Soil moisture monitoring using wireless sensor network

Full text

(1)UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA KMETIJSTVO IN BIOSISTEMSKE VEDE. Matej ŠTEFANIČ. MERJENJE VLAŽNOSTI TAL S POMOČJO BREZŽIČNEGA SENZORSKEGA OMREŽJA. DIPLOMSKO DELO. Maribor, 2012.

(2) UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA KMETIJSTVO IN BIOSISTEMSKE VEDE BIOSISTEMSKO INŽENIRSTVO. Matej ŠTEFANIČ. MERJENJE VLAŽNOSTI TAL S POMOČJO BREZŽIČNEGA SENZORSKEGA OMREŽJA. DIPLOMSKO DELO. Maribor, 2012.

(3) POPRAVKI:.

(4) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Komisijo za zagovor in oceno diplomskega dela sestavljajo:. Predsednik: izr. prof. dr. Miran Lakota Mentor: doc. dr. Jurij Rakun Somentor: izr. prof. dr. Denis Stajnko. Lektor: Maja Šinkovec, dipl. medjez. št. - ang., nem. (UN). Diplomsko delo je rezultat lastnega raziskovalnega dela.. Datum zagovora: 2012. III.

(5) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja UDK: 004.9:621.398:631.425.2:551.584:504(043.2)=863 Namen diplomske naloge je bil preučiti natančen način merjenja vlage v tleh s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. V ta namen smo merili vlago na treh različnih nivojih (20, 50 in 80 cm) in ob tem izmerjene vrednosti primerjali z vrednostmi okoljskih razmer, kot so temperatura zraka, vlažnost zraka, temperatura tal in omočenost listov za obdobje enega meseca. Ugotovili smo, da bi se z natančnim merjenjem vlage v tleh in drugih okoljskih parametrov lahko natančno napovedala obdobja pomanjkanja vlage v tleh in določila mikroklima merjenega območja. Na podlagi teh podatkov bi se lahko ugotovilo, kdaj in koliko vode je treba dodati določenim kmetijskim kulturam. Ključne besede: vlaga v tleh, brezžično senzorsko omrežje, okoljske razmere, mikroklima. Soil moisture monitoring using wireless sensor network The aim of this diploma paper was to study soil moisture monitoring using wireless sensor network. To this end, soil moisture was measured at three different depths (20, 50 and 80 cm) for the period of one month and compared with environmental conditions, such as air temperature and humidity, soil temperature and leaf wetness. The findings suggest that precise sensor-based monitoring of soil moisture and other environmental parameters enables us to determine microclimate in a particular area as well as predict soil moisture loss. Furthermore, this data can be used to ascertain how much water should be applied to particular crops and when. Keywords: soil moisture, wireless sensor network, environmental conditions, microclimate. IV.

(6) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Kazalo vsebine 1. UVOD ........................................................................................................................1. 2. PREGLED OBJAV...................................................................................................3 2.1. Brezžična senzorska omrežja ...............................................................................3. 2.1.1. Komponente brezžičnega senzorskega vozlišča ...........................................4. 2.1.2. ZigBee tehnologija......................................................................................7. 2.1.3. ZigBee topologije .....................................................................................10. 2.2. Vlaga in vlažnost tal ..........................................................................................12. 2.2.1. Sestava tal .................................................................................................13. 2.2.2. Vir vode za vlažnost tal.............................................................................14. 2.2.3. Vlažnost zraka ..........................................................................................15. 2.3. Merjenje vlage v tleh .........................................................................................15. 2.3.1 3. MATERIALI IN METODE DELA........................................................................19 3.1. Lokacija in časovno obdobje poizkusa ...............................................................19. 3.2. Značilnosti lokacije poizkusa .............................................................................19. 3.2.1. Tla ............................................................................................................19. 3.2.2. Klimatske razmere ....................................................................................21. 3.3. Uporabljen material ...........................................................................................22. 3.3.1 3.3.1.1 3.3.2 3.4. Uporabljene komponente ..........................................................................22 Uporabljeni senzorji.............................................................................25 Uporabljena delovna postaja .....................................................................27. Metode dela .......................................................................................................27. 3.4.1 4. Nivoji tal za merjenje vlage v tleh .............................................................17. Vir podatkov za količino padavin ..............................................................31. REZULTATI Z RAZPRAVO ................................................................................33. V.

(7) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 4.1. Grafična predstavitev principov merjenja posameznih senzorjev ........................33. 4.1.1. Senzor omočenosti listov ..........................................................................33. 4.1.2. Senzor temperature zraka ..........................................................................36. 4.1.3. Senzor vlažnosti zraka ..............................................................................38. 4.1.4. Senzor temperature tal ..............................................................................40. 4.1.5. Senzorji vlažnosti tal na treh različnih nivojih – 20, 50 in 80 cm ...............42. 4.2. Grafi za celotno obdobje merjenja......................................................................44. 4.2.1. Senzor omočenosti listov ..........................................................................45. 4.2.2. Senzor temperature zraka in tal .................................................................46. 4.2.3. Senzor vlažnosti zraka ..............................................................................47. 4.2.4. Senzorji vlažnosti tal na treh različnih nivojih – 20, 50 in 80 cm ...............48. 4.2.5. Ugotovitve ................................................................................................49. 5. SKLEPI ...................................................................................................................51. 6. VIRI .........................................................................................................................52. Kazalo slik Slika 1: Komponente brezžičnega senzorskega omrežja. .................................................. 5 Slika 2: Logotip združenja podjetij ZigBee Alliance. ....................................................... 7 Slika 3: Razpored plasti med ZigBee Alliance in IEEE 802.15.4. ..................................... 8 Slika 4: Prikaz zvezdne, drevesne in mešane tipologije. ................................................. 12 Slika 5: Tenziometer. ..................................................................................................... 16 Slika 6: Watermark 200SS-5 senzorji vlage v tleh, nameščeni na različne nivoje............ 17 Slika 7: Geografska lega padavinske postaje Fram. ........................................................ 22 Slika 8: Waspmote platforma podjetja Libelium. ........................................................... 23 Slika 9: Waspmote platforma s priključeno akumulatorsko baterijo in ZigBee modulom.......................................................................................................... 24 Slika 10: Waspmote Gateway vključen v računalnik. ..................................................... 25. VI.

(8) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Slika 11: Od leve proti desni: senzor temperature tal, senzor temperature in vlažnosti zraka, senzor omočenosti listov in trije senzorji vlage v tleh. ............................ 26 Slika 12: Razširitvena senzorska plošča za kmetijstvo s senzorji, priključena na platformo Waspmote. ....................................................................................... 26 Slika 13: Sprejemni računalnik VIA EPIA PX10000. ..................................................... 27 Slika 14: Nameščanje senzorjev v tla. ............................................................................ 28 Slika 15: Senzor temperature in vlažnosti zraka, nameščen na zunanji zaščitni pokrov iz pleksi stekla.................................................................................................. 30 Slika 16: Senzor omočenosti listov, nameščen v območje listov. .................................... 31 Slika 17: Toplogija uporabljena pri poizkusu. ................................................................ 31 Fotografije, pri katerih ni navedenega vira, je posnel Matej Štefanič. Kazalo grafov Graf 1: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja omočenosti listov na dan 30. 7. 2012. .................................................................................................. 35 Graf 2: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja temperature zraka na dan 30. 7. 2012. .................................................................................................. 37 Graf 3: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja relativne vlažnosti zraka na dan 30. 7. 2012. .................................................................................... 39 Graf 4: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja temperature tal na dan 30. 7. 2012. ........................................................................................................ 41 Graf 5: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti vlažnosti tal na treh različnih nivojih na dan 30. 7. 2012. ................................................................................. 43 Graf 6: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja omočenosti listov od 24. 7. do 24. 8. 2012. ......................................................................................... 45 Graf 7: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja temperature zraka in temperature tal od 24. 7. do 24. 8. 2012. ............................................................. 46 Graf 8: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja relativne vlažnosti zraka od 24. 7. do 24. 8. 2012. ............................................................................ 47. VII.

(9) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Graf 9: Povprečja in odkloni za izmerjen tlak senzorjev vlage v tleh od 24. 7. do 24. 8. 2012. .............................................................................................................. 48. Kazalo preglednic Preglednica 1: Primerjava karakteristik ZigBee standarda s karakteristikami standardov WiFi in Bluetooth. ................................................................ 9 Preglednica 2:. Podatki o količini padavin z merilne postaje Fram................................33. VIII.

(10) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 0.

(11) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 1. UVOD. Merjenje vlage v tleh je postopek, ki lahko učinkovito prispeva k napovedim obdobij pomanjkanja vlage v tleh v času vegetacije rastlin. Takšna obdobja so še zlasti izrazita v poletnih mesecih, za katere je značilno višanje temperature zraka, kar lahko vpliva tako na povečano izhlapevanje vode iz tal kot tudi na pomanjkanje vlage v tleh. S sprotnim merjenjem vlage v tleh je te parametre mogoče nadzorovati in beležiti. Pomanjkanje padavin lahko namreč privede do pomanjkanja vlage v tleh in povzroči sušni stres pri kmetijskih rastlinah, kar lahko negativno vpliva na njihovo rast in razvoj ter zmanjša količino ali kakovost pridelka. V zadnjih desetletjih delujejo moderne tehnologije, kot sta elektronika in računalništvo, z roko v roki tudi s kmetijstvom. To na primer omogoča, da lahko v kmetijstvu okoljske razmere podrobno spremljamo in s tem natančno določimo ter proučujemo mikroklimo izbrane kmetijske površine v določenem časovnem obdobju. Na podlagi zbranih podatkov lahko nato predvidimo, ali je površina za določeno kmetijsko rastlino primerna in pravočasno ukrepamo ob različnih neugodnih vremenskih razmerah. Ob spremljanju mikroklime določenega območja se lahko za natančen zajem podatkov uporabijo tudi brezžične tehnologije, ki temeljijo na senzorskih omrežjih. Kot pove že samo ime, se za merjenje podatkov v omrežju uporabljajo senzorji oziroma tipala. Zbrane podatke nato beleži in shranjuje računalnik, ki je povezan z brezžičnim senzorskim omrežjem. Namen diplomskega dela je preučiti natančno merjenje vlage v tleh s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja in določiti vlažnost tal v odvisnosti od različnih vremenskih dejavnikov. Hipoteze, ki jih želimo s poizkusom preveriti, so povzete v naslednjih alinejah. •. Hipoteza 1: »Vlaga v tleh pada v obdobjih s pomanjkanjem padavin.«. •. Hipoteza 2: »Vlaga v tleh naraste v času padavin.«. •. Hipoteza 3: »Vlaga v tleh se bolje zadržuje v nižjih slojih tal kot v višjih.«. 1.

(12) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Vse delovne hipoteze združujemo in nadgrajujemo v tezi: »S pomočjo brezžičnih senzorskih omrežij lahko sproti merimo vlago, ki je v tleh, in ugotovimo, kako je ta odvisna od različnih vremenskih pogojev.« Za preverjanje postavljenih hipotez smo izbrali časovno obdobje enega meseca, od 24. julija do 24. avgusta 2012.. 2.

(13) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 2. PREGLED OBJAV. 2.1. Brezžična senzorska omrežja. Brezžična senzorska omrežja so brezžična omrežja, ki so zgrajena iz prostorsko razporejenih avtonomnih senzorjev, katerih naloga je beleženje naravnih ali okoljskih razmer, kot so: temperatura, zvok, vibracije, pritisk, vlažnost, gibanje in onesnaženje. Zbrane podatke senzorji brezžično in med seboj kooperativno pošiljajo v glavno enoto, kjer se shranijo, obdelajo in analizirajo. Najpogosteje so senzorska omrežja enosmerna, vendar nekatera sodobnejša omrežja že delujejo dvosmerno in tako omogočajo nadzor nad aktivnostjo senzorja. Brezžična senzorska omrežja so se sprva razvijala le za potrebe vojske, dandanes pa se uporabljajo na številnih drugih področjih (Brezžična senzorska omrežja 2012). Brezžična senzorska omrežja se od klasičnih žičnih senzorskih vozlišč razlikujejo predvsem v tem, da so sposobna samoorganiziranja. Pri tem se sporočila prenašajo do naslovnika preko bližnjih vozlišč v več korakih (angl. »multi-hop«). Senzorsko vozlišče je običajno majhna naprava, ki poleg senzorjev vsebuje tudi brezžično oddajno-sprejemno enoto, namenjeno prenosu izmerjenih podatkov s senzorja ali morebitnih povratnih informacij za krmiljenje aktuatorjev, če so ti prisotni. Obstaja več vrst senzorjev, kot so na primer okoljski (temperatura, vlažnost, tlak), medicinski (EKG, dihanje, prevodnost kože) in drugi. Senzorska vozlišča zagotavljajo minimalno porabo energije, kar vpliva tako na domet brezžičnih povezav kot tudi na način prenašanja podatkov. Sporočila se od oddaljenih vozlišč do glavnega prejemnika prenašajo posredno, saj domet sega le do najbližjih sosednjih vozlišč. Vozlišča so večino časa neaktivna in začnejo delovati le takrat, ko pride do sprememb ali kadar dobijo zahtevo za odčitek meritve s senzorja od zunaj. Za brezžična senzorska omrežja je prav tako značilno, da so odporna proti okvaram in odpovedim vozlišč. Tako senzorsko omrežje deluje dalje, v nekaterih primerih le z zmanjšano zmogljivostjo, tudi če katero vozlišče preneha delovati.. 3.

(14) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Področja, na katerih se senzorska omrežja lahko uporabljajo, so zelo različna, saj zajemajo vse od tradicionalne telemetrije do telemedicine, okoljskih merjenj, inteligentnih hiš, industrijskih procesov, kmetijstva itd. Senzorska omrežja zaradi širokega obsega uporabe in možnosti, da lahko z njihovo pomočjo beležimo vrsto dodatnih informacij iz okolja, postajajo zanimiva tema raziskav. Vse popularnejša so tudi na področju industrije. Ob uspešni združitvi z možnostmi in s storitvami, ki jih ponuja splet, se bodo senzorska omrežja skupaj z informacijami, ki jih nudijo, vključila v globalno omrežje in s tem razširila možnosti nadaljnjega razvoja (Interno glasilo inštituta »Jožef Štefan« 2008). 2.1.1 Komponente brezžičnega senzorskega vozlišča Pri izbiri strojnih komponent za brezžično senzorsko vozlišče so ključnega pomena aplikacijske zahteve, povezane z velikostjo, s ceno in porabo energije. Osnovno brezžično senzorsko vozlišče sestavlja pet glavnih komponent (Karl in Willig 2005): •. krmilnik – obdeluje vse potrebne podatke in izvaja poljubno kodo (npr. komunicira s priklopljenimi senzorji),. •. pomnilnik – namenjen shranjevanju programov in vmesnih podatkov; običajno je sestavljen iz več vrst pomnilnika, pri čemer se v vmesni pomnilnik shranjujejo aktualni podatki, v trajnega pa program in zajeti podatki, ki morajo biti dostopni tudi po izpadu napajanja,. •. senzorji in aktuatorji – služijo kot vmesnik za povezavo s fizičnim svetom,. •. komunikacijska komponenta – sprejema in oddaja podatke preko brezžičnega omrežja in. •. napajalna komponenta – zagotavlja vir električne energije, za kar navadno uporabimo baterije ali akumulatorje, včasih tudi dodatno napajanje iz okolja (npr. fotovoltaične celice).. Shema vseh komponent je povzeta na sliki 1.. 4.

(15) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Slika 1: Komponente brezžičnega senzorskega omrežja.. Vsaka od teh komponent mora delovati tako, da porabi čim manj energije, vendar kljub temu izpolnjuje dodeljene naloge (Karl in Willig 2005). Krmilnik predstavlja jedro brezžičnega senzorskega vozlišča. Zbira podatke s senzorjev, jih obdeluje in določi, kdaj in kam bodo poslani, ter hkrati sprejema podatke drugih senzorskih vozlišč, kjer določa delovanje morebitnih aktuatorjev. Krmilnik je centralna procesna enota vozlišča, ki lahko hkrati izvaja več programov. Običajno je naloga krmiljenja prepuščena mikrokrmilnikom, saj so iz več razlogov za to najprimernejši; pri povezovanju z drugimi napravami (npr. senzorji) so fleksibilni, nudijo možnosti uporabe strojno podprtega signalnega procesiranja in delujejo z nizko porabo energije. Največkrat imajo za shranjevanje zajetih podatkov vgrajen tudi trajni pomnilnik, kot je na primer bliskovni (angl. »flash«) pomnilnik (Karl in Willig 2005). Kot pomnilniška komponenta se najpogosteje uporabljajo pomnilnik RAM, bliskovni pomnilnik in pomnilnik EEPROM. Pomnilnik RAM se uporablja za shranjevanje trenutnih podatkov s senzorjev in podatkov z drugih vozlišč. Je zelo hiter pomnilnik, vendar ima to pomanjkljivost, da se ob izgubi napajanja izgubijo tudi vsi podatki. Trajna pomnilnika, pomnilnik EEPROM in bliskovni pomnilnik, služita shranjevanju programa oziroma. 5.

(16) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. programske kode. Bliskovni pomnilnik lahko služi tudi kot vmesni in trajni pomnilnik za shranjevanje podatkov (Karl in Willig 2005). Pri brezžičnih senzorskih omrežjih lahko komunikacijska komponenta sprejema ali oddaja podatke s pomočjo radijskih valov, optične komunikacije ali ultrazvoka. Od naštetih se najpogosteje uporabljajo radijski valovi, saj omogočajo dolg domet signala in hitre prenose podatkov. Da je komunikacija v brezžičnem senzorskem vozlišču sploh mogoča, sta potrebna oddajnik in sprejemnik. Naprava, ki združuje oddajnik in sprejemnik, se v angleščini imenuje »transceiver«. Ta pretvarja bite iz mikrokrmilnika v radijske frekvence in obratno (Karl in Willig 2005). Senzorji in aktuatorji služijo kot vmesnik za komunikacijo brezžičnega senzorskega vozlišča s fizičnim svetom. Pri tem delimo senzorje v tri kategorije (Karl in Willig 2005): •. pasivni, vsesmerni senzorji (angl. »omnidirectional sensors«): termometer, mikrofon, detektor dima, senzor svetlobe, senzor za merjenje vibracij, vlažnosti, mehanskega stresa in napetosti v materialu, zračnega pritiska itd.,. •. pasivni senzorji z ozkim snopom svetlobe (angl. »narrow-beam sensors«): npr. fotoaparat in. •. aktivni senzorji: sonar, radar, seizmološki senzor itd.. Razlika med aktivnimi in pasivnimi senzorji je v tem, da slednji med delovanjem ne oddajajo ničesar, zato ne motijo okolice, temveč le beležijo, kako nanje okolica vpliva. Aktivni senzorji pa med delovanjem oddajajo radijske valove, ultrazvok ipd. in tako merijo razliko oziroma odziv. Tako kot senzorjev, je tudi aktuatorjev več vrst, ki se med seboj razlikujejo glede na namen uporabe. Njihova osrednja naloga je pretvarjanje prejetega signala v fizično dejanje in s tem vplivanje na okolico, na primer uravnavanje svetlobe pri svetilki (Karl in Willig 2005). Napajalna komponenta je ključna sistemska komponenta brezžičnih senzorskih vozlišč. Najpogostejši vir energije so baterije in akumulatorji, lahko pa posežemo po zunanjem viru energije, kot so sončne celice (Karl in Willig 2005).. 6.

(17) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Brezžična komunikacija lahko poteka s pomočjo več standardov, kot so na primer protokoli mobilne telefonije, standard ZigBee (IEEE 802.15.4), Wi-Fi (IEEE 802.11 b/g/n), Bluetooth, IEEE 1451 idr. (Karl in Willig 2005, IEEE 2012). 2.1.2 ZigBee tehnologija Za brezžična senzorska omrežja se uporablja predvsem ZigBee tehnologija. ZigBee je nov globalni standard, ki ga je razvilo združenje podjetij ZigBee Alliance na področju osebnih omrežij (angl. »PAN – Personal Area Network«). ZigBee Alliance je konzorcij več kot 270 podjetij, med katerimi so tudi Freescale, Mitsubishi, Philips, Texas Instruments, in je uveljavljen kot standard za nizkocenovna ter energijsko varčna brezžična senzorska omrežja (Elahi in Gschwender 2010). Logotip konzorcija ZigBee Alliance je podan na sliki 2.. Slika 2: Logotip združenja podjetij ZigBee Alliance. (Vir: http://www.zigbee.org/Portals/0/logo.gif, 1. 8. 2012). Za razvoj ZigBee tehnologije sta zaslužna ZigBee Alliance in mednarodno združenje IEEE oziroma njihova delovna skupina IEEE 802. Leta 2000 sta skupini skupaj zasnovali standard IEEE 802.15.4, ki definira ZigBee tehnologijo. Pri tem sodelovanju skupina IEEE določa fizične plasti in MAC podplasti (angl. »Medium Acces Control«), medtem ko je ZigBee Alliance odgovorna za vse preostale višje plasti, in sicer za omrežno in aplikacijsko plast ISO/OSI standarda (Cordeiro in Agrawal 2011). Razdelitev pristojnosti prikazuje slika 3.. 7.

(18) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Slika 3: Razpored plasti med ZigBee Alliance in IEEE 802.15.4. (Vir: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4f/ZigBee_protocol_stack.png, 1. 8. 2012). ZigBee je nov standard brezžičnih senzorskih omrežij s karakteristikami, navedenimi v naslednjih alinejah (Elahi in Gschwender 2010). •. Nizka poraba energije baterije, ki omogoča končni ZigBee napravi (angl. »ZigBee end device«), da deluje po več mesecev ali celo let, ne da bi bilo treba zamenjati baterijo.. •. Ima nizko ceno.. •. Dosega nizko hitrost prenosa podatkov. Najvišja hitrost prenosa podatkov za ZigBee naprave znaša 250 kbps.. •. Realizacija omrežja je enostavna.. •. Podpira do 65000 vozlišč, povezanih v omrežje.. •. ZigBee lahko samodejno vzpostavi svoje omrežje.. 8.

(19) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. •. ZigBee v primerjavi s standardom WiFi ali Bluetooth za prenos uporablja manjše pakete podatkov.. Preglednica 1: Primerjava karakteristik ZigBee standarda s karakteristikami standardov WiFi in Bluetooth.. WiFi IEEE 802.11. Bluetooth IEEE. ZigBee IEEE 802.15.4. 802.15.1. Uporaba. WLAN. Nadomestilo kablom. Kontrola in nadzor. Frekvenčni pas. 2,4 GHz (standard b, g). 2,4 GHz. 2,4 GHz, 868 MHz, 915. (dodeljene frekvence). 2,4/5 GHz (standard n). Življenjska doba. 0.1–5. 1–7. 100–7,000. 30. 7. 65,000. 2–100 Mbps (starejši. 1 Mbps. 20–250 kbps. MHz. baterije (v dnevih) Vozlišča na posamezno omrežje Pasovna širina. standardi) 300 Mbps (standard n) Domet (v metrih). 1–100. 1–10. 1–75 in več. Topologija. Drevesna (angl. »tree«). Drevesna. Mešana (angl. »mesh«), zvezdna, drevesna. El. tok (v amperih) v. 20 × 10ିଷ A. 200 × 10ି଺ A. 3 × 10ି଺ A. 100 KB. 100 KB. 100 KB. stanju pripravljenosti (angl. »Standby«) Pomnilnik. (Vir: Elahi in Gschwender 2010, str. 33). 9.

(20) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Med zgoraj navedenimi omrežji je ZigBee edino omrežje, ki omogoča mešano (angl. »mesh«) topologijo. Prav tako le v ZigBee omrežju končna ZigBee naprava deluje v »načinu spanja« (angl. »sleep mode«) in pri tem še vedno opravlja svojo nalogo v omrežju. ZigBee omrežje je v primerjavi z Bluetooth ali WiFi omrežjem bolj dodelano, saj omogoča nekatere funkcije, ki jih WiFi in Bluetooth ne. Tako Bluetooth, čeprav je po nekaterih funkcijah podoben ZigBee standardu, ne omogoča več vrst topologij. Prav tako je pri Bluetooth standardu električni tok v stanju pripravljenosti skoraj 70-krat večji kot pri ZigBee (Elahi in Gschwender 2010). Frekvenčni pas, v katerem deluje ZigBee omrežje, temelji na predpisih, ki veljajo za določeno državo. V evropskih državah Evropski inštitut za telekomunikacijske standarde (ETSI) sicer priporoča frekvenčni pas 868 MHz, vendar se poleg tega uporablja tudi frekvenčni pas 2,4 GHz. V ZDA, Avstraliji, Novi Zelandiji in Kanadi sta priporočena frekvenčna pasova 915 MHz in 2,4 GHz. Frekvenčni pas 2,4 GHz deluje na nelicenčnem območju ISM (angl. »Industrial, Scientific and Medical«) in se uporablja po vsem svetu predvsem v industriji, znanosti in medicini (Elahi in Gschwender 2010). V frekvenčnem pasu ISM 2,4 GHz je hitrost prenosa podatkov 250 kbps, medtem ko pri 868 MHz hitrost znaša 20 kbps in pri 915 MHz 40 kbps. Domet je v vsakem frekvenčnem pasu odvisen predvsem od okolja in občutljivosti sprejemnika, ki v frekvenčnem pasu 2,4 GHz znaša 85 dB in v frekvenčnih pasovih 868/915 MHz 92 dB. Praviloma bi morala vsaka naprava v brezžičnem omrežju prenesti 1 mW moči (angl. »transmission power«), kar pri uporabi znotraj objekta (angl. »indoor«) omogoča domet do 100 m in domet do 300 m pri uporabi zunaj objekta (angl. »outdoor«). Kljub temu je s povečanjem občutljivosti sprejemnika in zmernim povečanjem moči oddajnika domete mogoče še dodatno povečati; ob oddajni moči 100 mW tudi do 300 m pri uporabi znotraj objekta in do 4000 m pri uporabi zunaj objekta (Elahi in Gschwender 2010, Cordeiro in Agrawal 2011). 2.1.3 ZigBee topologije ZigBee omrežje podpira tri vrste topologij (Elahi in Gschwender 2010):. 10.

(21) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. •. Topologijo zvezde (angl. »star«): Topologijo zvezde sestavlja en koordinator in več končnih naprav (vozlišč). V tej topologiji se končne naprave (vozlišča) lahko povezujejo le s koordinatorjem, prav tako poteka le preko koordinatorja tudi vsak prenos podatkov med končnimi napravami (vozlišči). To je hkrati pomanjkljivost te topologije, saj se v primeru zastoja ali izpada koordinatorja medsebojno ne more povezati noben par končnih naprav (vozlišč). Prednost topologije zvezde je njena enostavnost, zaradi katere podatki svoj cilj dosežejo zelo hitro, običajno že v dveh korakih oziroma preskokih (angl. »hop«).. •. Topologijo drevesa (angl. »tree«): Topologijo drevesa sestavlja osrednje vozlišče drevesa (koordinator) in več usmerjevalnikov (angl. »router«) ter končnih naprav (vozlišč). Funkcija usmerjevalnikov je povečanje obsega omrežja. Pri tej topologiji se lahko končne naprave (vozlišča) povezujejo s koordinatorjem ali z usmerjevalniki. Delovanje topologije drevesa si lahko ponazorimo s prispodobo, pri kateri so lahko »starši« končnih naprav (ki tukaj predstavljajo »otroke«) le koordinator in usmerjevalniki. Končna naprava (vozlišče) tako v nobenem primeru ni in ne more postati »starš«. Pomanjkljivost topologije drevesa je, da se v primeru izpada katerega od »staršev« (koordinatorja ali usmerjevalnikov) »otroci« (končne naprave) tega »starša« ne morejo več povezovati z drugimi napravami v omrežju.. •. Mešano topologija (angl. »mesh« ali »peer-to-peer«): Mešano topologijo sestavlja en koordinator in več usmerjevalnikov ter končnih naprav (vozlišč). Značilnosti mešanje topologije so povzete v naslednjih alinejah. o Mešana topologija je »multihop« omrežje, kjer podatki za doseganje svojega cilja uporabljajo vmesna povezovalna vozlišča. o Obseg omrežja se lahko poveča z dodajanjem več naprav (npr. usmerjevalnikov) v omrežje. o Omogoča izločitev mrtvih con (angl. »dead zones«), tj. con brez signala. o Je samoorganizacijske narave (angl. »self-healing«), kar pomeni, da bo omrežje ob izpadu senzorskega vozlišča znalo prilagoditi pot informacije in bo tako samo poiskalo novo pot do cilja.. 11.

(22) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. o Naprave v omrežju se lahko namestijo ena zraven druge, kar zmanjša porabo energije. o Omogoča preprosto dodajanje in odstranjevanje naprav iz omrežja. o Vsaka naprava v omrežju, ki predstavlja izvor, se lahko povezuje s katero koli drugo ciljno napravo v omrežju. o Mešana topologija uporablja kompleksnejši usmerjevalni protokol kot topologija zvezde. Vse tri vrste ZigBee topologij prikazuje slika 4.. Slika 4: Prikaz zvezdne, drevesne in mešane tipologije.. 2.2. Vlaga in vlažnost tal. Vlaga je voda, ki je razpršena v plinu v obliki vodnih hlapov ali v obliki majhnih kapljic, ki so razpršene v prsti (ARSO – izraz vlaga 2012).. 12.

(23) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Vlažnost tal predstavlja vodo, ki je v tleh, in je eden najpomembnejših elementov v pedologiji tal, saj je nujno potrebna za nemoteno rast in razvoj rastlin. Glede na stopnjo vezanosti na talne delce ločimo tri glavne oblike vode v tleh: 1) Higroskopska voda (cedilna voda, perkolat): vodni hlapi v tleh se adsorbirajo na površini talnih delcev kot posledice molekularnih privlačnosti, zato je ta voda za rastline nedostopna. 2) Kapilarna voda: voda v tleh se zaradi površinske napetosti nabira kot prevleka okoli talnih delcev in se med njimi zadržuje ter nabira v majhnih porah. Ta oblika vode kljubuje sili teže in se obdrži v tleh, zato so hranila v njej dostopna rastlinam. 3) Gravitacijska voda: je voda prehodne narave, saj zaradi sile teže odteka v podtalnico. Tako količina vode, ki nato ostane v tleh, zaseda le določen volumen tal, saj nekatere pore ostanejo še vedno prazne (Hočevar in Petkovšek 1995, ARSO – izraz vlažnost tal 2012). V tleh je lahko več ali manj vode, zato se volumen por, ki je napolnjen s snovmi v plinastem stanju, tj. zrakom v tleh, spreminja. Vse to vpliva na vrednost toplotne prevodnosti. Zato je le-ta odvisna od številnih faktorjev, ki tla opredeljujejo. Med njimi so: mineralni sestav talnih agregatov, njihova tekstura in struktura, volumen por, količina vode in količina organskih snovi v tleh (Hočevar in Petkovšek 1995, str. 84). 2.2.1 Sestava tal Tla sestavljajo različne snovi v trdnem, plinastem in tekočem stanju. V trdnem stanju so mineralni in organski delci različnih velikosti, ki oblikujejo večje in manjše agregate oziroma skupke. Tekstura tal je odvisna od deleža in velikosti teh mineralnih delcev, medtem ko strukturo tal določa geometrični sestav oziroma način razporeditve delcev. Številne fizikalne lastnosti, med njimi tudi mehanske lastnosti tal, so odvisne od teksture in strukture tal (Hočevar in Petkovšek 1995). Volumen med skupki (agregati) in med posameznimi delci v agregatih imenujemo volumen por ali krajše – pore. Ta volumen zapolnjujeta zrak in voda ali točneje – talna raztopina. Razlikujemo dosegljivi volumen por in blokirani volumen por. Za dosegljivi. 13.

(24) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. volumen por je značilno, da ga lahko zrak ali voda napolnita, pri čemer ostanejo tla v celoti nespremenjena, medtem ko lahko blokiran volumen por napolnimo ali izsušimo z vodo, vendar se pri tem uničijo agregati, ki tla sestavljajo (Hočevar in Petkovšek 1995, str. 75). 2.2.2 Vir vode za vlažnost tal Padavine in podtalnica predstavljata vir vode, ki prispe v tla, pri čemer padavinska voda pronica v tla ali odteče po zemeljski površini kot površinska voda. Voda je lahko v treh agregatnih stanjih, in sicer kot tekočina, plin ali trdna snov. Te tri lastnosti vodi omogočajo, da kroži med zemeljsko površino in atmosfero. Pri tem ima pomembno vlogo princip difuzije, s pomočjo katerega voda prehaja iz tal in vod. Na podoben način kot so v listih razporejeni intercelularji (vmesni prostori med celicami v gobastem tkivu), so razporejeni tudi vmesni prostori med talnimi delci v tleh. V tleh se voda zadržuje zaradi sile imenovane adhezija, ki privlači molekule različnih snovi. Ob stiku vode z zrakom se pojavi difuzijska plast, s katere voda začne prehajati iz tekočega agregatnega stanja v plinasto in se zato difundira v atmosfero. Tam se vodni hlapi pri prehajanju v ozračje začnejo dvigati v višje predele atmosfere, dokler ne pride do kondenzacije. V procesu kondenzacije lahko voda iz plinastega preide v tekoče ali trdno agregatno stanje, pri čemer zaradi sile teže pade nazaj na zemljo v obliki kapljic, snega, toče, rose ali megle (Vpliv vlažnosti zraka na izhlapevanje vode iz tal 2010). Na izhlapevanje vode iz tal vplivajo različni dejavniki, predvsem sončna toplota in veter, izhlapevanje pa je odvisno tudi od vlažnosti ozračja. Glede na stopnjo vlažnosti ozračja voda vedno difundira od večjega vodnega potenciala k nižjemu vodnemu potencialu, tj. od večje koncentracije vode k nižji koncentraciji vode. Zato je izhlapevanje počasnejše, kadar je več vlage v ozračju in obratno (Vpliv vlažnosti zraka na izhlapevanje vode iz tal 2010). Prav tako je pri kroženju vode pomemben dejavnik evapotranspiracija, ki zajema tako izhlapevanje kot transpiracijo, torej prehajanje ali tok vode v obliki vodne pare z zemeljske površine in skozi rastline, ki rastejo na njej, v atmosfero (Hočevar in Petkovšek 1995, str. 80).. 14.

(25) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 2.2.3 Vlažnost zraka Na vlago v tleh vpliva tudi vlažnost zraka, ki je mešanica suhega zraka in vodne pare (Hočevar in Petkovšek 1995). Vlažnost podaja količino vodnih hlapov v zraku ali katerem koli drugem plinu. Razlikujemo med absolutno in relativno vlažnostjo (Strnad 1977, str. 198). Absolutna vlažnost je gostota vodne pare in se navadno meri v gramih na kubični meter zraka. Absolutna vlaga je sorazmerna parnemu tlaku in obratno sorazmerna temperaturi (Hočevar in Petkovšek 1995). Relativno vlažnost določa razmerje med absolutno vlažnostjo in nasičeno vlažnostjo pri določeni temperaturi. Z višanjem temperature zraka relativna vlaga pada, z nižanjem temperature pa narašča. Ko vlaga doseže 100 %, postane zrak nasičen. Temperaturo, pri kateri se to zgodi, imenujemo rosišče (Hočevar in Petkovšek 1995, str. 53). Običajno je delni tlak vode v zraku manjši od nasičenega, zato voda izhlapeva (Strnad 1977, str. 198).. 2.3. Merjenje vlage v tleh. Obstaja več različnih načinov in metod za merjenje vlažnosti tal. Ena od njih je uporaba tenziometrov, s pomočjo katerih se v namakalnih sistemih lahko ugotavljajo spremembe količine vode v tleh. Tenziometri so relativno preproste naprave, ki merijo, s kakšno tenzijo je voda vezana v tleh (slika 5). Odčitan podatek na tenziometru se nato s pomočjo krivulje tenzije pretvori v količino vode, ki je v tleh. Tenziometri merijo tenzijo vode kot podtlak in delujejo do 0,8 bara (Pintar 2006, str. 48).. 15.

(26) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Slika 5: Tenziometer. (vir: sl.scribd.com/doc/77813930/26/TENZIOMETRI, 20. 9. 2012). Med sodobnejše metode merjenja vlage prištevamo tudi merjenje s senzorji vlage v tleh s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Pri tej metodi se pogosto uporabljajo Watermark 200SS-5 senzorji ameriškega podjetja Irrometer. Ti senzorji se lahko glede na dolžino prevodne žice senzorja namestijo v tla na poljubne nivoje in po več hkrati, vsak na svoj nivo, kot prikazuje slika 6. Senzorji Watermark 200SS-5 so polprevodniška uporovna tipala, sestavljena iz dveh elektrod, ki sta vstavljeni v zrnato matrico pod tanko plastjo sadre. Ko voda v tleh, ki predstavlja električni prevodnik, navlaži senzor, se senzorju spremeni električna upornost, ki jo merimo. Ker so senzorji povezani s komponentami brezžičnega senzorskega omrežja, se zbrani podatki preko brezžičnega senzorskega omrežja beležijo v računalniku (200SS specification document 2012). Prednosti senzorjev Watermark 200SS-5 so: •. ugodna cena in preprosta uporaba,. •. možnost uporabe v reguliranih zalivalnih sistemih in. •. preprosto vzdrževanje.. Pomanjkljivosti senzorjev Watermark 200SS-5 so: •. slab reakcijski čas,. •. manjša učinkovitost v peščenih tleh (voda iz tal odteče, preden jo senzorji zaznajo) in. 16.

(27) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. •. manjša učinkovitost v izsušenih tleh (kadar se tla preveč izsušijo, je senzorje treba iz tal odstraniti, nekaj časa namakati v vodi in namestiti nazaj v tla) (Naprave za spremljanje vsebnosti vode v tleh 2012).. Slika 6: Watermark 200SS-5 senzorji vlage v tleh, nameščeni na različne nivoje. (vir: www.irrometer.com/pdf/sensors/403%20Sensor%20%20Web5.pdf, 20. 9. 2012). 2.3.1 Nivoji tal za merjenje vlage v tleh Nivo tal ima pomembno vlogo pri razvoju koreninskega sistema različnih kmetijskih rastlin. Glavnina korenin pri posameznih gojenih rastlinah sega različno globoko, kar je treba upoštevati pri merjenju vlage v tleh in nameščanju senzorjev v tla. •. Večina poljščin razvije glavnino svojega koreninskega sistema na globini od 10 do 20 cm.. 17.

(28) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. •. Večina koreninskega sistema sadnega drevja se razvije in razprostira v globini tal od 20 do 50 cm, le glavna korenina lahko prodira globlje.. •. Nekatero sadno drevje, ki raste na šibkih podlagah, potrebuje za uspešno rast globino tal 80–100 cm (Jazbec in sod. 1995).. 18.

(29) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 3. MATERIALI IN METODE DELA. 3.1. Lokacija in časovno obdobje poizkusa. Poizkus je bil izveden v občini Fram, na zasebnem zemljišču štiričlanske družine Šinkovec, ki leži ob regionalni cesti drugega reda med Mariborom in Celjem, R2-430. Poizkus je potekal v senčni legi sadovnjaka, natančneje pod sadnim drevesom vrste češnja, od 24. 7. 2012 do 24. 8. 2012, torej en mesec. Lega pod češnjo je bila izbrana iz praktičnega razloga, saj je krošnja češnje nudila veliko sence, ki je bila nujna za zaščito elektronike pred neposredno sončno svetlobo. Prav tako je infrastruktura v neposredni bližini češnje omogočala priključitev napajalnega kabla od najbližjega vira napetosti do elektronike.. 3.2. Značilnosti lokacije poizkusa. V podpodpoglavju 3.2.1 so navedeni vsi splošni podatki značilnosti tal na območju poizkusa. 3.2.1 Tla Pred začetkom merjenja vlage v tleh je dobro poznati vrsto in značilnosti tal, saj le-te pomembno vplivajo na vlago v tleh. Pri našem poizkusu je bil talni tip naslednji: (Geopedia 2012, tematske karte 2012): •. oddelek: avtomorfna tla,. •. razred: kambična tla, profil tipa A – Bv – C,. •. tip: evtrična rjava tla,. •. podtip: na pleistocenskih ilovicah,. •. varieteta: oglejena,. •. oblika: globoka (nad 70 cm),. 19.

(30) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. •. FAO1: Cme,. •. FAO tip: Eutric Cambisol,. •. tekstura tal: srednje težka do težka tla.. Za avtomorfna tla je značilno, da lahko atmosferska voda prosto pronica skozi talni profil, zato ne pride do redukcijskih procesov in prekomernega vlaženja tal, ki ga povzroča zastajanje vode. V ta oddelek poleg avtomorfnih tal uvrščamo še trdinska ali terestična tla (Tehnična navodila za določanje bonitete zemljišč 2008). Po podatkih s pedološke karte sposobnosti tal za zadrževanje vode na kmetijskih zemljiščih v Sloveniji imajo tla na območju poizkusa srednjo sposobnost za zadrževanje vode. Splošna ocena na karti daje skupaj s klimatskimi podatki osnovo za oceno suše v Sloveniji v letu 2000 (Tematska karta - sposobnost tal za zadrževanje vode 2001). Talni tipi, ki se uvrščajo v razred kambičnih tal (angl. »cambisols«), so nastali z nadaljnjim razvojem iz humusno-akumulativnih tal. Zanje je značilen kambični B-horizont, ki se nahaja neposredno pod humusnim A-horizontom. B-horizont lahko prehaja neposredno v razdrobljeno matično podlago, ki se imenuje C-horizont. Kambični B-horizont je osrednji diagnostični horizont kambičnih tal. Pogoji za njegovo oblikovanje so primerni, kadar tla s pomočjo pedogeneze preidejo v določeno globino. Takrat v globljih delih profila pride do procesov, ki vodijo k razpadu primarnih mineralov in k tvorbi glinastih mineralov (argilosintezi). Pri tem se sproščeni železovi oksidi adsorpcijsko vežejo na površini novo oblikovanih mineralov glin in dajejo horizontu značilno rjavo barvo (Tehnična navodila za določanje bonitete zemljišč 2008, str. 24). Po definiciji so evtrična rjava tla nastala na nevtralnih in bazičnih kamninah. Običajno imajo molični, redkeje ohrični A-horizont, ki navadno sega več kot 20 cm globoko. Ta horizont postopno prehaja v kambični Bv-horizont. Stopnja nasičenosti izmenljivega dela 1. Po mednarodni klasifikaciji FAO za razvrščanje prsti se tla na območju poizkusa uvrščajo v razred kambičnih tal (Cme). s talnim tipom Eutric Cambisol (evtrični kambisol). FAO je organizacija za prehrano in kmetijstvo pri mednarodni organizaciji OZN, ki je bila ustanovljena leta 1945, in ima sedež v Rimu.. 20.

(31) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. tal z bazami znaša v Bv-horizontu nad 50 %, pH-vrednost pa je višja od 5. Evtrična rjava tla so v največji meri zastopana kot stabilna talna tvorba v območju semihumidne klime s srednjo količino padavin 600–700 mm in z izraženim sušnim poletnim obdobjem. V teh predelih srednja letna temperatura znaša 10–12 °C (Tehnična navodila za določanje bonitete zemljišč 2008, str. 25). Glede na morfološke značilnosti so evtrična rjava tla na območju poizkusa segala preko 70 cm globine, gradili pa so jo horizonti A, Bv in C. Po kemičnih lastnostih evtričnih rjavih tal so tla slabo kisle do nevtralne reakcije (pH nad 5,0 in običajno med 6,0 in 7,0), z visoko stopnjo zasičenosti z bazami (V = 70 – 80 %) in razmeroma visoko kationsko izmenjalno kapaciteto (T = 30 - 40 mmol/100 g tal). Vsebnost humusa na kmetijskih površinah običajno znaša 3–4 %, kar pomeni zadovoljivo količino humusa. Evtrična rjava tla praviloma ne vsebujejo prostih karbonatov, ti se izjemoma nahajajo le v spodnjem delu Bv-horizonta ob stiku z matično podlago (Tehnična navodila za določanje bonitete zemljišč 2008, str. 25, 26). Evtrična rjava tla predstavljajo najboljša tla v kmetijstvu. Na njih lahko gojimo vse vrste kmetijskih kultur, ki uspevajo v našem klimatskem območju (Tehnična navodila za določanje bonitete zemljišč 2008, str. 26). 3.2.2 Klimatske razmere Poizkus se je izvajal od julija do avgusta v občini Fram, ki leži v severovzhodnem delu Slovenije, kjer prevladuje zmerno celinsko podnebje. Za vzhodna območja s tem podnebjem so značilna precej vroča poletja in poletni viški padavin (Geografija Slovenije 2012). Agencija RS za okolje ima na vzhodnem vznožju Pohorja, natančneje v naselju Fram, meteorološko padavinsko postajo, ki je postavljena na nadmorski višini 333 m. Na postaji opazujejo vremenske pojave in z ombrometrom merijo višino padavin, višino zapadlega. 21.

(32) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. snega in skupno višino snežne odeje. Iz dolgoletnega povprečja te postaje (1961–1990) je razvidno, da so za mesec avgust izmerili povprečno 130 mm padavin, za mesec julij pa le malenkost manj, približno 125 mm padavin. Na sliki 7 je prikazana geografska lega merilne postaje Fram (Meteorološka postaja v Framu 2003).. Slika 7: Geografska lega padavinske postaje Fram. (vir: meteo.arso.gov.si/uploads/probase/www/climate/text/sl/stations/fram.pdf, 19. 9.2012). 3.3. Uporabljen material. Osnovo za uspešno izvedbo poizkusa so predstavljale komponente, ki gradijo brezžično senzorsko omrežje; računalnik, ki omogoča uspešno komunikacijo med komponentami in beleženje rezultatov; in drugi pomožni material (npr. pomožni napajalnik, zaščitno ohišje idr.). 3.3.1 Uporabljene komponente. 22.

(33) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Kot brezžično senzorsko vozlišče, ki je osnova vsakega brezžičnega senzorskega omrežja, je bila uporabljena odprtokodna platforma Waspmote, predstavljena na sliki 8. Platformo je leta 2009 razvilo špansko podjetje Libelium. Waspmote platforma je zasnovana na modularni arhitekturi, ki omogoča priključitev vseh modulov in razširitvenih plošč k platformi preko prostih namenskih rež (angl. »sockets«) (Waspmote 2012).. Slika 8: Waspmote platforma podjetja Libelium. (Vir: http://www.libelium.com/documentation/waspmote/waspmote-datasheet_eng.pdf, 1. 8. 2012). Nalogo pomnilniške komponente na platformi Waspmote prevzemajo tri vrste pomnilnika, in sicer SRAM velikosti 8 KB, EEPROM velikosti 4 KB, bliskovni pomnilnik velikosti 128 KB ter razširitev za priključitev spominske kartice SD velikosti do 2 GB. Kot primarni vir napajanja platforme je služila akumulatorska baterija z napetostjo 3,7 V in kapaciteto 2300 mAh. Dodatno je bil k platformi priključen še napajalni kabel USB, ki je služil kot sekundarni vir napajanja. Samostojno napajanje preko kabla USB na izhodu ne bi zagotavljalo dovolj visokega toka (100 mA), da bi ga lahko uporabili kot samostojen vir napajanja, kljub temu pa omogoča ponovno polnjenje akumulatorske baterije.. 23.

(34) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Komunikacijsko komponento je predstavljal ZigBee modul XBee-Pro S2, ki za komunikacijo uporablja frekvenčni pas ISM 2,4 GHz, pri čemer za komunikacijo z mikrokrmilnikom uporablja serijski RS-232 vmesnik s hitrostjo 38400 bps (Waspmote technical guide 2012). Po podatkih proizvajalca Digi znaša domet modula Xbee do 1500 m pri oddajni moči 10mW in občutljivosti 102 dB (Digi 2010). Waspmote platforma s priključeno akumulatorsko baterijo in ZigBee modulom XBee-Pro S2 je prikazana na sliki 9.. Slika 9: Waspmote platforma s priključeno akumulatorsko baterijo in ZigBee modulom.. Topologije ZigBee omrežij, predstavljene v podpoglavju 2.1.3, prikazujejo komponento koordinatorja kot osrednjo komponento vseh topologij. Pri poizkusu je nalogo koordinatorja prevzela komponenta Waspmote Gateway, ki se priključi preko priključka USB A v USB vhod računalnika. Računalnik koordinatorju zagotavlja napajanje in hkrati omogoča, da se zbrane informacije v brezžičnem senzorskem omrežju prenesejo in. 24.

(35) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. shranijo (slika 10). Waspmote Gateway s pomočjo ZigBee modula XBee-Pro S2 deluje kot dostopna točka med senzorskim omrežjem in opremo, ki sprejema podatke (npr. računalnik).. Slika 10: Waspmote Gateway vključen v računalnik.. 3.3.1.1 Uporabljeni senzorji Pri poizkusu je bilo uporabljenih več različnih senzorjev, ki so v brezžičnem senzorskem omrežju neprekinjeno zajemali podatke o temperaturi zraka, vlažnosti zraka, temperaturi tal, vlagi v tleh na treh različnih nivojih in omočenosti listov na drevesu. Vsi senzorji so prikazani na sliki 11.. 25.

(36) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Slika 11: Od leve proti desni: senzor temperature tal, senzor temperature in vlažnosti zraka, senzor omočenosti listov in trije senzorji vlage v tleh.. Senzorjev ni mogoče priklopiti neposredno na Waspmote platformo, zato se je k platformi preko namenskih prostih rež priključila razširitvena senzorska plošča za kmetijstvo (angl. »Agriculture Sensor Board«), ki vsebuje namenske proste reže za različne vrste senzorjev. Razširitveno ploščo prikazuje slika 12.. Slika 12: Razširitvena senzorska plošča za kmetijstvo s senzorji, priključena na platformo Waspmote.. 26.

(37) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Razširitvena senzorska plošča za kmetijstvo omogoča spremljanje različnih okoljskih parametrov, ki so vključeni v širok spekter uporabe; od analiz rasti pridelka do spremljanja vremena (Agriculture 1.0 – technical guide 2012). 3.3.2 Uporabljena delovna postaja Delovna postaja je pri poizkusu imela dve funkciji; služila je namreč kot vir napajanja koordinatorju (Waspmote Gateway), priključenem na USB vhod računalnika, in obenem beležila in shranjevala rezultate. Pri poizkusu je delovno postajo predstavljal računalnik VIA EPIA PX10000, prikazan na sliki 13. VIA EPIA PX10000 je mini namizni računalniški sistem z zelo majhno porabo energije, saj je le-ta moral delovati štiriindvajset ur na dan.. Slika 13: Sprejemni računalnik VIA EPIA PX10000.. 3.4. Metode dela. 27.

(38) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Pred začetkom zbiranja podatkov smo morali Waspmote platformo programirati. V ta namen je bila v bliskovni pomnilnik platforme nameščena programska koda, napisana v programskem jeziku C in prevedena v strojni jezik. Poljubna programska koda definira delovanje platforme in je odvisna od namena uporabe brezžičnega senzorskega omrežja. V naslednjem koraku je bilo treba zavarovati elektroniko pred zunanjimi vplivi, saj je poizkus potekal na prostem. Zato se je Waspmote platforma s priključeno razširitveno ploščo za kmetijstvo in akumulatorsko baterijo vstavila v zaščitno plastično ohišje, medtem ko so se na ohišju zvrtale luknje za kable in anteno ZigBee modula. Sledilo je nameščanje senzorjev Watermark 200SS-5 za merjenje vlage v tleh. Najprej smo po navodilih proizvajalca vse tri senzorje za približno eno uro potopili v destilirano vodo, saj senzorji prikažejo pravilne vrednosti, le kadar so navlaženi. Navlažene senzorje smo nato namestili v tla na tri različne nivoje, kot je prikazano na sliki 14. Prvega na nivo 20 cm, drugega na nivo 50 cm in tretjega na nivo 80 cm. To je bilo izvedeno s pomočjo 1 meter dolge votle aluminijaste palice, ki se je s kladivom zabijala v tla do želenega nivoja. Senzorje smo po namestitvi v tla zasipali z zemljo in jo potlačili, saj je za uspešen zajem podatkov ključno, da ima senzor dober stik z zemljo.. Slika 14: Nameščanje senzorjev v tla.. 28.

(39) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Pri nameščanju senzorjev smo kot referenčne vrednosti za globine tal uporabili podatke iz podpoglavja 2.3.1. Senzorje vlage Watermark 200SS-5 smo tako namestili v tla v razmikih po 30 cm. Izhodna frekvenca, ki jo prikaže senzor glede na količino vlage v tleh, je odvisna od razmerja med upornostjo senzorja in tlakom, ki ga merimo v tleh. Razmerje podaja naslednja enačba (1):. ‫=ܨ‬. (137,5 × ܶ‫ ܣ‬+ 150940) (2,8875 × ܶ‫ ܣ‬+ 19,74). kjer je: F - izhodna frekvenca senzorja v Hertzih [Hz] TA - tlak v tleh v centibarih [cbar]; 1 cbar = 1000 Pa = 0,01 bar Z višanjem vlage v tleh pada tako električna upornost senzorja kot tudi tlak v tleh. Merilno območje senzorjev vlage v tleh znaša 0–200 cbar, pri čemer se vrednost električne upornosti spreminja od 550 Ω pri vrednosti tlaka 0 cbar, do 28075 Ω pri vrednosti tlaka 200 cbar (Agriculture 1.0 - technical guide 2012). Poleg senzorjev za merjenje vlage v tleh se je v tla namestil tudi PT-1000 senzor za merjenje temperature tal, prikazan na sliki 11. Senzor temperature je bil nameščen na nivo 5 cm od površja, saj toliko znaša dolžina merilnega dela senzorja. Naloga senzorja temperature je prikazati, kako se temperatura tal spreminja v odvisnosti od različnih vremenskih vplivov in v kakšnem odnosu je temperatura z vlago v tleh. Nalogo merjenja temperature in vlažnosti zraka je prevzel senzor SHT 75, prikazan na sliki 11. Zaradi zaščite pred zunanjimi vremenskimi vplivi smo ga namestili pod pokrov plastičnega ohišja elektronike, ohišje pa smo namestili na zunanji zaščitni pokrov iz pleksi. 29.

(40) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. stekla, kot je prikazano na sliki 15. Zunanji zaščitni pokrov iz pleksi stekla je namreč služil kot dodatna zaščita osrednje elektronike v plastičnem ohišju.. Slika 15: Senzor temperature in vlažnosti zraka, nameščen na zunanji zaščitni pokrov iz pleksi stekla.. Pri merjenju okoljskih parametrov v sadovnjaku je bil pomemben podatek tudi o omočenosti listov na drevesu. V ta namen je bil uporabljen senzor oznake LWS, ki je zaznaval stopnjo omočenosti listov glede na različne vremenske vplive. LWS senzor deluje po principu upornosti. Ta mu začne padati v odvisnosti od tega, kako močno je senzor omočen. Če senzor potopimo v vodo, mu električna upornost pade na 5 kΩ. Izhodna napetost senzorja je odvisna od spremenljive vrednosti upora in obratno sorazmerna z vlago, ki se kondenzira na senzorju. Senzor omočenosti listov zaznava stopnjo vlažnosti s pomočjo prečnih stikov, ki so na ploščici senzorja. Senzor smo s pomočjo električne žice in vezice namestili v območje listov ob veji, kot je prikazano na sliki 16 (Agriculture 1.0 technical guide 2012).. 30.

(41) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. Slika 16: Senzor omočenosti listov, nameščen v območje listov.. Izvedbo poizkusa je omogočila topologija brezžičnega senzorskega omrežja v obliki okleščenega zvezdnega omrežja s koordinatorjem in eno končno napravo, kot je prikazano na sliki 17. Koordinator omrežja je bil vključen v USB vhod delovne postaje in neprekinjeno prejemal rezultate, ki jih je pošiljala končna naprava, na katero so bili priključeni senzorji.. Slika 17: Toplogija uporabljena pri poizkusu.. 3.4.1 Vir podatkov za količino padavin Vir podatkov za količino padavin je v času poizkusa omogočala meteorološka postaja v Framu, ki je od lokacije poizkusa oddaljena po zračni liniji 1400 metrov. Podatki o količini. 31.

(42) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. padavin so redno objavljeni na spletnem portalu Državne meteorološke službe Republike Slovenije. Rezultati o padavinah bodo prikazani v tabeli v naslednjem poglavju o rezultatih z razpravo.. 32.

(43) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 4. REZULTATI Z RAZPRAVO. Poglavje rezultatov smo razdelili na dva dela. Uvodoma bomo za lažjo ponazoritev delovanja senzorjev predstavili rezultate posameznega senzorja za določen dan, nato pa bomo predstavili rezultate za ves mesec merjenja.. 4.1. Grafična predstavitev principov merjenja posameznih senzorjev. Kot naključni dan je bil izbran ponedeljek, 30. 7. 2012, saj je bil ta dan zaradi padavin z vidika meritev zelo pester. Padavine so se pojavile že dan prej, 29. 7. 2012, in trajale od 17.30 do jutranjih ur naslednjega dne, kar je vplivalo na meritve iz senzorjev. Vsaka urna meritev v nadaljevanju je sestavljena iz povprečja meritev, opravljenih vsakih 25 s. Enako velja za vrednosti odklonov.. Preglednica 2: Podatki o količini padavin z merilne postaje Fram. DATUM. KOLIČINA PADAVIN. 24. 7. 2012–25. 7. 2012. 22,7 mm/m2. 29. 7. 2012–30. 7. 2012. 1,5 mm/m2. 31. 7. 2012. 0,1 mm/m2. 3. 8. 2012. 3,1 mm/m2. 9. 8. 2012–10. 8. 2012. 5,3 mm/m2. 23. 8. 2012. 1,5 mm/m2. 4.1.1 Senzor omočenosti listov Merilno območje senzorja omočenosti listov znaša od 1 V, kar predstavlja 100 % vlažnosti, do 3,3 V, kar predstavlja 0 % vlažnost senzorja (Agriculture 1.0 - technical guide 2012). Kot je razvidno iz grafa 1, ki prikazuje vrednosti za 30. 7. 2012, smo do sedme ure. 33.

(44) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. zjutraj izmerili povprečno napetost 1,1 V ± 0,03 V, iz česar lahko sklepamo, da je bil senzor v tem času popolnoma moker. Razlog za to so padavine, ki so glede na vrednosti senzorja omočenosti listov, trajale približno do osme ure zjutraj. Med sedmo in osmo uro zjutraj se je začela napetost na senzorju počasi višati, na kar je vplivalo prenehanje padavin, naraščanje temperature zraka in nižanje zračne vlage, ki je povzročilo sušenje listov na drevesu in senzorja. Med sedmo in deveto uro je povprečna izmerjena napetost znašala 1,83 V ± 0,33 V. Po deveti uri in dvajset minut so se povprečne vrednosti ustalile in znašale 3,3 V, s ± standardnim odklonom 0 V, kar kaže na to, da je bil senzor v tem času že popolnoma suh.. 34.

(45) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 35. Senzor omočenosti listov 4. 3,5. Izhodna napetost [V]. 3. 2,5. 2 Povprečje Odklon. 1,5. 1. 0,5. 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24. Čas [h]. Graf 1: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja omočenosti listov na dan 30. 7. 2012..

(46) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 4.1.2 Senzor temperature zraka Iz grafa 2 je razvidno, da smo 30. 7. 2012 do pete ure zjutraj izmerili povprečno vrednost temperature 15 °C s standardnim odklonom, ki je minimalno odstopal od povprečja, in sicer za ± 0,12 °C. Od pol šeste do šeste ure zjutraj je senzor zaznal najnižje vrednosti temperature v tem dnevu. Po sončnem vzhodu ob šesti uri se je temperatura začela višati in dosegla prvi lokalni maksimum med osmo in deveto uro zjutraj, s povprečno temperaturo 23 °C ± 1,31 °C. Le-ta je posledica sonca, ki je v tem času sijalo neposredno na zaščitno ohišje, pod katerim je bil senzor temperature zraka. Tega sicer nismo pričakovali, saj smo senzor zaščitili in postavili v senco, vendar je nizko jutranje sonce kljub temu doseglo senzor in vplivalo na naraščanje temperature v ohišju, ki jo je zaznaval senzor. Med dvanajsto in eno uro popoldan je temperatura dosegla drugi maksimum, pri katerem je povprečna vrednost znašala 26 °C ± 0,5 °C. Tretji maksimum smo izmerili med peto in šesto uro popoldan, s povprečjem 26 °C ± 0 °C. Po šesti uri je povprečna temperatura začela padati in ob koncu dneva dosegla povprečno vrednost 18 °C, pri čemer je standardni odklon znašal 0,37 °C.. 36.

(47) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 37. Senzor temperature zraka 30. Temperatura [°C]. 25. 20. 15. Povprečje Odklon 10. 5. 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. Čas [h]. Graf 2: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja temperature zraka na dan 30. 7. 2012.. 24.

(48) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 4.1.3 Senzor vlažnosti zraka Graf 3 prikazuje vrednosti relativne vlažnosti, ki jih je 30. 7. 2012 izmeril senzor vlažnosti zraka. Od dvanajste ure ponoči do devete ure zjutraj je relativna vlaga v zraku znašala 100 %. Vzrok za takšno vrednost relativne vlažnosti zraka lahko iščemo v naraščanju vlage zraka v času padavin in delni kondenzaciji vlage na senzorju, ki je nastala med padavinami. Med deveto in deseto uro je relativna vlažnost zraka strmo padla na povprečno vrednost 82 % ± 10,12 %, dokler ni med 17. in 18. uro popoldan dosegla najnižje povprečne vrednosti 45 %, z manjšim odstopanjem standardnega odklona, in sicer za 1,2 %. Po 18. uri so vrednosti zaradi bližajočega sončnega zahoda in s tem padanja temperature zraka začele ponovno naraščati in ob koncu dneva ob polnoči dosegle 80 %. Ponovna sprememba povprečne vrednosti relativne vlažnosti je sledila med osmo in deseto uro zvečer s povprečno vrednostjo 75 % ± 1,8 %.. 38.

(49) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 39. Senzor vlažnosti zraka 100 90. Relativna vlažnost [%]. 80 70 60 50. Povprečje Odklon. 40 30 20 10 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. Čas [h]. Graf 3: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja relativne vlažnosti zraka na dan 30. 7. 2012..

(50) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 4.1.4 Senzor temperature tal Graf 4 prikazuje vrednosti temperature tal na dan 30. 7. Iz grafa je razvidno, da je razpon spreminjanja temperature tal veliko manjši kot pri temperaturi zraka. Senzor temperature tal je izmeril najnižje vrednosti v nočnem času, ko je povprečna temperatura znašala 18 °C ± 0,06 °C. Od osme do dvanajste ure je povprečna temperatura tal narasla do 20 °C ± 0,09 °C. Po šesti uri zvečer se je povprečna vrednost temperature tal začela ponovno nižati, pri čemer je ob koncu dne znašala 19 °C ± 0,08 °C. Iz primerjave grafov 2 in 4 je razvidno, da je na temperaturo tal vplivala visoka temperatura zraka, ki je segrela vrhnji sloj tal, in ne neposredna sončna svetloba, saj je bil senzor temperature tal nameščen v senci. Temperatura zemlje je tako ostala razmeroma konstantna ves dan, saj se je spreminjala le v območju 3 °C.. 40.

(51) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 41. Senzor temperature tal 22. 21. Temperatura [°C]. 20. 19. Povprečje 18. Odklon. 17. 16. 15 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. Čas [h]. Graf 4: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja temperature tal na dan 30. 7. 2012.. 24.

(52) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 4.1.5 Senzorji vlažnosti tal na treh različnih nivojih – 20, 50 in 80 cm Graf 5 prikazuje vrednosti tlaka, ki so ga 30. 7. 2012 zaznali senzorji vlage v tleh na treh različnih nivojih. Izhodna frekvenca senzorja je odvisna od razmerja med upornostjo senzorja in tlakom, ki ga merimo v tleh. Razmerje podaja enačba iz podpoglavja 3.4 (1). Od dvanajste ure ponoči do 14:45 popoldan je bila vlaga v tleh konstantna na globinah 20 cm in 50 cm. Vrednost prvega senzorja je tako znašala 0,02 bar oziroma 2 cbar, medtem ko je drugi senzor izmeril vrednost 0,09 bar oziroma 9 cbar. Na globini 80 cm je do 11. ure vrednost tlaka znašala 1,18 bar oziroma 118 cbar. Nato je vrednost tlaka na tej globini do 14. ure nekoliko nihala proti nižjim vrednostim in do 14:45 dosegla vrednost 0,75 bar oziroma 75 cbar. Vrednosti so se začele izrazito spreminjati po 14:45. Na spremembo vlage v tleh so vplivale okoljske razmere, kot je izhlapevanje vlage, ki nastopi zaradi višjih popoldanskih temperatur zraka. Prav tako je za spremembo zaslužno pronicanje vode v tleh v nižje plasti. Sorazmerno z nižanjem vrednosti vlage na 20 cm se je vlaga v tem času v nižjem nivoju na 80 cm začela višati. Povprečna vrednost za prvi senzor na nivoju 20 cm se je do konca dneva zvišala na 0,33 bar oziroma 33 cbar. Povprečna vrednost za drugi senzor na nivoju 50 cm se je do konca dneva zvišala na 0,39 bar oziroma 39 cbar, medtem ko je povprečna vrednost za tretji senzor do konca dneva padla na 0,40 bar oziroma 40 cbar. Največ vlage so pridobila tla na 80 cm, saj je tam začetna vrednost znašala 1,18 bar oziroma 118 cbar in ob koncu dneva 0,40 bar oziroma 40 cbar, medtem ko se je na nivoju 20 cm vrednost zvišala iz 0,02 bar oziroma 2 cbar na 0,33 bar oziroma 33 cbar ter na nivoju 50 cm iz 0,09 bar oziroma 9 cbar na 0,39 bar oziroma 39 cbar.. 42.

(53) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 43. Tlak v tleh v odvisnosti od vlažnosti tal 1,4. 1,2. Tlak [bar]. 1. SENZOR NA 20 CM povprečje. 0,8. SENZOR NA 20 CM odklon SENZOR NA 50 CM povprečje 0,6. SENZOR NA 50 CM odklon SENZOR NA 80 CM povprečje. 0,4. SENZOR NA 80 CM odklon. 0,2. 0 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24. Čas [h]. Graf 5: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti vlažnosti tal na treh različnih nivojih na dan 30. 7. 2012..

(54) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 4.2. Grafi za celotno obdobje merjenja. V drugem delu poglavja 4 so predstavljeni grafi za celotno obdobje merjenja, torej od 24. 7. do 24. 8. 2012. V grafih smo zbrali podatke o vlagi v tleh in drugih okoljskih parametrih, ki na vlago vplivajo. Ugotovitve za meritve celotnega meritvenega obdobja smo podali v podpodpoglavju 4.2.5.. 44.

(55) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 45. 4.2.1 Senzor omočenosti listov. Senzor omočenosti listov 4. 3 2,5 2. Povprečje. 1,5. Odklon. 1 0,5 0 7.24.2012 7.25.2012 7.26.2012 7.27.2012 7.28.2012 7.29.2012 7.30.2012 7.31.2012 8.1.2012 8.2.2012 8.3.2012 8.4.2012 8.5.2012 8.6.2012 8.7.2012 8.8.2012 8.9.2012 8.10.2012 8.11.2012 8.12.2012 8.13.2012 8.14.2012 8.15.2012 8.16.2012 8.17.2012 8.18.2012 8.19.2012 8.20.2012 8.21.2012 8.22.2012 8.23.2012 8.24.2012. Izhodna napetost [V]. 3,5. Datum. Graf 6: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja omočenosti listov od 24. 7. do 24. 8. 2012..

(56) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 46. 4.2.2 Senzor temperature zraka in tal. Senzor temperature zraka in temperature tal 40. Temperatura [°C]. 35 30 25 20. SENZOR TEMPERATURE ZRAKA povprečje SENZOR TEMPERATURE ZRAKA odklon. 15. SENZOR TEMPERATURE TAL povprečje 10. SENZOR TEMPERATURE TAL odklon. 5 0. Datum. Graf 7: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja temperature zraka in temperature tal od 24. 7. do 24. 8. 2012..

(57) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 47. 4.2.3 Senzor vlažnosti zraka. Senzor vlažnosti zraka. Relativna vlažnost [%]. 120. 100. 80. 60 Povprečje 40. Odklon. 20. 0. Datum. Graf 8: Povprečja in odkloni za izmerjene vrednosti senzorja relativne vlažnosti zraka od 24. 7. do 24. 8. 2012..

(58) Štefanič M. Merjenje vlažnosti tal s pomočjo brezžičnega senzorskega omrežja. Dipl. delo. Maribor, Univerza v Mariboru, Fakulteta za kmetijstvo in biosistemske vede, 2012. 48. 4.2.4 Senzorji vlažnosti tal na treh različnih nivojih – 20, 50 in 80 cm. Tlak v tleh v odvisnosti od vlažnosti tal 1,4 1,2. Tlak [bar]. 1 0,8. SENZOR NA 20 CM povprečje SENZOR NA 20 CM odklon. 0,6 SENZOR NA 50 CM povprečje SENZOR NA 50 CM odklon. 0,4. SENZOR NA 80 CM povprečje 0,2. SENZOR NA 80 CM odklon. 0. Datum. Graf 9: Povprečja in odkloni za izmerjen tlak senzorjev vlage v tleh od 24. 7. do 24. 8. 2012..

No results found