Otomatik kalibrasyonlu elektro-mekanik online pH ve EC ölçer sistem tasarımı ve gerçeklemesi
Design and implementation of an automatic calibrated electromechanical online pH and EC meter system
Yazar: MEHMET ALİ HAZAR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SELÇUK COŞKUN
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Artan dünya nüfusu, iklim değişikliği ve toprak verimsizliği gibi etkenler, tarım alanlarının verimini olumsuz etkileyerek gıda üretimini zorlaştırmaktadır. Bu sorunlar, topraksız tarıma olan ilgiyi, gün geçtikçe arttırmaktadır.  Topraksız tarım, bitki köklerine su ve besin elementleri sağlamak için toprak kullanılmadan yapılan bir üretim yöntemidir. Akansu kültürü, bitkilerin su içerisinde yetiştirildiği bir topraksız tarım çeşididir. Bu yöntemde, çözeltinin pH ve EC değerleri sürekli olarak izlenerek bitkiye uygun değerlerde tutulmalıdır.
Mevcut topraksız tarım uygulamalarında genellikle sıvı içerisinde bulunan tank veya hat tipi pH ve EC metreler kullanılarak ölçümler yapılmaktadır.  pH ve EC metreler, doğru ölçüm sağlamak için her ölçüm öncesi kalibre edilmelidir. Mevcut uygulamalarda çoğunlukla, kalibrasyon işlemi çalışanlar tarafından yapılmaktadır. Bu durum, kalibrasyon sıklığının azalması, kalibrasyon sıvılarının elektrotlar temizlenmeden kullanılması sonucu değerlerinin değişmesi, kalibrasyon işleminin düzgün yapılmaması gibi ihtimallerin doğmasına ortam oluşturmaktadır. Ek olarak elektrotların sürekli olarak çözelti içinde bulunması, kullanım ömürlerinin hızlı bir şekilde azalmasına sebep olmaktadır.
Yapılan çalışmada, manuel kalibrasyonlu cihazlara alternatif olarak tamamen otomatik iki nokta kalibrasyonlu, çözelti hattına paralel bağlanarak sürekli pH ve EC ölçümü yapabilen, programlanabilir dijital çıkışlara sahip elektromekanik bir sensör tasarlanmıştır. Ayrıca, ürün yaprak rengindeki anormal değer değişimlerini, pH ve EC değerleri ile eşleştirerek üreticiyi bilgilendiren bir görüntü işleme tabanlı sistem geliştirilmiştir.
Tasarlanan cihaz, mekanik ve elektronik sistemlerden oluşmaktadır. Mekanik sistem, alüminyum malzemeden üretilmiş ana gövde, step motor kontrollü hareketli mekanizma, kalibrasyon ve ölçüm işlemleri için 6 farklı istasyondan oluşmaktadır. Elektronik sistem, PIC18f45k22 ve ESP32 kontrollü elektronik kartları ve HMI ekranı içermektedir. 
Gerçekleştirilen sistem, otomatik kalibrasyon özelliği ile doğruluğu yüksek kararlı ölçümlere olanak sağlamış, belirtilen periyotlarda ölçüm yapıp, bekleme anlarında elektrotları ideal bekleme sıvılarında konumlandırdığı için elektrotların kullanım ömürlerini arttırmıştır. Ek olarak ortamın nem, sıcaklık ve karbondioksit ölçümlerini yaparak kullanıcıları olası olumsuz durumlar için bilgilendirmesi sağlanmıştır.

Abstract:
The increasing global population, coupled with factors such as climate change and soil infertility, adversely affects the productivity of agricultural areas, making food production more challenging. These challenges have progressively heightened interest in soilless agriculture. Soilless farming is a production method that provides water and nutrient elements to plant roots without the use of soil. Hydroponic culture is a type of soilless agriculture where plants are cultivated in water. In this method, the pH and EC values of the solution must be continuously monitored and maintained at suitable levels for the plant.
In current soilless farming applications, measurements are typically taken using tank or inline pH and EC meters immersed in liquid. pH and EC meters must be calibrated before each measurement to ensure accurate readings. In existing practices, calibration is often performed by operators. This situation creates the possibility of uncertainties such as reduced calibration frequency, changes in values due to the use of uncleaned electrodes with calibration solutions, and improper calibration procedures. Additionally, the continuous immersion of electrodes in the solution leads to a rapid decrease in their lifespan.
In the conducted study, an electromechanical sensor has been designed as an alternative to manually calibrated devices. This sensor features fully automatic two-point calibration, continuous measurement of pH and EC connected in parallel to the solution line, and programmable digital outputs. Additionally, an image processing-based system has been developed to inform the producer about abnormal changes in product leaf color by correlating them with pH and EC values.
The designed device consists of mechanical and electronic systems. The mechanical system comprises a main body made of aluminum, a step motor-controlled movable mechanism, and six different stations for calibration and measurement processes. The electronic system includes PIC18f45k22 and ESP32-controlled electronic boards and an HMI screen.
The implemented system, with its automatic calibration feature, enables high-precision and stable measurements. It conducts measurements at specified intervals and positions the electrodes in ideal storage solutions during idle times, thereby increasing the lifespan of the electrodes. Additionally, the system measures ambient humidity, temperature, and carbon dioxide levels, providing users with information about potential adverse conditions.