Proiectul constă în realizarea unui sistem care să monitorizeze umiditatea solului uneia sau mai multor plante, iar când solul se usucă sub un anumit prag, sistemul o să ude automat pământul. În paralel, sistemul va măsura temperatura locului în care este plasat, informațiile fiind afișate pe un ecran LCD.

Motivația din spate a venit principal de la faptul că am vrut să lucrez cu componente pe care deja le aveam, ca o provocare pentru mine. De asemenea, am vrut să lucrez cu componente pe care nu prea le-am folosit (senzorul de umiditate, pompa de apă, ecranul LCD), pentru a afla mai mult despre ele. Specific, am ales acest proiect pentru că mi s-a părut că pot să-l folosesc și după ce este prezentat și că are loc suficient pentru a îl îmbunătăți și dezvolta ulterior.

Sistemul funcționează astfel:

1. Microcontrolerul este conectat la o sursă de curent, iar toți senzorii se pornesc.
2. Microcontrolerul citește datele senzorului de umiditate a solului și a senzorului de temperatură și umiditate.
3. Dacă citirea analogică a senzorului de umiditate depășește un threshold setat, se încearcă pornirea pompei de apă.
4. Dacă, de asemenea, butonul pentru pornirea pompei de apă este setat pe ON, se pornește pompa de apă până când măsuratoarea analogică scade sub threshold.
5. Datele sunt afișate pe ecranul LCD
6. Se repetă procesul în loop până când microcontrolerul este deconectat de la sursa de curent.

• Arduino Uno (Microcontrolerul sistemului. Nu este neapărat cel mai bun microcontroler pentru genul de proiect cu multe module, într-un use case real aș fi folosit un ESP, dar am reușit un workaround pentru a evita dificultăți în care se blochează un modul)

• Accelerometru și giroscop MPU6050 (Folosit pentru măsurarea temperaturii. Deși nu îi folosesc capacitățile de accelerometru și giroscop, este capabil de cerințele actuale și poate fi ușor înlocuit cu un modul BME datorită comunicării I2C)

• Probă sol FC-28 (Proba este înfiptă în solul de lângă plantă, la o adâncime suficientă cât să acopere toți senzorii (găurile de pe limbi) pentru o măsurătoare precisă. Dacă această adâncime nu este atinsă, poate fi introdus și la un unghi. Proba este conectată la modulul LM393)

• Senzor umiditate sol LM393 (Acest modul recepționează semnalul de la probă, este interpretat, apoi măsurătoarea este trimisă printr-un semnal analogic la microcontroler într-o valoare între 0 și 1023)

• Ecran LCD 1602 (Pe acest ecran vor fi afișate informațiile senzorilor. În colțul stânga-sus, va fi temperatura în grade Celsius, iar stânga-jos umiditatea în procente)

• Interfață I2C LCM1602 (Modulul este lipit de ecranul LCD și are rolul de a simplifica comunicarea cu acesta. Deoarece ecranul are 16 pini, legarea tuturor constituie lipirea multor fire și complicarea diagramei electrice. Prin adăugarea modulului, reducem numărul de pini la 4 și simplificăm semnificativ diagrama prin comunicarea cu I2C)

• Releu 5V JQC-3FF-S-Z (Folosit pentru a porni și opri sursa de curent a pompei de apă. L-am folosit pentru a separa funcționarea pompei de microcontroler și restul circuitului. Când semnalul primit de la senzorul de umiditate trece de un threshold și dacă butonul de pornire a pompei este pe modul ON, un semnal este trimis de la microcontroler pe pinul IN al releului, acesta se deschide, iar pompa de apă poate să tragă curent de la baterie)

• Pompă 3-6V (Pompa este așezată într-un compartiment umplut cu apă, asigurându-se că apa nu trece de izolația firelor de alimentare. Aceasta funcționează la 3V3 pentru a economisi curentul tras din baterie)

• Modul step-down LM2596 (Folosit pentru a reduce tensiunea de 9V a bateriei la 3V3, deoarece pompa acționează corect și sigur în range-ul 3-6V)

• Baterie 9V (Bateria pompei de apă. Am ales să folosesc o alimentare separată pentru pompă deoarece microcontrolerul Arduino nu face față să comunice cu toți senzorii atunci când pompa este pornită. Am mai încercat să conectez pompa de la 5V la pinul 3V3 al placuței Arduino, ceea ce rezolvă parțial problema, comunicarea cu senzorii blocându-se mai rar)

• Conector baterie 9V (Suport pentru bateria de 9V. Am preferat un case peste un patch de piele, deoarece bateria este fixată mai bine și previne deconectarea accidentală)

• 1x LED (LED-ul este acționat printr-un pin PWM al plăcuței Arduino, semnificând nivelul de umiditate al solului ca o alternativă a ecranului LCD. Când umiditatea este mare, LED-ul luminează mai puțin)

• 1x Rezistor 220 Ohm (Rezistența LED-ului ce previne arderea lui)

• 1x Buton tactil (Butonul este folosit pentru a opri sau porni pompa de apă. L-am adăugat pentru cazul în care se dorește scoaterea probei de sol și mutarea ei la altă plantă. Astfel, previne pornirea pompei atunci când proba este scoasă din pământ, sau mai exact, când umiditatea scade brusc. Butonul leagă un pin al plăcuței Arduino pus la pull-up de GND și pinul detectează schimbările semnalului)

Bibliotecile folosite sunt:

• Arduino.h (Biblioteca standard pentru Arduino)
• Adafruit_Sensor.h (Biblioteca pentru a folosi senzori Adafruit)
• Adafruit_MPU6050.h (Biblioteca pentru a folosi senzorul MPU6050)
• LiquidCrystal_I2C.h (Biblioteca pentru a folosi ecranul LCD 1602 folosind interfața I2C)

Prezentarea codului:

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  pinMode(buttonPin, INPUT_PULLUP);
  attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(buttonPin), turnPumpOnOff, CHANGE);
  pinMode(rainPin, INPUT); 
  pinMode(relayPin, OUTPUT);

  bool status;
  status = mpu.begin();  
  if (!status) {
    Serial.println("Could not find a valid MPU6050 sensor, check wiring!");
    while (1);
  }

  lcd.init();
  lcd.backlight();
}

• În setup(), setăm pinii în felul următor:
  • buttonPin (pinul butonului de pe care citim schimbările) la INPUT_PULLUP (adică valoarea pinului rămâne VCC și vom citi de pe el). De asemenea, vom folosi pinul pentru a genera întreruperi, astfel că la fiecare schimbare (CHANGE) a semnalului, se va apela funcția turnPumpOnOff(). Astfel, când apăsăm butonul, semnalul de pe pin este tras de la VCC la GND și microcontrolerul va genera o întrerupere.

    void turnPumpOnOff() {
      buttonFlag = 1;
    }

  • rainPin (pinul analogic al senzorului de umiditate a solului) la INPUT (vom citi semnalele analogice ale senzorului).
  • relayPin (pinul releului) la OUTPUT (vom porni și opri releul care acționează la rândul lui pompa).

• Pe urmă, pornim senzorul de temperatură și ecranul LCD.
• În funcția loop():
  • Vom citi măsurătorile făcute de MPU6050 (vom folosi doar măsurătorile temperaturii)

      sensors_event_t a, g, temp;
      mpu.getEvent(&a, &g, &temp);

  • Vom verifica dacă butonul a fost apăsat, iar dacă buttonFlag == 1, vom face debouncing pe buton și vom inversa flagul de pornire a pompei (pumpToggle)

      if((millis() - previousPress) > buttonDebounce && buttonFlag)
      {
        previousPress = millis();
        if(digitalRead(buttonPin) == LOW && previousState == HIGH)
        {
          pumpToggle =! pumpToggle;
          Serial.println("pressed button");
          previousState = LOW;
        }
        
        else if(digitalRead(buttonPin) == HIGH && previousState == LOW)
        {
          previousState = HIGH;
        }
        buttonFlag = 0;
      }

  • Citim valoarea analogică a senzorului de umiditate a solului și o convertim în procente. Dacă valoarea este mai mare de un threshold stabilit (thresholdValue = 40 în acest caz), planta nu trebuie udată și setez pinul releului pe LOW. Dacă valoarea este mai mare decât threshold-ul, vom verifica dacă flag-ul pompei (pumpToggle) este pornit, iar dacă este, setăm pinul releului pe HIGH și pompa se va porni, alimentându-se de la baterie.

     double sensorValue = (1023 - analogRead(rainPin)) * (100.0 / 1023);
      if (sensorValue > thresholdValue) {
        Serial.print(sensorValue);
        Serial.println(" - Doesn't need watering");
        digitalWrite(relayPin, LOW);
      }
      else if (pumpToggle) {
        Serial.print(sensorValue);
        Serial.println(" - Time to water your plant");
        digitalWrite(relayPin, HIGH);
      } else if (!pumpToggle) {
        digitalWrite(relayPin, LOW);
      }

  • De asemenea, vom scrie pe pin-ul de PWM al LED-ului valoarea senzorului de umiditate, scalată astfel încât să fie vizibilă schimbarea. Dacă pământul este umed, LED-ul va lumina mai puțin.

     analogWrite(pwmPin, 255 - sensorValue * 3.7); 

  • În final, scriem pe ecranul LCD valorile obținute.

     lcd.setCursor(0, 0);
      lcd.print("Temp: ");
      lcd.print(temp.temperature);
      lcd.print(" C");
      lcd.setCursor(0, 1);
      lcd.print("Humidity: ");
      lcd.print(sensorValue);
      lcd.print("%");
    
      delay(100);
      lcd.clear();
     

Rezultate Obţinute

A fost un proiect din care am învățat destul de multe și mi-am solidificat cunoștințe de hardware. Am avut câteva probleme care m-au făcut să caut mai amănunțit informații despre cum funcționează unele componente și consider că a fost un milestone pentru mine să realizez sistemul acesta.

proiect_pm.zip

• https://fritzing.org/ (Realizarea diagramei electrice)
• https://www.youtube.com/watch?v=825Eyq3taKw (Cum se folosește un releu)
• https://www.arduino.cc/reference/en/language/functions/external-interrupts/attachinterrupt/ (Cum să realizez întreruperi pe pinii Arduino Uno)
• https://www.youtube.com/watch?v=cCO7I5-xmkA (Cum se folosesc butoanele tactile (chiar am uitat))
• https://forum.arduino.cc/t/using-debounce-with-interrupt/378746/8 (Cum să implementez debouncing cu întreruperi pentru buton)
• https://randomnerdtutorials.com/guide-for-soil-moisture-sensor-yl-69-or-hl-69-with-the-arduino/ (Cum să folosesc senzorul de umiditate al solului)
• https://projecthub.arduino.cc/mdraber/how-to-use-lcd-1602-display-with-arduino-4bb1af (Cum să folosesc ecranul 1602)
• https://randomnerdtutorials.com/arduino-mpu-6050-accelerometer-gyroscope/ (Cum să folosesc modulul MPU6050 (iar am uitat))
• https://www.youtube.com/watch?v=oe11sLFQgJA (Care sunt pinii de PWM pe Arduino Uno și cum să-i folosesc)