سنسور رطوبت خاک اولین چیزی است که هنگام ساخت سیستم آبیاری هوشمند یا سیستم آبیاری خودکار گیاهان، به ذهن انسان خطور می‌کند. به‌کمک این سنسور و پشتیبانی آردوینو می‌توان سیستم آبیاری خودکاری طراحی کرد که گیاهان را در صورت نیاز آبیاری کند و مانع آبیاری بیش از حد شود.
در این مقاله، قصد داریم سنسور رطوبت خاک را با آردوینو راه اندازی کنیم و رطوبت خاک (غلظت حجمی آب درون خاک) را اندازه‌گیری کنیم. سنسور رطوبت آردوینو به‌گونه‌ای طراحی شده است که می‌توان در دو مد دیجیتال و آنالوگ خروجی داشته باشد. برای خروجی دیجیتال، وضعیت خروجی را با یک LED نمایش می‌دهیم و برای خروجی آنالوگ نیز از نمایشگر سریال یا یک LED با PWM استفاده می‌کنیم.
پین های سنسور رطوبت خاک
سنسور رطوبت خاک دارای چهار پین VCC ،GND ،Aout و Dout است. از این چهار پین می‌توان برای دریافت داده‌های رطوبت خاک از سنسور استفاده کرد. پین اوت سنسور رطوبت خاک به‌شکل زیر است:
- VCC پین منبع تغذیه سنسور رطوبت خاک است که می‌تواند به ولتاژ تغذیه ۳٫۳ ولت یا ۵ ولت متصل شود. البته توجه داشته باشید که خروجی آنالوگ نسبت به ولتاژ تغذیه متفاوت خواهد بود.
- GND پین زمینِ برد است و باید به پین زمین آردوینو متصل شود.
- DOUT پین خروجی دیجیتال برد است. خروجی صفر(0) نشان‌دهنده رطوبت مناسب خاک و خروجی یک(1) نشان‌دهنده رطوبت کم است.
- AOUT پین خروجی آنالوگ برد است و یک سیگنال آنالوگ بین VCC و زمین به ما می‌دهد.
سنسور رطوبت خاک چگونه کار می‌کند؟
همان‌طور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، عملکرد سنسور رطوبت خاک بسیار ساده و واضح است. فقط باید پراب رسانای چنگالی‌شکل را در خاک فرو ببریم. پراب دارای دو صفحه رساناست که به‌صورت یک مقاومت متغیر عمل می‌کنند. این مقاومت بسته به مقدار آب در خاک متفاوت است.
مقاومت پراب با رطوبت خاک دستگاه نسبت عکس دارد. هرچه مقدار آب در خاک بیشتر باشد، رسانایی بهتر و درنتیجه مقاومت کمتر است. اما اگر آب موجود در خاک کمتر باشد، رسانایی ضعیف و ازاین‌رو مقاومت بالاتر خواهد بود. این سنسور رطوبت آردوینو با توجه به مقاومت، ولتاژ خروجی تولید می‌کند.
تصویر بالا که مربوط به سنسور رطوبت خاک است، نشان می‌دهد که چگونه خروجی آنالوگ سنسور براساس میزان رطوبت خاک تغییر می‌کند. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، با اضافه شدن آب به خاک، ولتاژ از ۵ ولت به صفر ولت کاهش می‌یابد. همچنین، میتوانید ببینید که LED سیگنال روی برد هنگام اضافه شدن آب به خاک روشن می‌شود. البته در این گیف برای سادگی نحوه کار کردن پین دیجیتال نشان داده نشده است. هنگامی که آب به خاک اضافه می‌شود، پین دیجیتال با کمک تقویت‌کننده عملیاتی مقایسه‌کننده اشمیت تریگر روی برد از صفر ولت به ۵ ولت تغییر می‌کند. میتوانید با استفاده از پتانسیومتر (آبی) روی ماژول، حساسیت این پین دیجیتال را کنترل کنید.
قطعات سنسور رطوبت خاک
کل سنسور رطوبت خاک از دو بخش تشکیل شده است: پراب سنسور و ماژول الکترونیکی. ماژول، داده‌های دریافتی از پراب را پردازش می‌کند، پس از آن توسط میکروکنترلر یا برد آردوینو پردازش شده و خروجی نهایی به‌دست می‌آید.
پراب سنسور
همان‌طور که قبلاً گفته شد، سنسور دارای یک پراب چنگالی‌شکل با دو پد رسانای بزرگ است. پراب مانند یک پتانسیومتر متغیر عمل می‌کند که مقدار آن توسط میکروکنترلری مانند آردوینو قابل خواندن است.
ماژول سنسور
ماژول سنسور رطوبت خاک سیگنال آنالوگ ورودی را به سیگنال دیجیتال تبدیل می‌کند. ماژول به‌گونه‌ای طراحی شده است که می‌توان بدون پشتیبانی میکروکنترلر، از سنسور استفاده کرد. ماژول دارای دو پین ورودی سیگنال است که پراب به آن وصل می‌شود. همچنین چهار پین دیگر نیز دارد که دو تا از آن‌ها VCC و GND و دو تای دیگر، پین‌های خروجی دیجیتال و خروجی آنالوگ هستند.
همچنین ماژول شامل یک مقایسه‌کننده LM393 با دقت بالاست که برای دیجیتالی کردن سیگنال آنالوگ خروجی پراب سنسور، استفاده می‌شود. این ماژول دارای یک پتانسیومتر داخلی است که برای تنظیم حساسیت خروجی دیجیتال مورد استفاده قرار می‌گیرد. هدف اصلی پتانسیومتر تنظیم مقدار آستانه است، به‌گونه‌ای که وقتی سطح رطوبت از مقدار آستانه فراتر می‌رود، ماژول خروجی صفر و در غیر این صورت خروجی یک خواهد داشت. این ویژگی ماژول می‌تواند بسیار مفید باشد، زیرا وقتی رطوبت به مقدار آستانه خاصی رسید، میتوانید رله‌ای را راه‌اندازی کنید که شروع به پمپاژ آب کند.
مدار ماژول سنسور رطوبت خاک
شماتیک مدار ماژول سنسور رطوبت خاک در زیر نشان داده شده است. خود شماتیک بسیار ساده است و برای ساخت به تعداد انگشت‌شماری المان نیاز است. اگر ماژول از پیش ساخته‌شده ندارید اما همچنان می‌خواهید پروژه خود را آزمایش کنید، شماتیک زیر به شما کمک خواهد کرد.
در این شماتیک، یک تقویت‌کننده عملیاتی LM393 با ولتاژ آفست پایین کم مصرف داریم که می‌تواند از ولتاژ ۳٫۳ ولت یا ۵ ولت تغذیه شود. توجه داشته باشید که ولتاژ خروجی آنالوگ دستگاه به ولتاژ ورودی بستگی دارد. وظیفه اصلی این تقویت‌کننده تبدیل سیگنال آنالوگ دریافتی از پراب سنسور به سیگنال دیجیتال است. پتانسیومتر 10K نیز برای تنظیم ولتاژ مرجع تقویت‌کننده استفاده می‌شود، ولتاژ ورودی سنسور به زیر ولتاژ آستانه تنظیم‌شده توسط پتانسیومتر می‌رسد و خروجی تقویت‌کننده صفر می‌شود. همچنین در اینجا دو LED داریم که یکی LED پاور و دیگری LED تریگر است. LED پاور هنگام اعمال ولتاژ تغذیه به برد و LED تریگر با رسیدن به آستانه تنظیم‌شده مشخص روشن می‌شود.
مدار سنسور رطوبت خاک آردوین
اکنون که درک کاملی از نحوه عملکرد سنسور رطوبت خاک دارید، میتوانید تمام سیم‌های موردنیاز را به برد UNO آردوینو متصل کنید. این بخش به دو قسمت تقسیم می‌شود، یکی خروجی آنالوگ و دیگری خروجی دیجیتال. با مدار آنالوگ شروع می‌کنیم. مدار کامل اتصال سنسور رطوبت خاک با آردوینو در زیر نشان داده شده است.
خروجی آنالوگ
برای کار با سنسور ابتدا باید سنسور را تغذیه کنیم، برای این کار از پین ۵ ولت و GND برد UNO آردوینو استفاده می‌کنیم.
همان‌طور که در شماتیک مدار سنسور رطوبت خاک آردوینو (شماتیک بالا) نشان داده شده است، یک LED به پین ۶ دیجیتال آردوینو و پین خروجی آنالوگ سنسور نیز به پین A0 برد UNO آردوینو وصل شده است، درنهایت، زمین بین LED و سنسور مشترک است. برنامه‌نویسی آردوینو را به‌گونه‌ای انجام خواهیم داد که روشنایی LED بسته به داده‌های دریافت‌شده توسط پراب تغییر کند.
خروجی دیجیتال
برای قسمت رابط دیجیتال، از پین +5V و زمین آردوینو برای تغذیه ماژول سنسور استفاده می‌کنیم.
اتصال سنسور رطوبت خاک به آردوینو یا هر میکروکنترلر دیگر بسیار ساده است. همان‌طور که می‌دانید سنسور، هر دو سیگنال آنالوگ و دیجیتال را خروجی می‌دهد. بنابراین پردازش این سیگنال بسیار آسان است.
استفاده از کد آردوینو
کد آردوینو سنسور رطوبت خاک بسیار ساده و قابل درک است. داده‌های آنالوگ خروجی سنسور را خوانده و روشنایی LED را با توجه به داده‌های دریافتی تغییر می‌دهیم. به‌یاد داشته باشید که فقط داده‌های آنالوگ خروجی سنسور را برای داده‌های دیجیتالی پردازش می‌کنیم. میتوانید چراغ LED نصب‌شده در ماژول را که روشن می‌شود مشاهده کنید.
با تعریف دو ماکرو، به کد مقدار اولیه می‌دهیم. اولی ledPin است، جایی که LED را وصل می‌کنیم. دومی نیز sensorPin است که از طریق آن داده‌های خروجی سنسور را می‌خوانیم.
پس از آن، تابع setup را داریم. در تابع setup، باود ریت ۹۶۰۰ را به سریال می‌دهیم. ledPin را به‌عنوان خروجی (output) تنظیم کرده و پین را در حالت LOW قرار می‌دهیم. بدین‌ترتیب، پین شناور نخواهد شد و LED نیز روشن نمی‌شود.
در مرحله بعد، از تابع Loop استفاده می‌کنیم. در این تابع، “:Analog output” را به‌صورت متن روی پنجره نمایشگر سریال چاپ کرده و سپس، تابع readSensor را درون تابع Serial.println فرا می‌خوانیم، درنتیجه وقتی تابع readSensor اجرا می‌شود، داده‌ها را برمی‌گرداند و روی پنجره نمایشگر سریال نمایش داده می‌شوند.
در آخر، تابع سفارشی readSensor را داریم که مقدار آنالوگ خوانده‌شده از طریق پین A0 آردوینو را برمی‌گرداند. در خط اول این تابع، متغیری به‌نام sensorValue را تعریف کرده‌ایم که در آن داده‌های خام خوانده‌شده از طریق پین A0 آردوینو را قرار می‌دهیم. این داده در فرمت ۱۰ بیتی و از ۰ تا ۱۰۲۳ است. برای تبدیل داده ۱۰ بیتی به داده ۸ بیتی از تابع map استفاده می‌کنیم. زمانی که تابع map داده‌ها را خروجی می‌دهد، متغیر دیگری outputValue را معرفی کرده و داده‌های نگاشت‌شده را درون آن متغیر قرار می‌دهیم. در آخر نیز از تابع توکار analogWrite(ledPin, outputValue) آردوینو برای تولید سیگنال PWM که متناسب با داده‌های ورودی خوانده‌شده توسط ADC آردوینو است استفاده کرده‌ایم.
عملکرد ماژول سنسور رطوبت خاک
گیف نشان‌داده‌شده در زیر عملکرد سنسور رطوبت خاک را نشان می‌دهد. در ابتدا می‌ببینید که شدت LED کم است اما زمانی که مقدار کمی آب به گلدان اضافه می‌شود، شدت LED افزایش می‌یابد و همراه با آن LED نصب‌شده روی ماژول نیز روشن می‌شود.
سؤالات متداول درمورد ماژول سنسور رطوبت خاک
سنسورهای رطوبت خاک در کجا باید نصب شوند؟
سنسورها باید در چندین عمق و مکان مختلف در منطقه موردنظر قرار داده شوند. معمولاً سنسورها به‌صورت جفتی در یک‌سوم و دوسوم عمق ناحیه ریشه محصول و در دو یا چند مکان در مزرعه، ترجیحاً دور از نقاط مرتفع، گودال‌ها و سراشیبی‌ها قرار می‌گیرند.
سنسور رطوبت خاک چه مساحتی را پوشش می‌دهد؟
بستگی به سنسور دارد. یک سنسور مایکروویو غیرفعال ماهواره‌ای، منطقه بسیار وسیعی از زمین را پوشش می‌دهد، درحالی که سنسورهای سرگرمی ارزان‌قیمت چینی می‌توانند تنها ۲۰ تا ۳۰ سانتی‌متر از زمین را پوشش دهند.
چرا رطوبت خاک باید به‌طور مداوم کنترل شود؟
نظارت بر رطوبت خاک می‌تواند به پرورش‌دهندگان کمک کند تا از آب و مواد مغذی به‌طور مؤثر استفاده کنند. داده‌های ارائه‌شده توسط ابزارهای رطوبت خاک به پرورش‌دهنده کمک می‌کند درمورد مقدار آب مصرفی و زمان استفاده از آن تصمیم‌های مناسبی بگیرد.
بهترین سنسور رطوبت خاک کدام است؟
سنسور رطوبت خاکی که در اینجا مورد بحث قرار گرفت، بیشتر کاربرد سرگرمی دارد. اگر به‌دنبال سنسور رطوبت خاک حرفه‌ای هستید، پنج سنسور برتری که در زیر نام برده شده‌اند، مناسب خواهند بود.
- PHسنج خاک sonkir MS02 (بهترین از همه نظر)
- رطوبت‌سنج گیاه VIVOSUN 3-in-1
- رطوبت‌سنج و PHسنج خاک Gain Express
- سنسور رطوبت خاک XLUX T10
- سنسور رطوبت خاک عمومی
منبع: circuitdigest
ممنون 🙏