinie, na stanowisku fizyka. Jego zainteresowania koncentruj si na rozwoju czujników, metod pomiaru oraz aparatury pomiarowej do badania waciwoci fizyko-chemicznych materiaów porowatych, szczególnie waciwoci dielektrycznych gleby. e-mail: awilczek@demeter.ipan.lublin.pl Streszczenie Znajomo parametrów fizyko-chemicznych gleby takich jak wilgotno, zasolenie oraz temperatura umoliwia dokonanie analiz zasobów wodnych, zawartoci skadników odywczych rolin i ich przemieszczania w profilu glebowym oraz ocen pojemnoci cieplnej gleby. Monitoring wilgotnoci gleby w obecnym czasie staje si bardzo powanym zagadnieniem w wietle zmniejszania si zasobów wodnych. W czasie, gdy coraz czciej mamy do czynienia z anomaliami pogodowymi zwizanymi z nadmiarem wody albo jej dugotrwaym brakiem, monitorowanie jej zawartoci w wierzchnich warstwach gleby i profilu glebowym zaczyna odgrywa decydujc rol umoliwiajc modelowanie oraz weryfikacj modeli i dostarczajc informacji potrzebnych do interpretacji zdj satelitarnych. W pracy przedstawiono polowy system monitoringu wilgotnoci, elektrycznej konduktywnoci oraz temperatury gleby mierzonych za pomoc zintegrowanej sondy reflektometrycznej. Pomiary przenikalnoci dielektrycznej realizowane s w czstotliwoci z zakresu kilkuset kiloherców, dziki czemu unika si wpywu zasolenia gleby. Obecnie prace nad rozwojem systemu koncentruj si na ulepszaniu istniejcych czujników przez wprowadzenie moliwoci identyfikacji, przetwarzania sygnau mierzonego i zwikszenia moliwoci obliczeniowych w bezporedniej bliskoci obiektu mierzonego, jak równie wyposaeniem tych czujników w moduy komunikacji bezprzewodowej na krótk odlego. Sowa kluczowe: monitoring gleby, reflektometria czasowa, komunikacja bezprzewodowa, sonda inteligentna Field soil moisture monitoring system Abstract Knowledge of the soil physico-chemical parameters, such as moisture, salinity and temperature enables evaluating water reserves, plant nutrients and their movement in the soil profile as well as soil heat capacity. Monitoring of soil moisture becomes a vital issue at the moment, when weather anomalies connected with the abundance or shortages of water are reported. The monitoring of the amount of water content in the upper soil layer together with other soil parameters, that do not change rapidly in time, allows modelling and validation of existing models of mass and energy transport in the soil and it is necessary for interpretation of satellite data. The study presents a field monitoring system of soil moisture, electrical conductivity (salinity) and temperature measured by an integrated reflectometric probe. This probe measures dielectric permittivity of surrounding medium in the frequency of hundreds of megahertz and therefore the results are not influenced by soil salinity.at present work on the system concentrates on improving existing sensors by introducing identification, conversion and computation facilities to the measured object as close as possible, as well as providing the sensors with a short range wireless communication. Keywords: soil monitoring, time-domain reflectometry, wireless communication, intelligent sensor 1. Wstp Wikszo dotychczasowych danych o glebie zostaa zebrana w celach rolniczych, a powstanie najwikszych glebowych banków danych w Europie (Wielka Brytania, Francja, Holandia, Dania, itd.) usprawiedliwione byo (oraz finansowane) z pilnej potrzeby zwikszenia produkcji rolniczej po II Wojnie wiatowej [5]. Inny wany powód zbierania informacji o glebie by cile ekonomiczny polegajcy na jej komercyjnej wycenie. Ochrona gleby jako elementu rodowiska przyrodniczego bya przyczyn zainicjowania w roku 1980 krajowego programu mapowania gleb w Norwegii po zaobserwowaniu zatrucia czci Morza Pónocnego spywem powierzchniowym z gleb nawoonych zwizkami azotu i fosforu i zwizanej z tym erozji gleb. Programy monitorowania gleb w Europie, chocia powszechne, s jednak ograniczone do obszaru danego kraju. Istnieje, zatem potrzeba poczenia tych programów w ramach wspólnej Europy. Wikszo parametrów fizyko-chemicznych gleby, bdcych wskanikami jej jakoci z punktu widzenia wartoci produkcyjnej i czystoci rodowiska przyrodniczego zalena jest od jej wilgotnoci. Woda jest nie tylko elementem niezbdnym do przemian biologicznych warunkujcych rozwój fauny i flory, stanowi równie medium transportu skadników odywczych i energii cieplnej w glebie. Wody zawarta w glebie wpywa w sposób podstawowy na wielko produkcji rolniczej, ale równie na pogod i klimat. Znajomo parametrów fizyko-chemicznych gleby takich jak wilgotno, zasolenie oraz temperatura umoliwia dokonanie analiz zasobów wodnych, zawartoci skadników odywczych rolin i ich przemieszczania w profilu glebowym oraz ocen pojemnoci cieplnej gleby. Dostosowanie parametrów gleby dla potrzeb rolin na duych obszarach rolniczych nazywane rolnictwem precyzyjnym wymaga optymalnego doboru powyszych parametrów. Dziki odpowiedniemu dawkowaniu nawozów uzyskiwane s efekty zarówno ekonomiczne, ale równie chroni si rodowisko przyrodnicze, gdy zapobiega si wystpowaniu w glebie nadmiaru nawozów, które mogyby przedosta si do wód gruntowych, w efekcie zanieczyszczajc zbiorniki wodne i rzeki. Monitoring wilgotnoci gleby w obecnym czasie staje si bardzo powanym zagadnieniem w wietle zmniejszania si zasobów wodnych. W obecnoci narastajcych anomalii pogodowych zwizanych z nadmiarem wody albo jej dugotrwaym brakiem, monitorowanie jej zawartoci w wierzchnich warstwach gleby oraz w profilu glebowym zaczyna odgrywa decydujc rol
umoliwiajc modelowanie i weryfikacj modeli oraz dostarczajc informacji potrzebnych do interpretacji zdj satelitarnych. Prognozowaniu pogody oparte na analizie parametrów cinienia, temperatury oraz wilgotnoci powietrza okazuje si bardziej dokadne, jeli bdzie uwzgldniao take parametry zwizane z powierzchni Ziemi, takie jak wilgotno w profilach glebowych oraz rozkad temperatur, dziki którym mona oceni poziom buforowania wody jak i zgromadzonej w glebie energii cieplnej. Monitoring wilgotnoci gleby w powizaniu z pomiarami meteorologicznymi (stacje agro-klimatyczne) umoliwia prognozowanie rozwoju niektórych chorób rolin. 2. Reflektometryczna metoda pomiaru wilgotnoci materiaów porowatych U in, który wchodzi w gleb, jest w momencie jej opuszczania, po odbiciu si od koca prtów i pokonaniu drogi 2L, stumiony do poziomu U out. Stosunek tych dwu amplitud wyznacza elektryczn konduktywno gleby [1]: 1 U 120 L ln U Ze wzgldu na krótkie czasy propagacji impulsu elektrycznego wzdu sondy TDR, ich pomiar wykonywany jest przy pomocy techniki stosowanej w oscyloskopach stroboskopowych szerokopasmowych. Opisany przyrzd pomiarowy, opracowany, wykonany oraz oprogramowany zosta w Instytucie Agrofizyki PAN w Lublinie i szczegóowo przedstawiony jest w [3]. in out (2) Idea pomiaru wilgotnoci metod TDR przedstawiona jest na Rys. 1. Sonda skada si z dwóch poczonych elektrycznie falowodów: koncentrycznego oraz równolegego, zwanego dalej czujnikiem, utworzonego przez dwa równolege metalowe prty dugoci L umieszczane w glebie. Inicjalny szpilkowy impuls napicia o czasie narastania i opadania ok. 200 ps biegnie z generatora w kierunku czujnika. Rejestrator zapisuje jego przebieg, gdy mija on rozdzielacz. Rys. 2. Zaleno wspóczynnika zaamania n dla gleby od jej wilgotnoci (wyznaczonej referencyjn metod termograwimetryczn) na przykadzie próbek gleb mineralnych, organicznych oraz ich mieszanin. A - dane eksperymentalne, B - regresja n( ). Fig. 2. Relation between the soil refractive index n and its moisture (determined by thermogravimetric method) for mineral, organic soils and their mixtures. A experimental data, B regression n( ) Rys. 1. Metoda TDR do wyznaczania wilgotnoci gleby zasada dziaania Fig. 1. TDR method for the determination of soil water content principle of operation W poczeniu falowodu koncentrycznego z czujnikiem (a) wystpuje niecigo (skok) impedancji. Impedancja falowodu koncentrycznego, Z 0, jest niezmienna i zaley od typu zastosowanego przewodu. Impedancja czujnika, Z, zbudowanego z dwóch umieszczanych w glebie równolegych prtów, zaley od warunkowanej wilgotnoci,, przenikalnoci dielektrycznej, (), gleby. Rys. 1 przedstawia równie trzy reflektogramy (napicie w funkcji czasu w wybranym punkcie falowodu koncentrycznego) dla czujnika umieszczonego w piasku suchym, wilgotnym oraz nasyconym wod. Wida, e czas propagacji impulsu t potrzebny na pokonanie przez impuls odcinka drogi w glebie równego podwójnej dugoci prtów czujnika 2L ronie ze wzrostem wilgotnoci gleby. Czas ten jest wyznaczany z zapisanego przez rejestrator reflektogramu. Zakadajc pomijalne waciwoci magnetyczne gleby oraz brak wpywu jej przewodnictwa elektrycznego na prdko propagacji, v, fal elektromagnetycznych (EM), prawdziwa bdzie zaleno [7]: 2L c c v (1) t n gdzie: c 310 8 ms -1 to prdko propagacji fal EM w próni, - czci rzeczywist wzgldnej zespolonej przenikalnoci dielektrycznej gleby, n - wspóczynnikiem zaamania fal EM dla gleby. Znajc wspóczynnik zaamania, n, dla gleby mona wyznaczy jej wilgotno z empirycznej relacji n() albo (). Elektryczn konduktywno materiau oblicza si z pomiarów amplitudowych reflektogramu. Impuls napicia elektrycznego, Rys. 2A ilustruje zaleno n() dla próbek mineralnych, organicznych oraz dla mieszanin torf-py i torf-piasek. Wida, e dane stanowi odrbne podzbiory nie tylko w obrbie rodzaju, ale równie w paszczynie rysunku. Dla dyskutowanego tu caego zbioru danych, jak równie dla jego wspomnianych podzbiorów znaleziono równania regresji. Rys. 2B zawiera ich parametry: przesunicie, nachylenie, wspóczynnik determinacji R 2 oraz bd standardowy oszacowania S yx. Wida, e przesunicia jak równie nachylenia wpasowanych prostych znacznie si róni dla poszczególnych podzbiorów. Obydwa te parametry s najmniejsze dla próbek gleb organicznych, a najwiksze dla mineralnych. Wynika std, e zaleno n() jest warunkowana parametrami staej fazy gleby, a zwaszcza jej porowatoci lub gstoci. Zalenoci (3) oraz (4) stanowi kalibracje metody wyznaczania wilgotnoci objtociowej gleby z pomiarów wspóczynnika zaamania n dokonanych miernikiem reflektometrycznym. n TDR 0,134 n 0,182 (3) n, n 0,573 0,582 7,755 0,792 TDR (4) Druga z tych zalenoci uwzgldnia empiryczn korekt na gsto gleby (gcm -3 ). Efekt dziaania korekty na gsto gleby przedstawiaj Rys. 3A i B. Równe jednoci nachylenie i bliskie zera przesunicie aproksymowanej linii trendu, maa warto standardowego bdu oszacowania S yx oraz znacznie mniejsze rozproszenie wyników wokó prostej y = x weryfikuj model (4) jako równanie kalibracji reflektometrycznego pomiaru objtociowej wilgotnoci gleby. Metodyka wyznaczania wilgotnoci innych materiaów porowatych, takich jak ziarno zbó [2] z wykorzystaniem metody reflektometrycznej jest podobna do tej, jak zastosowano do gleby.
o wzgldny bd pomiaru elektrycznej konduktywnoci: ±10% dla zakresu 0 1 Sm -1, czas pomiaru: mniej ni 5 s. Rys. 3. Porównanie wartoci wilgotnoci gleby, TDR, policzonych z pomiarów wspóczynnika n na podstawie modeli (3) cz A oraz (4) cz B, z wartociami wyznaczonymi metod termograwimetryczn Fig. 3. Comparison of soil moisture values, TDR, calculated from the measured refractive index n on the base of models (3) part A and (4) part B, with real data determined by thermogravimetric method 3. Opis sprztu i oprogramowania Prace nad rozwojem metod pomiarowych i aparatury sucych do monitorowania statusu wody w glebie prowadzone s w Instytucie Agrofizyki PAN w Lublinie od wielu lat. Ich efektem jest opracowanie i wdroenie do produkcji metody reflektometrycznej [3,6] i odpowiednich przyrzdów do pomiaru wilgotnoci objto- ciowej, elektrycznej konduktywnoci oraz temperatury gleby wyznaczanych w tym samym czasie i z tej samej objtoci gleby. Rys. 4 przedstawia zasilany bateryjnie rczny miernik wilgotno- ci (w technologii TDR), temperatury i elektrycznej konduktywnoci (zasolenia) gleby typu FOM/mts. Przyrzd ten mierzy wspomniane wielkoci przy pomocy sond polowych i laboratoryjnych, odpowiednio typu FP/mts i LP/ms [4]. Przyrzd wyposaony jest w wywietlacz ciekokrystaliczny o rozdzielczoci 160 x 128 pikseli, który w poczeniu z klawiatur membranow i oprogramowaniem, stanowi wygodny interfejs uytkownika. Rys. 4. Rczny miernik wilgotnoci gleby Fig. 4. Handheld soil moisture meter Po kadym pomiarze wywietlany jest reflektogram, którego analiza umoliwia ocen wstpn danego punktu pomiarowego. Podstawowe parametry miernika rcznego s nastpujce: lekka przenona obudowa (180 x 85 x 58 mm, 300 g), moliwo rejestracji i pamitania do 1000 odczytów, pracuje z sondami o rónej dugoci kabla (1,5 9,5 m), klawiatura, wywietlacz LCD i przyjazne oprogramowanie, opcjonalnie wyposaony w modu GPS, poczenie sprzgiem USB z komputerem osobistym, zasilanie akumulatorem litowo-polimerowym, impuls TDR: ksztat - sin 2, czas narastania/opadania 200 ps (od 10% do 90% amplitudy impulsu), zakres pomiarowy: o wilgotnoci gleby: 0 100% o temperatury gleby: -20 50 C o elektrycznej konduktywnoci gleby: 0.0 1 Sm -1 dokadno (wartoci maksymalne): o bd pomiaru wilgotnoci: ±2% wartoci odczytanej (tzn. dla odczytu 20% wilgotnoci objtociowej wart. rzeczywista wynosi od 18% do 22%), o bezwzgldny bd pomiaru temperatury: ±0.5 C, Rys. 5. Elementy systemu monitorowania wilgotnoci gleby Fig. 5. Elements of soil moisture monitoring system W skad stacjonarnego systemu monitorowania wilgotnoci gleby wchodz dwa urzdzenia: TDR/MUX/mpts reflektometryczny 8-kanaowy miernik wilgotnoci oraz MIDL-2 modu rejestratora danych wyposaony w modem GPRS. Oba te przyrzdy razem z sondami reflektometrycznymi: laboratoryjn (LP/ms) i polow (FP/mts) przedstawione s na Rys. 5. Rys. 6. Okienko robocze dla rcznego miernika FOM/mts Fig. 6. Operation window for FOM/mts handheld meter Miernik TDR/MUX/mpts oprócz pomiaru wilgotnoci, temperatury oraz elektrycznej konduktywnoci gleby (zintegrowan sond FP/mts lub LP/ms) umoliwia pomiar potencjau matrycowego wody glebowej i temperatury przez zastosowanie dodatkowego wejcia pomiarowego typu 1-Wire [4]. Parametry kadego z kanaów miernika TDR/MUX/mpts s takie same jak miernika rcznego FOM/mts. Oba mierniki mona sterowa bezporednio z komputera PC poprzez sprzg USB przy pomocy programu ET USB Communicator. Program ten rozpoznaje po numerze seryjnym typ przyrzdu doczonego do komputera i wywietla odpowiednie okienko robocze, którego wygld dla przyrzdu FOM/mts przedstawia Rys. 6, dla przyrzdu TDR/MUX/mpts Rys. 7, dla rejestratora MIDL-2 Rys. 8. Przy pomocy tych okienek uytkownik moe dokona przydzielenia typu mierzonej sondy do okrelonego kanau lub skalibrowa sondy w kanaach [4]. Okienko programu przedstawione na Rys. 8 suy do konfiguracji modemu GPRS, który posiada funkcje skadowania danych i cyklicznego czenia z serwerem internetowym umieszczonym w IA PAN w Lublinie. Przykadem zastosowania przedstawionego systemu jest wykorzystanie urzdzenia MIDL-2 do przesyania danych zebranych przez modu reflektometryczny miernika TDR/MUX/mts (Rys. 9). Ukad mierzy wilgotno,, temperatur, T, i zasolenie gleby,, wykorzystujc sondy pomiarowe umieszczone na rónych wysokociach w glebie. Zbierane wyniki gromadzone s w pamici urzdzenia MIDL-2 i w zadanym czasie wysyane modemem GPRS do serwera internetowego.
wierzchniej warstwy gleby na duych obszarach na bazie zdj satelitarnych z radiometru pracujcego z czstotliwoci 1,4 GHz. Obecnie prace rozwojowe koncentruj si na ulepszaniu czujników do pomiaru wielkoci nieelektrycznych, takich jak wilgotno gleby, potencja wody w glebie, temperatura, aktywno wybranych jonów w glebie. Innym elementem prac rozwojowych jest wprowadzenie do istniejcych systemów monitorujcych bezprzewodowej komunikacji radiowej ZigBee na poziomie indywidualnych czujników oraz rozbudowa sieci Internet midzy polowymi stacjami monitorujcymi zmienno przestrzenno-czasow powyszych wielkoci i komputerami uytkowników. 4. Podsumowanie Rys. 7. Okienko robocze dla miernika TDR/MUX/mpts Fig. 7. Operation window for TDR/MUX/mpts meter Dane na serwerze dostpne s dla uytkownika za porednictwem Internetu. Po zalogowaniu si w serwisie moliwe jest ledzenie wyników pomiaru lub zmiana konfiguracji eksperymentu pomiarowego. Rys. 8. Okienko programu do konfiguracji i testowania moduu funkcji komunikacji bezprzewodowej GPRS z serwerem internetowym w rejestratorze MIDL-2 Fig. 8. Configuration and test window for MIDL-2 data logger GPRS communication with the Internet server Przedstawiony system monitorowania wilgotnoci gleby oraz jej temperatury i elektrycznej konduktywnoci zainstalowany zosta w kilku miejscach w Polsce oraz za granic (Niemcy, Szkocja), a utworzona sie pomiarowa systematycznie powikszana o nowe miejsca. Rys. 9. Przykadowa konfiguracja zastosowanego systemu monitorowania Fig. 9. Example configuration of the applied monitoring system Jednym z elementów zastosowania przedstawionego systemu jest projekt SMOS (Soil Moisture Ocean Salinity) finansowanym przez ESA (European Space Agency). Dane z pomiarów naziemnych bd suyy do kalibracji modeli opisujcych wilgotno Opisane przyrzdy pomiarowe opracowane w Instytucie Agrofizyki PAN w Lublinie reprezentuj aktualne tendencje rozwojowe nowoczesnych systemów pomiarowych charakteryzujce si niskim poborem prdu, du pojemnoci pamici wewntrznej oraz moliwoci sterowania procesem pomiarowym z dowolnego miejsca na wiecie uywajc cza internetowego lub stosujc cze radiowe w przypadkach, gdy dostp do monitorowanych obiektów jest ograniczony. Warunkiem niezbdnym do spenienia przez systemy monitoringu jest równie zapewnienie uytkownikowi przyjaznego interfejsu programowego oraz bezpieczestwa danych w kontekcie minimalizacji moliwoci ich bezpowrotnej straty jak równie blokady dostpu niepodanym uytkownikom. Prowadzone modyfikacje sprztowe i programowe opracowywanych urzdze pomiarowych id w lad za cigym rozwojem technologicznym zarówno w dziedzinie czujników jak równie komunikacji i dostpu do pozyskanych danych. Zauwaalny jest postp technik monitoringu rodowiska w dwóch skrajnych kierunkach. Jeden z nich dotyczy miniaturyzacji czujników naziemnych i tworzenia samoorganizujcej si sieci komunikacji midzy nimi i urzdzeniami koordynujcymi ich prac, drugi natomiast odnosi si do globalnych obrazów satelitarnych dajcych ogromn ilo informacji w szerokim zakresie czstotliwoci pola elektromagnetycznego. Oba kierunki rozwoju s komplementarne, bowiem wzbogacaj si wzajemnie. Dane generowane przez czujniki naziemne su do kalibracji zdj satelitarnych, natomiast informacja z satelity umoliwia znalezienie obszarów szczególnie wanych do oprzyrzdowania dokadnymi czujnikami naziemnymi. 5. Literatura [1] Dalton F.N., Herkelrath W.N., Rawligs D.S., Rhoades J.D.: Time-domain reflectometry simultaneous measurement of soil water content and electrical conductivity with a single probe. Science, 224, 1984, 989-990. [2] Malicki M.A., Kotliski J.: Dielectric determination of moisture of cereals grain using time domain reflectometry. International Agrophysics, 12(3), 1998, 209-215. [3] Malicki M.A., Skierucha W.M.: A manually controlled TDR soil moisture meter operating with 300 ps rise-time needle pulse. Irrigation Science, 10, 1989, 153-163. [4] Manual FOM/mts and TDR/MUX/mpts. 2006, IA PAS, Lublin. [5] Montanarella L. Monitoring the Change. European Commission-Joint Research Centre-Institute for Environment and Sustainability Soil and Waste Water Unit-Project MOSES. Ispra, Italy, 2002, 1-20. [6] Skierucha W., Wilczek A.M, Walczak R.T.: Application of smart sensors in the measurement of soil physical parameters. Research in Agricultural Engineering, 50(3), 2004, 96-102. [7] Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P.: Electromagnetic determination of soil water content: measurements in coaxial transmission lines. Water Resources Research, 16, 1980, 574-582. Artyku recenzowany Praca naukowa finansowana ze rodków Ministerstwa Nauki i Informatyzacji w latach 2004-2007, jako projekt badawczy zamawiany PBZ-KBN-098/T09/2003.