Development and Performance Evaluation of an IoT-Based Smart Irrigation System with Real-Time Data Monitoring for Beetroot (Beta vulgaris L.)
本研究开发并评估了一种用于卢旺达甜菜种植的低成本、基于 ESP32 的物联网智能灌溉系统，该系统成功展示了实时的功能性监测，并且与人工方法相比减少了 45.1% 的用水量，尽管仍需进一步的重复试验以确认其农艺效益。
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水是农业的命脉，然而在世界许多地方，水是一种必须极其谨慎使用的稀缺资源。几个世纪以来，农民一直依靠自己的判断或固定的时间表来决定何时为农作物浇水，通常是在猜测土壤是太干还是太湿。这种猜测可能导致水的浪费或植物的生长压力。近年来，一个被称为“精准农业”的领域脱颖而出，它利用小型电子传感器来测量土壤和天气的精确状况。这些设备是被称为“物联网”的更广泛网络的一部分，使机器能够在无需人工帮助的情况下做出浇水决策。其目标很简单：在让植物茁壮成长所需的同时，尽可能为未来节省每一滴水。
在降雨量可能难以预测的卢旺达东部省，一个研究小组着手测试这样一种智能系统是否可以应用于一种特定的、至关重要的作物：甜菜。他们在卢马加纳的一个示范农场工作，建造了一个低成本的自动化灌溉系统，旨在监测土壤并仅在必要时为植物浇水。该设备围绕一个能够连接互联网的小型计算机芯片构建，并配有传感器，这些传感器可以“感知”土壤中的水分、感知空气的温度和湿度，以及检测何时正在下雨。该系统被设定了明确的规则：如果土壤变得太干，机器就会启动水泵；如果土壤变得足够湿润，或者正在下雨，机器就会停止。
研究人员花费时间设计了系统的物理布局，创建了一个三维模型，以确保在建造实际原型之前所有部件都能牢固地组合在一起。他们将电子元件组装在一个防水盒内，将水泵连接到储水箱，并将传感器埋在甜菜植物的根部附近。为了确保传感器能够准确区分干、湿、涝三种状态，他们首先在受控条件下对传感器进行了测试。传感器证明是可靠的，能为每种土壤状态提供清晰的读数。系统准备就绪后，他们种下了甜菜种子，并让机器接管了浇水职责三十天。
在试验期间，系统经历了十次灌溉事件。每次土壤水分降至特定的低点时，机器都会检测到变化并启动水泵。水流持续了四分多钟，在土壤达到目标湿润程度之前，向根部输送了定量的液体，随后水泵关闭。从土壤干燥到足以触发传感器到水泵实际开始旋转，整个过程平均耗时不到三秒。当下雨时，系统的雨水传感器充当了安全开关，即使土壤干燥，也会立即阻止水泵启动，从而防止任何不必要的浇水。
结果显示，智能系统与附近地块使用的传统方法之间存在明显差异。虽然自动化系统每次循环使用约三十六升水，但附近的传统人工灌溉地块完成同样任务需要六十五升水。这意味着智能系统节省了近一半的人工操作用水量。在自动化的照料下，甜菜本身生长良好，在一个月内高度增加了近二十厘米。研究人员指出，该系统成功地将土壤维持在特定的水分范围内，使植物保持水分充足而不会被淹没。
然而，作者谨慎地指出，这仅仅是一次短期测试。由于该研究没有包括多个对照植物组，也没有测量最终的收获产量，因此结果证明了机器可以正常工作并节省用水，但尚未证明它比传统方法能产出更多的食物。这项研究是一个功能性的概念验证，表明廉价且当地可获得的技术可以用于卢旺达的自动化灌溉。研究人员建议，下一步的工作包括在多个季节和不同类型的作物上测试该系统，以观察这些节水效果和健康的生长是否能在长期内得以维持。目前，这项工作是一个实用的演示，表明一个简单的、由传感器驱动的机器可以消除浇水的猜测，为水资源匮乏地区的更高效农业提供一条潜在路径。
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