Измерение pH в системе гидропоники с использованием ESP32

Базовая установка for этой системы расположена в помещении приблизительными размерами 9,29 квадратных метра. В номере нет кондиционера и на него не попадает прямой солнечный свет. Целью предлагаемой установки является оценка возможности использования электродного датчика измерения pH E201 BNC for для оценки pH воды до и после добавления жидких питательных веществ.

Видеоруководство по POC на английском языке:

Рис. 1 иллюстрирует авторский прототип, демонстрирующий различные аспекты установки и его установки. Мониторинг значения pH имеет решающее значение for для поддержания оптимальных условий for роста растений. ESP32 работает в режиме глубокого сна, и с помощью сенсорного датчика pH гидропонного раствора можно измерить простым прикосновением. Этот сенсорный датчик действует как прерывание, вызывая внешний вход for ESP32, тем самым выводя его из режима глубокого сна. На рис. 2 представлена блок-схема всей установки.

pH отражает водородный потенциал раствора, предоставляя числовое значение, определяющее его кислотность или щелочность. Шкала pH варьируется от 0 до 14. Значение pH ниже 7 указывает на кислотность, while значение выше 7 указывает на щелочность. pH служит важным химическим индикатором for гидропонных установок, отражающим изменения в воде вследствие добавления, абсорбции и баланса жидких удобрений. Общие индикаторы, такие как фенолфталеин, метиловый красный и бромтимоловый синий, используются для обозначения диапазонов pH примерно от 8 до 10, от 4,5 до 6 и от 6 до 7,5 соответственно.

Фенолфталеин переходит от бесцветного к розовому, while метиловый красный — от красного к желтому. Этот термин, широко используемый в химии, биологии и агрономии, переводит значения концентрации ионов водорода, обычно находящиеся в диапазоне от 1 до 10^–14 грамм-эквивалентов на литр, в шкалу от 0 до 14.

РН раствора можно рассчитать, взяв отрицательный логарифм концентрации ионов гидроксония, выраженный как pH= -log[H₃O⁺]. При 25°С раствор с pH<7 является кислым, pH>7 – основным и pH=7 – нейтральным.

Существует два метода for измерения pH: колориметрические методы с использованием индикаторных растворов или бумаги и более точные электрохимические методы с использованием электродов и милливольтметра (pH-метра). Мы используем последний метод с помощью микроконтроллера for повышенной точности показаний.

Растения предъявляют разные требования к уровню pH; однако диапазон pH от 5,5 до 6,5 обычно считается оптимальным for для гидропонного садоводства. Большинство растений хорошо себя чувствуют в слегка кислых условиях. Обычно используемые химические вещества для регулирования pH — это фосфорная кислота (для снижения pH) и гидроксид калия (для повышения pH).

Хотя оба химиката относительно безопасны, они могут вызвать ожоги и ни в коем случае не должны попадать в глаза.

Конкретные питательные вещества требуют определенного уровня pH for, оптимального для растений. Неправильный уровень pH может привести к дефициту определенных питательных веществ или токсичности. Например, когда уровень pH падает ниже 5,0, у растений может развиться дефицит магния и кальция или токсичность меди и железа. На рис. 3 показана типичная шкала pH и ее корреляция с повседневными объектами нашей жизни.

Режимы питания ESP32

Активный режим. В этом режиме все периферийные устройства чипа остаются активными, включая Wi-Fi, Bluetooth и радио на основе программного ввода.

Спящий режим модема. CPU работает, часы можно настроить. Основная полоса частот и радио Wi-Fi/Bluetooth отключены.

Режим быстрого сна. CPU приостановлен, while память RTC, периферийные устройства RTC и сопроцессор ULP работают. События пробуждения (MAC, хост SDIO, таймер RTC или внешние прерывания) пробуждают чип.

Режим глубокого сна. Включены только память часов реального времени и периферийные устройства часов реального времени. Wi-Fi и данные подключения Bluetooth хранятся в памяти часов реального времени. Сопроцессор ULP остается работоспособным.

Режим гибернации. Внутренний генератор 8 МГц и сопроцессор ULP отключены. Память восстановления RTC отключена. Активны только один таймер RTC на медленных часах и определенные GPIO RTC. Таймер RTC или RTC GPIO могут вывести чип из режима гибернации.

Режим глубокого сна ESP32 используется в облаке Arduino. В текущей настройке микроконтроллер ESP32 инициализируется в режиме глубокого сна и пробуждается по мере необходимости. Этого можно добиться тремя способами: пробуждение по таймеру, пробуждение по касанию и внешнее пробуждение.

Сравнение пяти различных режимов представлено в таблице 1 из таблицы данных ESP32. Распиновка представлена на рис. 4, а в таблице 1 показаны различные режимы питания и энергопотребление чипа ESP32.

Пробуждение по таймеру, пробуждение по касанию и внешнее пробуждение

Каждая установка имеет уникальные требования. В этой установке pH воды, циркулирующей в гидропонной установке, контролируется с помощью E201 BNC. ESP32 поддерживается в режиме глубокого сна для экономии энергопотребления. Микроконтроллер просыпается во внешнем режиме, в котором задействован подключенный сенсорный датчик. При прикосновении считывается значение pH, и значение отображается на последовательном мониторе.

Во время глубокого сна некоторые контакты ESP32 могут использоваться сопроцессором ULP, а именно контакты RTC_GPIO и сенсорные контакты. В таблице данных ESP32 указаны контакты RTC_GPIO, которые выделены зеленым прямоугольным прямоугольником.

Внешнее пробуждение

Внешнее пробуждение — это еще один метод вывода платы ESP32 из режима глубокого сна, при котором изменение состояния контакта GPIO запускает пробуждение. Источник пробуждения необходимо настроить перед переводом платы ESP32 в режим глубокого сна. Можно настроить два типа внешнего пробуждения: ext0 и ext1. Ext0 предполагает настройку одного контакта GPIO в качестве внешнего пробуждения, while ext1 используется, for нескольких контактов GPIO. Важно отметить, что только контакты RTC GPIO могут использоваться в качестве источника внешнего пробуждения for.

Чтобы включить источник пробуждения ext0, используйте следующий API:

esp_sleep_enable_ext0 пробуждение()

Модуль ввода-вывода RTC отвечает for за запуск пробуждения ext0. Поскольку модуль ввода-вывода RTC является частью домена питания периферийных устройств RTC, периферийные устройства RTC должны быть включены в режиме глубокого сна при использовании ext0 в качестве источника пробуждения.

Программное обеспечение

Код подготовлен в Arduino IDE. Здесь PIN-код определяется for датчика, а затем значение pH извлекается с помощью формулы. В функции настройки данные датчика обрабатываются с помощью функции сна, чтобы позволить процессору переходить в режим сна и просыпаться вовремя для обработки данных датчика. На рис. 5 показан фрагмент исходного кода.

Рис. 6 представляет дополнительную информацию об установке и используемых компонентах. Распиновка сенсорного зонда вместе с узлом зонда обеспечивает доступ к показаниям pH с учетом регулировки смещений за счет аналоговых показаний и пределов pH. В Таблице 2 представлена спецификация, а в Таблице 3 показаны штыревые соединения for, соединяющие датчик.

Принципиальная схема

Цепь построена на датчике касания (MOD1), ESP32 (MOD2), датчике pH (MOD3) и нескольких перемычках. На рис. 7 показано подключение предлагаемой установки на макетной плате, а на рис. 8 показана принципиальная схема предлагаемой системы.

Перед сборкой проекта обратитесь к рис. 7 и 8. После правильной сборки схемы на основе принципиальной схемы загрузите код в ESP32, а затем протестируйте устройство, подав на него питание. Вы получите значение pH на последовательном мониторе, когда окунете датчик в измеряемую жидкость.

Примечание. В заключение отметим, что можно измерить pH гидропонного раствора с помощью датчика while, экономя энергию, работая в режиме глубокого сна.

Доктор Гитали Саха – преподаватель кафедры электроники и коммуникационной инженерии, GCET, Ананд, Гуджарат, а Дхрув Вачхани, студенческий координатор 3-го курса CSE – кафедра IoT, работает над этим спонсируемым проектом вместе с доктором Сахой