طراحي، ساخت و ارزيابي يك كودپاش مایع نرخ متغیر با استفاده از روش مديريت موضعی در کشاورزي دقيق

چکیده
مسائل اقتصادي و زيست محيطي در كنار مسائل فني، توليدكنندگان محصولات كشاورزي را وادار كرده است روش‌هاي جديد را در مديريت توليد محصولات كشاورزي بكار گيرند. در روش‌هاي متداول توليد محصولات كود شيميايي به طور يكنواخت در سطح مزرعه توزيع مي‌گردد. اين در حالي است كه حاصلخيزي خاك در سطح مزرعه يكنواخت نيست و در بعضي نقاط موادغذايي خاك ممكن است بيش از نياز گياه باشد و در جاهاي ديگر شايد كمبود عناصر موردنياز گياه در حدي باشد كه حتي

بعد از كوددهي نيز اين كمبود اصلاح نشود. در اين تحقيق ابتدا داده هاي مكاني مربوط به ميزان نیتروژن خاك به صورت نقشه درآورده شد. در نقشه مورد نظر تنها مكان هايي كه از لحاظ ميزان ازت مورد نياز گياه فقير بوده مورد پاشش قرار خواهند گرفت و در مكان هاي داراي ميزان مناسب ازت نازل هاي كودپاش غير فعال بوده و هيچگونه پاششي ندارند. نرخ پاشش در مکان هایی که از لحاظ میزان ازت فقیرند متغیر خواهد بود. براین اساس وبا بکار گیری انکودر شافت، مدار الکترونیکی و یک شیر نرخ متغیر، کودپاشی صورت گرفت. مزرعه مورد نظر به ۱۲ کرت به اندازه ۵×۲ متر مربع تقسیم بندی شد که ۶ کرت برای اعمال ویژه مکانی و ۶ کرت برای اعمال یکنواخت کود در نظر گرفته شد.هر کدام از کرت های مورد نظر نیز به صورت مربع های ۲×۲ متر مربع شبکه بندی شد. دستگاه مورد نظر به دو صورت آزمایشگاهی (روی زمین آسفالت) و مزرعه ای ارزیابی شد. اندازه کرت ها در تست آزمایشگاهی و مزرعه ای یکسان است.داده های بدست آمده کاهش ۳۶/۵۸ درصدی را در مصرف کود نسبت به روش متداول (توزیع یکنواخت) نشان می دهد. همچنین میزان خطای پاشش در تست آزمایشگاهی ۳۲/۱ درصد و در تست مزرعه ای ۵۸/۱ درصد بود. داده های بدست آمده خطی بودن رابطه میان درصد باز بودن دریچه خروجی شیر نرخ متغیر با دبی خروجی از آن را به احتمال ۸۷/۰ نشان می دهد. از آنجایی که در کشور ما کودپاشی بدون در نظر گرفتن تغییرات در مزرعه صورت می گیرد. این روش راهکاری جدید است که میتوان تحول بنیادینی

در کاهش مصرف کود ایجاد نماید.

کلیدواژه‌: سيستم اطلاعات جغرافياي، فناوري نرخ‌متغير، سيستم مكان‌يابي جهاني، توزيع يكنواخت كود، توزيع دقيق كود
فلسفه كشاورزي دقيق اين است كه نهاده‌هاي كشاورزي نظير سم و كود و غيره متناسب با نياز هر بخش از كشتزار به كار برده شود. در اين نوع كشاورزي امكان محاسبه و برآورد اختلافات بين كوچك‌ترين سطوح ممكن عملي شده و سپس ورودي‌هاي مختلف به تناسب اختلافات اعمال مي‌شود. فن آوري نرخ متغير(VRT) يك راهكار مديريتي براي پرداختن به تغيير پذيري مكاني درون كشتزار ميباشد. به بیان دیگر VRT عبارت از تخصیص بهینه نهاده های تولید است . در روش متداول استفاده از كودها ، مزرعه و محصول آن يكنواخت در نظر گرفته مي شود و براي استفاده از كودها براي حاصلخيزي خاك با توجه به متوسط نياز مزرعه و با يك درصد اضافي به عنوان ضريب اطمينان، آهنگ كودپاشي (مقدار كود در هكتار) تعيين مي گردد و بطور يكنواخت در مزرعه توزيع مي شود.( ۳ )
پخش غير اصولي كودهاي شيميايي در سطح مزرعه اثرات مخرب دارد و نگراني‌هاي اجتماعي و زيست محيطي و اقتصادي را افزايش مي‌دهد. بسياري از كودهاي شيميايي بدون آنكه جذب گياه شوند وارد آب‌هاي سطحي و زيرزميني مي‌گردند و سبب مسموميت و آلودگي محيط زيست مي‌شوند (۶).
نيترات هايي كه از درون خاك شسته مي شوند عمدتا به آب هاي زيرزميني منتهي مي گردد. همان منابعي كه آب آشاميدني متجاوز از ۸۰% شهروندان را تامين مي كند. سطوح بالاي نيتروژن در درياچه ها ، حيات بسياري از آبزيان را به خطر مي اندازد. محدود كردن كوددهي به نقاطي از مزرعه كه داراي كمبود مواد آلي هستند مي‌تواند به طور قابل ملاحظه‌اي باعث صرفه‌جويي در ميزان مصرف كود شود. براي يك ذرت كار نمونه، كود شيميايي يك چهارم هزينه نقدي را تشكيل مي‌دهد. عابدی و همکاران (۱۳۸۰) آلودگی آب های زیر زمینی مناطقی از اطراف شاهین شهر را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج آنها نشانداد که میزان نیترات آبهای زیرزمینی در ۹۰ درصد چاههای نمونه برداری شده بیش از مقدار استاندارد ( ۱۰ میلی گرم در لیتر ) می باشد. اين روش رهيافتي در جهت بهينه كردن مقدار مصرف كودشيميايي و نتيجه آن كاهش هزينه كشاورز و اضافه بر آن موجب افزايش محصول در واحد سطح، حفظ ساختمان خاك و افزايش حاصلخيزي آن مي‌باشد(۱). Welsh و همكاران(۲۰۰۲) از روش اعمال نیتروژن به میزان متغیر در مزرعه جو زمستانه وگندم استفاده كردند كه ميزان عملكرد بترتيب ۳۶/۰ و ۴۶/ ۰تن در هكتار نسبت به اعمال يكنواخت كود بيشتر شد(۱۲). قزوینی وهمکاران(۱۳۸۶) تغییرات مکانی فاکتورهای حاصلخیزی خاک (K.P.N) وعملکرد دانه گندم رابا استفاده از واریوگرام ،GPS و GIS بررسی ونقشه های دیجیتالی را در بلوکهای ۵*۵ جهت استفاده در ماشینهای نرخ متغیر تهیه کردند. این نقشه ها نشان میدهد که در روش سراسر پاشی اوره ،برای تولید ماکریمم عملکرد تنها ۱۳٪سطح مزرعه مقدارکود مناسب دریافت میکند وبقیه مزرعه ازت کمتر یا بیشتر از نیاز دریافت میکند. درحالی که در روش VRT حداقل۵۲ کیلوگرم در هکتار در مصرف اوره صرفه جویی کردند. همچنین در روش سراسر پاشی فسفر و پتاس بترتیب فقط ۲۵٪ و ۱۱٪ از سطح مزرعه کود کافی دریافت می کند و بقیه سطح

مزرعه کمتر یا بیشتر از نیاز کود دریافت می کند(۲). Paz و همكاران (۱۹۹۹) نشان دادند كه سطح نيتروژن مي‌تواند كاهش داده شود در حالي كه توليد محصول بيشتري نسبت به اعمال يكنواخت داشته باشيم .آن ها در ايالت آيوا از اين روش در مزرعه ذرت استفاده كردند كه ميانگين نرخ اعمال كود نسبت به روش اعمال کود یکنواخت kg/ha11 كاهش داشت و عملكرد مح

صول kg/ha 97افزايش داشت و ۶۶/۱۵ دلار در هر هكتار نيز افزايش سود نسبت به روش اعمال کود یکنواخت به دنبال داشته است. در اين تحقيق با استفاده از مدل رشد ذرت تغيير عملكرد ذرت را توصيف كرده و اعمال نيتروژن متغير براي يك مزرعه در آيوا را ارزيابي كردند. پس از جمع آوري اطلاعات ۲۱۰ نرخ نيتروژن(۲۸۰-Kg/ha50) انجام گرفت(۹). Ulson و همكاران (

۲۰۰۲) يك سيستم هوشمند اعمال كود با دو شبكه عصبي ساختند كه خروجي شبكه عصبي اول نرخ اعمال را متناسب بامختصات GPS و خروجي شبکه عصبي دوم نرخ جريان را تخمين زند. نرخ جريان کود از طريق يک سوپاپ کره اي با عملگر الکتريکي کنترل مي شد . سوپاپ کره اي با موتور الكتريكي براي باز شدن كامل (از ۱۰ درجه تا ۹۰ درجه ) به زمان ۴/۰ تا ۱ ثانيه نيازمند است كه اين مورد در كاهش بار سيستم هيدروليكي مؤثر بود همچنین بعد مهم اين پژهش پاسخ سريع سيستم مي باشد(۱۱).
هدف پروژه طراحي و ساخت كودپاش نرخ متغیر با استفاده از GIS ، GPSوفن آوری نرخ متغیر( VRT ) است به گونه ای که با استفاده از این ماشین می توان عملکرد نقاطی را که به مقدار کود مناسب وابسته هستند را به حداکثر رساند.

مواد و روش ها:

مزرعه مورد برسی ۷/۰ هکتار بود که در کرج کیلومتر ۵ جاده ماهدشت مرکز آموزش عالی امام خمینی وزارت جهاد کشاورزی قرار دارد (شکل ۱).

اولین قدم جهت اجرای کودهی با اهنگ متغیر ، تهیه نقشه نشانگر تغییرات نیتروژن خاک می باشد به همین منظور خاک را به شبکه های ۲×۲ جهت نمونه گیری تقسیم می کنیم. در مورد تهیه نقشه حاصلخیزی خاک روش متداول نمونه برداری شبکه ای از خاک سطح مزرعه می باشد ولی به علت هزینه دار بودن این روش از داده های فرضی میزان نیتروژن استفاده می گردد. برای نیل به این هدف موقعیت مکانی ۴ گوشه مزرعه توسط GPS گرفته شد.GPS مورد استفاده در این تحقیق از نوع GPS map 60CSX بود. از طرفی با توجه به اینکه در GPS خطای موقیت وجود دارد، موقیت ۴ گوشه ابتدا توسط دوربین نیوو ، اندازه گیری، مشخص و تثبیت گردید(شکل ۲) و سپس با استفاده از GPS ، موقعیت جغرافیایی این ۴ نقطه تعیین گردید.(شکل ۳).
برخی از ویژگی های دستگاه GPS map 60CSX عبارتند از:
۱٫ قابلیت ذخیره ۱۰۰۰ نقطه با اسم
۲٫ قابلیت ثبت ۱۰ مسیر که هر یک حاوی ۲۵۰ نقطه می باشند.

۳٫ قابلیت تعیین مسیر با ذخیره۲۵۰ مسیر که هر یک حاوی ۵۰ نقطه می باشد.
۴٫ ذخیره ۲۴ مگا بایت اطلاعات مربوط به جزئیات نقشه ها که امکان انتقال از طریق نقشه مرجع بروی CD Rom را فراهم می سازد.
انتخاب دکمه (mark) در روی دستگاه یک نقطه ثبت می گردد. میزان ماهواره های مورد نیاز جهت ثبت ۳ عدد می باشد. حداقل ماهواره قابل دسترس باید ۶ عدد باشد. پس از آن می توان جمع آوری داده را آغاز کرد. هنگام داده برداری روی زمین ۱۲ عدد ماهواره در دسترس بودند که این مورد وضوح و دقت داده برداری را بالاتر می برد.

شکل ۲: موقعیت یابی گوشه های مزرعه توسط دوربین نیوو

 

شکل ۳: موقعیت یابی نقاط مزرعه با استفاده از GPS
پس از جمع آوری داده GPS را از طریق یک کابل رابط به پورت Com1 کامپیوتر وصل کرده و داده ها از طریق نرم افزار map source به کامپیوتر ارسال می گردد . برای پردازش نقشه داده هارا به نرم افزار Arc view GIS می بریم با استفاده از این نرم افزار می توان کمیت های مربوط به

نمونه برداری را در یک جا جمع آوری و از آنها در کاربرد های مختلف بهره برداری نمود. در این نرم افزار داده های فرضی میزان نیتروژن خاک در شبکه های ۲×۲ و به توجه به موقعیت جغرافیایی آنها در مزرعه قرار داده شد.
داده های مربوط به میزان نیتروژن خاک و داده های مکانی مربوط به آنها نقشه ازت خاک را فراهم کرد.با توجه به اینکه میزان نیتروژن مورد نیاز جهت رشد خوب گیاه در منطقه مورد نظر ۵۰۰-۳۵۰ کیلوگرم در هکتار می باشد. میزان نیتروژن اعمالی را با توجه به مقدار فعلی نیتروژن خاک و گیاه مقدار مورد نظر برای رشد خوب در نرم افزار Arc view GIS تنظیم کردیم. نقشه مورد نظر جهت مدیریت اعمال کود پردازش شد. داده های موقیت جغرافیایی به صورت متریک در آورده شد و زمین در نقشه به شبکه های ۲×۲ تقسیم گردید به گونه ای که اعمال کود را به صورت متر به متر مدیریت کنیم. نقشه خاک تهیه شده را پس ازپردازش لازم به صورت دیجیتال در آورده و از طریق پورت خروجی کامپیوتر به میکروکنترلر داده می شود ، حال متناسب با نقشه ،اعمال کود صورت می گیرد.
طراحی و ساخت مدار الکترونیکی و نصب آن بروی کود پاش مایع:
برای کوپل کردن نقشه امکان ماشین در مزرعه به منظور توزیع کود در نقطه مورد نظر از یک انکودر شافت استفاده شد.( امتیاز استفاده از این دستگاه دیجیتالی بودن خروجی آن است که نیازی به مبدل آنالوگ به دیجیتال نمی باشد.) .خصوصیت این دستگاه نصب سریع ، قابلیت کالیبره آسان و خروجی استاندارد است. انکودر شافت مورد استفاده قابلیت نصب روی تراکتورها با قطر چرخ های متفاوت را دارا می باشد . مدل انکودر مورد استفاده AutonicsE50SB بود. که قطر شافت آن mm 6 بودو با برق ۲۴ ولت DC و mA 20 کار می کرد. به ازای هر دور شافت انکودر ۶۰۰ پالس از آن خارج می شد. انکودر شافت را توسط یک نبشی ۴*۴ ویک رابط مربعی شکل به ابعاد ۱۰*۱۰ سانتیمتر بر روی قسمت داخلی شافت چرخ جلوی سمت راست تراکتور جاندیر ۳۱۴۰ به قطر ۴/۱۲ میلیمتر قرار می دهیم. برای اتصال شافت انکودر بر روی قسمت داخلی شافت از یک قطعه استوانه ای لاستیکی به قطر ۵۰ سانتیمتر استفاده می کنیم. علت نصب انکودر بر روی قسم

ت داخلی شافت این است که انکودر همراه با چرخش جانبی تایر بچرخد تا در چرخش به طرفین تراکتور در انتهای زمین آسیبی به آن وارد نگردد. همچنین برای اینکه بکسوات چرخ تاثیری روی داده ها نگذارد انکودر را روی چرخ جلو نصب می کنیم(شکل ۴).
شکل ۴: قرار گیری انکودر بر روی شافت جلو

مقدار پالس صادره از انکودر به ازای ۲ متر جابجایی چرخ جلوی تراکتور برای ما با اهمیت دارد که این مقدار با کالیبره کردن انکودر در مزرعه به دست آمد. یک مسیر ۲۰ متری برروی زمین مشخص و میزان پالس صادره از آ ن را یادداشت کردیم . این آزمایش ۱۲ مرتبه و با سرعت km/hr 5 انجام داده شد. میانگین داده ها ۱۱۱۵ با انحراف معیار ۶ بدست آمد. این عملیات ۲ روز قبل از تست مزرعه ای دستگاه صورت گرفت. مقدار پالس صادره در حقیقت مکان ماشین در مزرعه را متر به متر گزارش کرده که باید به ورودی مدار الکترونیکی طراحی شده فرستاده شود تا با نقشه اعمال کود ذخیره شده در میکرو کنترلر کوپل گردد. مدار الکترونیکی با استفاده از میکرو کنترلر AVR طراحی و با زبان برنامه نویسی C نوشته شد. در مدار طراحی شده از یک شمارش گر جهت شمارش پالس های ایجاد شده توسط شافت انکودر استفاده می شود. پس از شمارش پالس ها داده های مربوط به مکان ماشین در مزرعه و میزان ازت مورد نیاز با همدیگر کوپل شده و خروجی آن شیر مغناطیسی نرخ متغیر را تحریک می کند. داده های فرضی مورد نیاز به صورت ماتریس ۶*۱۰۰ توسط یکی از توابع نرم افزار مطلب استخراج شد. بر روی مدار الکترونیکی یک LCD نصب شد که میزان ولتاژ خروجی ، میزان باز شدن دریچه شیر، شماره کرت و موقعیت مکانی در کرت را نشان می داد.
شیر تنظیم نرخ مورد نیاز جهت اعمال:
شیر نرخ متغیرمورد استفاده یک سوپاپ کنترل با عملگر مغناطیسی مدل SCS-magnetic ساخت سوئیس بود که میزان دریچه خروجی آن متناسب با میزان ولتاژ مستقیم داده شده به آن از صفر تا ۱۰۰درصد قابل تغییر است.
البته این شیر هم به صورت دستی و هم الکتریکی تحریک می شود. برخی ویژگیهای منحصربفرد شیر در جدول ۱ آمده است:

DC 0….۲۰V Positioning signal
<1s Positioning time
DC 0….۲۰V Positioning feedback
15 bar Nominal pressure
45 ْ Max temperature
جدول۱: ویژگیهای شیر مغناطیسی مورد استفاده

 

یکی از ویژگی های مهم این شیر رابطه خطی بین ولتاژ داده شده با موقعیت دریچه شیر است که در نمودار شکل۵ نشان داده شده است .

شکل ۵: رابطه خطی بین ولتاژ داده شده با موقعیت دریچه شیر

ورودی این شیر از خروجی مدار الکترونیکی گرفته می شود . همانگونه که از نمودارشکل۴ پیداست هر چه ولتاژ داده شده به شیر بالاتر باشد میزان باز بودن دریچه بیشتر است این شیر همچنین قابلیت بازخورد یعنی بازگشت به موقعیت قبلی را نیز در کمتر از ۱ ثانیه دارد .
شیر مورد نظر دو ورودی و یک خروجی ۲/۱ اینچ دارد که دو ورودی از دو شیر متفاوت روی کودپاش تغذیه می شود. خروجی را به دو قسمت بوم هدایت می کنیم تا میزان افت فشار در هر دو طرف یکسان باشد. شیر را در مدار بعد از پمپ و قبل از لوله پاشش کود مایع قرار میدهیم. همچنین ارتفاع نازل ها ۵/. متر و فاصله شان از هم نیز ۵/. متر است (شکل ۶).

شکل ۶: مکان قرار گیری شیر مغناطیسی بر روی سامانه کودپاش نرخ متغیر
این شیر متناسب با مکان مورد نظر روی زمین میزان نرخ پاشش مناسب را اعمال می کند. شکل کلی سیستم به کار برده شده به صورت شکل ۷ است:

شکل ۷: مدار کلی دستگاه

قبل از ورود دستگاه به مزرعه بایستی دقت دستگاه ، میزان تاخیر و سرعت دستگاه واسنجی شوند. بر همین اساس ارزیابی دستگاه هم بصورت آزمایشگاهی با شبکه های مجازی بر روی آسفالت و هم در مزرعه با شبکه های واقعی صورت گرفت. در این تحقیق پارامترهای میزان کود مصرفی در هر دو شیوه اعمال کود به صورت ویژه مکانی و یکنواخت مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین میزان دقت و خطای اعمال دستگاه در هر کرت اعمال ویژه مکانی در هر دو تست آزمایشگاهی و مزرعه ای مورد بررسی قرار گرفت. پس از انجام آزمایشات و ثبت اطلاعات ،داده ها مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفتند.

نتایج وبحث:
میزان کود مصرفی : مقایسه میانگین میزان کود مایع مصرفی در کرتهای با اعمال ویژه مکانی و کرت های اعمال یکنواخت در نمودار شکل ۸ آمده است.

 

شکل ۸: نمودار مقایسه میانگین میزان کود مایع مصرفی در کرتهای با اعمال ویژه مکانی و کرت های اعمال یکنواخت

همانگونه که در نمودار معلوم است. میزان کود مصرفی در کاربرد ویژه مکانی به طور میانگین ۵۲/۱۹۴۹ میلی لیتر و در کاربرد یکنواخت ۴۶۸۰ میلی لیتر ( به ازای هر ۴ نازل و ۵۰ متر ح

رکت) می باشد . این موضوع بدین معناست که در شیوه کاربرد ویژه مکانی کود مایع ۳۴/۵۸ در صد صرفه جویی در مصرف کود شده است.
نمودار شکل ۹ مقایسه میان اعمال کود به هر دو شیوه را در هر ۶ کرت نشان می دهد.

شکل ۹: نمودار مقایسه میان اعمال کود به دو شیوه اعمال خاص مکانی و اعمال یکنواخت در هر کرت

زیاد شدن یا کم شدن میزان کود مصرفی در شیوه اعمال ویژه مکانی وابسته به میزان نیاز کودی زمین از داده های فرضی داده شده است. در حالی که میزان کود مصرفی در شیوه اعمال ویژه مکانی همواره ثابت است و ربطی به تغییرات ازت خاک ندارد.

بررسی دقت سامانه اعمال ویژه مکانی:
منظور از دقت دستگاه پاشش کود مایع در محل شبکه های مشخص شده می باشد. برای اندازه گیری دقت سامانه میزان تاخیر یا تعجیل دستگاه در پاشش بروی محل های مورد نظر علامت گذاری گردید. دقت دستگاه خیلی خیلی وایسته به عملکرد صحیح انکودر شافت می باشد زیرا شیر نرخ متغیر در کمتر از ۱ ثانیه به دستورصادره از مدار واکنش نشان داده و نرخ مورد نیاز را اعمال می کند. خطا در داده های ارسالی از انکودر شافت به دو دلیل می باشد:
۱) سرش شافت انکودر بر روی قسمت داخلی شافتکه باعث می شود دستگاه بعد از منطقه مورد نظر پاشش کند (تاخیر).
۲) لرزش های تراکتور که به خاطر ایجاد پالس اضافی در مدار انکودر باعث می شود دستگاه قبل از منطقه مورد نظر پاشش کند.(تعجیل)