کشاورزی هوشمند و بررسی نمونه‌های واقعی در مزارع هوشمند

با پیشرفت اینترنت رشد چشمگیری در سراسر جهان اتفاق افتاده است. اینترنت به یک ابزار مهم ارتباطی تبدیل شده است که در بخش‌های مختلف از جمله تجارت، آموزش ، بهداشت، درمان و کشاورزی استفاده می‌شود. در حال حاضر کاربرد فناوری اینترنت اشیا (IoT) بسیار گسترده شده است. فناوری اینترنت اشیا به طور منظم در کشاورزی هوشمند استفاده می‌شود. این تکنولوژی برای کنترل خودکار و از راه دور محیط رشد محصولات زراعی و دامی با ترکیب فناوری اطلاعات مورد استفاده قرار می‌گیرد. ما در عظیم مدیا به طور مفصل در چندین مقاله به این موضوعات پرداخته‌ایم. اما در این مطلب به معرفی چند نمونه واقعی که از این فناوری‌ها استفاده کرده‌اند و نتایج خوبی هم گرفته‌اند، می‌پردازیم. همچنین چند ویدیو و فیلم مزرعه هوشمند که نشان‌دهنده استفاده از این روش‌ها در زمین‌های کشاورزی بوده است را نمایش داده‌ایم. پس با من در مقاله هوشمند سازی مزارع کشاورزی همراه باشید.

کشاورزی هوشمند چیست؟

کشاورزی هوشمند شامل استفاده از اینترنت و تجهیزات ویژه و پیشرفته برای افزایش محصولات تولیدی و کاهش خطرات زیست‌محیطی و مصرف آب و انرژی است. همچنین مفهوم مزرعه هوشمند موضوعی جهانی با کاربردهای بالقوه به عنوان راه‌حلی برای مشکلاتی مانند افزایش تقاضا برای غذا، کمبود نیروی کار، ناتوانی کشاورزان و همچنین گسترش محصولات پیشرفته کشاورزی است.

یکی از فناوری‌های اصلی در این مزارع، اینترنت اشیا است که برای تجزیه و تحلیل دما، رطوبت و سطح آفتاب تاسیسات مزرعه استفاده می‌شود. فرصت های پیش رو به واسطه توسعه مزارع هوشمند در محل زندگی آنقدر زیاد است که روز به روز بر تعداد کشاورزان و مزراعی که استفاده از تکنولوژی در کشاورزی را اولویت کار خود قرار داده‌اند، افزوده می‌شود.

دانشمندان همواره در طول تاریخچه کشاورزی هوشمند نتایج ارزشمندی کسب کرده‌اند. نتایجی که نشان می‌دهد این روش منجر به تولید بیشتر و البته کاهش آلودگی‌ها و ضررهای احتمالی به طبیعت می‌شود. در ادامه یک مطالعه موردی موفق از یک شرکت کشاورزی هوشمند را آورده‌ایم. این مطالعه در کشور تایلند انجام شده است و نتایج خوبی به همراه داشته است.

مطالعه استفاده از اینترنت اشیا در شرکت کشاورزی هوشمند تایلند

هدف از انجام این تحقیق، طراحی فناوری اینترنت اشیا برای تولید نمونه اولیه برای یک مزرعه هوشمند در یک مزرعه محلی برنج در استان Suphan Burin واقع در تایلند انجام شده است. تجهیزات کشاورزی هوشمند در این مطالعه موردی بسیار پیشرفته بودند. در این مطالعه یک شبکه حسگر بی سیم (WNS) در مزرعه برنج قرار داده شده است. از این حسگر برای اندازه‌گیری دما، رطوبت و نظارت بر فاکتورهای کنترل موثر بر رشد و عملکرد محصول استفاده شده است. همچنین سیستم اینترنت اشیا برای کشاورزی هوشمند برای اتصال به سیستم پایگاه داده از طریق یک برنامه تحت وب طراحی شده است. از داده‌ها برای کنترل آبیاری اتوماتیک محصولات استفاده شده است.

روش این تحقیق استفاده از مفهوم چرخه عمر سیستم توسعه (SDLC) و شامل موارد زیر است:

1. طراحی و بررسی سیستم (Design and Overview of the System)

طراحی و بررسی سیستم در کشاورزی هوشمند

این سیستم دارای دو دستگاه اصلی شامل برد Raspberry Pi (دستگاه IoT) و دما و همچنین سنسورهای رطوبت (DHT 11) است. این سامانه برای اندازه‌گیری و ذخیره داده‌ها برای کشاورزان برنج طراحی شده است.

2. Raspberry Pi

 Raspberry Pi باید با دریافت Raspbian که یک سیستم عامل مبتنی بر Linux است، راه‌اندازی شود. آخرین نسخه آن دبیان نام دارد. برد Raspberry Pi می‌تواند برنامه‌های اساسی را به طور کامل انجام دهد. این سیستم برای پردازش از Raspberry Pi 3 Model B + استفاده می‌کند که دارای GPIO و درگاهی برای اتصال به دستگاه‌های دیگر است. Raspberry Pi از کارت SD برای نصب سیستم عامل‌های لینوکس استفاده می‌کند. بهتر است از کارت SD با بیش از 2 گیگابایت حافظه استفاده شود. در این مورد استفاده از 4 گیگابایت یا بیشتر برای این سیستم توصیه می‌شود.

3. حسگرها (Sensors) در تجهیزات کشاورزی هوشمند 

عوامل بسیاری در رشد گیاهان به ویژه محیط، تأثیر می‌گذارند. دما و رطوبت هوا عوامل اصلی رشد گیاه هستند. یک سنسور دما و رطوبت (DHT11) برای سیستم انتخاب شده است. این حسگر یک ماژول کوچک است که دما و رطوبت دیجیتال را ارائه می‌دهد. علاوه بر این نصب آن آسان است و فقط به یک سیم برای سیگنال داده نیاز دارد. چنین سنسورهایی برای استفاده در برنامه‌های مختلف هواشناسی و سیستم‌های اتوماسیون محبوب هستند. سنسورDHT11 در این نمونه مطالعاتی به Raspberry Pi متصل است.

4. وب سرور و پایگاه داده (Web Sever and Database)

وب سرور سرویس داده‌ای است که از کنکشن با پروتکل HTTP استفاده می‌کند. کلاینت‌ها می‌توانند از طریق LAN یا اینترنت از هرجایی به وب‌سرور متصل شوند. کشاورزان می‌توانند از هر مکان به سیستم متصل شوند تا بتوانند داده‌ها را مشاهده کنند. Raspberry Pi به عنوان سرور وب کار می‌کند تا سایر دستگاه‌ها بتوانند از طریق مرورگر وب در رایانه، تلفن یا تبلت به داده‌ها دسترسی پیدا کنند. از وب سرور برای اتصال به سیستم و مشاهده داده‌ها استفاده می‌شود.

5. اپلیکیشن (Application)

سیستم می‌تواند به اینترنت متصل شود، بنابراین دستگاه‌هایی مانند رایانه، تلفن‌های هوشمند و تبلت‌ها می‌توانند به سیستم دسترسی پیدا کنند. نصب برنامه‌های اضافی برای نمایش داده‌ها ضروری است. در توسعه برنامه، از سه زبان استفاده می شود:

  • HTML، (زبان علامت گذاری متن)؛
  • پایتون؛
  • جاوا اسکریپت.

هر زبان عملکرد متفاوتی دارد. HTML به عنوان هسته اصلی نمایشگر عمل می‌کند؛ در حالی که پایتون برای انتقال داده‌ها به پایگاه داده متصل می شود. جاوا اسکریپت با استفاده از ماژول CanvasJS که انعطاف‌پذیر و قابل تنظیم است، به صورت نمودار نمایش داده می شود. در مراحل بعدی یک سری دستور برای اجرای Raspberry Pi با نصب DHT 11 Library نوشته می‌شود.

نتایج این مطالعه نمونه کشاورزی هوشمند

این سیستم برای نظارت بر دما و رطوبت ایجاد شده است. داده ها از طریق مرورگر وب نمایش داده می‌شود و این سیستم می‌تواند داده ها را ذخیره کند. نتایج نشان می‌دهد که این نمونه در مزرعه‌های توسعه یافته آزمایش شده است و می‌تواند علاوه بر نمایش داده‌ها، عملکرد خوبی داشته باشد و داده ها را نیز ذخیره کند. این سیستم نمونه اولیه می‌تواند در آینده به سطح صنعتی توسعه پیدا کند و برای مدت زمان بیشتری کار کند تا بتواند در طول زندگی یک گیاه اطلاعات مفیدی در اختیاز کشاورزان قرار دهد.

سیستم‌هایی که در آینده ساخته می‌شوند، می‌توانند آمار رشد گیاهان را اندازه‌گیری کنند. این سیستم در یک کشور که کشاورزی در آن اهمیت زیادی داشته است، انجام شده است و نتایج مفید بوده‌اند. پس می‌توان گفت که تهیه نمونه اولیه سیستم مزرعه هوشمند برای کشاورزان محلی تولید برنج تایلند ضروری است.

در ابتدای مقاله گفتیم که هدف از انجام این تحقیق، طراحی نمونه اولیه یک مزرعه هوشمند با استفاده از سنسورها برای اندازه‌گیری دما و رطوبت به وسیله اینترنت اشیا (IoT) است. در کل نتایج نشان می‌دهد که این سیستم بخشی از سیستم کنترل خودکار آب و برای یک مزرعه هوشمند بسیار مهم است. زیرا رطوبت می‌تواند روی رشد محصولات تأثیر مستقیم بگذارد. این سیستم در حین کار پایدار است و می‌تواند بدون توقف ناگهانی به طور مداوم کار کند. دستگاه‌های سخت‌افزاری می‌توانند به خوبی با Raspberry Pi همکاری کنند و سنسور DHT22 بدون گرم شدن بیش از حد به صورت کاملا دقیق کار می‌کند.

نتایج عددی مطالعه نمونه 

نرم‌افزار و برنامه اینترنتی این سیستم برای نمایش مداوم و بدون مشکل اطلاعات در قسمت crop و ذخیره داده‌ها طراحی شده‌اند. نتایج دما را بین 32 درجه تا 35 درجه سانتیگراد و میانگین رطوبت را 43-58% نشان می‌دهد. بهتر است این سیستم اولیه به دفعات آزمایش شود تا پایداری، اعتبار سخت‌افزار و نرم‌افزار بررسی شود و امکان گسترش سیستم در مقیاس وسیع فراهم شود.

علاوه بر این سیستم موردنظر می‌تواند در مناطقی که اینترنت پایدار وجود ندارد نیست، عملکرد موثری داشته باشد؛ زیرا داده‌ها روی کارت SD در Raspberry Pi ذخیره می‌شوند. داده‌های جمع‌آوری شده با استفاده از یادگیری ماشین یا داده‌کاوی برای پیش‌بینی عملکرد سیستم برای کارهای آینده پردازش می‌شوند.

در نهایت به این نتیجه می‌رسیم که یک مزرعه هوشمند نقش عمده‌ای در بهبود تولید دارد و کشاورزی سنتی را به کشاورزی مدرن تبدیل می‌کند. فناوری اینترنت اشیا از چند جهت فاکتور مهمی برای بهبود کشاورزی سنتی محسوب می‌شود و مدیریت مزرعه را راحت‌تر می‌کند.

کشاورزی هوشمند اقلیم (CSA) چیست؟

کشاورزی هوشمند اقلیم رویکردی است که به کشاورزان کمک می‌کند تا خود را با تغییر شرایط آب و هوایی سازگار کنند و در نهایت انتشار گازهای گلخانه‌ای (GHG) را کاهش دهند. رویکرد CSA سه رکن اصلی زیر را دنبال می‌کند:

  • افزایش پایدار بهره‌وری کشاورزی و بهبود درآمد کشاورزان؛
  • ایجاد انعطاف‌پذیری و سازگاری با تغییرات اقلیمی؛
  • کاهش یا حذف انتشار گازهای گلخانه‌ای.

مطالعات موردی که در این زمینه انجام شده است نشان می‌دهد که مدیریت مزارع، محصولات، دام و آبزی‌پروری نیازهای کوتاه‌مدت و بلند‌مدت امنیت غذایی را متعادل می‌کند. همچنین باعث سازگاری با تغییرات آب و هوایی می‌شود و نقش زیادی در کاهش GHG دارد. این مطالعات نشان می‌دهد که خدمات ارائه شده به کشاورزان، صیادان و مدیران زمین‌های کشاورزی معمولا راضی بوده‌اند.

در این بین روش کشاورزی هوشمند اقلیم (Climate-Smart Agriculture) روشی است که بر کشاورز، ماهیگیر یا دامدار تمرکز می‌کند و به دنبال بهبود بهره‌وری و درآمد کشاورز است. در ادامه با این موضوع بیشتر آشنا می‌شویم و چند مورد از مطالعات موردی که از این روش استفاده کرده‌اند را بیان می‌کنیم.

چرا از کشاورزی هوشمند به اقلیم استفاده می‌کنیم؟

بیش از سه چهارم مردم فقیر جهان در مناطق روستایی زندگی می‌کنند و بسیاری از آنها برای امرار معاش خود به کشاورزی وابسته هستند. پیش‌بینی می‌شود که تغییرات آب و هوایی بیشترین آسیب را به کشورهای در حال توسعه وارد کند. این تغییرات اثراتی مانند دمای بالاتر، تغییر در الگوی بارندگی، افزایش سطح دریا و حوادث شدید آب و هوایی است. کشاورزی در كشورهای در حال توسعه تقریبا 22% از تأثیرات اقتصادی ناشی از خطرات و بلایای طبیعی در مقیاس متوسط ​​یا بزرگ را جذب می‌كنند.

مطالعات موردی انجام شده نشان می‌دهد که کشاورزی با رویکرد CSA برای مقابله با این تهدیدها در آینده مجهزتر می‌شود. نتایج موفقیت‌آمیز پروژه‌های موجود، کشاورزان‌، سیاست‌گذاران ملی، سازمان‌های بین المللی و … را به استفاده از CSA ترغیب می‌کند. این مطالعات در موقعیت‌های جغرافیایی مختلفی مانند آفریقا، آسیا، آسیای مرکزی، اروپا، آمریکای لاتین، جزایر کارائیب و آفریقای شمالی و شرقی انجام شده است.

مطالعات کشاورزی هوشمند در مناطق محروم و در حال توسعه

کشاورزی هوشمند

یکی از مطالعات در کشور Burundi در آفریقا انجام شده است. این کشور در منطقه گرم و خشکی قرار دارد و احتمالا گرم‌تر هم خواهد شد. البته در فصول بارندگی با بارش بالایی روبه‌رو است. بنابراین صنعت کشاورزی باید خود را با این تغییر اوضاع وفق دهد و در دمای بالاتر و در زمینی که بارندگی شدید آن را از بین می‌برد، غذا تولید کند. این پروژه از سال 2010 تا 2014 و در حوضه رودخانه کاگرا – مشترک بین بوروندی، رواندا، اوگاندا و جمهوری متحد تانزانیا –  انجام شد.

در این پروژه زمین‌های خشک تخریب شد و از رویکردها و فناوری‌های حفاظتی برای انجام اقدامات کشاورزی، زیست محیطی و مقابله با مسائل حاکمیتی در منطقه استفاده شد. یک تیم مجهز نقشه‌ها را تهیه کردند و اطلاعات برای تجزیه و تحلیل پوشش گیاهی، تنوع زیستی و کیفیت آب جمع‌آوری شد. نتایج حاصل از این تجزیه و تحلیل باعث شناسایی مناطق اصلی برای تولید آب و هوای هوشمند و مدیریت پایدار زمین (SLM) شد.

همچنین پروژه‌های مختلفی در زامبیا، نیجریه، فیلیپین، بنگلادش، بالکان غربی، قرقیزستان و آمریکای مرکزی انجام شده است. کار روی این مناطق به تولید مناطق آماده کشت، افزایش بازدهی تولید و استفاده بهینه از آب منطقه منجر شده است.

نکات کلیدی 

  • کشاورزی هوشمند شامل استفاده از اینترنت و تجهیزات ویژه و پیشرفته برای افزایش محصولات تولیدی و کاهش خطرات زیست‌محیطی و مصرف آب و انرژی است.
  • مزرعه هوشمند موضوعی جهانی با کاربردهای بالقوه به عنوان راه‌حلی برای مشکلاتی مانند افزایش تقاضا برای غذا، کمبود نیروی کار، ناتوانی کشاورزان و همچنین گسترش محصولات پیشرفته کشاورزی است.
  • مطالعات عملی در سرتاسر جهان نشان‌دهنده تاثیر این تکنولوژی در افزایش بازده و تولید محصولات گیاهی است.