เซ็นเซอร์วัดความชื้นดิน นวัตกรรมอัจฉริยะควบคุมการให้น้ำพืช

            จากสถานการณ์น้ำแล้งดร.โอภาสตรีทวีศักดิ์ นักวิจัย ศูนย์เทคโนโลยีไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ศูนย์เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์ และคอมพิวเตอร์แห่งชาติสำนักงานพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งชาติ จึงได้มีแนวคิดพัฒนาเครื่องวัดความชื้นดินขึ้น เพื่อใช้ตรวจวัดความชื้นของดินเพื่อประเมินปริมาณการให้น้ำพืชได้อย่างเหมาะสม ตามความต้องการของพืชได้อย่างแม่นยำ

พืชต้องการน้ำแต่ละช่วงการเจริญเติบโตไม่เท่ากัน

           พืชแต่ละชนิด มีความต้องการในการใช้น้ำในแต่ละช่วงระยะการเจริญเติบโตที่แตกต่างกัน เช่น มันสำปะหลังจะต้องการน้ำมากในช่วงเดือนที่ 3จนกระทั่งถึงเดือนที่ 10-12 เพราะเป็นระยะพัฒนารากและสะสมอาหาร ระยะนี้มันสำปะหลังจะลำเลียงแป้งไปสะสมไว้ที่หัว และจะชะงักการเจริญเติบโตและทิ้งใบ ในช่วงระยะพักตัวนี้เองที่เกษตรกรจะเริ่มตัดมัน ก่อนที่มันจะดึงอาหารจากหัวไปสร้างใบใหม่ เป็นต้น การที่เราทราบความต้องการน้ำในแต่ะช่วงของการเจริญเติบโตของพืชที่ปลูก จะช่วยให้เกษตรกรลดความเสียหายจากพืชขาดน้ำได้ สามารถกำหนดเวลาการให้น้ำตามความต้องการของพืช เกษตรกรใช้น้ำน้อยลง ลดอัตราการสูญเสียน้ำไปโดยเปล่าประโยชน์ได้

นวัตกรรมควบคุมการให้น้ำตามความต้องการพืช ลดการใช้น้ำโดยเปล่าประโยชน์
            “การให้น้ำพืชส่วนใหญ่จะให้ตามความรู้สึก คือ ให้น้ำเท่าที่อยากจะให้ ไม่ได้คำนึงว่าพืชจะต้องการน้ำเท่าไหร่ ส่วนใหญ่แล้วจะเป็นการให้น้ำมากเกินความต้องการของพืชด้วยซ้ำไป ซึ่งก็เป็นการสูญเสียน้ำไปเปล่าๆ เช่น มีแผนการรดน้ำทุก 6 วัน แต่หากมีฝนตกลงมาระหว่างนั้น ควรจะรดน้ำในปริมาณเท่าเดิมหรือไม่ หากเรารู้ว่าดินบริเวณที่เพาะปลูกเป็นดินชนิดไหน ดินเหนียว ดินร่วน หรือดินทรายดินมีความสามารถในการเก็บความชื้น เก็บกักน้ำได้เท่าไหร่ แล้วใช้ร่วมกับเซนเซอร์วัดความชื้นดินจะสามารถช่วยวางแผนการใช้น้ำ ประหยัดน้ำได้ และได้ผลผลิตเพิ่มขึ้น”ดร.โอภาส กล่าว

วางแผนการใช้แบบน้ำชลประทานไร่นา ควบคุมความชื้นดินในเขตรากพืช
             ในทางหลักการของการชลประทานในระดับไร่นา การให้น้ำแก่พืช คือ การให้น้ำเพื่อควบคุมความชื้นในดินในเขตรากพืชให้อยู่ในระหว่างจุดเหี่ยวเฉาถาวร (PWP)กับความชื้นชลประทาน (Fc)ซึ่งเป็นช่วงความชื้นที่พืชสามารถดูดนำไปใช้ได้ โดยที่การให้น้ำพืชจะเริ่มทำเมื่อความชื้นในดินลดลงใกล้จุดเหี่ยวเฉาถาวร ส่วนจะให้ลดลงใกล้มากหรือน้อยแค่ไหนก็ขึ้นอยู่กับความสามารถในการอุ้มน้ำของดิน ความสามารถในการทนแล้งของพืช และสภาพภูมิอากาศ เช่น ความแห้งแล้งหรือความชุ่มชื้น ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่สำคัญที่มีอิทธิพลต่อการใช้น้ำของพืช

รูปแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความชื้นในดินกับการกำหนดการให้น้ำแก่พืช

         โดยทั่วไป ยอมให้ความชื้นในดินลดลง 50-75% ของความชื้นที่พืชดูดเอาไปใช้ได้ (Allowabal soil Moisture Deficiency) ส่วนความชื้นที่เหลือในดินหลังจากที่พืชดูดเอาความชื้นที่ยอมให้พืชดูดไปใช้ได้ไปหมดแล้วคือ ความชื้นที่จุดวิกฤติ (Critical Moisture Level)      
           

           การให้น้ำแก่พืชจะต้องเริ่มทำเมื่อความชื้นในดินลดลงถึงจุดวิกฤติและปริมาณน้ำที่ให้จะต้องมากพอที่จะเพิ่มความชื้นในดินให้ถึงความชื้นชลประทานซึ่งหากให้น้ำไม่ทันจนทำให้ความชื้นในดินลดต่ำลงกว่าความชื้นที่จุดวิกฤติพืชอาจจะเสียหายได้

       การทีเราจะทราบได้ว่าความชื้นในดินถึงจุดวิกฤติหรือยังนั้น สามารถตรวจวัดความชื้นในดินบริเวณเขตรากพืชได้ ซึ่งทำได้อยู่ 3 วิธี คือ
1การวัดความชื้นในดินด้วยการชั่งน้ำหนัก  
2การวัดความชื้นโดยดูลักษณะและความรู้สึกสัมผัส
3การวัดด้วยเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์ด้วย เซนเซอร์วัดความชื้นของดินนั้นเอง

        จากข้อมูลของกรมวิชาการเกษตร “ความสัมพันธ์ระหว่างดิน น้ำ และพืช พบว่าผลผลิตจะลดลงหากพืชขาดน้ำในช่วงออกดอกซึ่งเป็นระยะที่พืชต้องสะสมธาตุอาหาร เพื่อใช้เลี้ยงดอกมากที่สุดในช่วงระยะของการเจริญเติบโต
 
ผลงานฝีมือคนไทย คุณภาพเทียบเท่าของต่างประเทศ
            ผลงานเซนเซอร์วัดความชื้นดินของ ดร.โอภาส ทำหน้าที่ในการตรวจวัดเพื่อบอกระยะระดับความชื้นสูงสุด ต่ำสุดที่พืช ที่ดินสามารถเก็บน้ำไว้ได้ เครื่องวัดความชื้นระบบTDR (Time Domain Response)เป็นเครื่องมือวัดความชื้นที่มีความแม่นยำมาก และมีราคาไม่แพงเหมือนกับของที่นำเข้าจากต่างประเทศ
            เครื่องTDR นี้เกิดจากความร่วมมือกับสำนักวิชาเทคโนโลยีการเกษตร มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีสุรนารี (มทส.)จ.นครราชสีมา ที่นำไปวัดความชื้นในดินของแปลงทดลองปลูกมันสำปะหลังในพื้นที่ 40 ไร่ ปัจจุบันใช้กับแปลงทดลองอ้อย ที่ จังหวัดนครราชสีมา และแปลงข้าวทดลอง ที่มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ บางเขน

คุณสมบัติทางด้านเทคนิคของเครื่อง คือ มีช่วงการวัดที่ 0-90%มีค่าความถูกต้อง: +/- 3%ความละเอียด0.5%สามารถใช้งานในช่วงอุณหภูมิ 20-50 องศาเซลเซียสส่วนสัญญาณที่ได้จากเซนเซอร์นั้นจะเป็นแรงดันไฟฟ้าในช่วง0.5 -4 วัตต์(แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ 5โวลต์)ตัวเซ็นเซอร์จะปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าออกมา ที่ความถี่ 13 เมกกะเฮิร์ต คล้ายคลื่นโทรศัพท์มือถือ การออกแบบภายนอกของเครื่องเซนเซอร์ทำจากเรซิน มีความทนทาน สามารถนำไปปักในดินและใช้งานได้ยาวนาน ทนทานต่อสภาพอากาศที่ร้อนและชื้นได้ดี ป้องกันการกัดทำลายของสัตว์ต่างๆ ได้ ส่วนขาของตัวเซนเซอร์ที่ยาวออกมา 2 ขานั้น เรียกว่าแท่งเซนเซอร์มีความยาว 3เซนติเมตร ทำจากสแตนเลส ทำหน้าที่เป็นเสาอากาศ
ส่วนการใช้งานนั้น ก็จะปักลงไปในดินเพื่อวัดความชื้นดิน สามารถอยู่ในดินได้นานๆ  โดยไม่เกิดสนิม เซนเซอร์จะเป็นแค่ตัววัดที่แสดงค่าเป็นตัวเลข แต่ถ้าจะใช้งานต้องไปเชื่อมต่อกับระบบแจ้งเตือนแบบไหนก็ได้ สนนราคาอยู่ที่อันละ 1,000บาท

          ความแรงของคลื่นเปลี่ยนไปตามความชื้นดิน
เซนเซอร์ระบบTDR จะส่งคลื่นเป็นรัศมี 5 เซนติเมตรในดิน และวัดคลื่นสะท้อนกลับมาว่าเปลี่ยน แปลงไปอย่างไร ซึ่งขึ้นอยู่กับความชื้นในดินการกระจายของคลื่นก็จะต่างกัน ความแรงของคลื่นจะเปลี่ยนไปตามความชื้น เหมือนคลื่นโทรศัพท์มือถือ ถ้าอยู่ในที่โล่งสัญญาณก็จะกระจายไปได้ไกล เมื่อความชื้นในดินเปลี่ยนไป คลื่นที่สะท้อนกลับมาก็เปลี่ยนไป และเป็นการวัดเพื่อประยุกต์ว่าความชื้นระดับนั้นต้องรดน้ำในปริมาณเท่าไร. พื้นที่ตรวจสอบความชื้นในดิน จะดูได้บริเวณรอบๆ เครื่องเซ็นเซอร์ แต่หากเป็นพื้นผืนที่ใหญ่ และบริเวณนั้นให้น้ำคล้ายคลึงกัน เป็นที่ดินเดียวกัน ดินบริเวณนั้นจะไม่ต่างกันมาก จึงสามารถสุ่มวัดความชื้นและกะประมาณดูได้ เซนเซอร์จะวัดบริเวณที่ติดตั้งเท่านั้น ถ้าพื้นที่เพาะปลูกนั้นเป็นดินที่มีลักษณะเหมือนกัน ให้น้ำเท่าๆ กัน ก็สามารถใช้เซ็นเซอร์วัดความชื้นในดินเป็นตัวแทนวัดในหนึ่งแปลงนั้นได้เลย อาจจะ 5 ไร่ 10 ไร่ก็ได้

       ส่งข้อมูลระบบไร้สาย จากแหล่งเซลล์พลังงานแสงอาทิตย์
การพัฒนาระบบวัดความชื้นในดิน เป็นระบบที่มีเซ็นเซอร์วัดความชื้นอุปกรณ์ส่งข้อมูลวัด ระบบส่งข้อมูลแบบไร้สายด้วยคลื่นวิทยุ และแหล่งจ่ายพลังงานจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนาด  10 วัตต์ เป็นตัวจ่ายไฟ ใช้ไฟไม่มาก ค่าที่วัดได้จะส่งไปไร้สายไปยังเซ็นเตอร์ที่เป็นระบบเก็บข้อมูลอีกทีขึ้นมาใช้งานในแปลงทดลองด้วย

 “เป้าหมายของการใช้เซนเซอร์นี้เพื่อช่วยเพิ่มผลผลิต ประหยัดน้ำ และพลังงานด้วยเทคโนโลยีง่ายๆ สามารถใช้งานครอบคลุมพื้นที่การเกษตรขนาดใหญ่ได้ ราคาไม่แพงเมื่อเทียบกับของที่นำเข้าจากต่างประเทศ หากต้องการประหยัดน้ำให้มากขึ้นไปอีก วิธีการก็คือแทนที่จะรดน้ำให้อยู่ในระดับสูงสุด ที่อาจจะเกินความต้องการของพืช เราสามารถลดการให้น้ำพืชลงมาด้วยเครื่องเซ็นเซอร์นี้  
            มีความเป็นไปได้สูงว่า ในอนาคตการวัดอุณหภูมิ ความชื้นใน วัดความเร็วลม ทิศทางลม หรือวัดปริมาณน้ำฝนนั้นอาจไม่จำเป็นต้องดูอีกเลยก็ได้หากเจ้าเครื่องเซนเซอร์วัดความชื้นดินถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายมากขึ้น เพราะจริงๆ แล้วการวัดทั้งหมดนี้เป็นเพียงการเก็บข้อมูลเพื่อดูว่ามีน้ำอยู่ในดินเท่าไหร่ เพื่อที่จะนำไปคำนวณว่าปีนี้จะต้องให้น้ำพืชเท่าไหร่ แต่สำหรับตัวเซ็นเซอร์วัดความชื้นดินนี้จะช่วยให้เราสามารถจัดการการให้น้ำและการปลูกพืชได้ทั้งหมดได้โดยใช้แค่เซนเซอร์วัดความชื้นดินเท่านั้น