NFT hidroponik yöntemi kullanarak IoT tabanlı akıllı tarım uygulaması

Abstract

Bu tez çalışmasında, kapalı ortam koşullarında çalıştırılmak üzere Besin Film Tekniği (NFT – Nutrient Film Technique) kullanan, IoT tabanlı akıllı bir hidroponik sistemin tasarımı, gerçekleştirilmesi ve deneysel doğrulaması ele alınmıştır. Geleneksel topraksız tarım uygulamalarında karşılaşılan su ve besin israfı, çevresel parametrelerin yetersiz kontrolü ve işletim sürekliliği problemlerine çözüm sunmak amacıyla, gömülü sistemler ve nesnelerin interneti teknolojilerini temel alan bütüncül bir sistem mimarisi geliştirilmiştir. Geliştirilen sistemin çekirdek yapısı, ESP32 tabanlı bir gömülü kontrol birimi üzerine inşa edilmiştir. pH, TDS/EC, besin çözeltisi sıcaklığı, ortam sıcaklığı ve nemi, ışık şiddeti, akış hızı ve tank seviyesi gibi kritik parametreler çoklu sensör mimarisi ile gerçek zamanlı olarak izlenmiştir. Analog sensörlerden yüksek çözünürlüklü ve kararlı ölçüm elde edebilmek amacıyla ADS1115 harici ADC modülü kullanılmış; sensör doğruluğu iki noktalı kalibrasyon yöntemleriyle artırılmıştır. Toplanan sensör verileri MQTT protokolü aracılığıyla sunucu katmanına aktarılmış; veri işleme, kayıt ve görselleştirme işlemleri Node-RED, InfluxDB ve Grafana altyapıları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ayrıca sistemin uzaktan izlenmesi ve manuel kontrolü için Flutter tabanlı bir mobil uygulama geliştirilmiştir. Sistem yazılımı, manuel, otomatik ve kalibrasyon modlarını içeren Sonlu Durum Makinesi (FSM) tabanlı bir kontrol mimarisi ile yapılandırılmıştır. Otomatik modda, sensör verilerine dayalı olarak besin dozajı, pH ayarlaması, aydınlatma ve iklimlendirme işlemleri yerel karar mekanizmaları ile güvenli biçimde yürütülmüş; kontrol çatışmalarını önlemeye yönelik yazılımsal kilit ve emniyet senaryoları uygulanmıştır. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalar kapsamında sensör kalibrasyonu, histerezis davranışı, sirkülasyon arızası algılama, ağ kopukluğu ve uzun dönemli veri kararlılığı test edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, geliştirilen sistemin kararlı, güvenilir ve ağ bağlantısından bağımsız olarak yerel kontrol fonksiyonlarını sürdürebilen bir yapı sunduğunu göstermektedir. Bu yönüyle çalışma, kontrollü ortam tarımı uygulamaları için ölçeklenebilir ve endüstriyel düzeyde uygulanabilir bir IoT tabanlı hidroponik sistem çözümü ortaya koymaktadır.In this thesis study, the design, implementation, and experimental validation of an IoT-based smart hydroponic system employing the Nutrient Film Technique (NFT) and intended to operate under controlled indoor conditions are presented. In order to address challenges commonly encountered in conventional soilless agriculture—such as water and nutrient wastage, insufficient control of environmental parameters, and operational continuity issues—a holistic system architecture based on embedded systems and Internet of Things technologies has been developed. The core structure of the proposed system is built around an ESP32-based embedded control unit. Critical parameters including pH, TDS/EC, nutrient solution temperature, ambient temperature and humidity, light intensity, flow rate, and tank level are monitored in real time using a multi-sensor architecture. To obtain high-resolution and stable measurements from analog sensors, an external ADS1115 analog-to-digital converter is employed, and sensor accuracy is enhanced through two-point calibration procedures. The acquired sensor data are transmitted to the server layer via the MQTT protocol, where data processing, logging, and visualization are carried out using Node-RED, InfluxDB, and Grafana platforms. In addition, a Flutter-based mobile application has been developed to enable remote monitoring and manual control of the system. The system software is structured using a Finite State Machine (FSM)-based control architecture comprising manual, automatic, and calibration modes. In automatic mode, nutrient dosing, pH adjustment, lighting, and climate control operations are executed safely through local decision-making mechanisms, while software-based interlocks and safety scenarios are implemented to prevent control conflicts. Experimental evaluations include sensor calibration validation, hysteresis behavior analysis, circulation failure detection, network disconnection scenarios, and long-term data stability tests. The results demonstrate that the proposed system operates in a stable and reliable manner and is capable of maintaining local control functionality independently of network connectivity. In this respect, the study presents a scalable and industrially applicable IoT-based hydroponic system solution for controlled environment agriculture.