На сегодня, самые популярные датчики влажности почвы среди ардуинистых поделок - резистивные и емкостные, срок жизни коих весьма ограничен в силу их концепции и технологии производства. Данная статья имеет целью предложить чуть более продвинутое решение задачи.

Продукты на рынке

Рассмотрим "классический" резистивный датчик.

Его основным минусом является постоянное протекание тока через электроды. При этом, метал пластин превращается в ионы и истончается в процессе эксплуатации, что приводит к таким последствиям как постоянное изменение коэффициэнта сопротивления датчика относительно влажности измеряемой среды (что нас волнует в первую очередь) и заражению почвы солями тяжелых металов (свинец), входящих в материал покрытия электродов.

Технически, этот эффект можно уменьшить, подавая питание на датчик только на время измерений. Но, при малейшем разрушении поверхностного слоя, пластины продолжат разрушаться уже на собственном гальваническом электричестве, поскольку состоят из луженного слоя меди.

В автоматической системе полива, уменьшение чувствительности датчика приведет к постоянному завышению уровня влажности почвы и, в конечном счете, к гибели растений.

Еще одной отрицательной чертой данного прибора является его низкая чувствительность в рыхлой почве с относительно небольшой влажностью. Девайс хочет плотной и мокрой землицы.

Относительно недавно, было предложено новое решение основаное на измерении диэлектрической проницаемости среды (емкостный датчик). Первое время продукт производился его автором, но вскоре был подхвачен китайской индустрией и разошелся в массы.

Очень мало вероятно, что уважаемый автор данной реализации поставил себе задачу решить вопрос в принципе и навсегда. Скорей всего, проект носил больше развлекательный характер с некоторым практическим применением в режиме "поиграться".

Суть в том, что его схемное решение расчитано на значительные изменения емкости измерительного конденсатора, возможное лишь при очень малых толщинах изоляции пластин.

Автор понадеялся на паяльную маску, обладающую вполне приемлемой механической прочностью и великолепными изоляционными свойствами. Но! Все это хорошо пока плата только что спаяна и гордо воткнута в землю. Через некоторое время, вода начинает проникать под изоляцию, отслаивая покрытие. Причем, этот эффект можно наблюдать даже на электронных приборах, работающих в условиях высокой относительной влажности воздуха. Что до уровней влажности почвы, так там сам БГ велел развалиться.

После разрушения изоляции, схема прибора позволяет еще какое-то время эксплуатировать его как резистивный, с некоторыми вышеописаными особенностями.

Так же, существуют и другие самодельные емкостные датчики, страдающие тягой к тонкому покрытию. Как правило, народ развлекается покрытием лакокрасочными материалами, к сожалению, не имеющими достаточной механической прочности и склонными к пробою.

Ну и чтобы два раза не вставать... Третьим, наименее распространенным решением, является китайская поделка на базе датчика влажности воздуха SHT30-ARP-B. Господа философы и мыслители просто запихали его в чехол с мелкими отверстиями, совершенно позабыв о диапазоне отностительной влажности воздуха БЕЗ ОБРАЗОВАНИЯ КОНДЕНСАТА, который, со всем удовольствием, ГАРАНТИРОВАН в условиях задачи. Т.е. данный девайс можно с превеликой осторожностью эксплуатировать в весьма ограниченых условиях, что сильно снижает как область его применения, так и суть измерений, о которой мы расскажем чуть ниже.

Все эти умствования носят не только теоретический характер, но и подтверждены на практике. Поищите на утубе - там некий исследователь поставил натурный эксперимент со всеми тремя видами датчиков, оценивая как точность измерений, так и срок жизни устройств. Результаты, на мой вкус, далеки от практического применения.

Условия задачи

Нам нужно, минимально влияя на среду, измерить влажность и температуру почвы.

Почему я отклонился от прямого решения задачи и вспомнил о температуре? Я конечно не ботаник (в прямом смысле этого слова) и, тем более, не агроном, но за движение жидкостей в почве таки почитал и сильно подозреваю, что наиболее важной для растений характеристикой влажности является не абсолютное количество воды, а баланс воздуха и водяного пара, присутствующего в землице. В болотистых почвах произрастает далеко не любая травка. Абсолютное большинство растений корнями потребляет не только воду и питательные вещества, но и кислород. Отсюда и потребность в перекопке земли для успешного выращивания сельскохозяйственных культур.

Кроме того, сами семена растений стартуют при наличии трех факторов - влажность, температура и (желательно) наличие гуминовых кислот. Все эти параметры должны находиться в приемлемом балансе - влажность, а не вода; температура от 16ти градусов; кислотность в районе нейтральной среды.

Оставим в покое кислотность, ибо ее величина будет относительно постоянной, а вот два других параметра мы будем измерять и, по возможности, корректировать.

Что до китайской поделки, она измеряет только относительную влажность газовой смеси, сильно зависящую от температуры почвы и абсолютно не учитывает воду, связаную ее плотными структурами.

Улучшайзинг емкостного датчика

Но вернемся к нашим размышлениям в практической плоскости. 

С июля 2021го года у меня тестируется емкостный датчик сделаный как четырехслойная печатная плата, где внешней изоляцией являются тонкие слои стеклотекстолита, а обкладкой - полигоны на внутренних слоях. Прибор умышленно подвергается механическим нагрузкам в разных типах почвы (от торфа до песка) в диапазонах температур от десяти до сорока градусов при влажностях от нуля до ста процентов. Судя по внешнему виду, смерть ему не грозит еще лет пять (как минимум). Неким минусом данного концепта является относительно небольшая емкость конденсатора, что требует определенных вывертов в измерительной системе (у меня нет преобразования емкость/напряжение, я измеряю время заряда, поскольку контроллер находится в непосредственной близости - на той же печатной плате и нет фактора влияния кабеля подключения).

Итак, FR-4 (стеклотекстолит) - рулез однозначный. Но что делать с малой емкостью? Вспомним за нашего украинского друга с его девайсом - он использует сенсор как часть ФНЧ. При увеличении емкости, реактивное сопротивление падает и уменьшает выхлоп делителя, который мы и измеряем. Отсюда логичное решение - давайте тупо увеличим активное плечо схемы. Даже этого будет достаточно чтобы сильно улучшить параметры и позволить применение утолщенной изоляции. Разумеется, выходное сопротивление прибора сильно возрастет, но это лечится...

Я не стал извращаться с интегральным таймером и построил всю схему на транзисторах. Мультивибратор шарашит на частоте 25 килогерц, формируя меандр. Малая емкость сенсора заряжается сквозь R7, имееющий очень высокое сопротивление, и разряжается посредством транзистора Q2B. На Q2A собран активный выпрямитель, полноостью сглаживающий выходные пульсации.

Как видите, "смехотехника" проста до неприличия. Параметры компонентов рассчитывались исходя из имеющегося в наличии набора и могут быть скорректированы в сторну улучшения чувствительности.

Что до 100к в подтяжке терморезистора - мало вероятно наличие высоких температур, нас больше интересуют 25 и ниже.

Выходные сопротивления датчиков выбраны исходя из параметров АЦП контроллеров AVR. Впрочем, НМВ оно устроит и "магазинные" компараторы напряжения.

Технологически

Вся схема собрана методом поверхностного монтажа на куске одностороннего стеклотекстолита и сверху залита эпоксидной смолой (в кои то веки толщина наносимой изоляции не принципиальна). Разумеется, параметры защитного слоя будут иметь значение при малых толщинах, но наш основной и прогнозируемый материал - стеклотекстолит платы. Чем он тоньше, тем шире диапазон выходных напряжений (максимальная емкость датчика). Заливка банальным ЭДП, приемлемой толщины, так же проверена годами эксплуатации моих индуктивных датчиков и не вызывает сомнений. Просто не забудьте обезжирить поверхность :)

Технически, плату можно сделать утюгом на материале от 0.5 до стандартных полутора миллиметров (разводка во вложении).

Концептуальное "но"

Как мы понимаем, для уменьшения влияния перетечек через источник питания, "земляная" обкладка нашего конденсатора должна иметь значительно большую площадь, либо (и лучше) вся измерительная система должна иметь электрический контакт со средой (заземление мясяляси).

Если в доме нету денег...

Не так давно я столкнулся с той проблемой, что в наши пенаты не завозят транзисторные сборки отслова "никогда". Их есть у меня, но может не оказаться у вас, уважаемый читатель. Отсюда вот вам реализация на "ходовых" компонентах.

К моему величайшему сожалению, емкости переходов у этих транзисторов несколько больше. Отсюда и понижение частоты (до девяти килогерц) и меньшая чувствительность, влекущая увеличение поверхности обкладок конденсатора. Но прибор все еще функционален :)

Моя ботанская сущность...

Как я понимаю, интерес к подобным девайсам проистекает из любительского растениеводства. Мы, технари, не сильно заморачиваемся на "околонаучные" темы волшебства зарождения растительной, но жизни - нам только дай чего-нить спаять или запрограммировать. Посему, позвольте прям тут тезисно поделиться некоторой накопленной инфой.

Плодородная почва - суть смесь мелкого песка, глины и органики. Ежу понятно, что, при интенсивном орошении, вся эта масса норовит уплотниться. "Землебетон" не сильно полезен и его придется ковырять для возврата к прежней рыхлой структуре, попутно разрушая корни. Чтобы делать это как можно реже, вспомним за МИКРОЦИРКУЛЯЦИЮ влаги в почве. Сия шняга осуществляется посредством двух "инновационных технологий" - капилярного эффекта и движения водяного пара (оно всегда есть в рыхлой среде).

Я делаю следующее - на дно контейнера (горшок, ящик и т.п.) укладывается капилярная трубка, соединенная с внешним насосом. На 3-5см (минимум) все это дело засыпается крупнозернистым песком (если морской, обязательно вымыть соль). Итого, у нас образовался буфферный слой, накапливающий влагу. Если вам пришло в голову подогревать почву при заморозках (проверено - реально работает), нагревательный элемент так же должен быть размещен под этим слоем. И только поверх него укладываем датчик и насыпаем плодородную почву (до 5-7см).

Что происходит: полив производится снизу вверх - капилярный эффект и испарения не сильно способствуют уплотнению; влажность рабочих слоев меняется постепенно; температура (в случае подогрева) распространяется равномерно.