Перейти к содержанию
ЛиС

  • записей
    28
  • комментариев
    246
  • просмотров
    8366

"iТеплица-сенсорный блок" - датчик влажности почвы


Greeds74

2085 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


Рекомендуемые комментарии

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)

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
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. 

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
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.

  • Нравится 3
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
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
  • Нравится 1
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
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.  

  • Нравится 1
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)

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.

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.

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
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
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
  • Нравится 1
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
  • Нравится 1
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
  • Нравится 2
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
  • Нравится 1
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

 

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!!!

  • Нравится 1
Ссылка на комментарий
2 минуты назад, Greeds74 сказал:

Надо срочно допиливать утилиту

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

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
  • Нравится 1
Ссылка на комментарий

Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь

Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий

Создать учетную запись

Зарегистрируйте новую учётную запись в нашем сообществе. Это очень просто!

Регистрация нового пользователя

Войти

Уже есть аккаунт? Войти в систему.

Войти
×
×
  • Создать...