همراه ما باشید
هفته نامه عصر ارتباط
اولیـن و پرتیـراژتـرین هفتـه نـامه ICT کشـور

شبکه‌های حسگر بی‌سیم برای ارزیابی وضعیت گیاهان گلخانه‌ای

زهرا خان‌بابالو؛Babalozahra@gmail.com

چکیده

 اندازه‌گیری‌های محیط‌زیست توزیع‌شده در سطح گیاهان می‌تواند برای ایجاد یک نمایش دقیق از آب و هوا در مناطق مختلف در داخل گلخانه استفاده شود. ناهمگونی آب و هوا می‌تواند تفاوت‌های قابل توجهی را از لحاظ عملکرد، بهره‌وری، ویژگی‌های کمی و کیفی گیاهان و همچنین توسعه بیماری‌های مختلف ایجاد کند. با این کار چند اتفاق می‌افتد: 1) ارزیابی شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSNs) قابلیت اطمینان و صحت عملیات در شرایط واقعی گلخانه، 2) توسعه یک سیستم نظارت توزیع‌شده با استفاده از WSN در گلخانه تجاری، و 3) تجزیه و تحلیل جمع‌آوری‌شده داده‌های توزیع‌شده برای بررسی شرایط احتمالی گیاهان رو به رشد.

مقدمه

 ناهمگونی فضایی که به جنبه‌های زیست‌شناختی و فیزیکی فرایندها و سیستم‌های درگیر مربوط است، باعث می‌شود کار کنترل بهینه بیشتر شود. در گلخانه‌های مدرن، چند نقطه اندازه‌گیری در سطح گیاه مورد نیاز است تا دیدگاهی دقیق از آب و هوا در مناطق مختلف کل فضای گلخانه‌ای ایجاد شود.

شیب‌های خاص آب و هوایی می‌تواند تفاوت‌های قابل توجهی را از لحاظ عملکرد و ویژگی‌های کمی و کیفی گیاهان و نیز توسعه بیماری‌های مختلف ایجاد کند. برای اینکه بتوانیم این تفاوت‌ها را از بین ببریم، یک سیستم نظارت دقیق توزیع‌شده مورد نیاز است.

 بخش اول

با پیشرفت شبکه‌های حسگر بی‌سیم (WSN‌ها)، نظارت توزیع‌شده از لحاظ فنی و اقتصادی امکان‌پذیر است. این شبکه‌ها معمولا شامل گره‌های باتری مجهز به سنسورهای خاصی هستند که اطلاعات مناسب را جمع‌آوری می‌کنند و آن را به یک ایستگاه مرکزی ارسال می‌کنند که داده‌های دریافت‌شده را برای پردازش‌های آینده ذخیره می‌کند.

 WSN را به‌طور خاص برای تاسیسات تجاری گلخانه‌ای، اندازه‌گیری دما، رطوبت، تابش خورشیدی و غلظت CO2 توسعه دادند. آنها چند آزمایش انجام دادند و روی مسايل خاصی که در برنامه گلخانه‌ای WSN به‌وجود آمده بود، نتیجه گرفتند. به همین ترتیب، Balendonck و همکاران (2014) محدودیت‌های حساسیت‌سنجی WSN‌ها در محیط‌های گلخانه‌ای را در ارتباط با خطاهای اندازه‌گیری ارايه‌شده توسط اثر مستقیم تابش در گره‌های حسگر گزارش کرد.

بخش دوم: مواد و روش‌ها

2.1 آزمایش‌های بررسي قابلیت اطمینان WSN

آزمایش‌هاي اولیه برای بررسی قابلیت اطمینان و صحت عملیات WSN در شرایط گلخانه در یکی از گلخانه‌های تجربی دانشگاه تسالالی، Velestino و یونان انجام شد؛ گلخانه‌ای که دارای پوشش پلاستیکی ( پلی‌اتیلن) ​​و یک مساحت 160 متر مربع (20 متر طول و 8 متر عرض) است. در طول آزمایش، هیچ گیاه کشت‌شده‌اي در گلخانه وجود نداشت.

سه آزمایش مخصوص طراحی‌شده با تنظیمات خاص WSN در گلخانه انجام شده است. در تمام موارد، هدف اصلی شناسایی اثر تابش خورشیدی بر دقت اندازه‌گیری سنسورهای شبکه بود.

مقادیر دما و رطوبت نسبی توسط گره‌های بی‌سیم اندازه‌گیری شد، درحالی‌که سطح شدت تابش در هر گره بی‌سیم ثبت می‌شد. واحد WSN و واحدهای شدت تابش قابل حمل، هر 30 ثانیه اندازه‌گیری را انجام می‌دهند و هر دو دقیقه یک مقدار متوسط ​​را گزارش می‌دهند.

هدف اصلی این آزمایش‌ها بررسی دقت و قابلیت اطمینان اندازه‌گیری‌ها تحت تاثیر نور خورشید درون گلخانه بود. سه آزمایش مختلف طی یک دوره چهار ماهه طراحی و اجرا شد.

2.2 آزمایش‌هاي ارزیابی ناهمگونی در شرایط آب و هوایی گلخانه‌ای

مجموعه دوم آزمایش‌ها در یک گلخانه‌اي با دیوارهای شیشه‌ای و سقف پوشش داده شده پلی‌اتیلن انجام شد. سطح زمین اين گلخانه 0.5 هکتار است (105 متر طول و 48 متر عرض) و داراي پنجره‌های سقف، یک سیستم گرمایش با لوله‌های گرمایش کف و سطح گیاه و طرفداران فنرهای مجاور واقع در چهار متری بالای زمین است.

WSN شامل پنج گره حسگر بی‌سیم بود که در نقاط خاص قرار داشتند. متغيرهاي اندازه‌گيري شده عبارت بودند از دماي هوا، رطوبت نسبي و درجه حرارت برگ. گره‌های بی‌سیم مجهز به سنسور هوا و سنسورهای رطوبت و سنسورهای مادون قرمز هوا و دمای سطح بوده است. گره WSN به صورت متقارن در سطح قائم (ارتفاع 1.5 متر) در موقعیت‌های نشان داده شده در شکل 1 قرار داده شد. از آنجا که WSN آزمایشی بود و تنها برای اهداف نظارت زیست‌محیطی استفاده می‌شد، هیچ وظیفه‌ پیشرفته‌ای مانند نظارت بر کنترل محیط زیست توزیع‌نشده نداشت.

 

 

شکل 1 گره WSN طرح اندازه‌گیری دمای هوا، رطوبت نسبی و دمای برگ در داخل گلخانه. ورودی گلخانه‌ای WSN در قسمت پایین

 

این مجموعه آزمایش‌ها در دو دوره مختلف انجام شد: 1) زمستان 2015؛ و تابستان 2015. اندازه‌گیری‌ها به ایستگاه پایه WSN هر دو دقیقه ارسال مي‌شد و سپس به‌طور میانگین به مدت 10 دقیقه زمان می‌برد.

بخش سوم: نتایج و بحث‌ها

در این بخش، نتایج تحقیق در مورد قابلیت اطمینان و صحت عملیات WSN‌های نصب شده در گلخانه‌های تجربی در ابتدا ارايه شده است. پس از آن، داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول عملیات WSN که در یک گلخانه نصب شده‌اند، مورد تجزیه و تحلیل قرار می‌گیرند و نتایج حاصل از تغییرات محیط زیست و شرایط مربوط به گیاه گلخانه‌ای ارایه می‌شود.

3.1 قابلیت اطمینان عملیات WSN

(شکل 2 الف) مقادیر رطوبت نسبی و (شکل 2 ب) اندازه‌گیری گره‌های جعبه نشان می‌دهد که اینها به‌شدت تحت تاثیر شدت تابش خورشید قرار می‌گیرند.

 

 

شکل 2 (a) دما و رطوبت نسبی (b) انحراف استاندارد بین چهار گره حسگر و سطح تابش

 

3.2 ارزیابی شرایط آب و هوا و شرایط گیاه

 

3.2.1 دما و رطوبت نسبی  

بر اساس معیارهای تخمینی اندازه‌گیری‌های دما (جدول 1)، بیشترین ناهمگونی در طول روز در دوره تابستان رخ می‌دهد (حداکثر اختلافc 3.30، انحراف معیار دمای متوسط ​​بین پنج سنسور برابر با 1.23 و مقدار MRD برابر با 0.036 ). به هر حال، به نظر می‌رسد سیستم خنک‌کننده گلخانه کاملا به‌خوبی عمل می‌کند. (براي مثال، حداکثر میانگین تفاوت دما در حدود يك درجه سانتیگراد بود).

 

 

در مورد رطوبت نسبی (جدول 2)، حداکثر تفاوت حدود 9 درصد، انحراف میانگین رطوبت بین پنج سنسور در حدود 7/3 درصد و در مقادیر MRD در حدود 0.033 بود. اندازه‌گیری رطوبت نسبی در طول هر دوره آزمایشی نسبتا یکنواخت بود. شايان ذکر است که در طول شب، هوای ورودی استفاده می‌شود.

 

 

 

 

 

شکل 3 تکامل یکنواختی دما و رطوبت نسبی را در هر دو دوره آزمایشی، در طول روز و شب نشان می‌دهد. در طول شب (قطعه (b) و (d)) هر دو متغیر، یکنواختی بهتر را نشان می‌دهند. واضح است که در طول روز تغییرات هر دو دما و به‌ویژه رطوبت، بیشتر است (قطعه (a) و (c)).

 

 

 

شکل 3) میانگین انحراف درجه حرارت (ستاره‌ها) و رطوبت نسبی (دایره) در فصل تابستان ((a) و (b)) و

زمستان ((c) و (d)) برای هر دو روز ((a ) و (c)) و زمان شب ((b) و (d))

3.2.2 شرایط تراکم خطر

 شکل 4 درصد زمان را نشان می‌دهد که شرایط تراکم در موقعیت‌های مختلف داخل گلخانه وجود دارد. به نظر می‌رسد در طول دوره تابستان، بین خنک‌کننده و طرفداران گلخانه، تفاوت‌هایی وجود دارد.

 

 

شکل 4- سطح مقادیر درصد زمان از وجود شرایط تراکم. (a) دوره تابستان، (b) دوره زمستان، (c) به‌طور متوسط در طول کل آزمایش.

 

3.2.3 شرایط رطوبت نسبی مشکل‌ساز

یکی از مواردی که بررسی شد شرایط مربوط به سطوح رطوبت نسبی بود. شرایط ایده‌آل برای گیاهاني مانند خیار نیاز به مقادیر رطوبت نسبی بالاتر از 65 درصد دارد. طی آزمایش‌ها، میزان وقوع شرایط با رطوبت نسبی بیشتر از 65 درصد، به‌ویژه در فصل زمستان، بسیار زیاد بود.

3.2.4 تنوع فضایی کمبود فشار بخار

یکی از مهم‌ترین پارامترهای موثر بر رشد گیاه گلخانه‌ای است که می‌تواند برای توسعه روش‌های کنترل بهینه آب و هوای گلخانه‌ای مورد استفاده قرار گیرد. کمبود فشار بخار (VPD)براساس درجه حرارت و رطوبت نسبی اندازه‌گیری شد.

4. نتیجه‌گیری

یک نمونه اولیه WSN داخل یک گلخانه طراحی و ساخته شد و نشان داده شد که اثرات شرایط واقعی گلخانه‌ای بر قابلیت اطمینان از اندازه‌گیری دما و رطوبت نسبی به‌شدت تحت تاثیر شدت تابش خورشید است.

در نتیجه، WSN داخل گلخانه برای ارزیابی دما و رطوبت برای فصل‌های مختلف، به‌طور متوسط تا 3.3 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 9 درصد، با بیشترین تغییرپذیری که در طول روز در دوره تابستان اتفاق می‌افتد را نشان داد.

به منظور بررسی امکان استفاده از آبیاری دقیق، تنوع فضایی در تعامل با محصول مورد بررسی قرار گرفت که می‌تواند مصرف آب را کاهش دهد. علاوه بر این، با استفاده از دمای برگ، فراوانی وقوع شرایطی که ترجیح می‌دهد تراکم در برگ گیاهان مورد بررسی قرار گیرد. مشخص شد که در گلخانه وجود دارد که میزان وقوع چنین شرایطی را تا 36 برابر بیشتر از دیگران دارد، و بیشترین تغییر در دوره زمستان است.

 

منابع:

https://www.sciencedirect.com

https://researchgate.net

درج دیدگاه

عصــر بــازی