اهمیت:
با بررسی شرایط موجود در کشور متوجه شدم که کشاورزان ما حتی مهم ترین عناصر اتوماسیون که شرایط محیطی (از جمله نور، دما ، رطوبت نسبی، غلظت دی اکسید کربن) می باشد ،را رعایت نمی کنند . با مقایسه تناژ کم محصولات داخل با گلخانه های خارج از کشور اهمیت شرایط محیطی و عوامل دیگری مثل تغذیه گیاه به خوبی روشن می شود. به عنوان مثال افزودن دی اکسید کربن تا غلظتppm 1600 به محیط گلخانه افزایش محصول گوجه فرنگی را تا 48 درصد خواهیم داشت.
بنا براین در این پروژه در مبحث اتوماسیون گلخانه ها ، کنترل شرایط محیطی را که در ایران به شدت نیاز می باشد برگزیدم.
عوامل تحت کنترل و وسایل مرتبط با آن:
سیستم خنک کننده ی فن و پد:این سیستم مانند کولرهای آبی هوای گلخانه را خنک می کند. اگر شکل 1 را در نظر بگیرید، در یک طرف گلخانه آب روی پدهای سلولزی می ریزد و هوای خنک وارد گلخانه می شود و در ضلع مقابل فن هایی وجود دارند که با مکش، هوای گرم ومرطوب را به بیرون میدمند.
دکل آب و هوایی بیرون گلخانه.
اندازه گیری و تزریق CO2 .
کنترل چرخش (جریان)هوا در گلخانه: تا این که رطوبت در اطراف گیاهان جمع نشود و هوای گرم بالای گلخانه به پایین، یعنی اطراف گیاهان، منتقل شود و از چکیدن رطوبت هوایی که در سقف کندانس شده ممانعت به عمل می آورد.
کنترل مه پاش.
دمای خاک .
پرده های محافظ حرارت و نور اضافی: محافظت حرارت در زمستان و جلوگیری از ورود نور اضافی در تابستان.
رطوبت و دما .
دریچه های تهویه .
آبیاری .
نور مصنوعی (معمولا با لامپ های سدیمی)

شکل 1

اهداف اتوماسیون در گلخانه ها

ایجاد شرایط بهینه ی رشد و کاهش هزینه های تولید:
کشت گلخانه ای نیاز به مراقبت دایمی دارد به طوری که حتی لحظه ای غفلت می تواند خسارت جبران ناپذیری وارد کند . بنا براین بدون داشتن اتوماسیون نیاز به کار شبانه روزی می باشد.
اتوماسیون می تواند تمامی تجهیزات گلخانه را شامل شود . کامپیوتر یک پل ارتباطی بین سنسورها و تجهیزات گلخانه ای است که امکان دسترسی به بهترین شرایط اقلیمی را درون گلخانه مهیا می سازد .
با استفاده از تعداد زیادی سنسور در بیرون ودرون گلخانه ، کامپیوترامکان ایجاد هر شرایطی را دارد.اطلاعات دایما جمع آوری و آنالیز می شوند.کنترل تعداد زیادی عملیات از قبیل تهویه ، گرمایش ، سرمایش ، آبیاری و تغذیه ، نور و رطوبت می تواند به صورت همزمان صورت بگیرد . با کاهش هزینه های کارگری ، کود ، آب ، انرژی و افزایش د قت در عملیات ، افزایش بازدهی را خواهیم داشت.به علاوه تمام مراحل در گلخانه می تواند در یک مکان ،مدیریت و تنظیم شود.
یک pc با یک نرم افزار اختصاصی گلخانه می تواند در مدیریت گلخانه بسیار مفید باشد به طوری که با ارتباط شبکه ای تا چهل واحد گلخانه ای هم قابل کنترل هستند.(7)
صرفه جویی در انرژی : به طور مثال اگر هوای با دمای بالاتر را که در بالای گلخانه قرار گرفته به سمت پایین هدایت کنیم به خاطر اختلاف دمای کمتر هوای داخل و بیرون ، شا ر گرمایی کاهش می یابد.
ایجاد فرصت برای دیگر کارها:
در اختیار داشتن زمان مناسب برای فعالیت های گلخانه و استفاده از افراد ماهر جهت بازرسی روزانه بسیار مهم تلقی می شود.
امکان گسترش مساحت گلخانه و صرفه ی اقتصادی :که گلخانه های بالای 4-5 هزار متر صرفه ی اقتصادی دارند .
مزایای کشت گلخانه ای
افزایش تولید در واحد سطح(کمینه 10 برابر فضای آزاد)
تولید بیش از یک محصول در سال(در مورد خیار 3 بار تولید در سال و در مورد گوجه فرنگی 2 بار تولید در سال)
افزایش کیفیت محصول تولیدی (کنترل بهتر آفات و بیماری ها با روش های کنترل بیولوژیکی و کاهش مصرف سموم که باعث افزایش کیفیت محصول و افزایش صادرات و حفظ محیط زیست می شود.)
صرفه جویی در مصرف آب (با آبیاری تحت فشار)
استفاده از اراضی غیر قابل کشت با استفاده از روش هیدروپونیک
عدم وابستگی تولید به شرایط محیطی و امکان بازاریابی مناسب و تنظیم برنامه ی کشت مطابق نیاز بازار
تداوم کار و تولید محصول در تمام فصل های سال
جلوگیری از مهاجرت روستاییان به شهر

چه نوع گلخانه هایی برای اتوماسیون مناسب هستند؟
در یک دسته بندی کلی ، گلخانه ها به دو نوع جوی – پشته ای و سلسله ای تقسیم می شوند.(شکل 2)
در گلخانه های سلسله ای از آنجایی که از چندین گلخانه ی مجزای کوچک تشکیل می شوند ،نمی توان به طور مناسبی از دستگاه های اتوماتیک استفاده کرد . این گلخانه ها جای خود را به گلخانه های جوی – پشته ای جدیدکه با صرف هزینه ی معقولی احداث شوند ، داده اند.
دیگر مزایای گلخانه با طرح جوی – پشته ای عبارتند از : داشتن فضای داخلی یکپارچه ، نیروی کار کم ، هزینه ی اتوماسیون پایین تر ، مصرف سوخت کمتر و مدیریت پرسنل بهتر صورت می گیرد. همچنین اتوماسیون در گلخانه های بزرگی که استحکام زیادی دارند قابل اجراست.
در گلخانه های جوی – پشته ای به دلیل این که سطح کمتری در معرض هوا قرار می گیرد، هزینه ی سوخت کمتر است ولی خنک کردن این گلخانه ها در آب و هوای گرم هزینه ی بیشتری دارد.
در پوشش های دو لایه ی پلاستیک می توان از کمپرسور هوای فشرده برای ایجاد بالشتک هوا استفاده کرد.
این امر بسیار مهم است که کف گلخانه توسط لایه ی غیر قابل نفوذ رطوبت پوشانده شود تا از خنک شدن تبخیری ناخواسته جلوگیری شود.

شکل 2 د

یک قانون کلی برای کنترل شرایط محیطی وجود دارد
قانون بلاک من :میزان هر فرآیندی که تحت کنترل دو یا چند فاکتور باشد با فاکتوری محدود
خواهد شد که در حد اقل است.
فتوسنتز مثال خوبی در این زمینه است . میزان فتوسنتز به دما ،نور ، رطوبت نسبی و غلظت co2 بستگی دارد.
با استفاده از این قانن می توان شرایط محیطی را بهینه نمود. به عنوان مثال برای تزریق دی اکسید کربن:
که ملاحظه می شود حد اقل ها را در نظر گرفته ایم تا این که هیچ کدام از عوامل محدود کننده نباشد. عامل محدود کننده اصلی در بین عوامل محیطی شدت نور است.
کنترل شدت نور
ترکیبات مختلف نور مریی منبع انرژی برای گیاهان به شمار میرود .
با توجه به داده های زیر که در مورد نور جمع آوری شده و این که پرده ها هم می توانند نقش عایق حرارت و هم نقش کنترل شدت نور را بازی کنند در نهایت فلوچارتی تهیه کرده ام تا این که به ساده ترین وجه، نوشتن برنامه جهت کنترل شرایط گلخانه میسر شود . به داده های زیر توجه فرمایید:
شدت نور مورد نیاز برای گیاهان گلخانه ای بین 10000 تا 70000 لوکس متغیر است
برای گیاهان سایه پسند بیشینه نور برای فتوسنتز بین 4000تا 5000 لوکس است و کمینه شدت نور مورد نیاز 500 لوکس است.
کمینه نور برای فتوسنتز گیاهان آفتاب پسند 1000 تا 1500 لوکس می باشد .
ابری بودن هوا می تواند مقدار نور قابل دسترسی را 6-3 برابر کاهش می دهد .
استفاده از نور مصنوعی در ماههای آبان ، آذر ،دی ، بهمن و اسفند باعث تامین نور مورد نیاز گیاهان شده و عملکرد افزایش می یابد .
در آفتاب کامل شدت نور 108000 لوکس و در ابر غلیظ 3200 لوکس می باشد.
لامپ متال هالید 400 وات در ارتفاع 2 متری 1330 لوکس شدت نور دارد.
نقطه ی موازنه ی نوری (نقطه ای که در آن شدت نور ،میزان فتوسنتز در روز با میزان تنفس در شب برابر می شود) در 1000 لوکس می باشد.
نقطه اشباع نوری برای یک برگ تنها 30000لوکس میباشد و برای رسیدن نور به برگهای پایینی 108000لوکس نیاز است.
معمولا به ازای هر 10 متر مربع یک لامپ 600 وات استفاده میشود.
مدت زمان استفاده از نور مصنوعی 12-6 ساعت متغیر میباشد و مدت زمان استفاده از نور تکمیلی بستگی به شدت نور مورد استفاده و مقدار نور خورشید در روز دارد .خیلی از سبزیها(به استثنای گوجه فرنگی)میتوانند در تمام مدت شبانه روز نور دریافت کنند ولی معمولا 18 ساعت نوردهی برای اکثر گیاهان مطلوب است.
اگر شدت نور زیاد باشد کلروپلاست ها صدمه دیده در نتیجه فتوسنتز کاهش می یابد .
زمان خاموش کردن لامپها وقتی است که شدت نور 2 برابر شدت نور تکمیلی لامپها باشد.
در شرایط استفاده از نور تکمیلی دمای هوای گلخانه در روز 30-26 و در شب 24-21 درجه مطلوب است.
از کنترل کننده های محیطی برای تصمیم گیری در مورد زمان استفاده از محلول های غذایی یا آب برای گیاهان استفاده می شود. هنگامی که مقدار انرژی خورشیدی از پیش تعیین شده دریافت شد، دریچه سلونوئید یا پمپ ها فعال می شوند. تابش خورشیدی تا حد زیادی با خشک شدن خاک (محیط اطراف ریشه ) در ارتباط هستند.
بنابراین در غروب فصول سرد که پردهها وظیفه ی حفاظت گرما را به عهده دارند:

و در صبح ها برای اینکه گیاهان با تنش ناگهانی نور مواجه نشوند :

وبرای مواقعی که هوای بیرون گلخانه خیلی سرد است:

و برای تابستانها:

کنترل دما
یک فاکتور مهم برای کنترل دما DIF می باشد . (میانگین درجه حرارت شبانه) – (میانگین درجه حرارت روزانه) =DIF
اختلاف درجه حرارت شبانه روز در کنترل ارتفاع گیاه موثر است. اگر میزان DIF از مثبت به صفر تنزل کند ارتفاع گیاه به طور قابل ملاحظه ای کاهش پیدا می کند.در اینجا دو رابطه ی مهم به دست می آید که ارتفاع گیاه با کاهش درجه حرارت روزانه یا با افزایش درجه حرارت شبانه کاهش پیدا می کند .تنفس عکس فتوسنتز است ،فرایندی که در آن انرژی ذخیره شده بر اثرفتوسنتز آزاد میشود(احتمالا در شب):
انرژی +آب +دی اکسید کربن→اکسیژن+هیدرات کربن
همچون یک قاعده کلی گیاهان را در شرایطی پرورش می دهند که در روزهای ابری 6-3 = DIF و در روزهای بدون ابر 8= DIF باشد . اگر میزان CO2 بیشتر باشد میزان درجه حرارت روزانه را 3 درجه ی دیگربالا می برند. بنابراین:

میانگین درجه حرارت 24 ساعت مهم است وتنها درجه حرارت روزانه یا شبانه نیست که میزان رشد را تعیین می کند.
بخاری ها باید به سیستم کنترل هوشمندی مجهز باشند تا اینکه قابلیت خاموش کردن مشعل در زمان نشر آلاینده های سوختی ودود را داشته باشند و در صورت نرسیدن سوخت به دلایلی مثل یخ زدگی واتمام سوخت شرایط را تشخیص بدهند وهشدارهای لازم را به آگاهی برسانند.
اگر میزان تنفس بیشتر از فتوسنتز باشد ،بنیه گیاه ضعیف شده وبالاخره مرگ گیاه فرا می رسد.در این شرایط گیاهان را در شرایطی پرورش می دهند که درجه حرارت شبانه کم بوده تا میزان تنفس کاهش پیدا کند ودرجه حرارت روزها افزایش میدهند تا فتوسنتز بیشتر شود.
سیستم های خنک کننده و گرم کننده به وسیله ی گیرنده های گرمایی مانند ترموستات ها و ترمومیستورها کنترل می شوند.
گیرنده ای که برای دمای پایین مثلا 10 درجه تنظیم شده است را باید به یک اسباب هشدار دهنده که در منزل صاحب یا مدیر گلخانه واقع است متصل کنیم. این وسیله شخص را زمانی از فقدان گرماآگاه می کند که هنوز برای اصلاح،وقت باقی است. سیستم هشدار دهنده را باید به وسیله ی یک باتری یا ژنراتور کمکی مجهز کنیم تا در صورت قطع برق نیز کار کند.
بخاری های تابشی:کاهش 30 تا 50 درصد هزینه سوخت دارد.آن ها پرتوهای مادون قرمز تولید می کنند. درجه حرارت زمین و گیاه برای رویش اهمیت دارند.درجه هوا در گلخانه هایی که با تابش مادون قرمز گرم می شوند تا c 4 خنک تر از گلخانه های سنتی است، در حالی که پوشش گیاهان یکسانی دارند.در سیستم سنتی ابتدا هوا گرم می شود و سپس هوا گیاه را گرم می کند.بنابراین درجه حرارت هوا در طول شب بیشتر از درجه حرارت گیاهان است، این امر باعث میعان قطرات آب در سطح گیاهان می شود.اما در گلخانه هایی که با تابش مادون قرمز گرم می شوند، میعان کمتر صورت می گیرد و شرایط برای بیماری ها چندان مناسب نیست.
دیگر مزایای بخاری های تابشی :1- کارایی احتراق حدود 90 درصد است.2- وقتی که هوای داخل گلخانه خنک تر است، اختلاف دمای آن با محیط خارج کمتر خواهد بود و گلخانه گرمای کمتری ازدست می دهد.
با انواع رنگ های مختلفی میتوان شدت نور ودر نتیجه دما را کاهش داد رنگ هایی هم موجود هستند که فقط باعث کاهش دما میشوند ، بدون اینکه باعث کاهش شدت نور شوند.

دریچه های تهویه
کمینه مقدار تهویه قابل قبول برای کنترل دما در تابستان یک بار تعویض هوای گلخانه در هر دقیقه است.
باز کردن دریچه ها با در نظر گرفتن عوامل زیر صورت می گیرد :
درجه حرارت بالای داخل گلخانه
رطوبت بیش از حد داخل سالن
کمبود CO2

عوامل موثر در باز شدن وتعیین مقیاس باز شدن دریچه ها:
درجه حرارت بیرون
سرعت وزش باد
جهت وزش باد
وجود بارندگی
معمولا امکان باز شدن دریچه ها بین صفر تا 100 درصد با بازه ی 10 درصد باز کردن دریچه در هر مرتبه است که با استفاده از موتور های پله ای صورت می گیرد .

کنترل دی اکسید کربن
در اثر مصرف گیاهان در گلخانه ی بسته غلظت دی اکسید کربن پایین می آید. به دو طریق می توان غلظت آنرا بالا برد: 1- تهویه 2- تزریق
در معادله ی فتوسنتز مشخص است که از نظر انجام فرآیند کربن گیری و سرعت آن اهمیت دی اکسید کربن برابر آب است.
C6H12O6+ 6O2 نور 6 CO2 + 6 H2O
کلروفیل

بنا براین چند ساعت بعد از شروع روشنایی روز ، غلظت CO2 به حدی پایین خواهدرفت که گیاه دچار تنش کمبود CO2 خواهد گردید.(غلظت دی اکسید کربن بحرانی ppm 125 است) در مرحله ی کمبود CO2 ،گیاه دیگر عکس العمل مناسب را