ما هو مستشعر PAR وما هي استخداماته؟

هل تعلم أن الضوء ذو طول موجي محدد يؤثر بشكل مباشر على صحة النبات، وأن مستشعرات الإشعاع النشط ضوئيًا (PAR) قادرة على رصد التغيرات في هذا النطاق الضوئي بنسبة تصل إلى 1%؟ لهذا السبب نحتاجها في الزراعة! تُعدّ المستشعرات الإلكترونية وأنظمة التحكم أساس الزراعة الذكية. فالزراعة القائمة على البيانات تُؤدي إلى زيادة الإنتاجية، وتحسين الكفاءة، وتوفير التكاليف، والمراقبة عن بُعد، والتحليل التنبؤي.

تُعدّ مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط (PAR) أساسيةً للزراعة الدقيقة، إذ تكشف ظروف الإضاءة وتُقدّم معلومات قيّمة عن حالة الحقل للمستخدم. مع ذلك، لا يقتصر استخدام هذه المستشعرات على الزراعة فحسب، بل تُسهم أيضاً في اكتشافات تحت الماء، وتلعب دوراً هاماً في استكشاف الفضاء، والبحوث، ودراسات المناخ.

لفهم واستخدام إمكانيات مستشعر الإشعاع الضوئي النشط (PAR) بشكل كامل، يجب علينا الإلمام باستخداماته الأساسية، ومتطلبات تركيبه، وجوانب صيانته. ستساعدنا هذه المعرفة على تحديد مدى فعالية مستشعرات PAR في إعداد معين. في هذه المدونة، سنتناول هذه المستشعرات بالتفصيل، بهدف تزويد قرائنا بمصدر شامل ووافٍ لجميع المعلومات. فلنبدأ!

ما هو مستشعر PAR؟

يُعدّ مستشعر الإشعاع الضوئي النشط (PAR) في الأساس مستشعرًا للضوء، حيث يرصد الضوء ضمن نطاق 400 إلى 700 نانومتر. ويمكن لبعض المستشعرات المتطورة رصد إجمالي الإشعاع الشمسي (TSI) ضمن نطاق 350 إلى 1100 نانومتر، وذلك بحسب تصميمها. يقوم المستشعر برصد الضوء وتحويله إلى إشارة يمكن للأجهزة الأخرى تخزينها أو تحويلها إلى بيانات قيّمة.

- تصميم مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط

تكون مستشعرات PAR عادةً دائرية الشكل. والغرض من الشكل الدائري هو السماح بدخول الضوء بشكل غير متجانس. يجمع الغلاف جميع الأجزاء الفرعية معًا. يحتوي مستشعر PAR على ساقين يوفران إشارة الخرج. يتكون مستشعر PAR الواحد من المكونات الرئيسية التالية:

● موزع العطور

● فلتر

● ثنائي ضوئي

● غلاف

- آلية عمل مستشعر PAR

تحتوي هذه المستشعرات على صمام ثنائي ضوئي يحول الضوء إلى إشارة كهربائية. مع ذلك، يتطلب الحصول على نتائج قيّمة اختيار المواد المناسبة والهندسة الدقيقة. دعونا نتعمق أكثر في آلية العمل واختيار المكونات:

● قرص التوزيع

قد يبدو قرص التشتيت مجرد صفيحة بلاستيكية بسيطة، ولكنه يُجري عمليات متعددة على الضوء الساقط ليجعل الناتج ممثلاً للإشعاع الشمسي الساقط. ويتطلب قياس الإشعاع الشمسي الساقط على سطح أفقي تقييمًا دقيقًا.

○ التكامل نصف الكروي: يجب أن يكون تصميم القرص المُشتِّت دائريًا لضمان التقاط المستشعر لجميع الضوء القادم من نصف الكرة العلوي. كما يجب أن يتمتع المستشعر بزاوية رؤية واسعة للحصول على نتائج دقيقة.

○ تصحيح جيب التمام: باستخدام قانون جيب التمام الخاص بلامبرت، يجب أن يوفر المستشعر استجابة متناسبة مع جيب تمام الزاوية بين الضوء الوارد وسطح المستشعر.

بناءً على هذين العاملين، يحدد المصنّعون تصميم أقراص التشتيت. يلي ذلك اختيار المادة. يمكن أن تكون مادة قرص التشتيت من مادة PTFE أو التفلون، أو الأكريليك، أو البولي كربونات، أو سبكترالون. يجب أن تتمتع بنفاذية عالية، وخصائص تشتيت ممتازة، وثبات، ومتانة، لأنها ستعمل مباشرةً تحت أشعة الشمس القوية. علاوة على ذلك، يجب أن توفر إحكامًا تامًا لمنع تسرب الماء. يُعد التفلون أو PTFE الخيار الأكثر شيوعًا لأقراص التشتيت في مستشعرات PAR.

● مرشح تمرير النطاق المرئي

بعد أن يستقبل المشتت الإشعاع الساقط بدقة، يحتاج الكاشف إلى ترشيح الضوء الذي يُسبب عملية التمثيل الضوئي في النباتات. يقع المرشح أسفل قرص التشتيت مباشرةً لمعالجة الضوء بشكل إضافي. يتراوح متوسط ​​نطاق الضوء بين 380 و750 نانومتر في الطيف المرئي. لا يُسبب هذا النطاق بأكمله عملية التمثيل الضوئي في النباتات. يترك طول موجة القطع لمرشح تمرير النطاق الضوء في نطاق 400 إلى 700 نانومتر.

تُستخدم هذه المرشحات عادةً لحجب الأشعة فوق البنفسجية والأشعة تحت الحمراء. وبحسب جودة المرشح، يمكنه حجب طول موجي محدد من الضوء بدقة. وتستجيب المرشحات عالية الجودة بكفاءة للفوتونات الواردة عبر جميع الأطوال الموجية بين 400 و700 نانومتر. وتُحدد هذه العملية برمتها الاستجابة الطيفية لمستشعر الإشعاع الضوئي النشط (PAR).

● السكن

يجب أن يتكون الغلاف من مادة داكنة لا تعيق الضوء المرئي الساقط، ولا تشوه الفوتونات الساقطة عبر الأطوال الموجية المختلفة. سيمتص الغلاف الأسود الفوتونات المتناثرة التي تصل إليه بدلاً من عكس الضوء ذي الأطوال الموجية المختلفة.

● ثنائي ضوئي

يجب أن يتمتع الثنائي الضوئي بنطاق كشف أوسع قبل أن يمر عبر المرشح. عند وضعه في الضوء، ينبغي أن يُعطي استجابة قوية ضمن نطاق 400 إلى 700 نانومتر. تعتمد جودة مستشعر الإشعاع الضوئي النشط (PAR) على نقاء إشارة الثنائي الضوئي وتضخيمها.

أنواع مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط (PAR)

تختلف أنواع مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط (PAR) في استخداماتها وتصاميمها وآليات عملها وأشكالها وطرق تركيبها. سنناقش هنا الفئات الرئيسية لرسم صورة عامة لأنواع مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط التي يمكن لقرائنا استخدامها في إعداداتهم بناءً على متطلباتهم.

◆ أنواعها بناءً على آلية العمل

● مستشعر ثنائي ضوئي سيليكوني: هذه هي الأنواع الأكثر شيوعًا من مستشعرات PAR. وهي ببساطة تستخدم عملية التمثيل الضوئي لتوليد تيار كهربائي يتناسب مع الضوء الذي يدخل إلى المستشعر.

● المستشعر الكمي: هو نسخة عالية الدقة والاستقرار من مستشعر الثنائي الضوئي. يقيس عدد الفوتونات أو كثافة تدفق الفوتونات الضوئية (PPFD).

◆ أنواع حسب طريقة التركيب

● مستشعرات التثبيت الثابت: تتميز هذه الأنواع بجودة تصنيع عالية ومتانة فائقة. وهي مصنوعة عادةً من إطارات معدنية لضمان أداء يدوم طويلاً. ويتم تثبيت آلية التثبيت عادةً على سطح صلب في الموقع.

● المستشعر المحمول: يمكن أن تكون المستشعرات محمولة باليد أو من نوع المجسات، وتوفر القيم أثناء التنقل. وهي عادةً ما تكون ذاتية التزويد بالطاقة، وتحتوي على شاشة لعرض القيم مباشرةً دون الحاجة إلى بروتوكول Modbus-RTU.

استخدامات مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط في مختلف المجالات

بعد أن تعرفنا على مستشعر الإشعاع الضوئي النشط (PAR) وكيفية عمله، يمكننا الآن الانتقال إلى تطبيقاته. يستخدم كل حقل مستشعرات PAR مختلفة. يمكن أن تكون استجابة أنظمة التحكم يدوية، أو يمكن للمستخدمين استخدام أجهزة إنترنت الأشياء (IoT) للعناية بالنباتات. فيما يلي أربعة استخدامات لمستشعرات PAR:

- الزراعة الذكية

تُعدّ مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط (PAR) جزءًا أساسيًا من تقنيات الزراعة الذكية. تستخدم الزراعة الحديثة إنترنت الأشياء (IoT) لتعزيز الإنتاجية من خلال المراقبة وجمع البيانات لإدارة عمليات الزراعة والحصاد والري ومكافحة الآفات والصرف. وتُستخدم أجهزة مثل الطائرات المسيّرة والمستشعرات عن بُعد والتصوير عن بُعد على نطاق واسع لجمع البيانات. ثم تُدخل البيانات الأولية إلى خوارزمية تعلّم الآلة أو الذكاء الاصطناعي، مما يوفر نتائج قيّمة وقابلة للتنفيذ.

توفر تقنية قياس الإشعاع الضوئي النشط (PAR) في الزراعة الذكية معلومات عن وجود الضوء للتنبؤ بنمو النباتات، وإدارة ظروف الإضاءة، ومراقبة البيئة. وتتضمن الزراعة البستانية المتقدمة استخدام مصابيح LED أو هالوجين لتعويض نقص الضوء خلال النهار بسبب الغيوم أو الأمطار. كما يمكن لأنظمة التشغيل الآلي المتقدمة ضبط زوايا الإضاءة تلقائيًا لتناسب احتياجات النباتات المختلفة.

- دراسات المناخ

تتيح دراسة الأحوال الجوية المحلية لفترة طويلة جمع بيانات دقيقة للتنبؤ بالتغيرات المناخية. تستطيع أجهزة استشعار الإشعاع الضوئي النشط (PAR) رصد 1% من تغيرات الضوء في الغلاف الجوي، وهي حساسة للغطاء السحابي، ما يُمكنها من التنبؤ بهطول الأمطار. ويمكن لدمج بيانات الإشعاع الضوئي النشط مع محطات الأرصاد الجوية أن يوفر نظام إدارة متكاملًا لمراقبة الزراعة والبستنة وتحسين الإنتاجية.  

- بحث

قد يشمل تحليل نمو النبات تغييرات في الأسمدة، وأنماط الري، واستخدام المبيدات، والرطوبة، ودرجة الحرارة. مع ذلك، يجب أن تبقى بعض العوامل الأخرى ثابتة للحصول على نتائج موثوقة أثناء إجراء هذه العمليات. تضمن مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط (PAR) حصول النباتات على نفس شدة الفوتونات في جميع الظروف التجريبية، وأن تكون النتائج عالية الموثوقية، على غرار استكشاف أعماق البحار. يمكن أن توفر بيانات الإشعاع الضوئي النشط (PAR) رؤى قيّمة حول كيفية بقاء الكائنات الحية والنباتات على قيد الحياة في هذه الأعماق.

- استكشاف الفضاء

تُعدّ النباتات شريان حياة لرواد الفضاء في مهماتهم الفضائية الطويلة. ويُعدّ تحسين ظروف الإضاءة للحفاظ على صحة النباتات أمرًا حيويًا لرفاهية الجميع. ويمكن لتقنية الإشعاع الضوئي النشط (PAR) ضمان ظروف إضاءة جيدة لزيادة إنتاج الأكسجين وتوفير الغذاء.

كيفية إعداد مستشعرات PAR خطوة بخطوة؟

الخطوة 1: اختيار مستشعر PAR

ابدأ باختيار مستشعر مناسب لتطبيقك. تُعدّ مستشعرات Quantum PAR الخيار الأمثل لمراقبة عملية التمثيل الضوئي للمحاصيل. بناءً على ظروف الحقل، اختر نوع التركيب.

الخطوة الثانية: وضع مستشعر PAR في المكان الصحيح

ضع المستشعر في المكان الذي تتوقع فيه وجود مشاكل إضاءة للنباتات. حاول تجنب العوائق. يجب أن يكون الموقع مناسبًا لمجموعة كبيرة من النباتات. الارتفاع الأمثل لمستشعر PAR هو حول مستوى قمة النبات أو المحصول. تأكد من توجيهه بشكل صحيح، أي نحو الأعلى.

الخطوة 3: توصيل مستشعر PAR بوحدة Modbus RTU

تختلف مخرجات مستشعر PAR باختلاف نوعه. عادةً، يُخرج المستشعر جهدًا كهربائيًا أو تيارًا كهربائيًا أو إشارة RS485. إذا كنت ترغب في استخدام الجهد والتيار الكهربائي كإشارات، فخطط لتصميم الأسلاك ونقاط تركيب المُضخِّم. يجب أن يكون السلك الواصل بين المستشعر والمُضخِّم قصيرًا قدر الإمكان.

بعد المُضخّم، يجب تركيب مُحوّل تناظري رقمي (ADC) لجعل الخرج متوافقًا مع Modbus RTU. إذا كان المُستشعر يدعم خرج RS485، فإنه يحتوي بالفعل على خرج رقمي ولا يحتاج إلى مُحوّل تناظري رقمي. تأكد من أن مُستشعرات PAR مزوّدة بمصدر طاقة كافٍ.

الخطوة الرابعة: جمع البيانات وتحليلها

قم بتوصيل وحدة Modbus RTU بجهاز تسجيل البيانات أو نظام حاسوبي لتسجيل قيم كثافة تدفق الفوتونات الضوئية (PPFD). استخدم برامج متخصصة لإنشاء التقارير وعرض الاتجاهات.

الكلمات الختامية

تُعدّ مستشعرات الإشعاع الضوئي النشط (PAR) مستقبل الزراعة المتقدمة، إذ تُسهم في اتخاذ قرارات مبنية على البيانات، مما يُتيح تحكمًا أفضل في إنتاجية المحاصيل وصحتها. تتميز هذه المستشعرات بسهولة تركيبها، ولا تتطلب سوى جهد بسيط لفهم عملية التثبيت. نوصي باستخدام مستشعر الإشعاع الضوئي النشط الكمي. يُفضّل اختيار مستشعر يُوفّر مخرجات رقمية، لأنه لا يتطلب تركيب محولات تناظرية-رقمية إضافية. تُعدّ مستشعرات PAR أساسية في البستنة والزراعة، وأصبح استخدامها لا غنى عنه في تطبيقات الزراعة الحديثة.