아두이노 기반 스마트 관개 시스템: 회로도 & 아두이노 코드로 효율적인 농업 구현

아두이노 기반 스마트 관개 시스템

인도는 인구의 70%가 농업에 의존하여 생계를 유지하는 나라입니다. 요즘은 기계를 활용해 모든 작업을 가장 쉽게 수행할 수 있습니다. 자동화는 생산성을 높이고 많은 시간과 노력을 절약해 줍니다. 관개는 밭에 투자한 자금으로 최대 수익을 얻기 위한 농업의 가장 중요한 부분입니다. 그러나 농부들이 농업 현장에서 작업을 쉽게 할 수 있는 여러 기계가 있지만, 높은 비용으로 인해 구매하기 어렵습니다. 농부들에게 필요한 것은 농업용으로 쉽게 사용할 수 있는 단순하고 저렴한 기계입니다.

이 글에서는 저비용 자재로 설계된 단순하고 스마트한 관개 시스템에 대해 논의합니다. 이 관개 시스템의 목적은 토양 수분 함량을 감지하고 모터 펌프를 자동으로 작동시키는 것입니다.

농업 현장 외에도 부재중 식물을 돌보기 위해 가정에서도 자동 식물 관개 시스템이 필요합니다. 이 기사를 통해 집에서 편안하게 식물에 자동으로 물을 주는 스마트 관개 시스템 프로젝트 설계 과정을 논의합니다. 이 스마트 관개 시스템 장치로 급수 일정과 작동 시간을 맞춤 설정할 수 있습니다.

전통적인 관개 시스템의 비효율로 인한 과다 관수로 약 50%의 물 손실이 발생합니다. 이를 극복하기 위해 토양 수분 수준을 확인하고 식물에 자동으로 물을 공급하는 스마트 관개 시스템을 설계합니다. 회로에서 토양에 충분한 수분이 감지되면 모터 펌프가 꺼집니다.

또한 GSM 모듈을 사용하여 토양 수분 상태와 워터 펌프 상황을 정기적으로 업데이트합니다. 이 프로젝트는 관개 과정에서 인력 필요성을 없애는 데 매우 신뢰성 있고 유용합니다.

위에서 논의한 대로 토양 수분 센서를 사용하여 토양 수분을 감지합니다. 프로젝트 시작 전 주요 구성 요소를 살펴보며 회로 작동을 명확히 이해해 보겠습니다.

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토양 수분 센서

토양 수분 센서에는 토양의 부피 수분 함량을 측정하는 두 개의 프로브가 있습니다. 이 두 프로브는 전류가 토양을 통과하도록 하여 토양에 존재하는 수분 값을 얻습니다.

토양에 물이 있으면 저항이 적어져 전기가 잘 통합니다. 결과적으로 센서가 감지하는 수분 수준이 높아집니다. 마른 토양은 전기를 잘 통하지 않습니다. 토양에 물이 적으면 전도성이 낮아지고 저항이 커집니다. 이것이 수분 수준이 낮게 측정되는 이유입니다.

아두이노 기반 스마트 관개 시스템: 회로도 & 아두이노 코드로 효율적인 농업 구현

기술 사양:

입력 전압 – 3.3-5V
출력 전압 - 0-4.2V
입력 전류 - 35mA
출력 전압 - 아날로그/디지털

토양 수분 센서 핀아웃:

Vcc - 전원 공급
A0 - 아날로그 출력
D0 - 디지털 출력
GND - 접지

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위에서 논의한 대로 토양 수분 센서는 프로브 역할을 하는 두 개의 전도성 플레이트로 구성됩니다. 토양 수분 센서는 단순히 두 개의 전도성 플레이트 역할을 합니다. 첫 번째 플레이트는 +5V 전원에 연결되고, 두 번째 플레이트는 직접 접지에 연결됩니다. 출력은 토양 수분 센서 핀의 첫 번째 단자에서 직접 취해집니다.

토양 수분 센서는 개방 및 폐쇄 회로 원리로 작동합니다. 토양이 마르면 전류가 흐르지 않아 개방 회로처럼 작동합니다. 토양이 축축하면 한 단자에서 다른 단자로 전류가 흐르기 시작하여 폐쇄 회로처럼 작동합니다. 아두이노 우노 보드와 수분 센서를 인터페이스했습니다. 회로의 인터페이스 및 시뮬레이션 코드는 기사 뒷부분에서 논의합니다.

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토양 수분 센서 응용:

이 장치는 가정 정원과 잔디밭에서 수동 식물 급수 과정의 필요성을 없애는 데 사용할 수 있습니다. 실내 식물에 정기적으로 물을 공급하는 관개용으로도 사용할 수 있습니다.

이 프로젝트의 두 번째로 중요한 부분은 아두이노 마이크로컨트롤러와 함께 통신용으로 사용되는 GSM 모듈입니다.

TTL SIM800 GSM 모듈:

관개 시스템 프로젝트에 SIM800 GSM 모듈을 사용했으며 아두이노와 인터페이스하여 메시지 송수신을 수행합니다. GSM 모듈은 기본적으로 GSM 모뎀입니다. 이 장치는 PCB에 연결되어 보드에서 다양한 유형의 출력을 취합니다. 우리 프로젝트에서는 아두이노와 GSM 모듈을 인터페이스하고 TTL 출력을 취합니다. 이 쿼드 밴드 GSM 모듈은 GSM 850MHz, EGSM 900MHz, DCS 1800MHz, PCS 1900MHz 주파수 범위에서 작동합니다. GSM 모듈은 아두이노 및 마이크로컨트롤러와 높은 호환성을 가집니다. TTL SIM800 GSM 모듈은 24*24*3mm 크기로 조립되어 스마트폰, PDA 등 거의 모든 기기에 장착 가능합니다. 아두이노 기반 스마트 관개 시스템: 회로도 & 아두이노 코드로 효율적인 농업 구현

아시아에서는 대부분의 이동통신사가 900MHz 대역에서 운영됩니다. GSM 모듈은 단일 GSM 모뎀을 PCB에 연결하여 제조합니다. 그런 다음 RS232 출력이 제공됩니다. 프로젝트에서 GSM 전원 요구사항을 반드시 재확인하고 기기에 적합한 GSM 모듈을 선택하세요. 또한 아두이노와 번거로움 없이 직접 인터페이스하기 위해 TTL 출력 핀이 활성화된 것을 항상 선택하세요.

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기술 사양:

쿼드 밴드 기반
필요 전압 - 9VDC-12VDC
전원 공급 - 스위칭 레귤레이터 기반
필요 전력 - 1mA
동작 온도 - -40 ~ +85°C

GSM 800 모듈 특징:

코딩 방식 - CS-1, CS-2, CS-3, CS-4 Tx 전력
저전력 소비
마이크 입력과 수신기 출력을 포함한 오디오 채널 탑재

이제 토양 수분 센서와 GSM 모듈 두 장치의 작동에 대해 잘 알게 되었습니다. 다음으로 두 구성 요소를 아두이노 마이크로컨트롤러와 인터페이스해야 합니다.

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아두이노 우노 보드

아두이노 우노 보드 세부 사항을 알아보기 전에, 시장에는 아두이노 메가, 아두이노 듀 등 다양한 버전의 아두이노 보드가 있음을 알려드립니다. 우리 프로젝트에서는 가장 저렴하고 인터페이스하기 쉬운 마이크로컨트롤러인 아두이노 우노를 사용했습니다. 이 마이크로컨트롤러는 14개의 디지털 I/O 핀과 6개의 아날로그 핀으로 구성됩니다. 아두이노 우노 마이크로컨트롤러는 TX와 Rx 핀을 사용한 직렬 통신도 지원합니다. 아두이노 사용의 가장 큰 장점은 요구사항에 따라 소프트웨어와 아두이노 보드를 최적화하고 수정할 수 있다는 점입니다.

토양 수분 센서와 GSM 모듈의 아두이노 인터페이스

이 회로의 인터페이스는 간단합니다. 회로도를 따라하기만 하면 됩니다.

먼저 토양 수분 센서의 아날로그 핀을 아두이노의 아날로그 핀 1에 연결하세요. 이제 센서의 VCC와 GND를 아두이노의 5V와 GND에 연결하세요.

다음으로 모듈에 심 카드를 삽입하세요. 이제 GSM 모듈을 전원 공급장치에 연결해야 합니다. 우리는 12V 모듈을 사용 중이며, 5V 모듈이 있다면 아두이노의 5V로 직접 전원 공급할 수 있습니다. 회로도에 표시된 대로 12V 소스를 연결하세요. 이제 모듈의 GND 핀을 아두이노의 GND에 연결하세요. 모듈의 ST 핀을 아두이노의 디지털 핀 9에, 모듈의 SR 핀을 아두이노의 디지털 핀 10에 연결하세요. 감지된 수분 수준을 표시할 LCD도 연결했습니다. 회로도에 표시된 대로 LCD를 연결하고 콘트라스트 조절용 포트도 연결하세요.

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릴레이와 트랜지스터를 릴레이 드라이버 회로도를 사용하여 연결하세요.

아래 구성 요소 목록을 준비하고 회로도에 따라 회로를 연결하세요:

아두이노 우노 보드
GSM 모듈
연결 와이어
트랜지스터
16×2 LCD 디스플레이
전원 공급장치
릴레이
펌프
토양 수분 센서
저항
터미널 커넥터
전압 레귤레이터

아두이노 기반 스마트 관개 시스템: 회로도 & 아두이노 코드로 효율적인 농업 구현

프로그래밍 코드 설명

이 프로젝트의 프로그래밍 부분은 매우 쉽습니다. 먼저 LCD와 수분 센서용 라이브러리를 정의해야 합니다. 다음 줄에서 센서의 송신기와 수신기 핀을 정의했는데, 이들은 디지털 핀 9와 10에 연결되어 있습니다:

#include <LiquidCrystal.h>
#include <SoftwareSerial.h>
SoftwareSerial mySerial(9,10);

다음 줄에서 핀 번호 대신 사용할 변수들을 정의했습니다:

int M_Sensor = A0;
int W_led = 7;
int P_led = 13;

다음 줄에서 아두이노에 연결된 LCD 핀을 정의했습니다:

LiquidCrystal lcd(12, 11, 5, 4, 3, 2);

setup 함수에서 먼저 lcd.begin() 함수로 LCD를 초기화하고 mySerial.begin() 함수로 수분 센서를 초기화했습니다. LCD가 16열 2행이므로 16,2를 전달하여 전체 LCD를 사용함을 나타냈습니다. 다음으로 펌프 상태 LED와 릴레이에 연결된 디지털 핀 13을 출력으로, 워터 레벨 LED에 연결된 핀 7을 입력으로 핀 모드를 정의하고 초기화했습니다.

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  mySerial.begin(9600);
  pinMode(7, INPUT);
  pinMode(13, OUTPUT);
}

이제 loop 함수로 넘어갑니다. 첫 줄에서 이전 출력이 있으면 지우기 위해 LCD를 클리어했습니다. 다음 줄에서 수분 센서 값을 읽어 'Moist' 변수에 저장했습니다:

lcd.clear();
int Moist = analogRead(M_Sensor);

다음 줄에서 건조, 습윤, 과습 토양 조건을 도입했습니다:

if (Moist > 700) // 건조한 토양
{
  lcd.setCursor(11,0);
  lcd.print("DRY");
  lcd.setCursor(11,1);
  lcd.print("SOIL");
  if (digitalRead(W_led) == 1) // 저장소 물 가용성 테스트
  {
    digitalWrite(13, HIGH);
    lcd.setCursor(0,1);
    lcd.print("PUMP:ON");
    mySerial.println("AT+CMGF=1");
    delay(1000);
    mySerial.println("AT+CMGS=\"NUMBER\"\r");
    delay(1000);
    mySerial.println("PUMP:ON");
    delay(100);
    mySerial.println((char)26);
    delay(1000);
  }
  else
  {
    digitalWrite(13, LOW);
    lcd.setCursor(0,1);
    lcd.print("PUMP:OFF");
    mySerial.println("AT+CMGF=1");
    delay(1000);
    mySerial.println("AT+CMGS=\"NUMBER\"\r");
    delay(1000);
    mySerial.println("PUMP:OFF");
    delay(100);
    mySerial.println((char)26);
    delay(1000);
  }
}
if (Moist >= 300 && Moist <= 700) // 적절한 습도 토양
{
  lcd.setCursor(11,0);
  lcd.print("MOIST");
  lcd.setCursor(11,1);
  lcd.print("SOIL");
  digitalWrite(13, LOW);
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("PUMP:OFF");
  mySerial.println("AT+CMGF=1");
  delay(1000);
  mySerial.println("AT+CMGS=\"NUMBER\"\r");
  delay(1000);
  mySerial.println("PUMP:OFF");
  delay(100);
  mySerial.println((char)26);
  delay(1000);
}
if (Moist < 300) // 과습 토양
{
  lcd.setCursor(11,0);
  lcd.print("SOGGY");
  lcd.setCursor(11,1);
  lcd.print("SOIL");
  digitalWrite(13, LOW);
  lcd.setCursor(0,1);
  lcd.print("PUMP:OFF");
  mySerial.println("AT+CMGF=1");
  delay(1000);
  mySerial.println("AT+CMGS=\"NUMBER\"\r");
  delay(1000);
  mySerial.println("PUMP:OFF");
  delay(100);
  mySerial.println((char)26);
  delay(1000);
}
delay(1000);
}

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자동 관개 시스템 작동 원리

자동 관개 시스템의 작동 원리는 매우 간단하고 이해하기 쉽습니다. 이 프로젝트에서 아두이노는 회로 전체 작동을 제어합니다. 우선 토양에 수분이 없으면 토양 센서의 두 프로브 간에 전도가 발생합니다. 결과적으로 트랜지스터는 ON 상태를 유지하고 아두이노의 핀 13은 LOW 상태를 유지합니다. 이후 아두이노는 사용자에게 "토양 수분 정상. 모터 꺼짐" 메시지를 전송합니다. 이 상황에서 모터 펌프는 "OFF" 상태를 유지합니다.

토양에 수분이 없으면 트랜지스터 Q2가 OFF되고 핀 D7이 HIGH가 됩니다. 결과적으로 아두이노가 워터 펌프를 시작하고 사용자에게 "낮은 수분 감지. 모터 켜짐" 메시지를 전송합니다. 다시 토양 수분 센서가 충분한 수분을 감지하면 모터 펌프가 자동으로 꺼집니다.

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스마트 관개 시스템 특징

이 스마트 관개 시스템은 이상적인 관개 시스템의 모든 기준을 충족합니다. 수익성 있는 주요 특징은 다음과 같습니다:

이 스마트 관개 시스템은 날씨 조건에 쉽게 적응하며 그에 따라 수분을 감지하여 워터 펌프를 작동시킵니다
토양 수분 센서는 토양에 존재하는 수분을 감지하여 높은 물 흐름을 쉽게 감지하므로 자동으로 정지하고 시작합니다
스마트 관개 시스템을 사용하면 현장에 가지 않고도 원격으로 물 흐름을 관리할 수 있습니다
회로에 연결된 LCD가 토양 수분 데이터를 정기적으로 표시하므로 다양한 시점의 수분 기록을 유지하는 데 사용할 수 있습니다

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결론

스마트 관개 시스템은 생산성과 신뢰성 측면에서 매우 유용합니다. 또한 이 장치는 쉽게 구할 수 있는 전자 부품으로 쉽게 설계하고 조립할 수 있습니다. 소프트웨어에 사용된 아두이노 마이크로컨트롤러는 매우 인기가 많고 불편함 없이 쉽게 인터페이스할 수 있습니다. 우리는 토양 수분 센서를 사용하여 토양 수분을 감지했습니다.

GSM 모듈은 사용자에게 휴대폰으로 메시지를 전송하여 알리는 데 사용되었습니다. 또한 아두이노와 모든 구성 요소의 작동 및 인터페이스 방법을 설명했습니다. 이제 여러분이 일상에서 물을 절약하기 위해 이 저비용 스마트 관개 시스템을 설계할 수 있기를 바랍니다.