บทความ Smart Water Monitoring ตอนที่ 1

Smart Water Monitoring ระบบตรวจสอบคุณภาพน้ำด้วยบอร์ด Arduino UNO WiFi Rev2 ตอนที่ 1 อ่านค่าเซ็นเซอร์และแสดงผลออกทางจอ LCD

Smart Water Monitoring

        บทความ Smart Water Monitoring ระบบตรวจสอบคุณภาพน้ำควบคุมด้วยบอร์ด Arduino UNO WiFi Rev2 เป็นระบบจำลอง การตรวจสอบคุณภาพของน้ำ โดยที่ผู้ใช้งานสามารถเช็คสภาพน้ำแบบ Real-Time ได้ตลอดเวลาตามต้องการจากหน้าจอ LCD แสดงผล สมาร์ทโฟน และยังสามารถควบคุมการทำงานของรีเลย์ (เปิดปิดเครื่องให้อาหารสัตว์น้ำ ปั๊มน้ำ หรืออุปกรณ์อื่นๆ) จากสมาร์ทโฟนได้อีกด้วย

        การทำงานของระบบนี้ เป็นเพียงการทำงานเบื้องต้นให้เห็นภาพ ผู้ใช้สามารถนำไปต่อยอดพัฒนาเพิ่มเติมได้ เช่น ใช้ในการควบคุมสภาพน้ำของบ่อปลา บ่อกุ้ง พืชไฮโปโทนิค หรือระบบอื่นที่เกี่ยวข้อง แล้วประยุกต์การทำงานให้เกิดแจ้งเตือนแบบ Real-Time เพื่ออำนวยความสะดวกให้ผู้ใช้งานที่ง่ายต่อใช้งานและการควบคุมผ่านสมาร์ทโฟนได้อีกด้วย

บทความนี้จะแบ่งเนื้อหาออกเป็น 2 ส่วน ประกอบด้วย

– ตอนที่ 1 อ่านค่าเซ็นเซอร์และแสดงผลออกทางจอ LCD

– ตอนที่ 2 ส่งค่าเซ็นเซอร์ขึ้น CloudMQTT แสดงผลค่าเซ็นเซอร์และควบคุมการทำงานของรีเลย์ด้วยสมาร์ทโฟน

>> อุปกรณ์ที่ใช้คร่าวๆ มีดังนี้ (ทางร้านไม่มีจัดชุดเซ็ตสำเร็จรูปจำหน่ายนะคะ) <<

1. บอร์ด Arduino Uno WiFi Rev2 (EADN087) Q’ty 1 pcs

        เป็นบอร์ดไมโครคอนโทรเลอร์ตระกูล AVR ที่มีการพัฒนาแบบ Open Source ตัวบอร์ด Arduino Uno WiFi Rev2 ถูกออกแบบมาให้ใช้งานได้ง่าย ภายในบอร์ดมี Accelerometer, Gyroscope WiFi, Bluetooth ให้ใช้งาน และยังมี Cryptographic สำหรับเข้ารหัสข้อมูลอีกด้วย

2. Basic 20×4 Character LCD (I2C) (EFDV561) Q’ty 1 pcs

        จอ LCD 20 ตัวอักษร จำนวน 4 บรรทัด แสดงผลตัวอักษรสีขาวบนพื้น (Background) สีน้ำเงิน ใช้งานง่าย ด้วย interface แบบ I2C โดยใช้สายแค่ 2 เส้นเท่านั้นในการรับส่งข้อมูลเพื่อแสดงตัวอักษรบนจอ LCD ทำให้ประหยัด port ที่ต่อใช้งานบนบอร์ดไมโครคอนโทลเลอร์ และยังสามารถปรับ contrast เพื่อเพิ่มความคมชัดบนหน้าจอ LCD ได้อีกด้วย

3. Analog pH Meter Pro (ESEN288) Q’ty 1 pcs

        ชุดคิตตรวจวัดค่า pH (ความเป็นกรด-เบส) ในน้ำ แบบสามารถแช่ไว้ในน้ำเพื่อใช้งานต่อเนื่องได้ อายุการใช้งานประมาณ 1 ปี ในชุดประกอบด้วยหัวโพรบเซนเซอร์ตรวจวัดและวงจรอินเตอร์เฟสสำหรับเชื่อมต่อกับไมโครคอนโทรลเลอร์ เอาต์พุตเป็นแอนะล็อก ใช้ไฟเลี้ยง 5 โวลต์, อุณหภูมิเหมาะสมที่ 25 องศาเซลเซียส ตรวจสอบค่า pH ได้ตั้งแต่ 0 ถึง 14

4. Analog Turbidity Sensor (EFDV527) Q’ty 1 pcs

        เซนเซอร์วัดระดับความขุ่นของน้ำโดยตรวจสอบจากการนำและหักเหของแสง ทำงานที่แรงดัน 5 โวลต์ ให้เอาต์พุตได้สองแบบ คือ แอนะล็อกแรงดันตั้งแต่ 0.4 ถึง 5 โวลต์ และดิจิตอล High / Low โดยปรับค่าที่ตัวต้านทานปรับค่าได้

5. Temperature sensor with steel head (ESEN164) Q’ty 1 pcs

        Temperature sensor with steel head เป็นหัว Sensor ที่ใช้วัดอุณหภูมิด้วยหลักการ ค่าความต้านทานแปรผันเชิงเส้น (linear resistor) เป็นหลักการเหมือนกับ Sensor จำพวก PT100 แต่มีช่วงการวัดต่ำกว่า คือ -25 องศาเซลเซียส ถึง 125 องศาเซลเซียส

6. บอร์ดรีเลย์ 1 Channels (EFDV237) Q’ty 1 pcs

        บอร์ดรีเลย์ขนาด 1 ช่อง มีเอาต์พุตคอนเน็คเตอร์ที่รีเลย์เป็น NO/COM/NC สามารถใช้กับโหลดได้ทั้งแรงดันไฟฟ้า DC และ AC รับแรงดันสูงสุด 10A โดยใช้สัญญาณในการควบคุมการทำงานด้วยสัญญาณโลจิก TTL

7. Power Supply 9V 2A (EPWS032) Q’ty 1 pcs

        แหล่งจ่ายไฟฟ้ากระแสตรง DC Switching Power Adapter แบบเสียบผนัง (Wall Type) ขาออกจ่ายแรงดันไฟกระแสตรงขนาด 9 โวลต์ ได้กระแสสูงสุด 2 แอมป์

วิธีการต่อวงจร

โปรแกรมที่ใช้ >> สามารถดาวน์โหลดได้ที่นี่ <<

โปรแกรมที่จำเป็นต้องติดตั้งเพิ่มเติม

–      แพ็กเกจบอร์ดของ บอร์ด Arduino Uno WiFi Rev 2 >> ติดตั้งผ่าน Board Manager <<

–      ไลบรารี่ WiFi NINA (ไลบรารี่สำหรับใช้งาน WiFi บนบอร์ด) >> ติดตั้งผ่าน Library Manager <<

–      ไลบรารี่ Basic 20×4 Character LCD I2C (ไลบรารี่ควบคุมการทำงานของจอแสดงผล) >> สามารถดาวน์โหลดได้ที่นี่ <<

–      ไลบรารี่ ArduinoMqttClient (ไลบรารี่ติดต่อกับ MQTT) >> สามารถดาวน์โหลดได้ที่นี่ <<

การทำงานของโปรเเกรมสามารถอธิบายได้เป็นช่วงๆ ดังนี้

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4);

void setup()
{
  lcd.begin();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("   Initialize LCD   ");
  delay(1000);
  lcd.clear();
}

ส่วนที่ 1 โปรเเกรมเรียกใช้งานไลบรารี่ควบคุมการทำงานของจอแสดงผล ใช้งานจอ LCD

#define pHPin A0          //pH meter Analog output to Arduino Analog Input 0
#define turbidityPin A1   //Turbidity Analog output to Arduino Analog Input 1
#define tempPin A2        //Temperature sensor Analog output to Arduino Analog Input 2

ส่วนที่ 2 กำหนดขาที่ต่อกับเซ็นเซอร์

/* Read pH Over 20 millisecond */
  static float pHValue, voltagepH;
  static unsigned long samplingTime = millis();
  if (millis() - samplingTime > 20)
  {
    pHArray[pHArrayIndex++] = analogRead(pHPin);
    if (pHArrayIndex == ArrayLenth)pHArrayIndex = 0;
    voltagepH = avergearray(pHArray, ArrayLenth) * 5.0 / 1024;
    pHValue = 3.5 * voltagepH + Offset;
    samplingTime = millis();
  }

ส่วนที่ 3 อ่านค่า pH

float readTurbidity()
{
  int sensorValue = analogRead(turbidityPin);     // read the input on analog pin 1:
  float voltage = sensorValue * (5.0 / 1024.0);   // Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to a voltage (0 - 5V):
  float turbidity = (-1120.4 * (voltage * voltage)) + (5742.3 * voltage) - 4352.9; // calculate ntu
  return turbidity;
}

ส่วนที่ 4 อ่านค่าความขุ่นของน้ำ

float readTemp()
{
  int therm = analogRead(tempPin) - 238; // 10ktherm & 10k resistor as divider.
  therm = pgm_read_word(&temps[therm]);
  return therm/10.0;
}

ส่วนที่ 5 อ่านค่าอุณหภูมิในน้ำ

void printLCD(float pH, float turbidity, float temp)
{
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("  Water Monitoring  ");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("pH Value   : ");
  lcd.print(pH);
  lcd.setCursor(0, 2);
  lcd.print("Turbidity  : ");
  lcd.print(turbidity);
  lcd.setCursor(0, 3);
  lcd.print("Temperature: ");
  lcd.print(temp);
}

ส่วนที่ 6 แสดงค่าของเซ็นเซอร์ที่อ่านได้ออกทางจอแสดงผล

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 20, 4);

#define pHPin A0          //pH meter Analog output to Arduino Analog Input 0
#define turbidityPin A1   //Turbidity Analog output to Arduino Analog Input 1
#define tempPin A2        //Temperature sensor Analog output to Arduino Analog Input 2

#define Offset 0.00       //deviation compensate
#define ArrayLenth  40    //times of collection
int pHArray[ArrayLenth];  //Store the average value of the sensor feedback
int pHArrayIndex = 0;

#include <avr/pgmspace.h>
const int temps[] PROGMEM = { 0, 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100, 101, 102, 102, 103, 104, 105, 106, 107, 108, 109, 110, 111, 112, 113, 114, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 120, 121, 122, 123, 124, 124, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131, 132, 133, 134, 134, 135, 136, 137, 138, 139, 140, 141, 142, 143, 143, 144, 145, 146, 147, 148, 149, 150, 151, 151, 152, 153, 154, 155, 156, 157, 158, 159, 159, 160, 161, 162, 163, 164, 165, 166, 167, 167, 168, 169, 170, 171, 172, 173, 174, 175, 175, 176, 177, 178, 179, 180, 181, 182, 182, 183, 184, 185, 186, 187, 188, 189, 190, 190, 191, 192, 193, 194, 195, 196, 197, 197, 198, 199, 200, 201, 202, 203, 204, 205, 205, 206, 207, 208, 209, 210, 211, 212, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218, 219, 220, 220, 221, 222, 223, 224, 225, 226, 227, 228, 228, 229, 230, 231, 232, 233, 234, 235, 235, 236, 237, 238, 239, 240, 241, 242, 243, 243, 244, 245, 246, 247, 248, 249, 250, 251, 252, 252, 253, 254, 255, 256, 257, 258, 259, 260, 260, 261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268, 269, 269, 270, 271, 272, 273, 274, 275, 276, 277, 278, 279, 279, 280, 281, 282, 283, 284, 285, 286, 287, 288, 289, 289, 290, 291, 292, 293, 294, 295, 296, 297, 298, 299, 300, 301, 301, 302, 303, 304, 305, 306, 307, 308, 309, 310, 311, 312, 313, 314, 315, 315, 316, 317, 318, 319, 320, 321, 322, 323, 324, 325, 326, 327, 328, 329, 330, 331, 332, 333, 334, 335, 335, 336, 337, 338, 339, 340, 341, 342, 343, 344, 345, 346, 347, 348, 349, 350, 351, 352, 353, 354, 355, 356, 357, 358, 359, 360, 361, 362, 363, 364, 365, 366, 367, 368, 369, 370, 371, 372, 373, 374, 375, 376, 377, 378, 379, 380, 381, 382, 383, 384, 385, 386, 387, 388, 389, 390, 392, 393, 394, 395, 396, 397, 398, 399, 400, 401, 402, 403, 404, 405, 406, 407, 408, 410, 411, 412, 413, 414, 415, 416, 417, 418, 419, 420, 422, 423, 424, 425, 426, 427, 428, 429, 430, 432, 433, 434, 435, 436, 437, 438, 439, 441, 442, 443, 444, 445, 446, 448, 449, 450, 451, 452, 453, 455, 456, 457, 458, 459, 460, 462, 463, 464, 465, 466, 468, 469, 470, 471, 472, 474, 475, 476, 477, 479, 480, 481, 482, 484, 485, 486, 487, 489, 490, 491, 492, 494, 495, 496, 498, 499, 500, 501, 503, 504, 505, 507, 508, 509, 511, 512, 513, 515, 516, 517, 519, 520, 521, 523, 524, 525, 527, 528, 530, 531, 532, 534, 535, 537, 538, 539, 541, 542, 544, 545, 547, 548, 550, 551, 552, 554, 555, 557, 558, 560, 561, 563, 564, 566, 567, 569, 570, 572, 574, 575, 577, 578, 580, 581, 583, 585, 586, 588, 589, 591, 593, 594, 596, 598, 599, 601, 603, 604, 606, 608, 609, 611, 613, 614, 616, 618, 620, 621, 623, 625, 627, 628, 630, 632, 634, 636, 638, 639, 641, 643, 645, 647, 649, 651, 653, 654, 656, 658, 660, 662, 664, 666, 668, 670, 672, 674, 676, 678, 680, 683, 685, 687, 689, 691, 693, 695, 697, 700, 702, 704, 706, 708, 711, 713, 715, 718, 720, 722, 725, 727, 729, 732, 734, 737, 739, 741, 744, 746, 749, 752, 754, 757, 759, 762, 764, 767, 770, 773, 775, 778, 781, 784, 786, 789, 792, 795, 798, 801, 804, 807, 810, 813, 816, 819, 822, 825, 829, 832, 835, 838, 842, 845, 848, 852, 855, 859, 862, 866, 869, 873, 877, 881, 884, 888, 892, 896, 900, 904, 908, 912, 916, 920, 925, 929, 933, 938, 942, 947, 952, 956, 961, 966, 971, 976, 981, 986, 991, 997, 1002, 1007, 1013, 1019, 1024, 1030, 1036, 1042, 1049, 1055, 1061, 1068, 1075, 1082, 1088, 1096, 1103, 1110, 1118, 1126, 1134, 1142, 1150, 1159, 1168, 1177, 1186, 1196, 1206, 1216, 1226, 1237, 1248, 1260, 1272, 1284, 1297, 1310, 1324, 1338, 1353, 1369, 1385, 1402, 1420, 1439, 1459, 1480, 1502 };

void setup()
{
  lcd.begin();
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("   Initialize LCD   ");
  delay(1000);
  lcd.clear();
}

void loop()
{
  /* Read pH Over 20 millisecond */
  static float pHValue, voltagepH;
  static unsigned long samplingTime = millis();
  if (millis() - samplingTime > 20)
  {
    pHArray[pHArrayIndex++] = analogRead(pHPin);
    if (pHArrayIndex == ArrayLenth)pHArrayIndex = 0;
    voltagepH = avergearray(pHArray, ArrayLenth) * 5.0 / 1024;
    pHValue = 3.5 * voltagepH + Offset;
    samplingTime = millis();
  }

  /* Update Sensor Data Over 3000 millisecond */
  static unsigned long currentMillis = millis();
  if (millis() - currentMillis >= 3000) {
    float pH = pHValue;
    float turbidity = readTurbidity();
    float temp = readTemp();
    printLCD(pH, turbidity, temp);
    currentMillis = millis();
  }
}


double avergearray(int* arr, int number) {
  int i;
  int max, min;
  double avg;
  long amount = 0;
  if (number <= 0) {
    Serial.println("Error number for the array to avraging!/n");
    return 0;
  }
  if (number < 5) { //less than 5, calculated directly statistics
    for (i = 0; i < number; i++) {
      amount += arr[i];
    }
    avg = amount / number;
    return avg;
  } else {
    if (arr[0] < arr[1]) {
      min = arr[0]; max = arr[1];
    }
    else {
      min = arr[1]; max = arr[0];
    }
    for (i = 2; i < number; i++) {
      if (arr[i] < min) {
        amount += min;      //arr<min
        min = arr[i];
      } else {
        if (arr[i] > max) {
          amount += max;  //arr>max
          max = arr[i];
        } else {
          amount += arr[i]; //min<=arr<=max
        }
      }//if
    }//for
    avg = (double)amount / (number - 2);
  }//if
  return avg;
}

float readTurbidity()
{
  int sensorValue = analogRead(turbidityPin);     // read the input on analog pin 1:
  float voltage = sensorValue * (5.0 / 1024.0);   // Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to a voltage (0 - 5V):
  float turbidity = (-1120.4 * (voltage * voltage)) + (5742.3 * voltage) - 4352.9; // calculate ntu
  return turbidity;
}

float readTemp()
{
  int therm = analogRead(tempPin) - 238; // 10ktherm & 10k resistor as divider.
  therm = pgm_read_word(&temps[therm]);
  return therm / 10.0;
}

void printLCD(float pH, float turbidity, float temp)
{
  lcd.setCursor(0, 0);
  lcd.print("  Water Monitoring  ");
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("pH Value   : ");
  lcd.print(pH);
  lcd.setCursor(0, 2);
  lcd.print("Turbidity  : ");
  lcd.print(turbidity);
  lcd.setCursor(0, 3);
  lcd.print("Temperature: ");
  lcd.print(temp);
}

view rawsmart_water_monitoring_1.ino hosted with ❤ by GitHub

ในบทความถัดไปจะเป็นการนำค่าที่ของเซ็นเซอร์ที่อ่านได้ส่งไปยัง MQTT Server (Cloud MQTT) เเละแสดงผลออกทางสมาร์ทโฟน

>> ตอนที่ 2 ส่งค่าเซ็นเซอร์ขึ้น CloudMQTT แสดงผลค่าเซ็นเซอร์และควบคุมการทำงานของรีเลย์ด้วยสมาร์ทโฟน <<