يكمن سرّ قدرة مستشعر التوصيل الكهربائي للتربة الشمسي LoRaWAN على أن يصبح "طبيب التربة" في الزراعة الذكية في تكامله العميق مع تقنية الاستشعار الدقيق لتوصيل التربة (EC)، وتقنية إمداد الطاقة الشمسية المستقلة، وتقنية LoRaWAN لنقل البيانات لمسافات طويلة منخفضة الطاقة، محققًا بذلك المتطلبات الأساسية المتمثلة في "عدم الحاجة إلى أسلاك، ومدة تشغيل طويلة، ومراقبة دقيقة". ينقسم مبدأ عمله إلى أربع وحدات رئيسية، تُشكّل حلقةً متكاملةً من جمع معلمات التربة إلى تطبيق البيانات الطرفية.
1. طبقة الإدراك الأساسية: مبدأ قياس قيمة الموصلية الكهربائية للتربة والمعلمات المرتبطة بها
الوظيفة الأساسية للمستشعرات هي التقاط قيم التوصيلية الكهربائية للتربة بدقة (التي تعكس الملوحة/الخصوبة)، والرطوبة، ودرجة الحرارة. تُحدد مبادئ قياس هذه المعايير الثلاثة دقة البيانات بشكل مباشر، كما تُشكل أساسًا لتوجيه الإدارة الزراعية.
-
قياس قيمة الموصلية الكهربائية للتربة (الموصلية): التقاط كمي لخصائص الموصلية الأيونية
قيمة التوصيل الكهربائي للتربة هي في الأساس مؤشر على توصيل الأيونات الذائبة (مثل النيتروجين، والفوسفور، والبوتاسيوم، والصوديوم، والكالسيوم، إلخ) في التربة. كلما ارتفع تركيز الأيونات، زادت قيمة التوصيل الكهربائي. يعتمد المستشعر على طريقة القطبين (أو طريقة الأقطاب الأربعة) لقياس قيمة التوصيل الكهربائي، والمبدأ الأساسي هو كما يلي:
هيكل القطب: مسبار المستشعر مزود بـ 2-4 أقطاب معدنية مقاومة للتآكل (عادةً ما تكون مصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ 316 أو سبائك التيتانيوم لمنع التآكل الناتج عن أملاح التربة). بعد إدخالها في التربة، تُشكل الأقطاب الكهربائية "دائرة موصلة" مع التربة.
إثارة الإشارة: يطبق الجهاز جهد تيار متردد ثابت منخفض التردد (عادة 50-1000 هرتز لتجنب تأثيرات استقطاب التربة التي تؤثر على دقة القياس) على زوج من "أقطاب الإثارة"، مما يشكل مجالًا كهربائيًا موحدًا في التربة؛
المجموعة الحالية: يقوم زوج آخر من "أقطاب القياس" بجمع التيار الضعيف الناتج عن الحركة الاتجاهية للأيونات في التربة بشكل متزامن (يرتبط حجم التيار بشكل إيجابي بتركيز الأيونات)؛
حساب البيانات: تُحسب مقاومة التربة بناءً على قانون أوم (R = U / I)، بالإضافة إلى معاملات هندسية مثل تباعد الأقطاب وعمق الإدخال. تُحسب موصلية التربة باستخدام الصيغة EC = K / (R × L) (حيث K ثابت القطب و L تباعد القطب)، ووحدة الخرج النهائية هي μ S / cm أو mS / cm.
ملاحظة: مقارنةً بطريقة القطبين، تُزيل طريقة القطبين الأربعة تداخل مقاومة تلامس التربة بفعالية، وتتميز بدقة أعلى في الظروف القاسية مثل الأراضي المالحة والقلوية. يغطي نطاق القياس 0-20000 ميكرو سيمنز/سم، مع خطأ ≤ 3%.
-
قياس رطوبة التربة: تطبيق تكنولوجيا الانعكاس في المجال الترددي (FDR)
ترتبط رطوبة التربة ارتباطًا وثيقًا بقيمة التوصيل الكهربائي (الرطوبة هي وسيط نقل الأيونات)، وعادةً ما تستخدم المستشعرات تقنية قياس انعكاس المجال الترددي (FDR) لقياس محتوى الرطوبة الحجمي للتربة. والمبدأ كالتالي:
نقل إشارات عالية التردد: المسبار مُجهّز بمذبذب عالي التردد، يُصدر موجات كهرومغناطيسية عالية التردد بتردد يتراوح بين ١٠٠ ميجاهرتز و١ جيجاهرتز إلى التربة. عند انتشار الموجات الكهرومغناطيسية في التربة، تتولد "ثوابت عزل" مختلفة بسبب اختلاف محتوى الرطوبة في التربة (يتراوح ثابت العزل الكهربائي للتربة الجافة بين ٣ و٥ درجات، بينما يبلغ ثابت العزل الكهربائي للماء النقي حوالي ٨٠ درجة، وكلما زاد محتوى الرطوبة، زاد ثابت العزل الكهربائي).
انعكاس الإشارة واستقبالها: تنعكس بعض الموجات الكهرومغناطيسية مرة أخرى إلى المستشعر بواسطة جزيئات التربة، وتلتقط وحدة الاستقبال فرق الطور وتوهين السعة للإشارة المنعكسة؛
تحويل الرطوبة: من خلال استخدام منحنى معايرة "محتوى الرطوبة الثابت العازل" المحدد مسبقًا (والذي يجب معايرته مسبقًا لأنواع مختلفة من التربة، مثل الطين والطمي والتربة الرملية)، يتم تحويل القيم المميزة للإشارة المنعكسة إلى محتوى رطوبة حجم التربة (الوحدة:٪)، بدقة قياس ± 2٪ (نطاق محتوى الرطوبة 0-50٪).
-
قياس درجة حرارة التربة: تحويل خاصية مقاومة درجة الحرارة للثرمستور
قد تؤثر درجة الحرارة على دقة قياس قيمة الموصلية الكهربائية للتربة ورطوبتها (على سبيل المثال، قد يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى تسريع حركة الأيونات، مما يؤدي إلى ارتفاع قيمة الموصلية الكهربائية)، لذا من الضروري قياس درجة الحرارة بشكل متزامن لمعايرة التعويض. يستخدم القلب ترموستور NTC.
خصائص المكونات: تنخفض قيمة مقاومة الثرمستور NTC بشكل كبير مع زيادة درجة الحرارة، ولها خصائص الحساسية العالية (يمكن أن يصل تغيير المقاومة إلى آلاف الأوم في نطاق من -40 ℃ إلى 80 ℃) والاستجابة السريعة (≤ 1 ثانية)؛
تحويل الإشارة: يطبق الجهاز تيارًا ثابتًا على الثرمستور، ويقيس التغير في الجهد عند طرفي المقاوم (U=IR)، ويستنتج قيمة المقاومة، ثم يقارنها بـ "جدول مقارنة مقاومة درجة الحرارة" للثرمستور لتحويل درجة حرارة التربة، بدقة ± 0.5 ℃ ودقة 0.1 ℃؛
وظيفة التعويض: يتم إرجاع بيانات درجة الحرارة في الوقت الفعلي إلى وحدة قياس قيمة EC والرطوبة، ويتم تصحيح الأخطاء الناجمة عن تقلبات درجة الحرارة من خلال الخوارزميات (على سبيل المثال، لكل زيادة في درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية، تزداد قيمة EC بنحو 2٪، ويجب خصم الانحراف بشكل متناسب).
2. طبقة إمداد الطاقة: الطاقة المزدوجة التكميلية للطاقة الشمسية والبطاريات
تحتاج أجهزة الاستشعار إلى أن تكون غير مأهولة في الميدان لفترة طويلة، لذا فإن نظام إمداد الطاقة المستقل بالطاقة الشمسية هو ضمان لتشغيلها المستقر، وجوهر هذا النظام هو العمل التعاوني "الشحن الشمسي + تخزين طاقة البطارية":
-
تحويل الطاقة الشمسية: تطبيق فعال للتأثير الكهروضوئي
اختيار الألواح الشمسية: تُستخدم ألواح شمسية من السيليكون أحادي البلورة (بكفاءة تحويل ضوئي تتراوح بين 20% و24%، وهي أعلى من السيليكون متعدد البلورات)، بمساحة تتراوح عادةً بين 50 و100 سم². ويمكنها إنتاج ما بين 5 و10 واط/ساعة من الكهرباء بمتوسط إضاءة يومي يبلغ 4 ساعات.
إدارة الشحن: مجهزة بجهاز تحكم في الشحن MPPT (تتبع نقطة الطاقة القصوى)، وتتبع في الوقت الحقيقي لنقطة خرج الطاقة القصوى للوحة الشمسية (مثل ضبط الجهد والتيار تلقائيًا عندما تتغير شدة الضوء لتجنب هدر الطاقة)، ونقل الطاقة الكهربائية إلى البطارية بكفاءة؛
حماية ضد الشحن العكسي: عندما لا يكون هناك ضوء في الليل أو في الطقس الممطر، يقوم المتحكم تلقائيًا بقطع الاتصال بين اللوحة الشمسية والبطارية لمنع البطارية من التفريغ بشكل عكسي إلى اللوحة الشمسية وإطالة عمر البطارية.
-
تخزين طاقة البطارية: تصميم طويل الأمد منخفض التفريغ الذاتي
نوع البطارية: باستخدام بطارية كلوريد الثيونيل الليثيوم (Li SOCl ₂)، تكون السعة عادة 4000-19000 مللي أمبير في الساعة، مع معدل تفريغ ذاتي منخفض للغاية (التفريغ الذاتي السنوي ≤ 1%، أقل بكثير من 5% -10% من بطاريات الليثيوم)، ونطاق درجة حرارة العمل الواسع (-55 درجة مئوية إلى 85 درجة مئوية)، وعمر افتراضي يصل إلى 6-10 سنوات؛
تخصيص الطاقة: تعطي البطارية الأولوية لتزويد "وحدة الاستشعار" (EC، الرطوبة، قياس درجة الحرارة) و"وحدة الإرسال" (اتصالات LoRa) بالطاقة، وتنشيط المكونات عالية الطاقة فقط أثناء القياس والإرسال، والدخول في وضع السكون (تيار السكون ≤ 10 μ A) عند الخمول، مما يزيد من عمر البطارية إلى أقصى حد.
3. طبقة نقل البيانات: اتصالات طويلة المدى منخفضة الطاقة باستخدام بروتوكول LoRaWAN
يجب نقل بيانات قيمة EC والرطوبة ودرجة الحرارة التي تم جمعها بواسطة أجهزة الاستشعار عن بُعد إلى منصة سحابية، بالاعتماد على بروتوكول LoRaWAN لتحقيق متطلبات الاتصال "باستهلاك منخفض للطاقة، ومسافة طويلة، وتغطية واسعة".
-
الطبقة المادية لـ LoRa: تقنية الطيف المنتشر للنقل لمسافات طويلة
طريقة التعديل: باستخدام تقنية تعديل طيف الانتشار LoRa (المبنية على طيف الانتشار CSSChirp)، تُحمَّل إشارة البيانات على "إشارة تعديل تردد خطي" (مثل المسح الخطي من تردد 200 كيلوهرتز إلى 400 كيلوهرتز). تتميز هذه الطريقة بقدرة عالية على مقاومة التداخل، وحتى في حال غمر الإشارة بالضوضاء، يُمكن استعادة البيانات من خلال فك التعديل.
مسافة الإرسال: في مشاهد الأراضي الزراعية المفتوحة، يمكن أن يصل نصف قطر التغطية لبوابة واحدة إلى 5-15 كم؛ في المشاهد المعوقة مثل البساتين والتلال، يبلغ نصف قطر التغطية 2-5 كم، وهو متفوق بكثير على تقنيات الاتصال قصيرة المدى مثل البلوتوث (100 متر) وواي فاي (1 كيلومتر)؛
التحكم في استهلاك الطاقة: من خلال اعتماد وضع العمل "الفئة أ" (فئة منخفضة الطاقة يحددها بروتوكول LoRaWAN)، يستيقظ المستشعر لفترة وجيزة فقط أثناء "نقل البيانات الصاعد" (مثل تحميل البيانات كل 10-24 ساعة، مع فترات زمنية قابلة للتخصيص) و"تعليمات الاستقبال الهابطة" (مثل تعديل فترات أخذ العينات عن بعد)، وينام خلال بقية الوقت، مع استهلاك طاقة نقل واحدة لا يتجاوز بضعة ملي جول.
-
عملية نقل البيانات: الربط بين أجهزة الاستشعار والسحابة
معالجة البيانات المحلية: تقوم المستشعرات بتحويل قيم EC وبيانات الرطوبة ودرجة الحرارة إلى إشارات رقمية وضغطها وترميزها (مثل استخدام تنسيقات JSON أو الثنائية لتقليل حجم البيانات، مع نقل واحد يبلغ 50-100 بايت فقط)؛
استقبال وإعادة توجيه البوابة: تُرسَل البيانات إلى بوابات LoRaWAN القريبة عبر وحدات LoRa RF. تُحوِّل البوابة إشارات LoRa إلى إشارات Ethernet/4G وتُعيد توجيهها إلى خوادم الشبكة السحابية (NS).
تحليل بيانات السحابة: يتحقق خادم الشبكة من صحة البيانات (مثل معرف الجهاز ومفتاح التشفير)، ثم يرسلها إلى خادم التطبيقات (AS). يُحلل خادم التطبيقات البيانات الخام إلى قيم EC قابلة للقراءة (مثل 800 ميكرو ثانية/سم)، ومحتوى رطوبة (مثل 60%)، ودرجة حرارة (مثل 25 درجة مئوية)، ويخزنها في قاعدة البيانات.
4. طبقة تطبيق البيانات: ضمان الدقة للمعايرة والتعويض
تحتاج البيانات الخام إلى المعايرة والتعويض قبل أن يمكن استخدامها حقًا في اتخاذ القرارات الزراعية، وهي خطوة أساسية لأجهزة الاستشعار من "جمع البيانات" إلى "إخراج القيمة":
-
معايرة نوع التربة: القضاء على التداخل من نسيج التربة
تختلف بنية الجسيمات ومحتوى المادة العضوية لأنواع التربة المختلفة (مثل الطين، والطمي، والرملية)، مما قد يؤثر على نتائج قياس قيمة الموصلية الكهربائية (EC) والرطوبة. عادةً ما تحتوي المستشعرات على مكتبات معايرة مدمجة لأنواع متعددة من التربة (مثل 10-20 نوعًا شائعًا من التربة)، ويمكن للمستخدمين اختيار أنواع التربة المطابقة عبر تقنية NFC المحمولة أو المنصات السحابية. يستدعي الجهاز تلقائيًا خوارزمية المعايرة المناسبة لتصحيح انحرافات القياس (مثل خصم تأثير امتصاص جزيئات التربة على التيار عند قياس قيمة الموصلية الكهربائية للرمل).
-
التعويض المتبادل بين درجة الحرارة والرطوبة: تصحيح تأثير العوامل البيئية
تعويض درجة الحرارة: كما ذكرنا سابقًا، مع كل تغير درجة حرارة درجة مئوية واحدة، تتغير قيمة الموصلية الكهربائية (EC) بنحو 2%، وقد تتضمن قياسات الرطوبة أخطاءً بسبب تغيرات ثابت العزل الكهربائي. يستخدم الجهاز بيانات درجة حرارة التربة المُجمعة آنيًا لتصحيح قيمة الموصلية الكهربائية وبيانات الرطوبة خطيًا وغير خطي.
تعويض رطوبة الهواء: غلاف المستشعر مُجهز بمستشعر رطوبة الهواء. في حال ارتفاع رطوبة الهواء (مثلاً خلال موسم الأمطار)، فقد يتسبب ذلك في تكثف على سطح المجس، مما يؤثر على توصيلية القطب. سيحدد الجهاز ما إذا كان سيتم إيقاف القياس مؤقتًا أو تصحيح البيانات بناءً على بيانات رطوبة الهواء.
ملخص: التعاون الأساسي يحقق "مراقبة دقيقة بدون طيار"
يعتمد مبدأ مستشعر LoRaWAN الشمسي للتربة EC بشكل أساسي على "التعاون متعدد التقنيات": حيث يتم الاستشعار الدقيق لمعلمات التربة من خلال طريقة الأقطاب الكهربائية وتقنية FDR، ويتم حل مشاكل إمدادات الطاقة الخارجية من خلال الطاقة الشمسية وبطاريات أيونات الليثيوم، ويتم تحقيق نقل بيانات منخفض الطاقة لمسافات طويلة من خلال بروتوكول LoRaWAN، ويتم ضمان موثوقية البيانات من خلال خوارزمية تعويض المعايرة. إن التعاون السلس بين هذه الوحدات الأربع هو ما يُمكّنه من تحقيق القيمة الأساسية المتمثلة في "الإخراج المستمر لبيانات التربة عالية الجودة دون تدخل يدوي بعد النشر" في سيناريوهات مثل الحقول والبساتين والأراضي القلوية المالحة، مما يوفر قاعدة بيانات لإدارة دقيقة للزراعة الذكية.
