مقاله بررسی سیستم هوشمند مدیریت آبیاری گلخانه

بخشی از مقاله

بررسی سیستم هوشمند مدیریت آبیاری گلخانه

خلاصه

تداوم موج خشکسالی و محدودتر شدن منابع آبی موجب شده است که بخش کشاورزی برای بهره برداری بهینهتر از آب، روشهای سنتی غرقابی را فراموش کنند و به بکارگیری سیستمهای آبیاری نوین بپردازند. نسل جدید سیستمهای آبیاری که به سیستم هوشمند مدیریت آبیاری موسوم است. بطور کلی سیستم آبیاری هوشمند گلخانه ها یا به عبارتی کنترل از راه دور را میتوان با به کار بردن حسگرها و عملگرهای مختلف به صورت خودکار و یا با استفاده از خط تلفن ثابت و همراه از راه دور پیاده سازی کرد. هدفی که این مقاله دنبال میکند آشنایی با سیستمهای هوشمند گلخانه ، سیستم کنترل از راه دور و مزایای آن میباشد. ابزار و سنسورهایی هستند که قادرند شرایط اقلیمی خاصی را در داخل گلخانه بهصورت مصنوعی ایجاد نمایند. میتوان با طراحی یک سیستم مکاترونیکی تمام شرایط اقلیمی گلخانه را کنترل کرد و با آبیاری هوشمند میزان مصرف آبیاری را به حداقل رساند. در سیستم کنترل گلخانه ، حسگرها وظیفه اندازه گیری عوامل مختلف محیطی را به عهده دارند کامپیوتر با گرفتن اطلاعات از حسگرها دستورات مختلف را برای عملگرها صادر میکند تا طبق نیاز هر گیاه آبیاری انجام شود. کامپیوترهایی که به این منظور مورد استفاده قرار میگیرد، از نظرسخت افزاری و نرمافزاری بایستی به گونهای باشند که بتوانند ارتباط لازم را بین حسگرها و عملگرها بر قرار نمایند. این سیستمها میتواند با بهینهتر کردن مصرف آب راه کار مناسبی برای کشورهایی نظیر ایران باشد که دچار مشکل کم آبی هستند. ضمنا سیستمهای هوشمند گلخانه قابل برنامه ریزی بوده و میتواند خود یک کشاورز نمونه باشد.

واژه های کلیدی: سیستم مکاترونیکی،سیستم کنترل اقلیمی گلخانه ی هوشمند، عملگرها و حسگر،میکروکنترلر، هدف سیستم مکاترونیکی هوشمند مدیریت آبیاری

.1 مقدمه

تلفیق و در هم آمیختن صنایع و علوم مختلف امروزه مد نظر بسیاری از جوامع بشریت میباشد. بهرهگیری از نوآوری و فناوریهای پیشرفته یک علم در زمینه سایر علوم میتواند سبب بهبود و افزایش بهره وری و نیز آسان کردن امور و حتی کاهش آسیبهای ناشی از کارهای سخت گردد از طرفی امروزه کمتر حرفه ای را میتوان یافت که بینیاز از سایر حرفهها باشد به همین دلایل کارشناسان و متولیان گرایشهای مختلف علم از زمینه فعالیتی خود فراتر رفته و گام به عرصههای مختلف علم و فناوری نهادهاند. در این میان نقش الکترونیک در میان تمام شاخههای علم پررنگتر و درخشانتر است و سایر علوم را مورد حمایت خود قرار میدهد.صنایع برق و الکترونیک در زمینه مهندسی آب و بخش کشاورزی نیز کاربرد-های فراوانی دارند .

بخش کشاورزی بزرگترین مصرف کننده آب در دنیاست و در دهه های اخیر محدودیت منابع آب برای مصارف کشاورزی از یک سو و افزایش بی رویه جمعیت ازسوی دیگر، توسعه وکاربرد روشهای نوین آبیاری را در سطح کشور اجتنابناپذیر ساخته است. همچنین با اجرای طرح هدفمندی یارانه ها و آزاد شدن قیمت حاملهای انرژی، برق مصرفی کشاورزان هم مشمول افزایش هزینههای سنگین شده است، مصرف برق در چاه های برقی و مصرف گازوئیل در چاه -های دیزلی هزینههای بهرهبرداران این بخش را چند برابر کرده است. ولی بهرهبرداری از سیستم مدیریت و کنترل هوشمند آبیاری صرفهجویی زیادی را در مصرف انرژی و آب موجب میگردد. بنابراین امروزه بحران کم آبی در سطح کشور برای کسی پوشیده نیست. برداشت غیراصولی آب های زیرزمینی و حفرچاه های غیرمجاز، عدم آبیاری محصولات کشاورزی در زمان و مقدار مناسب از جمله عوامل مهمی هستند که به این بحران دامن میزند. بکارگیری فناوریهای نو درعرصه مدیریت آبیاری در عرصه کشاورزی صنعتی در سراسردنیا در حال پیشرفت است. با ورود سیستمهای مکاترونیکی در سایتهای پرورش گلخانه ای و حتی باغات بهرهوری و کیفیت محصولات زراعی چندین برابر افزایش یافته و مهمتر از آن مانع برداشت بیرویه آبهای زیرزمینی میشود. بواسطهی این سیستم میزان و زمان آبیاری در صورت نیاز ریشه به آب توسط مدیریت نرم افزاری و با دستور به شیرهای برقی مربوطه انجام میشود.

آبیاری از قدیمی ترین حرفه هایی است که بشر از دیر باز برای تولید بیشتر محصول از واحد سطح به آن روی آورد. آبیاری ابتدا به صورت یک فن مورد استفاده قرار می گرفت اما امروزه علم آبیاری خود شاخه بزرگی از مهندسی است. با اختراع تکنیکهای جدید و ابداعات ونوآوریها پیشرفتهای شگرفی در این زمینه صورت گرفت به طوریکه در حال حاضر سیستمهای متنوعی از آبیاری برای کاربریهای مختلف کشاورزی وجود دارد .[1] ابتدا باید دانست که آبیاری چیست و به چه منظور انجام میگیرد و یک سیستم آبیاری باید دارای چه ویژگیهایی باشد. آبیاری کوششی است که انسان به عمل میآورد تا شرایط را از نظر آب در گلخانه و مزرعه به گونهای سازد تا رشد گیاه و تولید بیشتر محصول امکان پذیر باشد. این عمل علاوه بر رفع نیازهای گیاه و بهبود شرایط بهرهوری میتواند سبب بهبود شرایط خاک و محیط نیز باشد و به عوامل دیگری منجر شود.

یک سیستم آبیاری باید دارای ویژگیهایی باشد که اجرای آنرا توجیهپذیر کند به عنوان مثال از نظر هزینهها، نیروی انسانی مورد نیاز طرح، زمان و مقدار آبی که به زمین میرسد، یکنواختی پخش آب در زمین و نیز بکار گیری فناوری مناسب و ... حساب شده بوده و باعث توجیهپذیری طرح گردد.[2] بهوسیله سامانه سیستم هوشمند آبیاری و برقراری ارتباط با اپراتور هیچگونه محدودیتی در مساحت و هکتار زمین یا باغ تحت پوشش سیستم هوشمند آبیاری وجود نخواهد داشت.[3]در کشتهای گلخانه ای دوره آبیاری بر اساس سن گیاه ، بافت خاک و دمای منطقه توصیه میگردد.آبیاری زیاد باعث شستشوی خاک شده و مواد غذایی کمتری در اختیار ریشه قرار میگیرد ، از طرفی آبیاری کم نیز باعث پژمردگی و تنش برای گیاه میگردد.بهترین زمان آبیاری هنگامی است که رطوبت خاک به%25 رسیده باشد.با سیستم هوشمند مدیریت آبیاری برای گلخانه ها این امکام فراهم میشود.[4]

میزان آب مصرفی در حوزه کشاورزی 70 تا 90 درصد میباشد، بکارگیری سیستمهای آبیاری هوشمندرویکردی نوین در حل این مسئله است.[5] استفاده از سیستمهای آبیاری هوشمند یکی از راههای موثر تامین آب و موادغذایی برای گیاه است که علاوه بر کاهش مصرف آب و افزایش راندمان آبیاری، موجب میشود که آب با یکنواختی و دقت بیشتر استفاده شود.همچنین این روش سبب کاهش تلفات عمقی آب، کنترل شوری و افزایش عملکرد کمی و کیفی گیاهان زراعی می-شود.[6]

.2 سیستم مکاترونیکی

پیشرفت روزافزون علوم فناوری اطلاعات، الکترونیک به خصوص الکترونیک قدرت، ریزپردازندهه ا و همچنین سیستم-های هوشمند، به همراه نیاز روزافزون به تولید محصولات صنعتی با کیفیت بهتر، هزینه کمتر و زمان تولید کوتاه تر، افق جدیدی را در طراحی و ساخت محصولات الکترومکانیکی، به همراه آورده است. این فناوری که براساس تجمیع مهندسی مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر و سیستمهای کنترل است، مکاترونیک نامیده میشود. این واژه ترکیبی از دو بخش »مکا« مخفف مکانیسم و »ترونیک« مخفف الکترونیک است. واژه مکاترونیک برای اولین بار در اواخر دهه 60 میلادی توسط یک مهندس ژاپنی، که در زمینه کنترل کامپیوتری موتوهای الکتریکی در شرکت یاسکاوا الکتریک تحقیق میکرد معرفی شد. تاکنون تعریفهای گوناگونی از مکاترونیک ارائه شده است که مهمترین آن عبارت است از: »یک ترکیب هم افزایانه از مهندسی مکانیک، الکترونیک، کامپیوتر، سیستمهای کنترل و فناوری اطلاعات در طراحی و ساخت محصولات و فرآیندهای صنعتی با دقت بالا.« در واقع مکاترونیک یک تفکر جدید در طراحی و تولید محصولات صنعتی است که به مهندسان اجازه میدهد تا با یکپارچه سازی حوزههای تخصصی یاد شده، از اولین مراحل طراحی و تولید، به خلق محصولاتی با کیفیت بهتر، قابلیت اعتماد بالاتر، هزینه کمتر و در زمان کوتاه تر، بیندیشند.

عناصر اصلی یک سیستم مکاترونیکی عبارتند از فرآیند مکانیکی یا الکترومکانیکی، حسگرها، محرکه ا، ریزپردازندهه ا و نرم افزار کنترل کننده سیستم . در طراحی کلاسیک، اجزای مختلف یک سیستم به طور جداگانه طراحی شده و سپس تجمیع صورت میگیرد ولی در مکاترونیک، اجزای مکانیکی و الکتریکی به همراه استراتژی کنترلی از ابتدا به صورت یک سیستم یکپارچه در نظر گرفته می شوند و این به معنای مهندسی همزمان در طراحی است.[7]بنابراین یک سیستم آبیاری هوشمند گلخانه ای را میتوان سیستم مکاترونیکی نامید.

.3 گلخانه

گلخانه به فضای محدود اطلاق میشود که قابلیت کنترل شرایط محیطی مناسب را برای رشد گیاهان از نواحی مختلف در طی فصول مختلف یک سال داشته باشد.طبق این تعریف از جمله عملکرد گلخانه ، فراهم کردن شرایط محیطی لازم و مورد نیاز محصولی معین است.گلخانه ها بر حسب اینکه چه نوع مصالح ساختمانی در آنها بکار برده شده است به نوع ثابت و متحرک تقسیم بندی میشوند.گلخانه های ثابت و متحرک بنا بر نیاز در موقعیت معین، در جایی که مد نظر ماست احداث میشوند.[8]گلخانه های ثابت به گلخانه هایی گفته میشود که مصالح ساختمانی بکار رفته در آن ها از جنس پایدار و با دوام باشد.پس باید سالیان سال از آنها استفاده کرد.

. 3,1 آبیاری گلخانه

امروزه باتوجه به کمبود آب دراکثر مناطق روشهای آبیاری قطرهای چه در کشتهای باز وچه در کشتهای گلخانه ای با استقبال زیادی همراه بوده است؟ تجهیزات مربوط به آبیاری قطرهای شاملْ
· انواع لولههای آبیاری با دریپرهای خطی
· نوارهای آبیاری دریپردار

· انواع فیلترهای تصفیه
· مخازن پلی اتیلنی برای کود و آب

· دستگاه تزریق هیدروپونیک.[9]

درست است که این روش با هزینه سرمایه گذاری اولیه زیادی روبروست، ولی چون روش کنترل شده و به لحاظ مصرف آب بسیار اقتصادی است حتی درکوتا ه مدت نیز جوابگوی سرمایه گزاری اولیهاش هست؟ در این روش معمولا "مخزنی از آب با ظرفیت مناسب با سطح زیرکشت در نظر گرفته میشود؟ این مخزن میتواند استخر آب روباز بوده ویا مخزن پیش ساخته قابل مونتاژدر محل باشد؟ روشهای آبیاری قطرهای متفاوت بوده اما عملکردشان یکی است ؟در متداولترین آن مخرن یا تانک کود از مخزن اصلی آبگیری شده کود یا مواد غذائی به نسبت مشخص درون آن ریخته میشود وپس از عبور از فیلترهای مخصوص، توسط پمپ به شبکه لوله کشی داخل گلخانه هدایت میگردد؟در روش آبیاری هیدروپونیک میتوان همزمان از چند نوع کود محلول در چند تانک کود که همگی به یک سیستم مرکزی ارتباط دارند استفاده کرد. در این روش مواد غذائی توسط همین دستگاه با نسبتی که برای آن تعریف شده، راس ساعتهای معین به درون شبکه تزریق میشود.[10] شکل((1 یک مزرعه تحت پوشش آبیاری قطرهای را نشان میدهد.

شکل((1 نمایش یک مزرعه تحت پوشش آبیاری قطرهای[9]

.4 مزایا و ویژگی کلی سیستمهای آبیاری هوشمند

سیستمهای ابیاری هوشمند که با بکارگیری تکنیکهای مهندسی مکاترونیک قابل پیاده سازی هستند دارای مزایا و ویژگیهایی هستند که به بررسی آنها میپردازیم.

مزایای سیستمهای آبیاری هوشمند:

· کاهش قابل توجه مصرف آب

· افزایش راندمان رشد و باروری گیاهان
· امکان انجام فرآیند آبیاری از هر نقطه دنیا

· انجام بهینه فرآیند آبیاری
· ارزیابی میزان دقیق آب مصرفی ویژگی سیستمهای آبیاری هوشمند:

· برآورد نیاز آبی محصول کشاورزی با استفاده از پارامتر ETc
· مجهز به سنسورهای هواشناسی - دما و رطوبت خاک، پارامترهای جوی . ..
· محاسبه اتوماتیک نیاز آبی محصول کشاورزی براساس پارامترهای اندازه گیری شده

کنترل شبکه آبیاری براساس نیاز آبی به دست آمده.[11]

.5 تجهیزات مربوط به سیستمهای کنترل اقلیمی گلخانه هوشمند

برای کنترل اقلیمی به تجهیزات الکترونیکی نیاز هست که در ادامه به بررسی هریک میپردازیم. تجهیزات مربوط به سیستمهای کنترل اقلیم عبارتند از:

· سنسور باد و باران و دما ”ایستگاه هواشناسی “
· سنسور دما و رطوبت

· دستگاههای کنترل اقلیم
· کامپیوترهای کنترل اقلیم پیشرفته.[12]

در شکل (2) سیستم کنترل اقلیمی گلخانه ی هوشمند به تصویر کشیده شده است.