پروژه مانیتورینگ pH و دما/رطوبت صنعتی با رزبری پای 4 و LoRaWAN

در این مقاله جامع، ما شما را در طراحی و پیاده‌سازی یک سیستم مانیتورینگ پیشرفته برای خطوط لوله نیروگاهی همراهی می‌کنیم. این سیستم با استفاده از پلتفرم قدرتمند رزبری پای 4، سنسورهای دقیق الکتروشیمیایی pH، دما و رطوبت، و ماژول ارتباطی دوربرد LoRaWAN، داده‌ها را به صورت بی‌سیم جمع‌آوری و ارسال می‌کند. هدف ما ارائه یک راهکار پایدار و قابل اعتماد برای صنعت است که به شما کمک می‌کند با دانش متوسط الکترونیک، یک پروژه کاربردی و حرفه‌ای بسازید. این راهنما گام به گام شما را از انتخاب سخت‌افزار تا پیاده‌سازی کد و عیب‌یابی هدایت می‌کند، با تاکید بر پایداری و مناسب بودن برای محیط‌های صنعتی.

A. انتخاب برد اصلی و جایگزین‌ها

انتخاب برد اصلی، قلب تپنده هر پروژه الکترونیکی است. با توجه به نیازهای پروژه شما برای محیط صنعتی (نیروگاه)، نیاز به نمایشگر لمسی، و ارتباط LoRaWAN، برد Raspberry Pi 4 یک انتخاب قوی محسوب می‌شود.

انتخاب برد اصلی: Raspberry Pi 4 (مدل 8GB)

رزبری پای 4 با پردازنده قوی، حافظه رم بالا (8 گیگابایت برای پایداری و امکانات بیشتر در محیط صنعتی توصیه می‌شود)، پورت‌های ارتباطی متنوع (از جمله اترنت گیگابیتی و وای‌فای دو بانده) و پشتیبانی گسترده از سیستم عامل لینوکس، گزینه‌ای ایده‌آل برای این پروژه است. وجود پورت HDMI برای اتصال نمایشگر لمسی 10 اینچی و GPIOهای انعطاف‌پذیر، امکان اتصال سنسورها و ماژول LoRaWAN را فراهم می‌کند. مدل 8 گیگابایتی رم، برای اطمینان از پایداری سیستم در درازمدت و اجرای همزمان چندین فرآیند (مانند جمع‌آوری داده، پردازش، نمایش و ارسال LoRaWAN) در محیط صنعتی، بسیار مناسب است.

دو جایگزین پیشنهادی

1. Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4) با برد کریر صنعتی:

   CM4 نسخه‌ای فشرده‌تر و ماژولار از رزبری پای 4 است که فاقد پورت‌های داخلی است و برای کارکرد نیاز به یک برد کریر (Carrier Board) دارد. برد کریر صنعتی، معمولاً پورت‌های صنعتی‌تر (مانند RS485، ورودی/خروجی اپتوایزوله) و منبع تغذیه قوی‌تری را ارائه می‌دهد و از نظر فیزیکی مقاوم‌تر است. این گزینه برای پروژه‌هایی که نیاز به سفارشی‌سازی بیشتر، ابعاد کوچک‌تر و مقاومت بالاتر در برابر لرزش و دما دارند، بسیار مناسب است.

2. BeagleBone Black / BeagleBone AI:

   این سری از بردهای تک بوردی (SBC) نیز مبتنی بر لینوکس هستند و به دلیل قابلیت‌های ورودی/خروجی بسیار قوی، به خصوص در بخش میکروکنترلر‌های بلادرنگ (PRU)، در کاربردهای صنعتی محبوبیت دارند. BeagleBone Black ارزان‌تر و ساده‌تر است، در حالی که BeagleBone AI دارای پردازنده قوی‌تر و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی است که می‌تواند برای تحلیل داده‌های پیچیده‌تر در آینده مفید باشد. این بردها دارای جامعه کاربری قوی و مستندات خوبی برای کاربردهای صنعتی هستند.

جدول مقایسه

ویژگی	Raspberry Pi 4 (8GB)	Raspberry Pi Compute Module 4 + برد کریر صنعتی	BeagleBone AI
قیمت تقریبی	متوسط رو به بالا	بالا (CM4 + برد کریر)	متوسط رو به بالا
عملکرد پردازشی	بالا (Quad-core Cortex-A72)	مشابه RPi 4	بالا (Dual-core Cortex-A15 + AI Accelerators)
مقاومت صنعتی	متوسط (نیاز به جعبه محافظ)	بالا (طراحی برای محیط‌های خشن‌تر)	بالا (طراحی برای محیط‌های صنعتی)
پورت‌های ارتباطی	HDMI, USB3.0, اترنت گیگابیتی, Wi-Fi, Bluetooth	بستگی به برد کریر (معمولاً صنعتی‌تر: RS485, CAN, PCIe)	HDMI, USB, اترنت، Wi-Fi, 4x PRU-ICSS
انعطاف‌پذیری GPIO	40 پین استاندارد (SPI, I2C, UART)	انعطاف‌پذیری بالا با برد کریر سفارشی	P8/P9 Headers با قابلیت‌های پیشرفته
پشتیبانی نرم‌افزاری	بسیار گسترده (Raspberry Pi OS)	گسترده (مشابه RPi 4)	گسترده (Debian, Yocto)
سهولت استفاده (برای مبتدی)	بالا	متوسط (نیاز به انتخاب برد کریر)	متوسط

استدلال نهایی برای انتخاب RPi 4

با در نظر گرفتن این که پروژه برای "مبتدی" طراحی شده و مهارت مورد نیاز "متوسط" است، Raspberry Pi 4 بهترین تعادل را بین قدرت، قابلیت‌های گسترش، سهولت استفاده و هزینه ارائه می‌دهد. پلتفرم رزبری پای دارای جامعه کاربری بسیار بزرگ، مستندات فراوان و منابع آموزشی گسترده‌ای است که یادگیری و عیب‌یابی را برای یک مبتدی آسان‌تر می‌کند. توانایی اتصال مستقیم نمایشگر HDMI، استفاده از سنسورهای متنوع و ماژول LoRaWAN به سادگی، همگی از مزایای کلیدی RPi 4 در این سناریو هستند. با یک جعبه صنعتی مناسب، می‌توان پایداری آن را در محیط نیروگاهی به میزان قابل قبولی افزایش داد.

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

در اینجا لیست کاملی از قطعات مورد نیاز برای پیاده‌سازی این پروژه به همراه تخمین قیمت در سه سطح (اقتصادی، استاندارد، صنعتی) آورده شده است. توجه داشته باشید که قیمت‌ها تقریبی هستند و بسته به تامین‌کننده، برند و نوسانات بازار متغیر خواهند بود.

ردیف	قطعه	توضیحات	تعداد	قیمت تقریبی (اقتصادی)	قیمت تقریبی (استاندارد)	قیمت تقریبی (صنعتی/پرمیوم)
1	برد اصلی	Raspberry Pi 4 Model B (8GB RAM)	1	70-80 دلار	80-90 دلار	90-100 دلار
2	کارت حافظه	MicroSD Card Class 10 (32GB)	1	8-12 دلار	15-20 دلار (Endurance)	25-35 دلار (Industrial Grade)
3	ماژول LoRaWAN	HAT/Module (مثلاً RAK2245 Pi HAT یا Dragino LoRa/GPS HAT)	1	30-50 دلار	60-80 دلار	90-120 دلار (با کیس صنعتی)
4	آنتن LoRaWAN	آنتن خارجی با کانکتور (مثلاً SMA)	1	5-10 دلار	10-20 دلار (Antenna gain higher)	20-40 دلار (با کابل با کیفیت)
5	نمایشگر	10 اینچ لمسی خازنی با ورودی HDMI	1	80-120 دلار	130-180 دلار (معروف‌تر)	200-300 دلار (Industrial HMI)
6	سنسور pH الکتروشیمیایی	پراب صنعتی BNC، محدوده 0-14 pH	1	30-50 دلار	60-100 دلار	120-250 دلار (با کابل بلند، سنسور قابل تعویض)
7	برد مبدل/تقویت‌کننده pH	برای اتصال پراب pH به ADC رزبری پای (مثلاً DFRobot Analog pH Sensor Kit V2)	1	15-25 دلار	30-40 دلار	50-70 دلار (ماژول با ایزولاسیون)
8	سنسور دما و رطوبت	BME280 (I2C) یا SHT31 (I2C)	1	5-10 دلار	12-20 دلار (ماژول آماده)	25-40 دلار (صنعتی با محافظ)
9	مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC)	ADS1115 (I2C, 16-bit)	1	5-10 دلار	10-15 دلار	20-30 دلار (با ورودی ایزوله)
10	منبع تغذیه	آداپتور 5V/3A USB-C (یا 5A برای نمایشگر)	1	10-15 دلار	20-30 دلار (برند معتبر)	40-70 دلار (Industrial DIN Rail PSU)
11	جعبه محافظ (Enclosure)	IP65/IP67 صنعتی، پلاستیکی یا فلزی	1	20-40 دلار	50-80 دلار	100-200 دلار (با سوراخ‌کاری و گلند کابل)
12	سیم‌کشی و اتصالات	سیم‌های جامپر، کابل HDMI، کابل BNC، ترمینال‌ها	متغیر	10-20 دلار	20-40 دلار	40-80 دلار (کابل‌های شیلددار)
13	برد بورد / برد مدار چاپی (PCB)	برای نمونه‌سازی یا اتصال قطعات	1	5-10 دلار	10-20 دلار (پروتوتایپ)	20-50 دلار (PCB سفارشی)
14	قطعات الکترونیکی متفرقه	مقاومت، خازن، LED، هدر پین	متغیر	5-10 دلار	10-20 دلار	20-40 دلار
مجموع تقریبی				300-500 دلار	550-800 دلار	850-1350 دلار

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

سیم‌بندی صحیح، پایه و اساس عملکرد پایدار سیستم شماست. در این بخش، نحوه اتصال سنسورها، ADC، ماژول LoRaWAN و نمایشگر به Raspberry Pi 4 توضیح داده می‌شود.

توضیح کلی سیم‌بندی

1. سنسور pH (از طریق برد مبدل و ADC ADS1115):
   • پراب pH به ورودی BNC برد مبدل pH (مانند DFRobot pH Sensor Kit) وصل می‌شود.
   • خروجی آنالوگ برد مبدل pH به یکی از کانال‌های ورودی مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) مدل ADS1115 متصل می‌شود (مثلاً A0).
   • ماژول ADS1115 از طریق پروتکل I2C به Raspberry Pi متصل می‌شود:
     • VCC ماژول ADS1115 به پین 3.3V رزبری پای.
     • GND ماژول ADS1115 به پین GND رزبری پای.
     • SDA ماژول ADS1115 به پین SDA1 (GPIO 2) رزبری پای.
     • SCL ماژول ADS1115 به پین SCL1 (GPIO 3) رزبری پای.
2. سنسور دما و رطوبت (BME280):
   • این سنسور از پروتکل I2C استفاده می‌کند و به همان پین‌های I2C متصل می‌شود که ADS1115 وصل است (هم SDA1 و هم SCL1).
     • VCC سنسور BME280 به پین 3.3V رزبری پای.
     • GND سنسور BME280 به پین GND رزبری پای.
     • SDA سنسور BME280 به پین SDA1 (GPIO 2) رزبری پای.
     • SCL سنسور BME280 به پین SCL1 (GPIO 3) رزبری پای.
3. ماژول LoRaWAN (در قالب HAT):
   • اکثر HATهای LoRaWAN به طور مستقیم روی پین‌های GPIO رزبری پای قرار می‌گیرند و اتصالات لازم (SPI یا UART) را به صورت خودکار برقرار می‌کنند. فقط کافی است آن را به درستی روی هدر GPIO قرار دهید.
   • در صورتی که ماژول HAT نباشد، معمولاً از SPI یا UART برای ارتباط استفاده می‌کند:
     • برای SPI (مثلاً برای SX127x): SCK, MOSI, MISO, CE0/CE1 (CS).
     • برای UART (مثلاً برای ماژول‌های AT-Command): TX, RX.
     • همچنین نیاز به پین‌های VCC و GND است.
4. نمایشگر 10 اینچ لمسی HDMI:
   • کابل HDMI از پورت HDMI رزبری پای به ورودی HDMI نمایشگر متصل می‌شود.
   • برای قابلیت لمسی، معمولاً یک کابل USB از پورت USB رزبری پای به پورت USB نمایشگر متصل می‌شود.
   • نمایشگر نیاز به منبع تغذیه جداگانه (معمولاً 5V) دارد که باید طبق دستورالعمل سازنده متصل شود.

جدول پین‌مپ Raspberry Pi 4

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

نام پین (BCM)	شماره پین فیزیکی	کاربرد در پروژه	توضیحات
3.3V Power	1	تغذیه ADS1115 و BME280	خروجی 3.3 ولت DC
5V Power	2, 4	تغذیه نمایشگر (در صورت نیاز)، برد مبدل pH	خروجی 5 ولت DC
GND	6, 9, 14, 20, 25, 30, 34, 39	زمین مشترک برای تمام قطعات	اتصال به زمین مشترک (Common Ground)
GPIO 2 (SDA1)	3	I2C Data (برای ADS1115 و BME280)	خط داده برای ارتباط I2C
GPIO 3 (SCL1)	5	I2C Clock (برای ADS1115 و BME280)	خط کلاک برای ارتباط I2C
GPIO 10 (MOSI)	19	SPI MOSI (برای ماژول LoRaWAN)	Master Out Slave In
GPIO 9 (MISO)	21	SPI MISO (برای ماژول LoRaWAN)	Master In Slave Out
GPIO 11 (SCLK)	23	SPI Clock (برای ماژول LoRaWAN)	خط کلاک برای ارتباط SPI
GPIO 8 (CE0)	24	SPI Chip Enable (برای ماژول LoRaWAN)	فعال‌سازی ماژول SPI (Slave Select)
GPIO 7 (CE1)	26	SPI Chip Enable (جایگزین/اضافی LoRaWAN)	فعال‌سازی ماژول SPI (Slave Select)
GPIO 14 (TXD)	8	UART TX (برای ماژول LoRaWAN - در صورت استفاده از UART)	خط ارسال داده سریال
GPIO 15 (RXD)	10	UART RX (برای ماژول LoRaWAN - در صورت استفاده از UART)	خط دریافت داده سریال

توضیح زمین (Ground) و ولتاژ (Voltage)

• زمین مشترک (Common Ground): تمام قطعات الکترونیکی متصل به رزبری پای (سنسورها، ADC، LoRaWAN، برد مبدل pH) باید یک زمین مشترک داشته باشند. این به این معنی است که پین GND هر یک از این قطعات باید به یکی از پین‌های GND رزبری پای متصل شود. این کار برای جلوگیری از نویز و اطمینان از مرجع ولتاژ صحیح برای تمام سیگنال‌ها حیاتی است. عدم رعایت زمین مشترک می‌تواند منجر به خوانش‌های نادرست سنسور، عدم عملکرد ماژول‌ها و حتی آسیب به قطعات شود.
• ولتاژهای تغذیه:
  • 3.3V: رزبری پای خروجی 3.3 ولت را از طریق پین‌های GPIO ارائه می‌دهد. سنسورهای BME280 و ماژول ADS1115 معمولاً با این ولتاژ کار می‌کنند. اطمینان حاصل کنید که ماژول‌های شما از 3.3 ولت پشتیبانی می‌کنند تا از آسیب دیدن آن‌ها جلوگیری شود.
  • 5V: رزبری پای خروجی 5 ولت را نیز فراهم می‌کند. بسیاری از نمایشگرهای لمسی و برخی بردهای مبدل pH ممکن است نیاز به 5 ولت تغذیه داشته باشند. حتماً از آداپتور اصلی 5V/3A یا قوی‌تر (مانند 5V/5A) برای تغذیه رزبری پای استفاده کنید، زیرا نمایشگر و سایر ماژول‌ها ممکن است جریان قابل توجهی مصرف کنند.
• منبع تغذیه نمایشگر: نمایشگر 10 اینچی معمولاً دارای منبع تغذیه جداگانه است. مطمئن شوید که تغذیه کافی و پایدار به آن می‌رسد. در صورت امکان، تغذیه نمایشگر و رزبری پای را از یک منبع پایدار با جریان خروجی کافی تامین کنید تا از مشکلات زمین و نویز جلوگیری شود.
• ایزولاسیون (اختیاری اما توصیه شده برای صنعت): در محیط‌های صنعتی مانند نیروگاه، نویز الکتریکی بسیار رایج است. استفاده از ماژول‌های ایزولاسیون (مانند اپتوکوپلرها) برای خطوط سیگنال سنسورها (به خصوص pH) و ارتباطات (مانند I2C) می‌تواند به محافظت از رزبری پای و افزایش پایداری سیستم در برابر نویز کمک کند.

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

در این بخش، کدهای پایتون لازم برای جمع‌آوری داده‌ها از سنسورها، نمایش آن‌ها و ارسال از طریق LoRaWAN ارائه می‌شود. ما ابتدا یک نسخه MVP (Minimum Viable Product) و سپس نسخه‌ای پیشرفته‌تر را مرور می‌کنیم.

کتابخانه‌های مورد نیاز

قبل از اجرای کدها، باید کتابخانه‌های پایتون زیر را نصب کنید. این دستورات را در ترمینال رزبری پای اجرا کنید:

sudo apt update
sudo apt install -y python3-smbus i2c-tools
pip3 install adafruit-circuitpython-ads1x15
pip3 install adafruit-circuitpython-bme280
pip3 install RPi.GPIO
# برای LoRaWAN، بسته به نوع ماژول شما:
# اگر از ماژول های مبتنی بر SX127x استفاده می کنید، ممکن است نیاز به یک درایور مانند lora-pyspi داشته باشید.
# برای HAT های خاص (مانند RAK2245)، ممکن است کتابخانه اختصاصی نیاز باشد.
# مثال (بسته به ماژول LoRaWAN شما):
# pip3 install pylora
# یا برای برخی ماژول های UART:
# pip3 install pyserial
    

نکات پیکربندی Raspberry Pi OS

1. فعال‌سازی I2C و SPI: این پروتکل‌ها به صورت پیش‌فرض ممکن است فعال نباشند.
   • در ترمینال، دستور sudo raspi-config را اجرا کنید.
   • به 3 Interface Options بروید.
   • P4 I2C را انتخاب و <Yes> را بزنید.
   • P4 SPI را انتخاب و <Yes> را بزنید.
   • <Finish> را بزنید و رزبری پای را ریبوت کنید.
2. بررسی فعال‌سازی I2C: بعد از ریبوت، با دستور ls /dev/*i2c* باید /dev/i2c-1 را ببینید.
3. پیدا کردن آدرس I2C قطعات: با دستور sudo i2cdetect -y 1 می‌توانید آدرس I2C ماژول‌های متصل (مانند ADS1115 و BME280) را پیدا کنید.

کد MVP (Minimum Viable Product)

این کد پایه، داده‌های pH، دما و رطوبت را می‌خواند و آن‌ها را از طریق LoRaWAN ارسال می‌کند. نمایش روی LCD در این نسخه نیست.

import time
import board
import busio
import adafruit_ads1x15.ads1115 as ADS
from adafruit_ads1x15.analog_in import AnalogIn
import adafruit_bme280

# --- تنظیمات سنسور pH ---
# این مقادیر باید از کالیبراسیون واقعی سنسور pH شما به دست آید.
# مثال: ولتاژ در pH 7 و ولتاژ در pH 4 (یا 10)
# فرض می کنیم برد مبدل pH خروجی ولتاژ خطی می دهد که به ADC وصل می شود.
# این یک مثال ساده است. در عمل نیاز به کالیبراسیون 2 یا 3 نقطه ای است.
# کالیبراسیون 2 نقطه ای:
# mV_at_pH7 = 1500  # میلی ولت خوانده شده از ADC در pH 7.0 (مثال)
# mV_at_pH4 = 1700  # میلی ولت خوانده شده از ADC در pH 4.0 (مثال)
# mV_at_pH10 = 1300 # میلی ولت خوانده شده از ADC در pH 10.0 (مثال)

# pH_slope = (pH2 - pH1) / (mV2 - mV1)
# pH_offset = pH1 - (pH_slope * mV1)

# مثال تقریبی برای سنسور DFRobot V2:
# خروجی ولتاژ: pH7 -> 1.5V (1500mV), pH4 -> 2.04V (2040mV), pH10 -> 0.96V (960mV)
# برای ADS1115 که 0 تا 3.3 ولت را به 0 تا 32767 تبدیل می‌کند (gain=1):
# 1500mV = 1500/3300 * 32767 = ~14900 counts
# 2040mV = 2040/3300 * 32767 = ~20300 counts
# 960mV  = 960/3300  * 32767 = ~9540 counts

# فرض کنیم ولتاژ خوانده شده از ADC برای pH 7.0 برابر با V_PH7_MV و برای pH 4.0 برابر با V_PH4_MV باشد
# اینها مقادیر ADC counts یا ولتاژ مستقیماً از سنسور pH شما هستند (باید کالیبره شوند)
CALIBRATION_PH7_VOLTAGE = 1.50  # ولتاژ کالیبره شده برای pH 7.0 (ولت)
CALIBRATION_PH4_VOLTAGE = 2.04  # ولتاژ کالیبره شده برای pH 4.0 (ولت)

# --- تنظیمات LoRaWAN ---
# این بخش کاملاً به ماژول LoRaWAN شما و نحوه ارتباط آن با رزبری پای بستگی دارد.
# برای ساده‌سازی، فرض می‌کنیم تابعی به نام send_lorawan_data وجود دارد.
# در یک سناریوی واقعی، شما باید API ماژول خود را فراخوانی کنید (مثلاً از طریق SPI/UART).
def send_lorawan_data(data_payload):
    """
    تابع فرضی برای ارسال داده از طریق LoRaWAN.
    باید با API ماژول LoRaWAN شما جایگزین شود.
    """
    print(f"ارسال داده LoRaWAN: {data_payload.hex()}")
    # مثال: درایور LoRaWAN شما در اینجا داده را به Gateway می فرستد.
    # lora_module.send(data_payload)
    time.sleep(1) # شبیه سازی زمان ارسال
    print("داده LoRaWAN با موفقیت ارسال شد.")
    return True

# --- تنظیمات I2C و سنسورها ---
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)

# ADC ADS1115
ads = ADS.ADS1115(i2c, address=0x48) # آدرس پیش فرض 0x48. با i2cdetect بررسی کنید.
ads.gain = 1 # Gain تنظیم شده برای خواندن ولتاژهای 0 تا 4.096 ولت
# پین آنالوگ برای سنسور pH (A0 = ADC پین 0)
chan_ph = AnalogIn(ads, ADS.P0)

# BME280 Temperature/Humidity/Pressure Sensor
bme280 = adafruit_bme280.Adafruit_BME280_I2C(i2c, address=0x76) # آدرس پیش فرض 0x76. با i2cdetect بررسی کنید.
bme280.sea_level_pressure = 1013.25 # فشار در سطح دریا برای محاسبه ارتفاع (اختیاری)

# --- حلقه اصلی خواندن و ارسال داده ---
def calculate_ph(voltage_mv):
    """
    محاسبه pH بر اساس ولتاژ. این تابع نیاز به کالیبراسیون دقیق دارد.
    مثال برای DFRobot pH sensor V2 (تقریبی):
    pH = -5.7 * Voltage + 21.34
    """
    if voltage_mv == 0: # جلوگیری از تقسیم بر صفر یا خطای غیرمنطقی
        return 7.0

    # تبدیل میلی ولت به ولت
    voltage_v = voltage_mv / 1000.0

    # فرمول خطی کالیبراسیون
    # این مثال برای pH 7.0 ولتاژ 1.5V و برای pH 4.0 ولتاژ 2.04V را در نظر می گیرد.
    # slope = (4.0 - 7.0) / (CALIBRATION_PH4_VOLTAGE - CALIBRATION_PH7_VOLTAGE)
    # intercept = 7.0 - (slope * CALIBRATION_PH7_VOLTAGE)
    
    # فرمول تقریبی برای سنسور DFRobot V2
    ph_value = -5.70 * voltage_v + 21.34
    
    return max(0.0, min(14.0, ph_value)) # محدود کردن pH به 0-14

print("سیستم مانیتورینگ pH و دما/رطوبت صنعتی فعال شد.")
print("-" * 50)

while True:
    try:
        # خواندن ولتاژ سنسور pH از ADC
        # chan_ph.voltage ولتاژ را بر حسب ولت برمیگرداند
        ph_voltage = chan_ph.voltage # ولتاژ بر حسب ولت
        ph_value = calculate_ph(ph_voltage * 1000) # ولتاژ را به میلی ولت داده و pH را محاسبه می کنیم

        # خواندن دما، رطوبت و فشار از BME280
        temperature_c = bme280.temperature
        humidity = bme280.relative_humidity
        pressure_hpa = bme280.pressure

        print(f"pH: {ph_value:.2f}")
        print(f"دما: {temperature_c:.2f} °C")
        print(f"رطوبت: {humidity:.2f} %")
        print(f"فشار: {pressure_hpa:.2f} hPa")
        print(f"ولتاژ pH سنسور: {ph_voltage:.4f} V")

        # آماده سازی داده برای ارسال LoRaWAN (فرمت بسته به نیاز شما)
        # مثال: 2 بایت برای pH (ضربدر 100 و تبدیل به int), 2 بایت برای دما (ضربدر 100), 1 بایت برای رطوبت
        # این یک پروتکل ساده است و می تواند پیچیده تر شود.
        ph_int = int(ph_value * 100)
        temp_int = int(temperature_c * 100)
        hum_int = int(humidity)

        lorawan_payload = bytearray()
        lorawan_payload.append((ph_int >> 8) & 0xFF)
        lorawan_payload.append(ph_int & 0xFF)
        lorawan_payload.append((temp_int >> 8) & 0xFF)
        lorawan_payload.append(temp_int & 0xFF)
        lorawan_payload.append(hum_int & 0xFF)

        send_lorawan_data(lorawan_payload)

        print("-" * 50)
        time.sleep(60) # هر 60 ثانیه داده را ارسال می کند

    except RuntimeError as error:
        print(f"خطای خواندن سنسور: {error}")
    except Exception as e:
        print(f"خطایی رخ داد: {e}")
    time.sleep(5) # در صورت بروز خطا، 5 ثانیه صبر کند و دوباره امتحان کند

کد پیشرفته (با قابلیت‌های نمایش و لاگینگ)

این نسخه شامل نمایش داده‌ها روی LCD لمسی (با استفاده از کتابخانه tkinter یا pygame برای GUI ساده) و همچنین ذخیره‌سازی داده‌ها در یک فایل (لاگینگ) می‌شود.

import time
import board
import busio
import adafruit_ads1x15.ads1115 as ADS
from adafruit_ads1x15.analog_in import AnalogIn
import adafruit_bme280
import datetime
import os
import threading
from queue import Queue

# --- برای نمایشگر LCD (مثال ساده با Tkinter) ---
# نیاز به نصب tkinter: sudo apt install python3-tk
import tkinter as tk
from tkinter import ttk

# --- تنظیمات سنسور pH (مشابه MVP) ---
CALIBRATION_PH7_VOLTAGE = 1.50
CALIBRATION_PH4_VOLTAGE = 2.04

# --- تابع فرضی LoRaWAN (مشابه MVP) ---
def send_lorawan_data(data_payload):
    print(f"ارسال داده LoRaWAN: {data_payload.hex()}")
    time.sleep(1) # شبیه سازی
    print("داده LoRaWAN با موفقیت ارسال شد.")
    return True

# --- تابع محاسبه pH (مشابه MVP) ---
def calculate_ph(voltage_mv):
    if voltage_mv == 0:
        return 7.0
    voltage_v = voltage_mv / 1000.0
    ph_value = -5.70 * voltage_v + 21.34
    return max(0.0, min(14.0, ph_value))

# --- تنظیمات I2C و سنسورها ---
i2c = busio.I2C(board.SCL, board.SDA)
ads = ADS.ADS1115(i2c, address=0x48)
ads.gain = 1
chan_ph = AnalogIn(ads, ADS.P0)
bme280 = adafruit_bme280.Adafruit_BME280_I2C(i2c, address=0x76)
bme280.sea_level_pressure = 1013.25

# --- تنظیمات لاگینگ ---
LOG_FILE = "sensor_data_log.csv"
def log_data(timestamp, ph, temp, humidity, pressure):
    if not os.path.exists(LOG_FILE):
        with open(LOG_FILE, "w") as f:
            f.write("Timestamp,pH,Temperature_C,Humidity_%,Pressure_hPa\n")
    with open(LOG_FILE, "a") as f:
        f.write(f"{timestamp},{ph:.2f},{temp:.2f},{humidity:.2f},{pressure:.2f}\n")
    print(f"داده لاگ شد: {timestamp}")

# --- کلاس برای رابط کاربری گرافیکی (GUI) ---
class SensorGUI:
    def __init__(self, master, data_queue):
        self.master = master
        master.title("مانیتورینگ صنعتی")
        master.geometry("800x480") # مناسب برای نمایشگر 10 اینچ
        master.configure(bg='#f0f8ff') # Light Alice Blue

        self.data_queue = data_queue

        # Style for RTL
        master.option_add('*tearOff', False) # Disable tear-off for menus
        master.tk_setPalette(background='#f0f8ff', foreground='#333333')

        s = ttk.Style()
        s.configure('TFrame', background='#f0f8ff')
        s.configure('TLabel', background='#f0f8ff', foreground='#004d40', font=('Vazirmatn', 16, 'bold'))
        s.configure('Value.TLabel', background='#f0f8ff', foreground='#00695c', font=('Vazirmatn', 24, 'bold'))

        self.frame = ttk.Frame(master, padding="15")
        self.frame.pack(expand=True, fill='both')

        self.labels = {}
        row_idx = 0

        # pH
        ttk.Label(self.frame, text="مقدار pH:", style='TLabel').grid(row=row_idx, column=1, sticky='e', padx=10, pady=5)
        self.labels['ph'] = ttk.Label(self.frame, text="N/A", style='Value.TLabel')
        self.labels['ph'].grid(row=row_idx, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
        row_idx += 1

        # Temperature
        ttk.Label(self.frame, text="دما (°C):", style='TLabel').grid(row=row_idx, column=1, sticky='e', padx=10, pady=5)
        self.labels['temp'] = ttk.Label(self.frame, text="N/A", style='Value.TLabel')
        self.labels['temp'].grid(row=row_idx, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
        row_idx += 1

        # Humidity
        ttk.Label(self.frame, text="رطوبت (%):", style='TLabel').grid(row=row_idx, column=1, sticky='e', padx=10, pady=5)
        self.labels['hum'] = ttk.Label(self.frame, text="N/A", style='Value.TLabel')
        self.labels['hum'].grid(row=row_idx, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
        row_idx += 1
        
        # Pressure
        ttk.Label(self.frame, text="فشار (hPa):", style='TLabel').grid(row=row_idx, column=1, sticky='e', padx=10, pady=5)
        self.labels['pressure'] = ttk.Label(self.frame, text="N/A", style='Value.TLabel')
        self.labels['pressure'].grid(row=row_idx, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
        row_idx += 1

        # Last Updated Timestamp
        ttk.Label(self.frame, text="آخرین به‌روزرسانی:", style='TLabel').grid(row=row_idx, column=1, sticky='e', padx=10, pady=5)
        self.labels['timestamp'] = ttk.Label(self.frame, text="N/A", style='Value.TLabel')
        self.labels['timestamp'].grid(row=row_idx, column=0, sticky='w', padx=10, pady=5)
        
        self.frame.grid_columnconfigure(0, weight=1)
        self.frame.grid_columnconfigure(1, weight=1)

        self.update_gui()

    def update_gui(self):
        while not self.data_queue.empty():
            data = self.data_queue.get()
            self.labels['ph'].config(text=f"{data['ph']:.2f}")
            self.labels['temp'].config(text=f"{data['temp']:.2f}")
            self.labels['hum'].config(text=f"{data['hum']:.2f}")
            self.labels['pressure'].config(text=f"{data['pressure']:.2f}")
            self.labels['timestamp'].config(text=data['timestamp'].strftime("%H:%M:%S"))
        self.master.after(1000, self.update_gui) # هر 1 ثانیه GUI را به روز کن

# --- تابع خواندن سنسور و پردازش در یک ترد جداگانه ---
def sensor_reading_thread(data_queue):
    while True:
        try:
            ph_voltage = chan_ph.voltage
            ph_value = calculate_ph(ph_voltage * 1000)

            temperature_c = bme280.temperature
            humidity = bme280.relative_humidity
            pressure_hpa = bme280.pressure
            
            current_time = datetime.datetime.now()

            # لاگ کردن داده
            log_data(current_time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"), ph_value, temperature_c, humidity, pressure_hpa)

            # ارسال LoRaWAN
            ph_int = int(ph_value * 100)
            temp_int = int(temperature_c * 100)
            hum_int = int(humidity)
            lorawan_payload = bytearray()
            lorawan_payload.append((ph_int >> 8) & 0xFF)
            lorawan_payload.append(ph_int & 0xFF)
            lorawan_payload.append((temp_int >> 8) & 0xFF)
            lorawan_payload.append(temp_int & 0xFF)
            lorawan_payload.append(hum_int & 0xFF)
            send_lorawan_data(lorawan_payload)

            # ارسال داده به GUI
            data_queue.put({
                'ph': ph_value,
                'temp': temperature_c,
                'hum': humidity,
                'pressure': pressure_hpa,
                'timestamp': current_time
            })

        except RuntimeError as error:
            print(f"خطای خواندن سنسور در ترد: {error}")
        except Exception as e:
            print(f"خطایی در ترد رخ داد: {e}")
        
        time.sleep(10) # هر 10 ثانیه داده را بخواند و ارسال کند

# --- اجرای اصلی ---
if __name__ == "__main__":
    print("سیستم مانیتورینگ pH و دما/رطوبت صنعتی (پیشرفته) فعال شد.")
    data_queue = Queue()

    # اجرای ترد خواندن سنسور
    sensor_thread = threading.Thread(target=sensor_reading_thread, args=(data_queue,))
    sensor_thread.daemon = True # ترد با بسته شدن برنامه اصلی بسته می شود
    sensor_thread.start()

    # اجرای رابط کاربری گرافیکی
    root = tk.Tk()
    gui = SensorGUI(root, data_queue)
    root.mainloop()

E. راهنمای نصب IDE و آپلود کد

برای توسعه و اجرای کدهای پایتون روی رزبری پای، چند روش و ابزار وجود دارد که در ادامه توضیح داده می‌شود.

1. آماده‌سازی Raspberry Pi OS

1. نصب سیستم عامل:

   جدیدترین نسخه Raspberry Pi OS (با دسکتاپ، توصیه می‌شود) را دانلود کرده و با استفاده از ابزاری مانند Raspberry Pi Imager روی کارت حافظه microSD خود رایت کنید.

2. فعال‌سازی SSH (برای دسترسی از راه دور):
   • اگر از Raspberry Pi Imager استفاده می‌کنید، می‌توانید SSH را در تنظیمات پیشرفته فعال کنید.
   • در غیر این صورت، بعد از نصب، یک فایل خالی به نام ssh (بدون پسوند) در ریشه کارت حافظه (پارتیشن boot) ایجاد کنید.
3. اتصال به شبکه:

   رزبری پای را از طریق کابل اترنت یا Wi-Fi به شبکه وصل کنید. اگر از Wi-Fi استفاده می‌کنید، می‌توانید تنظیمات آن را نیز در Raspberry Pi Imager انجام دهید.

4. شناسایی آدرس IP:

   آدرس IP رزبری پای خود را از روتر شبکه یا با اتصال نمایشگر به رزبری پای و اجرای دستور hostname -I پیدا کنید.

2. نصب و استفاده از IDE

روش الف: توسعه مستقیم روی رزبری پای با Thonny

Thonny یک IDE پایتون ساده و کاربرپسند است که به صورت پیش‌فرض روی Raspberry Pi OS با دسکتاپ نصب شده است و برای مبتدیان ایده‌آل است.

1. اتصال نمایشگر و ماوس/کیبورد: رزبری پای خود را به یک نمایشگر، ماوس و کیبورد متصل کنید.
2. اجرای Thonny: از منوی برنامه‌ها، Programming > Thonny Python IDE را باز کنید.
3. نصب کتابخانه‌ها:
   • در Thonny، به Tools > Manage packages... بروید.
   • نام هر کتابخانه (مثلاً adafruit-circuitpython-ads1x15) را جستجو و نصب کنید.
   • همچنین می‌توانید از ترمینال داخلی Thonny یا ترمینال اصلی رزبری پای برای نصب با pip3 استفاده کنید.
4. نوشتن و اجرای کد: کدها را در ویرایشگر Thonny کپی/پیست کنید یا بنویسید و با کلیک روی دکمه Run (مثلث سبز رنگ) اجرا کنید.

روش ب: توسعه از راه دور با VS Code (توصیه شده برای مهارت متوسط)

VS Code به همراه افزونه Remote - SSH ابزاری قدرتمند برای توسعه از راه دور روی رزبری پای از طریق کامپیوتر شخصی شماست.

1. نصب VS Code: VS Code را روی کامپیوتر شخصی خود نصب کنید.
2. نصب افزونه Remote - SSH: در VS Code، به بخش Extensions بروید (Ctrl+Shift+X) و Remote - SSH را جستجو و نصب کنید.
3. اتصال به رزبری پای:
   • در VS Code، روی آیکون Remote Explorer (پایین سمت چپ) کلیک کنید.
   • در بخش SSH، روی علامت + کلیک کنید.
   • ssh pi@your_raspberry_pi_ip را وارد کنید (your_raspberry_pi_ip را با آدرس IP واقعی رزبری پای جایگزین کنید).
   • رمز عبور پیش‌فرض raspberry است.
4. باز کردن پوشه پروژه: پس از اتصال، VS Code یک پنجره جدید باز می‌کند که به رزبری پای متصل است. می‌توانید پوشه پروژه خود را باز کرده یا یک پوشه جدید ایجاد کنید.
5. آپلود/ایجاد کد:
   • می‌توانید فایل‌های پایتون را مستقیماً در VS Code ایجاد و ویرایش کنید.
   • اگر کدها را روی کامپیوتر خود دارید، می‌توانید آن‌ها را از طریق رابط VS Code به رزبری پای کپی کنید.
6. نصب کتابخانه‌ها (در ترمینال VS Code):

   در VS Code (متصل به رزبری پای)، ترمینال را باز کنید (Ctrl+Shift+` ). این ترمینال مستقیماً روی رزبری پای شما اجرا می‌شود. دستورات pip3 install را در اینجا اجرا کنید.

7. اجرای کد:

   کد پایتون را در ترمینال VS Code با دستور python3 your_script_name.py اجرا کنید.

F. چک‌لیست عیب‌یابی، خطاهای رایج و تست مرحله‌ای

عیب‌یابی یکی از مهم‌ترین مهارت‌ها در پروژه‌های الکترونیکی است. این چک‌لیست به شما کمک می‌کند تا مشکلات رایج را شناسایی و برطرف کنید.

چک‌لیست عیب‌یابی

1. تغذیه و بوت شدن رزبری پای:
   • آیا LED قرمز رزبری پای روشن است؟
   • آیا LED سبز (فعالیت SD کارت) چشمک می‌زند؟
   • آیا می‌توانید از طریق SSH یا نمایشگر به سیستم عامل دسترسی پیدا کنید؟
   • آیا آداپتور تغذیه 5V/3A یا قوی‌تر و با کیفیت مناسب است؟
2. کارت حافظه (SD Card):
   • آیا سیستم عامل به درستی روی آن رایت شده است؟
   • آیا کارت حافظه خراب نیست؟ (امتحان با یک کارت دیگر)
   • آیا کارت به درستی در اسلات قرار گرفته است؟
3. اتصالات سخت‌افزاری:
   • آیا تمام سیم‌ها محکم و به پین‌های صحیح متصل شده‌اند؟ (مطابق جدول پین‌مپ)
   • آیا قطبیت تغذیه سنسورها و ماژول‌ها صحیح است (VCC به VCC، GND به GND)؟
   • آیا زمین مشترک (Common Ground) برای تمام قطعات رعایت شده است؟
4. پیکربندی نرم‌افزاری (raspi-config):
   • آیا I2C و SPI فعال شده‌اند؟
   • آیا UART (در صورت نیاز برای LoRaWAN) فعال شده است؟
5. شناسایی سنسورها و ماژول‌ها:
   • برای I2C: دستور sudo i2cdetect -y 1 را اجرا کنید. آیا آدرس‌های ADS1115 (0x48) و BME280 (0x76) را می‌بینید؟
   • برای LoRaWAN: آیا ماژول به درستی شناسایی می‌شود؟ (بستگی به نوع ماژول و درایور آن دارد.)
6. نصب کتابخانه‌های پایتون:
   • آیا تمام کتابخانه‌های مورد نیاز (adafruit-circuitpython-ads1x15, adafruit-circuitpython-bme280 و کتابخانه LoRaWAN) نصب شده‌اند؟
   • از دستور pip3 freeze برای مشاهده لیست کتابخانه‌های نصب شده استفاده کنید.
7. نمایشگر LCD:
   • آیا کابل HDMI به درستی متصل است؟
   • آیا نمایشگر تغذیه کافی دریافت می‌کند؟
   • آیا قابلیت لمسی با اتصال کابل USB فعال است؟
8. LoRaWAN Gateway و شبکه:
   • آیا گیت‌وی LoRaWAN شما فعال و در محدوده پوشش است؟
   • آیا تنظیمات فرکانس و کانال‌ها در ماژول LoRaWAN شما با گیت‌وی مطابقت دارد؟
   • آیا اطلاعات JoinEUI/AppEUI/AppKey برای Join در شبکه LoRaWAN به درستی پیکربندی شده است؟

خطاهای رایج

1. ModuleNotFoundError: No module named '...':

   این خطا به این معنی است که کتابخانه پایتون مورد نیاز نصب نشده است. مطمئن شوید که دستور pip3 install را برای تمام کتابخانه‌های لازم اجرا کرده‌اید.

2. OSError: [Errno 121] Remote I/O error (برای I2C/SPI):

   این خطا معمولاً نشان می‌دهد که سنسور/ماژول به درستی متصل نشده است، آدرس I2C اشتباه است، یا پروتکل I2C/SPI در raspi-config فعال نشده است.

3. Permission Denied یا IOError: [Errno 13] Permission denied (برای GPIO):

   این خطا ممکن است به دلیل عدم دسترسی کاربر فعلی به پین‌های GPIO باشد. با اضافه کردن کاربر خود به گروه gpio (sudo adduser pi gpio) و ریبوت، یا با اجرای اسکریپت با sudo (sudo python3 your_script.py) این مشکل حل می‌شود.

4. خوانش‌های نامنظم/غیرمنطقی سنسور pH:
   • کالیبراسیون pH اشتباه یا انجام نشده است.
   • پراب pH خشک یا خراب شده است.
   • اتصال پراب pH به برد مبدل محکم نیست (کانکتور BNC).
   • نویز الکتریکی در محیط (استفاده از کابل شیلددار و ایزولاسیون).
5. عدم ارسال داده LoRaWAN:
   • مشکل در اتصال آنتن (شُل بودن، نوع آنتن اشتباه).
   • ماژول LoRaWAN به درستی نصب یا پیکربندی نشده است.
   • گیت‌وی LoRaWAN در دسترس نیست یا پیکربندی آن اشتباه است.
   • مشکل در اعتبارسنجی (Join) به شبکه LoRaWAN.

تست مرحله‌ای (Step-by-Step Testing)

برای جلوگیری از پیچیدگی در عیب‌یابی، هر بخش از سیستم را به صورت جداگانه تست کنید.

1. تست Raspberry Pi:

   فقط رزبری پای را با منبع تغذیه و کارت SD متصل کنید و اطمینان حاصل کنید که سیستم عامل به درستی بوت می‌شود و می‌توانید به آن دسترسی پیدا کنید.

2. تست فعال‌سازی I2C/SPI:

   بعد از فعال‌سازی اینترفیس‌ها در raspi-config، دستور sudo i2cdetect -y 1 را اجرا کرده و از فعال بودن I2C اطمینان حاصل کنید.

3. تست سنسور BME280:
   • فقط BME280 را به پین‌های I2C (3.3V, GND, SDA, SCL) رزبری پای متصل کنید.
   • یک کد ساده پایتون برای خواندن دما و رطوبت بنویسید و اجرا کنید.
   • اطمینان حاصل کنید که خوانش‌ها منطقی هستند.
4. تست ADC ADS1115 و سنسور pH:
   • ADC را به I2C رزبری پای وصل کنید.
   • برد مبدل pH را به تغذیه 5V و GND وصل کنید و خروجی آنالوگ آن را به یکی از کانال‌های ADC متصل کنید.
   • پراب pH را به برد مبدل وصل کرده و آن را در محلول‌های با pH معلوم (مثلاً آب مقطر یا محلول بافر pH 7) قرار دهید.
   • کد پایتون برای خواندن ولتاژ از ADC و تبدیل آن به pH را اجرا کنید و خوانش‌ها را بررسی کنید. کالیبراسیون pH را در این مرحله انجام دهید.
5. تست ماژول LoRaWAN:
   • ماژول LoRaWAN (یا HAT) را به رزبری پای متصل کنید.
   • آنتن را به ماژول وصل کنید.
   • یک کد ساده برای ارسال یک پیام تستی "Hello LoRaWAN" اجرا کنید.
   • گیت‌وی LoRaWAN خود را برای دریافت این پیام بررسی کنید.
6. تست نمایشگر LCD:
   • نمایشگر را از طریق HDMI و USB به رزبری پای متصل کنید و تغذیه آن را وصل کنید.
   • مطمئن شوید که دسکتاپ Raspberry Pi OS روی آن نمایش داده می‌شود و قابلیت لمسی کار می‌کند.
   • سپس، کد GUI را اجرا کرده و از نمایش صحیح داده‌ها اطمینان حاصل کنید.
7. تست یکپارچه (Integrated Test):

   پس از اطمینان از عملکرد صحیح هر بخش، تمام قطعات را به هم وصل کرده و کد کامل پروژه را اجرا کنید. همه خروجی‌ها (نمایشگر، لاگ فایل، ارسال LoRaWAN) را بررسی کنید.

G. توان و ایمنی (مصرف، تغذیه، ESD)

در یک محیط صنعتی مانند نیروگاه، مسائل مربوط به توان، تغذیه و ایمنی از اهمیت بالایی برخوردار هستند تا از عملکرد پایدار، طول عمر تجهیزات و ایمنی پرسنل اطمینان حاصل شود.

مصرف توان

مصرف توان کل سیستم شما حاصل جمع توان مصرفی هر یک از قطعات است.

• Raspberry Pi 4 (8GB):
  • در حالت Idle: حدود 0.6 تا 1 آمپر (در 5 ولت).
  • تحت بار متوسط: 1.2 تا 2 آمپر.
  • تحت بار سنگین: 2 تا 3 آمپر.
• نمایشگر 10 اینچ لمسی HDMI:

  بسته به مدل، این نمایشگرها می‌توانند 0.5 تا 1.5 آمپر (در 5 ولت) مصرف کنند. برخی از آن‌ها نیاز به تغذیه جداگانه دارند.

• ماژول LoRaWAN HAT:

  در حالت idle مصرف پایینی دارند (چند میلی‌آمپر). اما در هنگام ارسال (TX) می‌توانند تا 100-200 میلی‌آمپر (در پیک) مصرف کنند.

• سنسور pH، برد مبدل و ADC:

  این قطعات معمولاً مصرف بسیار پایینی دارند، در حد چند ده میلی‌آمپر.

• سنسور BME280:

  مصرف بسیار پایین، در حد چند میلی‌آمپر.

تغذیه (Power Supply)

انتخاب منبع تغذیه مناسب برای محیط صنعتی حیاتی است:

1. آداپتور USB-C با کیفیت بالا: از آداپتورهای USB-C معتبر و با کیفیت استفاده کنید که قادر به تامین جریان پایدار و دقیق 5 ولت باشند. آداپتورهای بی‌کیفیت می‌توانند باعث ناپایداری سیستم، ریبوت‌های تصادفی یا آسیب به برد شوند.
2. منبع تغذیه DIN Rail (صنعتی): برای محیط‌های نیروگاهی، استفاده از یک منبع تغذیه صنعتی 5 ولت DIN Rail mount (قابل نصب روی ریل DIN) بسیار توصیه می‌شود. این منابع تغذیه برای کار در شرایط سخت صنعتی (دما، نویز، لرزش) طراحی شده‌اند و معمولاً دارای محافظت‌های داخلی (مانند اضافه ولتاژ، اضافه جریان، اتصال کوتاه) هستند.
3. کابل تغذیه: از کابل‌های USB-C با گیج ضخیم و کیفیت بالا استفاده کنید تا افت ولتاژ در طول کابل به حداقل برسد، به خصوص اگر طول کابل زیاد است.
4. محافظت در برابر نویز: منابع تغذیه صنعتی معمولاً دارای فیلترهای نویز داخلی هستند. در صورت استفاده از آداپتورهای معمولی، ممکن است نیاز به افزودن خازن‌های بای‌پس و فیلترهای فریت برای کاهش نویز در خط تغذیه باشد.

ایمنی و حفاظت ESD (Electrostatic Discharge)

محیط صنعتی مستعد تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و نویز الکتریکی است که می‌تواند به قطعات الکترونیکی آسیب برساند.

1. جعبه محافظ (Enclosure):

   استفاده از یک جعبه محافظ صنعتی با استاندارد IP65 یا بالاتر (ضد آب و گرد و غبار) ضروری است. این جعبه باید فلزی باشد یا دارای پوشش رسانا برای شیلدینگ الکترومغناطیسی (EMI/RFI) باشد. مطمئن شوید که جعبه به درستی زمین شده است.

2. زمین کردن (Grounding):

   تمام اجزای فلزی در سیستم (جعبه، شیلد کابل‌ها) باید به یک نقطه زمین مشترک و قابل اعتماد متصل شوند. زمین کردن صحیح به تخلیه ESD و کاهش اثرات نویز کمک می‌کند.

3. حفاظت ESD در ورودی/خروجی:

   برای پین‌های GPIO که به سنسورهای بیرونی وصل می‌شوند (به ویژه pH و LoRaWAN که ممکن است به آنتن بیرونی وصل باشند)، استفاده از دیودهای محافظ TVS (Transient Voltage Suppressor) یا مدارهای حفاظت ESD توصیه می‌شود. این دیودها ولتاژهای ناگهانی ناشی از ESD را به زمین هدایت می‌کنند و از آسیب به رزبری پای جلوگیری می‌کنند.

4. کابل‌های شیلددار:

   برای اتصالات سنسورها (به خصوص پراب pH) و کابل آنتن LoRaWAN، از کابل‌های شیلددار (shielded cables) استفاده کنید و شیلد را به درستی زمین کنید تا از تداخل الکترومغناطیسی (EMI) جلوگیری شود.

5. هندلینگ آنتی‌استاتیک:

   هنگام مونتاژ یا عیب‌یابی، همیشه از مچ‌بندهای آنتی‌استاتیک (ESD wrist straps) استفاده کنید و روی یک سطح آنتی‌استاتیک کار کنید تا از آسیب دیدن قطعات در اثر ESD جلوگیری شود.

6. ایزولاسیون گالوانیکی:

   در محیط‌های بسیار نویزی، استفاده از ماژول‌های ایزولاتور نوری (Opto-isolators) یا ایزولاتورهای دیجیتال (Digital Isolators) برای جداسازی الکتریکی بین رزبری پای و سنسورها یا ماژول‌های خارجی می‌تواند بسیار مفید باشد. این کار از پخش شدن نویز و حلقه‌های زمین (ground loops) جلوگیری می‌کند.

H. پیشنهاد ارتقا و جایگزین‌ها

این پروژه یک نقطه شروع عالی است، اما همیشه جای برای بهبود و گسترش وجود دارد. در اینجا پیشنهاداتی برای ارتقاء سیستم و جایگزین‌های احتمالی ارائه شده است.

پیشنهادات ارتقاء سیستم

1. یکپارچه‌سازی ابری (Cloud Integration):
   • پلتفرم‌های IoT: داده‌ها را به پلتفرم‌های ابری مانند AWS IoT Core، Azure IoT Hub، Google Cloud IoT Core، یا ThingsBoard ارسال کنید. این پلتفرم‌ها قابلیت‌های ذخیره‌سازی، تحلیل، بصری‌سازی و هشداردهی پیشرفته‌ای را فراهم می‌کنند.
   • دیتابیس ابری: به جای ذخیره‌سازی محلی در فایل CSV، داده‌ها را مستقیماً به یک دیتابیس ابری (مانند InfluxDB برای داده‌های سری زمانی) ارسال کنید.
2. نمایشگر و رابط کاربری پیشرفته (Advanced HMI):
   • GUI سفارشی: با استفاده از فریم‌ورک‌های پایتون مانند PyQt/PySide یا Kivy، یک رابط کاربری گرافیکی (GUI) زیباتر و تعاملی‌تر روی نمایشگر لمسی ایجاد کنید.
   • نمودارها و ترندها: قابلیت نمایش نمودارهای تغییرات pH، دما و رطوبت در طول زمان را به HMI اضافه کنید.
3. تشخیص خطا و هشدارهای پیشرفته:
   • هشدارهای محلی: در صورت عبور مقادیر سنسور از آستانه‌های بحرانی، هشدارهای صوتی/تصویری محلی روی نمایشگر یا با استفاده از یک بازر/LED اضافه کنید.
   • تحلیل داده‌های پیش‌بینی‌کننده: با جمع‌آوری داده‌های بیشتر، می‌توانید الگوریتم‌های ساده‌ای برای پیش‌بینی مشکلات احتمالی در خطوط لوله (مثلاً تغییرات ناگهانی pH که نشان‌دهنده خوردگی است) پیاده‌سازی کنید.
4. انتقال داده جایگزین/پشتیبان:
   • اترنت/Wi-Fi: برای ارسال داده‌ها در فواصل نزدیک‌تر یا به عنوان پشتیبان LoRaWAN، از اترنت یا Wi-Fi استفاده کنید.
   • NB-IoT/4G/5G: برای پوشش گسترده‌تر و پهنای باند بالاتر (در صورت نیاز به ارسال داده‌های بیشتر یا تماس‌های تصویری)، از ماژول‌های ارتباطی سلولی استفاده کنید (البته با هزینه بالاتر).
5. اضافه کردن سنسورهای بیشتر:
   • سنسور رسانایی (Conductivity): برای اندازه‌گیری میزان مواد محلول در آب.
   • سنسور اکسیژن محلول (DO - Dissolved Oxygen): برای پایش کیفیت آب.
   • فلومتر (Flow Meter): برای اندازه‌گیری دبی سیال در خط لوله.
6. مدیریت توان:

   پیاده‌سازی حالت‌های کم مصرف (Low-Power Modes) برای رزبری پای و ماژول LoRaWAN برای افزایش عمر باتری در صورت استفاده از تغذیه باتری.

7. سیستم فایل فقط خواندنی (Read-Only File System):

   برای افزایش طول عمر کارت SD در محیط‌های صنعتی و جلوگیری از خرابی داده‌ها در صورت قطع ناگهانی برق، Raspberry Pi OS را به صورت Read-Only پیکربندی کنید.

جایگزین‌ها و فناوری‌های دیگر

1. کنترل‌کننده‌های صنعتی (PLCs / PACs):

   برای کاربردهای بسیار بحرانی و نیازمند قابلیت‌های بلادرنگ (Real-Time) و استاندارد صنعتی بالا، PLCها (Programmable Logic Controllers) یا PACها (Programmable Automation Controllers) گزینه‌های بهتری هستند. اگرچه برنامه‌نویسی و قیمت آن‌ها پیچیده‌تر است، اما از نظر پایداری و مقاومت در محیط‌های صنعتی بی‌رقیب هستند.

2. بردهای تک بوردی (SBC) صنعتی:

   علاوه بر Raspberry Pi CM4 و BeagleBone AI، بردهای صنعتی دیگری نیز وجود دارند (مانند AAEON UP Squared، Nvidia Jetson Nano برای کاربردهای AI) که مقاومت بیشتری در برابر دما، لرزش و نویز دارند و دارای پورت‌های ارتباطی صنعتی‌تر هستند.

3. میکروکنترلرها برای کاربردهای ساده‌تر:

   اگر نیاز به نمایشگر لمسی و قدرت پردازشی بالا ندارید و فقط به جمع‌آوری و ارسال داده‌های سنسورها نیاز دارید، بردهایی مانند ESP32 یا Arduino (با ماژول‌های LoRa) گزینه‌های بسیار ارزان‌تر و کم مصرف‌تری هستند. البته این بردها برای دسکتاپ گرافیکی مناسب نیستند.

4. سنسورهای هوشمند (Smart Sensors):

   استفاده از سنسورهای pH و دما/رطوبت صنعتی با خروجی‌های دیجیتال (مانند Modbus RTU/TCP، 4-20mA با مبدل) که از نظر کالیبراسیون و پایداری در محیط‌های صنعتی بهینه‌سازی شده‌اند، می‌تواند دقت و قابلیت اطمینان سیستم را افزایش دهد. این سنسورها اغلب گران‌تر هستند اما نگهداری کمتری نیاز دارند.

5. راهکارهای بی‌سیم دیگر:
   • Wi-Fi Mesh: برای پوشش دهی گسترده در محیط‌های صنعتی که زیرساخت Wi-Fi قوی دارند.
   • Zigbee/Thread: برای شبکه‌های سنسوری با مصرف توان بسیار پایین و برد متوسط.
   • LTE-M / NB-IoT: برای کاربردهایی که نیاز به اتصال مستقیم به شبکه سلولی و پوشش گسترده‌تری نسبت به LoRaWAN دارند.