پایش خاک با ابزارهای مبتنی بر اینترنت اشیا

معرفی

پایش، نظارت یا مانیتورینگ (monitoring) خاک با اینترنت اشیا (IoT) از تکنولوژی‌های پیشرفته برای تقویت توان کشاورزان و تولیدکنندگان جهت بهینه‌سازی عملکرد و منابع و کاهش بیماری به شمار می‌آید. حسگرهای IoT می‌توانند دمای خاک، مقدار نیتروژن، فسفر و پتاسیم (NPK)، حجم آب موجود در خاک، تابش فتوسنتزی، پتانسیل آبی خاکی و سطح اکسیژن در خاک را اندازه‌گیری کنند. اطلاعات حاصل از حسگرهای IoT سپس به یک نقطه مرکزی (یا ابر) برای تجزیه و تحلیل، بصری‌سازی و تحلیل می‌رسند.

داده‌های حاصله می‌توانند برای بهینه‌سازی عملیات کشاورزی، شناسایی روندها و ایجاد تنظیمات دقیق برای به حداکثر رساندن عملکرد و کیفیت محصولات مورد استفاده قرار گیرند. استفاده از IoT در کشاورزی به عنوان کشاورزی هوشمند شناخته شده است و اینترنت اشیا یکی از مؤلفه‌های اصلی کشاورزی دقیق (Precision Farming) است.

پارامترهایی قابل اندازه‌گیری

کشاورزی هوشمند بر شرایط خاک، هوا و گیاهان تمرکز دارد. با توجه به اهمیت شرایط آب و هوا و آبیاری، بسیاری از راهکارهای کشاورزی هوشمند با محیط هوشمند (کیفیت هوا) و آب هوشمند (آلودگی، شفافیت، عناصر مغذی) ترکیب شده‌اند تا یک راه حل کامل ارائه دهند. حسگرهای IoT رایج‌تر شامل موارد ذیل هستند:

دمای خاک

دمای خاک عاملی حیاتی در فعالیت گیاهان زیرزمینی است که رشد ریشه، تنفس، تجزیه و تحلیل و معدنی شدن نیتروژن را تحت تأثیر قرار می‌دهد. حسگرهای IoT می‌توانند با اندازه‌گیری دمای هوا و عوامل دیگر، دمای خاک را برآورد کنند؛ با این حال، دقیق‌ترین اندازه‌گیری استفاده از یک سنسور دمایی است که در داخل خاک قرار می‌گیرد.

بسته به ساختار ریشه گیاه مورد نظر، می‌توان چندین سنسور را در عمق‌های مختلف نصب کرد. دمای خاک سطحی را می‌توان با استفاده از نوع دیگری از حسگرهای IoT که از فناوری IR استفاده می‌کند، نظارت کرد.

رطوبت خاک

رطوبت خاک نیز با استفاده از پروب‌های فرسایشی با الکترودها می‌تواند نظارت شود. در هیدرولوژی، علوم خاک و کشاورزی، رطوبت نقش حیاتی در شیمی خاک، رشد گیاهان و شارژ مجدد آب زیرزمینی ایفا می‌کند. رطوبت خاک به دلایل زیر از اهمیت بسیاری برخوردار است:

• آب در خاک به عنوان یک ماده مغذی حیاتی برای همه محصولات و گیاهان عمل می‌کند.
• آب به عنوان یک عنصر اساسی در فتوسنتز عمل می‌کند.
• با دسترسی به آب در خاک، عملکرد محصول شدیداً تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
• آب موجود در خاک، حامل مهمی از عناصر غذایی محلول برای رشد گیاهان است.
• آب به تنظیم دمای خاک کمک می‌کند.

علم خاک، شاخه‌ای پیچیده در کشاورزی می‌باشد. یکی از شرکت‌هایی که تجهیزات بسیار مناسبی برای نظارت خاک ارائه می‌دهد شرکت لیبلیوم است. فناوری IoT و کشاورزی هوشمند از شرکت لیبلیوم می‌تواند موارد زیر را اندازه‌گیری کند:

• رطوبت خاک (3 عمق)
• هدایت الکتریکی
• حجم آب موجود در خاک
• پتانسیل آب خاک

تشعشعات خورشیدی

حسگرهای IoT می‌توانند انواع مختلفی از تشعشعات خورشیدی را که در فتوسنتز نقش حیاتی دارند، اندازه‌گیری کنند. به جز سطح پارامتر اساسی Lux نوری، IoT می‌تواند موارد زیر را اندازه‌گیری کند:

• تشعشع فعالیت فتوسنتزی
• UV
• موج کوتاه

تشعشعات خورشیدی می‌تواند بر روی رشد گیاهان تأثیر زیادی داشته باشد و IoT به شما امکان می‌دهد تا سطوح تشعشعی خورشیدی را نظارت نمایید.

آب و هوا

میزان باران و ته نشینی آب، باد، رطوبت و فشار جوی همگی نقش حیاتی در رشد گیاهان دارند. سیستم‌های کشاورزی هوشمند معمولا چندین ایستگاه هواشناسی پیشرفته را پشتیبانی می‌کنند. ایستگاه‌های هواشناسی و حسگرهای خاک دید کاملی از پارامترهای کشاورزی در اختیار کشاورزان قرار می‌دهند. ایستگاه‌های هواشناسی IoT می‌توانند موارد زیر را اندازه‌گیری کنند:

• بارش
• دما
• رطوبت
• فشار هوا
• سرعت باد
• جهت باد

حسگرهای خاک  NPK

حسگرهای نیتروژن، فسفر و پتاسیم نسبتاً جدید هستند. این حسگرها یک روش موثر برای اندازه‌گیری عناصر مغذی اصلی خاک فراهم می‌کنند. حسگرهای IoT NPK از تکنولوژی‌های مختلفی استفاده می‌کنند، اما TDR یک روش متداول استفاده شده توسط این حسگرهاست. حسگرهای NPK از RS485 پشتیبانی می‌کنند تا به راحتی در راهکارهای IoT از جمله LoRaWAN و دیتالاگرها یکپارچه شوند.

حسگرهای ترکیبی NPK می‌توانند موارد زیر را اندازه‌گیری کنند:

• نیتروژن
• فسفر
• پتاسیم
• pH
• EC
• دما
• رطوبت

توجه: حسگرهای NPK در مرحله توسعه قرار دارند و دقت / حساسیت این حسگرها بین فروشندگان متفاوت است.

سایر اندازه‌گیری‌ها

حسگرهای دیگری نیز برای کشاورزی وجود دارد که در شرایط خاصی ارزشمند هستند. این حسگرها باعث بهبود هر پیاده‌سازی سامانه های IoT می‌شوند، اگرچه مربوط به نظارت بر خاک نیستند. این حسگرهای اضافی شامل موارد زیر هستند:

• فشار بخار
• سطح اکسیژن خاک
• دمای برگ و جوانه‌های گیاهی
• تر نمودن برگ‌ها
• قطر تنه، ساقه و میوه‌ها

اتصالات بی‌سیم برای IoT و کشاورزی هوشمند

یکی از مزایای کلیدی راه‌حل‌های IoT، مجموعه گسترده‌ای از گزینه‌های ارتباطی بی‌سیم است. IoT محدود به مناطق شهری با پوشش گسترده موبایل نیست؛ پشتیبانی از LoRaWAN، 4G، Zigbee، Sigfox، WIFI و ماهواره به این معنی است که راه‌حل‌های کشاورزی هوشمند در محیط‌های شهری، روستایی و بسیار دورافتاده به خوبی کار می‌کنند. مصرف توان (برق) پایین نودهای اینترنت اشیا باعث می‌شود که این نودها و حسگرها قادر به عملکرد توسط باتری یا منابع تغذیه تجدیدپذیر باشند.

کاربردها

تقریباً هر گونه محصول کشاورزی یا کسب و کار کشاورزی می‌تواند با استفاده از اینترنت اشیا عملیات خود را بهینه کند.

استفاده از فناوری اینترنت اشیا در محیط‌های دورافتاده

همانطور که قبلاً اشاره شد، ابزارهای اینترنت اشیا ارائه شده توسط بسیاری از شرکت ها مانند شرکت Libelium از طیف وسیعی  از پروتکل‌های ارتباطی پشتیبانی می‌کنند. در مواردی که امکان ارسال داده ها و پردازش ابری وجود داشته باشد می توان اطلاعات را توسط حسگرهای متصل به اینترنت جمع آوری نمود و پردازش ها را به صورت ابری انجام داد. اما در مواردی که امکان پردازش های ابری و انتقال اطلاعات وجود نداشته باشد می توان با استفاده از شبکه های محلی مانند LoRaWAN اطلاعات در جمع آوری و در پردازنده مرکزی محلی پردازش نمود. بدین ترتیب نیازی به اینترنت که در منطاق دورافتاده معمولا وجود ندارد نخواهد بود.

کنترل سیستم‌های آبیاری، گرمایش یا نورپردازی

بخش اول هر سیستم کشاورزی دقیق یا خودکار، عنصر اندازه‌گیری است. راه‌ حل‌های IoT و کشاورزی هوشمند هر روز هزاران نقطه داده را جمع‌آوری می‌کنند. پس از تجزیه و تحلیل این داده‌ها و پردازش آن‌ها، سیستم‌ها می‌توانند از آن‌ها برای ایجاد یک پاسخ هوشمند یا خودکارسازی سایر جنبه‌های زیرساخت استفاده کنند.

برای مثال، هنگامی که رطوبت خاک به یک سطح خاصی پایین می‌رود، نرم‌افزار می‌تواند سیستم آبیاری شما را فعال کند. اگر سطوح رطوبت به سطوح نامناسبی افزایش یابد، سیستم می‌تواند هشدارهایی برای کارکنان عملیاتی یا کشاورزی ایجاد کند. با استفاده از اینترنت اشیا این امکانات کاملا در دسترس هستند.

استفاده از داده‌های جمع‌آوری شده توسط حسگرهای اینترنت اشیا

استفاده موثر از داده‌ها کاملا به محیط و برنامه کاربردی شما بستگی دارد. شرکت‌های مختلف داشبردهای مدیریتی متفاوتی در اختیار کاربران قرار می‌دهند. اپلیکیشن‌های موبایل و صفحات وب بهینه شده برای موبایل و سایر نمایشگرها می‌توانند داده‌ها را تصویرسازی کنند. تصویرسازی این داده‌ها و ارائه بینش‌های بعدی می‌تواند اطلاعات قابل فهم و مهمی در اختیار کاربر قرار دهد. همچنین سیستم‌های نظارتی، در صورت تجاوز از حدود (مانند سطوح NPK، رطوبت خاک و غیره) هشدارهای لازم را ایجاد می‌کنند.