เหตุผลที่อุปกรณ์วัดความชื้นในดิน(IoT soil moisture sensor) ต่อยอดไม่ถึงการควบคุมการให้น้ำ
วัดความชื้นในดิน เวลาดินแห้งก็ให้ระบบสั่งรดน้ำอัตโนมัติไปเลย
เชื่อว่าหลายๆ คนคงเคยได้ยินข้อความลักษณะนี้มาไม่มากก็น้อย ทุกครั้งที่พูดถึงการเกษตรในอนาคต ทุกคราวที่มีการพูดถึงเกษตร 4.0 หรือเทคโนโลยีIoT หรือเทคโนโลยีการเกษตร และทุกงานที่มีการแสดงวิสัยทัศน์ เราจะได้ยินสิ่งเหล่านี้
แต่สถานกาณ์ช่วง 5 ปีที่ผ่านมาได้ก่อให้เกิดคำถามว่าวิสัยทัศน์หรือความชาญฉลาดของชุดเทคโนโลยีเหล่านั้นหายไปไหน หรือไปสร้างความสำเร็จที่ไหน ทำไมจึงไม่สามารถถามข้อมูล หาซื้อมาลองได้ง่ายๆ???
ถ้าไม่นับรวมเรื่องกลุ่มคนที่พัฒนาชุดอุปกรณ์เหล่านี้ที่พูดแต่ภาษาที่ยากจะเข้าใจแล้ว การเข้าถึงอุปกรณ์และจะเลือกปรับจริงนั้น ก็ยังคงเป็นภาพฝันที่ยังให้ความรู้สึกว่าไม่ใกล้ความจริงเท่าที่ควร เกิดอะไรขึ้น?
บทความนี้อยากจะพาทุกท่านเดินทางไปกับกลไกที่ผู้เขียนพบว่าเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างปัญหาที่ทำให้ชุดอุปกรณ์การตรวจวัดความชื้นในดินและการควบคุมการให้น้ำยังไม่เป็นที่แพร่หลายในไทย และสถานการณ์ปัจจุบันที่อาจเรียกได้ว่าเป็นข่าวร้ายของใครหลายคนเลยทีเดียว
อ่านเรื่องราวอื่นๆได้ที่ AgriThaiIoT และ เกษตรไทยIoT
ชนิดของดินและคุณสมบัติกับน้ำ
เรื่องแรกและเป็นเรื่องพื้นฐานคือชนิดของดินและคุณสมบัติกับน้ำ เหตุที่ต้องเริ่มด้วยเรื่องนี้เพราะหากไม่เข้าใจกลไกความซับซ้อนของน้ำกับดินแล้ว ก็จะมองไม่เห็นภาพสถานการณ์ปัญหาที่เกิดขึ้น
ดินแบ่งออกเป็น 3 ชนิดหลัก ได้แก่ดินเหนียว ดินทรายแป้ง และดินทราย โดยไล่ตามลำดับขนาดของเม็ดดินจากน้อยไปมาก เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าดินเนื้อละเอียดอย่างดินเหนียวจะซึมน้ำได้ไม่ดี แต่อุ้มน้ำได้มาก และเม็ดดินขนาดใหญ่อย่างดินทรายระบายน้ำได้ดีและอุ้มน้ำได้น้อย รวมถึงคุณสมบัติอย่างการซึมตัวของน้ำผ่านดินชนิดต่างกัน มีความเร็วและรูปลักษณ์ที่แตกต่างกัน ส่งผลให้ชนิดของดินมีส่งผลต่อพฤติกรรมของน้ำที่อยู่ในดิน
ความหลากหลายของดินจากต้นกำเนิด
แต่ทว่าดินทั้ง 3 ชนิดนี้เป็นเพียงชนิดดินหลัก เปรียบได้กับแม่สี 3 สี เมื่อผสมกันด้วยอัตราส่วนที่ต่างกันจะเกิดเป็นดินได้ทั้งหมด 12 ชนิด เช่น ดินเหนียวปนทราย ดินเหนียวปนทรายแป้ง ดินทรายปนเหนียว เป็นต้น ส่วนดินร่วนที่เรารู้จักเป็นส่วนผสมของดินเกนียว ดินทราย และทรายแป้งในสัดส่วนที่ใกล้เคียงกัน(รวมถึงวัตถุอินทรีย์อื่นๆ)
ดินทั้ง 12 ชนิดนี้ยังไม่รวมกับวัตถุที่อยู่ตามธรรมชาติเช่น วัตถุอินทรีย์จากสิ่งมีชีวิต ซากพืช-ซากสัตว์ จุลินทรีย์ สิ่งมีชีวิตกลุ่มเห็ด รา ไปจนถึงวัตถุสสารอนินทรีย์เช่นก้อนหิน และแร่ธาติอาหาร
ทั้งชนิดดินที่หลากหลาย และระบบนิเวศน์ที่หมุนเวียนกันอยู่รอบดิน ส่งผลต่อพฤติกรรมของน้ำเช่นกัน อันตราส่วนของดินที่มีทรายปนอยู่มาก อัตราการไหลผ่านของน้ำก็จะสูงตามไปด้วย หรือดินมีซากพืชซากสัตว์จำนวนมาก อาจช่วยให้ดินมีคุณสมบัติการกักเก็บน้ำมากเช่นกันฯลฯ
ถึงตรงนี้แล้วน่าจะพอคาดเดาได้ว่า ดินแต่ละพื้นที่มีความแตกต่างกันอย่างมาก แค่ในระยะ 1 เมตรที่เราเห็นว่าดินปกคลุมด้วยหญ้าเหมือนๆ กัน แค่ลึกลงไปเพียงหนึ่งคืบก็อาจมีปฏิสัมพันธ์กับน้ำที่แตกต่างกันได้
ความหลากหลายของดินจากการจัดการดิน
ยังไม่จบเพียงเท่านั้น การเปลี่ยนเปลงคุณสมบัติของดินเป็นไปตามธรรมชาติ เมื่อได้รับน้ำ แสง และการทำงานของเหล่าจุลชีพก็ค่อยๆ เปลี่ยนดินให้ไม่เหมือนเดิมตลอดเวลา ทว่าในความเป็นจริงการเกษตรย่อมต้องมีการจัดการดินเพื่อให้พร้อมสำหรับการเพาะปลูก
การจัดการดินนี้เองเป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อ “คุณสมบัติของดิน” ซึ่งในที่นี้ไม่ได้หมายความเพียงว่าการพรวนดิน ไถหน้าดินเพียงอย่างเดียว แต่หมายถึงการจัดการเชิงชีวภาพและเคมีอีกด้วย แล้วทางชีวภาพและทางเคมีเกี่ยวอะไรกับปฏิสัมพันธ์ของน้ำกับดิน?
ขอขยายความกลไกภาพรวมตรงนี้สักนิดนึง การเปลี่ยนแปลงของดินนั้นโดยมากเกิดจากกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตและเหล่าจุลชีพ โดยอาศัยดินเป็น “บ้าน” และ “แหล่งอาหาร” การจัดการดินทางกายภาพ และเคมี จะเป็นตัวกำหนดว่า บ้านและอาหารของเหล่าจุลชีพจะเปลี่ยนไปอย่างไร จุลชีพบางกลุ่มก็ชอบอากาศมากชอบดินโปร่ง และชอบให้มีซากพืชมูลสัตว์เป็นอาหาร บางชนิดตายแทบจะทันทีเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงทางเคมีอย่างฉับพลัน หรือกล่าวได้ว่า ดินที่กำลังเกิดการเปลี่ยนแปลงหรือปล่อยธาตุอาหารพืชจากจุลิจทรีย์ถูกปิดกั้นกระบวนการจากการจัดการดิน ไม่ว่าด้วยกายภาพหรือการให้สารเคมี ปู่ยเคมีที่มากเกินไป หรือสารกำจัดศัตรูพืช
เพราะคุณสมบัติทางเคมีของดิน ส่งผลโดยตรงต่อกิจกรรมของสิ่งมีชีวิตในดิน และกิจกรรมเหล่านั้นส่งผลต่อคุณสมบัติทางกายภาพของดิน ซึ่งหนึ่งในนั้นคือปฏิสัมพันธ์กับน้ำนั่นเอง
สรุปอีกครั้งคือ การจัดการดินทางกายภาพ หรือการให้สารบางอย่างลงในดินซ้ำๆ จะส่งผลต่อโครงสร้างดิน และพฤติกรรมของน้ำที่อยู่ในดินตามไปด้วย ฉะนั้นการจัดการดินที่แตกต่างกันจะส่งผลต่อการตรวจวัดความชื้นในดินด้วยเช่นกัน
กลวิธีตรวจวัดที่หลากหลาย
หากพอจะเห็นภาพความมหัศจรรย์ของธรรมชาติที่สร้างสรรค์สิ่งต่างๆ ให้ผูกพันธ์หลากหลายแล้ว มาถึงสิ่งที่มนุษย์สร้างขึ้นเพื่อทำความเข้าใจธรมชาติกันบ้างนั่นคือเซ็นเซอร์หรืออุปกรณ์ตรวจวัด
กลวิธีตรวจวัดความชื้นในดินจะใช้คุณสมบัติ 2 ส่วนใหญ่ๆของดิน
คุณสมบัติทางกายภาพ
แบ่งออกได้เป็นอีก 2 กระบวนการใหญ่ๆ
- การอบดิน คือการขุดดินจุดที่สนใจมาชั่งน้ำหนักวัดขนาด ก่อนอบแห้งหล้วชั่งน้ำหนักอีกครั้งโดยถือว่าน้ำหนักที่หายไปคือน้ำ ก่อนจะนำข้อมูลมาคำนวณเป็นสักส่วนหรือเปอร์เซ็นต์ของน้ำในดิน โดยกระบวนการนี้จะให้ค่าความชื้นในดินที่ถูกต้องแม่นยำ แต่มีข้อจำกัดด้านอุปกรณ์ชั่งตวงวัด และอาศัยเวลาในการตรวจวัดแต่ละครั้งไม่ต่ำกว่า 24 ชั่วโมง ซึ่งไม่ตอบโจทย์ความต้องการวัดค่าความชื้นแบบเวลาจริง และในสภาวะจริงค่าความชื้นในดินหลังจากขุดดินขึ้นมาอาจเปลี่ยนแปลงไปแล้ว
- การตรวจวัดด้วยเทนซิโอมิเตอร์ โดยอุปกรณ์จะอาศัยหลักการรองดึงดูดของน้ำของเนื้อดินหรือศักย์ของน้ำมาเป็นตัวบ่งชี้ว่ามีสัดส่วนน้ำในดินมากน้อยเพียงใด (เปรียบน้ำในดินเป็นน้ำ และดินเป็นน้ำแข็งบดขนาดเล็กในแก้ว และอุปกรณ์เป็นหลอดรูเล็ก ถ้ามีน้ำในแก้วมาก น้ำจจะไหลเข้าหลอดได้ แต่ถ้าน้ำน้อย น้ำก็จะเกาะอยู่ตามน้ำแข็ง ไม่ไหลเข้าหลอด) การตรวจวัดด้วยอุปกรณ์นี้ให้ข้อมูลพฤติกรรมของน้ำในดินได้เป็นอย่างดี เพราะส่วนหัวอุปกรณ์วัดนั้นจำลองรูพรุนของเม็ดดิน แต่ข้อจำกัดยังคงเป็นความไม่ต่อเนื่องของข้อมูล กล่าวคือ แม้จะติดตั้งอุปกรณ์ได้นานแต่ก็ขึ้นกับผู้ใช้ข้อมูลว่าสามารถแวะเวียนมาอ่านข้อมูลมากน้อยเพียงใดในหนึ่งวัน
คุณสมบัติทางไฟฟ้า
อุปกรณ์กลุ่มนี้มักจะถูกเรียกว่าเซ็นเซอร์(sensor) หรืออุปกรณ์ที่เชื่อต่อกับชุดอิเล็กทรอนิกส์ และสามารถทำงานแบบเวลาจริง(real time) ได้ พบมากในท้องตลาดและนิยมใช้มีอยู่ 2 กลุ่มคือ
- ใช้หลักการตัวต้านทาน หรือResistance(R) ในการตรวจวัด โดยใช้คุณสมบัติการนำไฟฟ้าได้ดีของน้ำ หากในดินมีน้ำมากค่าความต้านทานที่อุปกรณ์วัดได้ก็จะต่ำลง หากมีน้ำในดินน้อยค่าความต้านทานก็จะมาก โดยอุปกรณ์นี้จะมีข้อจำกัดคือหากดินมีแร่ธาตุอาหารเข้มข้นเมื่อน้ำซึมผ่านดิน น้ำจะมีธาตุอาหารละลายอยู่มาก โดยธาตุอาหารเหล่านั้นจะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของน้ำ กล่าวคือ น้ำจะสามารถนำไฟฟ้าได้ดีกว่าเดิม ฉะนั้น แม้จะมีน้ำในดินน้อย แต่หากน้ำมีแร่ธาตุสูงการอ่านค่าจากอุปกรณ์ก็อาจตีความได้ว่าดินมีน้ำมาก
- ใช้หลักการตัวเก็บประจุ หรือCapasitance(C) ในการตรวจวัด โดยใช้คุณสมบัติความสัมพันธ์แบบแปรผันตรงของค่าความเป็นประจุของวัสดุ กับค่า Permitivity ของวัสดุซึ่ง ค่า Permitivity ของน้ำมีค่าสูงอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับวัสดุชนิดอื่น หากในดินมีน้ำก็จะสามารถวัดค่าความเก็บประจุได้มาก และหากน้ำในดินน้อยก็จะวัดค่าได้น้อย
กล่าวโดยสรุปคืออุปกรณ์ที่ใช้หลักการตรวจวัดที่แตกต่างกัน เปรียบได้กับการมองค่าความชื้นในดินต่างมุมกัน แม้จะไม่แตกต่างกันมาก อุปกรณ์แต่ละชนิดก็มีข้อจำกัดที่ส่งผลถึงการอ่านและแปลความหมายของข้อมูล ผู้ที่จะใช้อุปกรณ์ตรวจวัดความชื้ในดินจึงต้องทำความเข้าใจตัวอุปกรณ์ที่ใช้งานอยู่ด้วย
*คำถามชวนคิด: ถ้าหน่วยวัดความยาวคือ เมตรหรือฟุต ที่ใช้งานเป็นสากล แล้วทำไมหน่วยวัดความชื้นในดินถึงไม่มีหน่วยสากล ลองไปค้นหาข้อมูลดูนะครับ!!!
**หมายเหตุ: ค่าการตรวจวัดยังขึ้นกับคุณภาพของอุปกรณ์ตรวจวัด การเลือกซื้อจำต้องเข้าใจหลักการตรวจวัดเพื่อประเมินว่าตอบโจทย์ความต้องการหรือไม่
ไม่มี “ค่ากลาง” ของความชื้นในดิน จากการวัดด้วยเซ็นเซอร์
ผู้อ่านที่อ่านมาถึงตรงนี้แล้วผมขอชื่นชมและขอบคุณที่ท่านติดตาม เพราะเราเดินทางมาถึงส่วนสำคัญของบทความแล้ว โดยผู้เขียนจะพาประกอบรวมปัจจัยที่กล่าวถึงไปทั้งหมดข้างต้น
ชนิดดิน(สัดส่วนที่ผสมกัน)ของพื้นที่+การจัดการดินทางกายภาพ-เคมี-ชีวภาพ+ชนิดและข้อจำกัดของอุปกรณ์= ความเป็นไปได้ไม่มีที่สิ้นสุด
หากนำอุปกรณ์ตรวจวัดความชื้นทุกชนิดทุกยี่ห้อมาติดตั้งเรียงกันเป็นหน้ากระดาน ด้วยดินชนิดเดียวกัน มีการรดน้ำเหมือนกัน พนันได้ว่าจะให้ค่าการตรวจวัดที่แตกต่างกันอย่างแน่นอน เนื่องเพราะเหตุปัจจัยที่ต่างกันแม้เพียงปัจจัยเดียวก็สามารถให้ค่าตรวจวัดที่แตกต่างกัน ตัวอย่างเช่น
- การติดตั้งอุปกรณ์ในแนวนอน(ขนานกับดิน) มีโอกาสที่น้ำจะซึมผ่านดินแล้วขังตัวอยู่รอบอุปกรณ์มากกว่าอุปกรณ์ที่ติดตั้งในทางดิ่ง(ตั้งฉากกับพื้น)
- ขนาดของหัววัดของอุปกรณ์ อุปกรณ์ที่ส่วนของหัววัดมีขนาดใหญ่ ย่อมหมายถึงการกินพื้นที่ของดินมากกว่าอุปกรณ์ขนาดเล็ก โอกาสที่จะตรวจพบค่าความชื้นมากกว่าจะมีสูงกว่า
- ความลึกของการตรวจวัด หากติดตั้งใกล้ผิวดินมากเกินไป น้ำที่อยู่ผิวดินจะระเหยจากการถูกลมพัดหรือแสงแดดมากกว่าดินที่อยู่ระดับลึกลงไป นำไปสู่การอ่านค่าความชื้นในดินที่น้อยกว่าพื้นที่อื่นๆ
- ฯลฯ
ติดตั้งอุปกรณ์ = สั่งตัดเสื้อของใครของมัน
มาถึงตรงนี้หวังว่าผู้อ่านจะพอเดาออกแล้วว่าอะไรคือเหตุผลที่ ชุดอุปกรณ์ตรวจวัดความชื้นในดินที่เราต้องการให้ตัดสินใจแทนเราหรือให้ทำงานตามค่าระดับความชื้นที่วัดได้ ไปสั่งการระบบควบคุมการให้น้ำ ไม่เป็นที่แพร่หลายหรือใช้งานได้กับทุกคน นั่นเพราะบริบทความหลากหลายที่ได้กล่าวไปข้างต้นทั้งหมด
การขายฝันถึงระบบอัตโนมัติไม่ผิด แต่การผูกมัดหรือยัดเหยียดระบบที่ผู้ใช้ยังไม่พร้อมใช้งานหรือกระทั่งผู้ออกแบบระบบยังไม่เข้าใจถึงบริบทที่ครอบคลุมทั้งหมดนำมาซึ่งความติดขัดในการใช้งานจนถึงขั้นกลายเป็นภาระงานไปในที่สุด
สิ่งที่ผู้เขียนพยายามจะสื่อสารมาตลอดคือการ “ถอดองค์ความรู้” จากผู้รู้หรือปู้เชี่ยวชาญ หรือถอดองค์ความรู้จากกิจวัตรประจำวันให้ได้เสียก่อน กล่าวคือ นำระบบไปติดตั้งให้กับเกษตรกรที่ต้องการใช้งานและยินดีจะติดตั้งระบบเพื่อ “เก็บข้อมูล เทียบกับภูมิปัญญา/องค์ความรู้” ในเบื้องต้นเสียก่อน
ตัวอย่างเช่น เคยให้น้ำในช่วงเวลานี้ เป็นเวลาหรือปริมาณเท่านี้ ก็ให้ทำเหมือนเดิมไม่มีอะไรเปลี่ยนแปลง แต่สิ่งที่ต่างออกไปคือจะมีข้อมูลมาอ้างอิงว่ารูปแบบการให้น้ำแบบนี้เกิดพฤติกรรมของน้ำในดินอย่างไร การให้น้ำที่เพียงพอแล้วน้ำหรับผู้ปลูกจะถูกถอดด้วยอุปกรณ์ตรวจวัด ภายใต้บริบทข้อมูลว่า อุปกรณ์ชนิดใด ติดตั้งอย่างไร ดิดชนิดไหน และมีสภาพแวดล้อมการติดตั้งอย่างไร เป็นต้น
เปียบได้กับการตัดเสื้อที่พอดีตัวมากๆ จนไม่สามารถใช้ข้อมูลร่วมกันได้ จนกว่าจะมีการติดตั้งและถอดบทเรียนจากข้อมูลมากเพียงพอ ในที่นี้อาจกล่าวได้ว่าเป็นเวลาไม่น้อยกว่า 5 ปีเลยทีเดียว
ฉะนั้นการจะเอาข้อมูลของผู้รู้ นักวิชาการมาปรับใช้ทันทีนั้นยังเป็นแนวทางที่ไม่แนะนำ แม้จะมีอุปกรณ์หรือมีกรณีตัวอย่างให้เห็นก็ตาม บริบทของตัวอย่างยังคงสำคัญที่ควรศึกษาให้แน่ชัดก่อนการวางแผนและนำอุปกรณ์เหล่านี้มาปรับใช้ ยังไม่นับรวมถึงปัญหาด้านเทคนิคของอุปกรณ์อีกมากที่สร้างความแตกต่างให้กับบริบท เช่น พื้นที่เพาะปลูกใหญ่มากเสียจน การติดตั้งต้องใช้อุปกรณ์จำนวนมาก ซึ่งหมายถึงการเดินสายไปหรือคุณภาพของสัญญาณ ไปจนถึงค่าบริการสัญญาณ การดูแลรักษาอุปกรณ์แบตเตอรี่ฯลฯ
ข่าวร้ายของปี 2022!
ข่าวร้ายที่ถือว่าร้ายไม่แพ้โรคระบาดคือ อุปกรณ์ขึ้นราคาและกำลังขาดตลาด!!! การขึ้นราคาสินค้าหลายท่านอาจคิดว่าปกติ แต่มองภาพรวมประเทศไทยไม่ใช่ผู้ผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในส่วนของชิป ราคาชิปสำหรับเหล่าเมกเกอร์นักพัฒนาถือว่าสูงอยู่แล้ว (ยังไม่นับรวมเศรษฐกิจ ค่าเงิน และค่าครองชีพ) เมื่อมีการขึ้นราคาอุปกรณ์สูงสุดที่ทีมงานและผู้เขียนเจอคือราคา +40 เท่า จากชิปที่เคยราคา 60 บาทกลายเป็น 2400 บาทในไม่กี่เดือน
ใช่ครับ ตาไม่ได้ฝาดครับ สถานการณ์ต่อจากนี้คาดได้เพียงอย่างเดียวคืออุตสาหกรรมการพัฒนาด้านอุปกรณ์IOT จะช้าและล้าหลังไปไม่น้อยกว่า 5 ปีอย่างแน่นอน งานวิจัย โครงงานนักเรียนนักศึกษา จะสู้ราคาและหาซื้ออุปกรณ์ไม่ได้ ไอเดียความคิดสรางสรรค์ความเป็นไปได้ที่อยู่ใกล้แค่เอื้อมก็จะถูกผลักให้ถอยห่างออกไป
ผู้เขียนได้แต่หวังว่าสถานการณ์จะดีขึ้นในเร็ววัน…
อ่านเรื่องราวอื่นๆได้ที่ AgriThaiIoT และ เกษตรไทยIoT
