Arduinoと土壌湿度センサを使って土の水分量の測定

土壌湿度センサの選び方

ところで、土壌湿度センサには次の2つの種類があります。

1. 抵抗型
2. 静電容量型

抵抗型土壌湿度センサ

❶の抵抗型は、2つの金属棒で土の抵抗を測って土壌の水分量を測定する方法です。水分量が増加すると電気抵抗が少なくなることを利用したセンサです。釘を使って自作することも可能です。

ただし、金属棒が土にさらされますから、腐食しやすいです。使っているうちに抵抗値も変化してしまうデメリットがあります。

▼ DfROBOTの抵抗型土壌湿度センサーを防水加工しました。

静電容量型土壌湿度センサ

❷の静電容量型は、センサに接触している水分量が変わると、センサ内部の静電容量が変化するのを利用して土壌水分量を測定します。静電容量型は、電極板をコーティングできるので腐食の恐れがほぼないといってよいでしょう。この記事でも❷の静電容量型を使用しました。

準備

Arduinoと土壌湿度センサを使って水分量を測定する前の準備です。

土壌湿度センサとArduino（ESP32）の配線

土壌湿度センサの電源は3.3Vまたは5Vのどちらでも構いませんが、ここでは3.3Vに繋いでおきました。GNDをArduinoと共通にして、センサのアナログ出力（AOUT）をArduinoやESP32のアナログ入力につなぎます。ADコンバータが使えるピンでしたらどこでも構いませんので、下記の配線図はご参考までに。

土壌湿度センサとArduinoの配線例

土壌湿度センサとESP32の配線例

土壌湿度センサのアナログ出力は0V〜3Vの範囲で変化します。

土壌湿度センサの測定

先に説明した通り、土壌湿度センサは湿度に応じてアナログ電圧が出力されます。こちらのプログラムで事前に空気中の実測値と水に浸した時の実測値を測っておきましょう。

#include <Arduino.h>

#define SENSOR_PIN A0 // Arduino Uno
// #define SENSOR_PIN 27 // ESP32

void setup(void) {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(SENSOR_PIN, INPUT);
    delay(3000);
}

void loop(void) {
    int val = analogRead(SENSOR_PIN);
    Serial.println(val);
    delay(1000);
}

#include <Arduino.h>

#define SENSOR_PIN A0 // Arduino Uno
// #define SENSOR_PIN 27// ESP32

const int ADC_MAX = 352; // 空気中の実測値
const int ADC_MIN = 159; // 水に浸した実測値


void setup(void) {
    Serial.begin(115200);
    pinMode(SENSOR_PIN, INPUT);
    delay(3000);
}

void loop(void) {
    int val = analogRead(SENSOR_PIN);

    if (ADC_MAX < val) {
        val = ADC_MAX;
    }
    else if (ADC_MIN > val) {
        val = ADC_MIN;
    }

    int moisture = 100 - map(val, ADC_MIN, ADC_MAX, 0, 100);

    Serial.println(moisture);
    delay(1000);
}

【発展】ESP32（ESP8266）と土壌湿度センサでデータロガー

ここからはWiFi機能を使ってデータロガーを作った事例をご紹介いたします。

次の内容でプログラミングしました。

• 温度・湿度の測定
• 土壌湿度センサで土壌水分量の測定
• 30秒置きにこれを繰り返し、WiFiでAmbientへログを送信

土壌湿度センサは2つ使いました。また、DHT11を使って温度・湿度の測定も同時に行なっています。

DHT11の使い方は、Arduinoで温度湿度センサDHT11の使い方をご覧ください。

AmbientはIoTデータをグラフ化してくれる無料のクラウドサービスです。Ambientの使い方は、【ラズパイ】Ambientへセンサデータを送信してグラフ化をご覧ください。

ソースコード

#include "DHT.h"
#include "Ambient.h"

#define DHT11_PIN 32
#define ADC1_PIN 34
#define ADC2_PIN 35

const int ADC1_MAX = 2230; // 空気中の実測値
const int ADC1_MIN = 990; // 水に浸した実測値
const int ADC2_MAX = 2160; // 空気中の実測値
const int ADC2_MIN = 960; // 水に浸した実測値

const char* ssid = "WiFiのSSID";
const char* password = "WiFiのパスワード";
const int channelId = AmbientのチャンネルID;
const char* writeKey = "Ambientのライトキー";
const boolean displayMode = true;

WiFiClient client;
Ambient ambient;


DHT dht(DHT11_PIN, DHT11);

void setup() {

    Serial.begin(115200);

    pinMode(ADC1_PIN, INPUT);
    pinMode(ADC2_PIN, INPUT);

    dht.begin();

    Serial.println("WiFi connecting....");
    WiFi.begin(ssid, password); //  Wi-Fiの初期化
    while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) {  //  Wi-Fiアクセスポイントへの接続待ち
        delay(500);
    }
    Serial.println("WiFi connected!!!");
    ambient.begin(channelId, writeKey, &client);
}

int counter = 0;

void loop() {


    /** DHT11 処理 **/
    float h = dht.readHumidity();
    float t = dht.readTemperature();

    if (isnan(h) || isnan(t)) {
        Serial.println("DHT11 failed...");
    }


    /** 土壌湿度センサ 処理 **/
    int adc1 = analogRead(ADC1_PIN);
    delay(500); // 少し待たないとanalogReadに失敗する
    int adc2 = analogRead(ADC2_PIN);

    Serial.printf("adc1: %d, adc2: %d\n", adc1, adc2);

    if (ADC1_MAX < adc1) {
        adc1 = ADC1_MAX;
    }
    else if (ADC1_MIN > adc1) {
        adc1 = ADC1_MIN;
    }
    if (ADC2_MAX < adc2) {
        adc2 = ADC2_MAX;
    }
    else if (ADC2_MIN > adc2) {
        adc2 = ADC2_MIN;
    }

    int m1 = 100 - map(adc1, ADC1_MIN, ADC1_MAX, 0, 100);
    int m2 = 100 - map(adc2, ADC2_MIN, ADC2_MAX, 0, 100);

    Serial.printf("Humid: %.0f, Temp: %.1f%, Moist1: %d, Moist2: %d\n", h, t, m1, m2);

    if (counter % 6 == 0) {
        sendAmbient(h, t, m1, m2);
    }

    counter++;
    delay(4500);

}

void sendAmbient(float humid, float temp, int moist1, int moist2) {
    ambient.set(1, temp);
    ambient.set(2, humid);
    ambient.set(3, moist1);
    ambient.set(4, moist2);
    ambient.send();
}

測定結果

上記のプログラムを実行し、ベランダ菜園のフェルトプランターとプラスチックプランターの土壌水分量を測定してみました。夕方に水やりを行い、次の日の夕方まで水やりをしない状態で観察します。

そして、こちらが測定したグラフです。

フェルトとプラスチックの土壌水分量の違い

まず土壌水分量ですが、土壌湿度センサにはバラツキがありました。また、土にセンサを挿す具合によって、だいぶ水分量が変化してしまいます。

よって、水分量のパーセンテージ同士を比較してもあまり意味がありません。

ですから、水分量の変化量を見ることにします。

水分量の変化量をみると、フェルトプランターでは一日でマイナス13％だったのに対し、プラスチックプランターではマイナス20%となりました。何度か測定しましたが、プラスチックプランターのほうが水の乾きが速い結果になりました。もちろん土の量の違いも水分量の変化に影響しているかもしれません。

くれぐれも定電圧で！

以前、ESP8266で土壌湿度センサを使ったときのことです。

土壌湿度センサを使ってベランダの野菜プランターの土壌水分量を測定

朝、プランターに水やりをしてから、土壌の水分量の測定を開始し、Ambientでグラフ化しました。

時間と土壌水分量の推移グラフ

なぜか水分量が上昇してしまいました。数式を何度も見ながら「間違ってないよなー」と確認。その後、電池交換した時、重大なミスに気づいてしまいました。

定電圧でなかったために水分量が正しく測れていない

おわかり頂けますでしょうか？

電源の電圧降下が影響して、土壌湿度センサのアナログ出力に影響してしまったんです。土壌湿度センサは出力電圧が低くなると水分量が多くなってしまい、電池の消耗とともに右肩上がりのグラフになってしまったのです。

ですから、電源の定電圧化は必須です。どうしても乾電池を使いたい場合は、3.3VのレギュレーターなどのDC-DCコンバータを使って安定化電源にしましょう。

みなさんも、土壌湿度センサをつかう際はくれぐれもご注意ください。

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また、植物の根を痛めないようにセンサの先端を丸く加工しました。