آموزش راه اندازی سنسور رطوبت سنج خاک خازنی با آردوینو

در این آموزش قصد داریم تا نحوه راه اندازی سنسور رطوبت خاک خازنی با آردوینو را برای شما علاقمندان بیان کنیم، سنسوری دقیق و کارآمد که تاکنون افراد زیادی برای هوشمند سازی گلخانه ها در صنعت کشاورزی به‌عنوان حسگر رطوبت خاک از آن برای نصب سیستم آبیاری خودکار گیاهان استفاده می‌کنند.

اگر شما هم موافق هستید که نگهداری از گیاهان و همینطور به خاطر‌سپردن زمان مناسب آبیاری آن‌ها کار پیچیده‌ای است، پیشنهاد می‌کنیم در این آموزش همراه ما باشید و یادبگیرید چطور با آردوینو یک سنسور رطوبت‌ سنج خاک خازنی را راه‌ اندازی کنید و سپس دانش و مهارت موردنیاز برای نگهداری از گیاهانتان بدون اینکه نگران آبیاری بیش از حد آن‌ها باشید را داشته باشید. بیایید شروع کنیم!

سیستم آبیاری هوشمند یکی از موضوعات محبوب و مورد کاربرد در ایجاد و پیاده سازی گلخانه های هوشمند به شمار رفته و باعث شده تا افراد بیشتری برای افزایش عمر و سلامت گیاهان، مصرف بهینه آب و کاهش هزینه‌ها، از انواع حسگر‌های تشخیص میزان رطوبت در خاک یا هوا استفاده کنند. سنسور های رطوبت سنج خاک نیز یکی از تجهیزات لازم برای این کار است که معمولاً در دو نوع مقاومتی و خازنی ساخته و استفاده می‌شوند.

اکثر سنسور های رطوبت ‌سنج خاک ارزان قیمت از نوع مقاومتی هستند. این سنسورها متشکل از یک پراب چنگالی شکل‌اند که شبیه به یک مقاومت متغیر عمل می‌کند و مقدار این مقاومت با توجه به میزان رطوبت خاک تغییر خواهد کرد. این نوع حسگرها در ابتدا به خوبی کار می‌کنند ولی به مرور زمان با قرار گرفتن در معرض رطوبت شروع به زنگ زدن می‌کنند، حتی اگر پوششی از طلا داشته باشند. این زنگ‌زدگی خطای داده‌های دریافتی از سنسور را به‌همراه خواهد داشت و بنابراین شما برای به دست آوردن داده‌های صحیح باید کد خود را مدام کالیبره کنید. همچنین این نوع سنسورها در خاک‌های سست به خوبی عمل نمی‌کنند.

با آشنایی بیشتر با نحوه عملکرد کیت سنسور تشخیص میزان رطوبت خاک مقاومتی می‌توانید از این سنسور با دو خروجی آنالوگ یا دیجیتال استفاده نمایید.

خوشبختانه گزینه‌ی بهتری نسبت به سنسورهای رطوبت مقاومتی وجود دارد که به سنسور های رطوبت‌ سنج خاک خازنی معروف هستند. این سنسورها براساس اندازه‌ گیری ظرفیت خازن عمل می‌کنند که مزیت‌های قابل توجهی نسبت به اندازه‌گیری نوع مقاومتی دارند. حسگرهای رطوبت خاک خازنی تنها یک پراب دارند و به فلزی که در معرض زنگ‌‌زدگی قرار بگیرد نیاز ندارند. همچنین با اعمال نکردن جریان الکتریسیته در خاک، به گیاهان آسیبی نمی‌رسانند.

مروری بر سخت‌افزار سنسور رطوبت‌ سنج خاک خازنی

راه اندازی ماژول سنسور رطوبت خاک خازنی بسیار ساده و در عین حال دقیق است. تنها کافیست آن را درون خاک قرار دهید تا مقدار رطوبت را تشخیص و داده‌های به‌دست آمده را برای پردازش به سمت خروجی ماژول هدایت کند. خروجی این سنسور خازنی، یک سیگنال آنالوگ و متناسب با میزان رطوبت خاک می‌باشد.

ماژول های تشخیص میزان رطوبت خاک خازنی از یک تراشه تایمر 555 استفاده می‌کنند و با اندازه‌ گیری اینکه یک خازن چقدر سریع یا آهسته از طریق مقاومت شارژ می‌شود، میزان رطوبت را مورد ارزیابی قرار می‌دهد. جالب است بدانید که در این سنسورها، خازن یک قطعه‌ی واقعی نیست، بلکه متشکل از دو مسیر برروی برد PCB است، که در نزدیکی یکدیگر قرار گرفته‌اند. ظرفیت آن‌ها و در نتیجه سرعت شارژ آن‌ها باتوجه به اینکه چه مقدار رطوبت اطراف آن‌ها باشد، تغییر می‌کند.

بر روی برد این سنسور یک رگولاتور 3.3 ولت قرار دارد که آن را برای ارتباط با میکروکنترلرهای 3.3 ولت و 5 ولت مناسب ساخته‌است. علاوه‌براین، جریان مصرفی آن کمتر از 5 میلی آمپر است.

• توجه داشته باشید این سنسور تنها می‌تواند رطوبت خاک را به صورت کیفی اندازه‌ گیری کند. هرچه رطوبت خاک بیشتر باشد، مقدار خروجی سنسور کاهش می‌یابد و هرچه خاک خشک‌تر باشد، مقدار خروجی افزایش می‌یابد. زمانی که ولتاژ تغذیه 5 ولت اعمال شود، مقدار خروجی از “1.5 ولت” (به ازای خاک مرطوب) تا “3 ولت” (به ازای خاک خشک) تغییر خواهد کرد.

با این وجود، مقدار خروجی نهایی سنسور تحت تأثیر : 1) ارتفاع قرارگیری پراب درون خاک و 2) سفت بودن خاک اطراف آن است.

مشخصات فنی حسگر رطوبت سنج خاک خازنی

در این بخش از آموزش می‌توانید فاکتورهایی که پیش از راه اندازی این ماژول سنسور خازنی باید به آن‌ها توجه نشان داده شود را بررسی کنید:

• دامنه ولتاژ کاری: 3.3 الی 5.5 ولت
• حداکثر جریان مصرفی: 5  میلی آمپر
• دامنه ولتاژ خروجی به ازای تغذیه 5 ولت: 1.5ولت الی 3 ولت
• ابعاد پراب: 98×23 میلی متر
• طول کابل: 20 سانتی متر

سنسور رطوبت خاک خازنی چگونه کار میکند؟

برای درک نحوه عملکرد یک سنسور رطوبت سنج خاک خازنی، ابتدا باید رفتار خازن ها را در یک مدار RC بدانید.

در یک مدار RC ساده مانند تصویر بالا، زمانی که یک ولتاژ مثبت به ورودی اعمال شود، خازن (C) از طریق مقاومت (R) شروع به شارژ شدن خواهد کرد. پس از شروع شارژ، ولتاژ دو سر خازن تغییر می‌کند و با گذشت زمان، ولتاژ خازن افزایش می‌یابد تا اینکه برابر با ولتاژ ورودی شود. در نمودار زیر می‌توانید رابطه‌ بین ولتاژ و زمان را هنگام شارژ خازن مشاهده کنید.

مدت زمانی که طول می‌کشد تا خازن به طور کامل شارژ شود، به مقدار مقاومت و خازن بستگی دارد. اگر مقدار مقاومت را ثابت در نظر بگیرید و دو مقدار مختلف را برای خازن امتحان کنید، خواهید دید که خازن با مقدار بالاتر به زمان بیشتری برای شارژ شدن نیاز دارد.

درحالی که خازن با مقدار کوچک‌تر، سریع‌تر شارژ می‌شود.

اکنون بیایید برگردیم به ادامه معرفی نحوه عملکرد سنسور رطوبت خازنی، خازن (C) بر روی برد سنسور شامل دو مسیر مسی ساده است که مانند یک خازن عمل می‌کند. این مفهوم، به‌عنوان “ظرفیت خازنی پارازیتی” شناخته می‌شود، که اغلب در مدارات رخ می‌دهد و مقدار آن ناچیز است. با این وجود، با بزرگتر کردن عمدی سطح دو مسیر مسی، می‌توانیم از این مفهوم به نفع خود استفاده کنیم. احتمالاً این سؤال برای‌ شما پیش‌ آمده که چطور می‌توان از این ویژگی در این ماژول استفاده کنیم؟

ظرفیت این خازن پارازیتی از طریق شکل مسیرها و محیط اطراف آن (که از نظر فنی به عنوان ثابت دی الکتریک شناخته می‌شود) تعیین می‌شود. به این معنی که وقتی حسگر خازنی را درون خاک قرار می‌دهید، محیط اطراف خازن بسته به اینکه خاک مرطوب باشد یا خشک تغییر می‌کند و این امر ظرفیت خازن را تغییر می‌دهد پس در نتیجه بر زمان شارژ آن تأثیر می‌گذارد. بنابراین زمانی که خاک خشک است، خازن ظرفیت کوچتری دارد، پس سریع‌تر شارژ می‌شود. برعکس، زمانی که خاک مرطوب است، خازن ظرفیت بزرگتری دارد و در نتیجه به کندی شارژ می‌شود.

برای درک بهتر این که چگونه در سنسور این عمل صورت می‌گیرد، بیایید مدار زیر را امتحان کنیم.

دانستیم که ماژول سنسور رطوبت خاک خازنی از یک آی سی 555 استفاده می‌کند و این به‌عنوان یک نوسان‌ساز پایدار عمل می‌کند. موج مربعی حاصل از آی سی 555 به‌عنوان تغذیه ترکیب RC مورد استفاده قرار می‌گیرد که در اینجا خازن، متشکل از پراب است. سیگنال خروجی حاصل از این ترکیب RC، یک موج شبه مثلثی است که برای تولید یک خروجی DC، به یک دیود یکسوساز و یک خازن صافی اعمال می‌شود.

این خروجی متناسب با میزان رطوبت خاک است. بنابراین اگر خاک خشک باشد، خازن به سرعت شارژ می‌شود، در نتیجه دامنه موج مثلثی بزرگتر شده و متعاقباً ولتاژ خروجی بیشتری ایجاد می‌شود. برعکس، زمانی که خاک مرطوب است، خازن به کندی شارژ شده، که منجر به کوچک‌ شدن دامنه موج مثلثی شده و در نتیجه ولتاژ خروجی کمتری تولید می‌شود.

پایه های سنسور رطوبت سنج خاک خازنی

سنسور رطوبت سنج خاک خازنی شامل یک کانکتور سه پین نوع JST PH2.0 می‌باشد که سر نری کابل همراه سنسور، به این کانکتور متصل می‌شود (سر دیگر کابل یک کانکتور مادگی سه پین است). سیم مشکی رنگ بیانگر زمین، سیم قرمز رنگ بیانگر ولتاژ تغذیه VCC و سیم زرد رنگ بیانگر خروجی آنالوگ هستند.

پين GND : این پین، زمين ماژول سنسور رطوبت است.

پین VCC : این پین تغذيه سنسور است. پیشنهاد می‌شود سنسور با ولتاژ 3.3 ولت الی 5 ولت تغذیه شود. به یاد داشته باشید که خروجی آنالوگ بسته به ولتاژ اعمال شده به سنسور تغییر خواهدکرد.

پین AOUT : این پین ولتاژ خروجی آنالوگ است که متناسب با مقدار رطوبت خاک می‌باشد. این خروجی توسط پایه ورودی آنالوگ میکروکنترلر خوانده می‌شود. هرچه میزان رطوبت خاک بیشتر شود، ولتاژ خروجی کاهش می‌یابد و برعکس.

اتصال سنسور رطوبت سنج خاک خازنی به آردوینو

اتصال یک سنسور رطوبت سنج خاک خازنی به ماژول آردوینو بسیار ساده است و تنها کافیست سه سیم را به پایه‌های آن متصل کنید.

• سیم‌کشی را با اتصال سیم قرمز رنگ تغذیه که 3.3 الی 5 ولت است، آغاز می‌کنیم. از همان ولتاژی استفاده کنید که منطق میکروکنترلر شما براساس آن می‌باشد.از آن‌جا که در این پروژه ما از یک ماژول آردوینو استفاده می‌کنیم که اغلب 5 ولت هستند پس باید از پایه 5V آردوینو استفاده کنیم و طبیعتاً برای قطعات مبتنی‌بر 3.3 ولت از ولتاژ تغذیه 3.3 ولت استفاده می‌کنید.

• اکنون سیم مشکی را به زمین (GND) متصل کنید.

• در نهایت سیم زرد رنگ را به یکی از پایه‌های ورودی آنالوگ آردوینو خود متصل نمایید. در اینجا ما آن را به پایه A0 متصل کردیم.

جدول زیر اتصالات ما را نشان می‌دهد.

نحوه انجام این سیم‌کشی را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید:

نحوه به‎‌دست آوردن محدوده رطوبت‌های گوناگون

امکان اینکه درصد واقعی رطوبت خاک را مستقیماً از مقادیر اندازه‌گیری‌ شده تعیین کنیم، وجود ندارد. با این وجود می‌توانیم به طور نسبی سه رنج رطوبت را برای خاک تعیین کنیم: بسیار خشک(too dry)، بسیار مرطوب(too wet) و رطوبت مناسب(just right).

ابتدا برنامه زیر را اجرا و مقادیر خروجی سنسور را تحت سه شرط اصلی زیر ثبت کنید.

• زمانی که خاک به اندازه کافی خشک است و گیاه نیاز به آب دارد.
• زمانی که خاک به اندازه سطح رطوبت ایده‌آل گیاه آبیاری شده‌است.
• زمانی که خاک بیش از حد آبیاری شده و رطوبت زیاد آن برای گیاه مطلوب نیست.

// Define analog input
#define sensorPin A0

void setup() {
  // Setup Serial Monitor
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Read the Analog Input
  int value = analogRead(sensorPin);
  
  // Print the value to the serial monitor
  Serial.print("Analog output: ");
  Serial.println(value);
  
  // Wait for 1 second before the next reading
  delay(1000);
}

با اجرای این برنامه، باید داده‌های خروجی مشابه زیر را داشته باشید:

• در هوای آزاد: حدود 590
• خاک خشک که نیاز به آبیاری دارد: حدود 380
• رطوبت مطلوب خاک: بین 277 الی 380
• خاکی که به تازگی آبیاری شده است: حدود 277
• خاک با رطوبت زیاد: 273

توجه: این آزمایش نیازمند آزمون و خطا است. زمانی که یک بار داده‌ها را خواندید، می‌توانید از آن‌ها به‌عنوان مقادیر آستانه برای انجام اقدامات لازم استفاده کنید.

کد مقایسه رنج رطوبت در آردوینو

کد زیر سطح رطوبت را با مقادیر آستانه زیر مقایسه می‌کند.

• کمتر از 277: خاک بسیار مرطوب
• بین 277 الی 380: محدوده رطوبت مناسب
• بیشتر از 380: خاک بسیار خشک

/* Change these values based on your observations */
#define wetSoil 277   // Define max value we consider soil 'wet'
#define drySoil 380   // Define min value we consider soil 'dry'

// Define analog input
#define sensorPin A0

void setup() {  
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // Read the Analog Input and print it
  int moisture = analogRead(sensorPin);
  Serial.print("Analog output: ");
  Serial.println(moisture);
  
  // Determine status of our soil
  if (moisture < wetSoil) {
    Serial.println("Status: Soil is too wet");
  } else if (moisture >= wetSoil && moisture < drySoil) {
    Serial.println("Status: Soil moisture is perfect");
  } else {
    Serial.println("Status: Soil is too dry - time to water!");
  }
  Serial.println();
  
  // Take a reading every second
  delay(1000);
}

اگر همه چیز را به درستی انجام داده باشید، خروجی مشابه تصویر زیر را در مانیتور سریال مشاهده خواهید کرد.

همانطور که مشاهده می‌کنید عدد خوانده شده از سنسور و وضعیت رطوبت گیاه روی سریال مانیتور قابل مشاهده است. حال شما می‌توانید این پروژه را گسترش دهید، مثلا وضعیت آب گیاه را با سه LED نمایش دهید یا با اتصال موتور پمپ، آبیاری اتوماتیک به پروژه اضافه کنید.