انترنت الاشياء | الزراعة الذكية عالمياً وعربياً…نحو ترشيد استهلاك مياه الري

إنترنت الأشياء  والزراعة الذكية

أصبحت إنترنت الأشياء على مدى السنوات القليلة الماضية، واحدة من أهم التقنيات في القرن الحادي والعشرين، وتعرف بأنها ربط أشياء بأجهزة مختلفة مثل الحساسات أو أجهزة الاستشعار عبر الإنترنت. وبعد أن أمكن توصيل الأشياء اليومية مثل السيارات واجهزة المطابخ، وأدوات تنظيم الحرارة  والرقابة على الأطفال بالإنترنت، فضلاً عن التصنيع الذكي  والمدن الذكية، عبر تثبيت أجهزة الاستشعار، أصبح الاتصال بيسر وسهولة ممكنًا بين الأشخاص والعمليات Processes والأشياء في إطار الثورة الصناعية الرابعة التي دمجت التقنيات التي الغت الحدود الفاصلة بين المجالات المادية والرقمية والبيولوجية.

 وقد أتيحت تقنية إنترنت الأشياء لمزيد من الشركات المصنعة، التي دفعت حدود إنترنت الأشياء والبيانات التي تنتجها لافاق ومجالات واسعة، في ضوء التوصل إلى تقنيات موثوقة للاستشعار ومعالجة للصور عالية الدقة بتكلفة وطاقة منخفضة وتقدم تقنيات الذكاء الصناعي، وإمكانية دمج التقنيات مع نظم المعلومات الجغرافية (GIS)، وتوصيل المستشعرات بالأشياء ومنصات الحوسبة السحابية لنقل البيانات ومعالجتها وتحليلها، بسرعة بكفاءة دون الحاجة فعليًا إلى إدارتها بالكامل.

وقد ظهرت الزراعة الذكية كأحد تطبيقات انترنت الأشياء، وهي مفهوم واسع جدا يشمل مجالات زراعة المحاصيل وتربية الماشية وتربية الأحياء المائية، وتُعد تطبيقاً لتقنيات المعلومات والاتصالات الحديثة في الزراعة ، والتي يمكن تسميتها بالثورة الخضراء الثالثة، بعد ثورات تربية النباتات وعلم الوراثة Plant breeding and genetics  . 

وقد ظهرت الزراعة الذكية في أوائل التسعينيات، عند استخدام أنظمة الحلب الآلية لمزارعي الألبان، وتوفر صور الأقمار الصناعية التي تظهر بوضوح التباين بين الحقول مما سمح للمنتجين بممارسة نشاطات الزراعة بشكل أكثر دقة .  

وقد اكتسبت الزراعة الذكية زخماً منذ حوالي خمسة عشر عامًا، بعد تنامي  التطبيق المشترك لحلول تكنولوجيا المعلومات والاتصالات مثل المعدات الدقيقة وإنترنت الأشياء (IoT) وأجهزة الاستشعار والمُشغلات (وحدات تحكم إلكترونية) والمُسيرات والروبوتات وأنظمة تحديد المواقع الجغرافية ووسائل معالجة البيانات الضخمة.  

وقد سمحت الحوسبة السحابية منخفضة التكلفة وحفظ البيانات الكبيرة Cloud computing وتوفر تقنيات الأجهزة المحمولة والتحليلات، في عالم شديد الترابط،  يلتقي ويتعاون فيه العالم المادي بالعالم الرقمي ، وحيث يمكن للأنظمة الرقمية تسجيل ومراقبة وضبط كل تفاعل بين الأشياء المتصلة بأقل تدخل بشري.

وقد جاء هذا التطور بشكل متسارع ومتتابع ، الأمر الذي جعلها في متناول قطاع واسع من المستخدمين، بما فيهم المنتجين الزراعيين.  وقد مكن ذلك المنتجين من تحسين إدارة محاصيلهم وحيواناتهم. وتدور الزراعة الذكية حول فهم ما يحتاجه نظام الزراعة، ومتى وكم وأين يحتاج. وبعدئذ، تُتخذ الإجراءات ويتم توفير المدخلات بطريقة دقيقة.  وقد تُدار المحاصيل والحيوانات في بعض الحالات، على المستوى الفردي .

 وتعرف الزراعة الذكية، (الزراعة الرقمية أو الإلكترونية) بأنها  أدوات تجمع وتخزن وتحلل وتشارك البيانات في الزراعة رقميًا. وقد وصفتها منظمة الأغذية والزراعة للأمم المتحدة بالثورة الزراعية الرقمية. وقد اكدت جامعات كورنيل و بوردو على دور التكنولوجيا الرقمية في تحسين النظم الغذائية.  ويعكس إنترنت الأشياء قوة المعرفة وتوفر البيانات في العالم الرقمي التي تشكل أحد الأصول الهامة. وتمكن البيانات الواردة من أجهزة الإستشعار عن بعد من اتخاذ القرارات في اللحظة المناسبة، وتساعد على الزراعة بشكل أكثر ذكاءً وأمانًا على التكيف بشكل أسرع مع الظروف المتغيرة في الوقت الفعلي. 

وقد تشكل الزراعة الدقيقة Precision agriculture  أحد جوانب الزراعة الذكية، من حيث أنها تطبيق تقنيات المعلومات الحديثة لتوفير ومعالجة وتحليل البيانات متعددة المصادر، ذات الدقة المكانية والزمانية العالية، لاتخاذ القرار والعمليات في إدارة إنتاج المحاصيل.  وقد تشمل الزراعة الدقيقة نشاطات مثل رسم الخرائط لتحديد أنواع التربة وخصائصها وأنظمة المعلومات الجغرافية GPS التي تسمح بمعاينة التربة  وتحديد الحاجة  لاستخدامات الاسمدة وكثافة الزراعة لتناسب مواقع معينة. ولكن الزراعة الذكية، اكثر شمولاً  إذ تضم التقنيات الرقمية المشاركة في منصات التجارة وخدمات الإرشاد الإلكترونية على امتداد سلسلة القيمة الغذائية الزراعية بأكملها، قبل الإنتاج في المزرعة وأثناءه وبعده.

ويقدر أن يصل حجم سوق الزراعة الذكية إلى 22.5 مليار دولار أمريكي، بحلول عام 2026 بمعدل نمو سنوي مركب بنسبة 8.9٪ من القيمة الأولية البالغة 15.3 مليار دولار أمريكي في عام 2020 ، و5 مليارات دولار أمريكي في عام 2016 .  وتقدر تقارير أخرى  أن يصل سوق الزراعة الذكية العالمي إلى 22 مليار دولار بحلول عام 2022 وأن يبلغ  سوق الزراعة الذكية العالمي 55 مليار دولار بمعدل نمو سنوي مركب 10.90٪  بين عامي 2021 و 2028 .

شكل 1: لوحة تحكم أردوينو وجهاز راسبيري لتشغيل أنترنت الاِشياء

مبررات الزراعة الذكية في العالم

تلعب المياه دورا هاما في الأمن الغذائي العالمي والإقليمي والمحلي. وتمثل الزراعة المروية 20 % من إجمالي الأراضي المزروعة، بينما تساهم بنسبة 40 % من إجمالي الغذاء المنتج في العالم.  وإنتاجية الزراعة المروية هي في المتوسط​​، ضعف إنتاجية وحدة الأرض في الزراعة البعلية، والتي تسمح بتكثيف الإنتاج وتنويع المحاصيل.

وفي ضوء  النمو السكاني والتوسع الحضري (انتقال العمالة للمدن) وتغير المناخ وزيادة الاستهلاك الغذائي، فان الطلب سيزداد على المياه . ومن المتوقع أن يزداد سكان العالم من 7.94 مليار (ابريل 2022)  إلى 9.7  مليار نسمة بحلول عام 2050 وفق تقديرات الأمم المتحدة والبنك الدولي، وتشير التقديرات إلى أن الإنتاج الزراعي سيحتاج إلى التوسع بنحو 70٪ بحلول عام 2050، مقارنة مع عام 2020.  

وتشير بيانات البنك الدولي إلى أن الطلب المستقبلي على المياه للاعتبارات المشار إليها أعلاه، سيستدعي إعادة تخصيص استخدامات المياه بنسبة تتراوح بين 25 و 40٪ من كميات المياه المتاحة عالمياً لأغراض إنتاجية على حساب قطاع الزراعة الذي يستهلك  70%  في المتوسط من المياه العذبة في العالم.  

شكل 2 : نماذج حساسات

الزراعة الذكية في العالم

وفي ضوء اعتبارات التغير المناخي،  والحاجة  للحد من انبعاثات النيتروجين وثاني أكسيد الكربون واستخدام المواد الكيميائية، هذا فضلا عن الحاجة لتحسين الشفافية في سلسلة إنتاج الغذاء بأكملها،  فإن بقاء قطاع الزراعة قادرا على الاستمرار في إطعام العالم  مستقبلاً وتقليل البصمة البيئية للقطاع في نفس الوقت، يستدعي الانتقال إلى نهج أكثر استدامة وذكيًا مناخيًا ، باستخدام أحدث التقنيات  في إطار الزراعة الذكية.

تتصف الزراعة الذكية بإمكانية واسعة لتقديم إنتاج زراعي أكثر إنتاجية واستدامة ، بناءً على نهج أكثر دقة وفعالية في استخدام الموارد. و تتمتع أمريكا الشمالية وأوروبا بحصة سوقية كبيرة في سوق إنترنت الأشياء الزراعي من خلال عدد  من الشركات  الخاصة في الولايات المتحدة وكندا، وتتنافس معها شركات أوروبية في ألمانيا وفرنسا والسويد وفنلندا وهولندا،  حيث تدعم مفوضية الاتحاد الأوروبي عددا من المشاريع.

ولا توجد خطة وطنية في الولايات المتحدة، لتطوير تقنيات الزراعة الذكية، ولكن شركات القطاع الخاص ناشطة في البحث عن حلول الزراعة الذكية، تهدف إلى نشر حلول عالية التقنية وتسهم في تطوير مفاهيم الزراعة الذكية. ويتضمن جدول أعمال البحث والابتكار الأوروبي نشر تقنيات إنترنت الأشياء، وتقدر منظمة الشراكة الأوروبية للابتكار من أجل الإنتاجية الزراعية والاستدامة أن ما يصل إلى 80٪ من المزارعين يستخدمون أحد جوانب الزراعة الذكية  في الولايات المتحدة، بينما لا تزيد النسبة عن 24٪ في أوروبا.

و ينمو سوق إنترنت الأشياء للزراعة في المملكة المتحدة وفي آسيا والمحيط الهادئ حيث تتبنى بلدان أسيا بشكل كبير الزراعة الدقيقة. ويمكن لمنطقة الشرق الأوسط وأفريقيا أن تخلق فرصًا لتطبيقات إنترنت الأشياء في مجال الزراعة.

تضع البلدان في جميع أنحاء آسيا استراتيجيات وطنية لدعم أتمتة الزراعة باستخدام الروبوتات وتحليلات البيانات وتقنيات الاستشعار بهدف رفع الإنتاجية وتحسن دخول المنتجين.  وهناك نشاط بحثي واسع منشور في الهند في مجال الزراعة الذكية،  التي تعد بتوفير قدر أكبر من الأمن الغذائي وتحسين العائد لهذا الاقتصاد الزراعي إلى حد كبير  حيث توفر الزراعة دخلاً لأكثر من نصف سكان الهند (1.2 مليار نسمة).

ففي استراليا، يُثبت على عنق كل بقرة طوق الكتروتي يسجل وينقل مدة وحجم آخر حلب لها ويتم حلب الأبقار بواسطة الروبوتات حيث يمكن حلب ما يصل إلى 90 بقرة في الساعة.  ويستطيع المربين الوصول إلى بيانات الإنتاج على أجهزة iPad الخاصة بهم. ويستخدم روبوت لرعي الماشية يسمح لها  بالتجول بحرية  في التضاريس الشاسعة والوعرة، ويقود التجربة مربي عربي (صلاح سكرية) .

تعمل اليابان على إدخال الزراعة الذكية في زراعة الخضار (الخس مثلاً) وقطف الفاكهة، بهدف تطوير نظام يعمل فيه البشر والآلات معًا. ويتحكم النظام الآلي في درجة الحرارة والرطوبة ومستويات ثاني أكسيد الكربون ومصادر الضوء بالإضافة إلى تعقيم المياه، وقد سمح النظام بزيادة الإنتاجيه وخفض التكاليف وإعادة استخدام أكثر من 90% من إمدادات المياه.

و تنظم شركات خاصة في الصين مسابقة سنوية لزراعة الذكية بالتعاون مع  الجامعات ومنظمة الأغذية والزراعة وجامعة فاجينينغين ومركز الأبحاث في هولندا ، المتقدمة في هئا المجال. تشارك فيها معاهد البحوث حول العالم. دخل الإنتاج الزراعي مرحلة الزراعة الذكية مع توفر تقنيات استخدام الأقمار الصناعية وتحليل البيانات والذكاء الاصطناعي وتكنولوجيا 5G ، حتى ان الشركة الصينية  ZTE أجرت مشاهدة زراعية للزراعة الذكية بتقنية الجيل الخامس في هولندا باستخدام التصوير العالي الدقة بواسطة المسيرات، والتي تختصر وقت تحليل البيانات السحابية بأكثر من 90% من الوقـت.

و أطلقت ماليزيا وهي واحدة من أكبر مصدري زيت النخيل في العالم خطة للزراعة الذكية  تهدف لأتمتة أعمال الري وزيادة إنتاجية النخيل باستخدام أجهزة الاستشعار لتحديد الوقت الامثل لتلقيح أزهار نخيل الزيت،  وتتبع صحة الأسماك في أحواض التربية.

شكل 3 : وحدة بوابة الكترونية

 وتعاونت الفلبين مع منظمة الفاو  لاستخدام المُسَيرات المجهزة بأنظمة وكاميرات GPS لتوفير بيانات حول تقييم  حالة المحاصيل والمساعدة في تحديد المواقع غير المعرضة للكوارث الطبيعية لإقامة مرافق البنية التحتية للري والتخزين مثلاً.

ونفذت حكومة كوريا الجنوبية سياسة وطنية لإنشاء مجتمعات زراعية ذكية تتعامل مع سلسلة التوريد الغذائية الزراعية. ويقوم المنتجون في مدينة سيجونغ بجمع البيانات في الوقت الفعلي على هواتفهم، من خلال مستشعرات درجة الحرارة والرطوبة، وكاميرات المراقبة في المزارع والبيوت الزجاجيةللحد من تكاليف التنقل، ورفع الكفاءة الإنتاجية.  ويبيع المنتجون محصولهم بشكل مباشر في سوق المدينة، ويستخدمون هواتفهم الذكية لمتابعة المبيعات والمخزون في الوقت الفعلي، مما يسمح لهم بوضع الخطط لتلبية حاجة السوق.  وقد وضعت الحكومة خطة لتحويل المدينة إلى مركز رئيسي للشركات الناشئة التي تمارس الأعمال التجارية باستخدام الزراعة الذكية .

أدى تركيز تايلاند على سياسات الزراعة الذكية إلى دفع الإنفاق على تكنولوجيا المعلومات في القطاع 7%. وتستخدم مسيرات لرصد حالة المحاصيل، وتقيس روبوتات أرضية العناصر الغذاءية في التربة، مما يقلل من تكلفة الزراعة واستخدام المواد الكيميائية، ويترك أثر ايجابي على البيئة.

تحديات الزراعة العربية : ندرة المياه في الدول العربية

بلغ عدد سكان العالم العربي 445  مليون نسمة في منتصف عام 2021 ، وهو ما يمثل 5.7% من إجمالي سكان العالم البالغ  7.875 بليون نسمة . وتقدر الأمم المتحدة أن عدد السكان سيبلغ 660 مليون نسمة في عام 2050 بزيادة 48% عن عام 2021.

وبينما يمثل العالم العربي 8.9% من مساحة العالم، فإنه يمثل أقل من 1 % من مصادر المياه العالمية. ويُفاقم التغير المناخي من مشكلة نقص المياه. 

وتعتمد الزراعة العربية  بشكل اساسي على الامطار الموسمية في الري. وفي ظروف الجفاف والتغير المناخي وقلة معدلات الأمطار التي تسود العالم العربي، فإن وضع استراتيجية لاستخدامات المياه في قطاعات الزراعة  والصناعة والاستخدامات المنزلية وتطوير إدارة مائية لاستغلال موارد المياه المتاحة، وترشيد استخداماتها يأخذ مركز الإهتمام في جميع الدول.

وتعتمد السودان ومصر على موارد مياه النيل، حتى أنها سميت أرض أو هِبة النيل.  ولكن دول منابع نهر النيل عملت على إقامة عدد كبير من السدود على منابع النيل الأبيض والنيل الأزرق، وهناك سدود قائمة، واخرى قيد الإنجاز أو وُضعت خطط لإقامتها،  ومن أهمها سد النهضة قرب الحدود الإثيوبية السودانية. وسيكون من شان إقامة هذه السدود امتصاص معظم التدفقات المائية لنهر النيل والتأثير بشدة على سدود بلاد النيل،، وقدرتها على توفير مياه الري وتوليد الكهرباء.

وتعتمد موارد المياه في العراق إلى حد كبير على المياه السطحية لنهري دجلة والفرات ، وتاتي معظم موارد المياه المتجددة الطبيعية في العراق من تركيا وإيران.   كما تشكل موارد المياه  السطحية لنهر الفرات (وبنسبة اقل نهر دجلة) نسبة هامة من المياه المتجددة الطبيعية في سوريا وخاصة سد الفرا . وقامت تركيا، منذ عام 1962، بإنشاء عشرات السدود على النهرين، كما قامت قامت إيران بإنشاء عشرات السدود وتغيير مجاري الأنهار وروافدها التي تتدفق إلى العراق، وحجبت عنها عشرات المليارات من الأمتار المكعبة من المياه العذبة (بـ14 مليار م 3  لنهر الكارون وحده). وقال ‏وزير الموارد المائية العراقي إن إيران قطعت 90% من روافد المياه المشتركة عن العراق وحولتها لسدود ومجاري مياه في إيران، وبذلك حرمت العراق من 20 % من وارداته المائية. وتخطط إيران وتركيا لإنشاء عشرات السدود في المدى القريب والمتوسط.

ورغم إمكانية تطوير أساليب إدارة وتقنيات مياه الري للحفاظ على القدرة الإنتاجية للمزرعة في ظل الموارد المائية المحدودة والعالية التكلفة، فإن استخدام  أنظمة الري في إطار الزراعة  الذكية يمكن أن يحد بشكل كبير من استخدام مياه الري 

ويخدم استراتيجيات استخدامات المياه ، حيث تستهلك الزراعة 85 % من إجمالي استهلاك المياه العذبة في الشرق الأوسط (مقابل 70% في العالم)، بينما تبلغ حصتها في إجمالي الناتج المحلي الإجمالي قرابة 8 %.

الزراعة الذكية في العالم العربي

لا تتوفر معلومات (فيديو أو تقرير محدد) حول تطبيق فعلي نظم متكاملة للزراعة الذكية في العالم العربي حالياً لمشاريع محددة. وهناك خلط بين تقنيات الزراعة المتقدمة مثل الزراعة المائية أو بعض جوانب الزراعة الدقيقة والزراعة الذكية في إطار إنترنت الأشياء. . ولكن، هناك جهود كبيرة تُبذل لاستخدام حلول الزراعة الدقيقة Precision agriculture وصولاً إلى الزراعة الذكية وخاصة في مجال الري، في السعودية و الأردن و الإمارات و المغرب و مصر و تونس و لبنان .

وهناك خطط ومشاريع مستقبلية لاستخدام التقنيات  الرقمية في المغرب في إطار استراتيجية الجيل الأخضر 2020-30، ولدولة الإمارات تهدف لاستخدام البيانات والخرائط من صور الأقمار الصناعية والمسيرات، واستخدام الروبوتات في الإمارات لتحديد المستوى الأمثل لاستخدامات المياه و الأسمدة ورش المبيدات في زراعة المحاصيل على المستوى الفردي.

وهناك نشاطات متقدمة للزراعة المحمية في البيوت الزجاجية (البلاستيكية) في كثير من الدول العربية، يديرها غالباً مهندسون زراعيون على درجة عالية من الكفاءة والمعرفة والمهارة التقنية الزراعية، وفي استخدامات وساءل الاتصال ونظم المعلومات الحديثة.  وهناك مزارع حديثة كبيرة في السعودية والاردن ودول اخرى وهؤلاء يشكلون الفئة الاكثر تأهيلاً واستعداداً لتبني تطبيق تقنيات الزراعة الذكية في إطار انترنت الأشياء بمفهومها الشامل.

مجالات الزراعة الذكية

تستهدف تطبيقات الزراعة الذكية،  الزراعة التقليدية العائلية والعضوية لتربية النباتات أو الحيوانات . ويجب أن يكون المزارع قادراً على استخدام معلومات المراقبة بشكل فعال في الوقت الحقيقي، ولا تتضمن عمليات معقدة أو تتطلب تغييرات متكررة في المرافق والمعدات. ويجب أن تحقق الزراعة الذكية للمزارع إمكانية اتخاذ قرارات أفضل أو عمليات استغلال وإدارة أكثر كفاءة وتحسين العائدات الاقتصادية واستدامة النشاط الزراعي.

وتسمح تقنيات إنترنت الأشياء في إطار الزراعة الذكية، بتحقيق أهداف عديدة من بينها:

1. التوسع في استخدام نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) والحصول على أحدث جيل من الصور الفائقة الطيفية التي توفرها الأقمار الصناعية واستخدام المسيرات للتصوير الجوي، وربما والروبوتات للتحكم الآلي باستخدام الذكاء الاصطناعي بما يسمح بقياس أكبر عدد من المتغيرات مثل إنتاجية المحاصيل، والتضاريس، ومحتوى المادة العضوية، ومستويات الرطوبة والنيتروجين.

2. استخدام وحدات الاستشعار في إطار  الزراعة الذكية القائمة على تقنيات إنترنت الأشياء  لتوفير مراقبة دقيقة لمؤشرات بيئة البيوت الزجاجية (درجة الحراة والرطوبة وجودة الهواء ومؤشرات التربة)، تسمح بضبط  كمية الأسمدة المستخدمة  وعملية الري مما يلغي الحاجة إلى التدخل اليدوي.

3.   استخدام أنظمة الري الذكي  وإدارة  المياه التي تراقب باستمرار المتطلبات المائية للتربة والمحاصيل من خلال وحدات  استشعار لرصد التربة، وتشغيل مضخات المياه لأنظمة الري بالتنقيط عند الحاجة في الوقت الفعلي. ويسمح هذا النظام بزيادة كفاءة استخدام المياه وتقليل الكميات بدرجة كبيرة.

بطاقة الكترونية على طوق بقرة

4.  تتبع الثروة الحيوانية باستخدام  أطواق تثبت على الحيوانات لجمع البيانات المتعلقة بالموقع والحالة والصحة لماشيتهم.

5. توفر الزراعة الذكية نظم للمعلومات الإدارية لجمع البيانات ومعالجتها وتخزينها لتنفيذ عمليات المزرعة ووظائفها،  وتساعد على تحديد الخطط المستقبلية للإنتاج والتخزين والتسويق. 

وهناك مرونة عالية في إدارة المزرعة من خلال  استخدام الكاميرات والمسيرات للمراقبة من أي مكان لحالة المحاصيل ودرجة الإصابة بالآفات الزراعية في الحقول الزراعية ومن خلال أتمتة النشاطات الزراعية على جميع مستويات الإنتاج الزراعي ، وضبط  عملية التسميد والرش والري وإمكانية استخدام تقنية المعدل المتغير (VRT).  

 وتساعد نظم الزراعة الذكية في تسهيل مراقبة  أداء الموظفين وكفاءة المعدات ووجود أية مشاكل في النظام عن بُعد، مثل الانسدادات أو التسريبات وإنتاجية المحاصيل، مما يساعد على معالجة المشاكل عن بُعد باستخدام تطبيقات على الهواتف الذكية، ويحد من الحاجة للتنقل المتكرر للمركبات الزراعية، والاستخدام الفعال للموارد مثل المياه وموارد المزرعة.

انترنت الأشياء: كيف تعمل الزراعة الذكية

تقوم تطبيقات إنترنت الأشياء على استخدام جهاز راسبيري Raspberry Pi أو جهاز أردوينو  Arduino وهما الجهازين  الرئيسيين المستخدمين في هذا المجال المبينة في شكل 1، وهناك نسخ \ نماذج عديدة من كل منها، غير أن هناك تطبيقات أخرى تستخدم في مجال انترنت الاشياء

1.  لوحة  Arduino هي منصة Platform الكترونية بدأ تسويقها في عام 2005 ، و تتكون من قسمين، وتضم متحكم إلكتروني Micro-Controller  و بيئة تطويرية تكاملية لكتابة البرمجيات IDE.  ومن المكونات الرئيسية للوحة Arduino موصل USB ومنفذ الطاقة ومتحكم (الشريحة الأساسية التي تسمح ببرمجة اللوحة)، ومنافذ الإدخال التناظرية ومنافذ رقمية  ومفتاح إعادة التشغيل ومذبذب كرستالي (منظم فولتية) . 

وتتميز منصة أردوينو في قدرتها الكبيرة على التواصل مع الوحدات الإلكترونية الأخرى كالمشغلات  Switches  والمستشعرات Sensors وتلقي البيانات منها كدرجة الحرارة أو شدة الإضاءة، و كذلك قلة تكلفتها وفاعليتها الكبيرة في التحكم في لوحات تشغيل المحركات Motors و المصابيح LED ، ووحدات إلكترونية أخرى تتفاعل مع العالم الحقيقي.

2. جهاز Raspberry Pi ، وهو كمبيوتر صغير بكامل الوظائف تم طرحه تجاريا في عام 2012 ، قليل التكلفة،   ويمكن توصيله بشاشة الحاسوب ولوحة المفاتيح والماوس. له نظام تشغيل خاص ومعالج متخصص دقيق ويخضع لتحديثات مستمرة.

تشمل مكوّنات لوحة راسبيري باي على الذاكرة  ووحدة المعالجة المركزيّة  CPU ووحدة معالجة الرسومات  GPU ومنفذ الإنترنت ودعم   WiFi ومنافذ لتوصيل اللوحة مع لوحات إلكترونيّة أُخرى(مثل حساس الحرارة )  ومقبس لغرض الاتصالات اللاسلكيّة وموصل مصدر الطاقة ومنفذ إدخال و إخراج  وكابلات HDML للتوصيل إلى شاشات العرض. 

يمكن لجهاز Raspberry Pi إجراء عمليات معقدة مثل مراقبة الطقس، والتحكم في الروبوتات وإنترنت الأشياء، ويمكنه دعم عدد كبير من أجهزة الاستشعار، والعديد من الأنظمة الإلكترونية الأخرى.

ولوحات Arduino هي متحكمات دقيقة، وليست أجهزة كمبيوتر كاملة مثلRaspberry Pi   وغير قادرة على أداء المهام المعقدة، ولا تدعم اللوحات الإنترنت وجيدة للمبتدئين لأنه سهلة  التعلم والاستخدام وتناسب المهام المتكررة مثل  فتح وإغلاق الأبواب وتشغيل وإطفاء الأضواء.

وحدات الإستشعار في الزراعة الذكية

وحدات الإستشعار وهي الحساسات (مِجسات، مُستشعِرَات ، كشافات…)  (شكل 2) وتعمل على قياس حالة مادية (فيزيائية) محيطية مثل قياس درجة رطوبة التربة أو الحرارة أو غاز أو شدة الضوء في بيئة الحقل الزراعي. وتقوم الحساسات بتحويل الإشارات التي تلتقطها إلى نبضات كهربائية يمكن قياسها بواسطة أجهزة، تسمح بالتعريف بمدى شدَّة المؤثر (درجة رطوبة التربة أو الحرارة…) .

بوابة إنترنت الأشياء

بوابة إنترنت الأشياء (البوابة الذكية) Gateway unit (شكل 3)  عبارة عن جهاز أو  تطبيق يعمل كنقطة اتصال بين السحابة ووحدات التحكم وأجهزة الاستشعار والأجهزة الذكية.  وتمثل البوابة وحدة تحكم وتوجيه تمر عبرها جميع البيانات التي تنتقل بين أجهزة إنترنت الأشياء والسحابة . وقد تستخدم الوحدة لمعالجة هذه البيانات بشكل أولي  أو إلغاء تكرار البيانات أو تلخيصها أو تجميعها  أو  فرزها لحصر البيانات التي يتوجب توجيهها إلى السحابة، مما يقلل من حجم البيانات التي يجب نقلها للسحابة،  ويسرع عمليات التحليل،  ويققل من تكاليف نقل الشبكة.

شكل 4 : نظام للزراعة المروية باستخدام لوحة أردوينو

نظام للري الأوتوماتيكي باستخدام الزراعة الذكية

عاني العالم العربي  من ندرة المياه حيث يحوز  على  أقل من 1 % من مصادر المياه العالمية، بينما يمثل 8.9% من مساحة العالم.  كما يواجه العالم العربي تحديات التغير المناخي  التي تتمثل في انخفاض معدلات الامطار وارتفاع الحرارة،  وانخفاض كبير في تدفقات المياه في الدول العربية التي تعتمد على مياه الأنهار للري والتي تنبع في دول غير عربية.

ورغم إمكانية تطوير أساليب إدارة وتقنيات مياه الري للحفاظ على القدرة الإنتاجية للمزرعة في ظل الموارد المائية المحدودة والعالية التكلفة، فإن استخدام  أنظمة الري في إطار الزراعة  الذكية  و  الممارسات الجيدة لإدارة المياه  توفر المعلومات لتحديد الكمية الدقيقة للمياه وفق احتياجات المحاصيل في ظروف مناخية معينة في إطار تصميم فعال لنظام ري ذكي وجدولة الري ، إلخ. وتراقب هذه الأنظمة باستمرار الإحتياجات المائية المحاصيل في الوقت الحقيقي من خلال شبكة لاسلكية من الحساسات Sensors.  وتحد هذه الأنظمة بشكل كبير من استخدام مياه الري والأسمدة والمبيدات في الزراعة وتسمح برفع إنتاجية المحاصيل وتحسين جودتها، وخفض التكاليف ، وتقليل مصادر التلوث غير المحددة (نتيجة حمل الجريان السطحي  لمتبقيات الأسمدة والمبيدات الحشرية) وتعزيز الاستدامة البيئية.

وهناك مزايا لاستخدام التقنيات الذكية مقارنة بالطرق التقليدية، حيث يمكن التحكم فيها يدويًا أو تلقائيا دون الحاجة الفعلية للتواجد في المزرعة.  والري الذكي هو نظام قائم على الطلب بالكمية والوقت المناسب ويأخذ في الاعتبار حالة المناخ والظروف الجوية وإنتاجية النبات، وبالتالي تصبح  هناك فرصة ضئيلة جدًا لهدر المياه.

وتتكون نظم الري الذكية في إطار إنترنت الأشياء (الزراعة الذكية)  أربعة مكونات رءيسية ، الموضحة في الشكلين 4  و 5  وهي:

1. أجهزة الاستشعار ؛  تقوم الحساسات بجمع البيانات من بيئة المحصول في الحقل . وتشكل الحساسات نظام للمراقبة بمساعدة المستشعرات  لقياس شدة الضوء ودرجة الرطوبة والحرارة  في بيئة الحقل، ورطوبة وحموضة التربة في الوقت الفعلي. وقد تتضمن الأجهزة حساسات لقياس جودة الهواء في البيت الزجاجي وصو ر عالية الدقة للنباتات.

2. الاتصال : يتم إرسال بيانات الحقل إلى السحابة، من خلال الاتصال بالإنترنت عبر إيثرنت أو وحدة  WiFi متصلة بلوحة التحكم Arduino  أو جهاز  Raspberry Piالذي يمكنه معالجة البيانات جزئيا أو كلياً . وقد ترسل القيم عندما لا تكون كبيرة الحجم إلى موقع لانترنت الأشياء  IOT Website، ومودم GSM (Global system for mobile) إلى هاتف شخصي ذكي (شكل 3  و 4 ) .

3. معالجة البيانات عند وصولها إلى السحابة  أو الحاسوب أو الهاتف الشخصي،  وقد تكون المعالجة بسيطة جداً ، مثل التحقق من أن قراءة درجة رطوبة التربة ضمن النطاق المقبول. ولكنها تُترك للمستخدم ليقرر يدويا معالجتها، عندما تكون درجة الرطوبة متدنية. وقد تستخدم تطبيقات في الهاتف المحمول (مثل Blynk) لتحليل بيانات االحساسات اللاسلكية عبر السحابة.

4.  واجهة المستخدم؛  ترسل إشعارات الرسائل القصيرة أو بريد الكتروني لواجهة المستخدم من خلال لوحة التحكم أو جهاز راسبيري. وقد يكون هناك وحدة تنبيه Buzzer مرتبطة باللوحة تُصدر إشارة تنبيه (إضاءة متقطعة أو جرس) عندما تتجاوز القيم الواردة من الحساسات عبر وحدة التحكم عتبة معينة قام المزارع بتحديدها لدرجة الحراة او الرطوبة أو غيرها.

ويتم توفير واجهة مراقبة في الحاسوب الشخصي أو تطبيق الهاتف المحمول للمستخدمين عن بُعد للتحكم في مستوى المياه في التربة ضبط درجة الحرارة في الوقت الحقيقي، واتخاذ إجراءات فورية لفتح أو إغلاق المضخة من خلال تطبيق الهاتف المحمول. وهناك أدوات يمكن ربطها بأجهزة حاسوب، عن طريق برمجيات خاصة، تظهر القيم الدنيا والقصوى  في شكل رسم بياني ، وبالتالي تحسين عملية صنع القرار لدى المنتجين من خلال تحليلات البيانات.

وقد يرتبط  جهاز pi Raspberry بقاعدة بيانات إنترنت الأشياء IOT.  وهذا يوفر واجهة أمامية مرنة للمزارعين لمراقبة الأعمال الزراعية  ومعلومات السوق. يمكن للعاملين في السوق أيضًا الاتصال بالمزارعين باستخدام تطبيق قائم على شبكة المعلومات. ويساعد تلقي البيانات في لحظتها عبر سلسلة القيمة من خلال الربط بأنظمة معلومات السوق،  المزارعين على الملاءمة مع احتياجات السوق ، وتقليل الفاقد واستدامة تزويد اسوق بسلع عالية الجودة .

 وتسمح القدرة على مراقبة تطور ظروف المزرعة ومرافق المزرعة  عن بعد وبتوفير الوقت والعمالة في المراقبة الدورية للمزرعة،  حيث أن جمع البيانات يدويا والتدخل البشري في هذا المجال يتطلب عمالة كثيفة.  كما يسمح تدفق البيانات ببناء القدرات للاستجابة للتقنيات الجديدة والاستثمار في البحث والتطوير للمساهمة في الابتكار المستمر وتحسين الإنتاجية. وخفض التكاليف.

 ويمكن أتمتة (برمجة) نظام ري ذكي قائم على إنترنت الأشياء في الوقت الفعلي في إطار الزراعة الذكية التي يمكن أن تشمل مجالات أخرى، لتنفيذ بعض الإجراءات تلقائيًا عبر قواعد محددة مسبقًا من خلال برمجة جهاز حاسوب Raspberry Pi أو لوحة المتحكم  Arduino أو كليهما، بينما يراقب المزارعين ظروف الحقل من أي مكان. و تستخدم لوحات المُشغلات  Relays لتشغيل مضخات المياه أو مراوح التهوية ، أو للحفاظ على درجة الحرارة ومستوى الرطوبة في للمحصول.

وتوفر الحساسات من خلال القياسات الدقيقة، إمكانية تزويد مياه الري تلقائياً حسب الحاجة في الوقت وبالكميات الصحيحة وفق احتياجات المحاصيل وموسم الزراعة والظروف المناخية وحالة الطقس، الأمر الذي يؤدي إلى تجنب الري الزائد.   وقد أظهرت تجارب متعددة في الهند على أن استخدام أنظمة الري الذكية توفر بدرجة كبير ة تصل إلى 40% عند استخدام المياه في الري السطحي ونسبة تصل إلى 25 % في حالة استخدام الري بطريقة التنقيط .

شكل 5 : نظام الري الذكي باستخدام جهاز Raspberry Pi

محددات ومعوقات الزراعة الذكية

1. تحتاج الزراعة الذكية إلى توافر الإنترنت بشكل مستمر وبالسرعة المناسبة، وهو أمر يصعب تحقيقه في البيئة الريفية في معظم البلدان النامية لا يفي بهذا المطلب.

2. يتطلب الاستخدام الواسع لتقنيات الزراعة الذكية مهارات فنية وفكرية، وقدرات تحليل بيانات قوية ومعرفة بالتطبيقات المستخدمة، وهذا ما يصعب تحقيقه في العالم النامي .

3.  قد يكون هناك تكلفة عالية لانشاء البنية التحتية للزراعة الذكية  لشبكة الحساسات، ولوحات التحكم واجهزة الحاسوب والخلويات الذكية وغيرها من المتطلبات، فضلاً عن تشغيلها وصيانتها، في قطاع الزراعة الذي يعاني من تدني الربحية ، بشكل لا يبرر غالباً  استثمارات كبيرة في هذا المجال.

4. الحاجة لأن تكون الأجهزة المستخدمة في الزراعة الذكية متينة وسهلة الصيانة،   حتى لا يحتاج المزارعون إلى استبدال أجهزة الاستشعار  واللوحات بشكل متكرر.

5.  تتوقف جودة النتائج على جودة المعلومات التي تمت برمجتها في لوحات التحكم أو أجهزة المعالجة الكثيرة ، وامكانية تعرض البيانات للخطأ أحياناً مما يعني قرارات خاطئة والاضرار بالمحاصيل (في استخدام الموارد مثل الأسمدة أو المبيدات أو  المياه)، أو سلامة التحليلات السحابية، لظروف الطقس مثلا، حيث تعتمد معظم العملية على الظروف الجوية.

6. يجب أن يكون النظام مؤمنًا وآمنًا للاستخدام حتى لا تكون هناك إمكانية لاختراق البيانات.

المصادر

https://www.electronicshub.org/raspberry-pi-vs-arduino/

https://www.worldbank.org/en/topic/water-in-agriculture#1

https://www.iotforall.com/smart-farming-future-of-agriculture

https://www.fme.nl/system/files/publicaties/2022-02/NL%20Magazine%20Smart%20farming.pdf

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني.

17 − خمسة =