پرش به محتوا 
تصور کنید وارد گلخانهای میشوید که در آن همهچیز بهصورت دقیق و هوشمند کنترل میشود؛ دما هرگز از حد مناسب پایینتر یا بالاتر نمیرود، رطوبت درست در همان لحظهای که گیاهان نیاز دارند تنظیم میشود و آبیاری بدون کوچکترین هدررفتی انجام میگیرد. این همان دنیای گلخانه هوشمند است؛ جایی که فناوری، کشاورزی را دگرگون کرده است. اگر تا دیروز کشاورزان برای پایش شرایط محیطی ساعتها وقت صرف میکردند، امروز با هوشمند سازی گلخانه میتوان تنها با چند لمس روی گوشی یا رایانه، همهچیز را از راه دور تحت کنترل داشت. نتیجه این تحول، کاهش هزینهها، افزایش بهرهوری و محصولاتی با کیفیت بالاتر است.
برای آشنایی ببیشتر با گلخانههای هوشمند در این مقاله با شرکت هوشمند سازی فریتز همراه باشید.
فهرست مطالب
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.
سیستم 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:
طراحی گلخانه های هوشمند با استفاده از تجهیزات مختلفی انجام میشود که برای نظارت و کنترل شرایط گلخانه ساخته شدهاند. شرایط محیطی مانند، دما، رطوبت، سطح CO2، نور و غیره به طور مستقیم روی رشد گیاهان و میزان برداشت محصول تاثیر میگذارند و این تجهیزات به ما کمک میکنند تا شرایط گلخانه را به طور خودکار و بدون نیاز به دخالت انسان کنترل کنیم. مهمترین تجهیزات مورد استفاده برای هوشمند سازی گلخانه عبارتند از:
سنسور رطوبت: سنسور رطوبت برای اندازهگیری میزان رطوبت گلخانه و سپس تنظیم این فاکتور بر اساس نیاز گیاهان گلخانه مورد استفاده قرار میگیرد.
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.
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 هوشمند 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.
یکی از مهمترین بخشهای گلخانه هوشمند، مانیتورینگ لحظهای شرایط محیطی است. این سیستمها دادههایی مانند دمای هوا، رطوبت نسبی، شدت نور، سطح CO2 و مواد مغذی خاک را بهطور مداوم ثبت میکنند و امکان تحلیل دادهها برای تصمیمگیری دقیقتر در فرآیندهای کشاورزی را فراهم میآورند. دادهها میتوانند از طریق داشبورد یا اپلیکیشنهای موبایل در اختیار کاربر قرار گیرند.
سیستم تهویه هوشمند یکی از اجزای حیاتی در هر گلخانه مدرن است. این سیستم با کمک دادههای سنسورهای دما، رطوبت و گاز CO2، به صورت خودکار دریچهها یا فنها را باز یا بسته میکند تا شرایط بهینه برای رشد گیاهان حفظ شود. تهویه مناسب همچنین به جلوگیری از رشد قارچها و بیماریهای گیاهی کمک میکند.
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:
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:
هزینهی اجرای یک سیستم گلخانه هوشمند بسته به نوع تجهیزات، متراژ گلخانه و میزان اتوماسیون مورد نیاز میتواند بسیار متغیر باشد. به طور کلی، قیمت هوشمند سازی گلخانه از حدود ۵۰ میلیون تومان برای گلخانههای کوچک شروع میشود و در پروژههای بزرگ و پیشرفته ممکن است به چند صد میلیون تومان یا حتی بیشتر برسد.
نکته: بسیاری از کشاورزان ابتدا با یک سیستم نیمههوشمند (مثل کنترل دما و آبیاری اتوماتیک) شروع میکنند و در مراحل بعد، امکانات پیشرفتهتری مثل سنجش CO2 و کنترل از راه دور را اضافه میکنند. این روش باعث میشود هزینه اولیه قابل مدیریت بهتر باشد.
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.
طراحی سیستم هوشمند گلخانه نیاز به شناخت دقیق نیازهای گیاهان، شرایط اقلیمی منطقه و سطح انتظارات از اتوماسیون دارد. در مرحله طراحی، معماری گلخانه، جایگذاری سنسورها، انتخاب تجهیزات مناسب و پیشبینی سناریوهای کنترلی باید با دقت انجام گیرد. استفاده از راهکارهای مبتنی بر هوش مصنوعی در مرحله طراحی، به بهینهسازی مصرف انرژی و افزایش عملکرد سیستم کمک میکند.
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:
برای کنترل خودکار شرایط گلخانه میتوانیم از یک میکروکنترلر استفاده کنیم. خانواده میکروکنترلرهای AVR یکی از ابزارهای اثبات شده در این زمینه هستند که برای کنترل متغیرهای مختلفی در صنعت، پروژههای آموزشی، دستگاههای الکترونیکی پیشرفته و غیره مورد استفاده قرار میگیرند.
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.
بیشتر بخوانید: موتورخانه هوشمند چیست؛ مزایا و معایب هوشمندسازی موتورخانه
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.
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. سیستم 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.
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.
بیشتر بخوانید: انبار هوشمند؛ بررسی امکانات و مزایای انبارداری هوشمند
ایران در نقطهای از جهان قرار گرفته که میتواند محصولات مختلف کشاورزی و گلخانهای را تولید کرده و به کشورهای مختلف جهان صادر کند. با این وجود، کمبود منابع آبی و خشکسالیهای چند سال اخیر کشاورزان، باغداران و گلخانهداران را با محدودیتهای مختلفی مواجه کرده است. گلخانه های هوشمند مصرف آب را به مقدار مورد نیاز گیاه کاهش میدهند و اتلاف آب را به حداقل مقدار ممکن میرسانند؛ به همین دلیل هوشمند سازی گلخانهها در ایران اهمیت زیادی دارد.
با ایجاد گلخانه های هوشمند متعدد در سراسر کشور میتوانیم در زمینه تولید محصولات کشاورزی مختلف به خودکفایی برسیم. مضاف بر این، محصولات کشاورزی هوشمند در مقایسه با روش سنتی از نظر کیفیت و کمیت نیز برتری دارند.
با ورود فناوری هوش مصنوعی به حوزه کشاورزی، گلخانههای هوشمند وارد مرحله جدیدی از بهرهوری شدهاند. سیستمهای مبتنی بر هوش مصنوعی میتوانند با تحلیل دادههای محیطی، نیاز آبی گیاه، زمان کوددهی یا پیشبینی حمله آفات را به صورت خودکار تشخیص دهند. حتی الگوریتمهای یادگیری ماشین میتوانند برنامههای بهینهسازی رشد گیاه را بهصورت اختصاصی برای هر محصول تنظیم کنند.
در کنار گلخانههای صنعتی، نمونههای خانگی نیز از تکنولوژیهای هوشمند بهره میبرند. گلخانه هوشمند خانگی معمولاً در ابعاد کوچکتر و با تجهیزات سادهتر طراحی میشود اما همچنان میتواند شامل سنسورهای دما، رطوبت و نور، سیستم آبیاری قطرهای خودکار و نظارت از راه دور باشد. این نوع گلخانهها برای پرورش سبزیجات، گیاهان دارویی یا گلهای زینتی در خانه یا حیاط مناسب هستند.
شاید تا چند سال پیش کسی باور نمیکرد که گلخانههای امروزی بتوانند زمان مناسب آبیاری را تشخیص دهند، هوا را تهویه کنند و حتی زمان نور لازم برای گیاهان را تامین کنند. اما حالا تعداد چنین گلخانههایی هرروز بیشتر میشود و احتمالا کشاورزی آینده بدون هوشمند سازی گلخانه ممکن نخواهد بود. اما دو فناوری مهم هستند که در آینده گلخانه هوشمند نقش مهمی بازی میکنند، اینترنت اشیا و هوش مصنوعی.
اینترنت اشیا به این معنی است که ابزارها، سنسورها و دستگاهها بتوانند با اتصال به اینترنت، دادهها را جمع آوری کنند و با یک دیگر ارتباط برقرار کنند. حالا این فناوری در گلخانه دقیقا چه استفادهای خواهد داشت؟ سنسورهایی که در گلخانه نصب میشوند تمام اطلاعات محیطی مانند دما، رطوبت، نور دیاکسید کربن و وضعیت تغذیه گیاه را اندازه گیری میکنند و در یک فضای ابری ذخیره میکنند. این دادهها از طریق یک درگاه مرکزی که به آن گیتوی میگویند، جمعآوری میشوند. جالب است که تمام این کارها نیازی به اینترنت هم نخواهد داشت. اما سوال اصلی اینجاست که همه این دادهها چه کاربردی دارند؟
تا امروز این دادهها برای تصمیم گیری بهتر به کشاورزان نمایش داده میشدند و کشاورز تصمیم میگرفت که چه اصلاحاتی برای گلخانه هوشمند خود در نظر بگیرد. اما به مرور زمان، هوش مصنوعی به جای کشاورزان تصمیم خواهد گرفت. به عنوان مثال سیستم شرایط گلخانه را تحت نظر میگیرد و متوجه میشود که اگر دما از حد خاصی پایینتر برود، رشد گیاهان کند میشود. حالا با توجه به این مشکل، هوش مصنوعی پیش از افت دما، سیستم گرمایشی را روشن میکند تا مشکلی در رشد گیاهان پیش نیاید.
گلخانه هوشمند آینده به دوربینهایی مجهز خواهند شد که به سیستم متصل هستند. سیستم از طریق گرفتن عکس از گیاه و تحلیل آن میتواند زردی برگها، آفت، کم آبی یا بیماری گیاهان را تشخیص دهد. اگر آفت گیاه تشخیص داده شود، سیستم به صورت خودکار دستور سمپاشی را صادر میکند یا به شما اطلاع میدهد که گیاهان شما دچار بیماری شدهاند.
تمام این اطلاعات و تحلیلها در یک داشبورد به کشاورز نمایش داده میشود و کشاورز میتواند سیستم گلخانه را تغییر دهد. برای مثال اگر رطوبت کمتر از 30 درصد شد دستور آبیاری توسط سیستم صادر شود و گلخانه به صورت هوشمند آبیاری شود.
شاید برایتان جالب باشد که یک تیم تحقیقاتی به نام Koala موفق شد در مسابقات هوشمند سازی گلخانه، به کمک هوش مصنوعی سودآوری گلخانه را 30 درصد بیشتر کند. با توجه به این موفقیتها تخمین زده شده که بازار گلخانه هوشمند تا سال 2032 به چندین میلیارد دلار میرسد و تقریبا تمام کشاورزان برای راحتی و سوددهی بیشتر از اینترنت اشیا و هوش مصنوعی استفاده خواهند کرد.
در آینده نزدیک سیستمهای هوشمند به دادههای روز هواشناسی متصل میشوند، اقلیم منطقه را شناسایی میکنند و بر اساس آن تصمیم میگیرند، خودشان برنامه کشت و برداشت را طراحی میکنند و بر اساس برنامه رشد گیاهان، سفارش خرید بذر، کود یا سم را ثبت میکنند.
| فاکتور مقایسه | PLC (Industrial) | آردوینو (Arduino) | میکروکنترلر AVR |
| محیط کاربری | صنعتی و خشن (نویز زیاد) | آموزشی و نمونهسازی اولیه | تجاری و تولید انبوه |
| پایداری (Stability) | بسیار بالا (بدون هنگ) | متوسط (مناسب پروژههای سبک) | بالا (بستگی به طراحی مدار دارد) |
| زبان برنامهنویسی | Ladder / FBD (گرافیکی) | C / C++ (ساده شده) | C / C++ / Assembly |
| مقاومت در برابر نویز | عالی (ایزوله شده) | ضعیف (نیاز به مدار محافظ دارد) | متوسط (نیاز به طراحی PCB دقیق) |
| سرعت راهاندازی | بسیار سریع (Plug & Play) | سریع (کتابخانههای آماده) | زمانبر (طراحی از صفر) |
| قیمت | گران | ارزان | بسیار ارزان (در تعداد بالا) |
| قابلیت ارتقا | ماژولار و بسیار ساده | متوسط (با استفاده از شیلدها) | دشوار (نیاز به تغییر طراحی برد) |
| پروتکلهای ارتباطی | Modbus, Profibus, Ethernet | Wi-Fi, Bluetooth (با ماژول) | SPI, I2C, UART (پایه) |
قیمت سیستم هوشمند گلخانه به فاکتورهای مختلفی شامل تعداد، نوع و برند تجهیزات مورد استفاده بستگی دارد. اگرچه خرید سیستم هوشمند گلخانه مستلزم صرف هزینه بیشتری در مقایسه با راهاندازی گلخانههای سنتی است، اما به دلیل افزایش سرعت رشد گیاهان، حجم تولید و کیفیت محصولات، کاهش اتلاف آب و انرژی هزینه هوشمند سازی گلخانه در طول زمان به جیب گلخانهداران باز میگردد.
انواع سنسورهای اندازهگیری شرایط محیط شامل سنسور رطوبت خاک، دما، نور و غیره، سیستم کنترل روشنایی هوشمند، فناوری اینترنت اشیاء برای اتصال تجهیزات مختلف و سیستم آبیاری هوشمند از جمله فناوریهایی هستند که در سیستم گلخانه های هوشمند مورد استفاده قرار میگیرند.
استفاده از سیستم های کنترل هوشمند گلخانه موجب کاهش اتلاف آب و انرژی میشود؛ بنابراین گلخانه های هوشمند تاثیرات منفی کمتری روی محیط زیست دارند.
در گلخانه هوشمند تمامی شرایط محیط با دقت بیشتری نسبت به گلخانههای سنتی و به طور خودکار کنترل میشوند. در این سیستم، دما، رطوبت، مواد مغذی خاک، روشنایی و تهویه طوری تنظیم میشوند تا محصولات گلخانه رشد سریعتر و کیفیت بالاتری داشته باشند.
سیستم کنترل محیطی با استفاده از سنسورها برای اندازهگیری عوامل مانند دما، رطوبت، نور و دیگر پارامترهای محیطی، اطلاعات را جمعآوری کرده و با تحلیل دادهها، اقدامات اتوماتیکی را انجام میدهد تا شرایط محیطی بهینه برای رشد گیاهان فراهم شود.
بله، گلخانه هوشمند با استفاده از اتوماسیون و بهینهسازی فرآیندها میتواند به کاهش مصرف انرژی منجر شود، مانند استفاده از سیستمهای نوردهی هوشمند، کنترل هوادهی، و مدیریت بهینه انرژی.
بله، بسیاری از گلخانههای هوشمند امکان کنترل از راه دور را فراهم میکنند، به این ترتیب که کشاورزان میتوانند از طریق اینترنت به سیستم کنترل محیطی دسترسی داشته باشند و تغییرات لازم را اعمال کنند.
بیشتر بخوانید: آموزش هوشمند سازی ساختمان | دوره آموزش خانه هوشمند
ساخت گلخانه هوشمند جهش بزرگی در جهت افزایش کارایی و بازدهی صنعت گلخانهداری محسوب میشود. افزایش بهرهوری گلخانهها با تنظیم شرایط محیط مطابق با نیاز گیاهان، کاهش هزینه، امکان اعمال تنظیمات خودکار و کنترل شرایط محیط از راه دور و دسترسی به دادههای گلخانه در هر لحظه از جمله مزایایی هستند که استفاده از اتوماسیون گلخانه هوشمند به همراه دارد.
از آنجایی که انسانها در طی زمان و به تدریج روشهای قدیمی و ناکارآمد را کنار میگذارند و به استفاده از روشهای بهینه رو میآورند، انتظار میرود که در آینده گلخانه های هوشمند، سهم بزرگی از تولید محصولات گلخانهای داشته باشند.
