AGROMETEOROLOGIA • SMART AGRICULTURE • EDGE AI

Inżynieria Nawadniania i Bilans Wodny: ESP32-S3 & Waveshare 6CH

Zastępujemy archaiczne, sztywne harmonogramy czasowe autonomiczną analityką ewapotranspiracji na brzegu sieci. Wykorzystujemy instrukcje wektorowe Xtensa LX7, model bilansu wodnego FAO-56 oraz telemetrię Open-Meteo do precyzyjnego dawkowania wody bez pośrednictwa zewnętrznej chmury.

W tradycyjnych sterownikach nawadniania sekcje załączają się według sztywnego zegara RTC, ignorując fakt, że po chłodnym dniu gleba zachowuje wilgoć, a podczas fali upałów z silnym wiatrem zapotrzebowanie roślin gwałtownie wzrasta. Standardem inżynieryjnym w agrometeorologii jest model FAO-56 Penmana-Monteitha oraz jego zredukowane formy empiryczne, które pozwalają bilansować ubytki wody w profilu glebowym w czasie rzeczywistym.

W ekosystemie ProPresta IT algorytm zaimplementowany w module wykonawczym Waveshare 6CH (ESP32-S3) wylicza bezwymiarowy współczynnik nawadniania $ K_{\text{irrig}} $ będący dynamicznym mnożnikiem bazowego czasu pracy elektrozaworów:

$$K_{\text{irrig}} = \text{clamp}\left( \frac{\text{ET}_c - P_{\text{eff}}}{\text{ET}_{\text{base}}}, \; 0.0, \; 1.5 \right)$$

Fizyczna interpretacja parametrów bilansu:

$ \text{ET}_c $ [mm/doba] – rzeczywista ewapotranspiracja uprawy; objętość wody, która ubyła z profilu glebowego na skutek bezpośredniego parowania z gruntu oraz transpiracji aparatów szparkowych roślin.
$ P_{\text{eff}} $ [mm/doba] – opad efektywny; część deszczu, która rzeczywiście infiltruje w strefę korzeniową i staje się dostępna dla roślin, z pominięciem spływu powierzchniowego i retencji na liściach.
$ \text{ET}_{\text{base}} $ [mm/doba] – referencyjne dobowe zapotrzebowanie wodne (standardowo przyjmuje się $ 4.0\text{ mm/dzień} $), odpowiadające zadanemu przez użytkownika bazowemu czasowi podlewania.
$ \text{clamp}(x, 0.0, 1.5) $ – funkcja nasycenia chroniąca przed stanami osobliwymi; zabezpiecza instalację przed pracą poniżej zera lub przekroczeniem 150% nominalnej dawki.

1. Rozbicie składowych fizycznych: Parowanie i Opad Efektywny

A. Rzeczywista ewapotranspiracja uprawy ($ \text{ET}_c $)

Zapotrzebowanie konkretnego gatunku roślin skaluje się względem parowania trawy referencyjnej za pomocą współczynnika roślinności $ K_c $:

$$\text{ET}_c = \text{ET}_0 \times K_c$$

Współczynnik $ K_c $ odzwierciedla fazę fenologiczną i architekturę rośliny (np. trawnik rekreacyjny: $ 0.80 $–$ 0.85 $, krzewy ozdobne: $ 0.60 $, warzywa w fazie owocowania: $ 1.05 $–$ 1.15 $).

Na mikrokontrolerze ESP32-S3, przetwarzającym telemetrię temperatury $ T $ [°C] i wilgotności względnej $ RH $ [%] z Open-Meteo, parowanie referencyjne $ \text{ET}_0 $ wyliczane jest wariantem równania Romanenki-Turca:

$$\text{ET}_0 = 0.013 \times \left( \frac{T}{T + 15} \right) \times \left( 23.88 \times R_s + 50 \right) \times C_h$$

Współczynnik korekty wilgotnościowej $ C_h $ modeluje deficyt prężności pary wodnej (VPD). Gdy powietrze jest suche i gorące, tempo wysychania gruntu rośnie nieliniowo:

$$C_h = \begin{cases} 1.0 & \text{dla } RH \ge 50\% \\ 1.0 + \frac{50 - RH}{70} & \text{dla } RH < 50\% \end{cases}$$

B. Model opadu efektywnego ($ P_{\text{eff}} $) wg USDA SCS

Błędem wielu prostych automatyk jest odejmowanie każdego milimetra deszczu w relacji 1:1. Drobny opad poniżej 1 mm odparowuje z nagrzanej powierzchni liści i trawy zanim dotrze do gleby. Z kolei gwałtowna ulewa przekracza prędkość infiltracji gruntu, powodując spływ powierzchniowy lub grawitacyjną ucieczkę wody poniżej bryły korzeniowej. Stosujemy aproksymację Soil Conservation Service (USDA):

$$P_{\text{eff}} = \begin{cases} 0 & \text{gdy } P_{\text{tot}} < 1.0\text{ mm} \quad (\text{retencja na liściach / parowanie}) \\ P_{\text{tot}} \times 0.8 & \text{gdy } 1.0 \le P_{\text{tot}} \le 15.0\text{ mm} \quad (\text{optymalna infiltracja}) \\ 12.0 + 0.1 \times (P_{\text{tot}} - 15.0) & \text{gdy } P_{\text{tot}} > 15.0\text{ mm} \quad (\text{nasycenie profilu glebowego}) \end{cases}$$

Gdzie skumulowany bilans deszczowy $ P_{\text{tot}} $ integruje historię opadów z ostatnich 24 godzin oraz prognozę na horyzont najbliższych 12 godzin:

$$P_{\text{tot}} = P_{\text{hist 24h}} + P_{\text{prog 12h}}$$

2. Implementacja wektorowa na ESP32-S3: Heurystyka Taylora

Bezpośrednie rozwiązywanie układu równań nieliniowych Penmana-Monteitha wymagałoby ciągłych operacji zmiennoprzecinkowych podwójnej precyzji, co na mikrokontrolerach brzegowych niepotrzebnie marnuje cykle procesora i podnosi temperaturę krzemu.

W module smart_irrigation.c zastosowaliśmy linearyzację pierwszego rzędu (rozwinięcie w szereg Taylora) wokół agrometeorologicznego punktu równowagi ($ T = 20^\circ\text{C} $, $ RH = 60\% $, $ P = 0\text{ mm} $):

$$K_{\text{irrig}} = 1.0 + 0.03 \cdot (T - 20) + 0.008 \cdot (60 - RH) - 0.20 \cdot P_{\text{eff}}$$

Twarda blokada deszczowa (Fail-Safe Soil Interlock):

Bez względu na wyliczenia matematyczne, warunek brzegowy w przerwaniu natychmiast wymusza wyzerowanie współczynnika w przypadku deszczu w toku lub nasycenia gleby:

$$\left( P_{\text{teraz}} > 0.5\text{ mm} \quad \text{lub} \quad P_{\text{tot}} \ge 5.0\text{ mm} \right) \implies K_{\text{irrig}} = 0.0$$

3. Integracja z rejestrami sprzętowymi modułu Waveshare 6CH

Wyliczony współczynnik nie steruje przekaźnikami w sposób ciągły (co groziłoby zawieszeniem styków w stanie włączonym w razie awarii sieci). Zamiast tego modyfikuje on wartość bazową przekazywaną do sprzętowego odliczania w pamięci RAM: relay_countdown_timers[zone].

$$t_{\text{wykonawczy}} = \left\lfloor t_{\text{bazowy}} \times 60 \times K_{\text{irrig}} \right\rfloor \quad [\text{sekundy}]$$

Przykład praktyczny wdrożenia:
Użytkownik ustawił w panelu HMI 7" bazowy czas podlewania trawnika na $ t_{\text{bazowy}} = 10\text{ minut} $. Przy aktualnych warunkach (np. temperatura 16.7°C, wilgotność 92%, opad bieżący 0.4 mm) model wyliczył współczynnik $ K_{\text{irrig}} = 0.47 $. Czas wpisany do licznika wynosi:

$$t_{\text{wykonawczy}} = 10 \times 60 \times 0.47 = 282\text{ sekundy (4 minuty 42 sekundy)}$$

Oszczędność wody w tym pojedynczym cyklu wynosi aż 53%, chroniąc system korzeniowy przed rozwojem grzybów i gniciem z powodu przelania.

Parametr	Typ i Zakres	Źródło danych / Rejestr	Funkcja w systemie
$ T $	float [-20.0 .. +50.0 °C]	temperature_2m	Wyliczanie składowej termicznej ewapotranspiracji
$ RH $	int [0 .. 100 %]	relative_humidity_2m	Ocena deficytu prężności pary wodnej (VPD)
$ P_{\text{tot}} $	float [≥ 0.0 mm]	rain + hourly.precipitation	Kompensacja opadowa i wyzwalanie blokady ulewowej
$ K_{\text{irrig}} $	float [0.0 .. 1.5]	smart_irrigation_get_factor()	Mnożnik wykonawczy czasu pracy cewki elektrozaworu
Watchdog	uint32_t [sekundy]	relay_countdown_timers[6]	Niezależny dekrementator w przerwaniu sprzętowym 1 Hz

Podsumowanie Wdrożenia Architektury Edge AI

Zastosowanie heurystyki wektorowej na mikrokontrolerze ESP32-S3 uniezależnia instalację od zewnętrznych chmur komercyjnych, zapewniając deterministyczną automatykę mikroklimatyczną na poziomie lokalnym:

Autonomia decyzyjna: Współczynnik $ K_{\text{irrig}} $ obliczany jest bezpośrednio w pamięci RAM w oparciu o bieżący wektor danych środowiskowych. Instalacja realizuje podlewanie nawet w przypadku całkowitego zerwania połączenia z Internetem (w oparciu o ostatni poprawny stan równowagi).
Separacja rdzeniowa FreeRTOS: Złożone parsowanie JSON (buforowane w zewnętrznej pamięci Octal PSRAM) oraz obliczenia matematyczne wykonują się na Rdzeniu 1. Nie zakłócają one szyfrowanej komunikacji UDP (AES-128-GCM) ani przełączania rejestrów GPIO obsługiwanych przez Rdzeń 0.
Stabilność energetyczna i brak restartów: Wymuszenie stałej pracy radia modemu Wi-Fi (esp_wifi_set_ps(WIFI_PS_NONE)) w połączeniu z zasilaczem przemysłowym 12V/2A całkowicie wyeliminowało zjawisko spadków napięcia (Brownout Reset) podczas równoczesnego załączania cewek przekaźników.
Fail-Safe Watchdog: Odliczanie czasu w przerwaniach sprzętowych co 1 sekundę gwarantuje, że nawet w razie zawieszenia pętli programu elektrozawory zostaną bezpiecznie odcięte.

Architektura przetestowana i wdrożona na module przekaźnikowym Waveshare 6CH Relay w ramach platformy ProPresta IT.