کشاورزی هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء

کشاورزی هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء

کشاورزی هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیاء

معرفی :

کشاورزی از آنجایی که منبع اصلی غلات غذایی و سایر مواد خام است، اساس زندگی انسان محسوب می شود. نقش حیاتی در رشد اقتصاد کشور دارد. همچنین فرصت های شغلی فراوانی را برای مردم فراهم می کند. رشد بخش کشاورزی برای توسعه شرایط اقتصادی کشور ضروری است. متأسفانه بسیاری از کشاورزان هنوز از روش‌های سنتی کشاورزی استفاده می‌کنند که منجر به کم‌بازدهی محصولات و میوه‌ها می‌شود. اما هر جا که اتوماسیون اجرا شده و انسان ها با ماشین آلات اتوماتیک جایگزین شده اند، عملکرد بهبود یافته است. از این رو برای افزایش عملکرد نیاز به پیاده سازی علم و فناوری روز در بخش کشاورزی وجود دارد. بیشتر مقالات نشان دهنده استفاده از شبکه حسگر بی سیم است که داده ها را از انواع مختلف حسگرها جمع آوری می کند و سپس با استفاده از پروتکل بی سیم به سرور اصلی ارسال می کند. داده های جمع آوری شده اطلاعاتی در مورد عوامل مختلف محیطی ارائه می دهد که به نوبه خود به نظارت بر سیستم کمک می کند. پایش عوامل محیطی راه حل کافی و کامل برای بهبود عملکرد محصول نیست. عوامل دیگری نیز وجود دارد که تا حد زیادی بر بهره وری تأثیر می گذارد. این عوامل شامل حمله حشرات و آفات است که با سمپاشی گیاه با حشره کش و آفت کش مناسب قابل کنترل است. ثانیاً حمله به حیوانات و پرندگان وحشی هنگام رشد محصول. همچنین زمانی که محصول در مرحله برداشت است، امکان سرقت وجود دارد. کشاورزان حتی پس از برداشت محصول نیز با مشکلاتی در نگهداری محصول برداشت شده مواجه هستند. بنابراین برای ارائه راه حل برای تمامی این مشکلات، لازم است سیستم یکپارچه ای ایجاد شود که تمامی عوامل موثر بر بهره وری را در هر مرحله ای از جمله: کشت، برداشت و ذخیره سازی پس از برداشت. بنابراین این مقاله سیستمی را پیشنهاد می کند که در نظارت بر داده های میدانی و همچنین کنترل عملیات میدانی که انعطاف پذیری را فراهم می کند مفید است. هدف این مقاله هوشمند سازی کشاورزی با استفاده از اتوماسیون و فناوری‌های IoT است. ویژگی های برجسته این مقاله شامل ربات کنترل از راه دور مبتنی بر GPS هوشمند برای انجام وظایفی مانند: وجین، سمپاشی، سنجش رطوبت، ترساندن پرندگان و حیوانات، حفظ هوشیاری و غیره. ثالثاً مدیریت هوشمند انبار که شامل؛ نگهداری دما، نگهداری رطوبت و تشخیص سرقت در انبار. کنترل تمامی این عملیات از طریق هر دستگاه هوشمند از راه دور یا کامپیوتر متصل به اینترنت خواهد بود و عملیات توسط سنسورهای رابط، ماژول‌های Wi-Fi یا ZigBee، دوربین و محرک‌ها با میکروکنترلر و Raspberry Pi انجام می‌شود.

چکیده : کشاورزی نقش حیاتی در توسعه کشور دارد. در هند حدود 70 درصد از جمعیت به کشاورزی وابسته است و یک سوم سرمایه کشور از کشاورزی است. مسائل مربوط به کشاورزی همواره مانع توسعه کشور بوده است. تنها راه حل این مشکل، کشاورزی هوشمند با نوسازی روش های سنتی فعلی کشاورزی است. از این رو هدف این پروژه هوشمندسازی کشاورزی با استفاده از فناوری‌های اتوماسیون و اینترنت اشیاء است. از ویژگی های برجسته این پروژه می توان به ربات کنترل از راه دور مبتنی بر GPS هوشمند برای انجام کارهایی مانند وجین، سمپاشی، سنجش رطوبت، ترساندن پرندگان و حیوانات، مراقبت از هوشیاری و … اشاره کرد. داده های میدان زمانی سوم، مدیریت هوشمند انبار که شامل نگهداری دما، نگهداری رطوبت و تشخیص سرقت در انبار است. کنترل تمامی این عملیات از طریق هر دستگاه هوشمند از راه دور یا کامپیوتر متصل به اینترنت خواهد بود و عملیات توسط سنسورهای رابط، ماژول‌های Wi-Fi ، دوربین و محرک‌ها با میکروکنترلر انجام می‌شود.

 


کشاورزی هوشمند

1 – بررسی ادبیات :

سناریوی جدیدتر کاهش سطح آب، خشک شدن رودخانه ها و مخازن، محیط غیرقابل پیش بینی نیاز مبرمی به استفاده صحیح از آب دارد. برای مقابله با این استفاده از حسگر دما و رطوبت در مکان‌های مناسب برای نظارت بر محصولات در آن پیاده‌سازی شده است. یک الگوریتم توسعه ‌یافته با مقادیر آستانه دما و رطوبت خاک را می‌توان در یک دروازه مبتنی بر میکروکنترلر برای کنترل کمیت آب برنامه ‌ریزی کرد. این سیستم می‌تواند با پنل‌های فتوولتائیک تغذیه شود و می‌تواند یک پیوند ارتباطی دوطرفه بر اساس یک رابط اینترنت سلولی داشته باشد که اجازه می ‌دهد بازرسی داده‌ها و برنامه‌ ریزی آبیاری از طریق یک صفحه وب برنامه ‌ریزی شود. توسعه فن آوری در شبکه های حسگر بی سیم امکان استفاده در نظارت و کنترل پارامترهای گلخانه ای را در کشاورزی دقیق فراهم کرد.پس از تحقیقات در زمینه کشاورزی ، محققان دریافتند که عملکرد کشاورزی روز به روز در حال کاهش است. با این حال، استفاده از فناوری در حوزه کشاورزی نقش مهمی در افزایش تولید و همچنین کاهش نیروی انسانی اضافی دارد. برخی از تلاش های تحقیقاتی برای بهبود کشاورزان انجام می شود که سیستم هایی را ارائه می دهد ( کشاورزی هوشمند چیست ) که از فناوری های مفید برای افزایش عملکرد کشاورزی استفاده می کنند.

یک سیستم آبیاری کنترل و سنجش از دور با استفاده از شبکه حسگر بی سیم توزیع شده با هدف آبیاری با نرخ متغیر، زمان واقعی در سنجش مزرعه، کنترل یک سیستم آبیاری حرکت خطی با دقت خاص سایت برای به حداکثر رساندن بهره‌وری با حداقل استفاده از آب توسط Y. Kim توسعه داده شد. این سیستم جزئیاتی را در مورد طراحی و ابزار دقیق آبیاری با نرخ متغیر، شبکه حسگر بی سیم و زمان واقعی در سنجش و کنترل میدانی با استفاده از نرم افزار مناسب تشریح کرد. کل سیستم با استفاده از پنج ایستگاه حسگر میدانی توسعه یافته است که داده ها را جمع آوری کرده و با استفاده از سیستم موقعیت یابی جهانی (GPS) به ایستگاه پایه ارسال می کند که در آن اقدامات لازم برای کنترل آبیاری با توجه به پایگاه داده موجود با سیستم انجام شده است. این سیستم یک راه حل بی سیم کم هزینه امیدوارکننده و همچنین کنترل از راه دور برای آبیاری دقیق و کشاورزی دقیق را ارائه می دهد.

در مطالعات مربوط به شبکه حسگر بی سیم، محققان پارامترهای مربوط به خاک مانند دما و رطوبت را اندازه گیری کردند. سنسورهایی در زیر خاک قرار داده شدند که با استفاده از پروتکل ارتباطی موثر با چرخه کاری بسیار کم و در نتیجه افزایش طول عمر سیستم پایش خاک، با گره‌های رله ارتباط برقرار می‌کنند. این سیستم با استفاده از میکروکنترلر، رابط فرستنده ناهمزمان گیرنده جهانی (UART) و حسگرها توسعه داده شد، در حالی که انتقال با نمونه‌گیری ساعتی و بافر کردن داده‌ها، انتقال آن و سپس بررسی پیام‌های وضعیت انجام شد. معایب این سیستم هزینه و استقرار حسگر در زیر خاک بود که باعث تضعیف سیگنال‌های فرکانس رادیویی (RF) می‌شود.

 

برای مطالعه و اطلاع از مقاله کتاب کشاورزی هوشمند 1 / کتاب کشاورزی هوشمند 2 / کتاب کشاورزی هوشمند 3 ، می توانید از طریق این لینک وارد شوید .

 

2 – بررسی اجمالی سیستم

نمای کلی سیستم کشاورزی هوشمند

مقاله از چهار بخش تشکیل شده است.در سیستم حاضر، هر گره با حسگرها و دستگاه های مختلف ادغام می شود و از طریق ماژول های ارتباطی بی سیم به یک سرور مرکزی متصل می شوند. سرور با استفاده از اتصال به اینترنت اطلاعات را از انتهای کاربر ارسال و دریافت می کند. دو حالت عملکرد سیستم وجود دارد. حالت خودکار و حالت دستی. در حالت خودکار سیستم تصمیمات خود را می گیرد و دستگاه های نصب شده را کنترل می کند در حالی که در حالت دستی کاربر می تواند با استفاده از برنامه اندروید یا دستورات رایانه شخصی عملیات سیستم را کنترل کند.

 

3 – معماری سیستم

1: یک ربات متحرک مبتنی بر GPS است که می تواند از راه دور با استفاده از رایانه کنترل شود و همچنین می توان آن را طوری برنامه ریزی کرد که با استفاده از مختصات داده شده توسط ماژول GPS به طور مستقل در مرز میدان حرکت کند.

 

ربات کنترل از راه دور

ربات کنترل از راه دور دارای حسگرها و وسایل مختلفی مانند دوربین، سنسور مانع، آژیر، کاتر، سمپاش است و با استفاده از آنها کارهایی مانند: حفظ هوشیاری، ترساندن پرندگان و حیوانات، علف های هرز، و سمپاشی .

2: انبار . این شامل ردیاب حرکت، سنسور نور، سنسور رطوبت، سنسور دما، بخاری اتاق، فن خنک کننده به طور کلی با میکروکنترلر AVR است. ردیاب حرکت وقتی حالت امنیتی روشن است، حرکت را در اتاق تشخیص می دهد و با تشخیص حرکت، سیگنال هشدار را از طریق Raspberry pi به کاربر ارسال می کند و در نتیجه تشخیص سرقت را ارائه می دهد.

سنسور دما و سنسور رطوبت

سنسور دما و سنسور رطوبت به ترتیب دما و رطوبت را تشخیص می دهند و اگر مقدار از آستانه عبور کند، بخاری اتاق یا فن خنک کننده به طور خودکار روشن/خاموش می شود و نگهداری دما و رطوبت را فراهم می کند. Node2 همچنین پمپ آب را بسته به داده های رطوبت خاک ارسال شده کنترل می کند. توسط node3.

 3:  یک گره آبیاری هوشمند با ویژگی هایی مانند ; کنترل هوشمند پمپ آب بر اساس داده های میدانی بلادرنگ یعنی روشن/خاموش خودکار پمپ پس از رسیدن به سطح رطوبت مورد نیاز خاک در حالت خودکار، روشن/خاموش کردن پمپ آب از راه دور از طریق موبایل یا کامپیوتر در حالت دستی و نظارت مداوم بر خاک. مرطوب.

سنسور رطوبت داده ها را با استفاده از آی سی رمزگذار HT12E و یک فرستنده RF منتقل می کند. داده های ارسالی دریافت شده و در آنجا توسط میکروکنترلر به منظور کنترل عملکرد پمپ آب پردازش می شود.

 

سخت افزار مورد استفاده:

A – میکروکنترلر AVR Atmega 16/32: میکروکنترلر مورد استفاده، میکروکنترلر 8 بیتی AVR® کم مصرف، دارای 8K بایت حافظه برنامه فلش خودبرنامه ریزی درون سیستم، سریال USART قابل برنامه ریزی، 8 کانال، ADC 10 بیتی، 23 قابل برنامه ریزی I است. /O Lines.

 

B – ماژول ZigBee:

ZigBee برای دستیابی به ارتباط بی سیم استفاده می شود. برد Zigbee تقریباً 50 متر است و می توان آن را با استفاده از ماژول های توان بالا یا با استفاده از شبکه ماژول ها افزایش داد. بر روی فرکانس 2.4 گیگاهرتز کار می کند. مصرف برق آن بسیار کم است و در مقایسه با ماژول های بی سیم دیگر مانند وای فای یا بلوتوث ارزان تر است. معمولاً برای ایجاد شبکه های محلی بی سیم استفاده می شود.

 

C – سنسور دما LM35:

LM35 یک سنسور دمای آی سی دقیق است. ولتاژ خروجی LM35 با درجه سانتیگراد/سانتیگراد دما نسبت مستقیم دارد. LM35 برای ارائه محدوده دمایی دقیق نیازی به کالیبراسیون یا پیرایش خارجی ندارد. این سنسور بسیار کم هزینه است. دارای امپدانس خروجی کم و خروجی خطی است. محدوده دمای عملیاتی برای LM35 55- تا 150 درجه سانتیگراد است . با افزایش دما، ولتاژ خروجی سنسور به صورت خطی افزایش می یابد و مقدار ولتاژ به میکروکنترلر داده می شود که در ضریب تبدیل ضرب می شود تا مقدار دمای واقعی بدست آید.

 

D – سنسور رطوبت:

سنسور رطوبت خاک میزان آب موجود در خاک را اندازه گیری می کند. از خاصیت مقاومت الکتریکی خاک استفاده می کند. رابطه بین ویژگی های اندازه گیری شده و رطوبت خاک کالیبره شده است و ممکن است بسته به عوامل محیطی مانند دما، نوع خاک یا هدایت الکتریکی متفاوت باشد. در اینجا، برای سنجش رطوبت در میدان و انتقال آن به میکروکنترلر به منظور انجام عمل کنترلی روشن و خاموش کردن پمپ آب استفاده می شود.

سنسور رطوبت:

DHT11 یک سنسور دیجیتالی پایه و ارزان قیمت دما و رطوبت است. مقدار دیجیتال می دهد و از این رو نیازی به استفاده از الگوریتم تبدیل در ADC میکروکنترلر نیست و از این رو می توانیم خروجی آن را مستقیماً به جای ADC به پین داده بدهیم. دارای سنسور خازنی برای اندازه گیری رطوبت. تنها نقص واقعی این سنسور این است که تنها پس از هر 2 ثانیه می توان اطلاعات جدیدی از آن دریافت کرد.

تاثیر روانی اینترنت اشیا بر محیط کار

E – سنسور مانع (Ultra-Sonic):

سنسور اولتراسونیک بر اساس اصل امواج صوتی و خاصیت انعکاس آنها کار می کند. دارای دو بخش است؛ فرستنده اولتراسونیک و گیرنده اولتراسونیک. فرستنده موج صوتی 40 کیلوهرتز را ارسال می کند و گیرنده موج 40 کیلوهرتز منعکس شده را دریافت می کند و در دریافت آن سیگنال الکتریکی را به میکروکنترلر می فرستد. سرعت صوت در هوا از قبل مشخص شده است.

از این رو از زمان مورد نیاز برای دریافت موج صوتی ارسالی، فاصله مانع محاسبه می شود. در اینجا برای تشخیص موانع در مورد ربات متحرک و به عنوان ردیاب حرکت در انبار برای جلوگیری از سرقت استفاده می شود. سنسور اولتراسونیک ربات را قادر می سازد تا موانع را تشخیص داده و از آن دوری کند و همچنین فاصله از مانع را اندازه گیری کند. محدوده عملکرد سنسور اولتراسونیک 10 سانتی متر تا 30 سانتی متر است.

 

F – رزبری پای:

Raspberry Pi یک کامپیوتر جیبی کوچک است که برای انجام محاسبات کوچک و عملیات شبکه استفاده می شود. این عنصر اصلی در زمینه اینترنت اشیاء (برای مطالعه مقاله : اینترنت اشیاء تا متاورس ، می توانید از طریق این لینک وارد شوید .) است. دسترسی به اینترنت را فراهم می کند و از این رو اتصال سیستم اتوماسیون با دستگاه کنترل مکان از راه دور امکان پذیر می شود. Raspberry Pi در نسخه های مختلف موجود است. اینجا، مدل Pi 2 مدل B استفاده شده و دارای پردازنده چهار هسته ای ARM Cortex-A53 با فرکانس 900 مگاهرتز و رم 1 گیگابایت است. همچنین دارای 40 پین GPIO، پورت Full HDMI، 4 پورت USB، پورت اترنت، جک 3.5 میلی‌متری صدا، رابط دوربین ویدیویی (CSI)، رابط نمایشگر (DSI) و اسلات کارت Micro SD است.

 

نرم افزارهای مورد استفاده:

a – نسخه 4 AVR Studio :

برای نوشتن، ساخت، کامپایل و اشکال زدایی کدهای برنامه c تعبیه شده که برای رایت در میکروکنترلر برای انجام عملیات دلخواه مورد نیاز است، استفاده می شود. این نرم افزار به طور مستقیم فایل .hex را ارائه می دهد که به راحتی می توان آن را در میکروکنترلر رایت کرد.

 

b – شبیه ساز Proteus 8:

Proteus 8 یکی از بهترین نرم افزارهای شبیه سازی برای طراحی مدارهای مختلف میکروکنترلر می باشد. تقریباً تمام میکروکنترلرها و قطعات الکترونیکی را دارد که به راحتی در آن موجود است و از این رو شبیه ساز پرکاربرد است.

 

برای مطالعه مقاله مرتبط با موضوع با نام کشاورزی مدار بسته می توانید از طریق این لینک وارد شوید و کسب اطلاع کنید.

 

پلتفرم اینترنت اشیاء هوشمند رهبان

می توان از آن برای آزمایش برنامه ها و طرح های تعبیه شده برای الکترونیک قبل از آزمایش سخت افزار واقعی استفاده کرد. شبیه سازی برنامه نویسی میکروکنترلر در پروتئوس نیز قابل انجام است. شبیه سازی از خطر آسیب دیدن سخت افزار به دلیل طراحی اشتباه جلوگیری می کند.

c – ردیابی شیب:

Dip Race نرم افزار EDA/CAD برای ایجاد نمودارهای شماتیک و بردهای مدار چاپی است. توسعه دهندگان رابط و آموزش های چند زبانه را ارائه می دهند (در حال حاضر به زبان انگلیسی و 21 زبان دیگر موجود است). DipTrace دارای 4 ماژول است: ویرایشگر تصویر شماتیک، ویرایشگر طرح بندی PCB با روتر خودکار مبتنی بر شکل داخلی و پیش نمایش و صادرات 3 بعدی، ویرایشگر اجزا و ویرایشگر الگو.

 

SinaProg – d :

SinaProg یک برنامه دانلود کننده Hex با ماشین حساب AVR Dude و Fuse Bit است. این برای دانلود کد/برنامه و تنظیم فیوز بیت های همه میکروکنترلرهای مبتنی بر AVR استفاده می شود.

 

e – سیستم عامل Raspbian :

Raspbian سیستم عامل رایگان و متن باز است که در بیان برای Raspberry Pi مبتنی و بهینه سازی شده است. این مجموعه پایه ای از برنامه ها و ابزارهای کمکی را برای عملکرد Raspberry Pi فراهم می کند. این نرم افزار دارای حدود 35000 بسته است که نرم افزارهای از پیش کامپایل شده ای هستند که در قالبی زیبا برای نصب رایگان در Raspberry همراه شده اند. Pi . جامعه خوبی از توسعه دهندگان دارد که فرم های بحث را اجرا می کند و برای بسیاری از مشکلات مرتبط راه حل ارائه می دهد. با این حال، سیستم عامل Raspbian هنوز در حال توسعه مداوم با تمرکز اصلی بر بهبود عملکرد و ثبات هر چه بیشتر بسته‌های Debian است.

 

4 –  آزمایش و نتایج

 

راه اندازی آزمایشی

 

شامل ربات متحرک با سرور مرکزی، ماژول GPS، دوربین و سایر حسگرها است. همه سنسورها با موفقیت با میکروکنترلر و میکروکنترلر با Raspberry Pi وصل شده است. GPS و دوربین نیز به رزبری پی. نتایج آزمایش نشان می‌دهد که ربات را می‌توان از راه دور با استفاده از انتقال بی‌سیم دستورات رایانه شخصی به R- Pi.R – Pi کنترل کرد . برای مکان ربات

 

راه اندازی آزمایشی کشاورزی هوشمند

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، شامل آشکارساز حرکت، سنسور دما، سنسور رطوبت، فن خنک کننده ، پمپ آب و غیره است که به برد میکروکنترلر متصل است.

 

سنسورها ورودی به کنترلر می دهند و بر اساس آن میکروکنترلر دستگاه ها را در حالت خودکار کنترل می کند و همچنین مقدار سنسورها را به R-Pi ارسال می کند و R-Pi آن را با استفاده از اینترنت به دستگاه هوشمند کاربر فوروارد می کند. نتایج آزمایش نشان می دهد که وقتی سطح دما بالاتر از سطح آستانه از پیش تعیین شده افزایش می یابد، فن خنک کننده به طور خودکار در حالت خودکار راه اندازی می شود.

 

اگر سطح رطوبت کمتر از مقدار آستانه ثابت شود، پمپ آب نیز روشن می شود. در حالت دستی، میکروکنترلر سیگنال های کنترلی را از R-Pi از طریق ZigBee دریافت می کند و بر این اساس عمل کنترل را انجام می دهد.

 

 

راه اندازی آزمایشی برای Node3

همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، از یک سنسور رطوبت متصل به HT12E تشکیل شده است. سنسور رطوبت داده ها را با استفاده از آی سی رمزگذار HT12E و یک فرستنده RF  منتقل می کند، جایی که توسط میکروکنترلر پردازش می شود و بر این اساس پمپ آب روشن/خاموش می شود.

 

5 – نتیجه

 

سنسورها و میکروکنترلرهای هر سه گره با موفقیت با Raspberry Pi وصل شده و ارتباط بی سیم بین گره های مختلف حاصل می شود.

تمامی مشاهدات و آزمایشات تجربی ثابت می کند که پروژه به ترتیب با استفاده از ربات کنترل از راه دور، سیستم آبیاری هوشمند و سیستم مدیریت انبار هوشمند، راه حل کاملی برای فعالیت های مزرعه، مشکلات آبیاری و مشکلات ذخیره سازی است. اجرای چنین سیستمی در مزرعه قطعا می تواند به بهبود عملکرد محصولات و تولید کلی کمک کند.


محصولات شرکت دانش بنیان پرتوتاپ رایان

برای دریافت اطلاعات بیشتر وارد شوید و فرم های زیر را تکمیل بفرمایید

مشاوره

ورود بیشتر بدانید

آموزش

ورود بیشتر بدانید

اشتراک گذاری / مقالات و اخبار دیگر