Датчик влажности почвы в системах автоматического полива
Многие огородники и садоводы лишены возможности ежедневно ухаживать за посаженными овощами, ягодами, фруктовыми деревьями в силу загруженности по работе или во время отпуска. Тем не менее, растения нуждаются в своевременном поливе. С помощью простых автоматизированных систем можно добиться того, что почва на вашем участке будет сохранять необходимую и стабильную влажность на протяжении всего вашего отсутствия. Для построения огородной системы автополива потребуется основной контрольный элемент – датчик влажности почвы.
Датчик влажности
Датчики влажности также называют иногда влагомерами или сенсорами влажности. Почти все предлагаемые на рынке влагомеры почвы измеряют влажность резистивным способом. Это не совсем точный метод, потому что он не учитывает электролизные свойства измеряемого объекта. Показания прибора могут быть разными при одной и той же влажности грунта, но с разной кислотностью или содержанием солей. Но огородникам-экспериментаторам не столь важны абсолютные показания приборов, как относительные, которые можно настроить для исполнительного устройства подачи воды в определенных условиях.
Суть резистивного метода заключается в том, что прибор измеряет сопротивление между двумя проводниками, помещенными в грунт на расстоянии 2–3 см друг от друга. Это обычный омметр, который входит в любой цифровой или аналоговый тестер. Раньше такие инструменты называли авометрами.
Также существуют приборы со встроенным или выносным индикатором для оперативного контроля над состоянием почвы.
Легко сделать замер разницы проводимости электрического тока перед поливом и после полива на примере горшка с домашним растением алоэ. Показания до полива 101.0 кОм.
Показания после полива через 5 минут 12.65 кОм.
Но обычный тестер лишь покажет сопротивление участка почвы между электродами, но не сможет помочь в автополиве.
Принцип действия автоматики
В системах автополива обычно действует правило «поливай или не поливай». Как правило, никто не нуждается в регулировании силы напора воды. Это связано с использованием дорогостоящих управляемых клапанов и других, ненужных, технологически сложных, устройств.
Почти все предлагаемые на рынке датчики влажности, помимо двух электродов, имеют в своей конструкции компаратор. Это простейший аналого-цифровой прибор, который преобразует входящий сигнал в цифровую форму. То есть при установленном уровне влажности вы получите на его выходе единицу или ноль (0 или 5 вольт). Этот сигнал и станет исходным для последующего исполнительного устройства.
Для автополива наиболее рациональным будет использование в качестве исполнительного устройства электромагнитного клапана. Он включается в разрыв трубы и может также использоваться в системах микро-капельного орошения. Включается подачей напряжения 12 В.
Для простых систем, работающих по принципу « датчик сработал — вода пошла», достаточно использование компаратора LM393. Микросхема представляет собой сдвоенный операционный усилитель с возможностью получения на выходе командного сигнала при регулируемом уровне входного. Чип имеет дополнительный аналоговый выход, который можно подключить к программируемому контроллеру или тестеру. Приблизительный советский аналог сдвоенного компаратора LM393 — микросхема 521СА3.
На рисунке представлено готовое реле влажности вместе с датчиком в китайском исполнении всего за 1$.
Ниже представлен усиленный вариант, с выходным током 10А при переменном напряжении до 250 В, за 3–4$.
Системы автоматизации полива
Если вас интересует полноценная система автополива, то необходимо задуматься о приобретении программируемого контроллера. Если участок небольшой, то достаточно установить 3–4 датчика влажности для разных типов полива. Например, сад нуждается в меньшем поливе, малина любит влагу, а для бахчи достаточно воды из почвы, за исключением чрезмерно засушливых периодов.
На основании собственных наблюдений и измерений датчиков влажности можно приблизительно рассчитать экономичность и эффективность подачи воды на участках. Процессоры позволяют вносить сезонные корректировки, могут использовать показания измерителей влажности, учитывают выпадение осадков, время года.
Некоторые датчики влажности почвы оснащены интерфейсом RJ-45 для подключения к сети. Прошивка процессора позволяет настроить систему так, что она будет оповещать о необходимости полива через социальные сети или SMS-сообщением. Это удобно в тех случаях, когда невозможно подключить автоматизированную систему полива, например, для комнатных растений.
Для системы автоматизации полива удобно использовать контроллеры с аналоговыми и контактными входами, которые соединяют все датчики и передают их показания по единой шине к компьютеру, планшету или мобильному телефону. Управление исполнительными приборами происходит через WEB-интерфейс. Наиболее распространены универсальные контроллеры:
Это гибкие устройства, позволяющие точно настроить автоматический полив в теплице, и можно доверить им полный контроль над садом и огородом.
Простая схема автоматизации полива
Простейшая система автоматизации полива состоит из датчика влажности и управляющего устройства. Можно изготовить датчик влажности почвы своими руками. Понадобится два гвоздя, резистор с сопротивлением 10 кОм и источник питания с выходным напряжением 5 В. Подойдет от мобильного телефона.
В качестве прибора, который выдаст команду к поливу можно использовать микросхему LM393. Можно приобрести готовый узел или собрать его самостоятельно, тогда понадобятся:
- резисторы 10 кОм – 2 шт;
- резисторы 1 кОм – 2 шт;
- резисторы 2 кОм – 3 шт;
- переменный резистор 51–100 кОм – 1 шт;
- светодиоды – 2 шт;
- диод любой, не мощный – 1 шт;
- транзистор, любой средней мощности PNP (например, КТ3107Г) – 1 шт;
- конденсаторы 0.1 мк – 2 шт;
- микросхема LM393 – 1 шт;
- реле с порогом срабатывания 4 В;
- монтажная плата.
Схема для сборки представлена ниже.
После сборки подключите модуль к блоку питания и датчику уровня влажности почвы. На выход компаратора LM393 подсоедините тестер. С помощью построечного резистора установите порог срабатывания. Со временем нужно будет его откорректировать, возможно, не один раз.
Принципиальная схема и распиновка компаратора LM393 представлена ниже.
Простейшая автоматизация готова. Достаточно подключить к замыкающим клеммам исполнительное устройство, например, электромагнитный клапан, включающий и отключающий подачу воды.
Исполнительные устройства автоматизации полива
Основным исполнительным устройством автоматизации полива является электронный клапан с регулировкой потока воды и без. Вторые дешевле, проще в обслуживании и управлении.
Хорошо зарекомендовали себя клапаны производства американской компании Hunter. Для разных целей используются клапаны c проходным диаметром 1, 1.5, и 2 дюйма с наружной или внутренней резьбой.
Существует множество управляемых кранов и других производителей.
Если на вашем участке случаются проблемы с подачей воды, приобретайте электромагнитные клапаны с датчиком потока. Это предотвратит выгорание соленоида при падении давления воды или прекращении водоснабжения.
Недостатки автоматических систем полива
Почва неоднородна и отличается по своему составу, поэтому один датчик влажности может показывать разные данные на соседних участках. Кроме того, некоторые участки затемняются деревьями и более влажные, чем те, которые расположены на солнечных местах. Также значительное влияние оказывает приближенность грунтовых вод, их уровень по отношению к горизонту.
Используя автополив для цветов, следует учитывать ландшафт местности. Участок можно разбить на сектора. В каждом секторе установить один или более датчиков влажности и рассчитать для каждого собственный алгоритм работы. Это значительно усложнит систему и вряд ли удастся обойтись без контроллера, но впоследствии почти полностью избавит вас от траты времени на нелепое стояние со шлангом в руках под знойным солнцем. Почва будет наполняться влагой без вашего участия.
Построение эффективной системы автоматизированного полива не может основываться только на показаниях датчиков влажности почвы. Непременно следует дополнительно использовать температурные и световые сенсоры, учитывать физиологическую потребность в воде растений разных видов. Необходимо также учитывать сезонные изменения. Многие компании производящие комплексы автоматизации полива предлагают гибкое программное обеспечение для разных регионов, площадей и выращиваемых сельскохозяйственных культур.
Приобретая систему с датчиком влажности, не поддавайтесь на глупые маркетинговые слоганы: наши электроды покрыты золотом. Даже если это так, то вы лишь обогатите почву благородным металлом в процессе электролиза пластин и кошельки не очень честных бизнесменов.
Заключение
В данной статье рассказывалось о датчиках влажности почвы, которые являются основным контрольным элементом автоматического полива. А также был рассмотрен принцип действия системы автоматизации полива, которую можно приобрести в готовом виде или собрать самому. Простейшая система состоит из датчика влажности и управляющего устройства, схема сборки которой своими руками также была представлена в этой статье.
Видео по теме
Источник
Беспроводной DIY монитор влажности почвы
Приветствую всех читателей Хабра! Сегодня хочу поделится с вами моим новым проектом — беспроводным датчиком влажности почвы, который построен на основе всем известного модуля влажности почвы с алиэкспрес. Новый датчик это логическое продолжение первого моего DIY проекта на эту тему. Но в новой реализации это уже не ардуино модуль, а законченный девайс с своим собственным корпусом. Итак, каша из топора, часть вторая! 🙂
Китайский модуль измерения влажности почвы построен на таймере 555. Метод измерения — емкостной. Для моего проекта нужна была версия модуля с установленным стабилизатором напряжения XC6206P332 на 3.3В, который в дальнейшем придется удалить с платы модуля. Дело в том что в таких версиях используемся модификация таймера TLC555 с нижним порогом по питанию в 2В. В версиях без стабилизатора используются таймеры NE555 c нижним порогом по питанию в 5В. Но в любом случае что проще купить для повторения этого проекта дело повторяющего. В первом варианте выпаиваем стабилизатор напряжения, во втором меняем таймер например на такой — LMC555 (даташит) работающий даже от 1.5В. Для беспроводного модуля к китайскому датчику влажности почвы я выбрал радиомодуль от EBYTE E73C на котором установлен чип nRF52840. Аргументом стала цена модуля и имеющееся количество данных модулей у меня в запасах.
Беспроводной модуль получился очень простой, RGB светодиод, пара кнопок, полевой транзистор, батарейка. Собрать такой девайс сможет даже самый неопытный начинающий паяльщик. На датчике влажности помимо удаления стабилизатора напряжения так же необходимо выпаять разъем и впаять на его место штырьевую вилку 3P, шаг 2.54 мм.
Размеры платы получились немного меньше чем в первом проекте — 42х29мм, определялись размером держателя батарейки.
Корпус был напечатан на моем бытовом SLA принтере ANYCUBIC. Время печати деталей порядка пары часов. Последующая пост обработка заняла около получаса. Стоимость израсходованной полимерной смолы
Потребление в режиме сна — 4.7мкА, в режиме передачи 8мА. Интервал замеров изменяемый, шаг 1 минута. Время измерения 50мс (5 замеров в тестовой программе), потребление во время измерения
1 мА. Так же производятся измерение температуры чипа, измерение уровня заряда батарейки. Передача данных на контролер УД посредством сети Mysensors, передача данных на контролер УД посредством сети Zigbee.
Код тестовых программ находится на моем Github
Пример работы в сети Mysensors и УД Мажордомо
Пример работы в сети ZigBee и УД Мажордомо
Код настройки конвертора в модуле zigbee2mqtt для датчика влажности (пока не уверен, что это верное решение).
Тестовую прошивку написал один из участников нашего DIY сообщества — Lenz, вот его GIthub.
Стоимость компонентов которые пришлось добавить к китайскому влагомеру составила порядка 400-500 рублей. На мой взгляд вполне неплохо.
Видео работы датчика
Дальнейшие планы на этот проект. Хочется заменить МК на что то более простое, например на nRF52810 или nRF52811, но всё будет упирается в цену, скорее всего придется отказаться от радиомодулей и сделать просто на чипе. Возможно подумаю добавить зуммер, вполне вероятно стабилизатор питания, так как сейчас необходимо учитывать напряжение питания при замере. Довести до стабильного состояния Zigbee версию, сделать BLE версию, сделать мобильное приложение-показометр. Вообщем точно будет что-то еще.
Если вас заинтересовал данный проект, предлагаю зайти в группу телеграмм, там всегда будет оказана помощь в освоении протокола Майсенсорс, Zigbee, BLE на nRF5, помогут освоить программирование nRF52 в Ардуино ИДЕ и не только в ней.
Источник