Bodemvochtsensoren voor beregeningssystemen
op
Voordat je met bodemvochtsensoren aan de slag gaat, kun je de volgende tips over de keuze van sensoren en sensor integratie overwegen. Als je eenmaal vertrouwd bent met de grondbeginselen, kun je aan de integratie van de sensoren beginnen met de Arduino IDE voor boards als Arduino en ESP.
Al vele jaren gebruik ik automatische beregeningssystemen om het tuinieren gemakkelijker te maken. Mijn eerste systeem bestond uit een eenvoudige tijdklok met goedkope elektromagnetische afsluiters, zoals die in wasmachines gebruikt worden. De volgende generatie was voorzien van een Arduino board met een display, en het verkreeg zijn meetgegevens van eenvoudige capacitieve vochtsensoren, en hield zelfs een beregeningslogboek bij. Mijn huidige beregeningssysteem is gebaseerd op een ESP32 en is volledig geïntegreerd in mijn huisautomatiseringssysteem. Daarmee kan ik het beregeningssysteem handmatig in werking stellen, de meest recente beregeningstijden bekijken, die tijden en andere parameters instellen, en nog veel meer. Ik hoop dat je je voordeel kunt doen met mijn ervaring.
De bovenstaande beschrijving is niet helemaal volledig. Er is bijvoorbeeld ook een alarmfunctie die dingen meldt zoals als een besproeiingsbeurt mislukt is, bijvoorbeeld door een kapotte slang. Het systeem kan ook bediend worden vanuit een web browser, en de software kan draadloos worden bijgewerkt.
Het beregeningssysteem is echter niet het onderwerp van dit artikel, omdat het heel erg op mijn specifieke situatie is afgestemd. In plaats daarvan wil ik mijn ervaring met de keuze van bodemvochtsensoren beschrijven, want ik heb er in de loop van de jaren veel over geleerd.
Het beregeningssysteem is echter niet het onderwerp van dit artikel, omdat het heel erg op mijn specifieke situatie is afgestemd. In plaats daarvan wil ik mijn ervaring met de keuze van bodemvochtsensoren beschrijven, want ik heb er in de loop van de jaren veel over geleerd.
Na een kort overzicht van de werkingsprincipes van de meest voorkomende bodemvochtsensoren, richt dit artikel zich op de integratie van sensoren met behulp van de Arduino IDE met veelgebruikte boards zoals Arduino of ESP. Als je momenteel een beregeningssysteem zonder sensoren gebruikt of niet tevreden bent over je bodemvochtsensoren, dan ben je hier op de juiste plaats.
Bodemvochtigheid meten
Er zijn een aantal verschillende definities van bodemvocht. Het volumetrisch watergehalte, dat wil zeggen het percentage water in het totale volume van de bodem, is meestal wat men graag wil weten. Als alle luchtruimten in de bodem met water gevuld zijn, is het maximale volumetrische watergehalte in natuurlijke grond ongeveer 50 tot 60%. Hogere waarden zijn mogelijk in veen en andere organische materialen.
Het gravimetrisch watergehalte heeft betrekking op de relatieve massa van het water in de bodem en kan bijvoorbeeld bepaald worden door een bodemmonster te wegen voor en na het drogen. Deze parameter moet in een laboratorium gemeten worden, en is dus niet geschikt voor de permanente bewaking van het bodemvochtgehalte.
Elektrische bodemvochtsensoren zijn gebaseerd op allerlei natuurkundige meetprincipes. Het meten van de elektrische geleiding is heel goedkoop, maar helaas niet betrouwbaar omdat de geleiding ook afhangt van de hoeveelheid opgeloste ionen. Bij hetzelfde watergehalte kan het meten van de geleidbaarheid tot geheel verschillende resultaten leiden, afhankelijk van de grondsoort of het zoutgehalte en de meststoffen. De geleiding is ook sterk temperatuurafhankelijk, en compenseren hiervoor is in de praktijk vrijwel onmogelijk. Het grootste probleem is echter de corrosie van de sensor-elektroden, die vaak maar een paar dagen of weken meegaan.
Capacitieve sensoren met elektroden die door een isolerende laag beschermd zijn, zijn in dit opzicht veel beter. Het meetprincipe berust op de wisselwerking van watermoleculen met een elektrisch veld, want watermoleculen zijn dipolen met positieve en negatieve uiteinden. Als een dipool tussen de elektroden van een plaatcondensator wordt geplaatst en op de metalen elektroden een spanning wordt gezet, zal de dipool zich naar het elektrische veld richten (zie Figuur 1).
Dit polarisatie effect wordt uitgedrukt door de diëlektrische constante εr. Deze varieert van εr = 1 voor lucht via εr =3 tot 8 voor minerale bodemdeeltjes tot εr = 80 voor water. De effectieve diëlektrische constante van een gegeven bodem, bestaande uit een mengsel van lucht, water en bodemdeeltjes, wordt dus grotendeels bepaald door het watergehalte. Als een grondmonster tussen de elektroden van een condensator wordt geplaatst en de resulterende capaciteit wordt gemeten, kan de bijbehorende diëlektrische constante worden berekend en daaruit het watergehalte. In de praktijk wordt een wisselspanning op de elektroden gezet om elektrolyse aan de condensator-elektroden, storingen door oppervlakte-polarisatie en de invloed van de geleiding van de bodem te verminderen. Verhoging van de frequentie van het meetsignaal leidt tot nauwkeurigere resultaten en verhoogt de ongevoeligheid voor storingen. Frequenties boven 100 MHz zijn ideaal, maar zouden de schakelingen aanzienlijk duurder maken.
Geleidbaarheidsensoren
Meetprincipe: Het bodemvocht wordt bepaald door de elektrische geleidbaarheid van de bodem tussen twee elektroden te meten. De sensor wordt meestal geleverd met een analoog signaalverwerkingscircuit met een instelbare drempelwaarde (zie Figuur 2).
Nadelen: De elektrische geleiding van de bodem hangt niet alleen af van het watergehalte, maar ook sterk van het zoutgehalte, de meststoffen en de grondsoort, en is daarom een onbetrouwbare maat voor het bodemvochtgehalte. De sensor staat bloot aan sterke corrosie in de bodem en heeft bijgevolg een korte levensduur. Dit geldt ook voor elektroden met dunne vergulde bekleding. Bovendien zijn de aansluitklemmen meestal niet beschermd tegen water.
Voordeel: Zeer economisch.
Laagfrequente capacitieve sensoren
Meetprincipe: De bodemvochtigheid wordt bepaald door de capaciteit te meten. De elektronische schakeling werkt bij lage frequenties in het bereik van enkele kilohertz tot ongeveer 1 MHz. Veel verschillende versies zijn online te vinden, vaak werkend met een NE555 timer IC (zie Figuur 3).
Nadelen: Door de lage werkfrequentie worden vochtmetingen sterker beïnvloed door andere factoren zoals de elektrische geleiding en de temperatuur van de bodem, zodat slechts een beperkte nauwkeurigheid mogelijk is. De elektroden zijn vaak alleen beschermd door een dun laagje soldeerweerstand, dat in de bodem niet lang meegaat. De schakeling en de aansluitklemmen zijn vaak niet waterdicht afgesloten.
Voordeel: Vrij goedkoop.
VH400 Hoogfrequente Capacitieve Sensor
Meetprincipe: De bodemvochtigheid wordt bepaald door de capaciteit te meten.
Nadelen: Middelmatige prijsklasse. De invloed van de grondsoort op de meting is nog merkbaar. De elektroden staan heel dicht bij elkaar, zodat het elektrische meetveld nauwelijks verder reikt dan de printplaat en de geschiktheid van de sensor voor grofkorrelige grond beperkt is (zie Figuur 4). De metingen zijn temperatuurafhankelijk en veranderen zodra de verbindingskabel met de hand aangeraakt wordt.
Voordeel: Voldoende nauwkeurige bodemvochtmeting in vele grondsoorten.
CWT-SOIL-H-S
Meetprincipe: Geen informatie beschikbaar over het meetprincipe of de meetfrequentie.
Nadeel: Middelmatige prijsklasse. Gaat vaak al na korte tijd in de grond stuk.
Voordelen: Biedt de mogelijkheid van een aanvullende meting van de elektrische geleiding; diverse uitvoeringen (zie Figuur 5).
SMT 50 Hoogfrequente Capacitieve Sensor
Meetprincipe: De bodemvochtigheid wordt bepaald met behulp van een capacitieve spanningsdeler. De schakeling werkt op 16 MHz of hoger.
Nadelen: Middelmatige prijsklasse. De invloed van de grondsoort op de meting is nog merkbaar.
Voordelen: De meetfrequentie is hoog genoeg voor betrouwbare bodemvochtmeting in vele grondsoorten. De elektroden zijn in een multilayer circuit board aangebracht, wat een goede mechanische bescherming en een lange levensduur in de grond biedt. De schakelingen zijn ingekapseld in epoxy om ze volledig waterdicht te maken (zie Figuur 6). De 10 m lange verbindingskabel met een mantel van polyurethaan is geschikt voor ondergrondse installatie (bestand tegen microben en hydrolyse).
DAV-6440 Tensiometer
Meetprincipe: Deze Watermerksensor is een voorbeeld van een tensiometer, die de bodemvochtspanning meet ( gerelateerd aan het watergehalte van de bodem). Hiervoor wordt de elektrische weerstand bepaald van een materiaal dat in hydraulisch contact staat met de bodem (zie Figuur 7). Andere tensiometrische sensoren gebruiken niet geweven textiel dat met de grond in contact komt en het watergehalte ervan bepaalt door elektrische verwarming terwijl de temperatuur wordt geobserveerd (b.v. Gardena sensoren).
Nadelen: Tensiometers zijn traag en reageren langzaam op veranderende bodemvochtigheid. Er is een hysteresis effect, waardoor bij dezelfde bodemvochtspanning verschillende metingen optreden (bij stijgend versus dalend watergehalte). Onder zeer droge omstandigheden kan de sensor het hydraulische contact met de bodem verliezen. De opgegeven levensduur van deze sensor in de grond is ten minste 5 jaar, wat niet bijzonder lang is.
Voordeel: De bodemvochtspanning geeft aan hoeveel bodemvocht voor de planten beschikbaar is.
SMT 100 TDT Sensor
Meetprincipe: Deze time domain transmission (TDT) sensor bestaat uit geleiderlussen die een hoogfrequente transmissielijn vormen die door pulssignalen wordt aangestuurd (zie Figuren 8 en 9).
Een ringoscillator wordt toegepast door terugkoppeling naar een versterker, en de frequentie ervan wordt gemeten door een microcontroller. De capaciteit tussen de elektroden wordt beïnvloed door het vochtgehalte van de bodem. Hoe hoger het vochtgehalte, hoe langer de pulsvoortplantingstijd en hoe lager de frequentie van de ringoscillator.
Nadeel: Hogere prijsklasse.
Voordelen: De meetfrequentie is meer dan 150 MHz, wat een hoge nauwkeurigheid met een goede resolutie mogelijk maakt, gecombineerd met een minimale invloed van de grondsoort op de meting. Dankzij een multilayer printplaat met epoxy inkapseling en een hoogwaardige kabel bereikt de sensor een lange levensduur in de bodem. Er is een ruime keuze aan interfaces, waaronder analoge uitgang, RS-485 (TBUS/ASCII en Modbus), SDI-12 en 4-20 mA current loop.
Integratie van sensoren in beregeningssystemen
Zoals eerder vermeld hebben goedkope sensoren analoge interfaces en alleen de duurdere hebben digitale interfaces. Eenvoudige analoge sensoren kunnen gemakkelijk in de Arduino IDE geïntegreerd worden zonder extra bibliotheken. Alles wat je nodig hebt is een analoge ingang. Pin A0 van een Arduino Uno wordt gebruikt in het volgende voorbeeldprogramma.
int SENSOR_PIN = A0; /* select analog pin */
int SENSOR_VAL = 0; /* variable storing sensor value */
void setup()
{
Serial.begin(9600); /* setup serial connection */
}
void loop()
{
/* read value */
SENSOR_VAL = analogRead(SENSOR_PIN);
Serial.println(SENSOR_VAL); /* output value */
}
Sensoren van een hogere kwaliteit, zoals de CWT-SOIL-H-S of de SMT 100, bieden digitale interfaces. In mijn systeem zijn beide sensoren verbonden via een Modbus RS-485 interface. De voordelen van deze verbinding liggen voor de hand: Lange kabeltrajecten (tot 100 m van de sensor naar de besturingsunit) zijn geen probleem, en de gegevensoverdracht is immuun voor storingen. Bovendien kunnen veel sensoren via dezelfde interface worden aangesloten.
De CWT-SOIL-H-S sensor werkt in principe goed, maar in mijn systeem hielden twee sensoren er na twee jaar gewoon mee op of begonnen onrealistische waarden aan te geven. Bovendien is de bijgeleverde gebruiksaanwijzing begrijpelijk, maar de in de gebruiksaanwijzing beschreven configuratietool is online moeilijk te vinden en is alleen in het Chinees. Daarom wordt hieronder alleen de integratie van de SMT 100 sensor besproken.
Eerst enkele opmerkingen over RS-485 en Modbus. RS-485 is een differentiële seriële interface met twee lijnen die gegevens in differentiële modus zendt, wat common-mode interferentie onderdrukt en de signaal/ruis verhouding verbetert ten opzichte van RS-232. Robuuste verbindingen tot 100 m lang kunnen gemaakt worden met eenvoudige niet-afgeschermde twisted-pair kabels. Modbus is een client/server communicatieprotocol, dat in 1979 ontwikkeld werd voor communicatie met programmeerbare logische controllers. Dit open protocol is een aanvaarde industriestandaard geworden. Alle technische documenten zijn vrij verkrijgbaar hier. Elke node heeft in principe een uniek adres voor toegang tot de node.
Sensoren configureren
Voor de eerste experimenten met de SMT 100 is het raadzaam een USB/RS-485 bridge of een PCIe RS-485 kaart te gebruiken, zodat de sensor rechtstreeks met een laptop of desktop computer kan communiceren. Ik gebruik een goed gedocumenteerde USB adapter op basis van een FTDI IC.
Een heel handig Modbus configuratieprogramma kun je downloaden van de website van de fabrikant van de sensor. Na het uitpakken en installeren ga je als volgt te werk om de RS-485 versie van de sensor op de RS-485 interface aan te sluiten: De witte draad van de sensorkabel is massa, de groene draad is RS-485 A, en de gele draad is RS-485 B. Op de bruine draad moet ook een voedingsspanning in de range van +4 V tot +24 V (ten opzichte van massa) aangesloten worden.
Na het starten van het Modbus gereedschap moet je eerst de COM poort kiezen. Als je een USB adapter gebruikt en er wordt geen poort getoond, moet je het juiste stuurprogramma installeren. Als alles in orde is, verschijnt op het scherm zoals weergegeven in Figuur 10.
Nu kun je de afzonderlijke parameters uitlezen of het Modbus adres veranderen. Standaard is de sensor toegankelijk op adres 253 (Broadcast). Als je meerdere sensoren wilt aansluiten, moet elke sensor een uniek adres hebben. In het voorbeeldprogramma wordt het Modbus adres op 1 gezet met de instructie Set new MODBUS Address. Voor de zekerheid kun je de communicatie controleren via adres 1, waarvoor links Modbus Adres op 1 gezet moet zijn. Let erop dat bij het instellen van het adres slechts één sensor tegelijk op de bus kan worden aangesloten.
Een testprogramma
Laten we nu eens kijken hoe een dergelijke sensor in een beregeningssysteem kan worden geïntegreerd. De proefopstelling is te zien in Figuur 11.
Samen met de gemakkelijk verkrijgbare ESP32-DEV-Kit bestaat deze uit een kleine printplaat die het RS-485 signaal van de sensor omzet in TTL niveaus die geschikt zijn voor de microcontroller. Klem DI is een ingang voor seriële gegevensoverdracht van de ESP32 naar de sensor. Klem RO ontvangt gegevens van de ESP32 die naar de sensor gestuurd worden. De aansluitklemmen DE en RE zijn hier met elkaar verbonden. Als deze aansluitklemmen laag gedefinieerd worden, schakelt de ontvanger in het MAX485 IC in, en als ze hoog gedefinieerd worden, schakelt de MAX485 zender in.
Laten we nu eens kijken naar het testprogramma. Het eerste deel (vóór de setup routine) definieert de pins en de variabelen voor de sensoren. In de setup routine wordt de pin voor het schakelen van de zender/ontvanger geïnitialiseerd, de standaard seriële interface wordt gedefinieerd als de debug interface, de seriële interface naar de sensor wordt geïnitialiseerd als ’Hardware Serial Interface 2’, en een subroutine controleert of de sensor goed is aangesloten.
In de hoofdlus wordt de sensor om de drie seconden opgevraagd door de subroutine SUB_RECEIVE_HUMIDITY aan te roepen, en het resultaat wordt op de uitgang gezet. Het opvragen van de sensorwaarden wordt afgehandeld door drie subroutines: SUB_CHECK_HUMIDITY controleert het ontvangen sensoradres op juistheid om na te gaan of een sensor verbonden is, SUB_RECEIVE_HUMIDITY haalt de sensorwaarde op, en SUB_CALCULATE_CRC berekent de CRC controlesom. De complete, uitvoerig becommentarieerde voorbeeldcode kan gratis worden gedownload van [12]. Als de uitvoer van het Arduino Seriële Monitor scherm lijkt op die in Figuur 12, werkt alles goed.
Strategie voor beregening
Conventionele tijdgestuurde beregening besproeit in vaste tijdsintervallen, ongeacht de werkelijke behoefte aan water. Het kan dus leiden tot overbewatering met schadelijke waterverzadiging of tot onderbewatering en uitdroging, afhankelijk van de weersomstandigheden. Dit kan worden tegengegaan door een regensensor of online weerinformatie te gebruiken. Sensorgestuurde beregening is veel beter. Dit maakt niet alleen een optimale watertoevoer naar de planten mogelijk, maar vermindert ook het waterverbruik. De verschillen worden getoond in de grafiek.
Er zijn verschillende strategieën om de grenswaarden vast te stellen. Een ervaren tuinier kan het begin van uitdroging herkennen door de planten te observeren (lichte verwelking, omrollen van bladranden). Overmatig water geven leidt tot verzadiging, zonder dat de bodemvochtigheid verder toeneemt. Als je even wacht (ongeveer 24 uur), zal het overtollige water in de ondergrond weglopen. Als vuistregel kun je de ondergrens op 60% van het verzadigingsniveau stellen. Observeer tijdens de leerfase de planten samen met de vochtigheidstrend en stel de grenswaarden zo nodig bij om op lange termijn een optimale en zuinige automatische beregening te krijgen. Het is belangrijk de sensor goed in het wortelgebied van de planten te plaatsen. Om met druppelirrigatie een goede bodemvochtcyclus te verkrijgen, moet de sensor niet te ver weg of te dicht bij de druppelplaats worden geplaatst.
Vragen of opmerkingen?
Heb je vragen of opmerkingen over dit artikel? Neem contact op met de auteur op peter.tschulik@chello.at of met de Elektor redactie per e-mail op editor@elektor.com.
Vertaling: Hans Adams
Discussie (5 opmerking(en))