يخبرك مستشعر رطوبة التربة بكمية الماء الموجودة في التربة حول الجذور، وهو الرقم الذي يعتمد عليه فعلًا كل قرار ري. واختيار مستشعر لمزرعة يختلف عن اختياره لحوض في حديقة. فالمستشعر يبقى في الحقل شهورًا، ويجب أن يصمد أمام الآليات والطقس، وقد تحدد قراءاته موعد ضخ آلاف الأمتار المكعبة من الماء.

أربعة خيارات هي الأهم: كيف يقيس المستشعر الماء، وعلى أي عمق يُركَّب، وكيف تخرج قراءاته من الحقل، ومدى ثقتك بأرقامه في تربتك بالذات. احسم هذه أولًا، فيصبح الاختيار بين العلامات التجارية مسألة سعر ودعم وما يحتفظ به مورّدك في مخزونه.

باختصار

  • تقيس المستشعرات السعوية المحتوى المائي الحجمي وتناسب معظم المزارع؛ أما مستشعرات الشد فتقيس مقدار الجهد الذي يجب أن تبذله الجذور لسحب الماء، ويفضّلها بعض المزارعين لتحديد توقيت الري.
  • ركّب المستشعرات على عمقين على الأقل في كل نقطة: واحد في منطقة الجذور الرئيسية وآخر قرب قاعها، لترى هل يصل الماء فعلًا إلى الجذور.
  • تُغني المستشعرات اللاسلكية عن الكابلات الممتدة عبر الحقل، ويتيح الراديو بعيد المدى مثل LoRaWAN لبوابة واحدة تغطية حقول كثيرة.
  • توقّع أن تحتاج إلى معايرة القراءات، أو على الأقل التحقق من معقوليتها، في تربتك أنت، لا سيما في الأراضي الطينية أو المالحة.

كيف يعمل مستشعر رطوبة التربة السعوي؟

يقيس مستشعر رطوبة التربة السعوي مدى قدرة التربة المحيطة به على تخزين مجال كهربائي، وهي خاصية تسمى السماحية العازلة. فسماحية الماء نحو 80، بينما تتراوح سماحية التربة المعدنية الجافة بين 3 و5 تقريبًا، وسماحية الهواء 1. ولأن قيمة الماء أعلى بكثير، فإن كمية الماء الموجودة هي التي تهيمن على القراءة. ويحوّل المستشعر ذلك إلى المحتوى المائي الحجمي (VWC)، أي نسبة حجم التربة التي يشغلها الماء، وتُعرض عادةً نسبةً مئوية.

وتعمل مستشعرات السعة ومستشعرات FDR (قياس الانعكاس في المجال الترددي) وفق هذا المبدأ، وهي الخيار الأقل تكلفة. أما TDR (قياس الانعكاس في المجال الزمني) فيقيس الخاصية نفسها بطريقة مختلفة. ويُعد عمومًا الأدق والأقل تأثرًا بنوع التربة، لكنه أعلى تكلفة.

وهناك فئة ثانية من المستشعرات تقيس شيئًا آخر: شد ماء التربة، ويسمى أيضًا الجهد المصفوفي. وهو يخبرك بمدى إحكام التربة في الإمساك بمائها، وهذا ما تشعر به الجذور فعلًا. وتندرج مقاييس الشد (التنسيومترات) ومستشعرات المصفوفة الحبيبية في هذه المجموعة. ويقارن الجدول بين الخيارات الشائعة.

نوع المستشعر ما يقيسه نقاط القوة ما يجب الانتباه إليه
السعة / FDR المحتوى المائي الحجمي صيانة قليلة، وقراءات مستمرة، وطرازات لاسلكية كثيرة يحتاج إلى تلامس جيد مع التربة؛ والملوحة والطين يُحدثان انحرافًا في القراءات
TDR المحتوى المائي الحجمي دقة عالية، وتأثر أقل بنوع التربة سعر أعلى؛ والقضبان الطويلة أصعب في التركيب
مقياس الشد (التنسيومتر) شد ماء التربة يُظهر مباشرة الماء المتاح للنبات لا يعمل إلا في التربة الرطبة، ويحتاج إلى إعادة تعبئة
المصفوفة الحبيبية شد ماء التربة رخيص، ومدى واسع، ومتين استجابة بطيئة، واستجابة ضعيفة في التربة شديدة الرطوبة

هناك أمران يوقعان المستخدمين الجدد للمستشعرات السعوية في الخطأ. فمعظم القراءة يأتي من التربة الأقرب إلى المجس، لذا قد تجعل فجوة هوائية ناتجة عن تركيب غير متقن حقلًا رطبًا يظهر جافًا في القراءة. كما أن معايرة المصنع تفترض تربة متوسطة. ففي التربة الطينية الثقيلة أو المالحة، قد ينحرف الرقم المطلق بعدة نقاط مئوية، مع أن الارتفاعات والانخفاضات تبقى صحيحة. ويتعامل كثير من المزارعين مع ذلك بمتابعة الاتجاهات وتعلّم ما تعنيه أرقام حقلهم، أو بالمعايرة مقابل بضع عينات من التربة توزن رطبة ثم تُجفف في فرن.

وفحص الفرن بسيط بما يكفي لتجريه بنفسك. خذ عينة تربة معروفة الحجم من جوار المستشعر مباشرة، ولنقل 100 سنتيمتر مكعب، وزِنها: 165 غرامًا. جففها عند 105 °C حتى يتوقف الوزن عن التغير: 140 غرامًا. الغرامات الـ25 المفقودة كانت ماءً، ولأن غرام الماء يشغل سنتيمترًا مكعبًا واحدًا، فقد احتوت التربة على 25 سنتيمترًا مكعبًا من الماء في كل 100، أي محتوى مائي حجمي قدره 25 بالمئة. وإذا كان المستشعر يقرأ 29 بالمئة لحظة أخذ العينة، فهو يقرأ أعلى بنحو 4 نقاط في تلك التربة. وبضع عينات تؤخذ عند مستويات رطوبة مختلفة على مدار الموسم تمنحك تصحيحًا يمكنك الوثوق به.

وتستخدم لوحات الاستشعار السعوية الرخيصة المصممة لمشاريع الهواة المبدأ نفسه، لكنها ليست محكمة الإغلاق ولا معايَرة لموسم كامل في الحقل. وللزراعة، ابحث عن مجس محكم الإغلاق بدقة معلنة، ومدى محدد لدرجة حرارة التشغيل، ووصلة كابل أو راديو معروفة.

على أي عمق يجب تركيب مستشعر رطوبة التربة؟

العمق يتبع جذور المحصول. فإرشادات الري الصادرة عن منظمة الأغذية والزراعة (FAO) تذكر أعماقًا قصوى فعالة للجذور تبلغ نحو 0.3 إلى 0.5 متر للخس، و0.4 إلى 0.6 متر للبطاطس، و1.0 إلى 1.7 متر للذرة، وإن كان معظم امتصاص الماء يحدث في الجزء العلوي من هذا المدى. والمستشعر الواحد على عمق واحد لا يخبرك إلا عن طبقة واحدة.

ومن الأنماط الشائعة القياس على عمقين في كل نقطة قياس:

  • واحد في منطقة الجذور الأكثر نشاطًا، أي تقريبًا بين الثلث العلوي ونصف عمق الجذور، ويُظهر متى يسحب المحصول الماء ويستنزفه؛
  • وآخر قرب قاع منطقة الجذور، ويُظهر هل وصل إليها ماء الري أو المطر فعلًا، وهل تدفع الماء إلى ما تحت الجذور حيث يُهدر.

وتؤدي مجسات رطوبة التربة متعددة الأعماق ذلك في أنبوب واحد، بنقاط استشعار كل 10 سنتيمترات تقريبًا. وهي تعطي صورة أكمل لكيفية تحرك الماء نحو الأسفل بعد الري، بسعر أعلى لكل نقطة. أما مجسان أحاديا النقطة على عمقين مختارين فيغطيان معظم قرارات المزرعة بتكلفة أقل.

ومكان التركيب مهم بقدر العمق. ضع المستشعر في بقعة تمثل الحقل أو منطقة الإدارة: لا في مسار عجلات، ولا عند رأس الحقل حيث تدور الآليات، ولا في أكثر الزوايا رطوبة أو جفافًا. ومع الري بالتنقيط، ركّبه داخل المنطقة المبللة قرب صف النباتات، وعلى مسافة ثابتة من النقّاط، لأن القراءات تتغير بحدة عبر بضعة سنتيمترات. واستخدم نقطة قياس واحدة لكل نوع تربة أو منطقة، لأن الرمل والطين في الحقل نفسه يجفان بمعدلات مختلفة جدًا. وادفع المجس في حفرة صُنعت بأداة لها القطر نفسه، أو أعد الردم بملاط من التربة نفسها، لتجنب الفجوات الهوائية.

مستشعر رطوبة التربة السلكي مقابل اللاسلكي

يتصل مستشعر رطوبة التربة السلكي بكابل بمسجّل بيانات، يُثبَّت عادةً على عمود عند حافة الحقل. ويخزن المسجّل القراءات وقد يرسلها عبر وصلة راديو أو شبكة خلوية. والتجهيزات السلكية موثوقة ويمكنها تغذية عدة مستشعرات من بطارية واحدة، لكن الكابلات الممتدة عبر الحقل تقطعها الآليات وتقرضها القوارض، ويجب أن يكون كل مستشعر قريبًا من المسجّل.

أما مستشعر رطوبة التربة اللاسلكي فله راديو وبطارية خاصان به في الرأس الذي يبرز فوق الأرض. ويمكن وضع كل واحد حيثما يحتاج الحقل، دون مدّ كابلات. والثمن هوائي يجب أن يعلو فوق المحصول، ورأس جهاز يجب أن تتجنبه الآليات.

ومن السهل الاستهانة بارتفاع الهوائي هذا. ففي محصول طويل مثل الذرة، قد يفقد رأس مستشعر عند مستوى الأرض جزءًا كبيرًا من مداه حين تتشابك أوراق المحصول وتغطي ما تحتها، لأن الأوراق تمتص إشارة الراديو وتشتتها. ويثبّت كثير من المزارعين الراديو على سارية قصيرة، أو يختارون طرازات هوائيها على عمود.

وفاصل الإرسال إعداد يستحق التفكير. فقراءة كل 15 دقيقة تُظهر بالضبط سرعة جفاف التربة بعد الري، بينما تطيل قراءة كل ساعة عمر البطارية وتكفي تمامًا للمحاصيل التي تُروى كل بضعة أيام. وكثير من المستشعرات اللاسلكية يتيح تغيير الفاصل عن بعد، فتستطيع أن تبدأ بقراءات متقاربة ثم تباعد بينها حين تفهم الحقل.

والمدى هو العامل الحاسم الآخر. فمستشعرات Wi-Fi تناسب الدفيئات والحدائق القريبة من مبنى، لا الحقول التي تبعد كيلومترًا. والمستشعرات الخلوية تعمل في أي مكان تتوفر فيه تغطية، لكن كلًّا منها يحتاج إلى باقة بيانات خاصة به. أما الشبكات منخفضة الطاقة بعيدة المدى، التي يتناولها القسم التالي، فترسل قراءات صغيرة عبر كيلومترات إلى بوابة واحدة.

وسواء كان المستشعر سلكيًا أو لاسلكيًا، خطط لأعمال الموسم في الحقل. فالمستشعرات في حقول المحاصيل تُنزع عادةً قبل الحصاد والحراثة وتُعاد بعد الزراعة، لذا فإن التركيب دون أدوات وسهولة النزع يوفّران ساعات على مستوى المزرعة.

ما هو مستشعر رطوبة التربة بتقنية LoRaWAN؟

مستشعر رطوبة التربة بتقنية LoRaWAN مجس يعمل بالبطارية ويرسل قراءاته عبر LoRaWAN، وهو معيار راديو بعيد المدى منخفض الطاقة. يستيقظ، ويقيس، ويرسل بضعة بايتات، ثم يعود إلى السكون، ولهذا تدوم بطاريته سنوات. ويمكن لبوابة واحدة مثبتة في موضع مرتفع في ساحة المزرعة أن تصل إلى 15 كيلومترًا أو أكثر فوق أرض مكشوفة مستوية مع خط رؤية واضح، وإن كانت التلال والأشجار وارتفاع البوابة تغيّر ذلك كثيرًا، ويمكنها خدمة مئات المستشعرات. ويعمل LoRaWAN في نطاقات راديو لا تحتاج إلى ترخيص وتختلف حسب المنطقة، مثل EU868 في أوروبا وUS915 في أمريكا الشمالية، لذا اشترِ مستشعرات تناسب نطاق منطقتك.

ولأن LoRaWAN معيار، يمكن لمستشعرات من مصنّعين مختلفين أن تتشارك بوابة واحدة. لكن كل طراز ما زال يحزم قراءاته في بضعة بايتات بتنسيقه الخاص، لذا يحتاج البرنامج الذي يستقبلها، أيًّا كان، إلى مفكك ترميز لذلك الطراز ليحوّل البايتات من جديد إلى قيم رطوبة وحرارة.

ما هو أفضل برنامج لمستشعرات رطوبة التربة بتقنية LoRaWAN؟

خلف البوابة، تحتاج مستشعرات LoRaWAN إلى نوعين من البرمجيات. خادم شبكة يستقبل الرسائل الراديوية، ويتحقق من أن كل رسالة تأتي فعلًا من مستشعر مسجّل، ويسقط الرسائل المكررة حين تلتقط بوابتان الرسالة نفسها. ثم تطبيق يحوّل تلك الرسائل إلى قراءات يمكنك الاطلاع عليها والتصرف بناءً عليها. وبعض التجهيزات تشغّل هذين في منتجين منفصلين، ما يعني حسابين ومكانين للتحقق حين يصمت مستشعر.

ولمزرعة تشغّل مستشعرات تربة بتقنية LoRaWAN، فإن Kilo هي الخيار الأفضل لأن المهمتين تجريان في مكان واحد. فمع خادم شبكة LoRaWAN المدمج فيها، يتم الإعداد في ثلاث خطوات: أضف موصّل LNS، وصِل بوابة تدعم LoRa Basics Station، ثم سجّل المستشعرات، دون أي شيء منفصل تثبّته أو تصونه. ويوفّر قالب ملف تعريف الجهاز الخاص بالمستشعر مفكك الترميز، فتصل قراءاته على شكل قيم رطوبة وحرارة بدلًا من بايتات خام.

ثم يصبح قرار الري قاعدة. فمُحفِّز يراقب المجس الضحل ولا يبدأ القاعدة إلا إذا بقيت الرطوبة دون مستوى الري الذي حددته طوال المدة التي تختارها، ولنقل ساعتين، فلا ترسل قراءة شاذة واحدة أحدًا إلى الحقل. وتطلق القاعدة إنذارًا يصل إلى مدير الري عبر إشعار فوري أو بريد إلكتروني أو رسالة SMS (خدمة إضافية)، وينتقل إلى شخص ثانٍ إن لم يحلّه أحد خلال المهلة التي تحددها.

ويمكن للقاعدة نفسها أيضًا فتح صمام الري، شرط أن يكون الصمام على وحدة تحكم تقبل الأوامر: جهاز MQTT أو وحدة تحكم LoRaWAN من الفئة C. فمجسات الرطوبة لا تفعل سوى الإبلاغ عن القراءات؛ والأمر يذهب إلى وحدة التحكم الخاصة بالصمام.

وتوفر Kilo Electronics مستشعرات رطوبة التربة، كما تتصل مستشعرات LoRaWAN من مورّدين آخرين بـ Kilo بالطريقة نفسها.

أسئلة شائعة عن مستشعرات رطوبة التربة

ما مدى دقة مستشعر رطوبة التربة السعوي؟

مع معايرة خاصة بالتربة، تكون دقة المستشعرات الحقلية الجيدة عادةً في حدود بضع نقاط مئوية من المحتوى المائي الحجمي. أما مع معايرة المصنع العامة، فقد تكون الأخطاء أكبر في التربة الطينية الثقيلة أو العضوية أو المالحة. وقد تُظهر القراءات أيضًا تأرجحًا يوميًا صغيرًا يتبع حرارة التربة لا الماء، لذا فإن مقارنة القيم المأخوذة في الساعة نفسها كل يوم تجنّبك تفسير هذا التأرجح على أنه جفاف.

هل يستطيع مستشعر رطوبة التربة قياس الملوحة؟

بعضها يستطيع. فكثير من المجسات الحقلية تبلّغ أيضًا عن حرارة التربة وموصليتها الكهربائية الكلية، التي ترتفع مع محتوى الأملاح ومع الرطوبة كليهما. وهذا يجعلها مفيدة لرصد تراكم الأملاح تحت الري، لكن القراءة ليست اختبار ملوحة مخبريًا، وينبغي تفسيرها إلى جانب قيمة الرطوبة.

هل تعمل مستشعرات رطوبة التربة في التربة الرملية؟

نعم، لكن التربة الرملية تحتفظ بماء أقل بكثير وتصرفه بسرعة، فتتأرجح القراءات أسرع، ويكون الفارق بين الرطوبة الكافية والجفاف الزائد ضيقًا. ويحتاج التركيب أيضًا إلى عناية أكبر، لأن الرمل المفكك يترك بسهولة فجوات هوائية حول المجس. ومستشعرات المصفوفة الحبيبية تستجيب بضعف في التربة شديدة الرطوبة وتحتاج إلى معايرة خاصة بها في الرمل، لذا كثيرًا ما تكون المستشعرات السعوية الخيار الأبسط.

كم يدوم مستشعر رطوبة التربة؟

يدوم جسم المجس نفسه عادةً عدة مواسم إن لم تتلفه الآليات. ويمتد عمر البطارية في الطرازات اللاسلكية منخفضة الطاقة عادةً إلى سنوات، بحسب عدد مرات الإرسال. أما الكابلات والموصلات والهوائيات فهي نقاط الضعف المعتادة، لا سيما حيث تصل إليها القوارض أو حركة الآليات في الحقل.

يمكنك البدء على الخطة المجانية في Kilo دون بيانات دفع. فهي لا تنتهي صلاحيتها أبدًا، وتغطي ما يصل إلى خمسة أجهزة ولوحة معلومات واحدة وقاعدة واحدة، وهذا يكفي لنقطتي قياس في حقل مروي واحد، واحدة على كل نوع رئيسي من التربة، ولكل منهما مجس ضحل وآخر عميق. والبوابات غير محدودة في كل الخطط، لذا تأتي البوابة إضافةً إلى الأجهزة الخمسة. ضع القراءات الأربع كلها على لوحة المعلومات، واستخدم القاعدة لتنبيهك حين يبقى المجس الضحل في التربة الأخف دون المستوى الذي تروي عنده عادةً. وتحتفظ الخطة المجانية بسجل يوم واحد، وهو ما يكفي لمتابعة تسرّب ماء الري إلى التربة ثم بدء جفاف الطبقة السطحية من جديد، بينما يعمل الإنذار مباشرة. وإذا أردت مقارنة منحنيات الجفاف من رية إلى أخرى، فإن خطة Starter بسعر 25 يورو شهريًا تحتفظ بسجل أسبوع.