مقدمه
به‌طورکلی تجهیزاتی که در گلخانه‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند، دستگاهها و وسایلی هستند که قادرند شرایط اقلیمی خاصی را در داخل گلخانه بصورت مصنوعی ایجاد نمایند که به کلی با شرایط محیط خارج از گلخانه متفاوت باشد. ازآنجایی‌که عوامل محیطی در داخل گلخانه به دلیل تغییرات تشعشع خورشیدی، دما و رطوبت هوای بیرون، سرعت و جهت باد و مقدار تراکم گیاهی به‌سرعت در حال تغییر می‌باشند، کنترل مداوم و دقیق شرایط محیطی گلخانه به دلیل حساس بودن گیاهان گلخانه‌ای امری مهم و ضروری در صنعت پرورش این‌گونه گیاهان هست. بطوریکه مدیریت ضعیف شرایط محیطی، موجب زیان‌های غیرقابل‌جبران اقتصادی می‌گردد. از فواید کنترل مناسب در گلخانه می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:
۱- موجب صرفه‌جویی فراوان در مصرف انرژی (برق و سوخت) و افزایش راندمان مصرف انرژی به دلیل وجود کنترل‌کننده‌های دقیق با تعیین کارکرد به‌موقع تجهیزات گرمایش و سرمایش می‌شود.
۲- کنترل‌کننده‌های اتوماتیک و نیمه اتوماتیک نیاز به تکنسین‌های باتجربه را کم کرده و با فراهم کردن شرایط مناسب محیطی موجب افزایش راندمان نیروی انسانی می‌گردد.
۳- مدیریت بهینه گلخانه با استفاده از دریافت اطلاعات صحیح و به‌موقع از سیستم کنترل‌کننده امکان‌پذیر است.
۴- کنترل دقیق دما و رطوبت باعث جلوگیری از شیوع بیماری‌ها و آفات و کاهش مصرف سموم مختلف می‌شود.
۵- استفاده صحیح و به‌موقع از سیستمها و تجهیزات داخل موجب کاهش فرسودگی تجهیزات می‌شود.
روش‌های کنترل اقلیم گلخانه:
به‌طورکلی بر اساس سطح تکنولوژی مورداستفاده در گلخانه روش‌هایی شامل کنترل دستی، کنترل ساده، کنترل مرحله‌ای و کنترل کامپیوتری به‌طور همزمان و یا به‌تنهایی جهت کنترل اقلیم گلخانه مورداستفاده قرار می‌گیرند.
در روش کنترل دستی نیاز به یک کارگر باتجربه علمی وجود دارد. در این روش حضور مداوم و مستمر تکنسین و یا کارگر ضروری می‌باشد. با این وجود این روش به دلیل عدم کنترل خودکار و دقت کم در فراهم نمودن شرایط مطلوب محیطی از راندمان تولید بهینه و بالایی برخوردار نخواهد بود.
در روش کنترل ساده از تجهیزات اندازه‌گیری مناسب‌تری نظیر تایمر و ترموستات‌ها استفاده می‌شود. ترموستات‌ها، تایمرها و رطوبت‌سنج‌ها ابزارهای قابل‌اعتماد و ارزان‌قیمتی هستند که کار آن‌ها تنها محدود به روشن و خاموش کردن تجهیزات در واکنش به تغییرات دمایی یا رطوبت نسبی می‌باشد. این کنترلهای ساده خاموش و روشن، نمی‌توانند شرایط محیطی را به‌صورت واقعی تنظیم کنند، چون آن‌ها قادر نیستند چگونگی دما و رطوبت نسبی را از نقطه تنظیم حس کنند و یا اینکه نمی‌توانند چگونگی تغییر سریع دما و رطوبت را حس نمایند و ولی به دلیل دقت کم در کنترل مصرف انرژی، بهره‌وری گلخانه‌های تجاری را کاهش می‌دهند.
درروش کنترل مرحله‌ای مجموعه‌ای از ترموستات‌ها و تایمرها باهم ادغام گردیده تا انجام یک سری عملیات پیوسته را بر اساس تغییرات شرایط محیطی گلخانه انجام دهند. این مجموعه از طریق یک کامپیوتر به هم مرتبط گردیده و از طرف دیگر با عملگرها نیز در تعامل می‌باشند. این روش کنترل برای گلخانه‌های تک محیطی مناسب می‌باشد.
سیستمهایی از این نوع می‌توانند بین شش الی هشت مرحله پیوسته سرمایش و گرمایش را کنترل نمایند. برای مثال اگر درجه حرارت تا حد معینی بالا رفت دریچه‌های سقفی باز شوند، اگر درجه حرارت از مرحله تنظیمی دوم بالاتر رفت علاوه بر باز نمودن پنجره‌های سقفی، هواکش‌های تخلیه هم بازشوند و اگر درجه حرارت خیلی بالا رفت سیستم خنک‌کننده نیز بکار افتد؛ بنابراین کنترل‌کننده‌های مرحله‌ای دو مزیت عمده دارند، اول اینکه عملیات مختلف را به‌صورت مرحله‌ای پشت سر هم انجام می‌دهند و دوم اینکه کنترل می‌تواند از راه دور باشد یعنی حسگرها در محیط گلخانه‌ای وظیفه ثبت و اندازه‌گیری عوامل محیطی را بر عهده بگیرند و کنترل‌کننده که می‌تواند یک کامپیوتر باشد در خارج از گلخانه کنترل عملگرهای مختلف را به عهده داشته باشد. با توجه به موارد فوق ابن نوع کنترل‌کننده‌ها بهترین کنترل‌کننده می‌باشند.
کامپیوترها و ریز حسگرها می‌توانند از نرم‌افزارها و یا مدارهای سخت‌افزاری استفاده کنند که منطق را در تصمیم‌گیری در مورد مقدار واقعی حرارت (گرما) و یا جریان هوای موردنیاز برای ایجاد شرایط محیطی مطلوب بکار گیرند.
کنترل‌کننده‌های کامپیوتری درواقع نوع گسترده کنترل مرحله‌ای می‌باشند به‌طوری‌که قابلیت برنامه‌ریزی و تطبیق‌پذیری در شرایط مختلف رادارند. این تجهیزات به‌گونه‌ای طراحی می‌گردند که می‌توانند کنترل و هماهنگی عوامل محیطی مثل دما و رطوبت را در چند ناحیه به عهده داشته باشند. البته با افزایش تعداد نواحی تحت کنترل، هزینه راه‌اندازی سیستم نیز افزایش خواهد یافت. کنترل عوامل محیطی در هر ناحیه با استفاده از یک کامپیوتر که نقش رابط بین حسگر و عملگرها را بازی می‌کند، صورت میگیرد. به‌منظور هماهنگی بین نواحی مختلف گلخانه، تمام کامپیوترها به یک کامپیوتر مرکزی متصل می‌گردد. ازآنجایی‌که معمولاً اطلاعات دریافت شده از حسگرها به‌صورت آنالوگ می‌باشد، با استفاده از یک مبدل به مقادیر رقومی تبدیل می‌گردد. همین‌طور دستوری خارج شده از کامپیوتر برای عملگرها نیز که به‌صورت رقومی هستند، تبدیل به علائم آنالوگ شده تا عملکرد خاصی را بکار انداخته یا از کار بیندازد. کنترل‌کننده‌های کامپیوتری می‌توانند علاوه بر کنترل عوامل محیطی کنترل فعالیت‌های دیگری نظیر آبیاری، کود دهی، سیستم گرمایش و تزریق دی‌اکسید کربن و غیره را با کنترل هماهنگ و همزمان به نحو مطلوبی انجام دهند.
حسگرها
فناوری حسگر موضوع مهمی برای سیستمهای کنترلی مختلف است. دقت و پاسخ‌دهی سیستم کنترل به‌وسیله دقت و پاسخ‌دهی حسگرهایی که در آن بکار رفته است محدود می‌شود. یک کامپیوتر ممکن است قادر به قرائت یک حسگر چندین با در ثانیه و تبدیل ارزش آن تا کمترین حد ممکن باشد˛اما اگر حسگر ۲ دقیقه زمان برای پاسخگویی به تغییر صرف کند، ارزش کمی برای سیستم دارد؛ بنابراین قابلیت اطمینان˛دقت و ساختمان یک حسگر برای کنترل سیستم در گلخانه اهمیت دارد. حسگرهای مختلفی برای دریافت پارامترهای مختلف بکار می‌رود
الف: دما
کنترل دما هوا بهتر است با یک اتاقک تنفسی برای عبور نمونه هوا از محل حسگرها همواره باشد و از قرار گرفتن آن‌ها در معرض تابش مستقیم خورشید جلوگیری شود. این حالت باعث می‌شود که نمونه دقیق‌تری از هوا کلی گلخانه نسبت به یک نقطه خاص آن روی حسگر تأثیر بگذارد.
سوندهای دمای خاک به‌طورمعمول برای کنترل دستگاه‌های پاگرما بکار می‌رود. همچنین برای اندازه‌گیری دمای خاک و دمای درون مکروکلیمای گیاه بکار می‌رود. این اطلاعات می‌توانند برای تعیین اینکه گیاه چرا و چگونه پاسخ می‌دهد و تولیدکننده چه مقادیری را برای بهبود کار یا تشخیص مشکلات نیاز دارد، باارزش باشد.
حسگرهای دمای لوله برای تنظیم دمای آب و دمای سطح لوله در دستگاه‌های گرم‌کننده آب جهت کنترل والوهای مخلوط کننده، دماهای حداقل لوله برای رطوبت‌زدایی و نیز خروجی دیگ بخار و یا دماهای سیستم انتقال بکار می‌رود. سه روش برای تشخیص این دما وجود دارد:
۱) حسگرهای اندازه‌گیری دمای سطح
۲) حسگرهای چاهک تر
۳) حسگرهای چاهک خشک
حسگرهای تسمه‌ای سطحی ارزان‌قیمت و مؤثرند چون سطح لوله دمای آب درون آن را منتقل می‌کند. تشخیص دما می‌تواند به‌سادگی از طریق بستن یک ترمیستور کوچک روی لوله با یک بست لوله یا نوار انجام شود.
حسگرهای چاهک تر به‌طور دقیق در داخل یک سوراخ در لوله بسته می‌شود و جریان دقیق آب را حس می‌کنند. این نوع حسگرها دقیق‌ترین قرائت از دما و نیز سریع‌ترین پاسخ را باعث می‌شود؛ اما در حسگرهای چاهک تر نگهداری و سرویس این حسگرها مشکل‌تر است چون باید قبل از نصب، لوله تخلیه یا حداقل خنک شده و فشار آن کاهش یابد.
حسگرهای چاهک خشک گران‌قیمت‌ترین حسگرها هستند اما بهترین دقت را داشته و نگهداری و سرویس آن‌ها آسان است. یک سوراخ در داخل لوله به‌گونه‌ای که همیشه آب‌بندی باشد ایجاد می‌شود و حسگر گاهی مواقع با استفاده از گریس حرارتی در سوراخ قرار میگیرد و برای حفاظت یا تعویض به‌راحتی آن را برداشت.
دمای آب آبیاری می‌تواند با یک حسگر دمای لوله، همان‌طور که در بالا نشان داده شد، یا یک حسگر ضد آب که در آب انداخته می‌شود اندازه‌گیری شود.
دماهای دیگر می‌تواند روی اهداف مختلف اندازه‌گیری شود. ته عنوان مثال، عملکرد تجهیزات مثل عملکرد واحد گرم کردن، پمپ گرم‌کن سیستم آبیاری و حتی عملکرد پنکه یا باز کردن هواکش‌ها اغلب می‌تواند با قرار دادن یک حسگر دمای ساده به‌طور مناسب مایید شود. زنگ‌های خطر (علائم هشداردهنده) می‌تواند در سیستم به‌گونه‌ای تنظیم شود که در زمان وقوع مشکلات اعلام‌خطر کند.
ب: رطوبت
کنترل رطوبت در گلخانه می‌تواند نتایج خوبی در کاهش بیماری، بهبود جذب آب و عناصر غذایی و افزایش رشد داشته باشد. کنترل رطوبت به‌تقریب یک عمل استاندارد در کلیه دستگاه‌های کنترلی است. اندازه‌گیری رطوبت به‌صورت رطوبت نسبی بیان می‌شود. اندازه‌گیری رطوبت حتی با گران‌ترین حسگرها مشکل است و این به‌طورمعمول برای صنعت گلخانه مناسب یا کاربردی نیست.
سه نوع حسگر رطوبت وجود دارد: حسگر خازنی، مقاومتی و پیاز مرطوب / خشک هر دو حسگر خازنی و مقاومتی دقت قابل قبولی دارند و در دامنه معمول رطوبت اغلب کاربردهای باغبانی˛مراقبت به یک یا دو بار تمیز کردن در سال محدود می‌شود؛ اما این حسگرها به آلوده شدن به مواد شیمیایی و شرایط خیلی مرطوب (مثل بیشتر از %۹۰) حساس هستند که ممکن است نیاز به تعویض یا کالیبره کردن بیشتر را ایجاب کند.
حسگرهای پیاز خشک/مرطوب درصورتی‌که به‌طور مناسب، به‌ویژه در شرایط محیطی با سطوح رطوبتی بالای نود درصد، مثل اتاقک‌های جوانه‌زنی و اتاقک‌های مرطوب، محافظت شود، بیشترین دقت را دارد. این حسگرها مراقبت دائمی لازم دارند که توسط کاربر به‌راحتی انجام می‌شود. مخازن آب باید مجدد پر شد و فتیله‌ها باید تراشیده و تمیز شده و طور مرتب تعویض شوند. اقلیم خشک‌تر نیازمند مراقبت دائمی و بیشتری است.
پ: نور
سه نوع سنجش اساسی ترای نور وجود دارد: تابش کل، تابش فعال در فتوسنتز و نور سنجی تابش کل معمولی‌ترین اندازه‌گیری نور برای کنترل گلخانه است چون در آن طیف کامل نور تولیدکننده انرژی اندازه‌گیری می‌شود. این سنجش توسط پیرانومتر اندازه‌گیری شده و به‌طورکلی در واحد وات بر مترمربع بیان می‌شود.
PAR روش دیگری از اندازه‌گیری نور است. در این روش نوار باریکی از نور که توسط گیاه در فتوسنتز بکار می‌رود اندازه‌گیری می‌شود. این روش در کارهای پژوهشی و برای اندازه‌گیری نور مؤثر در فتوسنتز در سطح گیاه بکار می‌رود.
PAR در کنترل شرایط محیطی از ارزش کمی نسبت به دیگران تابش‌های نوری برخوردار است، چون ارتباط کاملی باانرژی کل خورشیدی که روی دما یا دیگر جنبه‌های مرفولوژی گیاهی اثر می‌گذارد، ندارد.
در اندازه‌گیری نور به‌صورت نور سنجی، درخشش و یا روشنایی نسبی که به چشم انسان می‌رسد اندازه‌گیری می‌شود. این نوع سنجش به‌جز تشخیص تفاوت بین شب و روز فایده خاصی در تولید باغبانی نداد.
ج: دی‌اکسید کربن
حسگرهای دی‌اکسید کربن ته طور معمول در غنی‌سازی کنترل‌شده دی‌اکسید کربن بکار می‌روند. معمولی‌ترین نوع حسگرها یک جزء حس کننده مادون‌قرمز را بکار می‌گیرند. ممکن است در هر ناحیه یک حسگر مجزا بکار رود، یا برای کاهش هزینه، تنها ممکن است یک حسگر برای چندین نمونه از نواحی مختلف بکار رود. سیستمهای کنترل می‌تواند تزریق دی‌اکسید کربن را از دودکش دیگ بخار، یا از مخزن دی‌اکسید کربن مایع بر اساس شرایط نوری و دمایی و میزان دی‌اکسید کربن مورد انتظار آغاز کند.
چ: سرعت و جهت باد
در ایستگاه مربوط به شرایط آب و هوابب مستقر شده در بیرون، یک باد سنج سرعت باد را اندازه میگیرد در حالیکه بادنما جهت تقریبی باد را نشان می‌دهد. کنترل کننده این اطلاعات را برای بستن ا محدود کردن باز شدن هواکش ها، دریچه‌های سقفی و دریچه‌های جانبی در شرایط باد شدید، یا بادهایی که از جهت خاصی می‌وزند بکار می‌تریم. این اطلاعات همچنین می‌تواند برای بهینه سازی عمل و مؤثر بودن سیستمهای هواکش رو به باد یا پشت به باد و حتی برای اصلاح یا تغییر روند آبیاری بکار رود.
ح: بارندگی
بارندگی به‌وسیله باران‌سنج اندازه‌گیری می‌شود. این حسگرها را ایستگاه‌های هواشناسی جهت اندازه‌گیری بارندگی نصب می‌کنند. صفحات ساده باران حضور یا غیاب بارندگی را نشان می‌دهد و حجم بارندگی را نشان نمی‌دهد. این حسگرهای ساده عمد تا برای بستن یا محدود کردن هواکش‌های سقف یا سقف‌های جمع شدنی در زمان بارندگی بکار می‌رود. آن‌ها مناسب‌ترین حسگرها برای این اهداف هستند چون باعث پاسخ سریع‌تر می‌شوند. صفحات گرم شو باران قادر به تشخیص برف و تفاوت بین شبنم و باران هستند.
حجم باران به‌طورمعمول با استفاده از باران‌سنج اندازه‌گیری می‌شود. این ابزار آب را در یک فنجان یا قاشق جمع‌آوری می‌کند که پس از پر شدن واژگون می‌شود و باعث تحریک کردن یک کلید کوچک می‌گردد. تعداد مراحل واژگون شدن برای تعیین مقدار و سرعت ریزش باران شمارش می‌شود که معمول دقت آن یک صدم تا یک دهم اینچ است. این وسیله همچنین می‌تواند برای اندازه‌گیری مه پاش در تکثیر و کاربرد آبیاری و میزان آب شویی کار رود. اندازه‌گیری‌های حاصل از این ابزار به دلیل سرعت پایین عکس‌العمل آن‌ها نباید برای بستن یا محدود کردن هواکش‌ها و دریچه‌های سقفی بکار رود.
خ: آبیاری
اندازه‌گیری مصرف و یا وجود آب به‌منظور آبیاری می‌تواند بسته به هدف، روش پرورش گیاهان و دقت موردنیاز با استفاده از چند حسگر انجام شود. مکش سنج‌های خاک و سوندهای هدایت الکتریکی برای نشان دادن تقریبی مقدار رطوبت موجود در بستر کاشت بکار می‌روند. تشتک‌های تبخیر برای نشان دادن سرعت تقریبی تبخیر آب در شرایط محیطی خاص بکار می‌روند. آب‌سنج‌ها مقدار آبی که گیاه را تغذیه می‌کند اندازه می‌گیرند. ظروف جمع‌آوری، همانند باران‌سنج با سطل شیب‌دار، می‌توانند برای اندازه‌گیری مقدار آب زهکشی شده از خاک و درنتیجه مقدار آب جذب‌شده بکار روند.
د: عناصر غذایی
حسگرهای pH برای تعیین غلظت‌های موردنیاز جهت اصلاح pH و حسگرهای EC برای تعیین میزان نمک در محلول‌های غذایی بکار می‌روند. هر دو نوع حسگر برای کنترل عناصر غذایی، برای اندازه‌گیری و برای اعلام هشداردهنده در یک سیستم آبیاری بکار می‌روند.
ذ: سایر حسگرها
چندین حسگر برای اندازه‌گیری و ثبت انواع زیادی از شرایط وجود دارند. اغلب دستگاه‌های کنترلی می‌توانند از این حسگرها برای بهبود کنترل، تنظیم شرایط هشدار، فعال کردن تجهیزات، یا فقط برای گزارش رخدادها بکار روند. بعضی از حسگرها مربوط به علائم ایمنی می‌توانند با سیستمهای کامپیوتری تلفیق شوند، مثل حسگرهای دود˛شعله یا گرما که برای پی بردن حریق می‌توانند بکار روند. در بعضی سیستمها به‌ویژه سیستمهای کنترل تلفیقی کامپیوتری، سیستم می‌تواند به‌گونه‌ای برنامه‌ریزی شود که پرده‌های ایجاد سایه یا تاریکی را پهن و یا جمع کنند و هواکش‌ها را ببندد تا انتشار آتش به حداقل برسد.
سایر حسگرها شامل:
۱- سوئیچ‌های جریان برای مسجل کردن عمل مناسب پمپ، تشخیص گرفتگی فیلترها و ترکیدگی لوله و غیره.
۲- مبدل‌های فشار برای تنظیم آب، خروجی پنکه و غیره.
۳- پتانسومترها برای تنظیم وضعیت هواکش˛والو مخلوط کننده و غیره.
۴- میکرو سوئیچ‌ها برای تنظیم بسته شدن هواکش و دریچه‌ها، وضعیت بوم‌های آبیاری دستگاه‌های پرده، سقف‌های جمع شونده و غیره.
