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
Zigbee-датчик влажности почвы для растений (проект modkam.ru)
В этом обзоре мы с вами познакомимся с еще одной разработкой Jagera, автора сайта modkam.ru, широко известного среди энтузиастов умного дома. Это zigbee датчик влажности почвы для растений, функционал которого, при необходимости может быть существенно расширен для других измерений.
Также, пользуясь случаем, хочу выразить благодарность Jager и всем кто приложил свои знания и умения к созданию таких полезных устройств.
Содержание
Где заказать ?
- Заказать в РФ — телеграмм
- Заказать в Украине — производитель датчика из обзора на OLX
О датчике
Информация о первой версии устройства появилась еще в августе 2020 года, как альтернативе Mi Flora, который существенно вырос в цене, хотя пару лет назад стоил меньше 10 долларов. Разработка построена на базе многократно проверенного модуля E18-MS1-PCB и измеряет влажность почвы емкостным методом, что защищает электроды датчика от коррозии, а кроме этого имеет возможность установки еще ряда сенсоров — влажности, давления, освещенности и двух датчиков температуры, включая выносной.
Меньше чем через месяц, благодаря участникам сообщества, свет увидела вторая версия датчика, кстати именно про нее и пойдет речь в этом обзоре. Не отличаясь от первой версии функционально, она была оптимизирована с точки зрения схемотехники, что позволило убрать часть лишних элементов и упростить монтаж.
В конце февраля 2021 года, вышла третья версия датчика. Функциональность не изменилась, главное отличие в том — полностью фабричная сборка. Приложенные к статье исходники для заказа содержат всю необходимую информацию для производства готового устройства, самостоятельно останется установить и припаять держатель элементов питания, прошить и распечатать корпус.
Внешний вид
Итак, как я уже сказал, герой этого обзора — датчик второй версии, оптимизированный. Собран в Украине, и очередная моя благодарность для Александра из Одессы, который собрал и безвозмездно передал мне несколько таких устройств.
Попавшие ко мне датчики рассчитаны на установку двух батареек формата ААА. Здесь важно использовать именно батарейки, так как их напряжение равно 1,5 В, что в сумме дает 3. А напряжение никелевых аккумуляторов в сумме дает около 2,5 В. Также можно заказать на базе круглой батарейки CR2032.
В датчике используется модуль E18-MS1-PCB от EBYTE на базе чипа CC2530 который очень часто используется в подобного рода DIY устройствах.
Эта часть датчика должна находится в почве. Прямого контакта электродов с влажным грунтом нет, что предотвращает коррозию. В моем случае это единственный измеряемый параметр, остальные сенсоры не установлены
В сочетании с высокой энергоэффективностью Zigbee, кстати в данной версии датчик передает данные раз в 30 минут, емкости батареек должно хватить на несколько лет минимум.
На датчике есть кнопка — короткое нажатие принудительно проводит обновление данных, а для синхронизации — нужно около 10 секунд удерживать ее, пока светодиод не начнет мерцать.
SLS gateway
Подключение начнем с SLS шлюза, в котором сразу появляется поддержка всех устройств с modkam. Синхронизация и подключения происходит в штатном режиме, поддержка — полная.
Помним что особенностью работы SLS является то, что сразу после подключения появляются не все объекты устройства. Они отобразятся по мере получения с них каких-то данных, это нормально так и должно быть.
Вот так выглядит перечень всех возможных параметров которые можно получать с шлюза. Влажность воздуха, освещение, тут кстати есть какое-то значение, давление, и два датчика температуры — воздуха и выносной для почвы.
Параметр LastSeen это время последнего отзыва от датчик в Unix формате — количество секунд прошедших от 00:00 01.01.1970
Сущности зеркально пробрасываются в Home Assistant. По мере обновления в SLS — будут появлятся и тут. Обновить их принудительно можно коротким нажатием на кнопку датчика. Из реальных параметров на этой версии — уровень заряда, сигнала и влажность почвы.
Напомню — интервал между передачей показания датчика — составляет 30 минут, для растений этого вполне достаточно.
Zigbee2mqtt
Это устройство поддерживается и в zigbee2mqtt — без применения внешних конвертеров и необходимости ставить версию для разработчиков. Сопряжение — тоже стандартное без каких-то специальных действий.
Поддержка полная, включая корректное изображение устройства. На всякий случай уточню — датчик является конечным устройством и не передает данные от других участников сети.
Чтобы данные датчика не исчезали после перезагрузки инстанса — в меню настроек нужно поставить галочку retain, тогда все данные в топике mqtt будут сохранятся.
Все основные параметры датчика тут те же самые что и в SLS — главный — влажность почвы, данные устройства — уровень заряда и сигнала и опциональные — влажность воздуха, давление, освещение и две температуры.
Корпус
Для этого датчика обязательно нужен какой-то корпус, по крайней мере для защиты от брызг при поливе. К вопросу можно подойти с фантазией — например корпуса в виде грибка, которые мне прислали вместе с датчиками.
Шляпка съемная — она открывает доступ внутрь ножки гриба, в которой и находится электронная часть датчика. Кроме этого она выполняет роль зонтика, защищающего датчик от попадания брызг.
На одной из стороны предусмотрено отверстие, через которое можно вывести например выносной датчик температуры.
Нижняя часть датчика с электродами, которую нужно погружать в грунт, выводится через прорезь в нижней части ножки гриба.
Кроме защиты от брызг, корпус выполняет и эстетическую функцию. Грибок в горшке с растением — смотрится оригинально и не чужеродно.
Mi Flora
А так выглядит датчик в грибном корпусе по соседству с заводским решением от Xiaomi Mi Flora. Лично мне больше симпатичен гриб.
Вот сравнение показаний датчиков сразу после полива. Емкостной сенсор Zigbee устройства показывает 100%, а miflora — 76%. Мне кажется что тут ближе к правде Zigbee устройство, так как верхний слой почвы полностью пропитан водой. Кстати хочу отметить что с последним обновлением интеграции Xiaomi gateway 3 — mi flora стала намного чаще отдавать показания, раньше было намного инертнее.
Показания примерно через час. Оба сенсора показывают снижение уровня влаги, но miflora — на 20 с лишним процентов, что как-то много, а Zigbee — всего на 6%.
А тут показания двух рядом стоящих датчиков в другом горшке, менее чем через сутки после полива. MiFlora показывает всего 11%, хотя земля чувствительно влажная на ощупь. При этом грибок считает что влажность — 76% и это больше похоже на правду.
Всего у меня в системе три таких датчика, как раз по количеству горшков в комнате.
Так они выглядят на карте сети. Они находятся в одной комнате с координатором, здесь это USB Zigbee Stick CC2652 и считают оптимальным подключаться прямо к нему.
Выводить в интерфейс мне удобнее всего при помощи кастомной карты Multiple Entity Row, она позволяет несколько значений выводить одной строкой. Я вывожу все что дает этот датчик — влажность почвы, уровень заряда и сигнала.
Видео версия обзора
Вывод
Говоря о достоинствах этого датчика — в первую очередь стоит упомянуть интерфейс, на мой взгляд Zigbee наиболее подходящий для таких устройств и возможность установки емкого источника питания в виде батареек ААА. Более адекватная, на мой взгляд, методика измерения влажности почвы, по крайней мере она более логичная.
Так же мне очень понравился корпус, но это уже немного другая история, так как его печать не связана с производством датчика, который, напоминаю, в третьей версии можно заказать сразу в сборе, либо приобрести локально с уже установленной прошивкой и элементами питания по одной из указанных мной ссылок.
Источник