Papaya Plant Stress Monitoring System Based on Vibration Sensor and Visible Light Communication (VLC) Technology

पौधे अक्सर हमारी खाद्य प्रणालियों में मौन भागीदार होते हैं, लेकिन वे लगातार गति की एक ऐसी भाषा बोलते हैं जो मानवीय आंखों से ओझल रहती है। जब पपीते के पेड़ में पानी की कमी होती है, तो उसकी पत्तियां केवल मुरझाती नहीं हैं; वे अपने कंपन करने के तरीके को बदल लेती हैं। यह सूक्ष्म बदलाव एक शारीरिक संकेत है, प्यास के तनाव के प्रति एक भौतिक प्रतिक्रिया है जिसे पौधे द्वारा दृश्य संकट के लक्षण दिखाने से बहुत पहले मापा जा सकता है। किसानों के लिए, इस संकेत को जल्दी पकड़ना महत्वपूर्ण है, क्योंकि सूखा तेजी से विकास को रोक सकता है और फसल बर्बाद कर सकता है। चुनौती हमेशा यह रही है कि बिजली के आउटलेट और इंटरनेट टावरों से दूर, खेत के बीच में इन शांत संकेतों को महंगे उपकरणों के बिना कैसे सुना जाए जिन्हें बनाए रखना कठिन होता है।

श्रीविजय विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने एक ऐसी प्रणाली विकसित की है जो इन कंपनों को सुनने और किसान के फोन पर संदेश भेजने के लिए डिज़ाइन की गई है। उन्होंने पपीते के पौधे पर ध्यान केंद्रित किया, जो पानी की उपलब्धता के प्रति संवेदनशील फसल है, और एक ऐसा उपकरण बनाया जो पत्तियों के लिए स्टेथोस्कोप का काम करता है। उनके आविष्कार का मुख्य हिस्सा एक छोटा सेंसर है, जो एक सिक्के के आकार का है, जो पत्ते की सूक्ष्म थरथराहट और कंपन को पहचानता है। जब पौधा स्वस्थ और पर्याप्त पानी वाला होता है, तो उसकी पत्तियां एक निश्चित लय के साथ कंपन करती हैं। जैसे-जैसे मिट्टी सूखती है और पौधा प्यासा होने लगता है, वह लय धीमी हो जाती है और कंपन कमजोर हो जाता है। शोधकर्ता यह देखना चाहते थे कि क्या वे इस कंपन के बदलाव का उपयोग करके एक स्वस्थ पौधे और एक प्यासे पौधे के बीच अंतर कर सकते हैं, और क्या वे इसे एक ऐसे संचार माध्यम का उपयोग करके कर सकते हैं जो पारंपरिक इंटरनेट पर निर्भर नहीं है।

इन कंपनों को पकड़ने के लिए, टीम ने प्रयोगशाला और तंजुंग पेरिंग गाँव के एक वास्तविक खेत, दोनों स्थानों पर पपीते के पौधों की पत्तियों और डंठल से सेंसर जोड़ा। लैब में, उन्होंने एक पौधे को प्रतिदिन सावधानीपूर्वक पानी दिया जबकि दूसरे को एक सप्ताह तक बिना पानी के छोड़ दिया। उन्होंने कंपन के स्तर को मापा, जिसे त्वरण (acceleration) के रूप में जाना जाता है, ताकि एक विशिष्ट बिंदु का पता लगाया जा सके जहाँ पौधे की गति तनाव का संकेत देने के लिए पर्याप्त रूप से बदल जाती है। उन्होंने पाया कि जैसे ही मिट्टी की नमी अस्सी प्रतिशत से घटकर चालीस प्रतिशत हुई, प्यासे पौधे का कंपन स्तर लगभग 0.04601 मीटर प्रति सेकंड स्क्वायर से घटकर 0.04085 मीटर प्रति सेकंड स्क्वायर हो गया। इस गिरावट ने उन्हें 0.04454 मीटर प्रति सेकंड स्क्वायर पर एक सीमा (threshold), यानी रेत में खींची गई एक रेखा निर्धारित करने की अनुमति दी। यदि कंपन का स्तर इस संख्या से नीचे गिर जाता, तो पौधे को तनावग्रस्त माना जाता।

हालाँकि, एक सेंसर जो शांत लैब में काम करता है, वह वास्तविक खेत के लिए पर्याप्त नहीं है, जहाँ हवा और मौसम शोर पैदा करते हैं। जब टीम ने अपने सिस्टम को खेत में ले जाया, तो उन्होंने पाया कि हवा के कारण पत्तियां लैब की तुलना में बहुत अधिक हिलती हैं, जिससे कंपन के आंकड़े कुल मिलाकर अधिक हो जाते हैं। खेत में एक स्वस्थ पौधे ने औसतन 0.333561 मीटर प्रति सेकंड स्क्वायर का कंपन दिखाया, जबकि एक प्यासे पौधे ने 0.258715 मीटर प्रति सेकंड स्क्वायर दिखाया। यहाँ तक कि जब प्यासे पौधे को तेज हवाओं का सामना करना पड़ा, तब भी इसका कंपन स्वस्थ पौधे की तुलना में कम रहा। इससे यह पुष्टि हुई कि पौधे का आंतरिक जल दबाव, या टर्गर (turgor), इन कंपनों का प्राथमिक चालक है, जो हवा के बाहरी शोर पर हावी रहता है। क्योंकि हवा ने आंकड़ों को बहुत बदल दिया था, इसलिए टीम को खेत के लिए अपने थ्रेशोल्ड को समायोजित करना पड़ा, और प्राकृतिक वातावरण में स्वास्थ्य और तनाव के बीच सटीक अंतर करने के लिए सीमा को बढ़ाकर 0.0665 $m/s^2$ कर दिया।

शोधकर्ताओं ने यह भी परीक्षण किया कि सर्वोत्तम परिणामों के लिए सेंसर कहाँ लगाना चाहिए। उन्होंने सेंसर को सीधे पत्ते के चपटे भाग पर और डंठल (petiole) पर लगाने का प्रयास किया, जो पत्ते को थामे रखता है। उन्होंने पाया कि सेंसर को पत्ते पर लगाने से वह हवा के प्रति अधिक संवेदनशील हो जाता है, जिससे गलत अलार्म बज सकते हैं। फलस्वरूप, एक स्थिर अवलोकन के लिए, वे पत्ते के बजाय डंठल पर सेंसर लगाने का सुझाव देते हैं, क्योंकि यह स्थान अधिक स्थिर रीडिंग प्रदान करता है जो हवा के झोंकों से कम प्रभावित होता है। यह विवरण यह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण है कि सिस्टम किसानों को हर हवा के झोंके पर प्रतिक्रिया देने के बजाय सटीक जानकारी दे।

एक बार जब सेंसर समस्या का पता लगा लेता है, तो उसे किसी को बताना होता है। टीम ने विज़िबल लाइट कम्युनिकेशन (visible light communication) नामक तकनीक का उपयोग किया, जो रेडियो तरंगों के बजाय प्रकाश के माध्यम से डेटा भेजती है। उनके सेटअप में, कंपन डेटा को एक सिग्नल में बदल दिया गया जो फाइबर ऑप्टिक केबल के माध्यम से रिसीवर तक पहुँचा। यह तरीका इसलिए चुना गया क्योंकि इसमें बहुत कम बिजली की खपत होती है और इसमें हस्तक्षेप (interference) की समस्या नहीं होती, जो इसे दूरदराज के क्षेत्रों के लिए आदर्श बनाता है। सिस्टम ने बिना किसी सूचना के नुकसान के तीन, पंद्रह और पच्चीस मीटर की दूरी तक सफलतापूर्वक डेटा प्रसारित किया। रिसीवर से, डेटा को व्हाट्सएप बॉट (WhatsApp bot) पर भेजा गया, जो एक परिचित मैसेजिंग सेवा है। सिस्टम ने डेटा पढ़े जाने के क्षण और उपयोगकर्ता के फोन पर अलर्ट दिखने के बीच औसतन केवल 10.9 सेकंड का विलंब (delay) दिखाया। यह गति इतनी तेज़ है कि किसान पौधे को स्थायी नुकसान होने से पहले कार्रवाई कर सके।

अध्ययन यह निष्कर्ष निकालता है कि पपीते के पौधों के कंपन को सुनकर उनके स्वास्थ्य की निगरानी करना संभव है। सिस्टम ने सिद्ध किया कि पानी का तनाव पौधे के हिलने-डुलने के तरीके को बदल देता है, और इस बदलाव को सरल, कम लागत वाले घटकों का उपयोग करके जल्दी से पहचाना, मापा और संप्रेषित किया जा सकता है। हालांकि "तनावग्रस्त" माने जाने वाले विशिष्ट आंकड़े इस बात पर निर्भर करते हैं कि पौधा शांत लैब में है या हवादार खेत में, लेकिन मूल सिद्धांत सत्य है: एक प्यासा पपीता का पौधा स्वस्थ पौधे की तुलना में अलग तरह से कंपन करता है। इस जैविक संकेत को डिजिटल अलर्ट में बदलकर, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण बनाया है जो किसानों को उनकी फसलों की बेहतर देखभाल करने में मदद कर सकता है, यह सुनिश्चित करते हुए कि पौधों को पानी ठीक उसी समय मिले जब उन्हें इसकी आवश्यकता हो।