Как сделать датчик влажности почвы
Датчик влажности почвы (резистивный): инструкция по использованию и примеры
Используйте резистивный сенсор влажности почвы для создания систем автоматического полива растений. Датчик подойдёт для ухода за комнатными цветками и флоре на огороде. Не дайте своим растениям засохнуть!
Принцип работы
Датчик для измерения влажности почвы выполнен в виде вилки с двумя электродами, которыми погружается в грунт на расстояние до 40 мм. При подключении питания на электродах создаёться напряжение. Если почва сухая, её сопротивление велико и через датчик между электродами течёт слабый ток. Если земля влажная — её сопротивление становится меньше, а ток датчика между электродами соответственно увеличивается. По итоговому аналоговому сигналу можно судить о степени увлажнения почвы.
На показания датчика также влияют следующие факторы:
Электроды датчика покрыты золотом, чтобы предотвратить пассивную коррозию, когда он выключен. Избавиться от электролитической коррозии, вызванной протекающим током, невозможно, поэтому сенсор резистивного типа рекомендуется запитывать через силовой ключ. То есть, включать его только на время измерений, чтобы максимально продлить ресурс. В плане эксплуатации это доставляет неудобство, поэтому рекомендуем обратить внимания на ёмкостный датчик влажности почвы, который в силу своего исполнения неподвержен корозии.
Пример работы для Arduino и XOD
В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформу из серии Arduino, например Arduino Uno.
Схема устройства
Подключите датчик влажности почвы к аналоговому пину A0 платформы Arduino. Для коммуникации понадобятся соединительные провода «мама-папа».
Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Shield, которая одевается сверху на Arduino Uno методом бутерброда. Для коммуникации используйте трёхпроводной шлейф «мама-мама», который идёт в комплекте с датчиком.
Код для Arduino IDE
Прошейте платформу Arduino скетчем приведённым ниже.
После загрузки скетча, в Serial-порт будут выводиться текущие показания сенсора в 10-битном диапазоне.
Патч для XOD
После загрузки прошивки, в отладочной ноде watch будут выводиться текущие показания сенсора в диапазоне от 0 до 0,75:
Пример для Espruino
В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим платформы из серии Espruino, например Iskra JS.
Схема устройства
Подключите датчик влажности почвы к аналоговому пину A0 платформы Iskra JS. Для коммуникации понадобятся соединительные провода «мама-папа».
Для быстрой сборки и отладки устройства возьмите плату расширения Troyka Shield, которая одевается сверху на Iskra JS методом бутерброда. Для коммуникации используйте трёхпроводной шлейф «мама-мама», который идёт в комплекте с датчиком.
Исходный код
Прошейте платформу Iskra JS скриптом приведённым ниже.
После загрузки скрипта, в консоль будут выводиться текущие показания сенсора в диапазоне от 0 до 75%.
Пример для Raspberry Pi
В качестве мозга для считывания показаний с датчика рассмотрим одноплатные компьютеры Raspberry Pi, например Raspberry Pi 4.
Схема устройства
К сожалению в компьютере Raspberry Pi нет встроеенного аналого-цифрового преобразователя. Используйте плату расширения Troyka Cap, которое добавит малине аналоговые пины.
Подключите датчик влажности почвы к Raspberry Pi через плату расширения Troyka Cap к 3 пину. Для коммуникации используйте трёхпроводной шлейф «мама-мама», который идёт в комплекте с датчиком.
Программная настройка
Исходный код
Запустите скрипт на малине приведённым ниже.
После загрузки скрипта, в консоль малины будут выводиться текущие показания сенсора в диапазоне от 0 до 75%.
Элементы платы
Измерительные электроды
Датчик построен на основе транзисторного усилителя тока. Для измерения влажности почвы на датчике расположены два электрода, которые для проведения измерений необходимо воткнуть в почву. Электроды подключены в цепь между коллектором (точка SP) и базой (точка SN) встроенного транзистора на плате MMBT2222ALT1G.
При изменении влажности почвы, меняется сопротивление между базой и коллектором, к которому подключен положительный полюс источника питания. Соответственно меняется и протекающий ток от коллектора через эмиттер на землю. В результате изменяется и выходное аналоговое напряжение сенсора (точка OUT). Подробности найдёте на принципиальной схеме датчика.
Troyka-контакты
Датчик подключается к управляющей электронике через три провода.
Датчики влажности почвы своими руками
Влажность почвы во многом определяет условия всхожести сельскохозяйственных культур. Количество воды, содержащейся в грунте, определяют специальные датчики влажности почвы. Они широко применяются в сельском хозяйстве, при орошении земель, ботаническом садоводстве (см. рис.1).
Устройство детекторов влажности грунта
Для измерения используется объёмный или гравиметрический принцип. Почва состоит из воды, воздуха, минералов, органических веществ, а иногда и льда.
Как компонент, вода составляет определённый процент от общего количества вещества. Чтобы напрямую измерить содержание воды в почве, можно рассчитать процентное отношение по массе (гравиметрическое содержание воды), сравнив количество воды как массы с общей массой всего остального. Однако, поскольку этот метод является трудоемким, большинство исследователей используют датчики влажности почвы. (см. рис. 2).
Наиболее простой по конструкции ёмкостной датчик влажности почвы оценивает диэлектрическую проницаемость окружающей среды, которая является функцией содержания воды в почве. В конструкцию такого устройства входят:
Два электрода позволяют электрическому току проходить через почву и, в соответствии с фактическим значением сопротивления грунта, измеряют уровень его влажности. Третий контакт используется в качестве базы, устанавливающей значение критическое значение данного показателя. Когда воды больше, почва становится более электропроводной, следовательно, её сопротивление будет меньше. Сухая же почва снижает проводимость. Таким образом, выходное напряжение повышается вместе с увеличением уровня влажности почвы.
При объединении датчика влажности, контроллера и GSM-модема можно получить станцию мониторинга, которая не только измеряет необходимые параметры, но и отправляет результаты на сервер или с помощью СМС на телефон — в случае отклонений от нормы или периодически по времени (в зависимости от настроек). Пример такой установки приведен на рис.2.
Измеритель влажности почвы быстро может быть получен с помощью платы Arduino, преобразователя напряжения и щупа FC-28. Для изготовления такого устройства потребуются навыки программирования, так как такой комплект потребует написания программы и прошивки платы (см. рис. 3).
Принцип функционирования прибора
Исходный сигнал передаётся через токопроводящие щупы и усиливается. Потенциометр преобразует значение напряжения в диэлектрическую проницаемость, и усредняет полученные значения по длине щупов. Обычно детекторы имеют зону воздействия длиной 20…40 мм относительно нижней поверхности корпуса. С увеличением длины чувствительность (особенно на крайних участках) возрастает. Для обеспечения необходимой точности измерений датчики подвергают предварительной калибровке.
Датчик влажности почвы позволяет оценивать потери влаги с течением времени из-за её испарения и жизнедеятельности растений. Прибором можно контролировать содержание влаги в почве, управляя орошением в теплицах и других закрытых помещениях (см. рис. 4).
Для работы цифрового детектора его перед применением потребуется оснастить необходимым программным обеспечением.
Порядок применения
В большинстве современных конструкций датчиков предусматриваются и аналоговый, и цифровой выводы, которые следует подключить к щупам. Если выход – аналоговый, то на приборной панели будет указано значение влажности в процентах или относительных единицах. Если вывод – цифровой, то фактическое значение будет соотнесено с заданным. Если оно больше фактического, то на индикаторе высвечивается «1», а, если меньше – то «0».
Для цифровой техники важно установить необходимое программное обеспечение. Программа генерирует значение влажности в качестве выходного сигнала. Для калибровки используют различные типы почвы (минимум две — влажную и сухую), устанавливают требуемые границы влажности, после чего вставляют датчик в почву (см. рис. 5). Для приборов комбинированного типа рекомендуется проводить измерения сначала в аналоговом режиме, а затем в цифровом.
В зависимости от способа измерения щупы подключаются следующим образом:
Управляющий модуль, в который входит потенциометр, устанавливает пороговое значение, оно потом будет сравниваться компаратором. При достижении порогового значения влажности загорается выходной светодиод. Пользователь может устанавливать различные диапазоны значений влажности.
Как выбрать типоразмер детектора влаги
Прежде всего, устанавливают, какие из нижеследующих характеристик требуется получить:
Для выбора датчика важно верно принять тип почвы и её текстуру. Кроме того, точность показаний устройства ограничивается определённой площадью участка. Например, применительно к датчику влажности почвы для комнатных растений этот показатель несущественен, в то же время фермеру или агроному он весьма важен. Первичные сведения о типе грунта включают степень его засолённости (не более 10 дСм/м) и текстуру — форму и размеры составляющих его частиц, наличие слоёв, трещин и т.п. Точность работы возрастает, если прибор характеризуется минимальной чувствительностью к солям.
Тестирование детектора производят в следующей последовательности:
Если грунт – сухой, то для улучшения ввода щупов почву допускается использовать деревянный молоточек, но при этом удары не должны восприниматься корпусом прибора.
Бесконтактные влагомеры: особенности применения
Такие измерители используют для работы электромагнитные колебания. Чувствительные элементы располагаются на задней панели прибора, поэтому для применения эту панель необходимо разместить параллельно поверхности грунта на расстоянии 3…5 мм от неё. Интенсивность создающегося при этом электромагнитного поля пропорционально удельной электропроводности среды, которая, в свою очередь, зависит от её влажности.
Преимущества такого рода измерительной техники заключаются в том, что глубина проникновения электромагнитных воле не зависит от плотности ввода щупов почву, а зона измерения не носит точечного характера (см. рис. 6). За одно измерение влажность определяется для участка объёмом до 100 см3, поэтому потребное количество замеров снижается. Поскольку следов от применения бесконтактного влагомера не остаётся, он может использоваться для определения влажности грунта контролирующей организацией.
Как самостоятельно изготовить датчик влажности
Датчик влажности почвы своими руками может стать экономичной альтернативой аналогичным гаджетам, доступным на рынке.
Его можно собрать из металлических зондов, которые вставляются в блок из гипса. Сопротивление между этими материалами даст уровни влажности, которые будут считываться с помощью аналогового измерительного прибора. Процесс изготовления устройства несложен:
Все работы необходимо производить в тонких резиновых перчатках (так как кожа человека проводит электричество). Это исключает влияние посторонних факторов на итоговый результат.
Видео по теме
Постепенно дополняем систему «умного дома» на BLE новыми датчиками. В дело пошли антипотеряйки (маячки) ITAG. Как всегда, все просто и быстро.
Казалось бы, у нас в арсенале уже есть датчики, которые реагируют на наличие/отсутствие воды – протечки, уровня жидкости и даже емкостной, который так же неплохо справляется с такой функцией. Однако у всех этих датчиков есть своя специфика — при контакте с жидкостью они или теряют связь, или переключаются, или вовсе выключаются. Все эти положения хорошо отрабатывает база, но для построения системы контроля за влажностью почвы (полива) на постоянной основе они не годятся.
У датчика полива, контактная пара постоянно находится во влажной почве и те токи, которые устанавливаются на датчиках протечки и уровня жидкости могут вызвать быстрое гальваническое разрушение металла. Для этих целей хорошо бы подошел емкостной принцип, в нем нет непосредственного контакта почвы с металлом, и он все чаще используется в современных датчиках влажности. Но, к сожалению, у нашего емкостного датчика на основе сенсорной кнопки TTP223 прошивка настроена на автоматическую подстройку нулевой точки окружающего объема, т.е. плавное изменение влажности он правильно не отработает. Мы же постараемся ниже обойти эти препятствия сделав датчик способный реагировать на микроамперные токи, которыми можно пренебречь, но по чувствительности прибор выше чем именитые и дорогие емкостные датчики влажности.
За дело
В качестве донора в этом случае взята антипотеряйка iTAG с самой удобной схемотехникой для разрыва полюса питания батареи от окружающих элементов. Дорожку режем в наиболее удобном для этого месте.
Здесь мы в сласть используем все преимущества MOП транзисторов — большую эффективность работы при низких напряжениях, отсутствие тока затвора, что приводит к высокому входному импедансу. А если проще — МОП почти не требует входного тока для регулирования, точнее он нужен, но на очень короткое время и с небольшим потенциалом. Для нас с одной стороны это хорошо – подал на затвор импульс — затвор открылся, сохраняя такое положение пока не поменяется полярность. Но ее ведь должен кто-то менять. Это будет делать вода — точнее ее присутствие или отсутствие в почве.
Щупы (проводники) погруженные в почву напрямую подключены к положительному истоку и затвору. Когда почва влажная — замыкается цепь, плюсовой потенциал перекрывает затвор, не давая аккумулятору питать процессор. Для открытия затвора потребуется дополнительное сопротивление, которое с одной стороны максимально ограничивало бы поступление тока на затвор (мы помним, что он через воду может взаимодействовать с плюсом батарейки), с другой — было бы достаточным, чтобы открыть транзистор.
MOSFET с низким потреблением и напряжением на затворе дает возможность использовать резисторы с большим сопротивлением (1-2 МОм), я же использовал обратное сопротивление обычного SMD диода. Марка и номинал в данном случае не важен, важнее его размеры. Как Вы помните роль любого диода — перекрыть ток в одном из направлений, однако, того тока утечки, который присутствует в них достаточно, чтобы открыть затвор MOSFET-а. Если у кого-то есть подстроечный резистор, который бы комфортно разместился в корпусе брелока на один и более МОм было бы еще лучше, им можно было бы плавно регулировать чувствительность датчика. В нашем же случае, регулировка осуществляется за счет разведения кончиков проводов щупа.
Все это можно было бы не писать конечно, а просто показать точки пайки компонентов, но хотелось, чтобы те, кто возьмутся за такую простую работу (пайка двух элементов), хорошо представляли, что они делают и как это все работает.
Для облегчения процесса пайки SMD я использовал небольшие нарезки двухстороннего тонкого скотча. С одной стороны, они выступили в качестве изолятора, с другой – создали дополнительные удобства по фиксации деталей на плате. В общем — удобно.
В качестве щупа использовал поршень шприца, подрезанный на конус. Провод может быть любой, но лучше изолированный, мягкий и желательно чтобы изоляция была стойкая к воздействию растворителей.
Клей был выбран по принципу – что имею в доме и быстрее высыхает — «секунда» 505. Не самый лучший выбор, особенно для склеивания по полиэтилену (материал поршня), не помогает даже содовые присыпки, достаточно агрессивный к изоляции. Поэтому на видео и фото Вы можете заметить несколько вариантов изготовления щупа. Подбор клея для полиэтилена и изоляции провода предлагаю обсудить.
Провод пропускаем через отверстия с противоположных сторон от граней поршня, так чтобы проводники были на максимально разведенном расстоянии, натягиваем, промазываем клеем и даем высохнуть.
Концы выводим за пластиковую круговую вставку у iTAG. Разрыв проводов скальпелем делаем в нижней части щупа и выше. Чем меньше расстояние — тем чувствительность датчика выше, но не менее 1,5-2 см, лучше — 2-4 см.
Контакты кнопки замыкаем проводком.
Поскольку датчик будет работать во влажной среде, герметизируем его любым вазелином или жирным кремом. Силикон – не лучший вариант, в силу возможного случайного контакта с дорожками (в составе уксус, есть и специализированные — нейтральные), но по поверхности можно попробовать любой.
Короткое видео изготовления датчика
Программирование:
Выше мы рассмотрели вариант датчика, когда во время нахождения в почве (а это основное время его работы) благодаря MOSFET он обесточен и как только, проводимость почвы уменьшается датчик выходит в эфир. Именно к этому я и стремился.
Для тех же, кто хочет постоянно контролировать состояние датчика, в том числе и состояние питания (а возможно за счет изменения напряжения и степень влажности почвы), при этом не сильно заботясь о продолжительности работы (а у BLE это около года), то все, что нам нужно – поменять место приложения резистора (у нас SMD диода), который впаивается между ножками MOSFET, а второй вывод щупа припаиваем к минусу платы.
В этом случае датчик будет постоянно на связи, а в случае разрыва, база подаст сигнал. Для этого можно обойтись и без дополнительного программирования — скачиваем с Play Маркета все тот же iTAG ONE (ключница) и сигнал в объеме квартиры или дома Вам обеспечен.
Но нам же этого мало. Тем более, что база (стационарно запитанный старый Android телефон или планшет) для передачи SMS, звонков, предупреждения звуковым сигналом о состоянии датчиков через мобильную связь или WiFi, все равно нужна.
Пошаговый принцип программирования базы описан здесь. Все, что нам нужно в дополнении к предложенному ранее макросу — добавить еще один триггер с названием, которое Вы предварительно прописали датчику в программе iTAG ONE (к примеру «ЦВЕТЫ»).
По сути, требуется еще раз скопировать (повторить) элементы макроса за исключением действий по управлению экраном и временными задержками — меняем только отношение новых «действий» к триггеру «Получено уведомление от iTAG ONE с содержанием текста «ЦВЕТЫ».
Звуковой сигнал, SMS и произносимый текст в телефон при звонке, в новых «действиях» также меняем на подходящий для этого случая и приятный для слуха формат. Я еще добавил повторение действий по команде будильника (а вдруг не услышал звонка или сирены, не увидел сообщения). После полива, связь датчика с телефоном разрывается и будильник отключается, приходит сообщение, что все в порядке – «цветы политы».
Автоматический полив можно организовать после приобретения запирающих кранов управляемых по WIFI или BlueTooth. Но это скорее потребуется для организации полива в теплицах, чем для комнатных растений или цветника на участке. Хотя как говорится «хозяин – барин», а вдруг кто-то на столько редко бывает дома, что захочет заморочиться и настроит автополив всему живому и растительному домашнему миру.