ARM Based Smart Water Meter with LoRa for Soilless Agriculture Application

Abstract

The aim of this study is to develop an integrated and micro-controller based electronic circuit which might be used in soilless agriculture and smart greenhouse systems. In this study, a novel soilless agriculture system design is proposed to measure and monitor parameters such as the desired ambient temperature, nutrient solution temperature, solution alkalinity (pH) and conductivity in the greenhouse. In addition to the design, a control mechanism is designed to keep the amount of nutrient solution, which changes over time, stable in the desired ranges. This proposed system consists of two different embedded systems where the necessary parameters are measured, actuators are controlled, and the related input / output pairs are observed. The yield of the nutrient solution in the system is continuously controlled, and the necessary conditions are provided for the growth of the product in the greenhouse. The microcontroller system is responsible for data transmission in the greenhouse, observing the pipes, and to identify possible problems which might be encountered in the corresponding lines. In addition, the embedded system in the field performs the control tasks of the actuators which takes a role in maintaining the temperature inside the greenhouse taking into account the feedback data. LoRa communication is employed to construct a data flow network between embedded systems. For this purpose, a new communication protocol is proposed to be used in soilless agriculture applications. In order to enable the users to observe the whole system in multi-greenhouse systems, a control unit (computer) is positioned over a main greenhouse where the relevant inputs / outputs of the embedded system can be read. The sensor and actuator data are obtained during the studies, the necessary conditions for soilless agriculture are examined, and the results are presented.

Keywords

• STM32 Microprocessor
• Soilless Agriculture
• LoRa Communication
• Smart Meter

Topraksız Tarım Uygulaması için LoRa ile ARM Tabanlı Akıllı Su Sayacı

Öz

Bu çalışmanın amacı topraksız tarım yetiştiriciliğinde, akıllı sera sistemlerinde kullanılabilecek, kablosuz haberleşme modülüne entegre ve mikro-denetleyici tabanlı elektronik kart geliştirmektir. Bu çalışmada, serada istenen ortam sıcaklığı, besin çözelti sıcaklığı, çözelti alkalinitesi (pH) ve iletkenlik gibi parametreleri ölçmek ve izlemek için yeni bir topraksız tarım sistemi tasarımı kullanılmıştır. Tasarımın yanı sıra, zamanla değişen besin çözeltisi miktarını tekrar istenen seviyeye getirmek için bir kontrol mekanizması tasarlanmıştır. Bu sistem, parametre ölçümlerinin alındığı, gerekli eyleyicilerin kontrol edildiği ve ilgili giriş/çıkış çiftlerinin gözlemlendiği iki farklı gömülü sistemden oluşmaktadır. Sistemdeki besin solüsyonun verimi sürekli kontrol edilerek serada ürünün büyümesi için gerekli koşullar sağlanacaktır. Serada veri aktarımından sorumlu mikrodenetleyici sistemi de boruları gözlemlemek ve ilgili hatlarda karşılaşılabilecek olası sorunları tespit etmekle de görevlendirilmiştir. Ayrıca sahada bulunan gömülü sistem, sera içi sıcaklığın korunmasında rol oynayacak olan havalandırma sistemi ve sıcak hava pompası gibi eyleyicilerin kontrolünü gerçekleştirebilir. LoRa iletişimi, gömülü sistem arasında bir veri akışı ağı oluşturmak için kullanılır. Bu amaçla topraksız tarım uygulamalarında kullanılmak üzere yeni bir iletişim protokolü oluşturulmuştur. Kullanıcıların çoklu sera sistemlerde tüm sistemi gözlemleyebilmesi için, gömülü sistemin ilgili giriş / çıkışlarının okunabileceği bir ana sera üzerine bir kontrol ünitesi (bilgisayar) konumlandırılmıştır. Çalışmalar sırasında elde edilen sensör ve eyleyici verileri toplanmış, topraksız tarım için gerekli şartlar incelenmiş ve sonuçlar sunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• STM32 Mikroişlemci
• Topraksız Tarım
• LoRa Haberleşme
• Akıllı Sayaç

Kaynakça

1. Ananthi, N., Divya, J., Divya, M., & Janani, V. (2017, April). IoT based smart soil monitoring system for agricultural production. In 2017 IEEE Technological Innovations in ICT for Agriculture and Rural Development (TIAR) (pp. 209-214). IEEE.
2. Aydoğan, N.G., Gül, A., 1999. Topraksız kavun yetiştiriciliğinde torba özelliklerinin bitki gelişimi ve verime etkileri. Türkiye 3. Ulusal Bahçe Bitkileri Kongresi, 343-347.
3. Azaza, M., Tanougast, C., Fabrizio, E., & Mami, A. (2016). Smart greenhouse fuzzy logic based control system enhanced with wireless data monitoring. ISA transactions, 61, 297-307.
4. Domingues, D. S., Takahashi, H. W., Camara, C. A., & Nixdorf, S. L. (2012). Automated system developed to control pH and concentration of nutrient solution evaluated in hydroponic lettuce production. Computers and electronics in agriculture, 84, 53-61.
5. El-Kazzaz, K. A., & El-Kazzaz, A. A. (2017). Soilless agriculture a new and advanced method for agriculture development: an introduction. Agri Res Tech, 3, 63-72.
6. Gül, A., 2008. Topraksız Tarım, Hasad Yayıncılık, 144s.
7. Kodali, R. K., Jain, V., & Karagwal, S. (2016, December). IoT based smart greenhouse. In 2016 IEEE region 10 humanitarian technology conference (R10-HTC) (pp. 1-6). IEEE.
8. Priya, C. G., Pandu, M. A., & Chandra, B. (2017, April). Automatic plant monitoring and controlling system over GSM using sensors. In 2017 IEEE Technological Innovations in ICT for Agriculture and Rural Development (TIAR) (pp. 173-176). IEEE.

9. Sevgican, A., 2003. Örtüaltı Sebzeciliği (Topraksız Tarım) Genişletilmiş 2. basım Cilt II, Ege Üniversitesi Ziraat Fakültesi Yayınları No: 526, Ege Üniversitesi. Basımevi, Bornova-İzmir.
10. Shirsath, D. O., Kamble, P., Mane, R., Kolap, A., & More, R. S. (2017). IoT based smart greenhouse automation using Arduino. International Journal of Innovative Research in Computer Science & Technology, 5(2), 234-238.
11. Uzundumlu, A. S. (2012). Tarım sektörünün ülke ekonomisindeki yeri ve önemi. Alınteri Zirai Bilimler Dergisi, 22(1), 34-44.