Smart4Plant este un sistem inteligent de irigare și monitorizare a plantelor, conceput pentru a ajuta utilizatorii să își îngrijească plantele de interior prin udare automată și monitorizare în timp real a condițiilor de mediu. Persoanele pasionate de plante pot întâmpina dificultăți în îngrijirea acestora din diverse motive, în special atunci când sunt plecate pentru perioade mai lungi și nu se află în apropierea plantelor lor.
Sistemul oferă o soluție automată care monitorizează continuu nivelul de umiditate al solului, temperatura și umiditatea aerului, activând sistemul de irigare atunci când este necesar pentru a menține condiții sănătoase pentru plante.
De asemenea, Smart4Plant poate îmbunătăți accesibilitatea și confortul persoanelor cu dizabilități sau mobilitate redusă.
Sistemul reduce efortul fizic necesar pentru îngrijirea și udarea regulată a plantelor.
Prin automatizarea sarcinilor esențiale de întreținere și monitorizarea condițiilor de mediu, proiectul își propune să ofere o soluție practică, accesibilă și ușor de utilizat pentru o îngrijire mai inteligentă a plantelor.

Schema bloc a proiectului:

Componentele principale pe care le utilizez în proiect sunt:

Este utilizat pentru monitorizarea nivelului de umiditate în sol.
Valorile citite sunt analizate apoi prin intermediul microcontroller-ului pentru a determina momentul în care planta necesită udarea.
Acesta poate măsura temperatura din intervalul -20 Celsius ⇔ 50 Celsius, cu o precizie de +-2 Celsius și umiditatea din intervalul 20% - 90%, cu o precizie de +- 15%.

Am utilizat un modul DHT11 KY-015 pentru măsurarea temperaturii și umidității aerului.

Am utilizat o mini pompă de apă submersibilă de 1.6L/min, aceasta fiind responsabilă pentru irigarea automată a plantei. Ea funcționează la o tensiune între 3V și 5V și are un consum de curent de aproximativ 100-200mA.
Pentru controlul pompei am folosit un tranzistor NPN 2N2222 și o diodă 1N4007 pentru a proteja circuitul împotriva curenților inverși care sunt generați la oprirea motorului.
Am alimentat pompa, cât și motorul DC a cărei descriere este mai jos, printr-o sursă externă de 5V pentru mă asigura că placa Arduino nu se va arde.

Motorul DC 3V - 6V este utilizat pentru simularea unui mic sistem de ventilație pentru a răci mediul plantei atunci când temperatura devine mult prea ridicată. Și el este controlat printr-un tranzistor NPN și e protejat de o diodă 1N4007.

Modulul buzzer pasiv KY-006 va oferi feedback audio utilizatorului privind starea sistemului și va semnala evenimente importante, precum oprirea sistemului de irigare, pornirea sistemului de irigare, nivelul scăzut al apei în rezervor, un semnal audio atunci când temperatura este prea ridicată, caz în care sistemul de ventilație va porni.
Am ales să introduc și acest feedback auditiv, deoarece m-am gândit că ar putea contribui la îmbunătățirea accesibilității sistemului pentru persoanele cu deficiențe de vedere, oferind infos despre starea sistemului fără a mai fi necesară observarea LED-urilor de status sau a display-ului.

Este utilizată pentru măsurarea intensității luminii ambientale. Sistemul va putea decide activarea irigării în funcție de nivelul de lumină detectat.

Monitorizează cantitatea de apă disponibilă în rezervorul în care este amplasată pompa submersibilă și previne funcționarea pompei în lipsa apei.

Acesta oferă conectivitate Bluetooth sistemului și îmi permite să transmit informații despre starea plantei, a sistemului și diverși parametrii către o aplicație mobilă. Comunicarea între plăcuța Arduino UNO și modulul HC-06 se realizează prin protocol UART.

• Sistemul implementează un mecanism inteligent de monitorizare și irigare automată a plantelor, utilizând periferice hardware ale microcontrollerului ATmega328P și o arhitectură software modulară, bazată în principal pe task-uri periodice și întreruperi hardware.

Funcționalitățile principale pe care le-am implementat sunt:

1) Monitorizarea umidității solului
2) Monitorizarea temperaturii ambientale
3) Monitorizarea intensității luminii
4) Control automat al pompei de apă
5) Control inteligent al ventilatorului prin PWM hardware
6) Sistem de profiluri pentru plante
7) Mod ECO pentru reducerea consumului de apă
8) Afișarea informațiilor pe un ecran LCD I2C
9) Comunicație Bluetooth UART cu aplicația Android realizată în Kotlin
10) Control prin buton folosind întreruperi hardware
11) Detectarea apăsărilor scurte și lungi (pentru a seta între modul clasic de funcționare și modul economic)
11) Un sistem de feedback vizual, dar și audio în caz că rezervorul pompei rămâne fără apă, lucru care ar putea perturba funționarea motorului pompei.

Sistemul utilizează concepte din mai multe laboratoare:

1. GPIO
2. UART
3. ADC
4. PWM
5. Timere
6. Întreruperi
7. I2C

• Sistemul utilizează o arhitectură software modulară, construită în jurul unui scheduler, al unor task-uri periodice independente. Spre deosebire de o implementare clasică bazată pe delay(), aplicația folosește o abordare non-blocantă, în care fiecare funcționalitate rulează independent, la intervale regulate de timp, folosind un timer hardware și funcția uptime_ms().

• Această abordare mi-a permis să rulez simultan mai multor componente ale sistemului fără blocarea microcontrollerului. Astfel, sistemul poate:

1. citi periodic senzorii
   
2. actualiza afișajul LCD
   
3. controla pompa și ventilatorul
   
4. procesa comenzile Bluetooth
   
5. detecta apăsările butonului
   
6. trimite informații către aplicația Android.
   

• În centrul sistemului se află Timer0, configurat în modul CTC (Clear Timer on Compare Match), care generează întreruperi periodice și incrementează variabila globală g_millis. Această variabilă este utilizată pentru sincronizarea tuturor task-urilor sistemului.

• Bucla principală (while(1)) nu conține logică blocantă, ci doar verificări temporale pentru fiecare task în parte. Fiecare funcționalitate rulează atunci când timpul curent depășește perioada asociată task-ului respectiv. Prin această metodă, aplicația poate executa simultan mai multe activități .
• Task-urile principale implementate în aplicație sunt:

      task_read_sensors() – citirea senzorilor analogici și digitali 
      task_control() – logica principală a sistemului
      task_fan_pwm() – control gradual al ventilatorului prin PWM
      task_display() – actualizarea afișajului LCD
      task_logger() – transmiterea parametrilor către aplicația Android
      task_bluetooth_commands() – procesarea comenzilor Bluetooth
      handle_button() – gestionarea apăsărilor butonului

• Pentru gestionarea evenimentelor rapide, precum apăsarea butonului, sistemul utilizează întreruperi hardware de tip Pin Change Interrupt. Întreruperea nu execută direct logica principală, ci doar setează un flag software (button_interrupt_flag), care este ulterior procesat în bucla principală. Această abordare reduce timpul petrecut în ISR și evită blocarea execuției sistemului.

• În plus, aplicația implementează debounce software și detectarea apăsărilor lungi/scurte, folosind comparații temporale bazate pe uptime_ms(). Astfel, butonul poate fi utilizat atât pentru pornirea/oprirea sistemului, cât și pentru activarea modului ECO.

• Un alt element important al arhitecturii este controlul ventilatorului folosind PWM hardware. Ventilatorul nu funcționează doar în regim ON/OFF, ci își modifică viteza gradual în funcție de temperatură. Pentru aceasta, sistemul utilizează Timer1 configurat în modul Fast PWM 8-bit și registrul OCR1A, care controlează direct duty-cycle-ul semnalului PWM. Pentru a evita pornirile eșuate ale ventilatorului la duty-cycle mic, am implementat o tehnică de „startup boost”. La pornire, ventilatorul primește temporar un duty-cycle maxim pentru a depăși inerția mecanică, după care viteza este redusă gradual la valoarea dorită. Această abordare este inspirată din sisteme reale de control al motoarelor DC și oferă un comportament mult mai stabil.

Am împărțit fișierul main.c în mai multe secțiuni critice pentru sistemul meu, fiecare având un rol important în cadrul proiectului.

• În această secțiune am definit:
  • constantele aplicației
  • pragurile de funcționare
  • perioadele scheduler-ului
  • mapările hardware ale pinilor
  • variabilele globale de stare
• Am definit explicit toate conexiunile hardware
  • senzorii analogici, pompa, ventilatorul, buzzer-ul, LED-urile, LCD-ul, modulul Bluetooth, butonul și senzorul de nivel de apă
  • Exemplu:

#define FAN_DDR DDRB
#define FAN_PORT PORTB
#define FAN_PIN PB1

• Această mapare permite controlul direct al pinului PB1, conectat la: D9 → OC1A → ieșire PWM hardware.
• Tot în această secțiune am definit variabilele globale, precum:
  • g_milis
  • pump_active
  • fan_active
  • fan_target_speed
  • fan_current_speed
  • currentMode
  • currentPlant
• Pentru a gestiona stările sistemului am utilizat enum-uri:

typedef enum {

SYSTEM_OFF, 
MODE_CLASSIC, 
MODE_ECO 

} SystemMode;

• Astfel este mult mai clar și ușor de extins.

• Sistemul utilizează Timer0 pentru implementarea unei baze de timp software utilizate de întreg schedulerul aplicației.

• Timer0 este configurat în: modul CTC (Clear Timer on Compare Match), prescaler 64, compare match la fiecare 1 ms.

Configurarea este realizată prin registrele:

TCCR0A |= (1 « WGM01); OCR0A = 249; TCCR0B |= (1 « CS01) | (1 « CS00); TIMSK0 |= (1 « OCIE0A);

Și la fiecare compare match, este executată întreruperea ISR(TIMER0_COMPA_vect), care incrementează variabila globală volatile uint32_t g_milis, care reprezintă timpul global al sistemului.

• Acesta constă într-o bucla principală repetitivă while(1), înn care fiecare funcționalitate rulează periodic folosind verificări temporale de forma: `if (now - last_task >= PERIOD)`. Aici task-urile principale sunt: citirea senzorilor, controlul logicii, controlul PWM, actualizarea LCD-ului, logica UART, procesarea Bluetooth și procesarea butonului.

• Ventilatorul utilizează PWM hardware, Timer1, ieșirea OC1A și pinul D9/PB1.
• Timerul 1 este configurat în Fast PWM 8-bit, în modul non-inverting și am setat prescaler-ul la 64.
• | Registru | Rol |

• Pentru citirea temperaturii ambientale am utilizat senzorul digital DHT11. În locul unei biblioteci externe dedicate, protocolul de comunicație a fost implementat manual, folosind acces direct la pini GPIO și delay-uri precise în microsecunde. Această abordare a fost aleasă pentru a înțelege mai bine modul de funcționare al protocolului low-level utilizat de senzor și pentru a avea control complet asupra comunicației dintre microcontroller și DHT11.

• Funcția DHT11_read() implementează întregul protocol de comunicație necesar citirii datelor. Inițial, microcontrollerul configurează pinul conectat la DHT11 ca output și transmite un semnal de start, menținând linia pe LOW timp de aproximativ 20 ms. Acest semnal notifică senzorul că microcontrollerul dorește inițierea unei noi transmisii. Ulterior, pinul este readus în modul input, iar aplicația așteaptă răspunsul senzorului folosind mai multe bucle bazate pe timeout pentru a evita blocarea sistemului în cazul unei erori de comunicație.

• Datele transmise de DHT11 sunt formate din 40 de biți, împărțiți în 5 octeți:
  • umiditate întreagă
  • umiditate zecimală
  • temperatură întreagă
  • temperatura zecimală
  • cehcksum
• Din acest motiv am utilizat un vector uint8_t data[5] = {0}, care mi-a permis să stochez toate informațiile trimise de senzor. Protocolul funcționează pe baza temporizării: impuls scurt → bit 0, impuls lung → bit 1.
• După recepționarea tuturor celor 40 de biți, aplicația reconstruiește cei 5 octeți și verifică integritatea datelor folosind checksum-ul transmis de senzor. Verificarea se face prin adunarea primilor 4 octeți și compararea rezultatului cu al cincilea octet primit. Dacă valorile nu coincid, funcția returnează eroare, evitând utilizarea unor date corupte. Temperatura finală este extrasă din data[2] și transmisă către restul aplicației pentru controlul ventilatorului și afișarea pe LCD.

| Registru / Componentă | Rol

Se realizează prin Bluetooth, utilizând modulul HC-05 și perifericul UART hardware al microcontrollerului. Sistemul poate primi comenzi pentru:

1. pornirea/oprirerea sistemului;
2. schimbarea modului de funcționare;
3. selectarea profilului plantei.

Pentru configurarea comunicației seriale au fost utilizate registrele UART ale microcontrollerului, fără folosirea bibliotecilor Arduino standard. Baud rate-ul a fost configurat la 9600 bps folosind registrele UBRR0H și UBRR0L, iar transmisia și recepția au fost activate prin registrul UCSR0B. Comunicarea se realizează asincron, caracter cu caracter, folosind registrul UDR0 pentru transferul efectiv al datelor.

Registre UART utilizate:

Sistemul apoi va trimite periodic către aplicația Android informații despre: umiditatea solului, temperatura ambientală, intensitatea luminii, starea pompei și starea ventilatorului.

• Pe lângă monitorizare, aplicația Android poate controla direct funcționarea sistemului prin trimiterea unor comenzi simple prin Bluetooth. Aceste comenzi sunt recepționate în funcția task_bluetooth_commands().

Comenzile implementate sunt:

S → pornirea sau oprirea completă a sistemului
E → activarea modului ECO
N → selectarea profilului pentru plantă normală
C → selectarea profilului cactus
F → selectarea profilului tropical

Fiecare profil de plantă modifică automat parametrii utilizați de logica sistemului pentru irigare. De exemplu, pentru profilul „plantă normală” sunt setate:

• umiditatea minimă la 40%;
• durata funcționării pompei la 3000 ms.

Pentru profilul „cactus”, sistemul utilizează praguri mai conservative:

• umiditate minimă de 20%;
• durată redusă a irigării, de 1000 ms,

→ deoarece plantele de tip cactus necesită cantități mai mici de apă și sunt mai sensibile la excesul de umiditate.

În cazul profilului „plantă tropicală”, pragul de umiditate este crescut la 65%, iar durata de funcționare a pompei este mărită la 4000 ms, pentru a menține un nivel ridicat de umiditate specific acestui tip de plante. Selectarea profilului modifică direct variabilele

• plant_dry_percent
• plant_pump_duration

care ulterior sunt utilizate în funcția task_control()

În același timp, parametrii senzorilor sunt trimiși periodic către aplicația mobilă pentru monitorizare în timp real.

Pentru afișarea informațiilor locale, sistemul utilizează un LCD 16×2 conectat prin protocolul I2C. Comunicarea se realizează direct prin registrele perifericului TWI hardware al ATmega328P, fără utilizarea funcțiilor Arduino standard. LCD-ul afișează:

1. temperatura
2. umiditatea
3. lumina
4. starea pompei
5. starea ventilatorului
6. modul curent de funcționare

În cadrul acestui proiect am realizat un sistem inteligent pentru monitorizare și irigarea automată a plantelor, lucru foarte util pentru mine și care în același timp a putut fi transformat într-un proiect destul de complex. Proiectul combină partea hardware cu partea software, integrează senzori, actuatoare, dar și o comunicație Bluetooth care face legătura dintre o aplicația mobile și sistem.

Pe parcursul dezvoltării m-am distrat foarte mult experimentând cu partea hardware - partea care mi s-a părut și cea mai interesantă, întrucât a fost prima dată când am avut ocazia să implementez de la zero un sistem embedded complet și să văd efectiv cum toate componentele ajung să funcționeze împreună. Mi s-a părut foarte satisfăcător momentul în care am reușit să controlez pompa, ventilatorul și LCD-ul direct prin microcontroller și să observ cum sistemul reacționează în timp real la datele venite de la senzori. În același timp, proiectul m-a ajutat să înțeleg mult mai bine conceptele din cadrul laboratoarelor și să văd cum se leagă împreună într-un sistem unitar.

Deși pe parcurs au existat și probleme legate de conexiunile hardware (în sepcial la partea bluetooth, dar și în ceea ce privește asigurarea unei funționări corecte d.p.d.v. hardware a pompei submersibile și a motorului DC) și de calibrarea senzorilor, tocmai aceste challenge-uri au făcut proiectul să fie interesant.

Aș vrea să extind proiectul prin adăugarea unui modul Wi-Fi și a unui server web, care să vină ca alternativă la aplicația mobilă curentă.

SmartPlantPM

1 Mai - Finalizare etapa I a documentației (schemă electrică, schemă bloc, descriere)
15 Mai - Finalizare a etapei hardware
18 Mai - Primul prototip software, crearea repository-ului pe github. Am avut câteva probleme cu conexiunea bluetooth spre microcontroller și a trebuit să schimb niște legături
22 Mai - Finalizare software și integrare a aplicației Android
24 Mai - Am terminat documentarea software-ului pentru pagina ocw

Multe componente au fost comandate de pe website-ul Bitmi, unde la aproape fiecare componentă am găsit și instrucțiuni referitoare la modul în care le pot conecta la Arduino UNO, precum și specificațiile necesare.

https://www.bitmi.ro/module-electronice/modul-wireless-esp8266-esp-01-compatibil-arduino-10433.html https://www.bitmi.ro/senzori-electronici/senzor-de-umiditate-a-solului-higrometru-10461.html

Datasheet Arduino UNO R3 (pentru a vedea cum s-au mapat pinii la regiștrii: https://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/1943445/ARDUINO/ARDUINO-UNO.html

Si datasheet-urile componentelor:
Senzorul de temperatură: https://www.alldatasheet.com/html-pdf/2193416/OSEPP/DHT11/1246/7/DHT11.html
https://github.com/eshansurendra/liquid_crystal_i2c_avr/blob/main/src/main.c
Modulul bluetooth HC-05: https://components101.com/sites/default/files/component_datasheet/HC-05%20Datasheet.pdf