Sistemi automatici per il controllo e la gestione a distanza dell’irrigazione

La prova sperimentale di campo è stata eseguita su cece presso l’azienda agricola dell'ALSIA "Pantano" di Pignola (PZ)

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Lavoro svolto nell’ambito del PSR Basilicata 2014-2020 sottomisura 16.1 – TRAS.IRRI.MA. (TRASferimento di tecnologie e protocolli di gestione IRRIgua MAturi per l’ottimizzazione dell’irrigazione) (Clicca qui per saperne di più) 

Contesto e Obiettivi

L'uso di controller e sensori per creare un sistema di irrigazione smart, facile da usare, in grado di fornire dati in tempo reale e automatizzare il processo di irrigazione, oggi giorno è reso possibile da nuove tecnologie. In questa scheda viene presentato un sistema di irrigazione automatico con un approccio all’Internet of Things (IoT).

Un computer single-board Raspberry PI 4 Model B è stato personalizzato come smart controller per la programmazione automatica dell'irrigazione basata sul feedback del rilevamento dell'acqua nel suolo (Figura 1).

Questo sistema rappresenta un'integrazione tra impianto di irrigazione, sistema di supporto alle decisioni (DSS) e misure dei sensori dell’umidità del suolo, per migliorare le prestazioni dell'irrigazione in base alle caratteristiche della coltura e del suolo.

Figura 1. Diagramma del flusso di lavoro del sistema per avviare l'irrigazione automatica in base al valore dell'umidità del suolo.

Materiali e Metodi

Il sistema di controllo è composto dai seguenti componenti principali: batteria AGM da 50 Ah ricaricabile da pannello solare policristallino da 30 W 12 V, Raspberry Pi 4 Model B (https:/ /www.raspberrypi.org/), modem-router, sensori di umidità del suolo, moduli relè e valvole motorizzate. Il Raspberry Pi 4 richiede un 5 VDC, con un connettore di alimentazione micro-USB e per garantire la tensione di 5 volt, è stato utilizzato un convertitore DC-DC di tipo DDR-30G-5 (12V- 5V). Inoltre, il Raspberry controller utilizza uno slot per schede micro-SD per l'archiviazione dei dati e un'interfaccia standard per la connessione ad altri dispositivi di input/output esterni (GPIO). I moduli relè collegati all’interfaccia GPIO fungono da interruttori a comando elettrico, gestendo l'apertura e la chiusura di una o più valvole a sfera motorizzate inserite sulla linea di irrigazione. Il router può comunicare con ogni rete mobile e dispone di uno switch Ethernet RJ45 10∕100 Mbps integrato a quattro porte per la comunicazione con il controller Raspberry Pi.

Sono stati utilizzati sensori SAM-485 (CET Electronics snc-Treviso-Italia), il cui principio di funzionamento si basa su una misura dell'impedenza complessa in alta frequenza (125 MHz) da cui viene calcolata la parte reale della permittività dielettrica e stimato il contenuto volumetrico di umidità attraverso un polinomio di terzo grado personalizzato (tramite calibrazione sito-specifica) o predefinito. La connessione dei sensori al Raspberry è assicurata dal convertitore RS-485-USB e quando tramite il controller Raspberry viene stabilita la connessione con tutti i componenti dell'impianto ad esso collegati, il sensore di umidità del suolo esegue le misure e invia i dati al Raspberry tramite Modbus, un protocollo di comunicazione open data (CLICCA QUI), ed a loro volta, attraverso il controller, trasmessi dal router Wi-Fi 4G LTE su Grafana (www.grafana.com), un’applicazione web open source di analisi e visualizzazione interattiva. Specifici script Python nel sistema operativo del Raspberry Pi, configurano il controller nella trasmissione dei dati e nella gestione dell’irrigazione sulla base del raggiungimento di valori soglia di umidità del suolo misurati da una o più sonde installate in campo.

In aggiunta un Bot di Telegram che interagisce direttamente con il controller Raspberry Pi, permette di inviare comandi da remoto con lo smartphone e commutare il modulo relè, aprire la valvola a sfera motorizzata e avviare l'irrigazione per il tempo desiderato, indipendentemente dalla presenza di sensori di umidità del suolo.

Risultati

In una prova sperimentale di campo eseguita presso l’azienda Pantano di Pignola dell’ALSIA, il sistema è stato utilizzato nell'irrigazione del cece seminato in tarda primavera (maggio) applicando, come criterio di programmazione irrigua, lo stato di umidità del suolo dopo una calibrazione sito-specifica del sensore del suolo.

La tabella 1 riporta le caratteristiche del terreno utilizzato nel test e la figura 2 mostra il quadro climatico del periodo, maggio-agosto 2021, in cui il test è stato eseguito. Il clima è stato molto caldo e asciutto e poiché il cece è una coltura che soffre prolungati periodi di siccità e temperature elevate durante lo sviluppo riproduttivo, si è resa necessaria l‘irrigazione.

Tabella 1. Proprietà del suolo del campo sperimentale - q_CC: contenuto acqua alla capacità di campo (-0.03 MPa); q_PA: contenuto acqua al punto di appassimento (-1.5 MPa);  AD contenuto acqua disponibile (q_CC-q_PA).

Figura 2. Temperature massime e medie giornaliere, piogge e cumulata dell’evapotraspirazione colturale durante il ciclo vegetativo del cece.

Per l’intero ciclo colturale situazioni di stress per eccesso o mancanza di acqua sono stati evitati, in quanto i valori di umidità del suolo sono oscillati intorno alla capacità di campo utilizzando la soglia critica del 35,4% (m³ acqua m^-3 suolo), corrispondente al consumo del 10% dell’acqua disponibile (figura 3).

Figura 3. Contenuto volumetrico dell’acqua nel suolo misurato da SAM485 sensore e numero di irrigazioni durante il test di campo

La scelta di una soglia critica di umidità del suolo vicina alla capacità del campo è stata fatta per testare l'affidabilità e la pronta risposta del sistema automatico d’irrigazione in campo. Alla fine del ciclo vegetativo il volume totale irriguo è stato di 3450 m³ ha^-1 con una stima della granella pari a circa 20 q.li ha^-1.

Conclusioni

L'adozione di sistemi intelligenti per la gestione dell'irrigazione e l'uso di software e piattaforme web open source per l'acquisizione e la gestione dei dati potrebbe risultare vantaggioso per gli agricoltori che desiderano migliorare la propria azienda in termini di innovazione ed efficienza.