Весенние заморозки могут иметь разрушительные последствия для производства яблок, а риск раннего цветения возрастает с потеплением климата, что делает яблони более восприимчивыми к разрушительному воздействию возвратных заморозков. В такой ситуации садоводы пытаются обогревать кроны, однако такой метод связан с расходами и бывает неэффективен. Для решения проблемы исследователи штата Пенсильвания разработали киберфизическую систему защиты от заморозков, которая принимает решения об обогреве на основе данных о температуре и направлении ветра в реальном времени.
Система состоит из устройства измерения температуры, обогревателя, работающего на пропане, который автоматически регулирует свое направление и угол в зависимости от направления ветра, а также беспилотного наземного транспортного средства для указаний по перемещению системы отопления через яблоневый сад, говорится в релизе Pennsylvania State University.
Недавно опубликованные в журнале «Computers and Electronics in Agriculture» результаты показывают, что киберфизическая система защиты от заморозков значительно снизила повреждение почек яблони в двух тестах, проведенных при низких температурах. По сравнению с аналогичными незащищенными участками фруктовых садов поблизости, развертывание системы защиты в одном испытании более чем удвоило время защиты кроны на испытательной площадке и почти утроило время в другом.
Для хорошей защиты цветочных почек яблони от повреждения заморозками нужно определить, когда и где применять тепло в первую очередь, потому что рабочих мало. Предположения самих садоводов о самых холодных участках бывают ошибочными, что что приводит либо к уменьшению урожая яблок, либо – при вмешательстве ветра - к напрасным потерям энергии, по словам исследователя Лонг Хэ, доцента сельскохозяйственной и биологической инженерии, который является автором-корреспондентом исследования.
«Ветер часто рассматривается как неконтролируемый фактор, когда производители реализуют задачи по обогреву садов, поскольку он сильно влияет на эффективность обогрева. Поэтому мы разработали систему, способную контролировать окружающую среду и принимать меры в ответ на полученные данные, используя датчики температуры и ветра для восприятия изменений окружающей среды, а затем принимать соответствующие решения по отоплению», - сказал он.
Это исследование, которое проводилось в Центре сельскохозяйственных исследований имени Рассела Э. Ларсона при Пенсильванском университете, было осуществлено исследовательской группой, занимающейся умным сельским хозяйством в Департаменте сельскохозяйственной и биологической инженерии. Первый автор Вэйюнь Хуа, аспирант, впервые определила закономерности теплопередачи в яблоневом саду, используя изображения, полученные с помощью тепловизионной камеры, установленной на дроне, и проверенную численную модель.
Затем эти результаты добавили к более ранним, когда группа создала алгоритм для определения стадий цветения яблони и разработала карту температур критических повреждений, созданную с помощью воздушной камеры, установленной на дроне. Тогда ученые аналогично использовали тепловизионную камеру на базе дрона для определения карты температуры, что использовалась для создания карты потребности в тепле. Вэйюнь Хуа объединила все данные, чтобы спланировать путь беспилотного наземного аппарата для выполнения задач по обогреву.
Общая стоимость оборудования, использованного для создания испытательного блока в этом исследовании, составила около 5000 долларов (прим.ред. 457500 российских рублей), включая наземное передвижное средство, обогреватель и микрокомпьютеры.
«В основном детали были доступны в наличии, - сказала она. - Беспилотный наземный автомобиль представляет собой электрическую газонокосилку со снятым сиденьем и декой газонокосилки и установленными автономными средствами управления. Мы использовали обогреватель коммерческого типа, но это был не садовый обогреватель, а обогреватель для помещений. Итак, эта техника представляет собой в основном модификацию небольших компонентов, связанные воедино».
Одним из инновационных аспектов системы был разработанный Вэйюнь Хуа компонент для автоматического вращения и регулировки нагревателя. Из разработанной численной модели исследователи узнали, что им необходимо применять тепло против направления фонового ветра, чтобы уменьшить потери тепла в саду. А предыдущие исследования показали, что угол в 15 градусов между соплом обогревателя и рядом деревьев обеспечивает максимальное использование энергии.
«Кроме того, если обогреватель направлен в направлении, где он течет вместе с ветром, тепло очень быстро уходит из сада. Но если мы повернем его - так, чтобы он был обращен больше к ветру, - тогда тепло распространится более широко», пояснила Вэйюнь Хуа.
Член исследовательской группы Пол Хайнеманн, профессор сельскохозяйственной и биологической инженерии Колледжа сельскохозяйственных наук, отметил, что необходимы некоторые доработки, чтобы вывести эту технологию на рынок и сделать ее доступной для садоводов.
«Для больших фруктовых садов имеет смысл держать стаю автономных обогревателей, работающими между рядами деревьев, под управлением воздушного дрона, контролирующего температуру кроны. Воздушный дрон пошлет сигнал автомобилю с отопительной установкой: «Подъезжайте сюда, потому что там становится слишком холодно». А затем он может указать другому обогревателю перейти в другое место. Из моделей мы знаем, сколько тепла туда нужно поместить и сколько времени пройдет, прежде чем оно снова остынет. Это исследование показывает, что мы можем повысить эффективность использования нескольких обогревателей вокруг фруктового сада, используя меньше энергии для обогрева, но гарантируя, что мы охватим все холодные точки», заключил добавил Хайнеманн.