طراحی سیستم پایش pH و دما/رطوبت صنعتی با ESP32 برای موتورخانه

در دنیای پرچالش صنعت، پایش دقیق و پایدار پارامترهای محیطی از اهمیت حیاتی برخوردار است. این مقاله به طراحی یک سیستم پایش pH، دما و رطوبت برای محیط‌های صنعتی، به‌ویژه اطراف اسکید موتورهای نیروگاهی، می‌پردازد. با استفاده از میکروکنترلر قدرتمند ESP32، قابلیت اطمینان، ارتباط بی‌سیم بلوتوث و پایداری در شرایط سخت صنعتی را فراهم می‌آوریم. این راهنما، از انتخاب برد تا کدنویسی پیشرفته و نکات ایمنی، به گونه‌ای جامع تدوین شده تا طراحان الکترونیک مبتدی تا پیشرفته بتوانند با اطمینان کامل، پروژه‌های صنعتی خود را پیاده‌سازی کنند. تمرکز بر روی پایداری و عملکرد در محیط‌های صنعتی، این سیستم را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهای حساس تبدیل می‌کند.

A. انتخاب برد، جایگزین‌ها و جدول مقایسه

برای کاربرد مورد نظر در محیط صنعتی (اسکید موتور نیروگاه)، پایداری، قابلیت اطمینان و مصرف بهینه انرژی از اولویت‌های اصلی هستند. با توجه به این موارد و نیاز به ارتباط بلوتوث، ESP32 انتخاب بهینه است.

برد انتخابی: ESP32 DevKitC V4

این برد یک انتخاب عالی برای کاربردهای صنعتی است که نیاز به پایداری و قابلیت‌های ارتباطی بی‌سیم دارند. ESP32 با داشتن Wi-Fi و بلوتوث (BLE و Classic) داخلی، هسته‌های پردازشی دوگانه، و قابلیت‌های زمان واقعی، برای جمع‌آوری داده‌های سنسور و ارسال آن‌ها به یک سیستم مرکزی مناسب است. نسخه DevKitC V4 به دلیل بلوغ، پشتیبانی گسترده و پایداری برای کاربردهای صنعتی اولیه بسیار مناسب است.

دو جایگزین پیشنهادی:

1. ESP32-S3 DevKitC-1: نسل جدیدتر ESP32 با بهبودهایی در پردازش، AI و حافظه. برای پروژه‌هایی که نیاز به قدرت پردازش بالاتر یا ویژگی‌های خاص S3 دارند، انتخاب خوبی است. مصرف انرژی کمی بهینه‌تر و قابلیت‌های امنیتی بهتری دارد.
2. Arduino Nano RP2040 Connect: بر پایه میکروکنترلر RP2040 (توسط Raspberry Pi) با تراشه Nina B306 (بلوتوث/Wi-Fi). این برد به دلیل اکوسیستم آردوینو، ADCهای ۱۲ بیتی دقیق‌تر و قابلیت‌های اتصال خوب، برای کاربردهای سنسوری که نیاز به دقت بالا دارند، گزینه‌ای قدرتمند است.

جدول مقایسه

استدلال برای انتخاب ESP32 DevKitC V4

• پایداری و بلوغ: ESP32 DevKitC V4 یک برد کاملاً آزمایش‌شده و پایدار است که جامعه کاربری بسیار بزرگی دارد. این امر در محیط‌های صنعتی که نیاز به قابلیت اطمینان بالا وجود دارد، بسیار مهم است.
• قابلیت‌های بی‌سیم: وجود بلوتوث داخلی (BLE و Classic) نیاز ما را به طور کامل برآورده می‌کند و امکان ارتباط بی‌سیم با یک دستگاه کنترلر یا گیت‌وی را فراهم می‌سازد.
• قدرت پردازش: هسته‌های دوگانه Xtensa برای مدیریت همزمان خواندن سنسورها، پردازش داده و مدیریت ارتباط بلوتوث، قدرت کافی را فراهم می‌کنند.
• مقرون به صرفه: در مقایسه با گزینه‌های صنعتی گران‌قیمت‌تر، ESP32 راه‌حلی بسیار مقرون به صرفه با عملکرد عالی ارائه می‌دهد که هزینه کلی پروژه را به شدت کاهش می‌دهد.
• سادگی توسعه: با پشتیبانی از Arduino IDE و ESP-IDF، توسعه برای این برد نسبتاً ساده است و به توسعه‌دهندگان پیشرفته امکان کنترل دقیق بر منابع سخت‌افزاری را می‌دهد.

B. فهرست کامل قطعات (BOM) و سطوح قیمت

این فهرست شامل قطعات ضروری برای ساخت سیستم پایش pH، دما و رطوبت با در نظر گرفتن ملاحظات صنعتی است.

نکات:
- قیمت‌ها تقریبی بوده و بسته به فروشنده، کیفیت و منطقه جغرافیایی متغیر هستند.
- سطح پایین: قطعات عمومی و رایج، مناسب برای نمونه‌سازی اولیه و تست.
- سطح متوسط: قطعات با کیفیت بهتر، مناسب برای پروژه‌های کوچک و نیمه‌صنعتی.
- سطح بالا/صنعتی: قطعات با استانداردهای صنعتی، مقاوم در برابر شرایط سخت و عمر طولانی، مناسب برای استقرار نهایی در محیط‌های حساس نیروگاهی.

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

سیم‌بندی صحیح برای پایداری و دقت داده‌ها در محیط صنعتی حیاتی است. در اینجا نحوه اتصال قطعات به ESP32 DevKitC V4 توضیح داده می‌شود.

توضیحات کلی سیم‌بندی:

• منبع تغذیه: ESP32 از طریق پورت Micro USB با ولتاژ ۵ ولت تغذیه می‌شود. این ولتاژ می‌تواند برای سنسورهای BME280 و ماژول pH (که معمولاً 3.3V تا 5V کار می‌کنند) نیز استفاده شود. ESP32 دارای یک رگولاتور 3.3V داخلی است که برای تغذیه خود برد و سایر سنسورها (در صورت نیاز) استفاده می‌شود.
• سنسور BME280 (I2C): این سنسور از پروتکل I2C استفاده می‌کند که تنها به دو سیم داده (SDA) و ساعت (SCL) نیاز دارد. همچنین نیاز به تغذیه (VCC) و زمین (GND) دارد.
• ماژول سنسور pH (آنالوگ): ماژول‌های pH مانند DFRobot Gravity Analog pH Sensor Kit V2، یک خروجی آنالوگ ولتاژ (0-3.3V یا 0-5V) متناسب با pH اندازه‌گیری شده تولید می‌کنند. این خروجی باید به یکی از پین‌های ADC آنالوگ ESP32 متصل شود. ماژول نیز نیاز به تغذیه (VCC) و زمین (GND) دارد.
• زمین مشترک (Common Ground): تمام قطعات (ESP32، سنسورها، منبع تغذیه) باید دارای یک نقطه زمین مشترک باشند تا ولتاژهای مرجع برای اندازه‌گیری‌ها و ارتباطات یکسان باشد. این امر در محیط‌های صنعتی برای کاهش نویز بسیار مهم است.

جدول پین‌مپ (ESP32 DevKitC V4)

نکته: پین‌های GPIO 21 (SDA) و GPIO 22 (SCL) پین‌های پیش‌فرض I2C در اکثر بردهای ESP32 هستند. پین GPIO 34 یکی از پین‌های فقط ورودی ADC است که برای خواندن سنسور آنالوگ ایده‌آل است.

توضیح زمین (Ground) و ولتاژ (Voltage)

• زمین (GND): تمام قطعات الکترونیکی باید یک نقطه مرجع ولتاژ مشترک داشته باشند که به آن زمین (GND) می‌گویند. این اتصال مشترک به ESP32 کمک می‌کند تا ولتاژهای دریافتی از سنسورها را به درستی تفسیر کند. در محیط‌های صنعتی، اطمینان از اتصالات زمین محکم و استفاده از کابل‌های شیلددار برای سنسورهای آنالوگ، نویز را به حداقل می‌رساند.
• ولتاژ (VCC / 3V3 / 5V):
  • 5V: این ولتاژ معمولاً از طریق پورت USB یا یک منبع تغذیه خارجی به برد ESP32 وارد می‌شود. می‌توانید از پین 5V روی برد ESP32 برای تغذیه ماژول‌های ۵ ولتی (مانند برخی ماژول‌های pH) استفاده کنید.
  • 3V3: ESP32 خود با ولتاژ 3.3V کار می‌کند و دارای یک رگولاتور داخلی برای تبدیل 5V به 3.3V است. پین 3V3 روی برد، ولتاژ 3.3V رگوله شده را فراهم می‌کند که برای تغذیه سنسورهایی مانند BME280 که با 3.3V کار می‌کنند، مناسب است. اکثر سنسورهای مدرن با 3.3V سازگار هستند.
  • اهمیت تغذیه پایدار: در محیط‌های صنعتی، نوسانات ولتاژ می‌تواند مشکل‌ساز باشد. استفاده از منبع تغذیه با کیفیت صنعتی و اطمینان از فیلتر مناسب (مانند خازن‌های بای‌پس) در نزدیکی سنسورها و میکروکنترلر برای حفظ پایداری سیستم ضروری است.

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

این بخش شامل کد نمونه برای راه‌اندازی سنسورها و ارسال داده‌ها از طریق بلوتوث است. ابتدا یک نسخه MVP (Minimum Viable Product) و سپس ویژگی‌های پیشرفته‌تر ارائه می‌شود.

کتابخانه‌های مورد نیاز:

• BluetoothSerial.h: این کتابخانه برای ارتباط بلوتوث سریال بر روی ESP32 به صورت پیش‌فرض نصب شده است.
• Wire.h: کتابخانه استاندارد آردوینو برای ارتباط I2C که برای BME280 لازم است.
• Adafruit_Sensor.h: کتابخانه پایه برای سنسورهای Adafruit. (توسط کتابخانه BME280 استفاده می‌شود)
• Adafruit_BME280.h: کتابخانه اختصاصی برای سنسور BME280.

نحوه نصب کتابخانه‌ها: در Arduino IDE، به مسیر Sketch > Include Library > Manage Libraries... بروید و کتابخانه‌های "Adafruit BME280" را جستجو و نصب کنید. کتابخانه Wire.h و BluetoothSerial.h به صورت پیش‌فرض با نصب پلتفرم ESP32 در دسترس هستند.

کد MVP (Minimum Viable Product)

این کد پایه، مقادیر pH، دما و رطوبت را می‌خواند و از طریق بلوتوث سریال ارسال می‌کند.

#include <BluetoothSerial.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BME280.h>

// --- تعریف پین‌ها ---
#define pH_ANALOG_PIN 34 // GPIO 34 برای سنسور آنالوگ pH (ADC1_CH6)

// --- تنظیمات سنسور BME280 ---
#define BME_SCK 22   // SCL pin
#define BME_MISO -1  // Not used for I2C
#define BME_MOSI -1  // Not used for I2C
#define BME_CS -1    // Not used for I2C
#define BME_SDA 21   // SDA pin
#define SEALEVELPRESSURE_HPA (1013.25) // فشار متوسط سطح دریا برای محاسبه ارتفاع

Adafruit_BME280 bme; // آبجکت BME280

// --- تنظیمات سنسور pH ---
// کالیبراسیون pH (به صورت دستی بر اساس آزمایش)
// این مقادیر باید با استفاده از محلول های بافر pH 7 و 4 کالیبره شوند.
// برای شروع، از مقادیر پیش فرض استفاده کنید و سپس تنظیم کنید.
const float V_pH7_CAL = 1.50; // ولتاژ خوانده شده از سنسور در pH 7.0
const float V_pH4_CAL = 2.05; // ولتاژ خوانده شده از سنسور در pH 4.0
// Slope = (7 - 4) / (V_pH7_CAL - V_pH4_CAL) = 3 / (1.50 - 2.05) = 3 / -0.55 = -5.45
// Offset = 7 - Slope * V_pH7_CAL = 7 - (-5.45 * 1.50) = 7 + 8.175 = 15.175

BluetoothSerial SerialBT;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  SerialBT.begin("ESP32_pH_Monitor"); // نام دستگاه بلوتوث

  // --- راه اندازی BME280 ---
  Wire.begin(BME_SDA, BME_SCK); // پین های SDA, SCL برای I2C
  if (!bme.begin(0x76)) { // آدرس I2C سنسور BME280 (ممکن است 0x77 هم باشد)
    Serial.println("Could not find a valid BME280 sensor, check wiring!");
    SerialBT.println("BME280 Error!");
    while (1);
  }
  Serial.println("BME280 sensor initialized.");

  // --- تنظیمات ADC برای pH ---
  // ESP32 ADC resolution is 12-bit by default (0-4095)
  // ADC range for ESP32 DevKitC V4 is typically 0-3.3V when reference is 3.3V
  analogReadResolution(12); // تنظیم رزولوشن ADC به 12 بیت
  analogSetAttenuation(ADC_11db); // تنظیم تضعیف کننده ADC برای ورودی 0-3.3V
  Serial.println("ADC for pH sensor initialized.");
}

void loop() {
  // --- خواندن سنسور pH ---
  int raw_ph_val = analogRead(pH_ANALOG_PIN);
  float voltage = raw_ph_val * (3.3 / 4095.0); // تبدیل به ولتاژ (با فرض مرجع 3.3V)

  // محاسبه pH با استفاده از فرمول خطی کالیبره شده
  // pH = Offset + Slope * Voltage
  float pH = 15.175 + (-5.45 * voltage); // مقادیر Offset و Slope از کالیبراسیون بالا

  // --- خواندن سنسور BME280 ---
  float temperature = bme.readTemperature();
  float humidity = bme.readHumidity();

  // --- نمایش و ارسال داده ها ---
  String data = "pH: " + String(pH, 2) + 
                " | Temp: " + String(temperature, 2) + " C" +
                " | Hum: " + String(humidity, 2) + " %";

  Serial.println(data); // ارسال به سریال مانیتور
  SerialBT.println(data); // ارسال از طریق بلوتوث

  delay(5000); // هر 5 ثانیه یکبار بخواند
}

نکات پیکربندی MVP:

• کالیبراسیون pH: مقادیر V_pH7_CAL و V_pH4_CAL باید دقیقاً با کالیبره کردن سنسور pH شما با محلول‌های بافر 7 و 4 pH (در دمای محیط) به دست آیند. این ولتاژها را با قرار دادن پروب در هر محلول و خواندن voltage از طریق Serial Monitor ثبت کنید. سپس مقادیر Offset و Slope را در کد به‌روزرسانی کنید.
• آدرس I2C برای BME280: آدرس 0x76 رایج است، اما برخی ماژول‌ها از 0x77 استفاده می‌کنند. اگر سنسور پیدا نشد، هر دو را امتحان کنید.
• نام بلوتوث: SerialBT.begin("ESP32_pH_Monitor") نامی است که دستگاه‌های دیگر هنگام اسکن بلوتوث مشاهده می‌کنند.

کد پیشرفته (با ویژگی‌های صنعتی)

این نسخه شامل ویژگی‌هایی مانند میانگین‌گیری (Averaging) برای بهبود دقت، تشخیص خطای سنسور، Watchdog Timer برای پایداری و مدیریت اتصال بلوتوث است.

#include <BluetoothSerial.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_Sensor.h>
#include <Adafruit_BME280.h>
#include <esp_task_wdt.h> // برای Watchdog Timer

// --- تعریف پین‌ها ---
#define pH_ANALOG_PIN 34 
#define LED_BUILTIN 2 // LED داخلی ESP32 برای نشانگر وضعیت

// --- تنظیمات سنسور BME280 ---
#define BME_SDA 21
#define BME_SCK 22
Adafruit_BME280 bme;

// --- تنظیمات سنسور pH ---
const float V_pH7_CAL = 1.50; // ولتاژ کالیبره شده در pH 7.0
const float V_pH4_CAL = 2.05; // ولتاژ کالیبره شده در pH 4.0
// محاسبه Slope و Offset
const float pH_SLOPE = (7.0 - 4.0) / (V_pH7_CAL - V_pH4_CAL);
const float pH_OFFSET = 7.0 - (pH_SLOPE * V_pH7_CAL);

#define NUM_READINGS 10 // تعداد نمونه برای میانگین‌گیری
#define MEASURE_INTERVAL_MS 5000 // فاصله زمانی بین هر خواندن کامل (میلی‌ثانیه)
#define WDT_TIMEOUT_SECONDS 10 // زمان Watchdog Timer (ثانیه)

BluetoothSerial SerialBT;
bool bme_initialized = false;
unsigned long lastMeasureTime = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // LED خاموش

  // --- راه اندازی Watchdog Timer ---
  esp_task_wdt_init(WDT_TIMEOUT_SECONDS, true); // فعال کردن WDT با ریست سخت‌افزاری
  esp_task_wdt_add(NULL); // اضافه کردن وظیفه فعلی (setup/loop) به WDT

  SerialBT.begin("ESP32_pH_Industrial_Monitor");
  Serial.println("Bluetooth device name: ESP32_pH_Industrial_Monitor");

  // --- راه اندازی BME280 ---
  Wire.begin(BME_SDA, BME_SCK);
  if (bme.begin(0x76)) { // آدرس I2C سنسور BME280 (یا 0x77)
    Serial.println("BME280 sensor initialized successfully.");
    bme_initialized = true;
  } else {
    Serial.println("ERROR: Could not find BME280 sensor. Check wiring/address.");
    SerialBT.println("ERROR: BME280 sensor not found.");
    bme_initialized = false;
  }

  // --- تنظیمات ADC برای pH ---
  analogReadResolution(12); 
  analogSetAttenuation(ADC_11db); 
  Serial.println("ADC for pH sensor initialized.");
  
  digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // LED روشن برای نشان دادن آماده به کار بودن
  delay(1000);
  digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW);
}

void loop() {
  // تغذیه Watchdog Timer
  esp_task_wdt_reset();

  if (millis() - lastMeasureTime >= MEASURE_INTERVAL_MS) {
    lastMeasureTime = millis();

    digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // LED روشن برای نشان دادن خواندن داده

    // --- خواندن سنسور pH با میانگین گیری ---
    float sum_voltage = 0;
    for (int i = 0; i < NUM_READINGS; i++) {
      sum_voltage += analogRead(pH_ANALOG_PIN) * (3.3 / 4095.0);
      delay(10); // تاخیر کوچک برای ثبات ADC
    }
    float avg_voltage = sum_voltage / NUM_READINGS;
    float pH = pH_OFFSET + (pH_SLOPE * avg_voltage);

    // --- خواندن سنسور BME280 ---
    float temperature = NAN;
    float humidity = NAN;

    if (bme_initialized) {
      temperature = bme.readTemperature();
      humidity = bme.readHumidity();
    } else {
      Serial.println("BME280 not initialized. Skipping T/H readings.");
    }

    // --- فرمت و ارسال داده ---
    String data = "pH: ";
    if (!isnan(pH)) data += String(pH, 2); else data += "N/A";
    
    data += " | Temp: ";
    if (!isnan(temperature)) data += String(temperature, 2) + " C"; else data += "N/A";

    data += " | Hum: ";
    if (!isnan(humidity)) data += String(humidity, 2) + " %"; else data += "N/A";
    
    Serial.println(data);
    SerialBT.println(data);

    digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // LED خاموش
  }

  // مدیریت اتصال بلوتوث
  if (SerialBT.has
    Client()) {
    // می‌توانید داده‌های ورودی از کلاینت بلوتوث را نیز بخوانید
    // while (SerialBT.available()) {
    //   Serial.write(SerialBT.read());
    // }
  }
}

نکات پیکربندی کد پیشرفته:

• Watchdog Timer (WDT): برای افزایش پایداری، از WDT استفاده شده است. اگر برنامه برای مدت زمان WDT_TIMEOUT_SECONDS متوقف شود، ESP32 به صورت خودکار ریست می‌شود. این یک مکانیسم حیاتی در سیستم‌های صنعتی است. اطمینان حاصل کنید که esp_task_wdt_reset(); به صورت منظم در حلقه loop() فراخوانی می‌شود.
• میانگین‌گیری (Averaging): خواندن چندین نمونه از سنسور pH و گرفتن میانگین آن‌ها (NUM_READINGS) به کاهش نویز و افزایش دقت اندازه‌گیری کمک می‌کند، به ویژه برای سیگنال‌های آنالوگ حساس.
• تشخیص خطا: بررسی می‌کند که آیا BME280 به درستی مقداردهی اولیه شده است. در صورت خطا، از خواندن آن صرف نظر می‌کند و مقادیر N/A را ارسال می‌کند. این از توقف برنامه به دلیل خرابی یک سنسور جلوگیری می‌کند.
• LED نشانگر وضعیت: LED داخلی ESP32 برای نمایش وضعیت "فعال" و "در حال خواندن/ارسال داده" استفاده می‌شود که برای عیب‌یابی اولیه مفید است.
• کالیبراسیون دقیق pH: برای کاربردهای صنعتی، کالیبراسیون دو نقطه‌ای یا سه نقطه‌ای pH بسیار مهم است. مقادیر V_pH7_CAL و V_pH4_CAL باید با استفاده از محلول‌های بافر استاندارد و اندازه‌گیری ولتاژ توسط ESP32 تنظیم شوند.

E. راهنمای نصب IDE و آپلود

برای برنامه‌نویسی ESP32 از Arduino IDE استفاده می‌کنیم. این محیط کاربری ساده‌ای دارد و برای شروع مناسب است.

۱. نصب Arduino IDE

• به وب‌سایت رسمی Arduino IDE (www.arduino.cc/en/software) بروید.
• نسخه مناسب سیستم عامل خود (Windows, macOS, Linux) را دانلود و نصب کنید.

۲. اضافه کردن پلتفرم ESP32 به Arduino IDE

1. Arduino IDE را باز کنید.
2. به مسیر File > Preferences بروید.
3. در کادر Additional Board Manager URLs، آدرس زیر را وارد کنید:

   https://raw.githubusercontent.com/espressif/arduino-esp32/gh-pages/package_esp32_index.json

   اگر آدرس دیگری از قبل وجود دارد، با کاما (,) جدا کنید.
4. OK را بزنید.
5. به مسیر Tools > Board > Board Manager... بروید.
6. در کادر جستجو، esp32 را تایپ کنید.
7. بسته esp32 by Espressif Systems را انتخاب و Install را بزنید. این فرآیند ممکن است چند دقیقه طول بکشد.

۳. نصب درایور USB به سریال

برخی بردهای ESP32 از چیپ‌های مبدل USB به سریال مانند CP210x یا CH340 استفاده می‌کنند. معمولاً این درایورها به صورت خودکار نصب می‌شوند، اما اگر با مشکل مواجه شدید:

• برای CP210x: به وب‌سایت Silicon Labs مراجعه کرده و درایور CP210x را دانلود و نصب کنید.
• برای CH340/CH341: درایور CH340 را جستجو کرده و نصب کنید.

پس از اتصال ESP32 به کامپیوتر، باید پورت COM جدیدی را در Device Manager (ویندوز) یا /dev/cu.usbserial-XXXX (macOS) مشاهده کنید.

۴. انتخاب برد و پورت

1. ESP32 را از طریق کابل Micro USB به کامپیوتر خود متصل کنید.
2. در Arduino IDE، به مسیر Tools > Board بروید و ESP32 Arduino > ESP32 Dev Module را انتخاب کنید.
3. در مسیر Tools > Port، پورت COM مربوط به ESP32 خود را انتخاب کنید (معمولاً دارای نام "USB-SERIAL CH340" یا "CP210x USB to UART Bridge" است).
4. (اختیاری اما توصیه شده) تنظیمات اضافی مانند Upload Speed (921600 یا 115200) و Flash Mode (QIO/DIO) را بررسی کنید. معمولاً تنظیمات پیش‌فرض برای ESP32 Dev Module مناسب هستند.

۵. نصب کتابخانه‌های سنسور

1. در Arduino IDE، به مسیر Sketch > Include Library > Manage Libraries... بروید.
2. در کادر جستجو، Adafruit BME280 را جستجو و نصب کنید. اطمینان حاصل کنید که هر دو کتابخانه Adafruit Unified Sensor و Adafruit BME280 Library نصب شوند.

۶. آپلود کد

1. کد ارائه شده در بخش D را در Arduino IDE کپی و جایگذاری کنید.
2. روی دکمه Verify (تیک) کلیک کنید تا کد کامپایل شود و خطاهای احتمالی بررسی شود.
3. روی دکمه Upload (فلش به سمت راست) کلیک کنید.
4. هنگامی که پیام Connecting.... را در پنجره خروجی مشاهده کردید، دکمه BOOT (گاهی اوقات با نام FLASH) روی برد ESP32 را نگه داشته و سپس دکمه EN (ریست) را فشار دهید و رها کنید (در برخی بردها ممکن است تنها نگه داشتن دکمه BOOT کافی باشد). سپس دکمه BOOT را رها کنید. ESP32 وارد حالت فلش (Flash Mode) می‌شود و آپلود آغاز می‌گردد.
5. پس از اتمام آپلود، پیام Done uploading. را مشاهده خواهید کرد. دکمه EN (ریست) را فشار دهید تا ESP32 ریست شده و برنامه جدید اجرا شود.

نکته: در برخی از بردهای DevKitC V4 جدیدتر، نیازی به نگه داشتن دکمه BOOT نیست و آپلود به صورت خودکار انجام می‌شود.

F. چک‌لیست عیب‌یابی، خطاهای رایج و تست مرحله‌ای

عیب‌یابی سیستم‌های الکترونیکی، به خصوص در محیط‌های صنعتی، یک مهارت کلیدی است. این بخش به شما کمک می‌کند تا مشکلات رایج را شناسایی و برطرف کنید.

چک‌لیست عیب‌یابی عمومی

• برق و تغذیه:
  • آیا ESP32 برق کافی دریافت می‌کند؟ (LED پاور روشن است؟)
  • ولتاژ تغذیه سنسورها صحیح است؟ (مثلاً 3.3V برای BME280 و ماژول pH)
  • همه قطعات زمین مشترک (GND) دارند؟
• سیم‌بندی:
  • تمام اتصالات محکم و صحیح هستند؟ (به خصوص پین‌های I2C و آنالوگ)
  • هیچ سیمی قطع نشده یا اتصال کوتاه ندارد؟
  • مطابقت پین‌های جدول C را دوباره بررسی کنید.
• Arduino IDE:
  • برد صحیح انتخاب شده است؟ (ESP32 Dev Module)
  • پورت COM صحیح انتخاب شده است؟
  • درایور USB به سریال نصب و فعال است؟
  • کتابخانه‌های مورد نیاز نصب شده‌اند و آپدیت هستند؟

خطاهای رایج و راه‌حل‌ها

• خطای "Failed to connect to ESP32: Timed out waiting for packet header" / "A fatal error occurred: Failed to connect to ESP32: Wrong boot mode detected."
  • علت: ESP32 در حالت بوت‌لودر نیست یا پورت COM اشتباه است.
  • راه‌حل: هنگام آپلود (بعد از مشاهده "Connecting....") دکمه BOOT را روی برد نگه دارید، سپس دکمه EN را یک بار فشار دهید و رها کنید، سپس دکمه BOOT را رها کنید. پورت COM را در Tools > Port بررسی کنید.
• خطای "BME280 sensor not found." در Serial Monitor.
  • علت: سنسور BME280 به درستی متصل نیست یا آدرس I2C آن اشتباه است.
  • راه‌حل: سیم‌بندی SDA و SCL را بررسی کنید. آدرس I2C را از 0x76 به 0x77 یا بالعکس در کد تغییر دهید و امتحان کنید. (برنامه I2C scanner می‌تواند به شناسایی آدرس کمک کند.)
• مقادیر pH، دما یا رطوبت غیرمنطقی یا ثابت هستند.
  • علت: سنسور به درستی کالیبره نشده، خرابی سنسور، یا مشکل در خواندن ADC.
  • راه‌حل برای pH: کالیبراسیون pH را با محلول‌های بافر 7 و 4 مجدداً انجام دهید و مقادیر V_pH7_CAL و V_pH4_CAL را در کد به‌روز کنید. مطمئن شوید پروب pH تمیز و سالم است.
  • راه‌حل برای BME280: سیم‌بندی و تغذیه سنسور را بررسی کنید. ممکن است سنسور آسیب دیده باشد.
• بلوتوث دستگاه ESP32 را پیدا نمی‌کند.
  • علت: نام بلوتوث در کد متفاوت است، بلوتوث ESP32 فعال نشده یا ESP32 روشن نیست.
  • راه‌حل: مطمئن شوید که SerialBT.begin("YOUR_DEVICE_NAME") با نامی که در دستگاه موبایل/کامپیوتر جستجو می‌کنید، مطابقت دارد. ESP32 را ریست کنید.

تست مرحله‌ای (به ترتیب)

1. تست برد ESP32 (بدون سنسور):
   • کد "Blink" را روی ESP32 آپلود کنید. مطمئن شوید که LED داخلی چشمک می‌زند.
   • یک کد ساده برای چاپ "Hello World" در Serial Monitor و BluetoothSerial بنویسید و عملکرد آن‌ها را بررسی کنید.
2. تست سنسور BME280:
   • فقط سنسور BME280 را به ESP32 وصل کنید (طبق جدول پین‌مپ).
   • از مثال‌های کتابخانه Adafruit BME280 (مثل bme280_test) استفاده کنید و مطمئن شوید که دما و رطوبت به درستی خوانده می‌شوند.
3. تست ماژول pH:
   • فقط ماژول pH را به ESP32 وصل کنید (طبق جدول پین‌مپ).
   • یک کد ساده بنویسید که فقط ورودی آنالوگ از پین pH را بخواند و ولتاژ مربوطه را در Serial Monitor نمایش دهد.
   • پروب را در محلول‌های بافر 7 و 4 pH قرار دهید و ولتاژهای مربوطه را برای کالیبراسیون ثبت کنید.
4. تست سیستم کامل:
   • تمام سنسورها را متصل کرده و کد پیشرفته را آپلود کنید.
   • Serial Monitor را باز کنید و مطمئن شوید که تمام داده‌ها (pH، دما، رطوبت) به درستی نمایش داده می‌شوند.
   • از طریق گوشی یا کامپیوتر با بلوتوث به ESP32 وصل شوید و مطمئن شوید که داده‌ها به درستی دریافت می‌شوند.

G. توان و ایمنی (مصرف، تغذیه، ESD)

در محیط نیروگاه و اسکید موتور، پایداری و ایمنی سیستم از اهمیت بالایی برخوردار است. این ملاحظات باید در طراحی و پیاده‌سازی لحاظ شوند.

مصرف توان

• ESP32: در حالت فعال (با Wi-Fi/Bluetooth فعال و پردازنده در حال کار) می‌تواند بین ۸۰ تا ۲۰۰ میلی‌آمپر جریان مصرف کند. در حالت Deep Sleep این مصرف به چند میکروآمپر کاهش می‌یابد (اما برای این کاربرد که پایش پیوسته نیاز است، Deep Sleep مناسب نیست).
• BME280: مصرف جریان بسیار پایین، حدود 1 میلی‌آمپر در حالت فعال.
• ماژول pH: بسته به نوع ماژول، معمولاً بین ۱۰ تا ۵۰ میلی‌آمپر.
• مجموع تقریبی: در حالت اوج (همزمان با بلوتوث فعال و خواندن سنسورها)، کل سیستم ممکن است حدود ۱۵۰ تا ۳۰۰ میلی‌آمپر در ولتاژ ۵ ولت مصرف کند.

تغذیه (Power Supply)

• ولتاژ ورودی: ESP32 نیاز به تغذیه 5V DC دارد (از طریق پورت USB یا پین VIN).
• منبع تغذیه صنعتی: برای محیط نیروگاه، استفاده از یک منبع تغذیه صنعتی DIN Rail با خروجی 5V DC (یا 12/24V DC با یک ماژول کاهنده به 5V DC) به شدت توصیه می‌شود. این منابع تغذیه معمولاً مقاوم در برابر نویز، نوسانات ولتاژ و دماهای کاری صنعتی هستند.
• فیلترینگ و رگولاسیون: اطمینان از کیفیت منبع تغذیه و استفاده از خازن‌های فیلتر مناسب (مثلاً 100uF الکترولیتی و 0.1uF سرامیکی نزدیک به ESP32 و سنسورها) برای کاهش نویز و پایداری ولتاژ ضروری است.

ایمنی (Safety) و محافظت ESD (Electrostatic Discharge)

• محفظه صنعتی (Enclosure): استفاده از یک محفظه با درجه حفاظت IP65 یا بالاتر (ضد آب و گرد و غبار) برای محافظت از قطعات الکترونیکی در برابر عوامل محیطی سخت الزامی است. این محفظه باید در برابر ضربه و لرزش نیز مقاوم باشد.
• حفاظت ESD:
  • زمین کردن صحیح: تمام شیلدهای کابل‌ها و محفظه فلزی باید به درستی زمین شوند.
  • دیودهای TVS (Transient Voltage Suppressor): در ورودی‌های پین‌های GPIO که به کابل‌های بلند یا خارج از محفظه متصل می‌شوند، استفاده از دیودهای TVS توصیه می‌شود تا از برد در برابر شوک‌های الکترواستاتیک و نوسانات ولتاژ محافظت شود.
  • مقاومت‌های سری: قرار دادن مقاومت‌های کوچک (مثلاً 100-220 اهم) به صورت سری در مسیر سیگنال‌های ورودی/خروجی GPIO می‌تواند به محدود کردن جریان ESD کمک کند.
  • طراحی PCB: در صورت طراحی PCB اختصاصی، از لایه‌های زمین گسترده (Ground Planes) و فواصل مناسب بین ترک‌ها برای مقاومت بهتر در برابر ESD استفاده کنید.
• ایزولاسیون (Isolation): در صورت نیاز به اتصال به سیستم‌های با ولتاژ بالاتر یا منابع نویز شدید، استفاده از ایزولاتورهای نوری (Optocouplers) یا ایزولاتورهای دیجیتال (Digital Isolators) برای جداسازی گالوانیکی بین ESP32 و مدارهای خارجی، می‌تواند پایداری را به شدت افزایش دهد. (برای این پروژه خاص، در صورت استفاده از ماژول‌های آماده سنسور که ولتاژ پایین هستند، ممکن است نیاز نباشد، اما در طراحی‌های صنعتی سفارشی باید مد نظر قرار گیرد.)
• مدیریت کابل: استفاده از کابل‌های شیلددار برای سنسورهای آنالوگ و جدا کردن کابل‌های سیگنال از کابل‌های برق برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI/RFI) ضروری است.

H. پیشنهاد ارتقا و جایگزین‌ها

این سیستم پایه، یک نقطه شروع قدرتمند برای پایش صنعتی است. در ادامه، پیشنهادهایی برای ارتقا و جایگزینی قطعات برای افزایش قابلیت‌ها، پایداری و مطابقت با استانداردهای صنعتی ارائه می‌شود.

پیشنهادات ارتقا

• ارتباط سیمی صنعتی (Modbus RTU/TCP یا EtherNet/IP): در محیط‌های صنعتی، ارتباطات سیمی معمولاً از پایداری و امنیت بیشتری برخوردارند.
  • Modbus RTU (RS-485): اضافه کردن یک ماژول RS-485 (مانند MAX485) برای ارتباط با PLC یا DCS از طریق پروتکل Modbus RTU. این یک استاندارد صنعتی بسیار رایج است.
  • Modbus TCP/IP (Ethernet): در صورت نیاز به ارتباط اترنت، می‌توان از ماژول‌های اترنت برای ESP32 استفاده کرد. ESP32 دارای Wi-Fi است که می‌تواند برای Modbus TCP نیز استفاده شود، اما کابل اترنت در صنعت مطمئن‌تر است.
• ذخیره‌سازی داده (Data Logging): افزودن ماژول کارت MicroSD برای ذخیره داده‌های pH، دما و رطوبت به صورت محلی در صورت قطع ارتباط شبکه یا برای تحلیل‌های آفلاین.
• یکپارچه‌سازی با فضای ابری (Cloud Integration): استفاده از Wi-Fi داخلی ESP32 برای ارسال داده‌ها به پلتفرم‌های ابری IoT مانند AWS IoT، Google Cloud IoT Core یا Microsoft Azure IoT Hub با پروتکل MQTT.
• نمایشگر محلی: اگرچه در ابتدا درخواست نشده بود، یک نمایشگر کوچک OLED یا LCD می‌تواند برای نمایش لحظه‌ای داده‌ها و وضعیت سیستم در محل، مفید باشد.
• کالیبراسیون اتوماتیک pH: پیاده‌سازی یک مکانیزم کالیبراسیون نیمه‌خودکار یا خودکار pH با استفاده از شیرهای سلونوئید و پمپ‌های کوچک برای تزریق محلول‌های بافر (پیچیدگی بالایی دارد).
• ارتقاء سنسورها: استفاده از پروب‌های pH صنعتی با عمر طولانی‌تر، دقت بالاتر و مقاومت در برابر آلودگی. همچنین سنسورهای دما/رطوبت صنعتی مانند RTD یا ترموکوپل‌های مقاوم‌تر.

جایگزین‌های سطح بالاتر (برای پیاده‌سازی‌های صنعتی پیشرفته)

• ماژول‌های ESP32 با گواهینامه صنعتی: به جای برد DevKitC V4، از ماژول‌های ESP32 با طراحی و قطعات مقاوم‌تر در برابر دما و نویز (مانند ماژول‌های ESP32 از شرکت‌هایی مانند Seeed Studio's Industrial IoT series) استفاده کنید. این ماژول‌ها معمولاً برای ادغام در سیستم‌های نهایی مناسب‌تر هستند.
• PLC (Programmable Logic Controller): برای کاربردهای حیاتی و پیچیده در نیروگاه، یک PLC یک گزینه قدرتمندتر و بسیار پایدارتر است. PLCها دارای ورودی/خروجی آنالوگ/دیجیتال صنعتی، زبان برنامه‌نویسی استاندارد (مانند Ladder Logic) و مقاومت فوق‌العاده در برابر شرایط سخت محیطی هستند. مزیت آن این است که نیازی به برد ESP32 نخواهید داشت و می‌توان سنسورهای صنعتی را مستقیماً به آن متصل کرد.
• Computer-on-Module (COM) صنعتی: در صورتی که نیاز به پردازش داده‌های پیچیده‌تر، اجرای سیستم عامل لینوکس، و قابلیت‌های شبکه گسترده‌تر باشد، استفاده از ماژول‌های کامپیوتری صنعتی (مانند RIoTboard یا برخی بردهای ARM صنعتی) می‌تواند گزینه‌ای مناسب باشد.
• Microcontroller پیشرفته با ADC دقیق: میکروکنترلرهایی مانند STM32H7 (با ADC های 16 بیتی بسیار دقیق) می‌توانند برای کاربردهایی که دقت اندازه‌گیری pH در حد میکروسکوپی مورد نیاز است، جایگزین ESP32 شوند. البته پیچیدگی توسعه در آن‌ها بیشتر است.

انتخاب بین این جایگزین‌ها بستگی به بودجه، نیاز به پایداری، دقت مورد نیاز و اکوسیستم موجود در نیروگاه دارد. برای یک پروژه با مهارت "پیشرفته" که هدف آن پایداری در صنعت است، همیشه باید به فراتر از نمونه اولیه فکر کرد و به سمت راه‌حل‌های مقاوم و صنعتی حرکت کرد.