اینترنت اشیاء؛ از کشاورزی هوشمند تا بستر آب اقیانوسها
اینترنت اشیا، فقط مربوط به وسایلی نیست که به شبکه اینترنت متصل هستند. فناوری های مربوط به اینترنت اشیاء امکان جمع آوری و هماهنگ کردن داده ها را فراهم می کند و به کشاورز و تعاونی های کشاورزی، امکان می دهد از مزایای اقتصاد در مقیاس بزرگ بهره ببرند بی آنکه مجبور شوند شرکت های بزرگ تأسیس کنند. هدف طرحی اروپایی موسوم به «اینترنت محصولات کشاورزی و مزارع» هم همین است.
اتصال به اینترنت بسیار مهم است. جمعیت دنیا رو به افزایش است و کشاورزان برای تأمین غذای دنیا نیاز دارند بازدهی کارشان را بیشتر کنند. اتصال به اینترنت می تواند آینده دامپروری را متحول کند و با کمک این قلاده های مجهز به حسگر که به گردن گاوها وصل می شود، می توان بیماری های آنها را خیلی زودتر از قبل تشخیص داد. این حسگرها بخشی از طرح اروپایی موسوم به «اینترت محصولات کشاورزی و مزارع سال ۲۰۲۰» است.
قلاده هایی برای کنترل وضعیت سلامت گاوها
برایان صاحب دامپروری با ۴۰۰ گاو و ۱۶۰ گاو شیرده است. اوروی تلفن هوشمندش پیامی از کامپیوتر مزرعه دریافت می کند: «یکی از گاوها آماده تلقیح است». خیلی مهم است که این لحظه از دست نرود. قلاده هایی به گردن گاوهای دامپروری برایان بسته شده است.
قلاده های مجهز به ابزارهای الکترونیک از جمله شتاب سنج است. عضلات گردن گاو موقع خوردن حرکت می کند. حسگرهای موجود در قلاده این حرکات را ثبت می کند.
داده ها را به شبکه وای فای (بی سیم) محلی می فرستد. عمر باتری این قلاده ها به هفت سال هم می رسد و در این مدت نیازی به تعویض یا شارژ ندارند. این حسگرها میزان خوراک و نشخوار گاو را اندازه گیری می کند.
برایان ویتراپ می گوید: «قلاده نشان می دهد که میانگین زمان غذا خوردن گاو یا زمان نشخوار گاو و یا فعالیت متوسط گاو کمتر شده است. هر کدام از اینها می تواند نشانه این باشد که گاو مریض است یا در مرحله آغاز بیماری است و مزیت اصلی این قلاده ها همین است که می توانند مشکل را پیش از آنکه جدی شود دریابند.»
ایده دیگر این فناوری ردگیری محل گاوها هنگام چرای آزادنه است. این روشِ چرا در صنعت دامپروری مرسوم است ردگیری محل گاوها می تواند بازدهی تلقیح مصنوعی را بهتر کند.
ایوان آندونویک محقق سیستمهای ارتباطی از استرثکلاید در شهر گلاسکو می گوید: «تحولی که طی ده سال گذشته رخ داده این است که توان پردازش ارزانتر شده، انرژی که صرف پردازش داده ها می شود کمتر شده، و عملکرد و شکل و اندازه ابزارها به صورتی در آمده است که می توان با آنها کار کرد.»
روبات های شیردوش، گاوها را هنگامی که گاو می خواهد می دوشند. روبات گاو را با ابزارهای الکترونیک که روی بدن گاو قرار می گیرد، می شناسد. کشاورز بر اساس مقدار علوفه ای که گاو خورده است می داند که گاو چقدر شیر تولید کرده است. با کمک این قلاده ها می توان بیماری های گاو را خیلی زودتر از قبل تشخیص داد.
در بریتانیا ۲۴ مزرعه تبدیل به شبکه واحدی شده اند که در آن نوآوری های مختلف این طرح اروپایی به آزمایش گذاشته می شود.
فردی رید، مدیر این طرح و از مرکز نوآوری مهندسی کشاورزی دقیق می گوید: «در مرحله اول باید گستردگی مشکلات معلوم شود و از تمام مزارع داده گرد آوری شود تا بدانیم در مزرعه چه می گذرد و بتوانیم عواملی را که باعث کاهش بازدهی می شوند شناسایی کنیم. علتها را که بدانیم مسئله ای داریم که باید راه حلش را پیدا کنیم.»
همکاری با کاربرها یعنی دامپرورانی مثل برایان مهمترین بخش این فرایند است. برایان از شش ماه پیش از این فناوری ها در مزرعه اش استفاده می کند. از آن زمان، میزان تولید را ۲۰ درصد بیشتر و وضعیت سلامت گاوها هم بهتر شده است.
ایوان آندونویک محقق سیستمهای ارتباطی از استرثکلاید در شهر گلاسکو می گوید:«این فناوری ها وقتی تأثیر واقعی خواهد داشت و زندگی برایان و همکارانش را ساده تر خواهد کرد که بتوانیم پایگاه داده های واحد و منسجمی داشته باشید که داده های ورودی از سیستم قلاده ها و خروجی از سیستم روبات ها را دریافت کند و شما بتوانید جریان داده ها از ورودی به خروجی را هماهنگ کنید.»
استفاده از فناوری حسگرها برای مدیریت کاشت میوه و تره بار
محققان این طرح اروپایی برای کشاورزی هوشمند تازه ترین فناوری ها را گلخانه های واقع در آلمریا در اسپانیا هم آزمایش می کنند. این گلخانه ها مزارع خانوادگی تقریباً ۱۵۰۰۰ خانواده و ۹۹ درصد آنها مجهز به فناوری های اتوماسیون مثل آبیاری قطره ای است. آزمایشگاه به دنبال یافتن راه هایی است تا مصرف آب و کود و مدیریت یکپارچه آفت زدایی و طراحی گلخانه بهتر شود.
دانش جدید به سرعت بین کشاورزان منتشر می شود و کشاورزان به سرعت نوآوری هایی را که به نظر مفید می رسد به اجرا در می آورند. با استفاده از حسگرها و اتوماسیون بازدهی تولید بین ۱۰ تا ۳۰ درصد افزایش یافته است.
حسگرها رطوبت و رسانایی الکتریکی خاک، وزن گیاه و بستر خاک، پارامترهای اقلیمی، ترکیب هوا و پارامترهای دیگر را اندازه می گیرند. این داده ها از راه وای فای یا 3G به ابر محاسباتی فرستاده می شود و کاربر می تواند از طریق شبکه اینترنت به آنها دسترسی پیدا کند.
مانوئل برنگوئل، استاد رشته مهندسی سیستم از دانشگاه «آلمریا» می گوید: «تلاش ما این است که دسترسی به داده هایی را که منشا آنها متفاوت است و با پروتکل های مختلف ثبت می شود، آسان کنیم و پایگاهی برای این داده ها در ابر محاسباتی به وجود بیاوریم تا بتوان بعداً با استفاده از هوش مصنوعی و فناوری های داده پردازی در مقیاس بزرگ، از این داده ها نتایج مشخصی بیرون کشید که برای تمام این ناحیه مفید باشد و کشاورزان بتوانند کیفیت عملکردشان را بهتر کنند.»
سینتیا جیانوکووا، رییس اتحادیه تولیدکنندگان میوه و تربار منطقه آلمریا می گوید: «می توان اطلاعاتی را که از اینترنت اشیا و همه این حسگرها به دست می آید، در سطوح مختلف متمرکز کرد و به تعاونی های کشاورزی فرستاد. این تعاونی ها بر اساس این داده ها خیلی بهتر می فهمند که فرایند های تولیدشان چقدر مؤثر است، بازدهی تولید و مصرف آب و ساعت کار که صرف تولید می شود در چه حد است. با استفاده از اطلاعات، بازار تعاونی ها می توانند دریابند که نوع محصولی که تولید می کنند چقدر خواستار دارد و خیلی چیزهای دیگر.»
کریستوبال فریتس یکی از مسئولان تعاونی کشاورزی موسوم به «کاسی» در اسپانیا می گوید: «شکی نیست که دسترسی به چنین فناوری هایی توان رقابت ما را افزایش می دهد این تأسیسات احتمالاً پیشرفته ترین تأسیسات از نوع خود در اروپاست و همانطور که می بینید تعداد کارگران خیلی کم است. فرایند های گزینشی که به دست انسان انجام می گیرد و هزینه بر و پیچیده هستند، به حداقل رسانده شده است.»
مرکزی که گوجه فرنگی ها را جدا و طبقه بندی می کند به صورت خطی کار می کند و تا زمانی که کار با یک محموله تمام نشده است کار با محموله بعدی را آغاز نمی کند. به این ترتیب معلوم است که هر جعبه گوجه فرنگی از کدام مزرعه آمده است و تحت چه شرایطی تولید شده است.
خورخه سانچز مولینا ، محقق کنترل سیستم از دانشگاه آلمریا می گوید: «فایده کار ما این است که همه این داده ها را با یک استاندارد مشخص ثبت می کنیم و شرکت های مختلف و فناوری ها مختلف می توانند با استفاده از این داده ها توانند به مشتریان مختلف در سرتاسر زنجیره تولید، خدمات بهتری ارائه دهند. کشاورز می تواند اطلاعات مربوط به محصولاتی را که به بازار فرستاده است دریافت کند و شرکت ها اطلاعات مربوط به محصولاتی را که دریافت کرده اند. مصرف کننده هم به اطلاعات مربوط به سرتاسر زنجیره تولید دسترسی دارد: گوجه فرنگی از چه نوع است و تا رسیدن به دست مصرف کننده چه مراحلی را طی کرده است.»
حسگرهای تجزیه و تحلیل آلاینده های آب
حسگرها کاربردهای دیگری مهم دارد. مثلا می توان آنها در بستر اقیانوسها و زیر آب بکار برد. محققان اروپایی طرحی موسوم به «حسگرهایی برای اقیانوسها» در جنوب انگلستان فناوری حسگرها برای تجزیه و تحلیل شیمیایی آب را امتحان می کنند.
زباله های مناطق شهری و مناطق روستایی اغلب وارد آب می شود. این زباله ها به اکوسیستم زیر آب آسیب می رساند. اما غلظت این مواد در آب در طول روز تغییر می کند. تغییرات را در زمان واقعی نمی توان در آزمایشگاههای ساحلی اندازه گیری کرد، راه حل این است که آزمایشگاه به زیر آب برود. در اینجا هم دانشمندان اروپایی از فناوری حسگرها استفاده می کنند
الکس بیتون، محقق از مرکز ملی اقیانوس شناسی دانشگاه ساوت همپتون در انگلستان می گوید: «با حسگر می توان اطلاعات بیشتری ثبت کرد چون نیاز به نمونه برداری نیست و نمونه را برای آنالیز به آزمایشگاه آورد؛ حسگر مدت طولانی در محل اندازه گیری می ماند و می تواند هر ۱۵ دقیقه اندازه گیریش را انجام دهد. به این ترتیب مجموعه های بزرگ داده در فواصل زمانی کوتاه به دست می آید که به ما امکان می دهد از تغییراتی آگاه شویم که با نمونه برداری دوره ای دیده نمی شود.»
کابر غیر متخصص می توانند از این حسگر استفاده کنند
این حسگرها کاربرد عام دارند و برای کاربرهای غیرمتخصص هم قابل استفاده است. می توان آن را پشت خانه، در دریاچه یا نهر کار گذاشت و داده های واقعی را دریافت کرد. این حسگرها سیستم جمع و جور و ارزانی است که چند آزمایش مختلف را با هم ادغام می کند. در واقع یک نوع «آزمایشگاه روی تراشه» (Lab-on-a-chip) است.
داف کونلی، استاد شیمی دریایی از مرکز ملی اقیانوس شناسی دانشگاه ساوت همپتون در انگلستان و مسئول هماهنگ کننده این طرح اروپایی می گوید: «حسگرها را با هم ترکیب کرده ایم. هر کدام را جداگانه ساختیم اما بعد ترکیبشان کردم تا حسگری چندپارامتری بسازیم و بتوانیم میزان غلظت مواد غذایی، دما، pH، و غلظت نمک را همزمان اندازه بگیریم. به این ترتیب از آنچه در محیط زیست رخ می دهد تصویر کاملتری به دست می آید.»
اساس این «آزمایشگاه روی تراشه» صفحه پلاستیکی است که در آن مسیرهایی برای عبور آب و بررسی واکنش مایع ثبت شده است. حسگرهای اپتیکی تغییر رنگ آب را که در اثر حضور برخی از مواد ایجاد می شود، نشان می دهد.
الکس بیتون، محقق از مرکز ملی اقیانوس شناسی دانشگاه ساوت همپتون در انگلستان می گوید: «این سیستم طوری طراحی شده است که به بستر اقیانوس برود. تا کنون آنها را در عمق پنج هزار متری به کار گرفته ایم و باید بتوانیم تا شش هزار متر هم برویم چون در آزمایشگاه آنها را تحت فشار معادل با فشار در عمق شش هزار متری قرار داده ایم.»
محققان این طرح با شرکتهای تجاری برای ساخت مدلهای ارزانتر که در بازارهای دیگر هم کاربرد داشته باشد، همکاری می کنند. بهبود کارایی و ابعاد حسگرها هم از دیگر برای محققان مهم است. آنها با یک شرکت تجاری این فلوئورسنج را برای اندازه گیری هیدروکربن محلول در آب ساخته اند.
جان آتدریج، مهندس از «گروه فناوری های چلسا»، شرکتی است که با دانشمندان طرح اروپایی همکاری می کند. او می گوید: «یکی از هدفهای این پروژه این است که به طراحی مشترکی برای حسگرهای مختلف برسیم که در همه کاربردهای مختلف قابل استفاده باشد و تولید آنها را ساده تر کند.»
شرکت موسوم به «یونی سنس» وابسته به دانشگاه اورهوس در دانمارک برای کاربردهای مختلف پژوهشی در سرتاسر جهان حسگر می سازد. حسگرها در این شرکت با دست ساخته شود. نیاز به دقت زیادی هست. فرایند ساخت با این لوله شیشه ای ساده آغاز می شود که به دقت تغییر شکل داده می شود تا قطر آن بسیار کوچک شود، به ضخامت چند میکرون یعنی ده برابر نازکتر از ضخامت موی انسان.
راسموس الیزن، تکنیسین این شرکت می گوید: «هر هفته شاید بتوانیم بیست حسگر استاندارد درست کنم که درست هم کار کند. حسگر اکسیژن استاندارد است و ساختش آسانتر است.»
درون این محفظه شیشه ای مهندس ها نخ نازکی از جنس پلاتین کار می گذارند. مولکولهای اکسیژن از ورودی بسیار کوچک و غشای ویژه ای می گذرند و در واکنش با مفتولی از جنس پلاتین جریان خیلی ضعیفی تولید می کنند که حسگر می تواند آن را اندازه گیری کند. میکروحسگرها کاربردهای زیادی دارند از آنالیز خون گرفته تا اندازه گیری میزان آلاینده ها و گسیل گازهای گلخانه ای.
نیلس چیتر روسبک، محقق بیوشیمی از دانشگاه اورهوس می گوید: «در بسیاری از کاربردهای صنعتی تقاضای زیادی برای این حسگرها وجود دارد. مثال خوبش حسگر نیتروس اکسید است که با آن می توان مقدار گازی را که در تصفیه فاضلاب به کار می رود کنترل کرد. اصول ساخت حسگر تغییری نکرده است و ساختار درونیش در مقیاس ریز است اما حسگر را می توان محکمتر ومقاومتر کرد تا بتوان در تأسیسات تصفیه فاضلاب به کار برد. برای این کاربرد بازار بزرگی وجود دارد.»
حسگرها مقاومتر برای استفاده در تأسیسات تصفیه فاضلاب
برای گسترش کاربردهای این حسگرها باید دوام آنها را بیشتر کرد. طراحی روش های تولید انبوه هم در جریان است که به جای شیشه از پلاستیک استفاده شود تا مقاومت بیشتر و قیمت آنها از حسگرهای شیشه ای دست ساز کمتر شود. حسگرها ی شیشه ای دست با قیمت تلفن های هوشمند پیشرفته قابل مقایسه است.
سورن پورسگارد از شرکت «یونی سنس» می گوید: «ابعاد درونی دو حسگر یکی است و غشای آنها هم یک اندازه دارد و تعداد مولکول هایی که از غشا می گذرد در یک حد و اندازه است اما بیرون آنها به دو شکل بسیار متفاوت ساخته شده است. این تفاوت عمدتاً برای این است که حسگر محکم و مقاوم و با دوام باشد. البته این حسگر را می توان با هزینه کمتر از این حسگر شیشه ای تولید کرد چون این یکی دست ساز است.»
فناوری حسگرها تحولات زیادی را پشت سر گذاشته است. امروزه این فناوری کاربردهای گسترده ای دارد، از دامداریها و مزارع گرفته تا بستر اقیانوسها. حسگرها و فناوریهای مرتبط به ما کمک می کند به درک بهتری از پیچدگیهای جهان برسیم.