Problemi di scarsità d'acqua risolti con l'irrigazione agricola avanzata

Nell'ultimo decennio, i controlli di irrigazione agricola sono diventati sempre più sofisticati. Oggi, molti coltivatori hanno sostituito i tradizionali timer per l'irrigazione e i regolatori idraulici con avanzati componenti di controllo e connettività simili a quelli delle applicazioni industriali, tra cui sistemi che impiegano controller a logica programmabile (PLC), PC industriali e componenti di automazione sempre più economici con la capacità di connettersi e sfruttare i comuni protocolli di comunicazione industriali. Questi controller e componenti possono accettare l'input da fonti quali sensori di umidità del suolo, stazioni meteorologiche e sensori del punto di congelamento per ricavare risposte adattive di agricoltura digitale in tempo reale.

Inoltre, questi sofisticati sistemi di controllo dell'irrigazione stanno diventando sempre più accessibili, anche se l'uso dei dati per ottimizzare l'irrigazione è sempre più intelligente.

Figura 1: Toro, azienda produttrice di attrezzature per la cura del verde e per i coltivatori, vende i sistemi di irrigazione agricola Tempus Automation che sfruttano la connettività 4G/Wi-Fi/LoRa/Bluetooth. La stazione base consente ai coltivatori di controllare le valvole e i dispositivi di monitoraggio in un raggio di 1,6 km. Altre stazioni base possono essere aggiunte facilmente per estendere la portata; tutte possono essere alimentate a energia solare o cablate. (Immagine per gentile concessione di The Toro Co.)

La conservazione dell'acqua è un imperativo sempre più pressante, con il clima che si riscalda, le regioni che diventano più aride, la popolazione che aumenta e le falde acquifere che si esauriscono. In effetti, l'acqua potrebbe presto diventare la principale risorsa critica e assumerà un'importanza geopolitica superiore a quella del petrolio nel XXI secolo - forse addirittura scatenando le guerre del futuro. I problemi legati all'acqua esistono già da tempo in Medio Oriente. Questa regione è diventata progressivamente più arida dalla nascita della civiltà e oggi sostiene il 5% della popolazione mondiale con appena l'1% dell'acqua dolce del pianeta.

Figura 2: L'irrigazione delle serre e delle colture a file all'aperto basata su sistemi di microspruzzatura e altri metodi a goccia traggono vantaggio dai controlli avanzati dell'irrigazione. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

Da un punto di vista commerciale, la scarsità d'acqua si riflette in un aumento dei prezzi dei prodotti alimentari e agricoli, con un aumento dei prezzi dell'acqua più rapido di quello dell'energia nell'ultimo decennio. Per essere chiari, è diventato essenziale sia per le operazioni commerciali su larga scala sia per le operazioni agricole in fase di avvio ridurre al minimo il consumo di acqua e massimizzare la resa dei raccolti.

Irrigazione e meccanismi di coltivazione controllabili

I requisiti dei programmatori per l'irrigazione dipendono dall'applicazione e dal tipo di impianto, sia esso basato su irrigatori a pioggia, a goccia o su circuiti di irrigazione idroponica.

Figura 3: I sensori di biossido di carbonio serie T3000 sono dotati di un alloggiamenti IP67 per resistere all'umidità, alla sporcizia e all'esposizione ai fertilizzanti nelle operazioni di coltivazione verticale al chiuso. Il loro feedback può informare le routine di irrigazione e fertirrigazione idroponica automatizzate. (Immagine per gentile concessione di Amphenol Telaire)

L'irrigazione delle colture in serra può essere controllata in modo molto stretto: senza la variabilità dell'ambiente esterno, la luce, l'acqua, la fertilizzazione e la composizione del terreno ottimali possono essere mantenute costantemente entro i limiti di tolleranza. L'irrigazione si basa sempre su un serbatoio occupato da una pompa e su un circuito di irrigazione a vasche, con pressoché zero perdita d'acqua per evaporazione e nessuna per deflusso. Le opzioni software per colture specifiche sono numerose; questi programmi incorporano le conoscenze del settore sui cicli di crescita delle specie vegetali e sui parametri di coltivazione preferiti.

Figura 4: L'alloggiamento IP67 rende le luci WIL particolarmente adatte alle applicazioni di agricoltura digitale al chiuso. (Immagine per gentile concessione di Weidmüller)

Per l'agricoltura tradizionale all'aperto, gli irrigatori sono le apparecchiature di irrigazione più utilizzate, con modelli che vanno dai piccoli irrigatori per prato (simili a quelli utilizzati dai privati nei giardini), agli irrigatori industriali ad alta pressione azionati da pompe con motore elettrico o diesel. Questi ultimi includono massicci sistemi a movimento lineare in grado di irrigare campi aperti di molti ettari con i loro grandi gruppi di irrigatori.

Un altro design comune nei sistemi di irrigazione automatizzati per le grandi aziende è quello degli irrigatori a impatto. Varianti semplificate di questi prodotti sono vendute anche come prodotti per l'irrigazione dei prati. In breve, gli irrigatori a impatto sono costituiti da una testina che invia un getto d'acqua attraverso un braccio meccanico. L'acqua viene colpita ripetutamente dal braccio e sparsa sulla coltura. La pressione risultante e il movimento del braccio meccanico spingono la testina attorno a un perno, che a sua volta fa sì che l'irrigatore segua un cerchio o un arco parziale.

Un'ultima opzione per l'irrigazione automatizzata delle colture agricole è l'irrigazione a goccia. Sia che si basi sui cosiddetti sistemi di tubi a perdita che su quelli a microspruzzo, l'irrigazione a goccia riduce l'uso dell'acqua (e in particolare quella persa per evaporazione) fornendo l'acqua più direttamente alle radici delle piante.

Ulteriori informazioni sull'irrigazione agricola a perno centrale e a movimento lineare

L'irrigazione a perno centrale è un adattamento avanzato dell'irrigazione a pioggia delle colture. È uno dei metodi più efficaci per irrigare grandi campi aperti, con sistemi tipici in grado di coprire un raggio di 400 metri in un'area fino a 50 ettari circa. I sistemi di irrigazione a perno centrale irrigano un arco circolare o parziale ruotando un tubo di irrigazione (con molte testine di irrigazione) attorno a un perno fisso. Il tubo è trasportato da più torrette che si spostano sul terreno mediante ruote motorizzate.

Figura 5: I comandi di temporizzazione sono utilizzati con i sistemi di irrigazione a perno centrale per comandare i programmi idrici di base. Inoltre, i monitor di sottocorrente spesso sorvegliano una tratta dei sistemi trifase sulle torrette degli impianti di irrigazione a perno centrale. Questi monitor di sottocorrente rilevano le torrette in stallo o bloccate per evitare l'irrigazione eccessiva. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Tra le torrette, il condotto dell'acqua è sostenuto da una capriata che utilizza una serie di cavi come elementi di tensione, in modo molto simile ai sostegni di un ponte sospeso. Sviluppati negli anni '40, i sistemi di irrigazione a perno centrale originali utilizzavano il flusso dell'acqua per azionare le ruote. Oggi è molto più comune che tali apparecchiature si affidino a motori elettrici per mettere in moto le ruote per la propulsione. La velocità di queste ruote può essere piuttosto bassa, in quanto i controlli del sistema possono impiegare alcuni giorni per comandare un giro completo delle ruote.

Figura 6: Il software AgSense (accessibile come app attraverso dispositivi mobili e laptop) sfrutta il GPS e le tecnologie di feedback per aiutare gli agricoltori a tener traccia delle pompe di irrigazione e dei componenti ausiliari, degli stati di portata e pressione, dei livelli di umidità del suolo, delle condizioni meteorologiche, dei livelli dei serbatoi (dove possibile) e dei tentativi di furto. Un'opzione leader per i sistemi di irrigazione a perno automatizzati (ma compatibile anche con le macchine lineari), l'offerta fornisce informazioni e allarmi in tempo reale e consente persino la gestione di un parco misto di perni idraulici ed elettrici. In sostanza, il software abilita le funzionalità dei pannelli digitali mantenendo la compatibilità con i pannelli meccanici di qualsiasi marca o annata. (Immagine per gentile concessione di Valmont Industries Inc.)

Gli impianti di irrigazione a perno sono macchine grandi e sorprendentemente complesse, che presentano particolari sfide di controllo. Le torrette non si muovono all'unisono, ma si fermano e si avviano singolarmente per mantenere un allineamento approssimativo del condotto. La notevole flessibilità del condotto, insieme a quella delle capriate che lo sostengono, consente di adattare il movimento irregolare delle torri e le naturali ondulazioni del terreno.

Negli impianti di irrigazione a perno, le sezioni delle torrette sono controllate singolarmente. Tradizionalmente, ciò avviene per mezzo di semplici meccanismi e interruttori di finecorsa. Ogni sezione può facilmente rilevare il proprio angolo rispetto alla sezione successiva monitorando la posizione di una leva collegata alla sezione successiva. Semplici finecorsa possono quindi avviare, arrestare e invertire le ruote, in base alla posizione angolare relativa della sezione della torretta successiva. Questo approccio è adatto per il semplice controllo idraulico con ruote ad azionamento idraulico.

Una pistola a spruzzo all'estremità della torretta a perno centrale più esterna può estendere l'area irrigata oltre la struttura fisica. Se il funzionamento è continuo, l'area sarà comunque circolare. Tuttavia, controllando la pistola, è possibile irrigare una regione approssimativamente quadrata utilizzando un sistema di irrigazione a perno centrale.

(Video per gentile concessione di UNL Biological Systems Engineering)

Basati anch'essi sugli irrigatori, i sistemi di irrigazione a movimento lineare sono simili a quelli a perno centrale. Tuttavia, le sezioni delle torrette non sono guidate ad arco attorno a un perno fisso ma vanno avanti e indietro in linea retta. Ciò significa che gli impianti di irrigazione a movimento lineare coprono un'area rettangolare anziché circolare. Un'area di copertura di questo tipo può essere più adatta alla morfologia esistente dei campi agricoli e fornire una copertura più completa del territorio. Tuttavia, rende più impegnativo il controllo delle torrette azionate e il controllo della sorgente d'acqua.

Figura 7: Un progetto di irrigazione a movimento lineare. I sistemi automatizzati che impiegano queste apparecchiature meccaniche affrontano le difficili sfide dell'irrigazione esterna. (Immagine per gentile concessione di Getty Images)

In alcuni progetti, l'acqua viene fornita da un canale aperto lungo un confine di delimitazione dell'area irrigata o (in alternativa) tramite un tubo flessibile. Le torrette di questi sistemi di irrigazione a movimento lineare devono avere velocità coordinate per mantenere il tubo ragionevolmente dritto, e devono sterzare insieme in modo che il sistema viaggi continuamente avanti e indietro sul campo senza deviare dal percorso. Per soddisfare questi requisiti, alcune torrette sono programmate per seguire i cavi interrati.

Controller per l'irrigazione agricola

I programmatori di irrigazione più semplici non sono altro che timer che consentono il libero flusso dell'acqua a orari prestabiliti. Questi timer sono presenti anche negli irrigatori da giardino di tipo consumer.

Un po' più sofisticati sono i programmatori di irrigazione industriali. Tradizionalmente si tratta di sistemi di controllo idraulici e spesso sono abbinati a irrigatori a perno centrale.

Oggi, molti controlli di irrigazione industriale più avanzati utilizzano PLC standard. Oltre a controllare il movimento di irrigatori di grandi dimensioni, come quelli basati su apparecchiature di irrigazione a movimento lineare, questi componenti elettronici basate su PLC possono essere configurati per accettare input da sensori di umidità del terreno, sensori di flusso, stazioni meteorologiche e sensori del punto di congelamento. Alcuni di questi sistemi sono ora facilmente alla portata di piccole aziende agricole (sia nel settore della frutta che in quello dell'agricoltura intelligente al chiuso) che utilizzano controller come Arduino per automatizzare l'irrigazione di piante e serre.

Figura 8: NETBEAT NetMCU è un esempio di programmatore di irrigazione integrato di livello commerciale; in effetti, questo prodotto robusto esegue una serie di attività di fertilizzazione, fertirrigazione, modellazione e previsione delle colture per una soluzione completa di agricoltura digitale. (Immagine per gentile concessione di Netafim)

I programmatori automatici di irrigazione possono misurare la portata per garantire l'erogazione di una quantità d'acqua dosata e non un volume arbitrario erogato in un tempo prestabilito. Fornendo una quantità d'acqua nota per una determinata area di terreno, è possibile ottenere condizioni di coltivazione ideali senza sprechi d'acqua. Il controllo del flusso consente inoltre di rilevare ostruzioni e perdite, avvisando gli operatori dei problemi prima che si verifichino danni significativi alle colture o perdite d'acqua. Utilizzando i protocolli IoT, i controller moderni possono persino inviare avvisi al cellulare dell'operatore quando si verificano tali eventi.

Figura 9: I componenti di controllo e I/O automatizzati RevPi si basano sulla variante Compute Module del minicomputer monoscheda SoM/CPU/GPU Raspberry Pi. Le più recenti varianti di RevPi sono in grado di accogliere segnali analogici utili per alcuni approcci di controllo dell'irrigazione delle colture. (Immagine per gentile concessione di KUNBUS)

Un'altra opzione all'avanguardia per alcuni agricoltori è rappresentata dai controller di evapotraspirazione o ET. Questi stimano il fabbisogno idrico in base ai principi del bilancio idrico del suolo.

Il bilancio idrico è studiato dall'idrologia agraria, ma nella sua essenza gli afflussi d'acqua devono essere uguali ai deflussi più la variazione di immagazzinaggio. I deflussi sono costituiti dal flusso dei torrenti e dall'evapotraspirazione, ovvero il movimento dell'acqua verso l'atmosfera per evaporazione e traspirazione attraverso la vegetazione.

I controller ET richiedono dati in tempo reale sugli afflussi (portata irrigua e precipitazioni) e sui parametri ambientali che influenzano l'evapotraspirazione, come temperatura, umidità e radiazione solare. I parametri chiave che necessitano di uno stretto controllo tramite un controller ET (spesso un controller di automazione adattato) includono i coefficienti delle colture e le capacità di ritenzione idrica del terreno. Il coefficiente delle colture agricole determina il tasso di traspirazione in funzione delle condizioni meteorologiche e della disponibilità di acqua. I controller ET possono ridurre l'uso dell'acqua fino al 63%, un risparmio incredibile, non eguagliabile da molti altri approcci.

Conclusione

Le soluzioni di irrigazione sofisticate sono numerose per i grandi agricoltori industriali di oggi. Infatti, le tecnologie di automazione hanno reso i metodi di irrigazione avanzati abbastanza accessibili anche ai piccoli agricoltori e produttori alimentari specializzati in ortaggi e colture delicate con margini di profitto più ristretti.