بخشی از مقاله
چکیده
افزایش تقاضا برای مواد غذایی با توجه به افزایش جمعیت جهانی موجب شده است که کشاورزی مکانیزه در دستور کار اکثر جوامع قرار بگیرد. یکی از فناوریهای نوین مورد استفاده در کشورهای توسعه یافته جهت بهبود بهرهوری صنعت کشاورزی، استفاده از شبکههای حسگر بی سیم است. مطالعات مختلف در این زمینه نشان از کاربرد زیاد این شبکهها در صنعت کشاورزی دارد. در بحث کشاورزی از شبکه های حسگر بی سیم برای استخراج اطلاعات از خاک، محیط و خود گیاه استفاده میشود. با وجود اینکه این شبکهها دارای قابلیتهای زیادی برای پایش مزارع کشاورزی هستند، اما قادر نیستند بعد مکانی-فضایی را در این فرآیند، در نظر بگیرند.
برای از میان برداشتن این محدودیت نیاز به استفاده از ابزارهای توانمندی مانند سیستمهای اطلاعات جغرافیایی - GIS - به منظور تجزیه و تحلیل این اطلاعات و تصمیمگیریهای مکانی است. در این راستا در پژوهش حاضر به ارائهی یک رویکرد برای استفاده از شبکههای حسگر بی سیم و تلفیق آن با GIS پرداخته شد. در رویکرد ارائه شده در این تحقیق یک شبکه حسگر متناسب با کاربردهای کشاورزی طراحی گردید و این شبکه به GIS متصل شد. اتصال این شبکه به GIS به این صورت است که، ابتدا موقعیت حسگرها مشخص شده و وارد GIS میشود و سپس از طریق یک رابط مشترک، دادههای حسگرها به GIS متصل میشود. قابلیتهای GIS در تحلیل مکانی این دادهها، فرآیند پایش، نظارت، تجزیه و تحلیل و تصمیم گیری در کشاورزی را بهبود میبخشد.
.1 مقدمه
کشاورزی نقش مهمی در تو سعه تمدن ب شری ایفا کرده ا ست. با توجه به افزایش تقا ضا برای مواد غذایی، جوامع ب شری در تلاش هستند تا از فناوریهای نوین در تولید مواد غذایی استفاده کنند .[1] صنعت کشاورزی مدرن درصدد هست تا روز به روز میزان تولیدات مواد غذایی را افزایش دهد تا بتواند جمعیت جهانی را از نظر تغذیه به شکل مناسب پشتیابانی کند. در راستای این هدف، تلاش بر این است که از فناوری ها و راه حل های جدید برای جمع آوری و پردازش اطلاعات جهت افزایش بهره وری در بخش کشاورزی استفاده می شود .[2-4] در میان تمامی فنآوریهای موجود، کاربرد شبکههای حسگر بی سیم در بهبود روشهای سنتی کشاورزی مورد توجه بسیاری از محققان و کاربران کشاورزی قرار گرفته است.
[5-7] به طور کلی، شبکههای حسگر بی سیم از کوچکترین دستگاه های سخت افزاری مستقل تشکیل می شوند که گره های حسگر را تشکیل می دهند که اطلاعات را از محیط رصد کرده و تبدیل به یک ایستگاه پایه برای تصمیم گیری میکنند .[8] هدف اصلی از استفاده شبکههای حسگر بی سیم در کشاورزی پایش گیاهان کشاورزی برای شناسایی تغییرات، تنشها، بیماریها و سایر م سائل مربوط به این گیاهان است. در کشاورزی، اکثر برنامه های مبتنی بر شبکههای حسگر بی سیم برای کاربردی متعددی مورد استفاده قرار می گیرند.
برای مثال، شبکه حسگر بی سیم برای نظارت بر و ضعیت محیط زی ست با اطلاعات مربوط به مواد مغذی خاک جهت پیش بینی سلامت مح صول و کیفیت تولید در طول زمان، نظارت بر رطوبت خاک و شرایط آب و هوایی، برنامه ریزی آبیاری و ... . عملکرد یک برنامه مبتنی بر شبکه حسگر بی سیم موجود را می توان برای نظارت بر پارامترهای بیشتر، تنها با افزودن گرههای حسگر اضافی به معماری موجود بهبود داد .[9]
یکی دیگر از فناوریهای نوین مورد استفاده در صنعت کشاورزی، سیستمهای اطلاعات جغرافیایی است. GIS قابلیتهای زیادی را برای مدیریت تمامی اطلاعات مکانی مورد نیاز کشاورزی فراهم میکند .[10] این سیستمها دارای قابلیتهای زیادی برای تجزیه و تحلیل مکانی دادههای کشاورزی هستند که در نهایت به بهبود بهرهوری کشاورزی کمک زیادی میکنند. در مدیریت اراضی کشاورزی نیاز است تا دادههای فیزیکی، هیدرولیکی، هواشناسی - درجه حرارت، رطوبت، نور خورشید و ... - ، خاک شناسی و سایر دادهها مورد تجزیه و تحلیل قرار بگیرند تا بتوان به بیشترین بهرهوری ممکن در تولید محصول دست یافت. GIS توابع تحلیلی زیادی را برای تحلیل این دادهها در اختیار کاربران قرار میدهد و به عنوان یک فناوری نوین مورد توجه اکثر محققان این حوزه است.
دو فناوری مذکور، یعنی شبکههای حسگر بی سیم و GIS هر یک دارای قابلیتهای منحصر به فردی در حوزهی کشاورزی هستند. شبکههای حسگر بی سیم برای پایش و استخراج اطلاعات از فرآیند رشد گیاهان کشاورزی و GIS برای تجزیه و تحلیل اطلاعات مورد استفاده قرار میگیرند. بنابراین میتوان به این نتیجه رسید که این دو فناوری به نوعی مکمل یکدیگر هستند و تلفیق این دو فناوری باعث یکپارچه شدن فرآیند پایش، تحلیل و تصمیم گیری در جهت بهبود بهرهوری کشاورزی خواهد شد. علاوه بر این خاصیت مکانی بودن GIS باعث میشود که از دادههای شبکههای حسگر بی سیم به بهترین نحو استفاده گردد. در حقیقت این دو می توانند عملکرد و کاربردهای یکدیگر را در حوزهی کشاورزی بهبود بخشند.
هدف از پژوهش حاضر ارائهی یک رویکرد برای تلفیق GIS و شبکههای حسگر بی سیم، جهت پایش، تحلیل و تصمیمگیری در فرآیند رشد گیاهان کشاورزی است. روش کار به این صورت است که ابتدا مؤلفههای شبکههای حسگر بی سیم برای پایش گیاهان کشاورزی تعیین میگردند، سپس نحوهی اتصال دادههای حاصل از شبکههای حسگر بی سیم به GIS جهت انجام تجزیه و تحلیلهای مکانی، مشخص میشود.
.2 شبکه حسگرهای بی سیم
پیشرفت های اخیر در تکنولوژی های میکرو الکترومکانیکی - MEMS - ، ارتباطات بی سیم و الکترونیک دیجیتال، توسعه گرههای حسگر چند منظوره، کم هزینه و کم قدرت را برای برقراری ارتباط در فاصلههای کوتاه، فراهم کرده است. این گرههای حسگر کوچک که شامل حساسیت، پردازش دادهها و اجزای ارتباطی هستند، ایده شبکههای حسگر بیسیم را بر اساس تلاش مشترک تعداد زیادی از گرهها به کار می اندازند. یک شبکه حسگر از تعداد زیادی گره حسگر تشکیل شده است که به شدت در داخل پدیده قرار دارند یا بسیار نزدیک به آن هستند. موقعیت گرههای حسگر نیازی به مهندسی یا از پیش تعیین شده نیست.[11] با اینکه هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه میکند.
در واقع قدرت شبکههای بیسیم حسگر در توانایی به کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و برای موارد متعددی چون نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم و ... به کار گرفته شوند. در این سیستمها بر خلاف سیستمهای سیمی قدیمی، از یک سو هزینههای پیکربندی و آرایش شبکه کاسته میشود و از سوی دیگر به جای نصب هزاران متر سیم، فقط دستگاههای کوچکی را که تقرباًی به اندازه یک سکه هستند، در محیط رها میشوند.
به طور کلی معماری این شبکهها به این صورت است که حسگرها با توجه به اهداف مورد نظر و به همراه یک پلتفرم ارتباط بیسیم، در محیط پخش میشوندهر. گره از شبکه معمولاً مجهز به یک فرستنده و گیرنده رادیویی - یا هر وسیله مخابراتی بی سیم دیگر - ، یک میکروکنترلر کوچک، و یک منبع انرژی - معمولاً یک باتری - است. اندازه یک گره حسگر بسته به اندازه بستهبندی آن تغییر میکند و تا اندازه یک دانه شن، قابل کوچک سازی است. اطلاعات رصد شده توسط حسگرها به گره دروازه انتقال مییابد و در نهایت مجموع اطلاعات حسگرهای مختلف در پایگاه داده ذخیره میگردد. شکل - 1 - معماری یک شبکه حسگر بی سیم را نشان میدهد.
