Sistem inteligent de udare automată pentru orhidee

De multe ori, oamenii uită să își ude plantele la timp, mai ales în perioadele aglomerate sau atunci când pleacă de acasă pentru câteva zile. În cazul orhideelor, această problemă este și mai importantă, deoarece ele sunt plante sensibile atât la lipsa apei, cât și la excesul de apă. O udare incorectă poate afecta rădăcinile și poate duce la deteriorarea plantei.

Proiectul propus este un sistem inteligent de udare automată pentru o orhidee, realizat folosind placa ATmega328P-XMINI. Sistemul măsoară umiditatea solului și temperatura mediului, apoi decide dacă planta are nevoie de apă. Dacă solul este prea uscat, sistemul afișează un mesaj de avertizare și activează o pompă de apă pentru a uda planta.

Scopul proiectului este automatizarea unei activități simple, dar importante: îngrijirea corectă a unei plante. Sistemul poate fi util pentru persoanele care uită să ude plantele, pentru perioadele în care utilizatorul este plecat de acasă sau pentru monitorizarea mai atentă a unei plante sensibile, precum orhideea.

Sistemul este alcătuit din mai multe module hardware și software care lucrează împreună pentru monitorizarea și udarea automată a orhideei. Placa ATmega328P-XMINI reprezintă unitatea centrală de control. Aceasta citește valorile senzorilor, decide starea plantei și comandă afișajul, LED-ul RGB și pompa de apă.

Senzorul de umiditate a solului măsoară nivelul de apă din sol și transmite o valoare analogică către microcontroler. Senzorul de temperatură măsoară temperatura mediului, iar această valoare poate fi folosită pentru ajustarea cantității de apă. De exemplu, la temperaturi mai mari, planta poate avea nevoie de o cantitate mai mare de apă.

Display-ul OLED este folosit pentru afișarea mesajelor principale ale sistemului, iar LED-ul RGB oferă o indicație rapidă a stării plantei. Pompa de apă este controlată printr-un modul releu, deoarece nu poate fi alimentată direct de la un pin al microcontrolerului.

Schema bloc a sistemului este următoarea:

Funcționarea generală a sistemului:

• microcontrolerul citește periodic umiditatea solului și temperatura;
• valorile citite sunt convertite în informații utile pentru utilizator;
• dacă umiditatea este sub un prag stabilit, sistemul marchează planta ca având nevoie de apă;
• display-ul OLED afișează starea plantei;
• LED-ul RGB semnalizează vizual starea sistemului;
• pompa este pornită pentru o perioadă controlată;
• valorile pot fi afișate în terminal prin USART;
• opțional, datele pot fi salvate pe cardul microSD.

Componentele folosite în proiect sunt:

• ATmega328P-XMINI - placa de dezvoltare folosită ca unitate centrală de control;
• senzor capacitiv de umiditate a solului - folosit pentru măsurarea nivelului de umiditate din sol;
• senzor de temperatură analogic LM35 - folosit pentru măsurarea temperaturii mediului;
• display OLED 0.96 inch cu interfață I2C - folosit pentru afișarea stării sistemului și a valorilor citite de senzori;
• mini pompă de apă DC - folosită pentru udarea plantei;
• modul releu 5V - folosit pentru controlul pompei de apă, deoarece pompa nu poate fi alimentată direct de la un pin al microcontrolerului;
• LED roșu - folosit pentru semnalizarea udării automate și pentru efectul de fade în timpul udării automate;
• LED verde - folosit pentru indicarea stării normale a sistemului;
• LED albastru - folosit pentru indicarea faptului că pompa este activă;
• buton manual - folosit pentru pornirea manuală a udării;
• sursă de alimentare / alimentare USB - folosită pentru alimentarea sistemului;
• breadboard și fire Dupont - folosite pentru realizarea conexiunilor;
• tub pentru pompă - folosit pentru transportul apei din recipient către ghiveci.

În stadiul actual, componentele principale ale sistemului sunt funcționale: senzorul de umiditate, senzorul de temperatură, display-ul OLED, LED-urile de stare, butonul manual, releul și pompa de apă.

Conexiunile principale folosite sunt:

Descrierea detaliată a conexiunilor:

• Senzorul de umiditate a solului este conectat la pinul A0 / PC0 / ADC0, deoarece oferă o ieșire analogică. Microcontrolerul citește această valoare prin convertorul ADC și o transformă într-un procent aproximativ de umiditate.
• Senzorul de temperatură LM35 este conectat la pinul A1 / PC1 / ADC1. Acesta oferă o tensiune proporțională cu temperatura, iar valoarea citită este convertită în grade Celsius.
• Display-ul OLED folosește interfața I2C, fiind conectat la pinii hardware SDA = A4 / PC4 și SCL = A5 / PC5. Această interfață permite comunicarea cu display-ul folosind doar două fire de semnal.
• Modulul releu este comandat prin pinul D4 / PD4. Releul este folosit deoarece pompa consumă mai mult curent decât poate furniza direct un pin GPIO al microcontrolerului. Releul funcționează ca un comutator controlat electronic.
• Pompa de apă este conectată prin contactele releului. În implementarea folosită, COM este conectat la alimentare, NO este conectat la firul roșu al pompei, iar firul negru al pompei este conectat la GND.
• Butonul manual este conectat la D2 / PD2 și folosește configurația INPUT_PULLUP. În stare normală pinul este HIGH, iar la apăsare devine LOW. Pinul D2 a fost ales deoarece poate fi folosit și ca întrerupere externă INT0.
• LED-ul roșu este conectat la D5 / PD5, pin care permite PWM. Acesta este folosit pentru efectul de fade în timpul udării automate.
• LED-ul verde este conectat la D6 / PD6 și indică starea normală a sistemului sau perioada de așteptare după udare.
• LED-ul albastru este conectat la D7 / PD7 și indică faptul că pompa este activă.

LED-urile sunt folosite pentru afișarea rapidă a stării sistemului:

În implementarea finală, LED-ul verde indică faptul că sistemul este în stare normală. LED-ul albastru indică activarea pompei. Pentru udarea manuală se aprinde doar LED-ul albastru, iar pentru udarea automată se aprinde LED-ul albastru împreună cu LED-ul roșu, care scade treptat în intensitate folosind PWM.

Schema electrică a sistemului este prezentată în figura de mai jos. Aceasta evidențiază conexiunile dintre placa ATmega328P-XMINI și modulele externe: senzorul de umiditate, senzorul de temperatură, display-ul OLED, modulul releu, pompa de apă, LED-urile de stare și butonul manual.

Schema electrică urmărește conexiunile reale folosite în montajul pe breadboard. Senzorii analogici sunt conectați la intrările ADC A0 și A1, display-ul OLED este conectat prin magistrala I2C, iar pompa este comandată printr-un modul releu conectat la pinul D4. LED-ul roșu este conectat la un pin PWM pentru a permite variația intensității luminoase, iar LED-urile verde și albastru sunt conectate la pini digitali simpli.

În continuare sunt prezentate imagini din timpul realizării și testării montajului hardware.

Figura 1 prezintă montajul general al sistemului pe breadboard. Se pot observa placa ATmega328P-XMINI, senzorii, LED-urile, butonul, display-ul OLED, modulul releu și conexiunile realizate cu fire Dupont.

Figura 2 prezintă conexiunea dintre modulul releu și pompa de apă. Releul este comandat de microcontroler și permite pornirea sau oprirea pompei fără ca aceasta să fie alimentată direct dintr-un pin GPIO.

Figura 3 prezintă display-ul OLED în timpul funcționării. Acesta afișează starea sistemului, valoarea umidității solului, valoarea ADC și temperatura măsurată.

Funcționarea sistemului a fost verificată prin mai multe teste:

• testarea senzorului de umiditate prin scoaterea și introducerea acestuia în apă sau în sol;
• testarea senzorului de temperatură prin afișarea valorilor în terminal și pe OLED;
• testarea LED-urilor pentru cele trei stări principale: OK, udare automată și udare manuală;
• testarea releului și a pompei prin pornirea automată și manuală a udării;
• testarea display-ului OLED prin afișarea mesajelor de stare.

În urma testelor, sistemul poate detecta o valoare de umiditate corespunzătoare solului uscat și poate porni automat pompa. De asemenea, utilizatorul poate porni manual udarea prin apăsarea butonului. După udare, sistemul intră într-o stare de așteptare, pentru ca apa să se distribuie în sol, apoi revine la monitorizarea normală.

În stadiul actual, sistemul hardware principal este funcțional. Au fost conectate și testate următoarele componente: senzorul de umiditate a solului, senzorul de temperatură, display-ul OLED, butonul manual, LED-urile de stare, modulul releu și pompa de apă.

Senzorul de umiditate este citit periodic prin ADC, iar valorile sunt afișate atât în terminalul serial, cât și pe display-ul OLED. Senzorul de temperatură este citit printr-un al doilea canal ADC și valoarea este convertită în grade Celsius.

Pompa de apă este controlată prin releu. Sistemul poate porni udarea automat atunci când valorile senzorului indică sol uscat, dar poate porni și manual prin apăsarea butonului. După udare, sistemul intră într-o stare de așteptare pentru ca apa să se distribuie în sol.

Display-ul OLED afișează starea sistemului: ORCHID OK, AUTO WATERING, MANUAL WATER sau WAITING. LED-urile oferă semnalizare vizuală rapidă: verde pentru stare normală, albastru pentru pompă activă și roșu pentru udare automată.

Proiectul este implementat în C/C++ folosind framework-ul Arduino, în mediul Visual Studio Code cu PlatformIO. Codul rulează direct pe microcontroller și controlează senzorii, pompa, LED-urile, butonul și display-ul OLED.

În stadiul actual, proiectul poate citi umiditatea solului și temperatura, poate calcula automat cantitatea de apă necesară și poate porni pompa prin releu. Sistemul permite și udare manuală prin apăsarea unui buton tratat cu întrerupere externă.

• Arduino.h - utilizată pentru funcțiile de bază ale microcontrollerului: GPIO, ADC, PWM, temporizare și comunicație serială;
• Wire.h - utilizată pentru comunicația I2C cu display-ul OLED;
• Adafruit_GFX.h - utilizată pentru funcțiile grafice de bază ale display-ului;
• Adafruit_SSD1306.h - utilizată pentru controlul display-ului OLED SSD1306;
• avr/interrupt.h - utilizată pentru configurarea și tratarea întreruperii externe a butonului.

• GPIO - folosit pentru controlul releului, LED-urilor și butonului;
• ADC - folosit pentru citirea senzorului de umiditate a solului și a senzorului de temperatură;
• PWM - folosit pentru controlul intensității LED-ului roșu prin analogWrite();
• I2C - folosit pentru comunicația cu display-ul OLED;
• USART - folosit prin Serial pentru mesaje de debug și monitorizare;
• Întreruperi - folosite prin INT0 pentru detectarea apăsării butonului de udare manuală;
• Timere / temporizare - folosite prin millis() pentru debounce, stabilizare, durata udării și intervalele de afișare.

Logica proiectului este organizată ca o mașină de stări cu următoarele stări:

• SYSTEM_STABILIZING - perioada inițială de stabilizare a senzorilor;
• SYSTEM_OK - starea normală de monitorizare;
• NEEDS_WATER - solul este detectat ca fiind uscat;
• WATERING - pompa este activă;
• WAIT_AFTER_WATERING - perioada de așteptare pentru absorbția apei.

În loop() se citesc senzorii, se calculează umiditatea și temperatura, se verifică starea sistemului, se pornește sau se oprește pompa și se actualizează LED-urile, OLED-ul și mesajele transmise prin Serial.

Funcționalitatea a fost validată prin verificarea valorilor ADC în Serial Monitor, testarea afișajului OLED, testarea releului și a pompei, verificarea LED-urilor și testarea butonului cu întrerupere. De asemenea, au fost testate tranzițiile dintre stările sistemului.

Senzorul de umiditate a fost calibrat experimental prin citirea valorilor ADC pentru sol uscat și sol umed. Valorile obținute au fost folosite ca praguri pentru SOIL_DRY_ADC și SOIL_WET_ADC, iar apoi au fost transformate în procent de umiditate folosind map().

• media mai multor citiri ADC pentru reducerea zgomotului;
• debounce pentru buton;
• confirmarea mai multor citiri consecutive înainte de pornirea sau oprirea udării;
• limitarea timpului maxim de funcționare al pompei pentru protecție;
• organizarea logicii într-o mașină de stări pentru claritate și control mai bun.

Fișierul atașat conține codul sursă, configurația proiectului și resursele folosite pentru implementarea sistemului automat de udare. Arhivă proiect

Pentru realizarea proiectului am folosit documentații tehnice și resurse online pentru componentele hardware și bibliotecile software utilizate. Documentația pentru microcontrolerul ATmega328P a fost folosită pentru înțelegerea pinilor disponibili, a intrărilor ADC, a pinilor digitali și a funcționării generale a microcontrolerului. Pentru senzorul de temperatură LM35 am folosit fișa tehnică, deoarece aceasta explică faptul că senzorul are o ieșire analogică liniară de 10 mV/°C, valoare folosită în conversia din ADC în grade Celsius. Pentru display-ul OLED cu controller SSD1306 am folosit documentația bibliotecilor Adafruit SSD1306 și Adafruit GFX, necesare pentru afișarea textului pe ecran prin interfața I2C. De asemenea, am folosit resurse Arduino pentru funcțiile de bază precum `pinMode()`, `digitalRead()`, `digitalWrite()`, `analogRead()`, `analogWrite()` și `millis()`, folosite în implementarea logicii de control, citirea senzorilor, PWM pentru LED-ul roșu și temporizarea fără blocare. Pentru controlul pompei am consultat resurse despre utilizarea unui modul releu cu Arduino, deoarece pompa nu poate fi alimentată direct dintr-un pin GPIO al microcontrolerului.

• Microchip - ATmega328P Datasheet - documentația microcontrolerului folosit pentru pini, ADC, GPIO și caracteristici electrice: https://www.microchip.com/en-us/product/atmega328p
• ATmega328P Datasheet PDF - fișă tehnică detaliată pentru microcontrolerul ATmega328P: https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf
• Texas Instruments - LM35 Datasheet - documentația senzorului de temperatură LM35 și relația de conversie 10 mV/°C: https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm35.pdf
• Arduino Documentation - Analog Input Pins - informații despre citirea valorilor analogice folosind pinii ADC: https://www.arduino.cc/en/Tutorial/AnalogInputPins
• Arduino Reference - pinMode(), digitalRead(), digitalWrite(), analogRead(), analogWrite(), millis() - funcții folosite pentru configurarea pinilor, citirea senzorilor, controlul LED-urilor și temporizări: https://docs.arduino.cc/language-reference/
• Adafruit SSD1306 Library - bibliotecă folosită pentru controlul display-ului OLED SSD1306: https://docs.arduino.cc/libraries/adafruit-ssd1306/
• Adafruit GFX Library - bibliotecă grafică folosită împreună cu Adafruit SSD1306 pentru afișarea textului și elementelor grafice: https://github.com/adafruit/Adafruit-GFX-Library
• Adafruit Monochrome OLED Guide - ghid pentru utilizarea display-urilor OLED cu controller SSD1306: https://learn.adafruit.com/monochrome-oled-breakouts/arduino-library-and-examples
• Arduino / Relay Module Tutorials - resurse generale pentru controlul unei pompe sau sarcini externe folosind un modul releu comandat de microcontroler: https://docs.arduino.cc/
• PlatformIO Documentation - mediul folosit pentru compilarea, încărcarea și monitorizarea programului pe placa ATmega328P: https://docs.platformio.org/