Изготовление системы измерения влажности почвы

В современном сельском хозяйстве при выращивании растений с использованием автоматизированных систем полива, где количество полива растений очень важно и влияет на урожайность используют датчики влажности почвы. Эти датчики дают наиболее точную информацию о количестве влаги у корневой системы растений. Газон на даче конечно не заслуживает такого пристального внимания, тем более что в разных местах участка в зависимости от освещенности солнцем в течение дня, а также рельефа могут быть разная влажность. Однако, почему бы не попробовать применить датчики влажности для определения влажности почвы, чтобы иметь дополнительную информацию при включении автополива.
Можно также использовать данную технологию и для других изощренных задач, типа мониторинг влажности почвы у стен подвала или грунтового пола в погребе.
Описание недорогого способа изготовление системы измерения влажности почвы для 1-wire сетей описано в книге «WeatherToys». Один из способов определения влажности среды – это измерение ее электрического сопротивления. То есть в простейшем варианте для определения влажности почвы нам достаточно воткнуть в почву два электрода и замерить сопротивление между ними. Однако, полученные данные будут сильно разниться в зависимости от наличия солей и минералов в почве. В качестве простейшего решения используется гипсовый датчик влажности почвы, который представляет из себя гипсовый цилиндр с двумя электродами внутри. Гипсовый датчик дает стабильные показатели сопротивления зависящие от влажности среди и независящие от наличия в ней солей.

Изготовление датчика

Для изготовления датчика понадобится гипс, кабель медный ВВГ 2х1,5 и сердечник от туалетной бумаги. Провода в кабеле зачищаем от изоляции на 2 см и располагаем между собой на расстояние 1,5 -2,0 см. Сердечник от туалетной бумаги обрезаем на 5 см по высоте, вставляем внутрь зачищенные концы кабеля, так чтобы они расположились посредине и заливаем гипс. Пока гипс сохнет, надо жестко зафиксировать кабель.
Если вы хотите сделать несколько датчиков, то желательно чтобы длина зачищенных концов и расстояние между ними были одинаковыми, чтобы они выдавали одинаковые показатели в одинаковых условиях. Для этого можно сделать пластиковые фиксаторы по 2 см с помощью которых можно зафиксировать расстояние между проводами.

Паяем электронику

Измерить сопротивление в гипсовом блоке на самом деле не так просто, как кажется. Если подать постоянный ток на электроды в соленой воде, то как известно начнется химическая реакция. Тоже происходит в гипсовом датчике и он через некоторое время начинает показывать неправильные результаты. Поэтому нужен переменный ток. Схема ниже представляет собой преобразователь частоты в вольты где частота зависит от уровня влажности.
U1 – простой осциллятор. Сопротивление гипсового датчика определяет частоту осциллятора. Больше влаги в датчике – меньше сопротивление. Меньшее сопротивление позволяет С4 заряжаться быстрее повышая частоту. И наоборот. Чем меньше влаги в датчике, тем больше сопротивление и частота меньше. Гипсовый датчик защищен от любого постоянного тока конденсаторами С5 и С6.
Для преобразования частоты в вольтаж, который может быть измерен в сети 1-wire измеряется ток осциллятора. Как и во многих CMOS ток пропорционален «активности» в цепи, которая в данном случае выражается в частоте. Большая частота – больший ток. Ток преобразуется в вольтаж через резистор R2.
U2 – это микросхема мониторинга заряда батареи DS2760. В нашем случае он используется только как АЦП. Перепады вольтажа измеряются через резистор R2 и преобразовываются в микросхеме в значения, которые можно прочитать по сети 1-wire.
Данная схема не работает на паразитном питании, и на нее нужно подавать отдельно от 7V до 18V как показано на рис.2

Рисунок 2- Подключение датчика к системе, калибровка

Здесь надо уже вам написать, как все это подключить к OWS.
Основные мысли:
Читаем показатели с DS2706. В данной реализации они всегда будут отрицательными в диапазоне от -2,56 вольт до 0. То есть для преобразования в проценты используем выражение
dblMoisture = ((dblMoisure - MOIS_OFFSET) * MOIS_COEFF)/(-2.56)*100
Две константы используем при калибровке.
Рекомендуется калибровка:
1. Снимаем гипсовый датчик. Это эмулирует состояние «0%-сухо». Снимаем показания вольт, преобразуем в проценты и присваиваем константе MOIS_OFFSET
2. Замыкаем вывода на датчик перемычкой. Это эмулирует состояние «100%-влажно». Делим 2,56 на полученное значение (по модулю) и записываем в константу MOIS_COEFF.

Установка датчика.

Обычно датчик влажности почвы устанавливается на глубине от 5 до 40 см от уровня земли в зависимости от растений, которые мы поливаем. В случае газона, глубже 5-10 см закапывать его не имеет смысла.
Перед закапыванием в землю необходимо «замачивать» датчик. Для этого на ночь его погружают в чашку с обычной водой.
При помещении датчика в землю также рекомендуется обильно полить почву вокруг, чтобы она была кашеобразной и плотно утрамбовать вокруг датчика. Цель данных манипуляций – обеспечить полный контакт датчика с почвой и исключить пустоты.
Через несколько 2-3 дня датчик начнет выдавать правильные стабильные данные о влажности почвы на вашем участке.
Некоторые замечания
Гипс – достаточно нежный материал, и достаточно быстро разрушается. Нужно помнить что гипсовый датчик влажности, если его не выкапывать на зиму прослужит не более 2-х лет. Поэтому необходимо периодически их менять.
Также очень не рекомендуется закапывать датчик влажности близко к контурам заземления вашего дома и контурам молниеотводов.

Передаточная функция ОУ определяется следующим выражением:

где .

Y₁(t) – сигнал с датчика для регулируемой переменной ОУ;

Y₂(t) – сигнал с датчика по каналу контроля.

Расчёт параметров настройки регулятора

Исходя из особенностей разрабатываемой системы, к которой предъявляется требование повышенной точности отработки заданных воздействий, регулятор должен реализовать пропорционально-интегральный закон управления. Параметры ПИ-регулятора определяются требованиями к качеству переходного процесса:

нулевая статическая ошибка;

величина перерегулирования не более 5%;

длительность переходного процесса не более постоянной времени ОУ.

С помощью моделирования системы в пакете Simulinkопределяем параметры настройки регулятора (см. табл.1).

Таблица 1. Параметры дискретного ПИД регулятора.

Параметр	Значение
	0,3

Расчет погрешностей