آبیاری هوشمند در فضای سبز فولاد آلیاژی ایران

آبیاری یکی از مهم‌ترین پارامترها در رشد و نمو گیاهان است و هرچه این پارامتر دقیق‌تر و به ‌موقع‌تر انجام شود، باردهی و رشد مناسب‌تر خواهد بود. عدم وجود یک سیستم جامع کنترلی برای تنظیم دقیق آبیاری یکی از کمبودهایی است که در این زمینه وجود دارد. لذا آنچه که از یک سیستم هوشمند آبیاری نسبت به روش‌های سنتی انتظار می‌رود، کاهش مصرف آب بدون خسارت به گياه است. هدف از اجرای سیستم آبیاری هوشمند، افزایش راندمان آبیاری و افزایش بهره‌وری آب، خاک و گیاه است. از این‌رو سیستمی هوشمند با نام C800 طراحی و اجرا شد که علاوه بر مصرف آب در هزینه‌های برق، نیروی انسانی و زمان نیز صرفه‌جویی می‌کند. این طرح در سطحی معادل ۳۶۰ مترمربع نصب و با پايش يک سال آبياری (سال ۱۳۹۶) و مقايسه آن با مدت مشابه، حدود ۵٫۲۶ درصد كاهش مصرف در پی داشت و در نهایت پيشنهاد استفاده از سیستم یکپارچه كه می‌تواند كاهش قابل توجه‌تری در مصرف آب داشته باشد، ارائه شد.

علاوه بر الزام قانونی، اختصاص ۲۵٪ از سطح مورد تملیک صنایع به فضای سبز، ایجاد فضای سبز و تنوع محیط کاری برای کارگران و کارکنان یکی از مهم‌ترین اصول افزایش بهره‌وری و ایجاد انگیزه و امید محسوب می‌شود. از دیگر مزیت‌های گسترش فضای سبز برای صنایع می‌توان به مواردی شامل فیلتراسیون هوا، تلطیف هوا، کاهش دما و کاهش صدا در محیط اشاره کرد. ولی به علت محدود و با ارزش بودن منابع آبی و شرایط جوی بخصوص در استان یزد حفظ و نگهداری فضای سبز بسیار مشکل‌تر از ایجاد آن است. این در حالی است که ما همه‌روزه شاهد استفاده بیش از نیاز و غیراصولی آب و انرژی هستیم (سازمان هواشناسی کشور ۱۳۹۰).

طبق مطالعات انجام‌شده، با توجه به شرایط اقلیمی استان‌های قرارگرفته در مناطق گرم و خشک مانند شهر کویری یزد، استفاده بهینه و هوشمند از انرژی علی‌الخصوص آب و برق امری حیاتی محسوب می‌شود. (مددپور ایناللو و همکاران، ۱۳۹۰). لذا سیستم آبیاری هوشمند، به‌عنوان طرحی کارآمد می‌تواند تا حد بسیار زیادی مصرف آب و هزینه‌های جبران‌ناپذیر آتی را کاهش دهد. این سیستم نوعی تکنولوژی است که با برنامه‌ریزی از قبل تعیین‌شده به‌طور ثابت و یا باز برنامه‌ریز به آبیاری فضاهای سبز، گلخانه، مزارع و غیره می‌پردازد. با اندازه گرفتن مقدار رطوبت خاک، کشاورزان می توانند تصمیم بگیرند که در چه زمانی، چه مقدار آب را برای رسیدن به بیشترین حد تولید گیاه و کمترین حد میزان مصرف آب به کار ببرند (هنسن و همکاران، ۲۰۰۰).

لذا در زمینه توسعه روش‌های آبیاری نوین به‌منظور استفاده بهینه و مؤثر از منابع آبی و مقابله با محدودیت‌های آبی به وجود آمده در دنیا، استفاده از یک سیستم جامع کنترل و مدیریت آب‌رسانی به‌صورت هوشمند و یکپارچه ضروری به نظر می‌رسد. با توجه به محدودیت منابع آب کشور، کاهش تلفات آب آبیاری فضای سبز و افزایش راندمان آبیاری یکی از اصول اساسی در توسعه پایدار است. بنابراین جهت بهبود روش‌های آبیاری و استفاده صحیح از منابع آب کشور، اولین گام در بالا بردن راندمان آبیاری، ارتقاء سیستم‌های آبیاری موجود است.

روش تحقیق

هدف از اجرای طرح سیستم مدیریت هوشمند یک ساز وکار علمی در جهت آبیاری بر اساس نیازهای آبی گیاهان به‌طور هوشمند و خودکار است که علاوه بر حفاظت از شادابی فضای سبز باعث صرفه‌جویی در مصرف آب نیز می‌شود. تحقیق حاضر به صورت میدانی و آزمایشگاهی در فضای سبز شرکت فولاد آلیاژی ایران انجام، و پس از بررسی بافت خاک (لومی شنی)، نوع گونه گیاهان (اغلب درختان سرو خمره‌ای و گل رز)، فاصله بین آنها و میزان تاج پوشش گیاهان، نوع قطره‌چکان (با دبی ۸ لیتر در ساعت) سیستم هوشمند C800 طراحی و در سال ۱۳۹۵ نصب و راه‌اندازی شد و طی سال۱۳۹۶ مورد پایش قرار گرفت (شکل شماره ۱).

نتایج و بحث

تعریف آبیاری Irrigation: به معنای واقعی کلمه، پخش آب روی زمین جهت نفوذ در خاک برای استفاده گیاه و تولید محصول است. آبیاری هوشمند سیستمی است جامع که بتواند در زمان‌های تعریف‌شده و یا بنا به تشخیص خود بر اساس اطلاعات محیطی که از انواع سنسورهای مختلف به دست می‌آید بتواند امر آبیاری را بنا به محل گیاه اعم از ویلا, باغ, فضای سبز و … انجام دهد. طبیعی است که با انتخاب مناسب سیستم آبیاری هوشمند بر اساس ویژگی‌های محیطی می‌توان کاهش مصرف آب و افزایش راندمان رشد و باروری گیاه را مشاهده کرد. (علیزاده و همکاران، ۱۳۹۰).

در این تحقیق از دو تیمار سنسور رطوبت با برند WaterMark S200 و روش وزنی استفاده شد. سنسور رطوبت در عمق ۳۰ سانتیمتری در عمق خاک قرار داده شد. عملیات محاسبه رطوبت طی مدت سه ماه با فاصله دو روز یک بار انجام شد. اندازه‌گیری رطوبت خاک توسط سنسور با استفاده از سیستم از راه دور و از طریق پیامک انجام گردید و متقابلا به صورت وزنی نیز با همان شرایط نمونه خاک حریم سنسور نیز برداشت و با توجه به چگالی ظاهری خاک، درصد رطوبت حجمی خاک تعیین شد. پس از بررسی نمونه‌های برداشت‌شده (۴۵ نمونه) و مقایسه آن با نتایج بدست آمده از سنسور WaterMark S200 و محاسبه میانگین داده ها (جدول شماره ۱) مشخص شد که اختلاف معنی داری بین این دو تیمار وجود ندارد لذا براساس اطلاعات بدست آمده جهت محاسبه نیاز آبی واقعی گیاهان شامل ثبت نظریه کارشناس (نتایج روش وزنی) و ترکیب کردن آن با اطلاعات محیطی از قبیل دمای هوا، رطوبت خاک و تشخیص زمان‌هایی که گیاه حداقل و حداکثر تعرق را در آن زمان دارد و با بهره‌گیری از فناوری‌های مربوط به الکترونیک و الگوریتم‌های کامپیوتری پیچیده، مربوط به آنالیز داده‌ها و ورود اطلاعات خام از طریق حسگرهای الکترونیکی موجود اقدام به آنالیز و تصمیم‌گیری هوشمند کرده و نیاز آبی گیاه را کاملاً هوشمند شناسایی و اقدام به آبیاری کرده است.

همان‌گونه که قبلاً ذکر شد این سیستم که متشکل از دو بخش سخت‌افزار و نرم‌افزار است در سال ۱۳۹۵ به‌عنوان طرح پایلوت در فضای سبز شرکت فولاد آلیاژی نصب شد. این مجموعه مساحتی حدود ۵۰۰ مترمربع به انضمام ۴۵ اصله درخت سرو خمره ای را شامل می‌شود. سیستم نصب‌شده که به شیوه هوشمند کار می‌کند طی سال۱۳۹۶ در موقعیت ذکرشده موردبررسی و پایش قرار گرفت و نتایج ذیل کسب شد.

بر اساس این روش و با پایش یکسال آبیاری قطره‌ای به روش هوشمند در سال ۱۳۹۶ در فضای سبز محدوده طرح و مقایسه با آبیاری قطره‌ای به شیوه سنتی در مدت مشابه در سال ۱۳۹۵ به نتایج مطلوب و قابل قبولی دست ‌یافتیم (جدول شماره ۲). یعنی حدود ۵٫۲۶ درصد کاهش مصرف آب را به دنبال داشته است (نمودار شماره ۱).

اجزای سیستم نصب‌شده در فضای سبز شرکت (C800)

این پروژه جهت راه‌اندازی سیستم هوشمند آبیاری فضای سبز شرکت فولاد آلیاژی ایران تعریف شده است. این سیستم شامل یک برد کنترلر که در تابلو برقی به ابعاد ۲۲*۳۰*۴۰ (شکل شماره ۱) و یک شیر برقی سلونوئیدی (شکل شماره ۳) و یک شیر آب Bypass valve برای آبیاری در مواقع اضطراری نصب شده است. همچنین سیستم فوق دارای تقویم هجری شمسی همراه با سنسور اندازه‌گیری دمای هوا و GSM modem برای ارتباط از طریق SMS و همچنین دارای سنسور سنجش رطوبت خاک (شکل شماره ۴) نیز است.

همان‌طوری که در شکل‌شماره ۱ نشان داده‌ شده است، کنترل مرکزی خود دارای ۲ بخش عمده سخت‌افزار و نرم‌افزاری است و اجزای آن شامل بخش مرکزی که دارای صفحه نمایشگر، دکمه‌های منو، خروجی شیر برقی، چراغ‌های کنترل، کلید خاموش روشن، کلید فعال کردن دستی آبیاری، سنسور دما و رطوبت، مدار فرستنده و گیرنده، مدار محافظتی و مدار ارتباطی و همچنین دارای هسته مرکزی: شامل ATmega128 8-bit AVR Microcontroller, 128KB Flash، خروجی دیجیتال، ورودی دیجیتال، نمایشگر، شبکه ارتباطی، وردی پورت I²C، GSM MODEM- SIM900، زمان‌سنج داخلی (RTC)، باطری پشتیبان جهت نگهداری زمان تا ۳ سال، باطری حفظ عملکرد کلی مدار تا ۱۰ ساعت در صورت قطع برق است.

روش کار دستگاه

در این سیستم کاربر قادر خواهد بود به‌صورت کاملاً اتوماتیک سیستم آبیاری خود را کنترل و مدیریت کند. در مدل اتوماتیک یا هوشمند (شکل شماره ۴) سنسور رطوبت در کنار گیاه تعبیه شده و سیستم طبق اطلاعاتی که سنسور در اختیارش قرار می‌دهد کار خود را شروع کرده و تا زمانی که آب کافی به گیاه (میزان رطوبت خاک به حد اشباع)، نرسیده باشد، سنسور فرمان قطع آبیاری را صادر نکرده و به کار خود ادامه می‌دهد. در این سیستم سقف دمای تعیین‌شده حداقل ۴+ و حداکثر ۴۵+ درجه است، چنانچه دمای هوا از این سقف تجاوز کند، سیستم به‌صورت هوشمند در دماهای حداقل قطع و در دماهای بالا (آبیاری کمکی حدود نیم ساعت) می‌کند.

مزایای ناشی از اجرای طرح (سیستمC800)

• حداکثر استفاده از ذخیره رطوبتی خاک
• بهبود و گسترش فضای سبز با توجه به محدودیت های آبی
• آبیاری منظم و دقیق طبق نیاز آبی گیاه
• کاهش مصرف آب کاهش خطاهای انسانی
• کاهش نیروی انسانی موردنیاز برای آبیاری
• قابلیت کنترل و گزارش‌گیری از سیستم آبیاری
• عدم نیاز به اپراتور برای راه‌اندازی سیستم به دلیل استفاده از سنسور سنجش رطوبت
• قابلیت شبکه شدن با سایر سیستم‌ها
• قابلیت آبیاری گیاهان مختلف متناسب با نیاز آبی آن‌ها در فصول مختلف

نتیجه‌گیری
در این تحقیق عملکرد سنسور هوشمند رطوبت خاک ارزیابی شد. نتایج این تحقیق نشان داد بین مقادیر رطوبت انداز ه گیری شده توسط سنسورهای مختلف اختلاف قابل توجهی با روش وزنی (شاهد) وجود نداشت. بنابراین پس از تغییر نحوه آبیاری از قطره‌ای سنتی به روش هوشمند و بر اساس نمودار شماره ۱ مشخص شد، حدود ۵٫۲۶ درصد صرفه‌جویی در مصرف آب (بدون هیچگونه خسارت و یا کاهش رشد و طراوت فضای سبز) داشته‌ایم به روایتی دیگر با اتصال فضای سبز به شبکه آبیاری هوشمند، به ازای هر مترمربع از فضای سبز در هر دوره آبیاری (البته بسته به نوع گیاه) حدود ۵-۳ لیتر کاهش مصرف آب خواهیم داشت. این سیستم به علت طراحی منحصربه‌فردی که دارد در تمامی شرایط جوی و انواع زمین‌ها قابلیت کارکرد داشته و می‌توان با نصب پانل خورشیدی در مناطقی که دسترسی به شبکه برق ندارد، نیز استفاده کند.

پیشنهاد: ارتقاء سیستم هوشمند فعلی به طرح جامع سیستم هوشمند و یکپارچه و مانیتورینگ آبیاری برای کل فضای سبز مجموعه در نظر گرفته شود. بعد از انجام این تحقیق مورد موافقت قرار گرفت و در حال اجرا است.

منابع

• علیزاده، معصومه، پاشایی، رضا، سیستم هوشمند آبیاری، ۱۳۹۰
• علیزاده، امین، اصول عملیات آبیاری قطره‌ای، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد، ۱۳۸۰.
• کریمی تفتی, محمدهادی؛ یوسف قلی‌پور و بهروز مسایلی، سیستم آبیاری هوشمند و مقایسه این روش با روش سنتی، دومین همایش ملی حفاظت و برنامه‌ریزی محیط‌زیست، ۱۳۹۲.
• مددپور ایناللو، محمد، بهمن مهری، فرزاد اسکندری و میثم فلاح نژاد، پیاده‌سازی سیستم آبیاری هوشمند خورشیدی مبتنی بر شبکه حسگر بی‌سیم، همایش ملی دستاوردهای نوین در زراعت، شهر قدس، دانشگاه آزاد اسلامی واحد شهر قدس، ۱۳۹۰.

• Hanson, R.B., Orloff, S., Pters, D., 2000. Monitoring soil moisture helps refine irrigation

• management. California Agriculture. 54: 38-42