گلخانه هوشمند، دستاورد برتر دوره دوم دبیرستان کمال در بخش غرفه

دوازدهمین دوره از پروژه های دانش آموزی تبیان نیز با یاری خداوند و حضور پر شور شما دوستان و علاقمندان به پایان رسید.
در این دوره از جشنواره تعداد 126 گروه در بخش های سمینار های علمی، غرفه های نمایشگاهی و مسابقات به عنوان گروه های برتر، برگزیده و معرفی شدند.
بر آن شدیم تا با معرفی پروژه های گروه های برتر علاوه بر قدردانی از این دوستان نوآور، زمینه ای را برای ایده پروری سایر پژوهشگران علاقمند فراهم آوریم.
  
مقطع: دوره دوم متوسطه
موضوع: گلخانه هوشمند
نام مدرسه: مجتمع آموزشی غیردولتی کمال
نام استاد: آقای بابک شمس
دانش آموزان: مهیار سلامتی، ابوالفضل بصیری

چکیده:
با توجه به سیستم سنتی کشاورزی در ایران مصرف زمان، آب و انرژی برای کاشت و پرورش گیاه بالا و هزینه بر بوده و علاوه بر آن موجب هدر رفتن منابع طبیعی می شود. با توجه به تکنولوژی نوین می توان با استفاده از گلخانه، موارد فوق را کنترل نمود و نسل جدید کشاورزی را توسعه داد و در همه فصول تمام محصولات کشاورزی را پرورش داد. اما گلخانه های امروزی نیز مشکلاتی را به همراه دارند که از جمله این مشکلات می توان به مصرف آب زیاد، عدم دقت در کنترل شرایط محیطی گلخانه برای رشد گیاه، وجود خطای انسانی در محاسبه ی کاشت، داشت و برداشت گیاه اشاره نمود. با توجه به موارد ذکر شده و مشکلات گلخانه ها استفاده از سیستم نوین و هوشمند گلخانه می تواند جایگزین مناسبی برای گلخانه هایی با سیستم دستی باشد. این گلخانه هوشمند دارای مزایایی از جمله کنترل دقیق، خودکار و هوشمند شرایط محیطی گیاه مانند: دما، رطوبت خاک و هوا، نور محیط و... می باشد.

آبیاری دقیق و منظم گیاه با استفاده از سیستم آبیاری قطره ای هوشمند و خودکار، کاشت گیاه مورد نظر بدون نیاز به نیروی انسانی و تنها با گرفتن دستور از صاحب گلخانه با استفاده از نرم افزار تلفن همراه، پرورش صحیح گیاه به طور خودکار و از بین بردن علف های هرز بدون دخالت نیروی انسانی، هرس، چیدن و برداشت گیاه با تشخیص خودکار سیستم گلخانه هنگام ثمره دادن گیاه، استفاده حداقل انرژی، آب و زمان و استفاده از نیروی خورشیدی، جلوگیری از آسیب به گیاه از طریق آفت ها و حشرات و یا نگه داری نا مناسب و قابلیت بررسی سیستم توسط صاحب گلخانه از راه دور با استفاده از تلفن همراه می باشد. به طور کلی هدف اصلی طراحی و ساخت گلخانه هوشمند کاهش هزینه ها، افزایش بهره وری کمی و کیفی محصولات و استفاده بهینه تر از منابع طبیعی می باشد.

مقدمه:
به نظر می رسد انسان در آینده مجبور به تولید غذای بیشتر با انرژی کمتری خواهد بود زیرا بر اساس پیش بینی های صورت گرفته، جمعیت جهان تا سال ۲۰۴۰ حداقل به ۱۰ میلیارد نفر خواهد رسید. در این رابطه، استفاده از كشت متراكم و شیوه گلخانه می تواند به عنوان روش مناسب برای دستیابی به امنیت غذایی مطرح و یکی از روش های نوین و مناسب در رابطه با افزایش تولیدات کشاورزی متناسب با آهنگ رشد جمعیت باشد. از طرف دیگر، موفقیت و یا شکست بهره برداری از شرایط کشت گلخانه های در گروی استفاده صحیح از شرایط اقلیمی، سازه و ساختمان مناسب گلخانه، انتخاب گیاهان مناسب برای کشت، اطلاع از بذر و شرایط تکثیر گیاهان، استفاده مناسب از کود و سموم دفع آفات و نیز به کار بردن درست منابع مالی است. در این بین و با توجه به نکات گفته شده در گلخانه ها نیاز به سیستمی که هوشمند بوده و بتواند بصورت خودکار تمام نیازهای رشد گیاه را پاسخ دهد احساس می شود. سیستمی که بدون دخالت نیروی انسانی به صورت هوشمند و با استفاده از هوش مصنوعی بتواند به صورت خودکار و البته دقیق عمل نماید و باعث رشد و پرورش گیاه شود.

از گذشته تا به حال یکی از منابع تامین غذا برای انسان، گیاهان بودند. از طرفی هر گیاه در فصل خاصی رشد می کند و در فصل خاصی ثمره می دهند. اما انسان ها به برخی گیاهان در تمام فصل ها نیاز داشتند. گیاهانی مانند گوجه فرنگی، خیار، پیاز، سیب زمینی و... پس این کمبود باعث ساخت محفظه هایی برای رشد گیاه به نام گلخانه شد.

در گلخانه با تغییر دما می توانستند شرایط جوی فصل مورد نیاز برای رشد گیاه مورد نیاز را تامین کنند. سپس آن گیاه را در آن محفظه کاشته و آن را رشد دهند. این ایده برای بسیاری از کشاورزان مناسب و سودمند بود. هم چنین در طی طولانی مدت توسعه یافت و بهینه تر از قبل شد. اما هم چنان برای کشاورزان کاری بسیار دشوار است.

ایده ی این سیستم زمانی به ذهنمان رسید که زحمتی که کشاورزان روزانه برای رشد یک گیاه می کشند را دیدیم و به فکر افتادم تا گلخانه هایی با توانایی کاشت، رشد، تغذیه کامل گیاه به طور خودکار و هوشمندانه بسازیم تا علاوه بر کمتر شدن کار کشاورزان، بتوان گلخانه هایی برای مصارف خانگی (مانند کاشت سبزی) داشت که از خشک شدن گیاه به دلیل کم آبی یا آبیاری نامنظم یا بی آبی که به دلیل مسافرت های صاحب خانه اتفاق می افتد، جلو گیری کرد و در مصارف صنعتی، گیاهانی بسیار سالم تر داشت. هم چنین در مصرف آب، انرژی و زمان صرفه جویی کرده و از هدر دادن این منابع ارزشمند جلوگیری کنیم.

این گلخانه توانایی هایی دارد که آن را از گلخانه های امروزی متمایز می کند. برای مثال کنترل دما و یا رطوبت که به آبیاری مربوط می شود کاملا هوشمندانه و خودکار در زمان نیاز گیاه تامین شده و تنظیم می گردد و باعث می شود رشد گیاه با سرعت بیشتر بدون هدر رفتن انرژی و زمان، انجام شده و گیاه سالم تری ارائه دهد. حتی شرایط رشد گیاه های متنوع بیشتری را فراهم کند تا در فصل های مختلف سال بتوان همه نوع گیاهی بدون دشواری کاشت و برداشت کرد.

اهداف:
اهداف اصلی پروژه را می توان به شرح ذیل عنوان نمود.
کنترل کاشت، رشد، تغذیه و برداشت گیاه به طور هوشمند و خودکار بدون نیاز به کنترل انسانی و مطابق با نیاز های گیاه نهایت صرفه جویی در آب، زمان، و انرژی استفاده شده در کشاورزی گلخانه ای کاشت گیاهی سالم تر در زمان کمتر و از بین بردن خطاهای انسانی در کشاورزی جلوگیری از آسیب های سالانه کشاورزی وارده به گیاهان
 
 اهمیت و ضرورت طرح: 
با دقت به سیستم های کشاورزی کنونی می توان دید اکثر آن ها مصرف آب، زمان، و انرژی بالایی داشته و کشاورزان زحمت بسیار زیادی را برای کاشت گیاه کشیده و سختی زیادی را تحمل می کنند. این در حالی است که تمام این زحمات دارای خطاهایی است که گاهی موجب اختلال در رشد گیاه و چه بسا موجب خشک شدن گیاه می شود، همچنین در بعضی موارد  به دلیل نامساعد بودن آب و هوا گیاه خوب رشد نکرده و حتی از بین می رود. حال استفاده از این سیستم باعث نگه داری و رشد دقیق گیاه و تغذیه منظم آن می شود و می توان گفت بدون خطای انسانی و هدر دادن زمان، آب و انرژی کاشت، رشد و تغذیه گیاهان با استفاده از حسگر های گوناگون دقیق، هوشمندانه و کاملا خودکار انجام شده و دیگر در رشد و تغذیه گیاه اختلالی ایجاد نمی شود.

 
پیشینه پروژه :
 نمونه های پیشین این سیستم کاملا توسط انسان کنترل شده بوده و توانایی کنترل و رشد تغذیه خودکار را نداشته بودند و حتی در نمونه های گلخانه های هوشمند نیز تنها قابلیت تنظیم به حالتی دارد که دستگاه تنظیم شده، هر شنبه یا هر دوروز و یا هر گونه ی دیگر گیاه را آبیاری می کند. اما طرح گلخانه هوشمند توانایی کنترل دما و رطوبت هوا و خاک و تغذیه و رشد گیاه به صورت هوشمند بوده و به صورت خودکار تنظیم می شود. این بدان معنی است که سیستم دارای هوش مصنوعی بوده و توانایی تصمیم گیری در باره گیاه دارد و حتی در نسخه بعدی این سیستم قابلیت ارتباط با سیستم از طریق تلفن همراه و هم چنین مشاهده گیاهان در هر زمان و مکان و داشتن توانایی کاشت و هرس و برداشت خودکار گیاه است که این سیستم این قابلیت را دارد که می توان با ارسال دستور توسط تلفن همراه در آن بدون دخالت دست از هر مکان و در هر زمان گیاه را کاشته و تمامی اجزاء دیگر به صورت هوشمند کنترل شده و حتی نیاز به  هیچ انسانی برای برداشت و مراقبت از گیاه نبوده و زمانی که گیاه به حد نصاب رشد خودش رسید، سیستم آن را چیده و به تلفن همراه مالک گلخانه اطلاع می دهد. طبق بررسی ها و مطالعات انجام شده سیستم مذکور به صورتی ذکر شد دارای پشینه ای نمی باشد و از موارد مشابه خود به لحاظ عملکرد سیستمی تفاوت چشمگیری دارد.

 
روش پژوهش:
پژوهش حاضر از لحاظ هدف کاربردی می باشد. برای رسیدن به یافته های تحقیق از روش آزمایشگاهی استفاده شده است و بنا به اهمیت تحقیق از روش مصاحبه با افراد متخصص نیز استفاده شده و همچنین برای پی بردن به مسائل تئوری از روش کتابخانه ای نیز استفاده شده است.

 
اجزاء فنی پروژه:
در این قسمت از تحقیق قطعات و وسایل بکار رفته شده (بعد فیزکی) در پروژه به طور خلاصه شرح داده می شود. همچنین از لحاظ سیستمی و برنامه نویسی نیز از زبان بکار رفته شده توضیح مختصری ارائه می شود.


ابزار استفاده شده :
برد آردوینو (Arduino) 
برد آردوینو نقش مغزی را  دارد که تمام تصمیمات و دستورات را می دهد و می توان گفت عضو اصلی بوده و داده ها تماما در این ماژول پردازش می شوند.

ریگولاتور  (regulator)
این ماژول برای تبدیل ولتاژ بالای برق با ولتاژ های پایین تر استفاده می شود.

 ماژول دما سنج:
این ماژول برای تشخیص دما و رطوبت هوا استفاده می شود.
رطوبت خاک :
این ماژول هم جهت تشخیص رطوبت خاک به کار گرفته می شود.
موتور ها و سنسور الترا سونیک:
موتور های به کار رفته در این سیستم به دو بخش تقسیم می شوند. موتور های استپر برای تیغه های کاشت و برداشت و موتور فن و هیتر و سنسور الترا سونیک برای تشخیص رشد گیاه.

ال ای دی :
ال ای دی های پر قدرت جهت تولید نور مصنوعی برای گیاه می باشند.
قطعات بسیار زیاد دیگر و مهم در این سیستم به کار گرفته شده است. همچنین در موارد نرم افزاری و برنامه نویسی این سیستم  از زبان C و  Arduino  استفاده شده است و با دقت بسیار بالا و ضریب خطای بسیار پایین کار می کند. شیوه کار این سیستم با استفاده از برقراری ارتباط محیط با کامپیوتر مرکزی صورت می گیرد. یعنی با استفاده از حسگر ها داده را به کامپیوتر مرکزی ارسال و کامپیوتر بعد از تصمیم گیری و پردازش دستور را به عملگرها می دهد تا شرایط بهتری برای رشد و تغذیه گیاه فراهم شود. این سیستم با استفاده از فن و هیتر دمای محیط را  مطلوب و آبیاری با استفاده از پمپ در نوع خانگی و شیر های الکترونیک در انواع صنعتی این سیستم صورت می گیرد و برای کاشت و برداشت و هرس گیاه از موتور های استپر و تیغه های مخصوص استفاده خواهد شد تا درکوتاه ترین زمان ممکن بهترین عمل صورت گیرد.

منابع:
1.       . Conforti, P. and M. Ciampietro. 1997. Fossil energy use in agriculture: An international comparison. Agric. Ecosys. Environ. 65: 231-243.
2.       Tasdighi, M. 1985. Agriculture from house garden to industrial agriculture. First Edition, Golestan Press, 316 p. (Translated in Persian).
3.       نظام گلخانه ای كشور. ١٣٨٧.ضوابط و دستورالعمل و مقررات اجرایی گلخانه ها. معاونت نظارت راهبـردی رئـیس جمهـور، دفتـر نظام فنی و اجرایی، نشریه شماره ٤٧٢.
 
برای مشاهده مجموعه فایل های ضمیمه اینجا کلیک کنید.
  
بخش پژوهش های دانش آموزی تبیان
تهیه: نگار تجملیان-  تنظیم: نسرین صادقی