ما مدى دقة مقاييس المطر المتصلة بإنترنت الأشياء في مجال الزراعة ومراقبة الطقس؟

تُساعد بيانات هطول الأمطار الدقيقة في اتخاذ العديد من القرارات العملية، بما في ذلك تحسين جدولة الري وإدارة الصرف، ومراقبة الفيضانات، وتحليل الظواهر الجوية المحلية، وتسجيل البيانات البيئية. وتستخدم المؤسسات الزراعية ومحطات الأرصاد الجوية ومشاريع إدارة المياه والمدن الذكية مقاييس المطر المتصلة بشبكة إنترنت الأشياء لجمع البيانات ونقلها عن بُعد إلى منصات إنترنت الأشياء.

لكن ما مدى دقة مقياس المطر الذي يعمل بتقنية إنترنت الأشياء؟

يمكن لجهاز استشعار هطول الأمطار المناسب، عند تركيبه بشكل صحيح وصيانته بانتظام، أن يوفر بيانات دقيقة لاتخاذ القرارات الزراعية، وإجراء عمليات الرصد الجوي الروتينية، وتسجيل البيانات البيئية، والتطبيقات الهيدرولوجية. ولا تقتصر دقة القياس على جانب إنترنت الأشياء فقط، بل تشمل عوامل أخرى مثل مبدأ القياس، ودقة القياس، وشدة هطول الأمطار، وبيئة التركيب، وإجراءات المعايرة، وإجراءات الصيانة، ومعالجة البيانات.

بشكل أساسي، فإن تطبيق اتصال إنترنت الأشياء على مراقبة هطول الأمطار يجعل الوصول إلى البيانات أسهل، ولكنه لا يزيد تلقائيًا من دقة مستشعر المطر.

ما هو مقياس المطر الخاص بإنترنت الأشياء؟

أن مقياس مطر يعمل بتقنية إنترنت الأشياء لا يُعدّ مقياس المطر مبدأً مستقلاً لقياس المطر. فإمكانيات إنترنت الأشياء تعني أن مقياس المطر متصل بمكونات إضافية. ويمكن عادةً ربط مستشعر المطر، سواءً كان دلوًا قلابًا أو وزنًا أو بصريًا أو كهرضغطياً، بمسجل بيانات وجهاز اتصال ومنصة إنترنت الأشياء.

قد يتضمن نظام متكامل لرصد هطول الأمطار مزود بإمكانيات إنترنت الأشياء ما يلي:

* مستشعر هطول الأمطار

* وحدة جمع البيانات (RTU)

* RS485، مخرج نبضي، SDI-12، LoRaWAN، NB-IoT، 4G، أو واجهة اتصال أخرى

* مصدر طاقة شمسية أو تيار متردد

* تخزين البيانات على متن المركبة

* منصة مراقبة سحابية

* إمكانيات الإنذار والإبلاغ

تتيح هذه الميزات للمستخدمين مراقبة هطول الأمطار عن بعد، ومقارنة أحداث هطول الأمطار عبر العديد من المواقع، وتلقي الإنذارات، وتصدير سجلات هطول الأمطار التاريخية دون الحاجة إلى السفر إلى كل نقطة مراقبة.

ومع ذلك، فإن دقة القياس لا تزال تبدأ من مستشعر هطول الأمطار نفسه.

الدقة ليست هي نفسها الوضوح

من الأخطاء الشائعة عند اختيار مقياس المطر هو افتراض أن الدقة والوضوح مواصفات قابلة للتبادل.

دقة

تُعرَّف الدقة بأنها كمية الأمطار التي يستطيع المستشعر رصدها وتسجيلها في وقت واحد. على سبيل المثال، قد يُضبط مقياس المطر ذو الدلو القلاب على إصدار نبضة واحدة لكل 0.1 مم، أو 0.2 مم، أو 0.5 مم من الأمطار المُجمَّعة. الدقة هي مقدار كل زيادة في القياس، وليست الخطأ الكلي للقياس.

دقة

تُقاس دقة تسجيل هطول الأمطار بمدى قرب القيمة المقاسة من القيمة الحقيقية في ظل الظروف المحددة. فمجرد أن تكون دقة مقياس المطر 0.2 مم لا يعني بالضرورة أن دقته تساوي ±0.2 مم. إذ تتفاوت دقة مقياس المطر تبعًا لشدة هطول الأمطار، والظروف الميكانيكية، وإعدادات المعايرة، والعوائق القريبة، والرياح، والصيانة الدورية.

قابلية التكرار

ومن الاعتبارات الأخرى في القياس مدى اتساق مقياس المطر عند تعرضه لنفس الظروف عدة مرات.

توافر البيانات

بالنسبة لأنظمة إنترنت الأشياء، يُعدّ توافر البيانات أمرًا بالغ الأهمية. فإذا كان المستشعر دقيقًا للغاية، ولكن توجد مشاكل في الاتصال تؤدي إلى فقدان بيانات هطول الأمطار، فما فائدة مقياس المطر؟ يمكن أن يساعد تخزين البيانات في الموقع مع ميزات إعادة الإرسال التلقائي في حلّ مشاكل شبكات جمع البيانات التي تعاني من انقطاعات في الاتصالات.

ما هي العوامل التي تؤثر على دقة مقياس المطر في إنترنت الأشياء؟

نوع مقياس المطر

تُعدّ التقنية المستخدمة لقياس الهطول المطري أول اختلاف جوهري بين مقاييس المطر. إليكم كيفية عمل أربعة مبادئ شائعة لاستشعار هطول الأمطار.

1.مقاييس المطر ذات الدلو القلاب

تعمل مقاييس المطر ذات الدلو القلاب عن طريق تجميع مياه الأمطار عبر قمع. تتجمع مياه الأمطار على جانب واحد من دلو داخلي صغير. عندما تتجمع كمية كافية من الماء لإمالة الآلية، تفرغ وترسل نبضة معلومات إلى جهاز التسجيل. إجمالي هطول الأمطار هو عدد مرات الإمالة مضروبًا في كمية الأمطار المطلوبة لكل إمالة.

تحظى مقاييس المطر ذات الدلو القلاب بشعبية كبيرة لأنها بسيطة وبأسعار معقولة وسهلة التوصيل بمسجلات البيانات وتعمل بشكل جيد في الشبكات ذات نقاط المراقبة المتعددة.

تشمل المشكلات المحتملة لهذه الطريقة ما يلي:

* انخفاض الدقة عند هطول الأمطار الغزيرة

* تأخر الإبلاغ أثناء هطول الأمطار الخفيفة

* مشاكل في التآكل والتوازن في آلية الإمالة

* انسداد القمع أو مخرج مياه الأمطار

* فقدان الماء أثناء حركة الإمالة

نظراً لوجود تأخير زمني بين دخول الماء إلى القمع وتسجيل الإمالة، يجب معايرة المستشعر ديناميكياً للحصول على أفضل النتائج. وقد أظهرت الدراسات التي أُجريت على مقاييس المطر ذات الدلو المائل كيف يرتبط عدم اليقين في القياس بشدة هطول الأمطار، وطرق المعايرة، والخصائص الميكانيكية للدلو المائل، وتقنيات تصحيح الأخطاء.

• وزن مقاييس المطر

وزن مقاييس المطر الأوتوماتيكية تسجل هذه الأجهزة مقدار الزيادة أو النقصان في وزن الأمطار المتجمعة، وتوفر سجلاً مستمراً للأمطار المتراكمة، دون الاعتماد على قياسات قاع الدلو لتحديد كمية الأمطار المتساقطة.

بما أنها تقيس الوزن الإجمالي، فإن هذه المقاييس تعمل بكفاءة عالية في ظل ظروف هطول متنوعة. تُستخدم مقاييس الوزن بشكل شائع في الأرصاد الجوية وعلم المناخ والتطبيقات البحثية. بل إن بعض النماذج مصممة لقياس الهطول المختلط أو الهطول الصلب كالثلج والبرد.

قد تشمل المقايضات ما يلي:

* تكلفة أولية أعلى

* عملية التركيب أكثر تعقيدًا

* زيادة استهلاك الطاقة والصيانة

* عرضة للاهتزاز والتبخر ودرجة الحرارة وانحراف النظام

• مستشعرات المطر البصرية

تستشعر أجهزة استشعار المطر البصرية المطر من خلال التغيرات الضوئية الناتجة عن قطرات المطر. لا تحتوي هذه الأجهزة على وعاء قلاب، وغالبًا ما تكون صغيرة الحجم وسهلة الدمج في أجهزة استشعار الطقس المدمجة.

تشمل مزاياها قلة متطلبات الصيانة وصغر الحجم. أما عيوبها فتتمثل في نطاق قياس محدود، واعتماد حساب كمية الأمطار المتراكمة كلياً على خوارزمية الشركة المصنعة.

• مستشعرات المطر الكهروإجهادية

تقيس المستشعرات الكهروإجهادية طاقة اصطدام قطرات المطر. تتميز هذه المستشعرات بسرعة استجابتها العالية، كما أنها تختلف في حجمها عن الدلاء التقليدية.

تُعدّ المستشعرات الكهروإجهادية مفيدةً في رصد الأمطار، وتحديد اتجاهات شدة هطولها، وفي محطات الأرصاد الجوية الصغيرة، ووحدات مراقبة إنترنت الأشياء الصغيرة. وتتأثر دقة حساب كميات الأمطار بحجم قطرات المطر، واهتزاز المستشعر، وطريقة تركيبه، وسرعة الرياح، وخوارزمية المعالجة الخاصة بالشركة المصنعة.

كيف تؤثر شدة هطول الأمطار على أداء القياس

تؤثر شدة هطول الأمطار أيضاً على دقة قياس مقياس المطر للهطول. فالأمطار الخفيفة، والأمطار الغزيرة، وتغيرات هطول الأمطار السريعة، كلها تؤثر على مقاييس المطر بشكل مختلف.

1. قلة أو انعدام الأمطار

إذا كان المطر يهطل ببطء شديد، فيجب على مقياس المطر ذي الدلو القلاب أولاً جمع كمية كافية من الماء ليقلب الدلو. وهذا يعني أن كميات صغيرة من المطر قد تتجمع على القمع أو داخل الوحدة ولا يتم تسجيلها.

• أمطار غزيرة

إذا كان المطر يهطل بغزارة، فسيدخل المزيد من الماء إلى مقياس المطر ذي الدلو القلاب أثناء عملية تفريغه. وسيسجل المقياس كمية أقل من كمية الأمطار ما لم يكن نظام القياس مصممًا لمراعاة ذلك.

تكمن أهمية المعايرة الديناميكية في العلاقة بين كمية المياه المتدفقة وحركة دلو مقياس المطر. ولهذا السبب أيضاً، ينبغي النظر إلى جوانب أخرى غير الدقة المعلنة عند تقييم مقاييس المطر.

كيف تؤثر بيئة التركيب على دقة بيانات هطول الأمطار

قد لا يوفر مقياس المطر المصنوع جيداً معلومات دقيقة إذا لم يتم تركيبه بشكل صحيح.

1. يجب أن يكون مقياس المطر مستوياً

يجب أن يكون مقياس المطر ذو الدلو القلاب مستويًا تمامًا أثناء التركيب. أي ميل قد يؤثر على توازن آلية القلاب، مما قد يؤثر على كمية المطر اللازمة لتفريغ الدلو.

ينبغي فحصها أثناء التركيب الأولي وبشكل دوري كجزء من الصيانة الروتينية. من المهم بشكل خاص إعادة فحصها بعد هبوب رياح قوية، أو حدوث حركة أرضية، أو عند إجراء الصيانة بالقرب من مقياس المطر.

• الأشياء القريبة

يمكن أن تتأثر دقة هطول الأمطار بالأجسام القريبة مثل الأشجار والجدران والمباني والأسوار والأبراج أو الهياكل الأخرى التي يمكن أن تحجب هطول الأمطار أو تخلق اضطرابًا.

من الأفضل أن يكون مقياس المطر بعيدًا بما يكفي عن هذه العوائق حتى لا يؤثر بشكل كبير على قياسات المطر. كما يجب أن تلتزم إرشادات التركيب بالمعايير المناخية أو الهيدرولوجية المستخدمة في المشروع.

• حالة الرياح

قد تتسبب الرياح أيضًا في نقص كمية المياه المتجمعة نتيجةً لتطاير قطرات المطر حول قمع التجميع. لذا، ينبغي أن يحد تصميم التركيب من تأثيرات الرياح قدر الإمكان. أما المشاريع التي تتطلب بيانات مرجعية عالية الجودة، فينبغي أن تأخذ في الاعتبار استخدام حاجز للرياح أو اختيار موقع تركيب أكثر حماية.

• رذاذ المطر

قد تتناثر قطرات المطر داخل مقياس المطر أو خارجه. وللحد من هذه التأثيرات، يُنصح بتركيب المقياس على ارتفاع مناسب واستخدام أسطح أرضية ملائمة أسفله.

• يجب الحفاظ على نظافة المجمع والقمع

قد تتراكم الحشرات وفضلات الطيور والأوراق والغبار والرمل وغيرها من المواد على مقياس المطر، مما يؤثر على كيفية جمعه وقياسه للأمطار. وإذا سدّت هذه المواد القمع جزئيًا، فقد يتأخر هطول الأمطار قبل أن تُفعّل آلية الإمالة تسجيل الإمالة.

• المعايرة والصيانة أمران مهمان

إن كيفية معايرة مقياس المطر وعدد مرات صيانته ستؤثر على مدى دقته.

لا تُغني إمكانيات إنترنت الأشياء عن الحاجة إلى التركيب السليم والصيانة الميدانية والمعايرة. فهذه العوامل تضمن حصولك على معلومات دقيقة ومتسقة من مقياس المطر حول هطول الأمطار في موقع الرصد الخاص بك.