Czujniki wilgotności gleby: zasada działania i zastosowanie
- Szczegóły
Wilgotność gleby to kluczowy parametr dla każdego, kto uprawia rośliny - zarówno w doniczce, ogrodzie, jak i w profesjonalnej szklarni. Precyzyjny czujnik wilgotności gleby pozwala automatycznie dbać o odpowiedni poziom nawodnienia, co przekłada się na zdrowsze rośliny, oszczędność wody oraz lepsze plony.
W artykule wyjaśnimy, jak działa czujnik wilgotności gleby, jakie są ich rodzaje i różnice, a także podpowiemy, jak wybrać najlepszy czujnik odporny na korozję i dlaczego warto wyposażyć swój projekt Arduino właśnie w taki moduł.
Czym jest czujnik wilgotności gleby?
Czujnik wilgotności gleby to niewielkie, ale niezwykle praktyczne urządzenie elektroniczne, którego głównym zadaniem jest pomiar wilgotności gleby - czyli określenie, ile wody znajduje się aktualnie w podłożu. Sercem czujnika są elektrody lub sondy, które po umieszczeniu w ziemi analizują właściwości fizyczne gleby, najczęściej poprzez pomiar rezystancji albo pojemności elektrycznej.
Rodzaje czujników wilgotności gleby
Na rynku dostępne są głównie dwa rodzaje czujników wilgotności gleby: czujniki rezystancyjne oraz pojemnościowe czujniki wilgotności gleby. Te pierwsze opierają się na pomiarze rezystancji i są stosunkowo tanie, ale mniej trwałe, ponieważ elektrody mogą z czasem ulegać korozji. Natomiast czujniki pojemnościowe, zwłaszcza modele odporne na korozję, wykonane są z materiałów specjalnie zabezpieczonych przed działaniem wilgoci i są znacznie bardziej wytrzymałe.
Zasada działania i komunikacja
Czujnik wilgotności gleby komunikuje się z użytkownikiem lub systemem sterującym za pomocą sygnału analogowego (proporcjonalnego do poziomu wilgotności) lub cyfrowego (np. poprzez pin wyjściowy D0). Taki sygnał można łatwo odczytać za pomocą popularnych mikrokontrolerów, jak arduino, co pozwala na budowę własnych, automatycznych systemów do podlewania roślin lub monitorowania wilgotności w ogrodzie.
Przeczytaj także: Poradnik: walka z wilgocią w mieszkaniu
Znaczenie wilgotności gleby dla roślin
Wilgotność gleby to jeden z najważniejszych czynników wpływających na zdrowie i wzrost roślin. Regularny pomiar wilgotności pozwala zapewnić roślinom optymalne warunki do rozwoju, eliminując zarówno ryzyko przesuszenia, jak i przelania podłoża. Zbyt sucha gleba powoduje, że rośliny zaczynają więdnąć, wolniej rosną i stają się podatne na choroby. Z kolei nadmiar wody w podłożu prowadzi do gnicia korzeni, pojawiania się pleśni oraz zahamowania pobierania składników odżywczych z gleby.
Korzyści z automatycznego nawadniania
Wprowadzenie do swojego systemu upraw czujnika wilgotności gleby otwiera nowe możliwości. Dzięki niemu można automatycznie podlewać rośliny wtedy, gdy faktycznie tego potrzebują - co oszczędza wodę, czas oraz energię. Automatyczny system nawadniania z czujnikiem wilgotności sprawia, że nie trzeba już martwić się o rośliny podczas dłuższej nieobecności w domu czy wyjazdu na urlop.
Mierzenie wilgotności gleby za pomocą czujnika to również realne oszczędności - zarówno wody, jak i pieniędzy. Zoptymalizowane nawadnianie pozwala zminimalizować straty wody i zmniejsza rachunki za jej zużycie. Ponadto, regularny pomiar wilgotności gleby umożliwia gromadzenie danych, analizowanie trendów i jeszcze lepsze dopasowanie systemów nawadniających do indywidualnych potrzeb roślin.
Jak wybrać odpowiedni czujnik wilgotności gleby do Arduino?
Wybór odpowiedniego czujnika wilgotności gleby do projektu z wykorzystaniem arduino to kluczowy krok, który wpływa na efektywność i niezawodność całego systemu nawadniania lub monitorowania roślin. Przede wszystkim należy zwrócić uwagę na rodzaj czujnika - najpopularniejsze są czujniki rezystancyjne oraz pojemnościowe czujniki wilgotności gleby. Modele rezystancyjne są atrakcyjne cenowo i proste w budowie, jednak ich największą wadą jest szybkie zużywanie się elektrod, które pod wpływem kontaktu z wilgotną glebą mogą korodować.
Kolejnym ważnym kryterium jest rodzaj wyjścia sygnałowego - czujniki oferują wyjście analogowe (A0) oraz cyfrowe (D0). Wyjście analogowe pozwala na bardzo dokładny pomiar, ponieważ przekazuje proporcjonalny sygnał do poziomu wilgotności. Dzięki temu możliwe jest odczytanie nie tylko informacji, czy gleba jest sucha czy mokra, ale także śledzenie zmian poziomu wilgotności w czasie. Z kolei wyjście cyfrowe daje prosty sygnał logiczny - zależnie od ustawionego progu, informuje, czy wilgotność gleby przekroczyła określony poziom (stan niski lub wysoki). Wybór zależy od tego, czy potrzebujesz szczegółowych danych do analizy, czy wystarczy Ci prosty sygnał do sterowania np.
Przeczytaj także: Wakacje w Bodrum
Nie mniej istotna jest kompatybilność z arduino oraz łatwość obsługi. Większość dostępnych na rynku czujników wilgotności gleby jest kompatybilna z arduino oraz innymi popularnymi mikrokontrolerami, ale zawsze warto sprawdzić specyfikację produktu. Dodatkowo warto rozważyć zakup gotowego modułu lub zestawu, gdzie czujnik wilgotności gleby sprzedawany jest wraz z niezbędnymi akcesoriami, takimi jak przewody, potencjometr do kalibracji czy dioda LED sygnalizująca stan urządzenia.
Czujnik wilgotności gleby odporny na korozję
Czujnik wilgotności gleby odporny na korozję to jeden z najbardziej zaawansowanych i trwałych produktów dostępnych na rynku, szczególnie polecany wszystkim, którym zależy na niezawodności oraz długiej żywotności systemu monitorowania roślin. Taki czujnik wyróżnia się przede wszystkim budową - jego elektrody oraz obudowa wykonane są z wysokiej jakości materiałów odpornych na korozję, dzięki czemu nawet przy długotrwałym kontakcie z wilgotnym podłożem nie ulegają one uszkodzeniom, zniszczeniom czy utlenieniu.
W przeciwieństwie do tradycyjnych modeli rezystancyjnych, ten czujnik korzysta z pojemnościowej metody pomiaru, co gwarantuje nie tylko większą precyzję, ale także brak efektu zużywania się sondy nawet przy wielokrotnym użytkowaniu. Dzięki temu taki czujnik wilgotności gleby zapewnia stabilne, wiarygodne wyniki przez wiele sezonów - nie trzeba go często wymieniać, co jest istotne zwłaszcza w automatycznych systemach nawadniania czy uprawach profesjonalnych.
Kolejną zaletą jest łatwość podłączenia - czujnik jest w pełni kompatybilny z Arduino, a obsługa sprowadza się do kilku prostych kroków. Dzięki wyjściu analogowemu (A0) można precyzyjnie monitorować zmiany poziomu wilgotności w czasie rzeczywistym i dostosowywać nawadnianie do indywidualnych potrzeb roślin. Produkt jest także energooszczędny i może być zasilany bezpośrednio z układu sterującego, co pozwala na budowę kompaktowych, automatycznych zestawów.
Higrometr glebowy
Czujnik wilgotności gleby higrometr to jeden z najpopularniejszych i najbardziej uniwersalnych produktów, po który sięgają zarówno amatorzy, jak i osoby zajmujące się uprawą roślin bardziej profesjonalnie. Higrometr do gleby działa najczęściej na zasadzie pomiaru rezystancji, co oznacza, że mierzy opór elektryczny między dwiema sondami umieszczonymi w podłożu. Im więcej wody znajduje się w glebie, tym niższa rezystancja - i odwrotnie.
Przeczytaj także: Poradnik pomiaru wilgotności
Jedną z największych zalet tego typu czujnika wilgotności gleby jest jego prostota oraz szeroka dostępność. Czujnik higrometr, można w łatwy sposób podłączyć do arduino lub innego sterownika - wystarczy kilka przewodów, a całość jest gotowa do działania. Zazwyczaj posiada on zarówno wyjście analogowe, umożliwiające proporcjonalny odczyt poziomu wilgotności, jak i wyjście cyfrowe, które sygnalizuje, czy gleba przekroczyła ustawiony próg wilgotności.
Czujnik higrometr znajduje zastosowanie zarówno w małych doniczkach domowych, jak i w większych systemach ogrodowych czy szklarniach. Świetnie sprawdza się w projektach diy oraz przy budowie automatycznych systemów nawadniania, gdzie kluczowa jest informacja o aktualnym stanie gleby. Jest to również doskonałe narzędzie edukacyjne, dzięki któremu można poznać podstawy elektroniki i nauczyć się obsługi mikrokontrolerów takich jak arduino.
Podłączenie czujnika wilgotności gleby do Arduino
Podłączenie czujnika wilgotności gleby do arduino jest jednym z najprostszych i najpopularniejszych projektów zarówno dla początkujących, jak i zaawansowanych hobbystów elektroniki. Większość dostępnych na rynku czujników, posiada trzy podstawowe piny: VCC (zasilanie), GND (masa) oraz wyjście sygnału - analogowe (A0) lub cyfrowe (D0).
Aby podłączyć czujnik do arduino, należy użyć przewodów połączeniowych (tzw. przewody typu męsko-żeńskie). Pin VCC czujnika łączymy z pinem 5V lub 3.3V w arduino (zależnie od specyfikacji danego modelu czujnika), GND podłączamy do masy (GND) na płytce arduino, a wyjście A0 (analogowe) lub D0 (cyfrowe) do odpowiedniego pinu wejściowego arduino. Jeśli korzystamy z wyjścia analogowego, podłączamy je do jednego z portów analogowych arduino, np. A0. Pozwala to na odczyt proporcjonalnego sygnału, dzięki czemu możemy śledzić poziom wilgotności gleby w szerokim zakresie.
W praktyce, wiele gotowych modułów czujników wilgotności gleby dostępnych w sklepach jest wyposażonych w dodatkowe elementy, takie jak dioda LED sygnalizująca stan wilgotności, czy potencjometr do regulacji progu odcięcia sygnału cyfrowego. Dzięki temu cały proces jest jeszcze łatwiejszy - wystarczy postępować zgodnie z dołączoną instrukcją lub skorzystać z dostępnych w internecie schematów podłączenia.
Rodzaje wyjść sygnałowych
Czujniki wilgotności gleby dostępne na rynku mogą oferować różne rodzaje wyjść sygnałowych, co bezpośrednio wpływa na sposób, w jaki odbieramy i analizujemy dane z urządzenia. Najczęściej spotykane są dwa typy wyjść: analogowe oraz cyfrowe.
Wyjście analogowe (najczęściej opisane jako A0) umożliwia odczyt sygnału proporcjonalnego do poziomu wilgotności gleby. Oznacza to, że czujnik generuje zmienne napięcie w określonym zakresie - im większa wilgotność gleby, tym wyższe napięcie pojawia się na wyjściu. Taki sygnał podłączamy do analogowego wejścia mikrokontrolera (np. arduino), co pozwala na precyzyjne monitorowanie zmian wilgotności w czasie rzeczywistym.
Wyjście cyfrowe (najczęściej opisane jako D0) działa na zupełnie innej zasadzie. Tu użytkownik ustala próg wilgotności za pomocą potencjometru wbudowanego w moduł czujnika. Gdy wilgotność gleby spadnie poniżej ustalonego poziomu, na wyjściu cyfrowym pojawia się tzw. stan niski (LOW) - mikrokontroler może odczytać ten sygnał i uruchomić, na przykład, pompę wodną lub wyświetlić alert. Gdy gleba jest dostatecznie wilgotna, wyjście przyjmuje stan wysoki (HIGH).
Niektóre czujniki wilgotności gleby oferują oba typy wyjść - analogowe i cyfrowe - jednocześnie, dzięki czemu użytkownik ma większą elastyczność w projektowaniu własnego systemu. Warto również dodać, że niektóre moduły są wyposażone w dodatkowe sygnalizatory, takie jak diody LED, które informują o stanie wilgotności gleby na bieżąco.
Żywotność czujnika wilgotności gleby
Żywotność czujnika wilgotności gleby jest bardzo istotnym aspektem, zwłaszcza jeśli planujesz korzystać z urządzenia przez wiele sezonów w trudnych warunkach - zarówno w domu, jak i w ogrodzie czy szklarni. Jednym z najważniejszych kroków, jakie można podjąć, aby wydłużyć czas działania czujnika, jest wybór odpowiedniego modelu - najlepiej czujnika odpornego na korozję, który został wykonany z wysokiej jakości materiałów.
Drugą kluczową kwestią jest właściwa eksploatacja i konserwacja czujnika. Jeśli nie musisz monitorować wilgotności gleby przez cały czas, warto po każdym pomiarze wyciągać sondę z ziemi i delikatnie oczyścić ją z resztek podłoża - szczególnie, gdy gleba jest mocno zbita lub zawiera nawozy, które mogą przyspieszyć proces korozji. Regularne czyszczenie, a także unikanie mechanicznych uszkodzeń, sprawia, że sonda działa sprawnie i dokładnie przez długi czas.
Ważne jest również, aby nie przekraczać maksymalnego napięcia zasilania wskazanego przez producenta czujnika, ponieważ zbyt wysokie napięcie może uszkodzić układ elektroniczny. W przypadku korzystania z kilku czujników jednocześnie, warto zadbać o dobrą jakość połączeń i stosować odpowiednie zabezpieczenia przed przepięciami.
Podsumowując, długa żywotność czujnika wilgotności gleby to przede wszystkim efekt świadomego wyboru odpowiedniego produktu, stosowania się do zaleceń producenta oraz regularnej konserwacji.
Czujniki w systemach nawadniania
Systemy automatycznego nawadniania ogrodu czy trawnika nie mogłyby sprawnie funkcjonować bez specjalnych czujników, które dostarczają im niezbędnych informacji. Dzięki zastosowaniu różnego rodzaju urządzeń wspomagających, system nawadniania „wie”, kiedy należy podlać rośliny. Czujniki w systemach nawadniania są niezbędne, jeśli chcesz mieć pełną kontrolę nad podlewaniem roślin oraz oszczędzać wodę. Dostarczają one odpowiednich informacji o wilgotności gleby, nasłonecznieniu czy temperaturze. To na ich podstawie sterownik decyduje, kiedy uruchomić podlewanie. Co więcej, różne rodzaje czujników do systemów nawadniania pozwalają automatycznie nawadniać dowolne strefy ogrodu w systemie dostosowanym do ich indywidualnych wymagań.
Zamontowanie czujników jest szczególnie przydatne w regionach o zmiennych warunkach pogodowych, gdzie trudno jest ręcznie dostosować nawadnianie do bieżących potrzeb. W systemach nawadniania stosuje się różne rodzaje czujników, które pomagają zoptymalizować proces podlewania. Ich wybór zależy od specyfiki ogrodu i systemu nawadniającego. Są to czujniki wybierane najczęściej do stworzenia pełnej automatyki sterującej podlewaniem roślin w ogrodach, warzywniakach, sadach i jagodnikach oraz w szklarniach i tunelach foliowych. Czujniki wilgotności gleby stosowane w automatycznych systemach nawodnieniowych działają na zasadzie pomiaru oporu, jaki podłoże stawia prądowi elektrycznemu przepływającemu między dwiema elektrodami.
Urządzenie zazwyczaj umieszcza się w podłożu, zakopane w nim na stałe i podłączone do sterowników nawadniania. W automatycznej instalacji nawodnieniowej czujnik deszczu eliminuje ryzyko zbędnego uruchamiania systemu podczas opadów atmosferycznych.Urządzenie należy umieścić w pobliżu sterownika, w miejscu narażonym na opady. Te urządzenia są konieczne w przypadku, kiedy nawadnianie roślin prowadzi się od wczesnej wiosny do późnej jesieni.Urządzenie ustaw w miejscu dobrze oświetlonym, ale nienarażonym na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. W momencie odczytu, kiedy temperatura spadnie poniżej zaprogramowanego poziomu krytycznego, następuje wyłączenie całego systemu nawadniającego. Pozwala to chronić przed uszkodzeniem ważne jego elementy, np. Układ zaopatrzony w czujnik mrozu można też ustawić w drugą stronę - tak, by w momencie wystąpienia nocnych oraz porannych przymrozków włączył zraszacze zainstalowane nad koronami drzew i krzewów.
To elektroniczne urządzenia, które przydatne są szczególnie tam, gdzie podlewanie wykonywane jest za pomocą mikrozraszaczy, zraszaczy albo deszczowni. Automatycznie wyłączą one podlewanie w momencie, kiedy wiatr będzie zbyt silny, a więc krople byłyby znoszone poza nawadniany obszar. W skład tych urządzeń wchodzi kilka różnego rodzaju czujników. W zależności od modelu stacji pogodowej może być to tylko czujnik wiatru i mrozu. Taka stacja pogodowa, podłączona do sterownika podlewania, kontroluje jego pracę.
Czujniki pogody hybrydowe to nowoczesne i wszechstronne urządzenia monitorujące warunki atmosferyczne w ogrodzie. W zależności od stopnia zaawansowania technologicznego pozwalają śledzić wilgotność, temperaturę, nasłonecznienie i wiatr. Urządzenie należy ustawić w miejscu dobrze oświetlonym, narażonym na warunki atmosferyczne, z dala od przeszkód. Na rynku można nabyć również szereg innych czujników wspomagających podlewanie. W zależności od modelu stacji pogodowej mogą to być np. czujniki potencjału wodnego gleby, mierniki nasłonecznienia oraz ewapotranspiracji. Dobór właściwego czujnika do systemu nawadniania powinien uwzględniać cechy konkretnego ogrodu i zastosowanej instalacji podlewania.
Układ do kontroli parametrów wegetacji roślin
Podczas wakacyjnej nieobecności, nasze domowe rośliny, z powodu braku regularnego podlewania i odpowiedniego oświetlenia, narażone są często na uschnięcie. Prezentowany układ umożliwia kontrolę podstawowych parametrów wegetacji roślin, t.j. wilgotności gleby i stopnia nasłonecznienia. W zależności od wartości tych parametrów układ umożliwia podjęcie automatycznych akcji nawadniania i/lub doświetlania rośliny.
Projekt wykorzystuje tanie i łatwo dostępne komponenty elektroniczne: płytkę prototypową Arduino oraz czujniki, silnik pompy wody i inne. Projekt wykorzystuje dwa rodzaje czujników: wilgotności oraz nasłonecznienia. Do pomiaru wilgotności gleby wykorzystuje się tzw. higrometry. Są to czujniki rezystancyjne. Tanie sensory dostępne w handlu składają się z dwóch części: małej płytki z elektroniką oraz czujnika złożonego z dwóch elektrod, służącego do kontroli zawartości wody w glebie. Czujnik posiada potencjometr slużący do regulacji czułości wyjścia cyfrowego oraz diodę LED zasilania oraz diodę LED wyjścia cyfrowego. Układ posiada piny: VCC, GND, oraz dwa sygnały wyjściowe: cyfrowe (D0) oraz analogowe (A0). W handlu znajduje się wiele podobnych czujników np.
Czujnik umożliwia skorzystanie z dwóch rodzajów sygnałów wyjściowych: cyfrowego (stan niski bądź wysoki) oraz analogowego. Napięcie na wyjściu analogowym czujnika wilgtności zmienia się płynnie w zależności od zawartości wilgoci w glebie. Kiedy gleba jest wilgotna, napięcie wyjściowe jest niskie. Gdy gleba jest sucha, napięcie wyjściowe jest wysokie (Tab. 1). Przetwornik analogowo-cyfrowy układu arduino zmienia to napięcie na odpowiadające mu wartości sygnałów wyrażone w skali od 0-1023. Wartość cyfrowego sygnału wyjściowego uzależniona jest od predefiniowanej wartości progowej. Poniżej niej wartość sygnalu cyfrowego będzie niska (0), a powyżej - wysoka (1).
| Parametr | Opis |
|---|---|
| Napięcie wyjściowe | Zmienia się płynnie w zależności od zawartości wilgoci w glebie. |
| Gdy gleba jest wilgotna | Napięcie wyjściowe jest niskie. |
| Gdy gleba jest sucha | Napięcie wyjściowe jest wysokie. |
Jako czujnik oświetlenia wykorzystano fotorezystor. Wykonano dzielnik napięcia, który podłączono do pinu analogowego mierzącego napięcie wyjściowe. Wartość rezystora dobrano eksperymentalnie (około 1,5kΩ). Elementem odpowiedzialnym za nawadnianie roślin jest silnik (pompa) RS-360SH. Wymaga ona zasilania 3-12V (do ciągłej pracy rekomendowane jest napięcie 5V 2A).
Układ stale dokonuje pomiarów wilgotności gleby i usłonecznienia. Pomierzone wartości z czujników przekazywane są na wejścia analogowe Arduino (kolejno: A0 i A5). Po przeworzeniu, parametry w postaci procentowej są wyświetlane na wyświetlaczu ciekłokrystalicznym Nokia 5110. Pomiary dokonywane są z częstotliwością wyznaczaną za pomocą zmienej MeasurementBreak. W zależności od ustawienia zmiennej NumberOfMeasurements, układ dokonuje zliczeń n pomiarów. Wartości analogowe są sumowane, a następnie obliczana jest z nich średnia arytmetyczna. Wartość uśredniona decyduje o uruchomieniu urządzenia nawadniającego i lampy doświetlającej roślinę.
W przypadku wilgotności, włączenie przekaźnika następuje wtedy gdy średni pomiar parametru staje się mniejszy bądź równy 850. Spadek wilgotności gleby poniżej wartości krytycznej powoduje załączenie przekaźnika pompy, co uruchamia silnik. Woda zaczyna być pompowana ze zbiornika źródłowego do doniczki. Silnik popmpuje wodę przez okres 3 sek. Po tym czasie pompa zostaje wyłączona i następuje okres 10-sekundowej przerwy, potrzebnej na wsiąknięcie wody i rozprowadzenie jej w przestrzeniach porowych gruntu. Po tym okresie układ przechodzi do trybu wykonania kolejnej serii pomiarów i sytuacja zaczyna się powtarzać.
Bezpośrednio po dokonaniu pomiaru wilgotności, układ dokonuje pomiaru usłonecznienia. Aby zapobiec sytuacji ciągłego włączenia oświetlenia w godzinach nocnych, zdarzenie załączenia lampy uzależniono od zaistnienia warunków niepełnego oświetlenia. Jeżeli przeciętny pomiar oświetlenia obliczony jako średnia arytmetyczna z n pomiarów, wskaże wartość z przedziału (700, 850>, mikrokontroler zaświeci lampę. Będzie ona zapalona do momentu kolejnego pomiaru. W praktyce, kolejny pomiar dokonywany jest w warunkach doświetlenia i kolejna uśredniona wartość pomiarów wyłączy lampę. Jeśli w kolejnym okresie czasu warunki pomiarowe światła nie pogorszą się (np. z powodu nocy), światło zostanie ponownie zapalone. Sytuacja zacznie się od tego momentu powtarzać.
tags: #wilgotność #gleby #czujniki #elektroniczne #zasada #działania
