استفاده از سنسورهای هوشمند در کشاورزی این قابلیت را به کشاورزان می‌دهد تا میزان بهره‌وری تولید خود را رصد کرده، منابعشان را تقویت نموده و محصولات خود را از تاثیرات زیست محیطی و گزند بلایای طبیعی حفظ کنند.
رشد سریع جوامع، تغییرات آب و هوا، کاهش بارندگی و افزایش تقاضای غذا برای میلیاردها نفر در سراسر جهان، صنایع زراعی و کشاورزی را تحت تاثیر قرار داده است. این مساله به نوبه خود، تأثیرات منفی بر کشاورزی سنتی و شیوه‌های آن داشته است. امروزه برای مواجهه با این چالش‌ها از سنسورها به طور وسیعی در صنایع زراعی استفاده می‌شود. در این مقاله به معرفی سنسورهای هوشمند و موضوعات مرتبط با آنها در صنایع کشاورزی خواهیم پرداخت.
وضعیت فعلی نیازمند آن است که کشاورزی، با استفاده از فناوری‌های مدرن به سوی هوشمندسازی پیش رفته و بهترین راه حل‌ها را برای استفاده بهینه از منابع و تامین نیازهای روزافزون جمعیت جهان ارائه دهد.
در این میان استفاده از سنسورهای هوشمند با جمع‌آوری و ارائه داده‌های متنوع به کشاورزان کمک می‌کند تا بر محصولات خود نظارت داشته و نسبت به تغییرات عوامل محیطی و اکوسیستم آگاه باشند.
سنسورهای هوشمند در بخش کشاورزی به شناسایی حیوانات، تشخیص حرارت (heat detection) و نظارت بر سلامت آنها کمک کرده و با ردیابی و کنترل گله‌ها، امکان جداسازی و درمان حیوانات بیمار را فراهم می‌کنند.
استفاده از سنسورهای هوشمند در بخش کشاورزی این قابلیت را به کشاورزان می‌دهد تا میزان بهره‌وری تولید خود را رصد کرده، منابعشان را تقویت نموده و محصولات خود را از تاثیرات زیست محیطی و گزند بلایای طبیعی حفظ کنند.
نقش سنسورها در کشاورزی
در این مقاله از سنسورهایی که برای نیل به مفهوم کشاورزی هوشمند (smart farming) مورد استفاده قرار می‌گیرند، با عنوان سنسورهای کشاورزی (agriculture sensor) یاد خواهیم کرد. این نامیست که به طور کلی به سنسورهای مورد استفاده در این حوزه اطلاق می‌شود.
این نوع سنسورها به کشاورزان این امکان را می‌دهند تا سطح تولید و کیفیت محصولات خود را بر حسب شرایط و چالش‌های محیطی پیرامون خود بهینه‌سازی کنند.
سنسورهای کشاورزی در ایستگاههای هواشناسی، پهپادها و ربات‌های مورد استفاده در صنایع کشاورزی، نصب و از طریق برنامه‌های کاربردی تلفن‌های همراه (توسعه داده شده به این منظور) قابل کنترل هستند. همچنین سنسورهای مبتنی بر اتصالات بیسیم نیز براحتی با استفاده از امواج وایفای یا دکل‌های تلفن و به کمک برنامه‌های کاربردی نصب شده بر روی تلفن‌های همراه، قابل ردیابی و کنترل می‌باشند.
انواع سنسورهای کشاورزی
سنسور قطعه‌ای کوچک و ساده است که شرایط محیطی مانند حرکت، گرما یا نور را اندازه‌گیری کرده و مقادیر اندازه‌گیری شده را به صورت خروجی‌های آنالوگ یا دیجیتال ارائه می‌دهد. انواع مختلفی از سنسورها در حوزه کشاورزی مورد استفاده قرار می‌گیرند که در ادامه با تعدادی از آنها آشنا خواهیم شد.
سنسورهای نوری کشاورزی
این نوع سنسورها از نور و فرکانس‌های مختلف آن برای اندازه‌گیری خواص خاک استفاده می‌کنند. سنسورهای نوری بر روی وسایل نقلیه یا پهپادها قرار گرفته و با دریافت بازتاب نور از خاک و داده‌های رنگ گیاهان، امکان جمع‌آوری و پردازش این داده‌ها را فراهم می‌کنند. این دسته از سنسورها می‌توانند خاک رس و مواد آلی را شناسایی کرده و مقدار رطوبت خاک را مشخص کنند.
سنسورهای الکتروشیمیایی تشخیص مواد مغذی خاک
از سنسورهای الکتروشیمیایی (electrochemical sensors) به منظور جمع‌آوری اطلاعات شیمیایی خاک استفاده می‌شود. این نوع حسگرها، معمولا در تشخیص مواد مغذی خاک بکار می‌روند. به این منظور ابتدا نمونه خاک به آزمایشگاه فرستاده شده و سپس با قطعه‌ای مانند الکترود یون انتخابی (ion-selective electrode) مقادیری چون PH خاک اندازه‌گیری می‌شود. این الکترودها می‌توانند فعالیت یون‌هایی چون نیترات، پتاسیم و هیدروژن را در خاک شناسایی کنند.
سنسورهای مکانیکی خاک
این سنسورها از مکانیزم برش خاک استفاده کرده و نیروی اندازه‌گیری شده توسط مبدل وزن (load cell) یا فشارسنج را ثبت می‌کنند.
هنگامی که یک سنسور از خاک عبور می‌کند، نیروهای نگهدارنده ناشی از برش، شکستن و جابجایی خاک را ثبت می‌کند. مقاومت مکانیکی خاک با واحد فشار اندازه‌گیری شده و نشان‌دهنده نسبت نیروی مورد نیاز برای ورود به محیط خاک، به قطعه درگیر با خاک است.
سنسورهای دی الکتریک تعیین رطوبت خاک
از این سنسورها در تشخیص میزان رطوبت خاک استفاده می‌شود. سنسورهای رطوبتی خاک در مزارع و به منظور بررسی بارش باران به کار می‌روند. این حسگرها به خصوص در مواردی که سطح پوشش گیاهی کم است، به منظور تشخیص وضعیت رطوبت خاک استفاده می‌شوند.
سنسورهای موقعیت کشاورزی
این نوع سنسورها محدوده، فاصله و ارتفاع موقعیت‌های موردنظر را در محدوده مورد بررسی تعیین می‌کنند. در این کاربرد از سنسورها، از ماهواره و GPS استفاده می‌شود.
سنسورهای الکترونیکی کشاورزی
این نوع سنسور، به منظور بررسی عملکرد تجهیزات کشاورزی مانند تراکتورها مورد استفاده قرار می‌گیرد. سنسور الکترونیکی بر روی تجهیزات زراعی نصب شده و داده‌ها را پس از جمع‌آوری و از طریق سیستم‌های ارتباطی ماهواره‌ای، به یک رایانه منتقل کرده و یا به ایمیل کشاورز ارسال می‌کند.
سنسورهای جریان هوا (Airflow Sensor)
از این نوع سنسور در مواضع متفاوت حتی در حین حرکت می‌توان استفاده کرد. سنسورهای جریان هوا معمولا مقدار فشار موردنیاز برای تزریق هوا به عمق مشخصی از خاک را اندازه‌گیری می‌کنند. ویژگی‌های مختلفی از خاک از جمله تراکم، ساختار، نوع خاک و سطح رطوبت بر مقدار اندازه‌گیری شده تاثیرگذارند.
سنسورهای کشاورزی مبتنی بر اینترنت اشیا (IOT)
این سنسور اطلاعاتی چون دمای هوا، دمای خاک در اعماق مختلف، میزان بارندگی، رطوبت برگ، مقدار کلروفیل، سرعت باد، دمای نقطه شبنم، جهت باد، رطوبت نسبی، تابش خورشید و فشار اتمسفر را در فواصل زمانی برنامه‌ریزی شده اندازه‌گیری و ثبت می‌کند.
در حوزه کشاورزی از سنسورهای مبتنی بر اینترنت اشیا در کاربردهای متنوعی استفاده می‌شود. نتیجه بکارگیری این فناوری در این حوزه، نیل به کشاورزی هوشمند (smart farming) می‌باشد. تعدادی از این کاربردها عبارتند از:
الف) بررسی شرایط آب و هوایی
ب) اتوماسیون گلخانه
پ) مدیریت محصولات
ت) نظارت بر گله‌ها
ث) کشاورزی هوشمند و دقیق، مبتنی بر اینترنت اشیا
ج) پهپادهای کشاورزی
سنسورها چگونه به کشاورزی در مقیاس کوچک کمک می‌کنند؟
سنسورهای کشاورزی به طرق مختلف به کشاورزی در مقیاس کوچک کمک می‌کنند. با توجه به عدم توانایی بسیاری از کشاورزان در خرید تجهیزات و قطعات سنسورها، صرفا می‌توانند با استفاده از یک تلفن همراه هوشمند قابلیت‌هایی مشابه این سنسورها را در کسب و کار خود به کار گیرند. امروزه کاربردهای بسیاری در تلفن‌های هوشمند توسعه پیدا کرده که عملکردی مشابه سنسورها را به کشاورزان ارائه می‌دهند. در جدول زیر لیستی از این کاربردها و قطعاتی از تلفن همراه که بر مبنای آنها عمل می‌کنند ارائه شده است.
|
قطعه موردنظر تلفن هوشمند
|
کاربرد
|
|---|---|
|
جی پی اس
|
نقشه‌برداری از زمین کشاورزی، اعلام هشدار در مورد مکان آفات کشاورزی، پیش‌بینی زاویه تابش خورشید، کوددهی
|
|
دوربین
|
ثبت تصاویر برگ‌ها، تشخیص سطوح روشنایی، تشخیص رسیده بودن محصولات، اندازه‌گیری مساحت برگ (Leaf Area Index) و تشخیص خاک ارگانیک
|
|
میکروفون
|
پیش‌بینی نیاز ماشین آلات به تعمیرات
|
|
شتاب‌سنج
|
اندازه‌گیری زاویه برگ (Leaf Angle Index)
|
کاربرد سنسورها در حوزه کشاورزی
در حوزه هوشمندسازی بخش کشاورزی از انواع مختلف سنسورها استفاده می‌شود. در ادامه به تعدادی از آنها اشاره شده است:
- سنسورهای کشاورزی، سنسورهای مبتنی بر فناوری اینترنت اشیا و سنسورهای مورد استفاده در ایستگاههای هواشناسی کشاورزی. این تجهیزات مجهز به حسگرهایی هستند که اطلاعات مربوط به دمای خاک، دمای هوا، میزان بارندگی، میزان رطوبت برگ، مقدار کلروفیل، جهت باد، تابش خورشید، رطوبت نسبی و فشار اتمسفر را دریافت می‌کنند.
- سنسورهایی که در تجهیزات و دستگاه‌های مرتبط با صنایع کشاورزی استفاده می‌شوند مانند تجهیزات اندازه‌گیری قطر تنه درختان و اندازه‌گیری مقدار رطوبت برگ‌ها.
- حسگرهایی که در پهپادها برای پاشیدن حشره‌کش‌ها و آفت‌کش‌ها بر روی محصولات استفاده می‌شوند.
- سنسورهایی که در پمپ‌های خورشیدی به کار می‌روند. این پمپ‌ها به دلیل عملکرد آسان، قابلیت حرکت آنها و کاهش هزینه‌های برق مصرفی در بین کشاورزان بسیار محبوب هستند.
- سنسورهای مورد استفاده در حصارهای الکترونیکی، که در روستاها و برای جلوگیری از ورود حیوانات به مزارع و تخریب محصولات به کار می‌روند.
مزایای استفاده از سنسورها در کشاورزی
مزایای زیر را می‌توان برای سنسورها برشمرد:
- سنسورهای کشاورزی به منظور پاسخ به تقاضای فزاینده انسان‌ها برای غذا از یک سو و کاهش حداقل منابع موجود چون آب، کود و بذر گیاهان بوجود آمده‌اند.
- کارکرد، استفاده و نگهداری از آنها آسان است.
- سنسورها در مقایسه با کیفیت بالای عملکردشان، قیمت مناسبی دارند.
- سنسورها می‌توانند برای اندازه‌گیری میزان آلودگی و گرمای زمین در مزارع مورد استفاده قرار گیرند.
- این حسگرها مجهز به تراشه‌های بیسیم هستند تا بتوان از راه دور آنها را کنترل کرد.
استفاده از سنسورها در بخش کشاورزی، چگونه به آینده‌نگری در این زمینه کمک می‌کند؟
با توجه به کمبود نیروی کار و نیاز به تامین غذا برای جمعیت رو به رشد دنیا، استفاده از ربات‌ها و فناوری‌های کشاورزی گسترش بسیاری پیدا کرده است.
چشم‌انداز و ماموریت جوامع نسبت به آموزش ماشین‌ها و استفاده از آنها به جای انسان، به ربات‌ها و حسگرها اجازه داده تا محیط اطراف را بررسی کرده و از آن یاد بگیرند. این درحالیست که سنسورهای هوشمند، قیمت بسیار پایینی داشته و عمر مصرفی آنها نسبت به هزینه‌شان، بیشتر بوده و به بیش از یکسال نیز می‌رسد.
فناوری حسگرها به کشاورزان این اجازه را می‌دهد تا با استفاده از خدمات ابری و داشبوردها، وضعیت وجود آفات را در مزارع خود از راه دور کنترل کرده و برای مراقبت از محصولاتشان اقدام فوری انجام دهند.
قبل از بکارگیری سنسورها در کشاورزی، چه مواردی را باید در نظر گرفت؟
استفاده از سنسورها در صنایع کشاورزی رو به فزونیست. قطعات هوشمند به طرق مختلف به افزایش کارایی، بهره‌وری و درآمد کشاورزان کمک می‌کنند؛ هرچند که بکارگیری سنسورها و استفاده از آنها برای تمامی افراد کار آسانی نیست.
استفاده از حسگرها در صنایع کشاورزی با چالش‌هایی روبروست. قبل از سرمایه‌گذاری در این حوزه و بهره‌گیری از کشاورزی هوشمند، لازم است این چالش‌ها را بشناسیم. در ادامه به تعدادی از آنها اشاره خواهیم کرد.
- انتخاب سنسور مناسب
نوع سنسور انتخابی به اطلاعات موردنظر برای استخراج و هدف کاربر بستگی دارد. کیفیت چنین سنسوری با معیارهایی چون صحت داده‌های جمع‌آوری شده سنجیده شده و به نوبه خود بر کیفیت محصولات تاثیر دارد.
- مغز متفکر قطعات
هسته اصلی و مغز متفکر سنسورهای هوشمند، تجزیه و تحلیل داده‌هاست. به منظور حصول بینشی عملی از داده‌های جمع‌آوری شده، نیازمند رویکردهای تجزیه و تحلیل داده‌ها و استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین خواهیم بود.
- تعمیر و نگهداری از قطعات
تعمیر و نگهداری از قطعات، چالش بزرگی پیش روی کاربران سنسورهای کشاورزی گذاشته است؛ بخصوص زمانیکه از سنسورها در زمین‌های کشاورزی استفاده شود؛ چرا که در آن شرایط، احتمال آسیب قطعات بالاتر خواهد بود.
- محل استفاده از قطعات
تجهیزات و قطعات هوشمندسازی صنایع زراعی معمولا در زمین‌های کشاورزی نصب شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این شرایط کشاورز باید بتواند از طریق تلفن همراه هوشمند یا رایانه شخصی خود به اطلاعات مستخرج از قطعات دسترسی پیدا کند.
هر یک از قطعات متصل مورد استفاده باید بصورت مستقل عمل کرده و دارای برد بیسیم کافی برای ارتباط با سایر قطعات و ارسال داده‌ها به سرور اصلی باشند.
- زیرساخت قابل اعتماد قطعات
عملکرد مطلوب تجهیزات هوشمندسازی در علوم زراعی نیازمند یک زیرساخت داخلی قابل اعتماد است.
سیستم‌های داخلی باید کاملا ایمن باشند. عدم توانایی در تامین امنیت این سیستم‌ها شانس سرقت داده‌های بدست آمده از سنسورها را افزایش داده و بعضا موجب از دست دادن کنترل سنسورهای مورد استفاده در مزارع خواهد شد.
- اتصالات قطعات
نیاز به انتقال داده‌ها از قطعات و تجهیزات کشاورزی، چالشی بزرگ پیش روی بکارگیری تکنیک‌های هوشمندسازی است. اتصالات و ارتباطات بین این تجهیزات میبایست قابل اعتماد بوده تا بتوانند در شرایط آب و هوایی نامطلوب نیز به عملکرد خود بدون اختلال ادامه دهند.
2 دیدگاه در “سنسورها در کشاورزی”
درباره کشت عمودی و سنسورهای آن مطالبی بگذارید خیلی خوب است.
سلام و احترام
ضمن تشکر برای مشارکت و ثبت نظرتان،به زودی در این زمینه نیز مقاله خواهیم داشت.