ساخت سیستم هوشمند مانیتورینگ pH صنعتی با رزبری پای 4 و LoRaWAN

در این مقاله جامع، به طراحی و پیاده‌سازی یک سیستم پیشرفته برای پایش لحظه‌ای pH در خطوط لوله نیروگاه‌ها می‌پردازیم. این سیستم با استفاده از پلتفرم قدرتمند رزبری پای 4، سنسورهای الکتروشیمیایی دقیق pH، نمایشگر لمسی 10 اینچی برای رابط کاربری محلی و فناوری ارتباطی دوربرد LoRaWAN برای ارسال داده‌ها به مراکز کنترل، یک راه‌حل ایده‌آل برای محیط‌های صنعتی سخت و گسترده ارائه می‌دهد. هدف ما ارائه یک راهنمای گام‌به‌گام از انتخاب قطعات تا برنامه‌نویسی و عیب‌یابی برای مهندسان و علاقه‌مندان به اتوماسیون صنعتی است تا بتوانند به راحتی این پروژه حیاتی را اجرا کنند.

A. انتخاب برد، جایگزین‌ها و مقایسه

برد اصلی: رزبری پای 4 (Raspberry Pi 4)

رزبری پای 4 به دلیل قدرت پردازشی بالا، پورت‌های متنوع (GPIO, I2C, SPI, UART)، پشتیبانی از سیستم‌عامل لینوکس و جامعه کاربری بزرگ، انتخابی عالی برای این پروژه صنعتی است. توانایی آن در اجرای رابط کاربری گرافیکی پیشرفته بر روی نمایشگر لمسی و مدیریت پروتکل‌های ارتباطی پیچیده مانند LoRaWAN، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل تبدیل می‌کند.

دو جایگزین پیشنهادی

1. Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4): این برد برای کاربردهای جاسازی شده (Embedded) و صنعتی طراحی شده است. CM4 با ارائه همان قدرت پردازشی رزبری پای 4 در قالبی فشرده‌تر و با گزینه‌های متنوع‌تر برای حافظه و اتصالات eMMC، انعطاف‌پذیری بیشتری را برای طراحی محصول نهایی و مقاومت در برابر محیط‌های صنعتی فراهم می‌کند. نیاز به برد حامل (Carrier Board) دارد.
2. Rock Pi 4 Model C+: یک رقیب قدرتمند برای رزبری پای، با پردازنده قوی‌تر (Rockchip RK3399)، گزینه‌های بیشتر برای RAM و حافظه داخلی eMMC، و پورت‌های ارتباطی مشابه. Rock Pi 4 نیز از سیستم‌عامل‌های مبتنی بر لینوکس پشتیبانی می‌کند و می‌تواند جایگزین مناسبی باشد، به خصوص اگر به دنبال عملکرد کمی بالاتر هستید.

جدول مقایسه

استدلال انتخاب

رزبری پای 4 بهترین تعادل بین عملکرد، قیمت، در دسترس بودن، و پشتیبانی نرم‌افزاری را ارائه می‌دهد. برای یک طراح ارشد که به مبتدیان آموزش می‌دهد، RPi4 به دلیل اکوسیستم گسترده و منابع آموزشی فراوان، یادگیری را آسان‌تر می‌کند. در حالی که CM4 برای تولید انبوه صنعتی و Rock Pi 4 برای نیازمندی‌های پردازشی سنگین‌تر جایگزین‌های خوبی هستند، RPi4 نقطه شروع قوی و مقرون به صرفه‌ای برای این پروژه است.

B. فهرست کامل قطعات (BOM) و سه سطح قیمت

فهرست قطعات مورد نیاز (BOM)

سه سطح قیمت

قیمت‌ها تقریبی و بر اساس بازار جهانی در زمان نگارش هستند و ممکن است تغییر کنند.

1. سطح اقتصادی (حدود 300 – 450 دلار)

   • رزبری پای 4: مدل 2GB رم.
   • کارت SD: 32GB جنریک.
   • آداپتور: 5V/3A جنریک.
   • کیس: پلاستیکی ساده یا فلزی ارزان قیمت.
   • LoRaWAN HAT: مدل‌های ارزان‌تر مانند Dragino LoRa/GPS HAT.
   • پراب pH: مدل‌های آزمایشگاهی پایه با کانکتور BNC.
   • ماژول pH/ADC: ماژول‌های ارزان‌قیمت با ADS1115.
   • نمایشگر: LCD لمسی 10 اینچ جنریک با کیفیت تصویر متوسط.

2. سطح متوسط (حدود 500 – 800 دلار)

   • رزبری پای 4: مدل 4GB رم.
   • کارت SD: 64GB برند معتبر (مثلاً SanDisk Endurance).
   • آداپتور: آداپتور اورجینال رزبری پای.
   • کیس: فلزی با استاندارد IP54/IP65.
   • LoRaWAN HAT: Waveshare SX1262 LoRa HAT.
   • پراب pH: پراب صنعتی استاندارد با مقاومت بیشتر.
   • ماژول pH/ADC: ماژول‌های با دقت و پایداری بالاتر.
   • نمایشگر: LCD لمسی 10 اینچ از برندهای شناخته شده‌تر با پنل IPS.

3. سطح پیشرفته/صنعتی (حدود 900 – 1500+ دلار)

   • رزبری پای 4: مدل 8GB رم.
   • کارت SD: 128GB صنعتی یا استفاده از SSD خارجی (با آداپتور).
   • آداپتور: منبع تغذیه صنعتی DIN Rail با استانداردهای EMC.
   • کیس: محفظه صنعتی مستحکم با استاندارد IP67/NEMA 4X، با فن یا هیت‌سینک صنعتی.
   • LoRaWAN Module: ماژول LoRaWAN صنعتی (نه لزوماً HAT) با کانکتورهای مستحکم و قابلیت اطمینان بالا.
   • پراب pH: پراب pH صنعتی از برندهای معتبر با عمر طولانی، مقاوم در برابر دما و فشار بالا و اتصالات قوی.
   • ماژول pH/ADC: کنترل‌کننده pH صنعتی با خروجی‌های دیجیتال/آنالوگ ایزوله.
   • نمایشگر: پنل PC صنعتی 10 اینچی با ورودی HDMI، تاچ خازنی مقاوم و رتبه‌بندی صنعتی.
   • عایق‌کننده گالوانیک: برای محافظت از سنسور و رزبری پای در برابر نویزهای الکتریکی در محیط‌های صنعتی.

C. سیم‌بندی دقیق، جدول پین‌مپ و توضیح زمین/ولتاژ

سیم‌بندی دقیق

این بخش نحوه اتصال قطعات اصلی به رزبری پای 4 را توضیح می‌دهد. فرض بر این است که از یک LoRaWAN HAT و یک ماژول pH/ADC با رابط I2C استفاده می‌شود.

1. اتصال نمایشگر LCD لمسی 10 اینچی:
   • ویدئو: کابل HDMI از پورت HDMI رزبری پای به ورودی HDMI نمایشگر.
   • تاچ: کابل Micro USB (یا USB-C) از پورت USB رزبری پای (ترجیحاً USB 2.0 برای جلوگیری از تداخل) به پورت USB نمایشگر برای قابلیت لمس.
   • تغذیه: نمایشگر معمولاً از طریق HDMI یا پورت USB تغذیه می‌شود، اما برخی مدل‌ها نیاز به آداپتور جداگانه دارند. دستورالعمل سازنده را دنبال کنید.
2. اتصال ماژول HAT LoRaWAN:
   • HAT (Hardware Attached on Top) مستقیماً روی پین‌های GPIO رزبری پای قرار می‌گیرد. اطمینان حاصل کنید که HAT به درستی روی همه 40 پین قرار گرفته است.
   • این ماژول از پروتکل SPI یا UART برای ارتباط با رزبری پای استفاده می‌کند. پین‌های مورد استفاده معمولاً توسط خود HAT و درایورهای آن مدیریت می‌شوند.
   • آنتن LoRaWAN را به کانکتور مربوطه روی HAT متصل کنید.
3. اتصال پراب pH از طریق ماژول ADC/pH:
   • پراب pH: پراب pH را به کانکتور BNC روی ماژول pH/ADC متصل کنید.
   • ماژول pH/ADC (با رابط I2C):
     • VCC/VDD: به پین 3.3V یا 5V رزبری پای (بسته به نیاز ماژول pH – اکثر ماژول‌ها با 3.3V RPi سازگارند).
     • GND: به یکی از پین‌های GND رزبری پای.
     • SDA: به پین SDA (GPIO2 – پین 3) رزبری پای.
     • SCL: به پین SCL (GPIO3 – پین 5) رزبری پای.

جدول پین‌مپ رزبری پای 4 (GPIO) برای اتصالات کلیدی

این جدول پین‌های GPIO رزبری پای 4 و کاربرد آن‌ها در این پروژه را نشان می‌دهد.

توضیح زمین (Ground) و ولتاژ (Voltage)

• زمین (GND): تمام قطعات الکترونیکی در یک مدار باید یک نقطه مرجع ولتاژ مشترک داشته باشند که به آن زمین می‌گویند. این امر برای اطمینان از خوانش‌های صحیح و عملکرد پایدار مدار ضروری است. در رزبری پای، پین‌های متعددی برای زمین (GND) وجود دارد. حتماً اطمینان حاصل کنید که زمین ماژول pH، HAT LoRaWAN و رزبری پای به هم متصل هستند.
• ولتاژ (VCC/VDD):
  • 3.3V: پین 3.3 ولت رزبری پای برای تغذیه ماژول‌هایی با مصرف کم مانند بسیاری از ماژول‌های ADC و سنسورها استفاده می‌شود. این ولتاژ پایدار و مناسب برای مدارهای منطقی است.
  • 5V: پین 5 ولت رزبری پای برای تغذیه قطعاتی با مصرف بالاتر مانند برخی ماژول‌های رله یا حتی نمایشگرهای کوچک می‌تواند استفاده شود. با این حال، باید مراقب باشید که جریان کشیده شده از این پین از حداکثر مجاز رزبری پای تجاوز نکند. آداپتور اصلی رزبری پای 4، 5.1 ولت 3 آمپر تامین می‌کند.
• ایزولاسیون گالوانیک (Galvanic Isolation): در محیط‌های صنعتی، نویزهای الکتریکی بسیار زیاد هستند. توصیه می‌شود برای سنسور pH و حتی اتصالات LoRaWAN از ماژول‌های با ایزولاسیون گالوانیک استفاده شود. این ماژول‌ها با استفاده از اپتوکوپلرها یا ترانسفورماتورها، ارتباط سیگنال را بدون اتصال فیزیکی الکتریکی برقرار می‌کنند و از آسیب به رزبری پای و خوانش‌های نادرست جلوگیری می‌کنند.

D. کد کامل (MVP + پیشرفته) + لیست کتابخانه‌ها + نکات پیکربندی

کد MVP (Minimum Viable Product) – خواندن pH، نمایش، و ارسال LoRaWAN

این کد یک نمونه اولیه برای خواندن مقدار pH، نمایش آن بر روی کنسول و صفحه LCD، و ارسال آن از طریق LoRaWAN را نشان می‌دهد.

# -*- coding: utf-8 -*-
import smbus
import time
import board # برای adafruit-circuitpython-rfm9x
import busio # برای adafruit-circuitpython-rfm9x
import digitalio # برای adafruit-circuitpython-rfm9x

# برای LoRaWAN، از کتابخانه Adafruit CircuitPython RFM9x استفاده می‌کنیم که مبتنی بر تراشه Semtech SX127x است.
# اگر HAT شما از SX126x استفاده می‌کند، باید درایور متناسب را جایگزین کنید (مثلاً از Waveshare یا Dragino).
import adafruit_rfm9x

# برای نمایشگر 10 اینچی LCD Touch، درایورهای مستقیم پایتون برای کنترل پیکسل‌ها پیچیده‌تر هستند.
# برای MVP، ما فرض می‌کنیم که Raspberry Pi OS Desktop روی آن اجرا شده و خروجی کنسول (print) قابل مشاهده است.
# برای نمایش گرافیکی تر، در بخش Advanced از Pygame استفاده می‌شود.
# اگر نیاز به نمایش متن ساده روی یک Display با رابط سریال بود، کتابخانه‌هایی مانند adafruit_ssd1306 (برای OLED) یا
# adafruit_character_lcd (برای LCD کاراکتری) استفاده می‌شدند.

# --- پیکربندی LoRaWAN ---
# این مقادیر باید از ارائه دهنده خدمات LoRaWAN (مثلاً The Things Network) دریافت شوند.
# توجه: این مثال برای LoRaWAN در حالت ABP (Activation By Personalization) یا OTAA با پیکربندی دستی RFM9x است.
# برای یکپارچگی کامل با LoRaWAN Network Server، ممکن است نیاز به یک پشته LoRaWAN Client باشد.
# در این مثال، ما فرض می‌کنیم که فقط رادیو LoRa را پیکربندی کرده و بسته‌های خام را ارسال می‌کنیم.
# برای LoRaWAN واقعی، باید از کتابخانه‌ای که پروتکل LoRaWAN را پیاده‌سازی می‌کند (مثلاً LoRaWAN.py یا ابزار AT Command برای ماژول‌های مودم) استفاده شود.
# این نمونه فقط ارسال رادیویی LoRa را نشان می‌دهد.

# SPI Bus برای RFM9x/LoRaWAN HAT
SPI_BUS = busio.SPI(board.SCK, MOSI=board.MOSI, MISO=board.MISO)
CS_PIN = digitalio.DigitalInOut(board.CE1) # Chip Select for RFM9x (BCM 7 or CE1)
RESET_PIN = digitalio.DigitalInOut(board.D25) # Reset pin for RFM9x (BCM 25)

# فرکانس LoRa (بر اساس منطقه شما - مثال برای اروپا)
RFM9X_FREQ_MHZ = 868.0

# --- پیکربندی سنسور pH (ADS1115 با ماژول pH) ---
I2C_BUS = smbus.SMBus(1) # RPi 4's default I2C bus is 1
ADS1115_ADDRESS = 0x48 # آدرس I2C پیش‌فرض برای ADS1115
# کانفیگ ADC برای خواندن ولتاژ آنالوگ از ماژول pH
# PGA_GAIN برای تنظیم رنج ولتاژ ورودی است:
# 0x0200 -> +/- 4.096V (مناسب برای ولتاژ خروجی اکثر ماژول‌های pH)
CONFIG_ADS1115 = 0xC083 # 11000000 10000011 (AIN0, +/-4.096V, Single-shot, 8SPS)

# کالیبراسیون pH (این مقادیر باید پس از کالیبراسیون واقعی پراب به دست آیند)
# فرض کنید در pH 7.00 ولتاژ X و در pH 4.00 ولتاژ Y را می‌خوانید.
# اینها مثال هستند و باید با داده‌های کالیبراسیون واقعی جایگزین شوند.
VOLTAGE_AT_PH7 = 1.50 # ولتاژ خوانده شده از ADC در pH 7.00 (ولت)
VOLTAGE_AT_PH4 = 2.00 # ولتاژ خوانده شده از ADC در pH 4.00 (ولت)
PH_SLOPE = (7.00 - 4.00) / (VOLTAGE_AT_PH7 - VOLTAGE_AT_PH4)
PH_OFFSET = 7.00 - (PH_SLOPE * VOLTAGE_AT_PH7)

# --- توابع ---
def read_ph_voltage():
    """خوانش ولتاژ از ماژول ADC/pH."""
    try:
        # Write config to config register
        I2C_BUS.write_i2c_block(ADS1115_ADDRESS, [0x01, (CONFIG_ADS1115 >> 8) & 0xFF, CONFIG_ADS1115 & 0xFF])
        time.sleep(0.1) # Wait for conversion to complete (for 8SPS, it's ~125ms, so 0.1s is okay)

        # Read conversion register
        # The pointer register for conversion result is 0x00
        result = I2C_BUS.read_i2c_block(ADS1115_ADDRESS, 0x00, 2)
        raw_adc = (result[0] << 8) | result[1]

        # Convert raw ADC value to voltage
        # With PGA_GAIN = 0x0200, the FSR (Full Scale Range) is +/- 4.096V
        # For a 16-bit ADC, 1 LSB = FSR / 2^15 = 4.096V / 32767
        voltage = raw_adc * (4.096 / 32767.0)
            
        return voltage

    except Exception as e:
        print(f"خطا در خواندن ولتاژ pH: {e}")
        return None

def calculate_ph(voltage):
    """تبدیل ولتاژ به مقدار pH با استفاده از کالیبراسیون."""
    if voltage is None:
        return None
    # pH = PH_SLOPE * Voltage + PH_OFFSET
    ph_value = PH_SLOPE * voltage + PH_OFFSET
    return round(ph_value, 2)

def setup_lora_radio():
    """راه‌اندازی ماژول LoRa رادیو."""
    try:
        rfm9x = adafruit_rfm9x.RFM9x(SPI_BUS, CS_PIN, RESET_PIN, RFM9X_FREQ_MHZ)
        rfm9x.tx_power = 10 # 10 dBm
        print("ماژول LoRa رادیو با موفقیت راه‌اندازی شد.")
        return rfm9x
    except Exception as e:
        print(f"خطا در راه‌اندازی LoRa رادیو: {e}")
        return None

def send_lora_data(lora_radio, data):
    """ارسال داده از طریق LoRa رادیو."""
    if lora_radio:
        try:
            payload = f"pH:{data:.2f},{datetime.now().strftime('%H:%M:%S')}".encode('utf-8')
            lora_radio.send(payload)
            print(f"داده LoRa ارسال شد: {payload.decode('utf-8')}")
            return True
        except Exception as e:
            print(f"خطا در ارسال داده LoRa: {e}")
            return False
    return False

# --- حلقه اصلی برنامه (MVP) ---
def main_mvp():
    lora_radio_module = setup_lora_radio()
    if not lora_radio_module:
        print("ارسال LoRa غیرفعال است.")

    print("سیستم مانیتورینگ pH شروع شد (MVP). برای خروج Ctrl+C را فشار دهید.")
    
    # برای نمایشگر LCD 10 اینچی، ما فرض می‌کنیم که خروجی کنسول در یک ترمینال روی LCD نمایش داده می‌شود.

    while True:
        voltage = read_ph_voltage()
        ph_value = calculate_ph(voltage)

        if ph_value is not None:
            message = f"[{datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')}] pH: {ph_value:.2f}V: {voltage:.3f}"
            print(message)
            send_lora_data(lora_radio_module, ph_value)
        else:
            print(f"[{datetime.now().strftime('%Y-%m-%d %H:%M:%S')}] خطا در خواندن مقدار pH.")

        time.sleep(30) # هر 30 ثانیه یک بار خواندن و ارسال

if __name__ == "__main__":
    from datetime import datetime # Moved here to ensure it's available for MVP printing
    main_mvp()
        

کد پیشرفته (Advanced Code) – شامل GUI، دیتالاگینگ، و هشدارها

این کد یک ساختار پیشرفته‌تر با استفاده از کتابخانه Pygame برای GUI روی نمایشگر لمسی، ذخیره‌سازی داده‌ها در فایل و قابلیت‌های هشدار را نشان می‌دهد. این کد کامل نیست و نیاز به پیاده‌سازی جزئیات بیشتری دارد، اما مفهوم را منتقل می‌کند.

# -*- coding: utf-8 -*-
import smbus
import time
import board
import busio
import digitalio
import csv
from datetime import datetime
import pygame # برای رابط کاربری گرافیکی (GUI) روی LCD لمسی
import threading # برای اجرای LoRaWAN در یک Thread جداگانه
import os
import adafruit_rfm9x # LoRa Radio library

# --- پیکربندی LoRa Radio (مشابه MVP) ---
SPI_BUS = busio.SPI(board.SCK, MOSI=board.MOSI, MISO=board.MISO)
CS_PIN = digitalio.DigitalInOut(board.CE1)
RESET_PIN = digitalio.DigitalInOut(board.D25)
RFM9X_FREQ_MHZ = 868.0

# --- پیکربندی سنسور pH (مشابه MVP) ---
I2C_BUS = smbus.SMBus(1)
ADS1115_ADDRESS = 0x48
CONFIG_ADS1115 = 0xC083
VOLTAGE_AT_PH7 = 1.50
VOLTAGE_AT_PH4 = 2.00
PH_SLOPE = (7.00 - 4.00) / (VOLTAGE_AT_PH7 - VOLTAGE_AT_PH4)
PH_OFFSET = 7.00 - (PH_SLOPE * VOLTAGE_AT_PH7)

# --- پیکربندی نمایشگر Pygame ---
pygame.init()
# رزولوشن نمایشگر 10 اینچی را تنظیم کنید (مثلاً 1024x600 یا 1280x800)
SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT = 1024, 600
screen = pygame.display.set_mode((SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT))
pygame.display.set_caption("مانیتورینگ pH نیروگاه")

# رنگ‌ها
WHITE = (255, 255, 255)
BLACK = (0, 0, 0)
RED = (255, 0, 0)
GREEN = (0, 255, 0)
BLUE = (0, 0, 255)
YELLOW = (255, 255, 0)

# فونت‌ها (ممکن است نیاز به نصب فونت فارسی مانند Vazirmatn در سیستم باشد)
try:
    font_large = pygame.font.Font("/usr/share/fonts/truetype/vazirmatn/Vazirmatn-Bold.ttf", 80)
    font_medium = pygame.font.Font("/usr/share/fonts/truetype/vazirmatn/Vazirmatn-Regular.ttf", 50)
    font_small = pygame.font.Font("/usr/share/fonts/truetype/vazirmatn/Vazirmatn-Regular.ttf", 30)
except:
    print("فونت Vazirmatn یافت نشد، از فونت پیش فرض Pygame استفاده می‌شود.")
    font_large = pygame.font.Font(None, 80)
    font_medium = pygame.font.Font(None, 50)
    font_small = pygame.font.Font(None, 30)

# --- پیکربندی دیتالاگینگ ---
LOG_FILE = "ph_log.csv"
LOG_HEADER = ["Timestamp", "pH_Value", "Voltage", "Status"]

# --- پیکربندی هشدارها ---
PH_THRESHOLD_LOW = 6.0
PH_THRESHOLD_HIGH = 8.0

# --- متغیرهای سراسری ---
current_ph_value = None
current_voltage = None
last_lora_send_time = time.time()
lora_send_interval = 60 # ارسال هر 60 ثانیه

# --- توابع (مشابه MVP) ---
def read_ph_voltage():
    try:
        I2C_BUS.write_i2c_block(ADS1115_ADDRESS, [0x01, (CONFIG_ADS1115 >> 8) & 0xFF, CONFIG_ADS1115 & 0xFF])
        time.sleep(0.1)
        result = I2C_BUS.read_i2c_block(ADS1115_ADDRESS, 0x00, 2)
        raw_adc = (result[0] << 8) | result[1]
        voltage = raw_adc * (4.096 / 32767.0)
        return voltage
    except Exception as e:
        print(f"خطا در خواندن ولتاژ pH: {e}")
        return None

def calculate_ph(voltage):
    if voltage is None:
        return None
    ph_value = PH_SLOPE * voltage + PH_OFFSET
    return round(ph_value, 2)

lora_radio_instance = None
def setup_lora_radio_thread():
    global lora_radio_instance
    try:
        lora_radio_instance = adafruit_rfm9x.RFM9x(SPI_BUS, CS_PIN, RESET_PIN, RFM9X_FREQ_MHZ)
        lora_radio_instance.tx_power = 10
        print("ماژول LoRa رادیو با موفقیت راه‌اندازی شد (Thread).")
    except Exception as e:
        print(f"خطا در راه‌اندازی LoRa رادیو (Thread): {e}")

def send_lora_data_thread(data):
    if lora_radio_instance:
        try:
            payload = f"pH:{data:.2f},{datetime.now().strftime('%H:%M:%S')}".encode('utf-8')
            lora_radio_instance.send(payload)
            print(f"داده LoRa ارسال شد (Thread): {payload.decode('utf-8')}")
            return True
        except Exception as e:
            print(f"خطا در ارسال داده LoRa (Thread): {e}")
            return False
    return False

def log_data(timestamp, ph, voltage, status):
    """ذخیره داده‌ها در فایل CSV."""
    file_exists = os.path.isfile(LOG_FILE)
    with open(LOG_FILE, 'a', newline='', encoding='utf-8') as f:
        writer = csv.writer(f)
        if not file_exists:
            writer.writerow(LOG_HEADER)
        writer.writerow([timestamp, ph, voltage, status])

def check_for_alerts(ph_value):
    """بررسی مقادیر pH و ایجاد هشدار."""
    if ph_value is None:
        return "خطا در خواندن"
    if ph_value  PH_THRESHOLD_HIGH:
        return f"هشدار: pH بالا! ({ph_value})"
    else:
        return "عادی"

# --- حلقه اصلی برنامه (پیشرفته) ---
def main_advanced():
    global current_ph_value, current_voltage, last_lora_send_time

    # راه‌اندازی LoRa رادیو در یک Thread جداگانه
    lora_setup_thread = threading.Thread(target=setup_lora_radio_thread)
    lora_setup_thread.start()

    running = True
    while running:
        for event in pygame.event.get():
            if event.type == pygame.QUIT:
                running = False
            # Handle touch events here (e.g., button presses for calibration, settings)
            if event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN:
                print(f"تاچ در موقعیت: {event.pos}")
                # Example: Check if a button was pressed (e.g., within a specific rectangle)

        # خواندن داده‌های pH
        current_voltage = read_ph_voltage()
        current_ph_value = calculate_ph(current_voltage)
        status_message = check_for_alerts(current_ph_value)
        timestamp = datetime.now().strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S")

        # دیتالاگینگ
        log_data(timestamp, current_ph_value, current_voltage, status_message)

        # ارسال LoRa (در بازه‌های زمانی مشخص)
        if time.time() - last_lora_send_time >= lora_send_interval:
            if current_ph_value is not None:
                lora_send_thread = threading.Thread(target=send_lora_data_thread, args=(current_ph_value,))
                lora_send_thread.start()
            last_lora_send_time = time.time()

        # رندر GUI
        screen.fill(BLACK) # پاک کردن صفحه

        # نمایش عنوان
        title_text = font_large.render("مانیتورینگ pH خطوط لوله", True, WHITE)
        title_rect = title_text.get_rect(center=(SCREEN_WIDTH // 2, 50))
        screen.blit(title_text, title_rect)

        # نمایش مقدار pH
        if current_ph_value is not None:
            ph_color = GREEN
            if current_ph_value  PH_THRESHOLD_HIGH:
                ph_color = RED
            
            ph_text = font_large.render(f"pH: {current_ph_value:.2f}", True, ph_color)
            ph_rect = ph_text.get_rect(center=(SCREEN_WIDTH // 2, SCREEN_HEIGHT // 2 - 50))
            screen.blit(ph_text, ph_rect)
        else:
            error_text = font_medium.render("خطا در خواندن pH", True, YELLOW)
            error_rect = error_text.get_rect(center=(SCREEN_WIDTH // 2, SCREEN_HEIGHT // 2 - 50))
            screen.blit(error_text, error_rect)

        # نمایش وضعیت
        status_text_surface = font_medium.render(f"وضعیت: {status_message}", True, WHITE)
        status_text_rect = status_text_surface.get_rect(center=(SCREEN_WIDTH // 2, SCREEN_HEIGHT // 2 + 20))
        screen.blit(status_text_surface, status_text_rect)
        
        # نمایش ولتاژ ADC
        if current_voltage is not None:
            voltage_text = font_small.render(f"ولتاژ: {current_voltage:.3f} V", True, WHITE)
            voltage_rect = voltage_text.get_rect(center=(SCREEN_WIDTH // 2, SCREEN_HEIGHT // 2 + 70))
            screen.blit(voltage_text, voltage_rect)

        # نمایش زمان آخرین بروزرسانی
        time_text = font_small.render(f"آخرین بروزرسانی: {timestamp}", True, WHITE)
        time_rect = time_text.get_rect(bottomright=(SCREEN_WIDTH - 20, SCREEN_HEIGHT - 20))
        screen.blit(time_text, time_rect)

        pygame.display.flip()
        time.sleep(1) # بروزرسانی GUI هر 1 ثانیه

    pygame.quit()
    print("برنامه مانیتورینگ pH پایان یافت.")

if __name__ == "__main__":
    main_advanced()
        

لیست کتابخانه‌های مورد نیاز

• smbus: برای ارتباط با ماژول ADC از طریق پروتکل I2C.

  sudo apt-get install python3-smbus

• RPi.GPIO: (ممکن است توسط برخی HATها استفاده شود، اما برای adafruit-circuitpython-rfm9x ضروری نیست.)

  pip install RPi.GPIO

• adafruit-circuitpython-rfm9x: کتابخانه درایور برای ماژول‌های LoRa مبتنی بر تراشه‌های RFM95/96/97/98 (Semtech SX127x).

  pip install adafruit-circuitpython-rfm9x

• Adafruit-Blinka: کتابخانه پایه CircuitPython برای پلتفرم‌هایی مانند Raspberry Pi که امکان استفاده از board، busio و digitalio را فراهم می‌کند.

  pip install Adafruit-Blinka

• pygame: (برای کد پیشرفته) برای ایجاد رابط کاربری گرافیکی و پشتیبانی از لمس روی نمایشگر 10 اینچی.

  pip install pygame

• Pillow (PIL Fork): (اگر در آینده نیاز به دستکاری تصاویر باشد، معمولاً یک پیش‌نیاز برای کتابخانه‌های نمایشگر گرافیکی)

  pip install Pillow

• csv, datetime, threading, os: این‌ها کتابخانه‌های استاندارد پایتون هستند و نیازی به نصب ندارند.
• برای نمایش فونت فارسی در Pygame: ممکن است نیاز باشد فونت Vazirmatn یا مشابه آن را نصب کنید:

  sudo apt-get install fonts-vazirmatn

  (یا آن را دانلود کرده و در مسیر کد قرار دهید و مسیر دهی کنید.)

نکات پیکربندی

1. فعال‌سازی I2C و SPI: در Raspberry Pi OS، باید پروتکل‌های I2C و SPI را فعال کنید. این کار را می‌توانید با دستور sudo raspi-config و رفتن به “Interface Options” انجام دهید.
2. کالیبراسیون سنسور pH:
   • پراب pH را در محلول‌های بافر استاندارد (pH 4.00، 7.00، 10.00) قرار دهید.
   • ولتاژ خروجی ماژول pH/ADC را برای هر نقطه کالیبراسیون ثبت کنید.
   • از این نقاط برای محاسبه شیب (Slope) و آفست (Offset) در تابع calculate_ph استفاده کنید. این مرحله برای دقت اندازه‌گیری بسیار حیاتی است.
3. پیکربندی LoRa Radio:
   • فرکانس: فرکانس LoRa را بر اساس منطقه جغرافیایی خود تنظیم کنید (مثلاً 868 مگاهرتز برای اروپا، 915 مگاهرتز برای آمریکا).
   • آنتن: از آنتن مناسب برای فرکانس انتخاب شده استفاده کنید و آن را به درستی نصب کنید تا بهترین برد را داشته باشید.
   • توجه: کد LoRa در اینجا فقط برای رادیو LoRa است. برای تبدیل به یک راهکار LoRaWAN کامل، باید یک پشته پروتکل LoRaWAN Client (مانند LoRaWAN.py) یا یک ماژول LoRaWAN (که پروتکل را داخلی پیاده‌سازی کرده) را ادغام کنید و AppEUI و AppKey را پیکربندی نمایید.
4. پیکربندی نمایشگر:
   • اگر نمایشگر HDMI شما به طور خودکار شناسایی نشد، ممکن است نیاز به تنظیمات در فایل /boot/config.txt رزبری پای داشته باشید. پارامترهایی مانند hdmi_group, hdmi_mode, hdmi_cvt و hdmi_drive برای تنظیم رزولوشن و حالت نمایشگر استفاده می‌شوند.
   • برای فعال‌سازی قابلیت لمس، مطمئن شوید که کابل USB تاچ متصل است. در Raspberry Pi OS معمولاً درایورهای تاچ به صورت خودکار شناسایی می‌شوند.
5. مجوزهای I2C/SPI: اطمینان حاصل کنید که کاربر فعلی (معمولاً pi) دسترسی به دستگاه‌های I2C و SPI را دارد. این کار با افزودن کاربر به گروه i2c و spi انجام می‌شود:

   sudo adduser pi i2c
   sudo adduser pi spi
   # سپس ریبوت کنید:
   sudo reboot
   

E. راهنمای نصب IDE و آپلود

نصب سیستم‌عامل و راه‌اندازی اولیه رزبری پای

1. دانلود Raspberry Pi Imager: این ابزار را از وب‌سایت رسمی رزبری پای دانلود و بر روی کامپیوتر خود نصب کنید.
2. رایت سیستم‌عامل:
   • کارت Micro SD خود را به کامپیوتر متصل کنید.
   • Raspberry Pi Imager را باز کنید.
   • Choose OS: Raspberry Pi OS (64-bit) یا Raspberry Pi OS Lite (64-bit) را انتخاب کنید. (برای پروژه با GUI، نسخه دسکتاپ را انتخاب کنید).
   • Choose Storage: کارت Micro SD خود را انتخاب کنید.
   • Settings (آیکون چرخ‌دنده):
     • Set hostname: یک نام برای رزبری پای خود انتخاب کنید (مثلاً ph-monitor).
     • Enable SSH: حتماً این گزینه را فعال کنید (با استفاده از پسورد).
     • Set username and password: نام کاربری و رمز عبور را تنظیم کنید (به صورت پیش‌فرض pi و raspberry نیستند).
     • Configure wireless LAN: اطلاعات شبکه Wi-Fi خود را وارد کنید تا رزبری پای به طور خودکار به شبکه متصل شود.
     • Set locale settings: منطقه زمانی و زبان را تنظیم کنید.
   • بر روی دکمه “WRITE” کلیک کنید و صبر کنید تا عملیات کامل شود.
3. بوت رزبری پای: کارت SD را در رزبری پای قرار داده، کابل‌های HDMI و USB نمایشگر و منبع تغذیه را متصل کنید. رزبری پای باید بوت شود و دسکتاپ (اگر نسخه کامل را انتخاب کرده باشید) نمایش داده شود.

نصب Visual Studio Code (VS Code) و تنظیمات Remote Development

VS Code یک IDE قدرتمند است که امکان توسعه کد بر روی رزبری پای را از طریق اتصال SSH فراهم می‌کند.

1. نصب VS Code روی کامپیوتر شما:
   • به وب‌سایت code.visualstudio.com بروید و VS Code را برای سیستم‌عامل خود (ویندوز، مک، لینوکس) دانلود و نصب کنید.
2. نصب افزونه Remote – SSH در VS Code:
   • VS Code را باز کنید.
   • به بخش Extensions (Ctrl+Shift+X) بروید.
   • “Remote – SSH” را جستجو کرده و نصب کنید.
3. اتصال به رزبری پای از طریق SSH:
   • در VS Code، روی آیکون “Remote Explorer” (که شبیه مانیتور و یک فلش) در نوار فعالیت سمت چپ کلیک کنید.
   • در بالای پنل Remote Explorer، روی “SSH” کلیک کنید (اگر قبلاً انتخاب نشده).
   • بر روی آیکون “+” کلیک کنید تا یک اتصال SSH جدید اضافه کنید.
   • فرمت اتصال را وارد کنید: username@hostname_or_ip_address (مثلاً pi@ph-monitor.local یا pi@192.168.1.100).
   • فایل کانفیگ را انتخاب کنید (معمولاً اولین گزینه).
   • VS Code تلاش می‌کند تا به رزبری پای متصل شود. رمز عبوری که در هنگام رایت سیستم‌عامل تنظیم کردید را وارد کنید.
   • پس از اتصال موفق، یک پنجره جدید VS Code باز می‌شود که به طور مستقیم به فایل‌های رزبری پای شما دسترسی دارد.

نصب پایتون و کتابخانه‌ها روی رزبری پای

پس از اتصال به رزبری پای از طریق VS Code (یا مستقیماً با ترمینال SSH)، دستورات زیر را اجرا کنید:

1. بروزرسانی سیستم:

   sudo apt update
   sudo apt upgrade -y

2. نصب pip (مدیر بسته پایتون):

   sudo apt install python3-pip -y

3. نصب smbus و دیگر ابزارهای I2C:

   sudo apt install python3-smbus i2c-tools -y

4. نصب کتابخانه‌های پایتون پروژه:

   pip install pygame Pillow adafruit-circuitpython-rfm9x Adafruit-Blinka

5. فعال‌سازی I2C و SPI (اگر قبلاً انجام نداده‌اید):

   sudo raspi-config

   و در Interface Options، I2C و SPI را فعال کنید. (UART نیز اگر HAT از آن استفاده کند.)

6. نصب فونت Vazirmatn برای GUI (اختیاری):

   sudo apt-get install fonts-vazirmatn -y

آپلود و اجرای کد

1. ایجاد پروژه در VS Code:
   • در پنجره VS Code متصل به رزبری پای، روی “Open Folder” کلیک کرده و یک پوشه جدید برای پروژه خود (مثلاً /home/pi/ph_monitor_project) ایجاد و باز کنید.
   • فایل‌های کد پایتون (مثلاً main.py) را که در بخش D ارائه شد، در این پوشه ایجاد و ویرایش کنید.
2. اجرای کد:
   • کد خود را ذخیره کنید (Ctrl+S).
   • می‌توانید کد را مستقیماً از ترمینال VS Code (که به رزبری پای متصل است) اجرا کنید:

     python3 main.py

   • برای اجرای دائمی برنامه در پس‌زمینه و مقاومت در برابر قطع ارتباط SSH، می‌توانید از screen یا tmux استفاده کنید:

     sudo apt install screen -y
     screen -S ph_app
     python3 main.py
     # برای خروج از session بدون متوقف کردن برنامه: Ctrl+A سپس D
     # برای بازگشت به session: screen -r ph_app

   • برای اجرای خودکار هنگام بوت، می‌توانید اسکریپت را به /etc/rc.local اضافه کنید (برای اسکریپت‌های ساده) یا از یک سرویس systemd (برای کاربردهای صنعتی و پایدارتر) استفاده کنید.

F. چک‌لیست عیب‌یابی، خطاهای رایج و تست مرحله‌ای

چک‌لیست عیب‌یابی

1. بررسی تغذیه:
   • آداپتور رزبری پای به درستی متصل است؟
   • ولتاژ 5.1V و جریان 3A را تامین می‌کند؟ (LED قرمز رزبری پای باید روشن باشد، بدون چشمک زدن)
   • آیا ولتاژ 3.3V و 5V روی پین‌های GPIO صحیح است؟ (با مولتی‌متر بررسی کنید)
2. کارت SD و سیستم‌عامل:
   • کارت SD به درستی رایت شده و قابل بوت است؟
   • فضای کافی روی کارت SD وجود دارد؟
   • سیستم‌عامل و پایتون و کتابخانه‌ها به درستی نصب شده‌اند؟
3. اتصالات سخت‌افزاری:
   • همه کابل‌ها (HDMI, USB تاچ، جامپرها) به درستی و محکم متصل هستند؟
   • LoRaWAN HAT به درستی روی پین‌های GPIO قرار گرفته است؟
   • پراب pH به ماژول pH/ADC و ماژول pH/ADC به رزبری پای متصل است؟ (GND, VCC, SDA, SCL)
4. فعال‌سازی پروتکل‌ها:
   • I2C و SPI در raspi-config فعال شده‌اند؟
   • کاربر pi (یا کاربر شما) در گروه‌های i2c و spi عضو است؟
5. پیکربندی نرم‌افزاری:
   • آدرس I2C ماژول pH/ADC صحیح است؟ (با i2cdetect -y 1 بررسی کنید)
   • پارامترهای LoRa (فرکانس) صحیح است؟
   • مقادیر کالیبراسیون pH (VOLTAGE_AT_PH7, VOLTAGE_AT_PH4) صحیح هستند؟

خطاهای رایج و راه‌حل‌ها

1. ImportError: No module named 'smbus' یا 'pygame' و غیره:
   • راه‌حل: کتابخانه مورد نظر را با pip install نصب کنید (مثلاً pip install smbus یا pip install pygame). اطمینان حاصل کنید که برای python3 نصب می‌کنید.
2. IOError: [Errno 121] Remote I/O error (برای I2C):
   • راه‌حل:
     1. بررسی کنید که کابل‌های SDA و SCL به درستی متصل هستند.
     2. با sudo i2cdetect -y 1 ببینید آیا دستگاه I2C در آدرس مورد انتظار شناسایی می‌شود یا خیر.
     3. ممکن است آدرس I2C ماژول شما اشتباه باشد یا ماژول تغذیه نشده باشد.
     4. I2C را در raspi-config فعال کنید.
3. LoRa رادیو داده ارسال نمی‌کند:
   • راه‌حل:
     1. آنتن به درستی متصل است؟
     2. فرکانس LoRa (RFM9X_FREQ_MHZ) را بررسی کنید که با منطقه شما مطابقت داشته باشد.
     3. مجوزهای SPI را بررسی کنید.
     4. ممکن است ماژول LoRa به درستی مقداردهی اولیه نشده باشد. لاگ‌های راه‌اندازی را بررسی کنید.
4. نمایشگر LCD روشن نمی‌شود یا تاچ کار نمی‌کند:
   • راه‌حل:
     1. کابل‌های HDMI و USB تاچ را بررسی کنید.
     2. تغذیه نمایشگر (اگر جداگانه است) را بررسی کنید.
     3. فایل /boot/config.txt را برای تنظیمات HDMI بررسی کنید.
     4. برای تاچ، دستور lsusb را در ترمینال اجرا کنید تا ببینید آیا کنترلر تاچ شناسایی شده است یا خیر.
5. خوانش pH نادرست یا غیرمنطقی:
   • راه‌حل:
     1. سنسور pH را تمیز و در صورت نیاز با محلول‌های بافر کالیبره کنید.
     2. ماژول pH/ADC را بررسی کنید (تغذیه، زمین، اتصالات).
     3. کالیبراسیون نرم‌افزاری (PH_SLOPE و PH_OFFSET) را مجدداً با استفاده از مقادیر دقیق کالیبراسیون واقعی انجام دهید.
     4. اطمینان حاصل کنید که پراب pH در محلول مرطوب نگهداری می‌شود و خشک نشده است.

تست مرحله‌ای

برای اطمینان از عملکرد صحیح، قطعات را به صورت مرحله‌ای تست کنید:

1. تست رزبری پای:
   • رزبری پای را با سیستم‌عامل بوت کنید.
   • با SSH به آن وصل شوید و از اتصال شبکه اطمینان حاصل کنید (با ping google.com).
   • ترمینال را باز کنید و دستورات ساده پایتون را اجرا کنید.
2. تست نمایشگر LCD:
   • نمایشگر را به رزبری پای وصل کنید.
   • مطمئن شوید دسکتاپ رزبری پای روی آن نمایش داده می‌شود و قابلیت لمس کار می‌کند.
3. تست ماژول pH/ADC:
   • ماژول را به رزبری پای وصل کنید (I2C, VCC, GND).
   • با sudo i2cdetect -y 1 آدرس آن را پیدا کنید.
   • یک کد پایتون کوچک بنویسید که فقط از ماژول ADC ولتاژ بخواند و در کنسول نمایش دهد. (پراب pH را در محلول بافر قرار دهید).
4. تست LoRaWAN HAT:
   • HAT را روی رزبری پای نصب کنید و آنتن را وصل کنید.
   • با استفاده از نمونه کدهای ارائه شده توسط سازنده HAT، سعی کنید یک پیام آزمایشی LoRa را ارسال کنید و مطمئن شوید که توسط یک گیرنده LoRa (مثلاً یک گیت‌وی LoRaWAN) دریافت می‌شود.
5. یکپارچه‌سازی و تست نهایی:
   • پس از اطمینان از عملکرد صحیح هر جزء، تمام کد پروژه را اجرا کنید.
   • مقادیر pH را در شرایط مختلف (با تغییر محلول بافر) تست کنید و مطمئن شوید که LoRa داده‌ها را به درستی ارسال می‌کند و نمایشگر نیز مقادیر را به درستی نشان می‌دهد.

G. توان و ایمنی (مصرف، تغذیه، ESD)

مصرف توان

مصرف توان رزبری پای 4 و اجزای متصل به آن می‌تواند متفاوت باشد. یک تخمین برای این پروژه:

• رزبری پای 4 (4GB): حدود 2.5W تا 7W (در حالت Idle تا بار متوسط)
• نمایشگر LCD لمسی 10 اینچ: حدود 5W تا 10W (بسته به مدل و روشنایی)
• LoRaWAN HAT: حدود 0.5W تا 1W (در حالت ارسال)
• ماژول pH/ADC و پراب: بسیار کم، حدود 0.1W تا 0.5W
• مجموع تخمینی: در حالت عملیاتی نرمال، کل سیستم می‌تواند بین 8W تا 18W مصرف داشته باشد.

تغذیه (Power Supply)

• آداپتور رزبری پای: برای رزبری پای 4، یک آداپتور 5.1V با حداقل 3A (15.3W) توصیه می‌شود. آداپتور رسمی رزبری پای یا یک آداپتور با کیفیت بالا با پورت USB-C برای جلوگیری از مشکلات پایداری ضروری است.
• منابع تغذیه صنعتی: در محیط‌های صنعتی، استفاده از منابع تغذیه DIN Rail با ولتاژ خروجی پایدار 5V و جریان کافی (حداقل 4A-5A برای اطمینان) که دارای فیلتراسیون نویز و محافظت در برابر نوسانات ولتاژ باشند، اکیداً توصیه می‌شود. این منابع تغذیه معمولاً دارای استانداردهای EMC (سازگاری الکترومغناطیسی) صنعتی هستند.
• کابل‌های تغذیه: از کابل‌های USB-C با کیفیت و ضخیم برای تغذیه رزبری پای استفاده کنید تا افت ولتاژ (Voltage Drop) به حداقل برسد.

ایمنی ESD (Electrostatic Discharge)

تخلیه الکترواستاتیک (ESD) می‌تواند به قطعات الکترونیکی حساس مانند رزبری پای آسیب جدی وارد کند. در محیط‌های صنعتی، ریسک ESD به دلیل وجود ماشین‌آلات و مواد مختلف بیشتر است.

• پوشش محافظ: همیشه از رزبری پای و قطعات الکترونیکی آن در یک کیس یا محفظه محافظت کنید. کیس‌های فلزی می‌توانند تا حدی از ESD محافظت کنند، به شرطی که به درستی زمین (Ground) شده باشند.
• محیط کار: هنگام کار با قطعات الکترونیکی، از بند مچی ESD (Anti-static Wrist Strap) متصل به زمین و حصیر آنتی‌استاتیک استفاده کنید.
• لمس: قبل از دست زدن به بردها، سطوح فلزی زمین شده را لمس کنید تا هرگونه بار استاتیک از بدن شما تخلیه شود.
• پکیجینگ: قطعات را در بسته‌بندی آنتی‌استاتیک اصلی خود نگهداری کنید تا از آسیب دیدن آن‌ها جلوگیری شود.

ملاحظات ایمنی صنعتی

• محفظه (Enclosure): برای نصب در نیروگاه، استفاده از یک محفظه صنعتی با استاندارد IP بالا (مانند IP65 یا IP67) برای محافظت در برابر گرد و غبار، رطوبت، پاشش آب و مواد شیمیایی ضروری است. محفظه باید قابلیت قفل شدن و محافظت در برابر دسترسی غیرمجاز را نیز داشته باشد.
• ایزولاسیون گالوانیک (Galvanic Isolation): برای سنسورهای متصل به سیستم (به خصوص سنسور pH که در محیط مایع قرار می‌گیرد) و همچنین اتصالات ارتباطی، استفاده از ایزولاتورهای گالوانیک برای جداسازی الکتریکی بین رزبری پای و محیط خشن صنعتی بسیار مهم است. این کار از آسیب به برد در اثر نویزهای الکتریکی یا ولتاژهای ناخواسته جلوگیری می‌کند.
• حفاظت از سیم‌کشی: تمام کابل‌ها باید در داکت‌های کابل محافظت شده (Conduit) قرار گیرند تا از آسیب فیزیکی، تداخل الکترومغناطیسی (EMI) و رطوبت محافظت شوند.
• حفاظت از ولتاژ بالا و جریان زیاد: مدارهای محافظتی در برابر ولتاژ بالا، جریان بیش از حد و نوسانات (Surge Protection) برای ورودی‌های تغذیه و سیگنال‌ها در نظر گرفته شود.
• زمین کردن مناسب: سیستم و محفظه باید به درستی زمین (Earth Ground) شوند تا هم از ESD محافظت شود و هم خطرات الکتریکی کاهش یابد.

H. پیشنهاد ارتقا و جایگزین‌ها

پیشنهادهای ارتقا

1. سنسورهای صنعتی پیشرفته‌تر:
   • استفاده از پراب‌های pH با استاندارد صنعتی بالاتر، قابلیت خودتمیزشوندگی (Self-cleaning) و عمر طولانی‌تر برای کاهش نیاز به نگهداری.
   • اضافه کردن سنسورهای دیگر مانند دما، فشار، ORP (پتانسیل اکسیداسیون-کاهش) برای مانیتورینگ جامع‌تر کیفیت آب در خطوط لوله.
2. سیستم تغذیه پایدار و مقاوم:
   • استفاده از UPS (Uninterruptible Power Supply) کوچک یا سیستم باتری پشتیبان برای اطمینان از عملکرد مداوم در صورت قطع برق.
   • ادغام با انرژی خورشیدی برای مناطق دورافتاده بدون دسترسی به برق ثابت.
3. ذخیره‌سازی و پردازش ابری:
   • ارسال داده‌ها به پلتفرم‌های ابری IoT مانند AWS IoT، Azure IoT Hub یا Google Cloud IoT Core برای ذخیره‌سازی نامحدود، تحلیل داده‌های پیشرفته، و دسترسی جهانی به داده‌ها.
   • استفاده از پروتکل MQTT برای ارتباط امن و کارآمد با ابر.
4. هوش مصنوعی در لبه (Edge AI):
   • اجرای مدل‌های یادگیری ماشین بر روی رزبری پای برای تشخیص ناهنجاری‌ها در داده‌های pH (مثلاً تغییرات ناگهانی و غیرمنتظره) یا پیش‌بینی نیاز به نگهداری سنسور.
5. بهبود رابط کاربری و کنترل:
   • توسعه یک رابط کاربری گرافیکی (GUI) پیچیده‌تر با قابلیت نمایش نمودارهای روند، تنظیمات هشدار، و کنترل‌های محلی بیشتر.
   • اضافه کردن قابلیت کالیبراسیون pH از طریق صفحه لمسی.
6. افزایش مقاومت صنعتی:
   • استفاده از بردهای Raspberry Pi Compute Module 4 با برد حامل صنعتی سفارشی برای پایداری و مقاومت بیشتر در برابر لرزش و دماهای شدید.
   • محفظه با گرمایش/سرمایش فعال برای مدیریت دما در شرایط محیطی سخت.
7. ارتباطات جایگزین/پشتیبان:
   • اضافه کردن ماژول‌های Cellular (4G/5G/LTE-M/NB-IoT) به عنوان پشتیبان برای LoRaWAN یا برای ارسال داده‌های بحرانی با تاخیر کمتر.
   • استفاده از پورت اترنت برای اتصال به شبکه محلی نیروگاه (SCADA/DCS) برای ارتباطات پایدارتر و با پهنای باند بالاتر.

جایگزین‌ها (Alternative Technologies/Platforms)

1. پلتفرم‌های SBC جایگزین:
   • Industrial PCs (IPCs) / Panel PCs: برای کاربردهایی که به پایداری بسیار بالا، پردازش بیشتر، و تاییدیه صنعتی نیاز دارند. اینها معمولاً گران‌تر هستند اما برای محیط‌های صنعتی بسیار سخت طراحی شده‌اند.
   • NVIDIA Jetson Nano/Xavier: اگر در آینده نیاز به پردازش هوش مصنوعی سنگین (مانند تحلیل تصویر یا مدل‌های پیچیده) در لبه باشد، این پلتفرم‌ها گزینه‌های قدرتمندی هستند.
   • ODROID / Rock Pi / Orange Pi: بردهای SBC دیگر با قیمت و قابلیت‌های مشابه رزبری پای، که ممکن است در برخی موارد خاص (مانند دسترسی به پورت‌های خاص یا پردازنده‌های متفاوت) مناسب‌تر باشند.
2. فناوری‌های ارتباطی جایگزین:
   • NB-IoT / LTE-M: برای پوشش سلولی گسترده‌تر و پهنای باند بالاتر نسبت به LoRaWAN، ایده‌آل برای ارسال داده‌های بیشتر یا با تاخیر کمتر.
   • Ethernet / Wi-Fi: اگر دسترسی به شبکه محلی یا Wi-Fi در محل نصب وجود داشته باشد، می‌توانند جایگزین‌های ساده‌تر و با پهنای باند بالاتری باشند.
   • Modbus RTU/TCP: پروتکل‌های صنعتی استاندارد برای اتصال مستقیم به PLC‌ها یا سیستم‌های DCS موجود در نیروگاه.
3. سنسورهای pH با خروجی صنعتی:
   • سنسورهای pH که مستقیماً خروجی‌های استاندارد صنعتی (مانند 4-20mA یا Modbus RTU) را ارائه می‌دهند. این سنسورها نیاز به ماژول ADC واسط را کاهش می‌دهند و برای یکپارچه‌سازی در سیستم‌های SCADA موجود مناسب‌تر هستند.