โปรเจกต์ ระบบ Automated plants watering system

Main article: DIY - Automated plants watering system

ในโลกของโปรเจกต์ DIY มีกิจกรรมเพียงไม่กี่อย่างที่จะตอบโจทย์การใช้งานจริงได้เท่ากับการสร้าง Arduino-powered automatic watering system ด้วยตัวเอง ลองจินตนาการถึงระบบที่เทคโนโลยีผสมผสานกับธรรมชาติได้อย่างลงตัว ช่วยให้คุณควบคุมกิจวัตรการดูแลต้นไม้ได้อย่างแม่นยำ เราจะมาเจาะลึกส่วนประกอบพื้นฐานของโปรเจกต์นี้ โดยเน้นที่บทบาทสำคัญของ DS1302 timekeeping module และ Arduino-compatible pumps เตรียมตัวให้พร้อมสำหรับการลงมือทำที่จะไม่เพียงแต่ช่วยพัฒนาทักษะทางเทคนิคของคุณ แต่ยังเปลี่ยนวิธีที่คุณดูแลต้นไม้ ไม่ว่าจะเป็นต้นไม้ที่วางตามมุมบ้านหรือในที่แจ้งก็ตาม

Automated plants watering project

DIY - Automated plants watering system: concept

DIY - Automated plants watering system: mounting

DIY - Automated plants watering system: code

Prerequisites

เราขอแนะนำให้คุณอ่านบทความที่ถูกอ้างอิงถึงในคู่มือนี้ ทั้งทางตรงและทางอ้อม เพื่อให้คุณมีความเข้าใจที่ครอบคลุมเกี่ยวกับแต่ละส่วนประกอบและการทำงานร่วมกันของมัน

1. Using switch buttons with Arduino
2. How to use potentiometer with Arduino
3. The essential guide to resistors
4. Using transistors in electronic circuits
5. Controlling a LED with Arduino
6. Keeping time with DS1302: real-time clock on Arduino
7. How to control mini water pump with Arduino

Water deposit

สำหรับระบบรดน้ำของเรา เราจำเป็นต้องมีภาชนะบรรจุน้ำ คุณสามารถใช้สิ่งของทั่วไปที่เหมาะสำหรับการเก็บน้ำมาทำเป็น Water deposit ได้ ยิ่งภาชนะมีขนาดใหญ่เท่าใด ความถี่ที่คุณต้องเติมน้ำก็น้อยลงเท่านั้น

เราได้เลือกขวดที่แสดงในรูปภาพเป็นที่เก็บน้ำ ด้วยความจุ 1.5 ลิตร ซึ่งน่าจะเพียงพอสำหรับการรดน้ำต้นไม้ขนาดกลางได้นานหลายวัน

เพื่อให้ Water pump สามารถสูบน้ำจากก้นขวดไปยังต้นไม้ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เราต้องวางมันไว้ข้างในขวด ในการทำเช่นนี้ เราจะใส่ Pump ลงในขวดแล้วดึงสายไฟออกมา โดยเราต้องทำช่องเปิดขนาดเล็กที่ฐานขวดสำหรับสายไฟโดยเฉพาะ เพื่อให้เราสามารถร้อยสายไฟออกมาเชื่อมต่อ Pump เข้ากับ Plants care station ของเรา เมื่อเสร็จสิ้นกระบวนการ เราจะใช้ Waterproof silicone เพื่อปิดช่องเปิดให้สนิท เพื่อให้แน่ใจว่าไม่มีการรั่วไหลของน้ำ

ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง จะมีท่อน้ำที่เชื่อมต่อโดยตรงไปยังต้นไม้เพื่อให้น้ำ

Water pump wiring

เพื่อความสะดวกในการเชื่อมต่อสายไฟของ Pump เข้ากับระบบหลัก เราได้ใช้ Barrel plug โดยจุดเชื่อมต่อระหว่างสายไฟของ Pump และสายไฟของตัว Connector จะถูกหุ้มด้วย Heat shrink wraps เพื่อป้องกันสิ่งแปลกปลอมจากภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

วิธีการนี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการเชื่อมต่อที่ปลอดภัยและมีฉนวนหุ้มอย่างดี ซึ่งส่งผลต่อความน่าเชื่อถือโดยรวมของระบบ

Plants care station

Plants care station รับหน้าที่ในการประมวลผลข้อมูล ตัดสินใจ และควบคุมการเปิด-ปิดระบบรดน้ำ มันถูกออกแบบมาเพื่อใช้งานทั้งภายในและภายนอกอาคาร โดยจะซ่อนสายไฟทั้งหมดและทำงานในรูปแบบของ Black box ที่ดูเรียบร้อย ซึ่งทำได้โดยการเก็บส่วนประกอบทั้งหมดของระบบไว้ภายในกล่องตามภาพด้านล่าง

ตัวกล่องสามารถเปิดได้ง่าย ช่วยให้เปลี่ยนส่วนประกอบหรือแม้แต่การ Reprogramming ระบบทำได้สะดวกเมื่อจำเป็น ภายใน Plants care station จะมี Arduino Nano เป็นผู้ควบคุมหลัก ทำหน้าที่เป็นสมองเพื่อประสานงานส่วนประกอบอื่นๆ ทั้งหมด นอกจากนี้ยังมี Module DS1302 ที่รวมอยู่เพื่อจัดการการควบคุมแบบ Real-time ซึ่งมีผลต่อการตัดสินใจรดน้ำ โดยจะพิจารณาเวลาที่เหมาะสมในการรดน้ำ เช่น ช่วงเช้าและเย็นที่แสงแดดไม่แรงนัก เพื่อช่วยให้ต้นไม้ดูดซึมและใช้ประโยชน์จากน้ำได้ดียิ่งขึ้น การจัดเวลาที่รอบคอบนี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมและสุขภาพที่ดีของต้นไม้

Power supply

สำหรับทั้งระบบ เราใช้ Battery 9V เป็น Power supply โดยจะจ่ายไฟแยกกันให้กับทั้ง Arduino และ Water pump เนื่องจาก Water pump ของเราทำงานที่ 5V เราจึงจำเป็นต้องมี Voltage transformer ซึ่งในที่นี้เราใช้ Module AMS117

ในทางกลับกัน DS1302 จะทำงานด้วย Battery CR2032 แยกต่างหาก เพื่อให้มั่นใจว่ามีแหล่งจ่ายไฟเฉพาะสำหรับคงสถานะฟังก์ชัน Real-Time Clock (RTC) การกำหนดค่าแหล่งจ่ายไฟแบบคู่นี้ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพและความเป็นอิสระของแต่ละส่วนประกอบ ทำให้ระบบโดยรวมมีความน่าเชื่อถือ

Control elements

Plants care station มาพร้อมกับตัวควบคุมที่สะดวก เช่น LED, ปุ่มกด และ Potentiometer เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานโดยรวม Switch on/off แบบเรียบง่ายช่วยให้การเปิดใช้งานสถานีทำได้ง่ายขึ้น เมื่อต้องการรดน้ำด้วยตัวเอง ก็มี Push button เฉพาะเตรียมไว้ให้ นอกจากนี้ Potentiometer ยังช่วยให้สามารถปรับปริมาณน้ำในโหมดอัตโนมัติได้อย่างแม่นยำ

ส่วนควบคุมที่ใช้งานง่ายเหล่านี้ช่วยให้คุณจัดการกิจวัตรการดูแลต้นไม้ได้อย่างแม่นยำและมีประสิทธิภาพ

Wiring schema

การสร้าง Wiring schema ที่แม่นยำเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับประสิทธิภาพสูงสุดของ Automatic watering system ผังนี้จะทำหน้าที่เป็นคู่มือปฏิบัติในการเชื่อมต่อส่วนประกอบหลักเข้าด้วยกัน การจัดระเบียบและวางเส้นทางสายไฟอย่างเป็นระบบจะช่วยป้องกันความสับสนระหว่างขั้นตอนการประกอบ ความชัดเจนทั้งในขั้นตอนการประกอบและการแก้ไขปัญหาทำได้โดยการใช้สีสายไฟที่แตกต่างกันและการปฏิบัติตาม Pin configurations ที่กำหนดไว้อย่างเคร่งครัดเพื่อช่วยในการสื่อสารระหว่าง Module

Wiring schema ด้านบนแสดงภาพรวมที่ครอบคลุมของการเดินสายไฟและการเชื่อมต่อทั้งหมดในระบบ

Calculating base resistor value

ในการคำนวณหาค่า Base resistor (RB) อันดับแรกเราต้องกำหนด Collector current เสียก่อน เนื่องจากโหลดเพียงอย่างเดียวในวงจรคือ Water pump จึงสรุปได้ว่า Collector current จะเท่ากับกระแสของ Water pump จากรายละเอียดสเปกของ Water pump เราทราบว่า IC = 200 mA หรือเพื่อความสะดวกในการคำนวณคือ IC = 0.2 A ซึ่งจะเป็นพื้นฐานในการคำนวณของเรา

สิ่งสำคัญที่ต้องระวังคือ หากเราใช้งานเกินพารามิเตอร์ที่ Transistor ถูกออกแบบมา มันจะไหม้ในที่สุด ด้วยเหตุนี้เราจะไปดูค่า Gain ของ Transistor จาก Datasheet เราพบว่าเมื่อ IC = 200 mA ค่า Gain จะอยู่ที่ 100 ตอนนี้เราได้ค่าที่สองแล้วคือ 𝛽 = 100

เมื่อได้ค่า Gain แล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการคำนวณ Base current สิ่งสำคัญคือต้องรู้ว่า Collector current นั้นแปรผันตรงกับ Base current และ Gain ความสัมพันธ์นี้สามารถแสดงเป็นสูตรทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

hFe = 𝛽 (gain) = Ic / Ib

แทนค่าลงไป เราจะได้พารามิเตอร์ที่สาม: Ib = 2mA = 0.002A ตอนนี้เราสามารถคำนวณค่า Rb โดยใช้กฎของ Ohm:

Vb = VS - VBE = Ib * Rb

Rb = (VS - VBE) / Ib

โดยที่ VS คือ Source voltage และ VBE คือ Voltage drop ที่รอยต่อ Base-emitter ของ Transistor ในวงจรของเรา ขา Base ของ Transistor เชื่อมต่อกับ Output จาก Arduino ซึ่ง Output ของ Arduino จ่ายไฟสูงสุด 5V และ 40mA ดังนั้นเราจึงมี Source voltage 5V และ Barrier potential ของ Transistor คือ 0.6V

Rb = (5V - 0.6V) / 2mA = 2.2kΩ

สำหรับวงจรของเรา ค่าที่เหมาะสมสำหรับ Base resistor ควรจะเท่ากับหรือต่ำกว่า 2.2K ohms เราเลือกค่า Resistor มาตรฐานที่ต่ำกว่า และตรวจสอบจากกราฟใน Datasheet เพื่อให้แน่ใจว่า Base voltage เพียงพอที่จะขับให้ Transistor เข้าสู่สภาวะ Saturation

Automated plants watering system

หลังจากผ่านการประกอบและปรับแต่งสายไฟมาหลายรอบ เราตื่นเต้นที่จะนำเสนอโปรโตไทป์แรกของ Automatic watering system ของเรา ลองดูผลลัพธ์และภาพรวมของระบบได้ในภาพที่แนบมาด้านล่าง เราตั้งตารอที่จะได้เห็นว่ามันจะดูแลต้นไม้ได้ดีเพียงใด และพร้อมที่จะทำให้ดียิ่งขึ้นโดยการหาจุดที่ควรปรับปรุง

ส่วนประกอบภายในของ Plant care station ถูกจัดวางในกล่องอย่างเป็นระเบียบ ทำให้ดูสะอาดตาและใช้งานง่าย ขั้นตอนต่อไปคือการทดลองและทดสอบระบบในระยะเวลาหนึ่งเพื่อระบุจุดอ่อนและปรับปรุงประสิทธิภาพ นอกจากนี้เรายังตั้งเป้าที่จะลดขนาดของมันลงและทำให้การเดินสายไฟเรียบง่ายขึ้น เพื่อให้การบำรุงรักษาสะดวกยิ่งขึ้น

เมื่อเราได้วางโครงสร้างคอนเซปต์ของการรดน้ำอัตโนมัติและประกอบส่วนประกอบทางกายภาพสำเร็จแล้ว ตอนนี้ความสนใจของเราจะเปลี่ยนไปที่ความมหัศจรรย์ที่แท้จริง นั่นคือ Code บทความนี้จะสำรวจรายละเอียดของ Code Arduino ที่เปลี่ยนทฤษฎีให้กลายเป็นความจริง และเติมชีวิตให้กับโปรเจกต์ดูแลต้นไม้แบบ DIY ของเรา เมื่อเราเข้าสู่หัวใจของระบบรดน้ำอัตโนมัติ เรามาถอดรหัสรายละเอียดที่ทำให้วิสัยทัศน์สีเขียวของเรากลายเป็นจริงกันเถอะ

Install library for DS1302

ในการสั่งงาน Sensor DS1302 เราจะใช้ Library ที่มีอยู่แล้ว Library นี้จะมี Interface ที่ช่วยให้การสื่อสารกับ Module ทำได้ง่ายขึ้น ช่วยประหยัดเวลาและมีฐาน Code ที่เชื่อถือได้และผ่านการทดสอบมาอย่างดี คุณสามารถดาวน์โหลดได้จาก Official repository ของเรา

หากต้องการ Import library ให้เปิด Arduino IDE ไปที่ Sketch > Include Library > Add .ZIP Library แล้วเลือกไฟล์ Library ที่ดาวน์โหลดมาจาก GitHub ของเรา

จากนั้นคุณสามารถใช้คำสั่ง include ได้ง่ายๆ:

#include "virtuabotixRTC.h"

มันจะรวม Library พร้อมฟังก์ชันที่กำหนดไว้ล่วงหน้าเพื่อสื่อสารกับ Module

Arduino code

Code Arduino นี้เป็นกระดูกสันหลังของระบบรดน้ำอัตโนมัติของเรา โดยเปลี่ยนแนวคิดการรดน้ำต้นไม้ให้กลายเป็นความจริงที่ใช้งานได้ หัวใจสำคัญของ Code นี้คือการเชื่อมต่อกับ Real-time clock เพื่อให้แน่ใจว่าระบบของเราทำงานสอดคล้องกับเวลาในแต่ละวัน ค่าคงที่ (Constants) จะเป็นตัวกำหนดช่วงเวลาสำหรับการรดน้ำในตอนเช้าและตอนเย็น ในขณะที่ Pin ที่กำหนดสำหรับ LED, ปุ่มกด และ Potentiometer จะช่วยอำนวยความสะดวกในการสื่อสารระหว่างส่วนประกอบต่างๆ

ในขั้นตอน Setup ตัว Code จะทำการกำหนดค่าเริ่มต้นให้กับ Pin ต่างๆ และแสดงลำดับไฟ LED สั้นๆ เพื่อเป็นสัญลักษณ์ว่าระบบกำลังเริ่มทำงาน เมื่อเข้าสู่ Loop หลัก ระบบจะคอยตรวจสอบ Real-time clock และ Input จากผู้ใช้อยู่ตลอดเวลา Code จะตรวจสอบเวลาและเงื่อนไขอย่างต่อเนื่องเพื่อสั่งเริ่มรอบการรดน้ำตอนเช้าและตอนเย็น ในขณะเดียวกันก็มีตัวเลือกสำหรับการรดน้ำด้วยตัวเองผ่าน Push button การทำงานจะวนซ้ำทุกๆ 5 วินาที เพื่อให้มั่นใจว่าระบบจะคอยเฝ้าระวังและตอบสนองต่อความต้องการในการดูแลต้นไม้ได้อย่างทันท่วงที

#include "virtuabotixRTC.h"

#define MORNING_WATERING false

#define EVENING_WATERING true

#define MORNING_WATERING_HOUR 8

#define EVENING_WATERING_HOUR 20

#define LED_RED_PIN 7

#define LED_GREEN_PIN 8

#define BUTTON_PUSH_PIN 10

#define BUTTON_TOGGLE_PIN 2

#define POTENTIOMETER_PIN A0

#define POTENTIOMETER_MIN_SECONDS 0

#define POTENTIOMETER_MAX_SECONDS 10

#define PUMP_BASE_PIN 11

#define DS1302_CLK_PIN A5

#define DS1302_DAT_PIN A4

#define DS1302_RST_PIN 13

bool morningWatered = false;

bool eveningWatered = false;

struct button {

	 byte pressed = 0;

};

struct toggle {

	 byte on = 0;

};

struct potentiometer {

	 byte level = 0;

};

button button;

toggle toggle;

potentiometer potentiometer;

virtuabotixRTC RTC(DS1302_CLK_PIN, DS1302_DAT_PIN, DS1302_RST_PIN);

void setup()

{

	 // Set pin mode for LEDs

	 pinMode(LED_RED_PIN, OUTPUT);

	 pinMode(LED_GREEN_PIN, OUTPUT);

	 // Turn red LED ON (setup in progress...)

	 digitalWrite(LED_RED_PIN, HIGH);

	 delay(3000);

	 // Set pin mode for buttons

	 pinMode(BUTTON_TOGGLE_PIN, INPUT_PULLUP);

	 pinMode(BUTTON_PUSH_PIN, INPUT_PULLUP);

	 // Set pin mode for potentiometer

	 pinMode(POTENTIOMETER_PIN, INPUT);

	 // Set pin mode for water pump

	 pinMode(PUMP_BASE_PIN, OUTPUT);

	 // Set sketch compiling time

	 setDateTime(RTC, __DATE__, __TIME__);

	 // Turn red LED OFF and green LED ON

	 digitalWrite(LED_RED_PIN, LOW);

	 digitalWrite(LED_GREEN_PIN, HIGH);

	 delay(1500);

	 // Turn green LED OFF

	 digitalWrite(LED_GREEN_PIN, LOW);

}

void loop()

{

	 // Allow updates of variables

	 RTC.updateTime();

	 // Read input values

	 button.pressed = isButtonPressed(BUTTON_PUSH_PIN);

	 potentiometer.level = readPotentiometerLevelMapped(POTENTIOMETER_PIN);

	 toggle.on = isToggleOn(BUTTON_TOGGLE_PIN);

	 // Turn ON morning watering

	 if (MORNING_WATERING && RTC.hours == MORNING_WATERING_HOUR) {

	   if (morningWatered == false) {

	     morningWatered = true;

	     int wateringMilliseconds = getMillisecondsByPotentiometerLevel(potentiometer.level);

	     turnPumpTemporaryOn(wateringMilliseconds);

	   }

	 } else {

	   morningWatered = false;

	 }

	 // Turn ON evening watering

	 if (EVENING_WATERING && RTC.hours == EVENING_WATERING_HOUR) {

	   if (eveningWatered == false) {

	     eveningWatered = true;

	     int wateringMilliseconds = getMillisecondsByPotentiometerLevel(potentiometer.level);

	     turnPumpTemporaryOn(wateringMilliseconds);

	   }

	 } else {

	   eveningWatered = false;

	 }

	 // Turn ON manual watering

	 if (button.pressed) {

	   turnPumpOn();

	   // Wait while the button is ON

	   do {

	     button.pressed = isButtonPressed(BUTTON_PUSH_PIN);

	     delay(100);

	   } while (button.pressed);

	   turnPumpOff();

	 }

	 delay(5000); // Iterate every 5 seconds

}

โปรดทราบว่า Push button จะกระตุ้นการรดน้ำด้วยตนเองเมื่อถูกกด ซึ่งเป็นการเพิ่มปฏิสัมพันธ์กับผู้ใช้ เนื่องจากมีการหน่วงเวลา 5000ms ในฟังก์ชัน loop อาจมีความล่าช้าระหว่างการกดปุ่มและการตอบสนอง อย่างไรก็ตาม เมื่อกระบวนการเริ่มทำงาน LED สีเขียวจะสว่างขึ้น

ค่าจาก Potentiometer จะใช้จัดการการจ่ายน้ำให้กับต้นไม้ Code จะคำนวณเวลาการทำงานของ Pump ตามตำแหน่งของ Potentiometer เพื่อให้แน่ใจถึงการควบคุมและประสิทธิภาพ เราได้กำหนดขอบเขตไว้ โดยค่า Potentiometer ต่ำสุดจะสอดคล้องกับระยะเวลาทำงานของ Pump 0 วินาที และค่าสูงสุดจะอนุญาตให้ทำงานได้สูงสุด 10 วินาที การตั้งค่าเหล่านี้สามารถปรับแต่งได้อย่างง่ายดายผ่านค่าคงที่ที่กำหนดไว้

เป็นที่น่าสังเกตว่า เราได้เลือกที่จะปิดการรดน้ำตอนเช้าสำหรับต้นไม้ของเรา โดยเลือกที่จะรดน้ำอัตโนมัติเฉพาะตอนเย็นเท่านั้น นอกจากนี้ แม้ว่า Switch button ในปัจจุบันจะยังไม่มีหน้าที่เฉพาะเจาะจง แต่มันก็พร้อมสำหรับการเพิ่มฟังก์ชันการทำงานในอนาคต

Code Arduino ที่นำเสนอนี้ทำหน้าที่เป็นหัวใจการทำงานของระบบรดน้ำอัตโนมัติ โดยคอยตรวจสอบข้อมูลแบบ Real-time และ Input จากผู้ใช้อย่างสม่ำเสมอ บทบาทสำคัญของมันคือการเปิดใช้งานรอบการรดน้ำเช้าและเย็น ซึ่งปัจจุบันตั้งโปรแกรมไว้ที่ 8 โมงเช้าและ 2 ทุ่ม ด้วยค่าคงที่ที่ปรับแต่งได้ Loop ที่วนซ้ำช่วยให้มั่นใจได้ว่าระบบยังคงตื่นตัวและตอบสนองต่อความต้องการเฉพาะของการดูแลต้นไม้ Code ทั้งหมดสามารถปรับแต่งได้อย่างมากผ่านค่าคงที่ ช่วยให้ปรับเปลี่ยนการกำหนดค่าการทำงานของ Plant care station ได้อย่างไร้กังวล

โปรดทราบว่า Snippet ของ Code ที่ให้ไว้เป็นเพียงส่วนหลักเท่านั้น ฟังก์ชันเสริมและการกำหนดค่าอื่นๆ สามารถดูได้ใน Official GitHub repository ของเรา

Conclusion

ในจิตวิญญาณของการสร้างโซลูชันด้วยตนเอง โปรเจกต์นี้ส่งเสริมให้เข้าถึงกระบวนการสร้าง การเรียนรู้ และการปรับตัว Module DS1302 และ Arduino-compatible pumps มีบทบาทสำคัญในกระบวนการนี้ โดยแต่ละส่วนประกอบช่วยสร้างความสอดประสานระหว่างเทคโนโลยีและโลกธรรมชาติ แก่นแท้ที่แท้จริงของโปรเจกต์นี้ไม่ใช่แค่ผลิตภัณฑ์ที่สำเร็จรูป แต่เป็นประสบการณ์ที่เปลี่ยนแปลงจากการสร้างโซลูชันทางเทคโนโลยีเพื่อความเป็นอยู่ที่ดีของต้นไม้ของคุณ ไม่ว่าพวกมันจะอยู่ที่ไหนก็ตาม

ในการปิดท้ายการเดินทางผ่านการสร้างระบบรดน้ำอัตโนมัติที่ขับเคลื่อนด้วย Arduino คุณได้เรียนรู้ความซับซ้อนของการประกอบอุปกรณ์ การรวม Sensor และการเชื่อมต่อ Module ต่างๆ สิ่งที่เริ่มต้นจากแนวคิดที่เป็นนามธรรมได้กลายเป็นโซลูชันการดูแลต้นไม้ที่ผสมผสานเทคโนโลยีที่คุณสร้างขึ้นด้วยตนเอง