سیستم آبیاری هوشمند گیاهان با آردوینو و سنسور رطوبت خاک

این سیستم هوشمند با استفاده از سنسور، میزان رطوبت داخل خاک رو می‌سنجه. میکروکنترلر آردوینو طوری برنامه‌ریزی شده که این مقادیر رو بخونه و اگر رطوبت از یه حد مشخصی کمتر شد، پمپ آب رو روشن کنه.

• تامین برق: انرژی کل سیستم از طریق یک آداپتور 12 ولت تامین می‌شه. برای اینکه ولتاژ مناسب و بی‌خطری به برد آردوینو نانو برسه، از یک مدار رگولاتور استفاده می‌کنیم تا برق 9 ولت تثبیت‌شده رو به آردوینو برسونه.
• خواندن دیتا: سنسور رطوبت خاک (از نوع خازنی) به یکی از پین‌های آنالوگ آردوینو وصل می‌شه و اطلاعات خاک رو می‌خونه.
• محاسبه درصد رطوبت: مقدار آنالوگی که از سنسور دریافت می‌شه، با توجه به مقادیری که برای حالت کاملا خشک و کاملا خیس در نظر گرفتیم، به یک درصد رطوبت قابل فهم تبدیل می‌شه.
• نمایش روی صفحه: این درصد رطوبت روی نمایشگر LCD کاراکتری 16x2 که به آردوینو متصل شده، به صورت زنده نشون داده می‌شه.
• کنترل رله: آردوینو بر اساس همین درصد رطوبت تصمیم می‌گیره که آبیاری رو شروع کنه یا نه. مثلا اگر رطوبت زیر 30 درصد بیاد (یعنی خاک خشکه)، آردوینو پین رله رو فعال می‌کنه و پمپ آب روشن می‌شه.
• وضعیت پمپ در نمایشگر: خط دوم ال‌سی‌دی وضعیت پمپ رو نشون می‌ده. اگر پمپ در حال کار باشه عبارت "Pump: ON" و وقتی رطوبت به بالای 70 درصد برسه و پمپ خاموش بشه، عبارت "Pump: OFF" روی صفحه ظاهر می‌شه.
• حلقه تکرار: برد آردوینو به صورت مداوم این چرخه رو تکرار می‌کنه، وضعیت رو روی نمایشگر آپدیت می‌کنه و حواسش به تغییرات رطوبت هست.

با این روش، پمپ تا زمانی آب رو به گلدون تزریق می‌کنه که رطوبت به سطح ایده‌آل برسه. این سیستم خودکار باعث می‌شه حتی وقتی خونه نیستی، گیاهانت دقیقا همون مقدار آبی که نیاز دارن رو دریافت کنن و همیشه شاداب بمونن.

سنسور رطوبت خاک قطعه‌ایه که همون‌طور که از اسمش پیداست، میزان آب موجود در خاک رو اندازه می‌گیره. این ماژول با بررسی مقاومت یا هدایت الکتریکی خاک، متوجه می‌شه که گلدون چقدر خشکه و نیاز به آبیاری داره. وقتی سطح رطوبت از اون مقداری که ما تو کد مشخص کردیم پایین‌تر بیاد، سنسور به مدار هشدار می‌ده.

آردوینو هم با دریافت این اطلاعات، سیستم آبیاری رو فعال می‌کنه تا آب به گیاه برسه. نظارت دائمی این سنسور باعث می‌شه نه گیاه از تشنگی خشک بشه و نه با آبیاری بیش از حد بپوسه.

سنسوری که تو این پروژه استفاده می‌کنیم یه رگولاتور ولتاژ داخلی داره و با ولتاژهای بین 3.3 تا 5.5 ولت کار می‌کنه. بنابراین هم با بردهای 5 ولتی مثل آردوینو و هم با میکروکنترلرهای 3.3 ولتی کاملا سازگاره.

مشخصات و ویژگی‌ها

1. ولتاژ کاری: بین 3.3 تا 5.5 ولت DC
2. جریان مصرفی: 5 میلی‌آمپر
3. رابط اتصال: استاندارد PH2.54-3P
4. ابعاد: 98 در 23 در 4 میلی‌متر
5. پشتیبانی از رابط 3 پین سنسورهای Gravity
6. خروجی از نوع آنالوگ
7. وزن: حدود 15 گرم

کاربردها

1. مراقبت از گیاهان آپارتمانی و باغچه
2. سیستم‌های تشخیص رطوبت
3. پروژه‌های کشاورزی هوشمند

این نمایشگر همون‌طور که از اسمش مشخصه، 16 ستون و 2 سطر داره و می‌تونه در مجموع 32 کاراکتر رو به صورت همزمان نشون بده. ال‌سی‌دی‌ها از تکنولوژی کریستال مایع استفاده می‌کنن و نور پس‌زمینه‌ای دارن که خوندن اطلاعات رو تو تاریکی هم راحت می‌کنه.

ماژول LCD به راحتی به میکروکنترلرها متصل می‌شه و یکی از محبوب‌ترین گزینه‌ها برای نمایش اطلاعات متنی تو پروژه‌های الکترونیکی به حساب میاد.

مشخصات فنی نمایشگر

• امکان استفاده از ماژول راه‌انداز I2C برای ساده‌تر شدن اتصالات
• کاهش چشمگیر حجم سیم‌کشی با پروتکل I2C
• دارای دو سطر و امکان نمایش 16 کاراکتر در هر سطر
• نمایش متن سفید روی پس‌زمینه آبی (در برخی مدل‌ها مشکی روی سبز)
• دارای نور پس‌زمینه ال‌ای‌دی تک‌رنگ
• رنگ متن: سفید
• رنگ بک‌لایت: سبز یا آبی
• ولتاژ کاری: 5 ولت

کل این سیستم قراره با یک آداپتور 12 ولت روشن بشه که به جک تغذیه متصل می‌شه. دلیل انتخاب آداپتور 12 ولتی اینه که پمپ آب و ماژول رله برای کار کردن به این ولتاژ نیاز دارن. اما از اونجایی که اعمال 12 ولت مستقیم به پایه ورودی آردوینو می‌تونه باعث داغ شدن بیش از حد برد بشه، ما از یک آیسی رگولاتور ولتاژ 7809 استفاده می‌کنیم.

وظیفه این رگولاتور 7809 اینه که ولتاژ 12 ولت ورودی رو بگیره و یک ولتاژ 9 ولت کاملا صاف و پایدار بهمون تحویل بده. برای اینکه این ولتاژ بدون هیچ نویزی به مدار برسه، دو تا خازن الکترولیت (یکی 10 میکروفاراد و یکی 1 میکروفاراد) به پایه‌های ورودی و خروجی رگولاتور وصل می‌کنیم. حالا این ولتاژ 9 ولت رو با خیال راحت به پین Vin آردوینو نانو متصل می‌کنیم.

استفاده از رگولاتور باعث می‌شه برد آردوینو نانو داغ نکنه و عمر مفید قطعات به شدت بالا بره.

طراحی برد مدار چاپی (PCB)

اگر دوست نداری پروژه‌ت رو روی بردبورد یا بردهای سوراخ‌دار ببندی، می‌تونی برای این مدار یک برد مدار چاپی اختصاصی طراحی کنی. برای شروع می‌تونی از نرم‌افزارهای طراحی الکترونیک کمک بگیری.

داشتن یک برد مدار چاپی باعث می‌شه پروژه‌ت جمع‌وجورتر بشه و اتصالات محکم‌تری داشته باشی که برای یه سیستم آبیاری که با آب سر و کار داره، این موضوع خیلی مهمه. مزایای ساخت یک برد اختصاصی برای این پروژه:

• تمیزی و نظم بالای سیم‌کشی‌ها
• مقاومت بیشتر در برابر قطعی سیم‌ها
• کاهش نویزهای الکتریکی
• ظاهر حرفه‌ای و شرکتی دستگاه

حالا بریم سراغ اتصال سنسور رطوبت به برد آردوینو:

• پایه VCC سنسور رطوبت رو به پین 3.3 ولت آردوینو وصل کن.
• پایه GND سنسور رو به یکی از پین‌های GND (زمین) آردوینو متصل کن.
• در نهایت پین خروجی آنالوگ سنسور (Aout) رو به پین A0 روی برد آردوینو وصل کن.

حالا نوبت به وصل کردن نمایشگر LCD به آردوینو می‌رسه:

1. پین‌های شماره 1 (VSS)، شماره 5 (R/W) و شماره 16 (ال‌ای‌دی-) از ال‌سی‌دی رو به پین GND آردوینو وصل کن.
2. پین‌های شماره 2 (VDD) و شماره 15 (ال‌ای‌دی+) ال‌سی‌دی رو به پین 5 ولت آردوینو وصل کن تا برق نمایشگر و نور پس‌زمینه تامین بشه.
3. پین شماره 3 (VO) ال‌سی‌دی باید به پایه وسط یک پتانسیومتر 10 کیلواهم متصل بشه تا بتونی با چرخوندنش، کنتراست (وضوح) نوشته‌ها رو تنظیم کنی.
4. پین‌های کنترلی نمایشگر رو هم طبق این ترتیب به آردوینو نانو وصل کن:

• پین شماره 4 (RS) نمایشگر به پین دیجیتال 12 آردوینو
• پین شماره 6 (E) نمایشگر به پین دیجیتال 11 آردوینو
• پین شماره 11 (D4) به پین 10 آردوینو
• پین شماره 12 (D5) به پین 9 آردوینو
• پین شماره 13 (D6) به پین 8 آردوینو
• پین شماره 14 (D7) به پین 7 آردوینو

1. برای کنترل رله تو این پروژه از پین دیجیتال D2 آردوینو استفاده کردیم. این پین رو به پایه سیگنال (IN) ماژول رله وصل کن تا آردوینو بتونه پمپ رو خاموش و روشن کنه.

اگر خواستی از پین‌های دیگه‌ای روی آردوینو استفاده کنی، یادت نره که شماره اون‌ها رو تو کدهای برنامه هم تغییر بدی.

حالا که نقشه سیم‌کشی رو کامل یاد گرفتی، وقتشه که سیستم آبیاری رو روی یک بردبورد سوار کنی و اتصالات رو با سیم‌های جامپر برقرار کنی. موقع بستن قطعات حسابی دقت کن تا پین‌ها اشتباهی وصل نشن.

حالا نرم‌افزار Arduino IDE رو باز کن و کدهای پروژه رو داخلش آپلود کن. این برنامه از کتابخونه معروف LiquidCrystal استفاده می‌کنه تا بتونه دستورات متنی رو به نمایشگر بفرسته. پین‌هایی که برای اتصال ال‌سی‌دی استفاده کردیم (12، 11، 10، 9، 8 و 7) تو همین کدها تعریف شدن.

برنامه به این شکل عمل می‌کنه که ابتدا دیتای آنالوگ رو از پین A0 (که سنسور رطوبت بهش وصله) می‌خونه. بعد با چند تا فرمول ساده، اون عدد رو به یک درصد رطوبت قابل فهم تبدیل می‌کنه و در نهایت اون رو روی صفحه ال‌سی‌دی نشون می‌ده.

توی کدهای این برنامه، ما مقادیر مشخصی رو برای حالت کاملا خشک، حالت خیس و نقطه حساس (Threshold) تعریف کردیم. وقتی سیستم متوجه بشه که درصد رطوبت خاک به زیر 30 درصد رسیده، فورا رله متصل به پین 2 رو فعال می‌کنه و پمپ شروع به کار می‌کنه. تو این حالت می‌تونی پیام "Pump: ON" رو روی صفحه ببینی.

به محض اینکه خاک به اندازه کافی خیس بشه و رطوبت از 70 درصد بالاتر بره، آردوینو فرمان قطع رله رو می‌ده و آبیاری متوقف می‌شه. به همین سادگی تونستیم یه نگهبان تمام‌عیار برای گیاهانمون بسازیم! تیم آیسی‌مدار همیشه دنبال پروژه‌هاییه که یه گره از کارهای روزمره باز کنه.

امیدواریم از این آموزش لذت برده باشی؛ اگر تو مراحل ساخت این مدار جذاب به مشکلی خوردی یا سوالی داشتی، حتما تو بخش نظرات برامون بنویس.