مدیریت هوشمند سامانه های جمع آوری آب باران برمبنای اینترنت اشیاء

Abstract

کمبود آب یک مسئله تشدید شونده است. بر اساس گزارش سازمان ملل، تا سال 2025 تقریباً 20 درصد از جمعیت انسانی را تحت تأثیر قرار خواهد داد. تا سال 2040، تقریباً از هر 4 کودک در سراسر جهان، یک نفر در مناطقی با تنش شدید آبی زندگی خواهد کرد. تغییرات آب و هوایی و افزایش جمعیت دلایل اصلی این امر هستند، اما آنها تنها نیستند: فروپاشی زیرساخت‌ها و سیستم‌های توزیع، آلودگی، درگیری، فشار زیاد به سیستم‌های آبی، و مدیریت ضعیف منابع آب تنها تعدادی از عوامل انسانی هستند که باعث می شوند مردم از حق داشتن آب سالم و بهداشتی محروم شوند. هنگامی که آب کمیاب است، سیستم‌های فاضلاب ممکن است از کار بیفتند و خطر ابتلا به بیماری‌هایی مانند وبا، حصبه و سایر بیماری‌های منتقله از طریق آب افزایش می‌یابد. مدیریت هوشمند با استفاده از اینترنت اشیاء این توانایی را دارد که این شرایط نگران کننده را بهبود دهد. سیستم‌های نظارت و مدیریت هوشمند آب، مبتنی بر ترکیب حسگرها، داده‌های بزرگ و فناوری‌های هوش مصنوعی، می‌توانند توانایی اندازه‌گیری، نظارت و کنترل شبکه‌های جمع آوری و توزیع آب و همچنین کیفیت آب را در اختیار اپراتورهای آب، کشاورزان و شرکت‌ها قرار دهند. ضایعات کمتر، مصرف کمتر و مدیریت بهتر کیفیت آب می¬تواند به طور چشمگیری حفظ منابع سیاره ما را بهبود بخشد. استحصال آب باران یکی از قدیمی ترین روش هایی است که برای حفظ و بهینه سازی منابع آب مورد استفاده قرار می گیرد. امروزه تأسیسات دولتی و خصوصی زیادی وجود دارد که سیستم های جمع آوری آب باران در آن¬ها ساخته شده و مورد استفاده قرار گرفته اند. با این حال، معمولاً نمی توانند کیفیت آب ذخیره شده را آزمایش کنند و یا مکانیسمی برای تصفیه محتوای ناخالص جهت قابل مصرف کردن آن¬ها ندارند. همچنین نمی توانند میزان آب جمع آوری شده را تخمین زده، از سرریز مخزن جلوگیری کنند، میزان بارش را اندازه گیری کنند، یا در مصرف انرژی برای پمپاژ آب صرفه جویی کنند. بسیاری از تکنیک های شناخته شده برای استانداردهای امروزی ابتدایی هستند. سیستم های موجود ویژگی های اتصال، تصفیه آب یا اقدامات اضطراری برای مقابله با هر مشکلی را ارائه نمی دهند. معمولاً این سیستم‌ها بر روی بلاک چین، هوش مصنوعی و برخی حوزه‌های دیگر ادغام می‌شوند تا یک الگوی جدید را ایجاد کنند. با این حال، نتایج بدست آمده به طور کلی یک ترفند محسوب می شوند و برای استفاده عمومی مفید نیستند. این عدم سازگاری و ویژگی‌های بدون راه‌حل مؤثر نیاز به اصلاح دارد و برای ساختن یک سیستم یکپارچه، ایمن و کم زحمت، به ارتقای واقعی نیاز است. بنابراین، یک رویکرد یکپارچه برای تسهیل فرآیند مقابله با این مشکلات، که در آن یکی از حوزه‌های اصلی در فناوری، مانند اینترنت اشیا، استفاده می‌شود، ضروری است. اینترنت اشیا (IoT) شبکه‌ای از اشیاء فیزیکی را توصیف می‌کند که با حسگرها، نرم‌افزارها و سایر فناوری‌ها به منظور اتصال و تبادل داده با دستگاه‌ها و سیستم‌های دیگر از طریق اینترنت تعبیه شده‌اند. این دستگاه¬ها از اشیاء خانگی معمولی گرفته تا ابزارهای صنعتی پیچیده را شامل می شود. میکروکنترلرها و حسگرها - مانند سنسورهای اولتراسونیک، سنسورهای جریان، دما، شوری، رسانایی، رطوبت، فشار یا سنسورهای درخشندگی - که روی لوله‌ها یا پمپ‌ها قرار می‌گیرند، سطح آب، جریان، دما و کیفیت آب را در زمان واقعی اندازه‌گیری می‌کنند. هشدارهای پیام و داده‌های تولید شده توسط حسگرها از طریق اینترنت به یک سرور ابری منتقل می‌شوند، جایی که پردازش و تجزیه و تحلیل می‌شوند، گاهی اوقات با کمک هوش مصنوعی، و برای مشاوره کاربر به پایانه ارسال می‌شوند. سپس این سیستم می تواند استفاده و کیفیت منابع آب را کنترل و تنظیم کند و همچنین تعمیر و نگهداری تجهیزات پیش فرض را تسهیل کند. استفاده از میکروکنترلرها و حسگرهای مختلف و متنوع بستگی به هدف ما از سیستم مورد استفاده دارد. در بسته هوشمندسازی پیشنهادی می توان از ماژول های مختلفی استفاده کرد. ماژول بارش دربرگیرنده باران سنج و سنسور بارش می¬تواند لحظه آغاز بارندگی، میزان بارش و شدت بارش را مشخص کرده و در ارتباط با یک نرم افزار محاسباتی و با داشتن جنس و سطح حوضه آبگیر، حجم آب ورودی به مخزن را تخمین بزند. ماژول بعدی می¬تواند برای جداسازی بارش اولیه (first flush) و بارش های اسیدی (pH<5) مورد استفاده قرار بگیرد. درصورتی که pH کمتر از 5 باشد و یا میزان گل آلودگی (NTU) بیشتر از 15 باشد، دریچه جداکننده بارش اولیه باز شده و بارش اسیدی یا گل آلود از سیستم خارج می شود. در این سیستم می توان از دو تانک ذخیره استفاده کرد. در مواقعی که pH>=5 و NTU<=15 باشد از مخزن شماره یک (آب غیرشرب) و در صورتی که pH>5.5 و NTU<=2 باشد از مخزن شماره دو (آب مناسب آشامیدن) برای ذخیره سازی استفاده می شود. در صورتی که آب کمی اسیدی باشد (pH حدود 5.5 تا 6) آنگاه می توان با گذردادن آب از یک فیلتر خنثی کننده pH ، میزان اسیدیته را به حدود 6.5 تا 7 رساند. برای هدایت آب در جهت مخزن یک یا دو می توان از یک شیر آب اتومات سلنوئیدی استفاده کرد. سنسور اولتراسونیک می¬تواند سطح آب مخازن را اندازه گرفته و در صورتیکه نیاز باشد جهت جلوگیری از سرریز مخزن، آب را به مخزن اضطراری و یا به دستگاه آبریز هدایت نماید. در مواقعی که بخواهیم از مخزن شماره یک جهت آبیاری باغچه خانگی استفاده کنیم می¬توان با قراردادن سنسور رطوبت داخل خاک و با تعریف آستانه رطوبتی، آب را از مخزن شماره یک بسمت نازل های درون باغچه بصورت خودکار پمپاژ نمود. با اتصال کلیه سنسورها به یک بورد بنام Arduino و تحت یک برنامه نرم افزاری منبع باز به همین نام، سیستم جمع آوری آب باران از سطح پشت بام یا هر سطح دیگر را می¬توان بصورت هوشمند مدیریت نمود. در واقع Arduino با دریافت ورودی‌ها از سنسورهای مختلف، محیط را حس کرده و با کنترل دریچه ها، موتورها و سایر محرک‌ها بر محیط اطراف خود تأثیر می‌گذارد. لازم به یادآوری است که جهت تأمین انرژی این سامانه می¬توان از صفحات و باطری های خورشیدی استفاده کرد.