Добрый день, уважаемые читатели!
Данная статья открывает новую серию статей, посвященных тому, как самостоятельно сделать достаточно простое устройство для автоматического полива комнатных растений с удаленным контролем и управлением через сеть интернет. Это устройство пригодится всем часто уезжающим в командировки или на дачу, да и просто для поддержания оптимальной влажности почвы для капризных растений.
В этой части поговорим о самом важном компоненте устройства – датчике (сенсоре) влажности почвы: какие они бывают, их свойствах и длительности службы. Начнем с самых простых и закончим “профессиональными” моделями для промышленного использования. Разумеется, я могу рассматривать только те варианты, что попали мне в лапы. И таки да, я знаю, что их можно сделать самому, но в данной статье самодельные датчики также не будут рассматриваться.
Подобные устройства работают у меня уже несколько лет, разве что раньше они были сделаны на основе ESP8266 и прошивка была написана в Arduino IDE. Но ESP8266 в очередной раз показали свою ненадежность (увы), и я решил заменить старую самоделку на новый вариант.
Благодаря примененным в устройстве датчикам, вы можете управлять автоматическим поливом сразу нескольких растений – вы можете подключить одновременно несколько датчиков и несколько насосов (или использовать один насос + несколько клапанов).
В данном варианте устройства использованы готовые модули с ali и самый минимум дискретных компонентов (резисторы, конденсаторы и светодиоды), поэтому схема может быть повторена даже начинающими электронщиками. Список модулей и компонентов будет в следующей статье. Но если есть желание, можно собрать точно такое же устройство и на “рассыпухе” (ключ легко сделать на транзисторе, модуль питания заменить на 7805 и т.д.).
Прошивку можно скачать с моего GitHub-а, её нужно только адаптировать под ваши личные параметры: сеть, mqtt, telegram и т.д.
Используемые технологии:
- сердцем устройства, как обычно, используется микроконтроллер ESP32 в виде платы ESP32-DevKitC v4
- полив по расписанию и датчику влажности почвы (хотя можно и только по расписанию)
- трехзонный контроль перелива / протечки воды
- дистанционный контроль состояния и управление настройками через mqtt-брокер
- уведомления о начале и окончании полива в telegram, а так же о сбоях и происшествиях (опционально)
- дополнительное измерение температуры в помещении (дополнительная нагрузка, чтобы жизнь медом не казалась) (опционально)
- отправка данных на Open Monitoring, ThingSpeak или Народный мониторинг (опционально)
- контроль наличия доступа к wifi сети и сети интернет с автоматическим переподключением к сети и сервисам
- Обновление прошивки через интернет (опционально)
Обо всем этом я и расскажу в этой и последующих статьях. Одна статья получилась бы слишком большой, поэтому разобьем всю информацию на несколько частей:
- Сенсор влажности почвы
- Необходимые компоненты и модули, схема соединений и плата
- Подготовка к прошивке: выбор mqtt брокера, регистрация telegram бота, регистрация других аккаунтов
- Готовая прошивка и её адаптация под ваши настройки
- Настройка MQTT-клиента на телефоне
Сенсоры влажности почвы
Самый важный компонент в устройстве автоматического полива – датчик влажности почвы. Нет, ну можно конечно, поливать просто по расписанию, но… изменяется температура, влажность воздуха, освещенность, растет само растение – всё это приводит к тому, что полив будет сильно не равномерным.
Именно измерение влажности почвы – это главная головная боль при создании устройств автоматического полива. Главная проблема – крайне небольшой срок службы датчиков влажности и большой разброс значений при измерении.
В этой статье я буду рассматривать только готовые датчики влажности почвы, которые можно без труда найти на AliExpress. Китайские братья предлагают измерители влажности почвы нескольких типов – токовые и емкостные. Я не привожу ссылки на датчики и компоненты, они легко находятся по словам moisture sensor.
Датчики, основанные на измерении электрического сопротивления почвы
Для этого на электроды датчика подается определенное напряжение и измеряется ток, который будет зависеть от количества воды в почве. Таким образом и измеряется влажность. В следствии постоянного протекания тока через щупы таких измерителей они очень быстро выходят из строя из-за электрохимической коррозии. Поэтому настоятельно рекомендуется подавать питание на датчик не непрерывно, а только непосредственно перед измерением – это значительно увеличит ресурс таких датчиков.
Вариантов исполнения таких датчиков может несколько:
Самый простой вариант – на печатной плате. Самый дешевый вариант, но подходит только для опытов. Печатные щупы сгниют буквально за несколько дней из-за электрохимической коррозии. Точность измерения крайне не высокая, показания “прыгают” вверх-вниз. Не рекомендуется к покупке. Для подключения выхода компаратора к контроллеру необходимо использовать аналоговый вход микроконтроллера.
Более продвинутый вариант – щупы выполнены непонятно из чего и частично покрыты пластиком. Немного дороже. Я не смог “на ощупь” определить материал щупов, и кроме того, именно этот датчик у меня так и не заработал. Показывает либо “абсолютную сушь” в воздухе, либо “абсолютную воду” при любом контакте с почвой, даже с сухой, и без каких-либо средних значений. При этом плата компаратора исправна, работает с другими щупами. Плата – компаратор используется та же самая, что и в предыдущем случае, только разъем для подключения щупов немного другой. Вывод – сенсор скорее всего бракованный или в принципе не может работать.
Со стальными щупами. Продавец заявляет, что щупы выполнены из нержавеющей стали. Практика показала, что это не так – обычная сталь с каким-то покрытием. Через месяц работы покрытие начало отслаиваться. Щупы имеют достаточно длинный кабель – это удобно, если устройство управления будет расположено достаточно далеко от растения. Точность измерения оставляет желать лучшего. Плата измерения та же самая, что и в предыдущем случае.
Возможно есть (или появятся) еще какие-то варианты исполнения – что ж, будем посмотреть.
Что бы продлить срок службы таких датчиков, можно увеличить интервал между измерениями, при этом питание на датчик подавать не постоянно, а только на время непосредственного измерения, для этого потребуется дополнить устройство электронным ключом на транзисторе.
Емкостные датчики
Этот тип датчиков работает без электрического контакта с почвой, что положительно сказывается на их сроке службы.
На микросхеме TLC555 собран генератор с частотой приблизительно 1,5 МГц. Высокочастотный сигнал с выхода генератора через резистор R2 поступает на детектор и сглаживающий фильтр VD1, C3, R1. Этот же сигнал шунтируется после R2 емкостью измерительных электродов, по сути это обкладки конденсатора. Чем больше влажность почвы, тем больше емкость между электродами, тем меньше выходное напряжение. То есть итоговое напряжение обратно пропорционально степени влажности почвы.
На данный момент на Ali можно найти емкостные датчики в основном трех модификаций: версии 1.2 c U2 (черные), версии 1.2 без U2 (черные), и версии 2.0 (красные). Однако встречаются и множество других модификаций, с разными покрытиями – но суть везде одна и та же – таймер и детектор напряжения.
Capacitive Soil Moisure Sensor v1.2
При покупке внимание – на некоторых экземплярах стабилизатор U2 может отсутствовать, а вместо него запаяна перемычка. В принципе, такие датчики тоже работают неплохо, но выходной диапазон напряжений может быть смещен при изменении напряжения питания генератора, что может оказаться неудобным, так как нелинейность АЦП микроконтроллера на краях диапазона сильно выше, чем в середине.
Несмотря на то, что датчик “бесконтактный” и покрыт маской, срок его службы таки оставляет желать лучшего. Конечно, это не несколько недель, как в контактных сенсорах, но все таки. Вот как выглядит датчик примерно через полгода непрерывной работы:
Через микротрещины в паяльной маске на медные проводники попадает вода, что приводит к их коррозии. Избежать повреждений вряд ли удастся – ведь датчик нужно воткнуть в почву, приложив определенные усилия. Можно попробовать покрыть датчики еще одном слоем лака, но это может весьма отрицательно сказаться на динамическом диапазоне измерений. Для защиты генератора от капель и брызг я просто плотно обматываю схему изолентой (на измерениях это практически не сказывается). Кстати, обратите внимание – верхний экземпляр без U2, нижний – с U2.
Capacitive Soil Moisure Sensor v2
Этот датчик отличается от предыдущего только цветом маски и разъемом, в остальном все то же самое – компоненты, схема, диапазон выходного напряжения. Хотя стоит такой датчик заметно дороже черного. Плохо также и то, что производитель выбрал “нестандартный” разъем, что сильно усложняет процесс замены. Само собой. цвет маски никак не влияет на срок службы
“Амперка” предлагает свой вариант емкостного датчика, в котором, судя по описанию, кроме генератора содержится еще и усилитель. Заявленные на сайте характеристики превосходят китайские аналоги, но и цена несколько выше.
Можно найти большое количество вариаций емкостных сенсоров и у других производителей, но суть везде одна и та же. Достоинство у емкостных сенсоров только одно – невысокая цена.
Емкостные датчики я довольно долго использовал в своих поделках. Но в последнее время я отказался от использования емкостных сенсоров, так как они имеют невысокий срок службы и крайне низкую стабильность выходного напряжения и зависимость от температуры. Ещё одна проблема таких сенсоров – сложность “ручных” поливов из лейки и подкормок. При неосторожном обращении датчик просто отказывается работать некоторое время.
Промышленный датчик для теплиц CWT-Soil-X-S
В последнее время я перешел на использование датчиков параметров почвы промышленного класса CWT-Soil-XXXX-S. Да, это дорого! Это существенно дороже перечисленных выше вариантов, но результаты можно получать непосредственно в процентах, да и стабильность работы сильно радует.
Эти датчики можно найти в самых разных вариантах.
По типу выхода (кодируется последними символами в маркировке):
- …-A – c выходом 4-20мА
- …-V5 – с выходом 0-5В
- …-S – с передачей данных через интерфейс RS485 по протоколу Modbus RTU
Я предпочитаю RS485.
По набору измеряемых параметров:
- H – может измерять только влажность почвы
- PH– может измерять только PH почвы
- TH – может измерять температуру и влажность почвы
- THC – может измерять температуру, влажность и проводимость почвы
- THCPH – может измерять температуру, влажность, проводимость и PH почвы (все параметры)
На текущий момент я использую TH и THCPH. Эмоции от использования пока только положительные.
Основные параметры
- Источник питания: DC4.5-30В
- Максимальная потребляемая мощность: 0,5 Вт при 24 В постоянного тока
- Класс защиты: IP68, длительное погружение в воду
- Рабочая температура: -40℃ -80℃
- Длина кабеля: по умолчанию 2 м
- Габаритные размеры: 45*15*123 мм
- Выход: RS485 / 4-20мА / 0-5В / 0-10В
Точность изменений
Влажность выдается в процентах от максимально возможной насыщенности почвы водой, то есть 100% – это уже почти болото. Для большинства растений влажность должна быть в пределах 30~60%.
Температуру и влажность сенсоры измеряют достаточно точно и стабильно (по заявлениям 2% в пределах 0-50%, 3% в пределах 50-100%, что похоже на реальность), а вот показания PH постоянно “плавают”. Но для примерной оценки кислотности почвы вполне сойдет.
Надежность
Этот датчик, в отличие от емкостных, не боится “ручных” поливов из лейки и подкормок. Ему на них пофиг, его можно даже прикопать полностью. Я не знаю, из чего сделаны щупы (они даже отличаются друг от друга), но за несколько месяцев использования следов сильной коррозии пока не замечено. Судя по щупам, все измерения основаны на измерении токов, но, похоже, напряжение на щупы подается только во время измерения.
Документация и ПО
В каждой коробке продавец кладет бумажку с адресом, введя который в браузере можно скачать архив с документацией и программным обеспечением.
Предложенное ПО позволяет протестировать датчик с компьютера, настроить его на требуемую скорость, сменить адрес на шине. Но потребуется адаптер RS485 <-> USB.
Подключение к ESP32
Подключение к микроконтроллеру потребует применения специального адаптера TTL <-> RS485, например такого:
Параметры подключения и список регистров в можете увидеть в таблице.
Кроме температуры, влажности и PH, сенсор выдает еще два параметра (видимо вычисляемых) – соленость и TDS. Для чего их можно использовать – я понятия не имею.
Регистры корректировки 40081..40084 действительно работают, и они позволяют сместить выходные значения на стороне датчика, если у вас есть приборы, по которым можно откалибровать “выход”.
Драйвер для ESP32 и ESP-IDF
Драйвер для ESP32 и ESP-IDF можно скачать здесь: reSensors/reCWTSoilS
Ну а про практическое применение этого датчика я расскажу в конце серии статей и в статье про теплицу, там тоже используются два таких сенсора.
💠 Полный архив статей вы найдете здесь
Пожалуйста, оцените статью: