Градусники в поле
Чуть ли не каждый день мы слышим о погодных катаклизмах, которые преследуют нас всё чаще и чаще. Невыносимая засуха сменяется проливными дождями и градом, полыхают леса и разливаются реки. Конечно, эти погодные качели приносят массу неудобств и неприятностей, но есть отрасль, которая наиболее остро зависит от погодных неурядиц и это, конечно-же, сельское хозяйство. Может быть в будущем человечество и сможет управлять погодой, но на данный момент мы лишь скромные наблюдатели погодных капризов. Но как наблюдать? С научной точки зрения! Поэтому сегодня предлагаю поговорить об агрометеорологии.
Метеорология в сельском хозяйстве
Агрометеорология — прикладной раздел метеорологии, направленный на сбор, систематизацию и обработку метеорологической информации применительно к сельскохозяйственному производству. В первую очередь, это относится к растениеводству, так как рост и развитие растений в основном обусловлен погодными условиями. Поэтому к основным и важнейшим метеорологическим характеристикам в агрометеорологии относятся:
• Температура воздуха, температура поверхности земли, температура узла кущения (5–15 см) и температуры в глубине земли (до 1 метра через каждые 5–10 см.)
• Влажность воздуха и влажность почвы
• Скорость и направление ветра на высотах 2 и 10 метров
• Атмосферное давление
• Фотосинтетически активная радиация (ФАР)
• Количество жидких осадков (зимой — величина снежного покрова)
Наряду с указанными характеристиками для сельскохозяйственного производства важны критические и оптимальные температуры воздуха и почвы, суммы полезных температур, необходимые для завершения периода развития от посева до созревания, количество влаги, обеспечивающее формирование высокого урожая и др.
Учет агроклиматических условий позволяет определить насколько климат конкретного района соответствует требованиям сельскохозяйственного производства, как обоснован выбор тех или иных сельскохозяйственных культур для их возделывания, каков риск появления и развития опасных сельскохозяйственных вредителей и многое другое. Агрометеорология — серьезная и хорошо развитая научная дисциплина. Научный потенциал её значителен и сосредоточен в сотнях научных трудов и книг. Вот список некоторых основных научных источников по данной теме.
Может складываться неверное мнение, что обусловленные погодой риски никак не управляемы. Это не так. Существует масса приемов, когда агроном при учете агрометеорологических характеристик конкретного поля может существенно скорректировать текущую ситуацию. Зная величину влажности и температуры почвы, можно корректировать сроки посева, изменять глубину заделки семян, корректировать количество вносимых удобрений, которое по некоторым методикам может быть снижено на треть. И это лишь верхушка айсберга. Агрометеорология дает массу полезной и актуальной информации, и толковый агроном может успешно её использовать, к примеру, для эффективной борьбы с многообразными вредителями. Возьмем капустную моль. Это чрезвычайно прожорливое насекомое, которое может за считанные часы уничтожить посевы рапса, сократив итоговый урожай в разы.
Всему причина маленькое насекомое, жизненный цикл которого хорошо изучен энтомологами. Начало развития вредителя начинается с температуры 5,5 гр., а когда сумма эффективных температур достигает 390–416 гр. С, гусеница начинает активно поедать побеги капусты или того же рапса. Картинка взята с сайта direct.farm
Эффективные температуры, это сумма температур нарастающим итогом от некоторого порога, к примеру от 10 гр. С. Температуры просто суммируют. К примеру, температура весной в определенный день в полдень перевалила за 10 гр. Отсекают первую точку. На следующий день в полдень было, к примеру, 15 гр. Суммируют с предыдущем днем. Получают уже 25 гр. С. И так делают в течение всего сезона каждый день. Но совершенно очевидно, что если резко похолодало и температура упала ниже 10 гр. С, то этот день не суммируют. Таким образом, все живое, и капустная моль тоже, накапливают энергию для своего развития.
Как только сумма эффективных температур подходит к критическим значениям в 390 гр. С, необходимо провести обработку от вредителя. Здесь важнейшим является время точной химической обработки, чтобы нанести удар по вредителю в самый критический момент его развития — формирование из личинки гусеницы. Если не сделать это вовремя, вредитель наберет такую силу, что обработка уже становится неэффективной и чрезвычайно затратной, ведь специальные препараты для этого очень токсичны и чрезвычайно дороги. Этот пример показывает, что арсенал агрометеорологических методик различен, и самое главное — вести качественный агрометеорологический мониторинг.
Измерения всему голова!
Несмотря на то, что агрометеорология является сильнейшим инструментом для сельскохозяйственного производства, без качественной сети агрометеорологических наблюдений реализовать её возможности практически невозможно. Поэтому необходимо разрабатывать качественные измерительные приборы и системы. Задача, в принципе, понятная. Необходимы качественные измерители основных метеорологических параметров, о которых уже говорилось выше, но они должны обеспечивать измерения в достаточно хорошем пространственном разрешении, а проще говоря — их должно быть много на территории. Агрометеорологические наблюдения осуществляют сети Росгидромета и это целая технология. Вот так, к примеру, выглядит стандартная агрометеорологическая площадка по требованиям этой уважаемой структуры
Все бы хорошо, но такие измерительные площадки в сети Росгидромета были хорошо развиты в Советском Союзе, когда никто не задумывался о затратах на их содержание, ведь наблюдения ведутся метеорологами вручную, с использованием совсем не автоматизированным оборудованием. К примеру, количество осадков измеряется ведром Третьякова. Об этом приборе я даже писал в свое время в своей статье на Хабре. Сеть агрометеорологических наблюдений с тех пор практически полностью уничтожена, поэтому о качественных агрометеорологических наблюдениях говорить не приходится. К примеру, в Томской области, имеется только три подобные станции, а в свое время их было несколько десятков. Что же делать? К примеру, в Томской области нашли удачное решение вопроса. При поддержке ряда научных организаций (ИМКЭС СО РАН, ТНЦ СО РАН, НИИ Сельского хозяйства и торфа и др.), администрации региона и промышленных партнеров была создана региональная цифровая агрометеорологическая сеть. Концепция сети, действительно, мощная. Это распределенная по территории трехуровневая сеть автоматических измерительных комплексов. Первый — самый верхний уровень — измерительный комплекс, размещенный по требованиям Росгидромета и на их измерительных площадках. Мы называем это реперной МЕТЕОСТАНЦИЕЙ. Это полностью автоматический комплекс, измеряющий основные метеорологические характеристики атмосферы, осадки, фотосинтетическую активную радиацию. Ветровые характеристики измеряются на высоте 10 метров, как это предписывает Росгидромет. Измерители для этого используются ультразвуковые. Их называют анеморумбометрами, ведь направление ветра измеряют в румбах (всего из 32, обозначаются латинскими литерами), а ветровую ситуацию отображают в виде такой вот диаграммы, которая часто называется «розой ветров». 
Таким образом, ветер может дуть с тридцати двух направлений. Забавно, не правда ли?
Проверьте себя! Как называется ветер, который дует в направлении румба NE?
Возвращаясь к измерительным комплексам, важно сказать, что они являются полностью автономными и питаются от 100 Вт солнечной панели, которая обеспечивает надежный заряд аккумуляторной батареи и питание всех датчиков даже в лютую зиму. Схематично комплекс показан на рисунке. 
Станция ведет непрерывные метеорологические наблюдения и каждый час передает данные на сервер. Первый уровень измерительной системы используется для накопления данных для синоптического прогноза и интегрирована в сеть Росгидромета как дополнительная измерительная точка.
Метеопост
Второй уровень измерительной сети назван МЕТЕОПОСТ. Это, по сути, та же метеостанция, однако она установлена в пределах территории сельскохозяйственного предприятия и может быть установлена на площадке не с такими жесткими требованиями, которые предъявляет Росгидромет. Как правило, такие станции устанавливаются вблизи объектов инфраструктуры, под присмотром.
Так выглядит метеопост на территории сельскохозяйственного предприятия. 
Данные с метеопоста передаются по сетям мобильных операторов на сервер и используются в различных расчетных алгоритмах, для построения краткосрочных прогнозов погоды, для фиксации опасных метеорологических событий, таких как ветер более 20 м/с, ливневых осадков, а также для расчета цифровых помощников агронома.
Фитофтороз (или поздняя гниль картофеля) относится к числу наиболее разрушительных болезней картофеля из-за быстрого репродуктивного цикла фитопатогена и его агрессивности. При отсутствии контроля, фитофтороз может быстро привести к полному уничтожению урожая, как в поле, так и при хранении после сбора урожая. Скорость развития эпидемии в значительной степени зависит от погоды, причем наиболее важными переменными являются температура, относительная влажность и осадки, причем последние два фактора тесно связаны. Длительные периоды влажной и прохладной погоды создают благоприятные условия для споруляции патогенных микроорганизмов, которые разносятся дождем и ветром. Болезнь наносит ущерб как косвенно, так и напрямую: косвенно, путем уменьшения фотосинтетической поверхности, и непосредственно, когда зооспоры, смытые с листвы, заражают клубни в земле. Но с болезнью можно эффективно бороться путем специальных обработок. При этом необходимо вести качественные агрометеорологические наблюдения и построить модель развития фитофторы.
Для Томской области наиболее подходит модель накопления значений тяжести (баллов) Уоллина. Значения тяжести (баллов) получаются из различных комбинаций часов с относительной влажностью 90 процентов и определенной средней температурой в течение этих периодов. В модели отслеживается продолжительность непрерывных периодов относительной влажности воздуха 90% и выше и рассчитывается определенная средняя температура в течение этих периодов. Значения тяжести назначаются на основе этих вычислений и суммируется. Первое появление фитофтороза прогнозируется спустя семь-десять дней после накопления 18 значений тяжести (баллов) заболевания. Вот этот период времени отнесен агроному на обработку растений для сохранения урожая. Если же погода хорошая, то баллов тяжести может и не накопиться, что гарантирует хороший урожай картофеля и он будет прекрасно храниться.
Метеозонд
Третьим и самым востребованным уровнем измерительной агрометеорологической сети является метеозонд — измеритель, который устанавливается непосредственно на полях сельхозтоваропроизводителей. Это тоже метеостанция, которая измеряет температуру и влажность воздуха, атмосферное давление, а самое главное — температуру и влажность почвы на глубине до метра. 
Эти измерители работают также в автономном режиме, круглый год и передают данные каждый час летом и каждые 3 часа зимой. Для агронома это самый важный измеритель, так как он работает непосредственно в поле и показания с них являются чрезвычайно ценными. У многих может возникнуть вопрос. Сколько таких измерителей необходимо установить на полях, ведь чем больше поставить, тем лучше будет мониторинг. Конечно, чем плотней сеть мониторинга, тем качественнее она работает, но всему есть своя мера и здравый смысл. Мы используем специальную методику установки зондов. Она связана с ландшафтом территории. Обязательно устанавливаются три реперных зонда. Первый — в самую верхнюю точку ландшафта, второй — в нижнюю, третий — в медианную (среднюю). Остальные — в различные точки угодий на усмотрение агронома. На хозяйство в 5–10 тыс. Га вполне хватает 10 зондов. Остальное — дотягивает математика и функции корреляции, которые «связывают» измерители между собой. В этом и специфика и особенность вышеописанной сети. Станции, посты и зонды локализованы на определенной территории, они хоть и разнесены, но коррелируют между собой, имеется учет ландшафта, постоянно идет расчет уточняющих коэффициентов, устраняются измерительные артефакты. Сеть живет как единый информационный кластер, все измерительные системы как бы сцеплены с друг другом. Это дает нужный результат — агрометеорологические измерения ведутся чрезвычайно четко и сеть может отрабатывать самые незначительные погодные колебания. В этом её особенность. Вот так выглядят метеозонды. 
Этот измерительный зонд разработан и собран, как говорят, с нуля. Основой устройства стал микроконтроллер ESP32. Достаточно смелое решение, но уж очень хотелось иметь более расширенные функциональные возможности, настройки через WEB интерфейс и т.п. Не без приключений, но справились.
Визуализация
Все собранные и систематизированные данные собраны в единой информационной платформе. 
Можно посмотреть места установки станций, постов, метеозондов, логи данных, аналитику, статистику. Для толкового специалиста масса полезной информации. 
Посмотреть, как это выглядит можно здесь. Логин — demo, пароль — demo.
Всё для сельского хозяйства?
Конечно, существуют различные измерительные системы для сельского хозяйства. Можно приобрести разнообразное измерительное метеорологическое оборудование, но единичные системы, как бы они не были бы хороши, не решают глобальных задач агрометеорологии. Только построение распределенной и хорошо территориально развитой сети позволит применить потенциал агрометеотехнологий в полной мере, и, безусловно, создание таких сетей носит инфраструктурный характер. Именно региональное обеспечение сельскохозяйственной отрасли качественной агрометеорологической информацией позволит серьезно усилить отрасль и получить существенный экономический эффект. 
Именно таким образом на территории не самого сельскохозяйственного региона — Томской области — был начат и активно развивается проект создания региональной агрометеорологической сети. Надо отдать должное, что региональные власти поддержали этот проект и уже в 2020 году в четырех районах области развернуто более 60 единиц измерительного оборудования, а в 2021 году в группировку добавиться еще не менее 100 точек измерений. Сеть работает в режиме сбора рядов метеорологических данных, что само по себе чрезвычайно ценно, так как контактные измерения являются наиболее точными и важными. Конечно, мы живем в век космического мониторинга погоды, но как бы не эффективно развивались бы дистанционные космические методы её контроля, сети наземных метеонаблюдений будут всегда и только по ним можно корректировать любые расчетные климатические модели.
Безусловно, сеть предназначена не только для использования в сельском хозяйстве. Данные с сети применимы в других отраслях экономики, для МЧС, ЖКХ, дорожных служб, для научных исследований и экологии. Для любых сфер, где потребность в качественных и разнообразных метеорологических данных является ценным. Мониторинга много не бывает!
Юридические аспекты
Нынешнее сельское хозяйство в России развивается через создание больших агрохолдингов, которые не только взращивают сельскохозяйственную продукцию, получают молоко, мясо, овощи и т.д., но и имеют собственные перерабатывающие предприятия и даже торговые сети. По этой модели работает практически весь мир, и мы не являемся исключением. Но все-же в России масса малых сельскохозяйственных предприятий и фермеров, которые не оснащены так, как крупные агрохолдинги. В крупных компаниях приобретается в основном иностранное оборудование и западные технологии, которые финансируются крупными инвесторами. Продать таким компаниям что-то российское трудно. Западные сельскохозяйственные технологии развиты очень серьёзно и конкуренция высока. Это же касается и метеорологического оборудования. Мы не раз сталкивались с мнением менеджеров крупных холдингов, что покупать российское не целесообразно. Западные решения сделаны заметно прогрессивней и надежней, предоставляется целый комплекс дополнительных услуг — только плати. Всё это так, но есть очень серьезные подводные камни. И они, в частности, юридического характера. Оказывается, что сбор, хранение и интерпретация метеорологической информации является лицензированным видом деятельности. Это регламентируется соответствующим постановлением Правительства (№1845 от 16 ноября 2020 г.) и строго контролируется. Не будем забывать, в каких реалиях мы живем. Прокуратура не дремлет…
Конечно, никто не запрещает купить иностранное метеорологическое оборудование и использовать его для своих технологических процессов. Но и здесь есть существенный момент. Такие системы ведут сбор данных и передают их на собственные серверы обработки данных (за границу), где и останутся навсегда в случае очередных санкций и всё оборудование просто окирпичивается. Все импортные решения защищены от несанкционированного доступа и держат клиента буквально на поводке. Может быть это и нормально для современных реалий, но в этом видятся серьезные риски. Еще один существенный момент — сертификация измерительного оборудования. Это одно из требований к осуществлению нормального функционирования подобных систем, обеспечения страхования, получения господдержки. Кстати говоря, оборудование, о котором я пишу в этой статье, сертифицировано. Это касается метеорологического поста. Зонд сейчас как раз находится в процессе сертификации как средство измерения, о чем даже можно написать дополнительную статью.
Таким образом, создание сетей агрометеорологических наблюдений целесообразно делать элементом региональной инфраструктуры (как дороги, линии ЛЭП, связь и т.п.) с использованием регионального оператора, который во взаимодействии с местным отделением Росгидромета будет контролировать и поддерживать данную сеть. Региональный оператор должен иметь лицензию Росгидромета на ведение метеорологических наблюдений, а сама сеть должна иметь статус ведомственной, что допускается по закону и активно приветствуется Росгидрометом. Эта модель успешно реализуется на территории Томской области, региональным оператором выступает Ассоциация инновационного развития АПК, сеть активно развивается. Этот региональный опыт можно с успехом распространять и в другие регионы. При этом сельхозтоваропроизводители получают базовую (температура, давление, влажность и т.д.) агрометеорологическую информацию бесплатно, а дополнительную в виде цифровых помощников, прогнозов, справок о чрезвычайных метеособытиях и т.п. за дополнительную плату.
С небес на землю
Немного разобравшись с преимуществами технологии, поговорим о проблемных вопросах. Их условно можно разделить на два типа. Первое — плохая готовность целевых потребителей к использованию потенциала агрометеорологии. Не смотря на то, что эта наука была хорошо развита, широко и эффективно используется по всему миру, в России это всё идет плохо. Подготовка профильных специалистов сельскохозяйственной отрасли стала поверхностной и откровенно слабой, хороший агроном является редкостью. Престиж профессии снижен до невозможности. Как результат — кадровый голод в отрасли. Какие тут цифровые технологии? Просто толковых людей не хватает. Особенно молодых, современных и продвинутых. 
Если есть нормальный специалист, то он всецело поддерживает внедрение технологий агрометеорологии, но инфраструктура развита очень слабо. Проекты, подобные тому, о котором я пишу в этой статье редкость. Ведь он направлен на создание инфраструктуры, системы мониторинга, что и даст преимущество в будущем. Но нужно время, чтобы настроить все измерительные системы, накопить ряды метеорологических данных, отработать методики, модели. Особенно это важно в северном, как говорят, рисковом земледелии, куда плавно перемещается сельское хозяйство России. Каждый шестой гектар пашни в Алтае, а сельским хозяйством славятся и Новосибирская, Кемеровская, Омская области. Потенциал велик, залежных земель в избытке. Есть куда расти.
Вторая проблема — слабо развитая инфраструктура для обеспечения передачи данных с цифровых измерителей. Казалось бы, в чем тут то проблема? Есть масса уже отработанных технологий, которые можно использовать для построение информационных систем и даже в идеологии так модного сейчас Интернета вещей. Iot наше всё. Но здесь мы видим тоже массу проблемных вопросов. Все технологии цифровой инфраструктуры больше ориентирована на города, где есть масса задач для её развития. Но Интернет вещей очень уж однобокий. Счетчики, датчики протечки и всё такое, конечно, хорошо, но стоит отъехать 10–20 км. от города и вся инфраструктура просто пропадает. Либо становится чрезвычайно нестабильной. К примеру, все цифровые системы передачи данных в этом проекте ориентированы на использование 2g сетей мобильных операторов, но это уже не выдерживает критики. Не понятно, сколько ещё операторы будут поддерживать эту сеть, покрытие сети в удаленных районах и на полях очень слабое. Возможно, это не такая острая проблема в европейской части России в условиях равномерного ландшафта, но для Томской области это проблема. Своеобразный ландшафт, наличие мощного леса, огромная территория. И, как следствие, очень плохая связь. Что уж тут говорить о передаче данных. Есть поселки и села, где просто нет сигналов сотовых операторов. Вообще никакой связи. В полях и подавно.
Вообще определенные надежды у нас были на NbIot. Ведущие операторы активно продвигают эту технологию. Нам в руки с любезно предоставили вот такой вот логгер сети NbIot одного из операторов.
Небольшой контроллер с функцией тестирования уровня сети NbIot непосредственно на месте. Вставляется сим-карта и все. Простой интерфейс. Если зарегистрировалась в сети, то покажет уровень в dB, служебную информацию. Имеет gps, что удобно. Можно зафиксировать координаты. При нажатии кнопки «тест» — связывается с сервером и в случае успешной передачи пакета данных, возвращает «Message send ok». Из недостатков — экран на солнце практически не видать. Фотографировать на телефон вовсе не получится — синхроимпульсы экрана не совпадает с камерой на телефоне. Батарейка слабенькая. Но в целом — вполне рабочий девайс.
Вообще, ребята молодцы в целом. В городе покрытие сети вполне хорошая. Я сам лично тестировал этим логгером лифты, подвалы, холодильник и микроволновку на кухне. Только в канализационный люк не залез. Работает. Отъехал на 20 км от города — всё. Сигнала нет или его уровень такой, что серьезно рассматривать эту технологию для передачи данных нельзя. Наверное, развитие сети и конкуренция выведет NbIot на приемлемый уровень, но пока об использовании её вне городской среды говорить нельзя. Посмотрим, как будет развиваться ситуация.
Наличие в измерительной системе метеопоста, конфигурация которого подразумевает наличие мачты высотой 10 метров и достаточного запаса энергии, позволяет подумать о реализации идеи организации собственной IoT сети с использованием современной технологии сбора информации с датчиков. Как показывает опыт, сельскохозяйственное предприятие локализовано в радиусе не более 20–30 км, что дает некую надежду на возможность организовать надежную измерительную сеть. 
В поселке расположен пост, который является шлюзом и имеет на высоте 10 метров необходимое антенное оборудование для приема с удаленных зондов информации по протоколу, к примеру, LORAWAN. С тех зондов, где нет связи напрямую с постом, передача идет от зонда к зонду. Пост собирает всю телеметрию и передает уже на обработку по действующим каналам связи. Здесь самое время обратиться к сообществу Хабра за советом, как действительно изящно и главное надежно создать подобную систему. Быть может, есть готовые интересные решения? Посоветуйте! Прошу в комментарии или в личку.
Всем хорошего дня!
