مديريت هوشمند سامانه‌هاي جمع‌آوري آب باران برمبناي اينترنت اشياء

Smart management of rainwater harvesting systems based on Internet of Things

كمبود آب يك مسئله تشديد شونده است. بر اساس گزارش سازمان ملل، تا سال 2025 تقريباً 20 درصد از جمعيت انساني را تحت تأثير قرار خواهد داد. تا سال 2040، تقريباً از هر 4 كودك در سراسر جهان، يك نفر در مناطقي با تنش شديد آبي زندگي خواهد كرد. تغييرات آب و هوايي و افزايش جمعيت دلايل اصلي اين امر هستند، اما آنها تنها نيستند: فروپاشي زيرساخت‌ها و سيستم‌هاي توزيع، آلودگي، درگيري، فشار زياد به سيستم‌هاي آبي، و مديريت ضعيف منابع آب تنها تعدادي از عوامل انساني هستند كه باعث مي شوند مردم از حق داشتن آب سالم و بهداشتي محروم شوند. هنگامي كه آب كمياب است، سيستم‌هاي فاضلاب ممكن است از كار بيفتند و خطر ابتلا به بيماري‌هايي مانند وبا، حصبه و ساير بيماري‌هاي منتقله از طريق آب افزايش مي‌يابد. مديريت هوشمند با استفاده از اينترنت اشياء اين توانايي را دارد كه اين شرايط نگران كننده را بهبود دهد. سيستم‌هاي نظارت و مديريت هوشمند آب، مبتني بر تركيب حسگرها، داده‌هاي بزرگ و فناوري‌هاي هوش مصنوعي، مي‌توانند توانايي اندازه‌گيري، نظارت و كنترل شبكه‌هاي جمع آوري و توزيع آب و همچنين كيفيت آب را در اختيار اپراتورهاي آب، كشاورزان و شركت‌ها قرار دهند. ضايعات كمتر، مصرف كمتر و مديريت بهتر كيفيت آب مي­تواند به طور چشمگيري حفظ منابع سياره ما را بهبود بخشد. استحصال آب باران يكي از قديمي ترين روش هايي است كه براي حفظ و بهينه سازي منابع آب مورد استفاده قرار مي گيرد. امروزه تأسيسات دولتي و خصوصي زيادي وجود دارد كه سيستم هاي جمع آوري آب باران در آن­ها ساخته شده و مورد استفاده قرار گرفته اند. با اين حال، معمولاً نمي توانند كيفيت آب ذخيره شده را آزمايش كنند و يا مكانيسمي براي تصفيه محتواي ناخالص جهت قابل مصرف كردن آن­ها ندارند. همچنين نمي توانند ميزان آب جمع آوري شده را تخمين زده، از سرريز مخزن جلوگيري كنند، ميزان بارش را اندازه گيري كنند، يا در مصرف انرژي براي پمپاژ آب صرفه جويي كنند. بسياري از تكنيك هاي شناخته شده براي استانداردهاي امروزي ابتدايي هستند. سيستم هاي موجود ويژگي هاي اتصال، تصفيه آب يا اقدامات اضطراري براي مقابله با هر مشكلي را ارائه نمي دهند. معمولاً اين سيستم‌ها بر روي بلاك چين، هوش مصنوعي و برخي حوزه‌هاي ديگر ادغام مي‌شوند تا يك الگوي جديد را ايجاد كنند. با اين حال، نتايج بدست آمده به طور كلي يك ترفند محسوب مي شوند و براي استفاده عمومي مفيد نيستند. اين عدم سازگاري و ويژگي‌هاي بدون راه‌حل مؤثر نياز به اصلاح دارد و براي ساختن يك سيستم يكپارچه، ايمن و كم زحمت، به ارتقاي واقعي نياز است. بنابراين، يك رويكرد يكپارچه براي تسهيل فرآيند مقابله با اين مشكلات، كه در آن يكي از حوزه‌هاي اصلي در فناوري، مانند اينترنت اشيا، استفاده مي‌شود، ضروري است. اينترنت اشيا (IoT) شبكه‌اي از اشياء فيزيكي را توصيف مي‌كند كه با حسگرها، نرم‌افزارها و ساير فناوري‌ها به منظور اتصال و تبادل داده با دستگاه‌ها و سيستم‌هاي ديگر از طريق اينترنت تعبيه شده‌اند. اين دستگاه­ها از اشياء خانگي معمولي گرفته تا ابزارهاي صنعتي پيچيده را شامل مي شود. ميكروكنترلرها و حسگرها - مانند سنسورهاي اولتراسونيك، سنسورهاي جريان، دما، شوري، رسانايي، رطوبت، فشار يا سنسورهاي درخشندگي - كه روي لوله‌ها يا پمپ‌ها قرار مي‌گيرند، سطح آب، جريان، دما و كيفيت آب را در زمان واقعي اندازه‌گيري مي‌كنند. هشدارهاي پيام و داده‌هاي توليد شده توسط حسگرها از طريق اينترنت به يك سرور ابري منتقل مي‌شوند، جايي كه پردازش و تجزيه و تحليل مي‌شوند، گاهي اوقات با كمك هوش مصنوعي، و براي مشاوره كاربر به پايانه ارسال مي‌شوند. سپس اين سيستم مي تواند استفاده و كيفيت منابع آب را كنترل و تنظيم كند و همچنين تعمير و نگهداري تجهيزات پيش فرض را تسهيل كند. استفاده از ميكروكنترلرها و حسگرهاي مختلف و متنوع بستگي به هدف ما از سيستم مورد استفاده دارد. در بسته هوشمندسازي پيشنهادي مي توان از ماژول هاي مختلفي استفاده كرد. ماژول بارش دربرگيرنده باران سنج و سنسور بارش مي­تواند لحظه آغاز بارندگي، ميزان بارش و شدت بارش را مشخص كرده و در ارتباط با يك نرم افزار محاسباتي و با داشتن جنس و سطح حوضه آبگير، حجم آب ورودي به مخزن را تخمين بزند. ماژول بعدي مي­تواند براي جداسازي بارش اوليه (first flush) و بارش هاي اسيدي (pH 5) مورد استفاده قرار بگيرد. درصورتي كه pH كمتر از 5 باشد و يا ميزان گل آلودگي (NTU) بيشتر از 15 باشد، دريچه جداكننده بارش اوليه باز شده و بارش اسيدي يا گل آلود از سيستم خارج مي شود. در اين سيستم مي توان از دو تانك ذخيره استفاده كرد. در مواقعي كه pH =5 و NTU =15 باشد از مخزن شماره يك (آب غيرشرب) و در صورتي كه pH 5.5 و NTU =2 باشد از مخزن شماره دو (آب مناسب آشاميدن) براي ذخيره سازي استفاده مي شود. در صورتي كه آب كمي اسيدي باشد (pH حدود 5.5 تا 6) آنگاه مي توان با گذردادن آب از يك فيلتر خنثي كننده pH ، ميزان اسيديته را به حدود 6.5 تا 7 رساند. براي هدايت آب در جهت مخزن يك يا دو مي توان از يك شير آب اتومات سلنوئيدي استفاده كرد. سنسور اولتراسونيك مي­تواند سطح آب مخازن را اندازه گرفته و در صورتيكه نياز باشد جهت جلوگيري از سرريز مخزن، آب را به مخزن اضطراري و يا به دستگاه آبريز هدايت نمايد. در مواقعي كه بخواهيم از مخزن شماره يك جهت آبياري باغچه خانگي استفاده كنيم مي­توان با قراردادن سنسور رطوبت داخل خاك و با تعريف آستانه رطوبتي، آب را از مخزن شماره يك بسمت نازل هاي درون باغچه بصورت خودكار پمپاژ نمود. با اتصال كليه سنسورها به يك بورد بنام Arduino و تحت يك برنامه نرم افزاري منبع باز به همين نام، سيستم جمع آوري آب باران از سطح پشت بام يا هر سطح ديگر را مي­توان بصورت هوشمند مديريت نمود. در واقع Arduino با دريافت ورودي‌ها از سنسورهاي مختلف، محيط را حس كرده و با كنترل دريچه ها، موتورها و ساير محرك‌ها بر محيط اطراف خود تأثير مي‌گذارد. لازم به يادآوري است كه جهت تأمين انرژي اين سامانه مي­توان از صفحات و باطري هاي خورشيدي استفاده كرد.