Перейти к содержимому
ЛиС ФИТО

Тепличная автоматика

  • записи
    23
  • комментариев
    186
  • просмотров
    4 926

"iТеплица-сенсорный блок" - датчик влажности почвы

Greeds74

540 просмотров

Уважаемые -коллеги! Предлагаю тут обсудить датчик влажности почвы - составить своеобразное техническое задание. Для меня основные вопросы конечно же следующие:

  1. Принцип действия датчика и требования по точности.
  2. Конструкция электродов и вспомогательных датчиков.
  3. Калибровка - методика.
  4. Поддержка систем сбора данных - протоколы и т.д.
  5. Исполнение и требование по времени наработки "на отказ".

Ниже на фото вы можете видеть уже существующую систему - универсальную плату, предназначенную для построения трёх типов сенсоров - влажности воздуха, влажности почвы и освещённости.

 

20171207_142832.thumb.jpg.a8a511eb90776d120378e8404c0e74a4.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос в том, что этот сенсор проектировался под штыревые электроды, имеет термокомпенсацию. Частота возбуждения от 1МГц до 48МГц. Термокомпенсация  цифровая, на датчике DS18B20. Расчёт кривой по методу кусочно - линейной аппроксимации.

Собственно, можно сделать и новое решение - более бюджетное. 

 



22 комментария


Recommended Comments

Коллеги - мы решили заполнить вакуум, который сейчас вызван отсутствием датчика влажности почвы( хотя, но это сугубо моё мнение, они есть, и причём весьма хорошего качества). Как я и писал ранее, плата есть, и её надо только собрать. Три дня назад мы заказали недостающие комплектующие( цены конечно, жуть) и сегодня их получили. Вот такая замечательная плата получилась - смотрите фото ниже

mb_sens.JPG

 

 

 

 

 

 

 

Метод измерения - ёмкостный. Цифровая компенсация. Передача данных - modbus RTU( пока). Сейчас дело за прошивкой - надо понять, как более оптимально организовать работу. Так что продолжение следует)

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Уважаемые коллеги! В любом датчике самое интересное  - это практика его применения. И конечно же, для наглядности важно наличие фотографий. Итак -приступим.

Ниже на фото вы можете видеть простую конструкцию, состоящую из подопытного растения ( в нашем случае это толстянка, или денежное дерево) в горшке, датчика влажности с выносными электродами,  датчика температуры почвы и контроллера серии "iТеплица" . Также виден преобразователь интерфейса USB-RS485, который используется для организации обмена данными между контроллером и персональным компьютером. В качестве температурного датчика используется выносной сенсор для обеспечения хорошего теплового контакта с грунтом. Роль тестовых электродов играют два отрезка одножильного медного провода с запаянными термоусадочной трубкой концами. Толщина изоляции весьма прилична - около 0.3 мм.

 

General_overview.jpg

 

 

 

 

 

 

 

А вот на фотографии ниже показан установленный датчик влажности и датчик температуры почвы. Вообще, почва "тяжёлая" - похожа на обычный чернозём, более точно сказать не могу. Датчик установлен без корпуса из-за того, что мы сейчас применяем тестовые электроды. Глубина погружения примерно 10 см ,вертикальная установка.

 

Sens_install.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для сбора информации и построения графиков применено стандартное решение - персональный компьютер с установленной промышленной SCADA-системой Simple scada.  Ниже на картинке вы можете видеть главный экран.

 

Screen_1.jpg

 

 

 

 

 

 

 

Конечно же, теперь давайте посмотрим, как видит окружающий мир наш датчик - благо, что есть весьма информативные графики. Итак - ниже видна реакция сенсора на то, что он просто лежит на столе. Как видно, поверхность стола сенсор сразу оценил в 19%.  Сразу скажу, что настройка сейчас сделана "на воздух" - ноль процентов, и 100 % - на полное погружение в воду. На конкретный тип грунта настройка не производилась - но об этом попозже.

 

Episode1.jpg

 

 

 

 

 

 

 

А вот теперь погружаем электроды на глубину измерения 10 см. И получаем вот такую вот картину - датчик сразу изменил свои показания, и теперь его показания 75%. Повторюсь - датчик по сути не прошёл калибровку под определённый тип почвы. Видно также, как работают интегрирующие фильтры - настроены на 1 и 10 минут. 

 

Episode_2_0.jpg

 

 

 

 

 

 

 

А как же реагирует на полив наш сенсор? Для этого просто в цветочный горшок добавим  немного прохладной воды и посмотрим, как изменятся показания. Ниже картинка, весьма характерно демонстрирующая этот процесс. Видно, что показания изменились - теперь относительная влажность составляет 89.2%, и температура почвы немного снизилась.

 

Episode_3_0.jpg

 

 

 

 

 

 

 

Ещё интересный график - как же в течении более длительного времени будет выглядеть кривая показателей датчика ? Ниже вы можете это видеть. Показания стабильные, что весьма положительно говорит о качестве датчика.

 

Episode_4_0.jpg

 

 

 

 

 

 

 

И вот так по истечении времени выглядит главный экран - влажность почвы начала уменьшаться, и контроллер прямо об этом говорит.

 

Screen_final.jpg

 

 

 

 

 

 

 

Позволю себе добавить один технический график - а именно работу системы компенсации. Как известно, диэлектрическая проницаемость имеет зависимость от температуры, причём весьма нелинейную. Для решения этой проблемы мы применили кусочно - линейную аппроксимацию по 16 точкам.  На графике это видно - в качестве опорной точки выбрали стандартные 20 градусов, то есть влажность субстрата будет пересчитываться и приводиться к влажности при этой температуре.

 

Compensat.jpg

 

 

 

 

 

 

 

И хотелось бы добавить вот что  в качестве заключения. Данный опыт  надо обязательно повторить, но уже на другом субстрате - например, перлите, торфе или кокосе. Всё зависит от того, что я смогу приобрести в местных магазинах. Дополнительно надо перед проведением опыта проводить калибровку на субстрат. Это позволит нам создать внутренний массив предустановок сенсора для упрощения использования - то есть пользователь  просто выбирает свой субстрат из списка. А если его нет - то мы его подготовим, ведь технология проведения замеров уже разработана. Пишите, если у вас есть пожелания или вопросы.

 

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Стабильность показаний в биосистемах меня всегда настораживает. И уж наверное в первую очередь она должна зависеть от состояния измеряемого показателя в объекте наблюдения, а не от качества датчика. 

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Андрей Викторович, как раз очень кстати будет ваша консультация по поводу разных типов субстратов. Меня вот в этом опыте насторожил характер поведения почвы в горшке. Ведь на реальном объекте всё будет совершенно по другому. И поэтому к вам просьба -посоветуйте субстрат, который хуже всего держит воду. Хотелось бы опыты провести с таким вот материалом. Как раз и калибровку под него сделаю полноценную.

 

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Вы выбрали не совсем удачное растение. Суккуленты очень мало испаряют по сравнению с "нормальными" растениями. Поэтому в большей степени влажность грунта в Вашем опыте будет изменяться в результате испарения с поверхности. Так как температурные условия сейчас к этому не располагают, то соответственно и влажность не меняется практически. Ну а хуже всего держит воду песок наверное.

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

А если вот такой вот вариант -агроперлит? Он как раз  сейчас для меня доступен. Сделаю смесь в пропорции 1:1 с торфом например....Но вот только это будет проба без растения, а это неинтересно совсем... 

4228c6c684b5d55aafe0603ff9393602.thumb.jpg.129c4f1fed9c67f5e87c238b4c2d65fe.jpg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поищу всё-таки растение, которое достаточно бодро испаряет...

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Перлит имеет очень высокую  влагоудерживающую способность, этим и ценен. Как и торф тоже. Опыт может стать более показательным если активно задействовать источники тепла,  например радиатор системы отопления. Размещая горшок близко и на каком то расстоянии, динамика изменения влажности должна быть нагляднее.

Изменено пользователем Андрей Викторович Пучков

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Андрей Викторович, большое спасибо за информацию. А вот что подскажете насчёт всякого рода кокосовых субстратов? У них влагоудерживающая  способность достаточно велика? Вот типа такого - 

3c83c28d183b60e3fa84426ce4e51473.jpg.d72c2398385b836b2fd1035375e91e31.jpg

 

Я хочу просто уже сейчас начать собирать данные  по разным видам субстрата и почв, чтобы иметь в базе датчика хотя бы 10 основных видов для начала. Было бы замечательно, если бы вы подсказали, какие именно используются в первую очередь.

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Да, кокос тоже достаточно влагоемок. Нужно иметь в виду, что видов кокосового субстрата, как и торфяного достаточно много и они различаются по многим показателям, не смотря на то, что имеют изначально общую природу. В промышленном производстве в подавляющем большинстве случаев используется минвата. И она тоже у разных производителей имеет различные качества и по влагоудердивающим свойствам тоже.  

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Ещё раз спасибо Андрей Викторович за помощь.

Вопросов становится всё больше...А если так - то значит, надо начинать натурные так сказать эксперименты - для начала взять перлит и кокос, далее - смеси с торфом...Мне кажется, графики будут очень любопытные. Вот если честно, для меня было открытием то, что за ночь после полива почва в горшке под денежным деревом потеряла всего 1 процент влаги за ночь... Всё - таки интересную технологию  мы начали)

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

 Миша,возьми хлорофит. http://show.7ya.ru/private-showphoto.aspx?RubrID=146766&PhotoID=1272605   

Этот "лютик" достаточно влаголюбив и листовая поболее чем у твоего кактуса. А почему ты все около 20С пляшешь?Не лучше ли около 25С? Ведь эта температура почти самая оптимално средняя по больнице для основных тепличных растений.

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Алик, рад видеть в обсуждении. Да - очень хороший вариант. Будет ли именно он в магазине только..

Что касается 20 градусов - просто это общепромышленный стандарт, к нему приводят все коэффициенты. Но никто нам не мешает отойти немного от стандарта и принять 25 градусов). Собственно, смысл компенсации  вообще не меняется - а приближение к среднебольничному тепличному  очень даже хорошо. Спасибо за хорошую идею.

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
8 часов назад, Greeds74 сказал:

Будет ли именно он в магазине только..

Зачем покупать? Его немеряно было раньше в школах,детсадах и поликлинниках.Он ус пускает,а на кончике уса развивается новая розетка листьев.Ее оторвать и укоренить,растет как сорняк.Хорошо потребляет воду и естественно испаряет,повышая влажность комнаты.Тем более ворованые "лютики" приживаються на 120%(примета такая). :)

"Так что ,Шура,только кража." :)

Изменено пользователем Ty144

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

А вообще...Если немного окунуться в техническую  сторону вопроса, то по сути наш сенсор измеряет диэлектрическую проницаемость среды между электродами и путём математического перерасчёта приводит её к определённой температуре ( в данном случае или 20, или 25 градусов). Понятно,  что измерение нуля - это диэлектрическая проницаемость воздуха, то есть около 1, а полная шкала - это диэлектрическая проницаемость воды( около 80 единиц для дистиллированной воды). Конечно же, что вводить в обиход такие понятия, как диэлектрические проницаемости неразумно. И поэтому мы вводим некий показатель влажности в процентах, который прямо пропорционален диэлектрической проницаемости.  Но вот какие это проценты?  И собственно, все датчики ёмкостного типа какую влажность измеряют?  Как известно, различают абсолютную и относительную влажности.

Абсолютная влажность — это общее количество воды в почве, выраженное в процентах по отношению к массе почвы.

Относительная влажность — отношение абсолютной влажности данной почвы к ее предельно-полевой влагоемкости.

Предельно-полевая влагоемкость (ППВ) — количество воды, которое удерживается в полевых условиях после полного увлажнения почвы с поверхности и свободного стекания избыточной воды. Грунтовые воды в этом случае не оказывают влияния на влажность почвы. Предельно-полевая влагоемкость зависит от гранулометрического состава, плотности и пористости почвы. Она соответствует количеству капиллярно-подвешенной воды. Синоним предельно-полевой влагоемкости — наименьшая влагоемкость (НВ).

Кто - нибудь из вас, коллеги, разбирался в этом вопросе? 

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Уважаемые мои коллеги!  В преддверии праздников спешу поделиться с вами некоторыми результатами, которые мы смогли получить, несмотря на предновогодние хлопоты. Мне удалось раздобыть перлит - и конечно же, по этому материалу есть результаты. Ниже на фото вы можете видеть полностью собранный сенсор - датчик влажности почвы. Рабочая часть сенсора имеет длину 100 мм.

 

perlit.JPG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А вот результат теста - диэлектрическая проницаемость перлита в чистом виде составляет 1,1 - чуть больше, чем у воздуха. Ниже показан график замера. Белая линия визира как раз установлена перед моментом насыпания материала.

 

curve_perlit.PNG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выводы весьма любопытные - для субстратов, содержащих перлит, наш сенсор будет весьма точно определять содержание влаги, причём исходя из диэлектрических свойств материала, величина будет приближенной к абсолютному содержанию влаги( конечно, если у нас 100 % содержание именно перлита, а не смесь). Так это или нет - покажут дальнейшие эксперименты. Если у вас, коллеги, есть идеи по поводу методики проведения тестов - буду рад, если поделитесь. 

 

 

 

 

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Итак - продолжим серию опытов,  старт которым был положен год назад. Следующий испытуемый - кокосовый субстрат из мягкой оболочки кокосового ореха. Условия эксперимента такие же - датчик тот же самый, та же самая программа. Хотелось бы подчеркнуть - контроллер тут используется в качестве моста между датчиком и компьютером, причём вся обработка и математические вычисления проводится в самом датчике. Ниже на фото вы можете видеть опытную установку.

cocos.JPG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Результат теста на диэлектрическую проницаемость - 2,3. И этот показатель тоже обнадёживает - ведь такие низкие величины начальной проницаемости  можно легко учесть при вычислениях. 

Общий вид полученной кривой вы можете видеть на графике ниже. На графиках показаны влажность и температура без фильтров - для чистоты эксперимента.  Виден момент установки датчика, момент увлажнения, и самое главное - процесс естественного высыхания. В данном случае сенсорный блок не настроен ни на какой вид почвы или субстрата.

ep_50.PNG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ниже на графике кривой вы можете видеть момент установки датчика в субстрат .

ep_51.PNG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На этом графике вы можете видеть процесс увлажнения субстрата. Вода подавалась неравномерно - основная зона увлажнения была в районе электродов датчика. Хорошо видна реакция сенсора на попадание воды в измерительную зону электродов.

ep_52.PNG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А вот тут виден процесс естественного испарения в домашних условиях. Высокая влажность воздуха не даёт этому процессу быть стремительным.

ep_53.PNG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самый главный вывод, который можно из всего этого сделать - коллеги, есть работающий экземпляр датчика влажности почвы. И не просто работающий, но и ещё 100% соответствующий всем вашим пожеланиям.

Калибровка пользователем предельно проста - сначала сенсор устанавливается в сухой субстрат, в программе настройки нажимается кнопка "Установка нуля". Далее субстрат максимально заполняется водой до насыщения - и нажимается кнопка "Установка 100%". Конечно же, для проведения калибровки необходим ноутбук или персональный компьютер. После этого датчик готов к длительной эксплуатации в составе нашего комплекса управления.

Мы будем продолжать опыты - есть ещё несколько типовых субстратов, которые  мы тут не рассмотрели. 

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

День добрый, коллеги. И опять с хорошей новостью - сейчас для тестирования датчика влажности мы применили новую SCADA-систему Каскад-САУ. Одной отличительной чертой является то, что она имеет уже встроенные драйверы modbus RTU и отлично подходит для применения с нашими контроллерами. Также хотелось бы отметить хорошее качество технической поддержки, которую нам оказала команда разработчиков. Поддерживается многомониторная конфигурация, для больших систем имеется поддержка установки инженерной станции разрботчика и онлайн- загрузка изменений проекта. Данная система характерна тем, что позволяет в демонстрационном режиме без ограничения по времени работать с 500 переменными обмена по каналу данными. Поверьте - 500 переменных это большой объект. Итак - а теперь снимки экрана.и

Это главный экран

image.thumb.png.cd005545a27e2946a8ac372cd91e8be6.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экран графиков текущих значений

image.thumb.png.a08ead26f93b4ddbe5e01b9f5e090960.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экран архивных значений

image.thumb.png.bceef2165f8fb2f98afd597b884024e8.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Экран системных событий

image.thumb.png.3cb567c6dd156aa96f91b01d9c2763e1.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Как видите, весьма неплохая реализация. Тестирование будет продолжено, и вам всегда будет предложен тот вариант, который будет наиболее полно отвечать требованиям.

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Итак, настало время посмотреть, как же выглядит полив глазами контроллера. Итак - ниже на фото показана "опытная" установка . Сейчас датчик находится в режиме измерения диэлектрической проницаемости подоконника)

 

Sens1.JPG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Далее- датчик уже установлен в среду измерения.Среда - торфяной субстрат. 

Sens2.JPG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И то же самое, только вид сбоку - для наглядности. Сенсор устанавливается в наклонном положении, примерно под 30 градусов. Тут же рядом виден стакан с водой, который мы безжалостно вольём в горшок. Причём вольём равными частями)

Sens3.JPG

 

 

 

 

 

 

 

 

 

И конечно же, немного графиков не помешают - вот первый график, замер  проницаемости материала подоконника. Датчик оценивает подоконник примерно в 10%.

1ep.thumb.PNG.30054908151e842337104aee8fd23d44.PNG

 

 

 

 

 

 

 

Второй график - как раз момент, когда в горшок был погружён датчик. Вы видите моментальную реакцию на это действие - датчик тут же рассчитал и показал 78% относительной влажности. 

И вот он, момент(истины) вливания долгожданной воды! Я, как истинный джентльмен, сначала влил полстакана. Датчик сразу же среагировал - это видно по жёлтой линии. Собственно, как  и должно было быть. Вы видите два таких незаметных тычка на графике - это я всё-таки пнул пару раз горшок)))

2ep.thumb.PNG.9ea3d334ffef4b34b8121c5ee42b4ed7.PNG

 

 

 

 

 

 

 

А теперь давайте добавим оставшиеся пол-стакана - получим вот такую интересную картину. В чём тут дело? Почему картина отличается от первого раза? Мне кажется, дело в том, что уже субстрат близок к насыщению водой, и она просто скатилась в стороны. А остаток начал усиленно впитываться, стремясь к значению первого полива)))

3ep.thumb.PNG.e1a0b0584456027297a31660b3e66918.PNG

 

 

 

 

 

 

 

 Ну и сам результирующий так сказать - вот он ! Судя по графикам, можно точно и уверенно сказать, что некий гражданин влил-таки стакан воды, причём в два приёма))))

4ep.thumb.PNG.5417923124b08169c721c905814d7ad1.PNG

 

 

 

 

 

 

 

А вот для любопытствующих график в отсчётах АЦП. Как и обещал, тут  12- разрядное преобразование)))

5ep.thumb.PNG.dabbe57bb19f72b443b49ecf5f2f8046.PNG

 

 

 

 

 

 

 

Вот теперь понятно, как должен выглядеть график полива. Конечно, капельный полив  не даст таких ярко выраженных реакций - но тоже будет очень хорошо заметен.

Спасибо за внимание!

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
В 12/28/2017 в 07:10, Greeds74 сказал:

по поводу разных типов субстратов.

Не надо особо что то мудрить.Если контроллер "народный",то примеривайся к субстратам,которые пользует народ.Перлит,торф,почва(а она ох какая разная).Кокос нынче дорог!И балаганщики используют зачастую бывший в употреблении.А прикинь какого качества он может быть?Любого!Тогда надо придумать какой способ грубой калибровки "на поле".ИМХО

 

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
5 минут назад, Ty144 сказал:

А прикинь какого качества он может быть?Любого!Тогда надо придумать какой способ грубой калибровки "на поле".ИМХО

Есть методика - даже проверил. Работает. Я вот тут два дня потратил, обучая датчик отличать хвосты и головы от полезного продукта при процессе самогоноварения)))  Вот скажу честно - сам не ожидал, что вот так будет работать. Надо срочно допиливать утилиту настройки и в народ!!!

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
2 минуты назад, Greeds74 сказал:

Надо срочно допиливать утилиту

Я дам вам рашпиль,ну а потом надфиль. :)

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий
9 минут назад, Ty144 сказал:

Я дам вам рашпиль,ну а потом надфиль. :)

Надфиль желательно алмазный - тут дело тонкое, настройка она любит точность). А если серьёзно - было бы здорово просто поставить под крышкой две кнопки - одну нажал, типа сухой, вторую нажал - на 100% мокрый. Вот это бы было дело! Пожалуй, так и сделаю. Это будет воистину народный метод калибровки))))Тем более, что имею кучу ресурсов и выводов запасных))) Всё-таки хорошо, когда ты можешь вносить любые изменения в конструкцию блока)

Изменено пользователем Greeds74

Поделиться комментарием


Ссылка на комментарий

Создайте аккаунт или войдите для комментирования

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать аккаунт

Зарегистрируйтесь для получения аккаунта. Это просто!

Зарегистрировать аккаунт

Войти

Уже зарегистрированы? Войдите здесь.

Войти сейчас

×
   Сайт работает на облачном сервере ispserver.ru