Akuatik Akıllı Sulama Sistemleri

06 Mart 2015 Dergi: Ocak-Şubat 2015

Murat AYDOĞDU                  

 GAP Tarımsal Araştırmalar Enstitüsü, Şanlıurfa

 Özet

 İdeal bitki gelişimi için toprakta yeterli nemin bulunmaması halinde, sulama yapılarak optimum verim elde edilir. Özellikle kurak ve yarı kurak iklimlerde bitki ihtiyacından fazla su kullanılması halinde taban suyu ve dolayısıyla tuzlulaşma problemi meydana gelmektedir. Tuzluluğun şiddeti ve mevsimsel değişimi bitki çeşidine göre farklı şekilde zarar vererek verimi düşürmektedir. Kablosuz Algılama Ağları son zamanlarda oldukça gündemde olan ve birçok alanda uygulanabilen yeni bir teknolojidir. Kablosuz algılama ağları kullanılarak ortamla etkileşimli olarak veri toplanabilmekte, bu veri bilgiye dönüştürülmekte, kolektif bir şekilde değerlendirilebilmekte ve gerektiğinde bilgiye dayalı olarak ortam üzerinde değişiklikler yapılabilmektedir. Kablosuz Algılama Ağları (K2A), birbirleri ile kendi aralarında kablosuz iletişim kurabilen, bünyesinde farklı tür ve özelliklerde algılayıcılar barındırabilen, kablosuz algılama birimlerinden oluşmuş yapılardır. Mikroelektromekanik Sistemler (MEMS) ve Radyo Frekanslı Sistemlerdeki (RF) hızlı gelişim; az güç tüketen, ucuz, ağ üzerinde kullanılabilir mikro algılamaların geliştirilmesini olanaklı kılmıştır. Bu algılama düğümleri çeşitli fiziksel bilgilerin; sıcaklık, nem, tuzluluk vs. tespitini sağlamaktadır. Toprak nemi ve tuzluluk bilgilerinin değerlendirilmesi sonucu bitkinin ihtiyacı kadar sulama yapılmasını sağlayan bu sistemin projesi GAP Tarımsal Araştırma Enstitüsü’nde yapılmıştır ve halen devam etmektedir.

 Anahtar Kelimeler: Toprak nemi, tuzluluk, kablosuz algılama ağları, akıllı sulama sistemleri.

 Giriş

 Projenin (Tagem-bb-090202j03) tam adı "Kablosuz algılama ağları kullanılarak toprak nemi ve tuzluluğun geniş alanlarda izlenmesi" şeklindedir. Proje esas olarak yapılan programlamaya (günlük 1dakikadan 1440 dakikada kadar istenen sıklıkta ölçüm yaptırılabilir) göre tarlaya montajı yapılan istasyonda toprak nemi ve tuzluluğu sensörlerle ölçülür. Yine istasyonda bulunan radyo frekansı (2.4Ghz) sinyali dönüştürücü (zigbee ünitesi) bu ölçümleri radyo frekansı (RFID) olarak gönderir. Bu sinyal toplayıcıya gelir (sistem point to point yapıda diğer bir deyişle noktadan noktaya çalışmaktadır. Toplayıcı sinyali gönderen üniteyle aynıdır. İstasyonlar tarlaya monte edilirken sinyali gönderen ve toplayan üniteler programlamayla tanımlanır). Bu toplayıcı (üzerine bağlı debisi yüksek anteni vardır) bilgisayara USB bağlantısıyla bağlıdır. Bilgisayarda kurulu ve yine projenin bir parçası olan TARVER pro yazılımı (adını tarla verilerinin profesyonel toplanması kısaltması olarak düşünülmüştür) vardır. Toplayıcı tarladaki istasyonlardan toprak nemi ve tuzluluk ölçüm değerlerini içeren sinyali (belirlenen zaman günlüğüne göre1 dak.-1440 dak.) alır. Bu sinyal TARVER programında anlamlı grafik ve rakamlarla operatöre sunulur. Operatör topraktaki neme ve tuzluluk durumuna bakar (TARVER programında hem tuz, hem toprak nemi hem de toprak sıcaklığı gibi değerler için kritik seviye ikazı yaptırılabilir). Eğer sulama ihtiyacı varsa (bitki cinsinin su tüketimi esasına göre) programa sulamayı başlat komutu verir. Bu sinyal bu defa tersi yolu izleyerek toplayıcıdan istasyona gider. Her istasyonda röleler (aç-kapa komutunu selanoid vanalara gönderen parça) vardır. Gelen komuta göre istasyon röleleri açar ve sulamayı başlatır. Bu arada istasyondaki sensörler nemi ve tuzu toplayıcıya geri bildirim olarak (istene sıklığa göre) göndermektedir. Operatör TARVER programında nemin ve tuzun değişimini görmektedir. Toprak istediği (bitki cinsinin ihtiyacı ve tuz toleransına göre) nem ve tuz seviyesi gelince yine programa rölelere kapa komutu gönderir. Toplayıcıdan sinyal olarak istasyona giden bu komut selenoid vanaları kapatır. Sistem karşılıklı iletişim protokolleri ile çalışmaktadır. Tarla şartları düşünüldüğünde elektrik ihtiyacı ise istasyonlara konulan 20*20 cm'lik güneş panellerinin şarj ettiği minik bataryalarla (4.6 volt) sağlanmıştır. Ya da 3 adet kalem pille de istasyon çalıştırılabilmektedir. Yine toplayıcı ünitede de pil veya akü desteği mevcuttur. İstasyon ve röle modüllerinin bulunduğu elektronik kartlar tarla şartlarında çalışacağı için dış şartlara uygun kutulara yerleştirilmiştir (IP 65 protokolu). Sistem 1-3 km menzil alanında çok rahat haberleşmektedir. Bu menzil yüksek db antenlerle artırılabilir.

 Materyal ve Metot

 Montaj: Proje materyalleri kabulüyle montaja başlanmıştır. En az iki yıllık bir zaman diliminde tarla şartlarında denenecek olan elektronik kartlar IP65 protokolü olan kutulara (Haberleşme modülü ve kontrol ünitesi kartları) yerleştirilmiştir. IP koruma sınıfı, elektriksel bir muhafazanın sağladığı çevresel korumayı derecelendirmek için Avrupa Komisyonu (CENELEC-Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) tarafından geliştirilmiş bir standarttır (NEMA IEC 60529 Degrees of Protection Provided by Enclosures). IP Sınıflaması genelde 2 rakamdan oluşur.

1) Katı cisim ya da malzemelere karşı koruma

2) Sıvılardan koruma (su).

 IP Koruma sınıflarını bir örnek ile incelemek gerekirse; IP 54 koruma sınıfına ait bir elektriksel malzemenin koruma derecesi :- 5 rakamı kati cisimlere karşı olan korumayı, - 4 rakamı ise sıvılara karşı olan konuma sınıfını belirtir (https://www.erasistem.com/sss/soru/ip-koruma-sinifi-nedir). Kutular, kartlar ve materyallerin bir kısmı aşağıdaki fotoğrafla gösterilmiştir.

Projenin gücü, pille veya akü ile çalışılabilecek şekilde dizayn edilmiştir. Pil ile kullanılacağında 4 adet AAA pille, akü ile çalıştırılacağı zaman ise 6 Volt’luk bir akü sistemi çalıştırmaya yeterli olacaktır. Ayrıca fotovoltaik panelle desteklenen güç ünitesi sürekli şarj edilebileceği elektrik bağımlılığı başlangıçtan itibaren proje için sorun olmamıştır. İstasyonun tarlada duruşunu ayak ve gövde sağlamıştır. Gövde iç içe geçebilen 1.5 metrelik iki parçadan ve orta noktasında sabitlemeyi sağlayan ayar civatasından oluşmuştur. Gövde bitki boyu dikkate alınarak 2.7 metreye kadar uzatılabilmektedir. Bu da RFID haberleşmesinde sinyal kaybını ortadan kaldırmıştır. Ayak ise tarla şartlarında üzerindeki materyali taşımak üzere özgün olarak tasarlanmıştır. Gövde içinden geçerek toprağa 30 cm girecek şekilde üç bacak ve toprağa batan üç tırnak şeklinde tasarlanmıştır. Aşağıdaki fotoğrafta bu ekipmanlar görülmektedir. 

İstasyon: Bir istasyon güneş paneli, toprak nem ve tuz sensörlerinin de bağlı olduğu mainboard ve radyo frekansı ünitelerini içeren haberleşme modülü, sulama röleleri, akü, şarj ve regüle bölümlerinden oluşan kontrol ünitesi ve toprak nemi ve tuzluluğu ölçmede kullanılan sensörlerden oluşmaktadır. İstasyon RFID haberleşme sisteminde 2.4 Ghz bantında çalışmaktadır. Sistem RF ünitesi noktasal (point to point olarak) yapıda çalışmaktadır. Her RF kartı programlanarak istasyon (client)  veya istasyonların gönderdiği RF verileri bilgisayar programı ortamına aktaran koordinatör (coordinator) olarak atanabilir. Bu işlem yazılım olarak tanımlanır ve alt haberleşme ayarları yapılabilecek yapıdadır. Bir tarlada birden fazla koordinatör ve bu koordinatörlere bağlı farklı sayıda istasyon olabilir. Koordinatör bilgisayara RS232 protokolü ile bağlıdır. İstenirse pille, istenirse adaptör ara birimiyle şebeke ile kullanılabilir. Koordinatörün alt frekans protokolüne göre yapılandırılan istasyonlar RFID olarak çalışır. Koordinatörün komutlandırmasına göre 1 dakikadan 1440 dakika aralığında uyanır, veri toplar radyo frekansına çevirir ve koordinatörüne gönderir. Verini bir örneğini yapısal olarak üzerinde bulundurduğu belleğe kaydeder ve bir sonraki zaman protokolünde uyanmak üzere uyur. Montajı tamamlanmış istasyon aşağıda verilmiştir.

Bu istasyonlar GAP001’den adlandırılmaya başlanılmış, GAP050 ile bitmiş olup, her cihazlar bütünü istasyon olarak adlandırılmıştır. İstasyonlar koordinatöre RF sinyallerini göndermektedir. İstasyonlar yapılan programlamaya göre (1 dakikadan 1440 dakikaya kadar olan aralıkta) uyanmakta topraktaki nemi(15-45-75cm derinlikten) ve tuz sensörleriyle (eğer varsa 15 cm derinlikten) haberleşerek verileri almaktadır. Bu verileri RF sinyaline dönüştürerek koordinatöre göndermektedir. Koordinatör Sistem odasında yapılandırılmıştır. Koordinatör istasyonlardaki haberleşme modülleriyle aynıdır. Farklı olarak yüksek dB bir anten ilave edilmiş ve elektrik kesintilerini engellemek üzere güç kaynağı olan yazılımın çalıştığı bilgisayara RS232 portuyla doğrudan bağlıdır. Sistem point to point (noktadan noktaya) yapıda olup koordinatör her istasyonun bilgilerini bu şekilde alıp yazılıma iletmektedir. Yazılım TARVER pro olarak adlandırılmıştır. TARVER pro yazılımı SQL tabanlı arşiv ve SCADA (Danışmalı kontrol ve veri toplama sistemi) yazılımı olarak çok sayıda kullanıcıya eş zamanlı giriş izni verebilmekte ve bu kullanıcıların yetki seviyeleri iki farklı statüde tanımlanabilmektedir. Ayrıca dahili kontrol desteği sayesinde sistem DEBUG yapabilmektedir.  Bu sayede sistem çalışması ile ilgili süreç izlenebilir.

 Proje aplikasyon şeması: Proje, Talat Demirören Araştırma İstasyonu’na Mayıs-Haziran ayında kurulmuştur. Aşağıda görüldüğü üzere aplikasyon noktaları GPS(Küresel Konumlama Aygıtı) kullanılarak parsel bazında grid oluşturacak şekildedir. Ayrıca kontrol odası tüm sistemin verilerinin toplandığı anten, koordinatör, bilgisayar, kesintisiz güç kaynağını barındırmaktadır. Projeyle ilgili montaj, ölçüm, tartım ve kontrol birimleri burada bulunmaktadır. 

 Parsel künyeleri ve istasyonların durumu: İstasyonlar parsel bazında tarlaya kurulmuştur. Her parsel içinde istasyonların aralarındaki yatay ve düşey mesafeler farklı şekillerde ve gridlerde denenmiştir.

 Yazılım: Tarver Pro programı, X24 serisi cihazlarla çalışmak için geliştirilmiş SQL tabanlı bir arşiv ve SCADA yazılımıdır.  Program 128 kullanıcıya kadar eş zamanlı giriş izni verebilmekte ve bu kullanıcıların yetki seviyeleri 2 farklı statüde tanımlanabilmektedir.

 ADMIN:

Bütün sisteme erişim yetkisine sahiptir.

 USER:

 Sadece anlık durumu izleme yetkisine sahiptir.

 Program çalıştırıldığında ilk gelen ekranımız login ekranımızdır. Tanımlı olan kullanıcı adlarından birisi ile ve parola kontrollü olarak giriş yapılır.

Login olduğumuzda karşımıza ana menü gelecektir. Bu menü üzerinden ulaşmak istediğimiz alt menüye geçiş yapabilir ve istediğimiz takip veya ayarlamaları yapabiliriz. 4 alt menümüz vardır; Anlık Takip, Raporlar, Ayarlar, Tarver Pro (Hakkımızda) şeklindedir. Bu projedeki temel beklentim, su ve enerji tasarrufu sağlayarak sürdürülebilir (tuzluluk kontrolüyle) tarım yapacak bir sulama sistemi geliştirmektir. Sistem başta sadece toprak nemi ve tuzluluğu ölçmek şeklindeydi. Ancak grup toplantılarında sistemin sulama yapması olanağının da araştırılması istendi. Aslında en büyük handikabın haberleşme ve yazılım olması bekleniyordu. Ancak bu ikilinin yanında son 6-7 yıldır çeşitli üniversite araştırma projelerinde de kullanıldıkları söylenen toprak nemi ve tuzluluk sensörlerinin ülke topraklarına göre kalibre edilmemiş olduğu tespit edildi. Hatta kalibrasyonun nasıl olacağı da netlik kazanmayan konulardandır. Kalibrasyonun nasıl yapılacağı metodunu geliştirmek ve Harran Ovası (vertisol tip) toprakları için ölçüm değerlerinin kalibrasyonu 1 yıl uzatma olarak yansıdı. Sulama modüllerinin de sisteme eklenmesi yine 1 yıl uzatma (grup toplantısından bütçe istenmesi için) ile olmuştu. Genel durumu özetlecek olursak, sistem haberleşme olarak % 5 arıza seviyelerinde çalışmaktadır. Toprak nemi sensör kalibrasyonunda R^2= 0.939 seviyeleriyle formül tamamlanmıştır (Harran Ovası vertisol tipi toprak yapısına göre). Tuz sensörleri kalibrasyonu da tamamlanmıştır. Tuz sensörleri kalibrasyonu için hem saf sudan başlayarak tuz miktarını artırmak suretiyle kalibrasyon yapılmıştır. Hem de EC’leri bilinen 25 adet toprak örneği birebir metoduyla satüre edilerek oluşan çözeltiden sensörlerle ve EC ölçüm cihazıyla paralel okumalar yapılarak R^2= 0.90 düzeyinde kalibrasyon tamamlanmıştır. Ayrıca üç yıldır arazide gömülü olan sensörlerin korozyon ölçümleri için edinilen yeni sensörlerle paralel okumalar yaptırılarak durumları değerlendirilmiştir. Sensörlerin saha dayanımları kabul edilebilir sınırlar içinde olduğu tespit edilmiştir. Tüm sistemin saha korozyonlarına bakıldığında genel olarak dayanım çok iyi görülmüş sadece 6V’luk akülerin yenilenmesi gerekmiştir.

 Sonuç

 Doğru sulamanın ürün kalitesi ve ürün miktarında artışla orantılı olduğu bilinir. Çevrenin zamana ve konuma bağlı olarak değişkenlerinin bilinmesinin, çiftçi bazında ekim planını nasıl etkilediği de bilinir. Örneğin; toprak özelliklerinin bilinmesi, meteorolojik koşulların bilinmesi toprak neminin bilinmesi ve bu doğrultuda yapılan sulama takvimine göre üretimde daha az su ve daha az enerji kullanımı ile ürün kalitesini ve miktarını arttırabilir. Unutulmamalıdır ki Toprak ve Su kaynakları sınırsız değildir.

Su bütçeleme ve Sulama otomasyonu noktasında Projenin özgünlüğü kablolu telefondan cep telefonuna geçiştir. Aynı şekilde de gelişim süreci olması beklenmektedir.

Projenin sürekli gelişmeye ihtiyacı vardır. Patent süreci devam etmektedir. Sistemin Araştırma Enstitülerimizde denenmesi, sensörlerin farklı topraklarda kalibrasyonu ve diğer Araştırma Enstitülerinde yaygınlaştırılması gerektiği kanaati ön plana çıkmıştır. Bu amaçla 2014 yılında Grup kararıyla 11 Enstitünün yer alacağı ve materyallerin(her Enstitüye 3 istasyon, bir koordinatör ve Tarver yazılımının olduğu taşınabilir bilgisayar) yerinde kurulumu ile Çatı Projeye dönüşecektir. Bu Enstitülerimizde projeye dahil olacak araştırmacılarla yaygınlaşma ve bu yeni yaklaşımın son kullanıcı olan çiftçiye dönük araştırmaları yapılacaktır. Akuatik şeklinde yeni modeliyle de Çiftçimize hizmet vermek üzere uygulamaya aktarılacaktır. Proje 2014 yılında TURMEPA Deniz Temiz Derneğinin düzenlediği Yıldız Holding’in desteklediği “Elini uzat, Geleceğe temiz su bırak” Su kaynaklarının korunması ve geleceğe aktarılması konulu TURMEPA SABRİ ÜLKER Çevre Ödülü 2014’ de 500’den fazla proje katılımından 1.’liğe layık görülmüştür.


Etiketler


Slider Altına