Arduinoと土壌センサを使って土の水分量の測定

つかうもの

Arduino

Ambientクラウドサービスへデータを送信するため、無線機能を搭載したESP32を使用しました。

Espressif社純正 ESP-WROOM-32D開発ボード ESP32-DevKitC-32D

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Ambientや無線機能を使わないのでしたら、どのArduinoを使っていただいても構いません。Arduinoをお持ちでないようでしたらオススメArduinoどれを選べばいい？Arduinoで電子工作をはじめる方へをご参考になさってみてください。

土壌センサ

こちらの静電容量型の土壌センサを使用します。

静電容量式土壌水分センサー

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Amazonでよく見かけるこちらの製品は「Capacitive Soil Moisture Sensor」というものです。

実際の菜園ですぐにお使いただけるように、センサの防水加工を施して、数メートルのケーブルとジャンプワイヤを付けたものを 「メルカリ」 で少数販売しております。よろしければご活用なさってみてください。

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野外に便利

電源コードが取れない場合、モバイルバッテリーのような安定化電源が必要です。

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土壌センサのケーブルを延長するため、次のような製品があると便利です。

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その他の電子部品

ブレッドボードやジャンプワイヤをお持ちでない方は揃えておいてください。

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また、DHT11で温度と湿度も同時に測定しました。

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開発環境

Macを使用しましたが、WindowsやLinuxでも構いません。また統合開発環境も、Arduino IDEで大丈夫です。

土壌センサの使い方

土壌センサの使い方を説明します。

静電容量型土壌センサ

「Capacitive Soil Moisture Sensor」の使い方を説明します。ネットを探しても公式のマニュアルを見つられなかったので、調べた限りの情報をまとめます。

土壌センサの使用範囲は図のとおりです。センサにラインが引いてありますが、これは警告線です。このラインより1cm〜2cm下の範囲までを、土壌へ埋めるようにしましょう。写真のように、ホットボンドやレジンなどを使って、回路部分を防水対策しておきましょう。

土壌センサの使用範囲

防水加工した土壌水分量センサを 「メルカリ」 にて少数販売しております！

仕様

センサのアナログ出力電圧は、センサによって少しばらつきがあるようです。複数台使う場合は、補正かけるなどの工夫が必要かもしれません。

水分量の計算方法

土壌センサーを使って水分量を測定するには準備が必要です。それは、空気中と水中においてのアナログ出力を知る必要があります。空気中で値を水分量0%とし、水中での値を水分量100%とします。土壌センサにはラインが引いてありますので、それより少し手前までを水につけて測定します。

土壌センサーを水につけてアナログ電圧を読み取る

つぎに、空気中の値を AirValueとし、水中の値をWaterValue とします。水分量 Moisture（％）は次の式で表すことができます。

$$ Moisture = 100 - 100 \times \frac{(Aout - WaterValue)}{(AirValue - WaterValue)}$$

ここでAoutは、センサのアナログ出力値であります。

静電容量型土壌センサの回路図

少しマニアックな話になりますが、静電容量型土壌センサの内部回路が分かりましたのでご紹介しておきます。

土壌センサの回路図

発振回路

まず、タイマICの555を使って矩形波を発生させています。矩形波は1次のRCローパスフィルタに通されます。すると、矩形波はローパスフィルタによって高周波成分が削られていき三角波へ近づきます。そして、交流信号（電圧）を直流信号（電圧）に変えるため、AC-DCコンバータを通します。

ローパスフィルタ

ここで、ローパスフィルタのコンデンサCを土壌センサのプローブにすると、静電容量の変化に応じてカットオフ周波数が変化します。つまりフィルタのかかり具合が変わり、出力のアナログ電圧が変化するわけです。

AC-DCコンバータ

AC-DCコンバータは、Peak Detectorとも呼ばるもので、いわゆる半波整流回路になってます。実は、アナログ出力とは、1uのコンデンサに溜まった電荷を測っているにすぎないのです。1MΩの抵抗は、1uのコンデンサに溜まった電荷を逃がす役割をします。センサの反応が悪いと感じた場合には、この抵抗を100kΩ程度に変えると改善します。ここらへんの話は【ラズパイ】ECMで音センサーつくってみたに書きました。

AOUTとGND間に100kΩ

Arduinoと土壌センサで水分量の測定

Arduinoと土壌センサで水分量測定するプログラミングを行なっていきます。

次の内容でプログラミングしました。

• アナログ入力でセンサの電圧値を読み取る
• 土壌水分量を計算
• 30秒置きにこれを繰り返し、WiFiでAmbientへログを送信

ちなみに、土壌センサは2つ使っています。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。