خلاصةيعتمد تطوير الزراعة المحمية الحديثة بشكل أساسي على نظام التشغيل والصيانة الذكي. ويرتبط هذا التطوير ارتباطًا وثيقًا بالكفاءة الشاملة لعمليات البيوت المحمية، كما أنه يمثل نقلة نوعية في الزراعة المحمية، مما يُسهم في نشره وتطويره بشكل معمق. تتناول هذه الورقة البحثية تطبيق نظام التشغيل والصيانة الذكي في قاعدة زراعية محمية بمدينة تشينغداو، وتحلل أثر هذا التطبيق، وتقيّم مدى أهميته في نشره، وذلك بهدف توفير مرجع معلوماتي للمختصين في هذا المجال، وتوسيع نطاق الدراسات المعمقة للأنظمة ذات الصلة، وبالتالي الارتقاء بالمستوى التقني والذكي للزراعة المحمية.

الكلمات المفتاحيةنظام التشغيل والصيانة الذكي؛ الزراعة في المنشآت؛ التطبيق

مع التطور السريع الذي تشهده الصين، لم تعد أساليب الإنتاج الزراعي التقليدية قادرة على تلبية متطلبات المجتمع من حيث جودة وكمية المنتجات الزراعية. وقد شهدت الزراعة الحديثة في المحميات، التي تتميز بإنتاجيتها العالية وكفاءتها وجودتها الفائقة، نموًا سريعًا في السنوات الأخيرة، مما يُظهر إمكانات سوقية هائلة. ومع ذلك، بالمقارنة مع الدول أو المناطق الزراعية المتقدمة في العالم، لا يزال مستوى تكنولوجيا الزراعة في المحميات في الصين متأخرًا بشكل ملحوظ، لا سيما في تطبيق أنظمة التشغيل والصيانة الذكية الزراعية القائمة على إنترنت الأشياء، مثل أجهزة الاستشعار الزراعية وأنظمة الذكاء الاصطناعي السحابية، حيث تتطلب الرقمنة تحسينًا عاجلًا.

1. نظام التشغيل والصيانة الذكي للزراعة

1.1 تعريف النظام

يُعدّ نظام التشغيل والصيانة الذكي للزراعة تقنيةً ناشئةً تُدمج بشكلٍ عميقٍ تقنية إنترنت الأشياء، وتقنية الإدارة الذكية، ومختلف العمليات الزراعية كالزراعة والتخزين والمعالجة والنقل والتتبع والاستهلاك. ومن خلال دمج "النظام + الأجهزة"، يستخدم نظام التشغيل والصيانة الذكي للزراعة التقنيات الرئيسية لإنترنت الأشياء، مثل تقنية الاستشعار، وتقنية الإرسال، وتقنية المعالجة، والتقنيات العامة، لحلّ المشكلات التفاعلية المتعددة بشكلٍ شامل، مثل تحديد هوية الأفراد الزراعيين، والوعي الظرفي، وربط المعدات غير المتجانسة، ومعالجة البيانات غير المتجانسة متعددة المصادر، واكتشاف المعرفة، ودعم اتخاذ القرارات.

1.2 المسار التقني

عادةً ما يتألف هيكل نظام الإدارة الزراعية بشكل أساسي من الإدراك والشبكة والمنصة. وعلى هذا الأساس، يمكن للمؤسسات إضافة طبقات منطقية أخرى وفقًا لأنواع الزراعة واحتياجات العمل. يوضح الشكل 1 بنية نظام التشغيل والصيانة الذكي للزراعة.

من أجل تلبية احتياجات التشغيل والصيانة الذكية للزراعة في المنشآت، يمكن تخصيص أجهزة الاستشعار مثل مستشعر درجة الحرارة والرطوبة، ومستشعر ثاني أكسيد الكربون، ومستشعر الإضاءة، ومستشعر التيار، ومستشعر تدفق المياه، ومستشعر تدفق ثاني أكسيد الكربون، ومستشعر تدفق الغاز الطبيعي، ومستشعر ضغط الوزن، ومستشعر التوصيل الكهربائي، ومستشعر الرقم الهيدروجيني، ويمكن للشركات ذات الطلب الكبير البحث والتطوير في مجال أجهزة الاستشعار، والتعامل مع بروتوكول نقل البيانات الأساسي لضمان النقل المستقر للبيانات والتقاطها.

1.3 أهمية التنمية

يستخدم نظام التشغيل والصيانة الذكي تقنيات الاستشعار الذكية، وتقنيات نقل المعلومات، وتقنيات المعالجة الذكية عبر إنترنت الأشياء الزراعي، لإجراء مراقبة فورية وتحكم عن بُعد في جميع مراحل الأنشطة الزراعية، مما يعزز التحول الرقمي الذكي للإنتاج الزراعي وإدارته واتخاذ القرارات الاستراتيجية، ويحقق كفاءة عالية، وتكثيفًا، وتوسيعًا، وتوحيدًا للإنتاج الزراعي. وبذلك، يتم تحقيق الربط الرأسي بين جميع مراحل إنتاج المحاصيل، والربط الأفقي بين جميع مراحل سلسلة الصناعة الزراعية بأكملها. كما يُسهم هذا النظام في إنشاء بيئة اقتصادية دائرية تشمل نظامًا لتقنيات الزراعة، ومنصة ذكاء زراعي، ومنصة لسلامة الغذاء الزراعي، ومنصة لتجارة المنتجات الزراعية، ونظامًا ماليًا جديدًا لسلسلة التوريد الزراعية، وسياحة زراعية مميزة، وزراعة وتربية تكميلية (الشكل 2).

 

2.رصد المعلومات المتعلقة بتكامل المياه والأسمدة

2.1 مبدأ النظام

يقوم النظام بتطبيق آلية تغذية راجعة سلبية على نظام الري والتسميد من خلال رصد محتوى الماء، والتوصيل الكهربائي، ودرجة الحموضة، وغيرها من القيم في نخالة جوز الهند، مما يساهم بشكل كبير في توجيه الري بدقة. وبناءً على خصائص بيئات الزراعة المختلفة، ومن خلال تحليل ودراسة خصائص وبنية النخالة، يتم تطوير نموذج تجريبي لتحديد توقيت الري، ونموذج لتحديد الحدين الأعلى والأدنى لضبط كمية الماء في النخالة. كما يتيح نظام جمع المعلومات المتكامل للمياه والتسميد التحكم في نموذج الري، مع إمكانية إجراء عمليات التحسين والتكرار بشكل مستمر خلال عمليات الإنتاج والصيانة.

2.2 تكوين النظام

يتكون النظام من جهاز تجميع مدخل السائل، وجهاز تجميع سائل الإرجاع، وجهاز مراقبة الركيزة في الوقت الفعلي، ووحدة اتصال. يتألف جهاز تجميع مدخل السائل من مستشعر درجة الحموضة، ومستشعر التوصيل الكهربائي، ومضخة مياه، ومقياس تدفق، وأجزاء أخرى. ويتألف جهاز تجميع سائل الإرجاع من مستشعر ضغط، ومستشعر درجة الحموضة، ومستشعر التوصيل الكهربائي، وأجزاء أخرى. أما جهاز مراقبة الركيزة في الوقت الفعلي فيتألف من صينية تجميع سائل الإرجاع، وشاشة ترشيح سائل الإرجاع، ومستشعر ضغط، ومستشعر درجة الحموضة، ومستشعر التوصيل الكهربائي، ومستشعر درجة الحرارة والرطوبة، وأجزاء أخرى. تتضمن وحدة الاتصال وحدتي LoRa، إحداهما في غرفة التحكم المركزية والأخرى في الدفيئة (الشكل 3). يوجد اتصال سلكي بين الحاسوب ووحدة الاتصال الموجودة في غرفة التحكم المركزية، واتصال لاسلكي بين وحدة الاتصال الموجودة في غرفة التحكم المركزية ووحدة الاتصال الموجودة في الدفيئة، واتصال سلكي بين وحدة الاتصال في الدفيئة والمرحل، ووحدة كشف الركيزة، ووحدة كشف سائل الإرجاع (الشكل 4).

2.3 آثار التطبيق

تُقارن هذه الدراسة تأثير نظام الريّ المُزوّد ​​بنظام ريّ مُغذّى بالماء والأسمدة، والمُزوّد ​​بنظام مراقبة، مع تأثير نظام الريّ المُقدّم من الموردين فقط. بالمقارنة مع النظام الأخير، يُقلّل نظام المراقبة هذا متوسط ​​كمية الريّ لكل نبتة طماطم بنسبة 8.7% يوميًا، ويُقلّل حجم السائل المُعاد بنسبة 18%، بينما تبقى قيمة التوصيل الكهربائي (EC) للسائل المُعاد ثابتة تقريبًا. يُشير هذا إلى أن المحاصيل تستخدم كمية أكبر من المحلول المغذي عند استخدام نظام المراقبة هذا للريّ، وفقًا لقانون امتصاص المحلول المغذي من قِبل المحاصيل. يُمكن لهذا النظام الذكي للريّ أن يُقلّل كمية الريّ بنسبة 29%، وحجم السائل المُعاد بنسبة 53% في المتوسط، مقارنةً بالريّ التقليدي المُحدّد بوقت (الشكلان 5 و6).

 

3. نظام التحكم البيئي القائم على إنترنت الأشياء

استجابةً لمتطلبات التحكم الدقيق في العُقد الطيفية الديناميكية واسعة النطاق في المصانع النباتية، تمّ إدخال تقنية إنترنت الأشياء المدمجة لحلّ مشكلات جمع البيانات من العُقد غير المتجانسة واسعة النطاق والتحكم الدقيق في بيئة الإضاءة في المصنع. يعتمد نظام التحكم الذكي بالإضاءة في المصنع النباتي على وحدات إضاءة LED ذكية كحامل، ويستخدم تقنية إنترنت الأشياء المدمجة للبيانات الضخمة WF-IOT لبناء شبكة طرفية لامركزية واسعة النطاق تدعم جمع البيانات ونقلها والتحكم بها. يمكن تجميع النظام بحرية وفقًا لمتطلبات الإنتاج، ويمكن تعديل شدة إضاءة وحدات إضاءة المصنع باستمرار في الوقت الفعلي وفقًا لظروف الإضاءة المختلفة واحتياجات نمو النبات، وذلك لتحقيق تحكم دقيق في شدة وكمية الإضاءة التكميلية (الشكل 7). من خلال الشبكة الطرفية، يمكن تحقيق الجمع والنقل الديناميكي لبيانات الاستشعار مثل بيانات البيئة والإضاءة، وفي الوقت نفسه، يمكن تحقيق المراقبة الآنية لاستهلاك الطاقة، ويمكن رصد استهلاك الطاقة للإضاءة التكميلية في كل منطقة نمو في الوقت الفعلي.

يحقق النظام إدارة دقيقة للنباتات من خلال جمع بيانات التحكم الداخلي والخارجي للبيوت الزجاجية، ويكمل تطوير منتج "نموذج إدارة النباتات". ويتم جمع بيانات مراقبة "نظام الطاقة" باستخدام أجهزة استشعار التيار وثاني أكسيد الكربون والغاز الطبيعي والماء. وباستخدام تقنية الرؤية الروبوتية، تتم مراقبة بيانات نمو المحصول والتعرف عليها من خلال بيانات لون الثمار وعددها وحجم ساقها والأوراق والسيقان وغيرها (الشكل 8).

4.القيمة الترويجية

يُعزز نظام التشغيل والصيانة الذكي للزراعة، مستفيدًا من مزايا منصة الإنترنت الصناعي، من خلال استثمار واحد واستخدامات متعددة للخدمات، مُطبقًا مفهوم المشاركة الذي يتبناه الإنترنت الصناعي، بناء إنترنت الأشياء في الزراعة المحمية بتكلفة منخفضة وكفاءة عالية، ويرفع مستوى ذكاء واستدامة هذه الزراعة. فعلى سبيل المثال، في مشروع طُبّق فيه هذا النظام في مدينة لايشي بمقاطعة تشينغداو، بلغت نسبة الاستخدام الأمثل للأسمدة أكثر من 90%، أي ثلاثة أضعاف النسبة في الزراعة التقليدية. ولا ينتج عن هذا النظام أي تصريف لمياه الصرف، مما يوفر 95% من المياه مقارنةً بالزراعة الحقلية، ويقلل من تلوث التربة بالأسمدة. ومن خلال رصد ثاني أكسيد الكربون في البيوت المحمية بواسطة هذا النظام، يتم تحليل العوامل البيئية، كدرجة الحرارة والإضاءة، داخل وخارج البيوت المحمية بشكل شامل، ويتم تنظيم إمداد ثاني أكسيد الكربون في الوقت الفعلي، مما يلبي احتياجات النباتات ويمنع الهدر، ويعزز عملية التمثيل الضوئي للمحاصيل، ويسرع تراكم الكربوهيدرات، ويزيد الإنتاجية لكل وحدة مساحة، ويحسن جودة الخضراوات. لقد حقق نظام إدارة التشغيل والصيانة بأكمله التشغيل التلقائي لمرافق التحكم في بيئة الدفيئة، والتشغيل التلقائي والدقيق للمعدات التي تعمل في جميع الأحوال الجوية، مما أدى إلى خفض تكلفة الطاقة بنسبة 10% وتكلفة التشغيل اليدوي بنسبة 60%، وفي الوقت نفسه، يمكنه اتخاذ استجابات وقائية مثل إغلاق النافذة في المرة الأولى ضد الأحوال الجوية السيئة مثل الرياح القوية والأمطار والثلوج، مما يمنع بشكل فعال خسارة الدفيئة نفسها والمحاصيل الموجودة فيها في مواجهة سوء الأحوال الجوية المفاجئ.

5.خاتمة

لا يمكن فصل التطور الحديث للزراعة المحمية عن فوائد نظام الإدارة الزراعية الذكية. فالنظام الإداري المتكامل، الذي يتمتع بقدرات إدراكية وتحليلية وقرارية متطورة، هو وحده القادر على مواصلة مسيرة التحديث. يُسهم نظام الإدارة الزراعية الذكية بشكل كبير في الحد من أوجه القصور في الإدارة التقليدية، ويعزز التحول الرقمي الذكي للإنتاج الزراعي وإدارته واتخاذ القرارات الاستراتيجية. ومع ازدياد المدخلات وتنوع استخدامات النظام، يصبح من الضروري تحديث نموذج بياناته وتطويره باستمرار، ليصبح أكثر ذكاءً، ويرفع مستوى ذكاء الزراعة المحمية الحديثة بشكل شامل.

نهاية

[معلومات الاقتباس]

المؤلفون الأصليون: شا بيفنغ، تشانغ تشنغ، وآخرون. مجلة هندسة وتكنولوجيا الزراعة في البيوت المحمية، 19 أبريل 2024، الساعة 10:47، بكين