گلخانه هوشمند،تجهیزات و مزایای هوشمندسازی

گلخانه‌ها محیط کنترل شده‌ای را برای پروش گیاهان و تولید مواد غذایی فراهم می‌کنند و فعالیت این صنعت برای تامین محصولات کشاورزی در فصول مختلف سال اهمیت زیادی دارد. انسان‌ها همواره به دنبال استفاده از تکنیک‌هایی هستند تا ضمن کاهش هزینه‌ها، بهره‌وری در تولید محصولات کشاورزی را افزایش دهند. راه‌اندازی گلخانه هوشمند راه‌کار موثری برای تولید محصولات با کیفیت، کاهش هزینه‌ها، مبارزه موثر با آفت‌ها، کنترل آسان و افزایش حجم تولید محصولات گلخانه‌ای محسوب می‌شود.

گلخانه هوشمند چیست؟

سیستم گلخانه هوشمند اساساً یک گلخانه معمولی است که به مجموعه‌ای از سنسورها و تجهیزات پیشرفته کنترل گلخانه مجهز شده تا فاکتورهای موثر در رشد گیاهان شامل گرما، رطوبت و نور را در یک سطح بهینه حفظ کند. هوشمند سازی گلخانه موجب می‌شود تا گیاهان سریعتر رشد کرده و امکان برداشت محصول بیشتر در زمان کوتاه‌تری فراهم شود.

در این فناوری، داده‌های جمع‌آوری شده از سنسورهای نصب شده در گلخانه های هوشمند، برای کنترل خودکار آب و هوای گلخانه مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای مثال از داده‌های جمع‌آوری شده توسط سنسورهای دما و رطوبت برای کنترل آب و هوای گلخانه استفاده می‌شود و سیستم تهویه خودکار نیز جریان بهینه هوا برای گلخانه را فراهم می‌کند. در گلخانه‌های زیرزمینی که به نور خورشید دسترسی ندارند، سیستم روشنایی هوشمند گلخانه می‌تواند به طور خودکار شدت و مدت زمان تابش نور را برای شبیه سازی نور خورشید تنظیم کند.

امکانات و ویژگی های گلخانه هوشمند

گلخانه هوشمند ویژگی‌ها و امکانات مختلفی را در دسترس ما قرار می‌دهد که در کنار یکدیگر محیط کنترل شده و بهینه برای رشد گیاهان را ایجاد می‌کنند. با استفاده از این امکانات، بازدهی گلخانه و کیفیت محصولات افزایش یافته و هزینه یا وابستگی به نیروی انسانی کاهش می‌یابد. مهم‌ترین قابلیت‌های یک گلخانه هوشمند عبارتند از:

کنترل خودکار دما، رطوبت، روشنایی و سطح گاز دی اکسید کربن در گلخانه
آبیاری هوشمند گلخانه بر اساس شرایط خاک و میزان رطوبت مورد نیاز گیاهان
کنترل خودکار روشنایی گلخانه و فراهم شدن امکان کشت گیاهان در تمام طول سال
امکان نظارت و کنترل تجهیزات گلخانه از راه دور
دسترسی به داده‌های گلخانه در هر لحظه و امکان اتخاذ تصمیمات به موقع
مصرف بهینه آب و انرژی بر اساس نیاز گیاهان
مطلع کردن اپراتور از وقوع شرایط بحرانی مانند نوسانات دما، قطعی برق و خرابی تجهیزات

مزایای گلخانه هوشمند

هوشمند سازی گلخانه ها مزایای متعددی دارد که اجرای این طرح را کاملاً از نظر اقتصادی، آسان‌تر کردن مدیریت گلخانه و بهبود کیفیت محصولات توجیه‌پذیر می‌سازد. برخی از مهم‌ترین مزایای گلخانه های هوشمند عبارتند از:

دسترسی به داده‌های گلخانه در هر لحظه: سنسورها مختلفی در سراسر گلخانه نصب می‌شوند تا داده‌های مربوط به گلخانه شامل دما، رطوبت، میزان گاز Co2، روشنایی و غیره را اندازه‌گیری کنند. با استفاده از این داده‌ها امکان کنترل دقیق و خودکار شرایط گلخانه بر اساس ویژگی‌های هر گیاه فراهم می‌شود.
افزایش بهره‌وری در آبیاری و کوددهی به گیاهان: در حالی که اندازه‌گیری پارامترهای محیط مانند دما، رطوبت و غیره به ما کمک می‌کند تا از شرایط گلخانه مطلع شویم، داده‌های حاصل از سنسورهای رطوبت خاک و اندازه‌گیری مواد مغذی نیز برای بهینه سازی مصرف آب و تامین مواد مورد نیاز گیاهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.
کنترل آفت‌ها و جلوگیری از شیوع بیماری‌های گیاهان: آفت‌ها و بیماری‌های گیاهی یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در حوزه مدیریت گلخانه‌ها محسوب می‌شود. با استفاده از داده‌های جمع‌آوری شده توسط سنسورهای گلخانه هوشمند می‌توانیم به سرعت از اتفاقات گلخانه مطلع ‌شویم و با انجام سمپاشی یا مبارزه بیولوژیکی به موقع از شیوع آفت‌ها و بیماری‌های گیاهی به تمامی فضای گلخانه جلوگیری کنیم.

معایب گلخانه های هوشمند

هوشمند سازی گلخانه نیز همانند هر فناوری دیگری معایبی نیز دارد که بهتر است پیش از اقدام برای انجام این کار در نظر گرفته شوند. معایب ساخت سیستم کنترل هوشمند گلخانه عبارتند از:
- قیمت گلخانه هوشمند: هزینه مهم‌ترین مانع توسعه گلخانه های هوشمند محسوب می‌شود. اگرچه با هوشمند سازی گلخانه می‌توانیم محصولات با کیفیت‌تری را با حجم تولید بالاتر به فروش برسانیم و با کاهش هزینه مصرف آب و برق بازگشت تدریجی سرمایه را شاهد باشیم اما هزینه اولیه خرید تجهیزات هوشمند سازی گلخانه می‌تواند افراد زیادی را از انجام این کار منصرف کند.
- پیچیدگی فنی: نصب، راه‌اندازی و یکپارچه‌سازی تجهیزات گلخانه هوشمند می‌تواند برای افراد معمولی پیچیده و دشوار باشد.
- وابستگی عملکرد گلخانه به فناوری: شرایط محیطی گلخانه های هوشمند توسط تجهیزات پیشرفته‌ای کنترل می‌شوند. باید توجه داشته باشیم که تجهیزات بی‌کیفیت نرخ خرابی بالاتری دارند و وقوع خرابی تجهیزات گلخانه می‌تواند منجر به آسیب دیدن گیاهان گلخانه شود.
تجهیزات هوشمند سازی گلخانه ها
تجهیزات کنترل دما: دمای گلخانه تاثیر زیادی در حفظ سلامت گیاهان و همچنین رشد گیاهان دارد. کنترل دمای گلخانه هوشمند از طریق ترموستات هوشمند انجام می‌شود. در صورتی که دمای گلخانه از مقدار مجاز فراتر رود یا دمای گلخانه به زیر حد مجاز برسد، ترموستات هوشمند این تغییرات را تشخیص داده و دما را به محدوده مجاز می‌رساند.
پروژه‌های متعددی با استفاده از میکروکنترلر AVR برای تنظیم شرایط محیط گلخانه طراحی و اجرا شده‌اند. در این پروژه‌ها سنسورهای مختلف پس از اندازه‌گیری دما، رطوبت، میزان گاز Co2 و غیره، داده‌ها را به میکروکنترلر ارسال می‌کنند. میکروکنترلر بر اساس تنظیمات اعمال شده در کدهای برنامه نویسی، دستورات لازم را به سیستم گرمایش، آبیاری، تهویه و غیره ارسال می‌کند.

هوشمند سازی گلخانه با PLC

امروزه از PLC به طور گسترده‌ای برای کنترل تجهیزات صنعتی استفاده می‌شود به طوری که تقریباً در هر واحد تولیدی پیشرفته‌ای می‌توانیم تجهیزاتی را پیدا کنیم که به این سیستم کنترل کننده مجهز شده‌اند. با استفاده از PLC می‌توانیم دما، نور و سیستم آبیاری را به طور خودکار کنترل کنیم. کنترلر PLC قابلیت برنامه‌ریزی مجدد را دارد؛ بنابراین در صورت تغییر نوع گیاهان گلخانه، امکان استفاده از کدهای برنامه‌نویسی متفاوت نیز فراهم می‌شود.

داده‌های جمع‌آوری شده توسط سنسورهای اندازه‌گیری متغیرهای گلخانه شامل دما، رطوبت و غیره به ورودی PLC ارسال می‌شوند و خروجی آن نیز به سیستم گرمایش گلخانه، سیستم روشنایی، شیر برقی، فن تهویه و غیره متصل می‌شوند.

گلخانه هوشمند هیدروپونیک

در روش سنتی گیاهان گلخانه روی خاک کاشته می‌شوند تا آب و مواد مغذی را از همین طریق جذب کنند اما در روش کشت هیدورپنیک آب و عناصر مورد نیاز گیاهان از طریق محلول‌های معدنی به ریشه گیاهان می‌رسد. گلخانه هوشمند هیدورپنیک با استفاده از سنسورهای مختلف و تجهیزات پیشرفته، شرایط گلخانه را مطابق با نیاز گیاهان تنظیم می‌کند تا با کمترین هزینه بیشترین بازدهی حاصل شود.

برای طراحی و اجرای پروژه هوشمند سازی گلخانه باید عوامل مختلفی در نظر گرفته شوند تا گلخانه کمترین هزینه و بیشترین بازدهی را داشته باشد. در زمان طراحی گلخانه هوشمند باید اصول مربوط به طراحی گلخانه، استانداردهای هر کشور برای طراحی و ساخت سازه گلخانه، آب و هوای منطقه، محدویت‌های اقلیمی و محدودیت فضای در دسترس برای احداث گلخانه لحاظ شوند.
پس از طراحی نوبت به مرحله اجرای گلخانه می‌رسد که نصب اسکلت اصلی گلخانه، نصب پوشش گلخانه را شامل می‌گردد. نصب تجهیزات گلخانه شامل انواع سنسورها و سیستم‌های کنترل گلخانه پس از مرحله احداث انجام می‌شود. انواع گلخانه های هوشمند عبارتند از:

پروژه‌های متعددی با استفاده از میکروکنترلر AVR برای تنظیم شرایط محیط گلخانه طراحی و اجرا شده‌اند. در این پروژه‌ها سنسورهای مختلف پس از اندازه‌گیری دما، رطوبت، میزان گاز Co2 و غیره، داده‌ها را به میکروکنترلر ارسال می‌کنند. میکروکنترلر بر اساس تنظیمات اعمال شده در کدهای برنامه نویسی، دستورات لازم را به سیستم گرمایش، آبیاری، تهویه و غیره ارسال می‌کند.

گلخانه هوشمند با آردوینو

آردوینو یک پلتفرم سخت افزاری و نرم افزاری است که در دنیای امروزی برای اجرای انواع پروژه‌های آموزشی و علمی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پلتفرم از یک میکرو کنترلر، برد و بوت لودر نرم‌افزاری تشکیل می‌شود و با استفاده از نرم افزار IDE قابل برنامه‌نویسی است.

از آنجایی که آردوینو یک پلتفرم کامل برای کنترل انواع تجهیزات الکترونیکی محسوب می‌شود، ساخت گلخانه هوشمند با آردوینو به سادگی امکان‌پذیر است. در این روش، داده‌های مربوط به شرایط گلخانه از طریق سنسورهای دما، رطوبت، نور و غیره اندازه‌گیری می‌شوند. سپس این داده‌ها به ورودی آردوینو ارسال می‌شوند تا پس از پردازش روی نمایشگر نشان داده شده یا دستورات لازم برای کنترل تجهیزات گلخانه بر اساس تنظیمات اعمال شده در کد برنامه نویسی ارسال شوند.

مزایای گلخانه هوشمند

هوشمند سازی گلخانه ها مزایای متعددی دارد که اجرای این طرح را کاملاً از نظر اقتصادی، آسان‌تر کردن مدیریت گلخانه و بهبود کیفیت محصولات توجیه‌پذیر می‌سازد. برخی از مهم‌ترین مزایای گلخانه های هوشمند عبارتند از:

دسترسی به داده‌های گلخانه در هر لحظه: سنسورها مختلفی در سراسر گلخانه نصب می‌شوند تا داده‌های مربوط به گلخانه شامل دما، رطوبت، میزان گاز Co2، روشنایی و غیره را اندازه‌گیری کنند. با استفاده از این داده‌ها امکان کنترل دقیق و خودکار شرایط گلخانه بر اساس ویژگی‌های هر گیاه فراهم می‌شود.

افزایش بهره‌وری در آبیاری و کوددهی به گیاهان: در حالی که اندازه‌گیری پارامترهای محیط مانند دما، رطوبت و غیره به ما کمک می‌کند تا از شرایط گلخانه مطلع شویم، داده‌های حاصل از سنسورهای رطوبت خاک و اندازه‌گیری مواد مغذی نیز برای بهینه سازی مصرف آب و تامین مواد مورد نیاز گیاهان مورد استفاده قرار می‌گیرد.

کنترل آفت‌ها و جلوگیری از شیوع بیماری‌های گیاهان: آفت‌ها و بیماری‌های گیاهی یکی از مهم‌ترین چالش‌ها در حوزه مدیریت گلخانه‌ها محسوب می‌شود. با استفاده از داده‌های جمع‌آوری شده توسط سنسورهای گلخانه هوشمند می‌توانیم به سرعت از اتفاقات گلخانه مطلع ‌شویم و با انجام سمپاشی یا مبارزه بیولوژیکی به موقع از شیوع آفت‌ها و بیماری‌های گیاهی به تمامی فضای گلخانه جلوگیری کنیم.

افزایش امنیت گلخانه‌ها: گلخانه‌های هوشمند را می‌توانیم به تجهیزات امنیتی مختلفی مجهز کنیم تا ورود افراد غیر مجاز به گلخانه را اطلاع دهند. با نصب سنسورهای نشت گاز یا تشخیص دود نیز می‌توانیم از اتفاقاتی مانند آتش‌سوزی یا انفجار جلوگیری کنیم.
تجهیزات کنترل روشنایی: سیستم‌ روشنایی هوشمند، نور مورد نیاز برای رشد گیاهان را بر اساس ویژگی‌های هر گیاه فراهم می‌کند. این سیستم به ما کمک می‌کند تا شدت نور، مدت زمان تابش و طیف نور را بر اساس نیاز در اختیار گیاهان قرار دهیم؛ بنابراین امکان ایجاد گلخانه‌های چند طبقه و گلخانه‌های زیر زمینی بدون نیاز به نور خورشید و با کمترین انرژی مصرفی فراهم می‌شود.
سنسور گاز دی‌اکسید کربن: این سنسور میزان گاز دی‌اکسید کربن موجود در هوا را اندازه‌گیری می‌کند. در صورت کاهش یا افزایش میزان گاز دی‌اکسید کربن هوا از این اتفاق مطلع خواهید شد. همچنین امکان تنظیم سیستم تهویه بر اساس داده‌های سنسور دی‌اکسید کربن هوای گلخانه نیز وجود دارد.سیستم نظارت و کنترل مواد مغذی خاک: سنسورهای اندازه‌گیری مواد مغذی خاک به ما کمک می‌کنند تا از وجود عناصر مورد نیاز گیاهان مانند سطح نیتروژن، پتاسیم، فسفر و غیره مطلع شویم؛ بنابراین می‌توانیم کوددهی را بر اساس عناصر موجود در خاک و نیاز گیاهان به طور دقیق‌تری انجام دهیم.تجهیزات آبیاری هوشمند: سیستم آبیاری هوشمند، حجم آب مصرفی و زمان آبیاری را بر اساس داده‌های سنسور‌های مختلف مانند سنسور رطوبت خاک تنظیم می‌کند؛ بنابراین در حالی که گیاهان آب کافی را دریافت می‌کنند، از هدر رفتن آب نیز جلوگیری می‌شود.