Seralarda su kullanımının optimize edilmesi için kablosuz algılayıcı ve eyleyici ağ tabanlı sistem tasarımı
Wireless sensor and actuator network based system design for optimizing water use in greenhouses
Yazar: MUHAMMED FURKAN KOŞUM
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ OSMAN ÖZKAN
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Akıllı tarım = Smart agriculture ; Elektronik haberleşme = Electronic communication ; Kablosuz ağlar = Wireless networks ; Regresyon analizi = Regression analysis ; Tarımsal verimlilik = Agricultural productivity ; Verimlilik = Productivity

Özet:
Artan dünya nüfusu ile birlikte gıda ihtiyacı da gün geçtikçe artmaktadır. Aynı zamanda kişisel kullanım, endüstriyel ve tarımsal üretimde kullanılan su miktarının artması ve dünyanın birçok yerinde yaşanan iklim sorunu küresel bir su sorunu yaratmıştır. Su kaynaklarının israfını önlemek ve suyu verimli kullanmak için birçok çalışma yapılmıştır ve bu konuda çalışmalar devam etmektedir. Tarımda bilinçsiz sulama ve bitkinin su ihtiyacının öngörülememesi hem su israfına hem de verim kayıplarına neden olmaktadır. Aynı zamanda çiftçinin gübreleme ve ilaçlama miktarını tahmin edememesi, bitkinin yanı sıra toprağa ve çevreye zarar vermektedir. Bu gereksinimleri karşılamak, verimliliği artırmak ve su kaynaklarını daha iyi kullanmak için yenilikçi fikirlere ve teknolojilere ihtiyaç vardır. Bu ihtiyaçları karşılayabilecek yöntemlerden biri de tarımda dijitalleşmedir. Dijital tarım yöntemleri; verimliliğin artırılmasında, işgücünün, çevre kirliliğinin, su israfının ve tarımsal mücadelede kullanılan kimyasalların azaltılmasında etkili olacaktır. Dijital tarım, bu ihtiyaçların karşılanması ve gıda ihtiyaçlarının sürdürülebilir bir şekilde sağlanması için iletişim teknolojilerinin modern tarım endüstrisine uygulanmasıdır.
Bu tez çalışmasında iki ayrı sera ortamı oluşturulmuştur. Bunların ilkinde geleneksel tarım yöntemleri uygulanmıştır. İkincisinde ise mevcut çevresel veriler (toprak nemi, ortam sıcaklığı, ortam nemi ve ortam ışığı) algılayıcılar tarafından toplanarak çiftlik yönetim sistemine aktarılmış ve eyleyiciler tarafından gerekli aksiyonlar alınmıştır. Böylelikle, veri paketlerini doğru bir şekilde yönlendiren ve çoklu iletişimi sağlayan bir algılayıcı ve eyleyici ağ kullanılarak dijital tarım yöntemleri uygulanmıştır. Algılayıcı ve eyleyici düğümleri ile yönetim sistemi arasında ağ üzerinden veri alışverişini sağlamak için bir ağ geçidi oluşturulmuştur. Ağ geçidi aracılığıyla oluşturulan veri tabanına anlık ve saatlik veriler kaydedilmiştir. Veri tabanına aktarılan anlık değer eşik değerin altında ise eyleyici tarafından otomatik sulama yapılmıştır. Kullanılan su miktarı veri tabanına kaydedilmiştir. Ayrıca tasarlanan mobil uygulama ile veri tabanından anlık ortam verilerini izlemek ve eyleyiciyi kontrol etmek mümkündür.
Sonuç olarak iki sulama yönteminin verimliliği karşılaştırılmış ve kablosuz ağ tasarımının daha verimli olduğu görülmüştür. Toplanan veriler WEKA ve Minitab programları aracılığıyla sınıflandırma ve tahmin algoritmaları ile analiz edilmiştir. Çevresel verilerin su tüketimi ve bitki büyümesi üzerindeki etkisi matematiksel bir denkleme dönüştürülmüştür. Böylece daha uzun süreler için kullanılacak su miktarı ve bitki büyümesinin tahmini sağlanabilmektedir.

Abstract:
With the increasing world population, the need for food is increasing day by day. At the same time, the increase in the amount of water used in personal use, industrial and agricultural production and the climate problem in many parts of the world have created a global water problem. Many studies have been carried out to prevent wastage of water resources and to use water efficiently, and studies continue on this subject. Unconscious irrigation in agriculture and unpredictability of the plant's water needs cause both water wastage and yield losses. At the same time, the farmer's inability to predict the amount of fertilization and spraying damages the soil and the environment as well as the plant. Innovative ideas and technologies are needed to meet these requirements, increase efficiency and better use water resources. One of the methods that can meet these needs is digitalization in agriculture. Digital farming methods; It will be effective in increasing productivity, reducing workforce, environmental pollution, water waste and chemicals used in agricultural struggle. Digital agriculture is the application of communication technologies to the modern agriculture industry to meet these needs and to provide food needs in a sustainable way.
In this thesis study, two separate greenhouse environments were created. In the first of these, traditional farming methods were applied. In the second, the existing environmental data (soil moisture, ambient temperature, ambient humidity and ambient light) were collected by the sensors and transferred to the farm management system and necessary actions were taken by the actuators. Thus, digital farming methods have been applied by using a sensor and actuator network that accurately directs the data packets and provides multiple communication. A gateway is established to exchange data over the network between the sensor and actuator nodes and the management system. Instant and hourly data are recorded in the database created through the gateway. If the instantaneous value transferred to the database is below the threshold value, automatic irrigation was performed by the actuator. The amount of water used was recorded in the database. In addition, with the designed mobile application, it is possible to monitor instantaneous media data from the database and control the actuator.
As a result, the efficiency of the two irrigation methods was compared and it was seen that the wireless network design was more efficient. The collected data were analyzed with classification and estimation algorithms through WEKA and Minitab programs. The effect of environmental data on water consumption and plant growth was transformed into a mathematical equation. Thus, the amount of water to be used for longer periods and the estimation of plant growth can be provided.