سنسور رطوبت خاک چیست؟ — انواع، پیاده سازی و مدار عملی — به زبان ساده

امروزه فناوری نقشی اساسی در بسیاری از جنبه‌های زندگی ما دارد. بسیاری از مردم تصور می‌کنند کشاورزی در کاشتن بذرها در زمین و آب دادن آن‌ها خلاصه می‌شود و به همین دلیل کار آسانی است. از همین رو این افراد فناوری را دور از آن می‌پندارند، اما واقعیت چیز دیگری است. با توجه به رشد نمایی جمعیت، مسائل پویایی در رابطه با تغذیه مردم ایجاد می‌شود. وجود افراد بیشتر به معنای نیاز به تولید مواد غذایی بیشتر است. از طرفی، تعداد انسان‌های بیشتر به این معنی است که خانه‌های بیشتری ساخته می‌شود و آب بیشتری مصرف خواهد شد و زمین و منابع آبی باارزش برای تولید مواد غذایی کم و کمتر می‌شود. برای تأمین همه‌جانبه این جمعیت در حال رشد با منابع کمتر، صنعت کشاورزی باید به پیشرفت‌های فناورانه روی بیاورد. از این روست که پیشرفت‌هایی مانند مهندسی ژنتیک، فناوری GPS، محصول زراعی تحمل‌کننده علف‌کش، تصاویر هوایی، ربات‌ها، سنسور رطوبت خاک و کشاورزی دقیق، کشاورزی را به یک تجارت پیچیده تبدیل کرده است.

سنسور رطوبت خاک چیست؟

در بسیاری از کشورهای پیشرفته، کشاورزان به شدت به سیستم‌های آبیاری اعتماد می‌کنند تا در زمان مناسب آب مناسب محصولات خود را تأمین کنند. تنش خشکی گیاهان به راحتی و به سرعت باعث کاهش بازدهی می‌شود. با کمک فناوری، سنسورهای رطوبت خاک می‌توانند تصویر کاملی از سیستم‌های آبیاری مفید را به تولیدکنندگان ارائه دهند. سنسور رطوبت خاک این امکان را می‌دهد که وقتی سطح رطوبت به زیر آستانه خاصی رسید، جریان آب برقرار شود و پس از رسیدن به ظرفیت آبداری زمین، قطع شود. کشاورزان فقط در مواقع نیاز از آب استفاده می‌کنند و همین امر باعث کاهش مصرف آب می‌شود. این هم یک دستاورد مالی و هم یک گام مهم زیست‌محیطی است. در این صورت نه آب و پول هدر می‌رود و نه مواد مغذی و سموم شیمیایی در آب‌های زیرزمینی غرق می‌شوند. استفاده از سنسور رطوبت خاک ضمن به حداکثر رساندن بازده و سود، هزینه‌های مدیریت ورودی را کاهش خواهد داد.

فیلم آموزش الکترونیک 1 – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

انواع سنسور رطوبت خاک

سه نوع اصلی سنسور رطوبت خاک وجود دارد که هرکدام در نحوه اندازه‌گیری میدانی و تعیین سطح رطوبت خاک متفاوت هستند. هر نوع مزایا و معایب خاص خود را دارد و نیازهای خاص بازار را برآورده می‌کند. در ادامه، با این انواع آشنا می‌شویم.

سنسور حجمی

سنسورهای حجمی (Volumetric Sensors) رطوبت خاک، مستقیماً مقدار آب موجود در خاک را اندازه‌گیری می‌کنند. این دسته بیشترین سنسورهای بازار را تشکیل می‌دهند: پراب‌های رطوبت نوترونی، سنسورهای اتلاف حرارت و سنسورهای معمولی و دی الکتریک. سنسورهای دی الکتریک ثابت دی الکتریک خاک را اندازه‌گیری می‌کنند. ثابت دی‌الکتریک یک خاصیت الکتریکی وابسته به میزان رطوبت خاک است و می‌توان آن را در سه نسخه تهیه کرد: سنسورهای رفرکتومتری یا شکست‌سنجی حوزه زمان (TDR)، سنسورهای عبورسنج حوزه زمان (TDT) و سنسورهای رفرکتومتری حوزه فرکانس (FDR) یا خازنی.

با توجه به فناوری مورد استفاده، سنسورهای حجمی گرانترین سنسورهای رطوبت خاک برای خرید هستند (بیش از 100 دلار برای هر سنسور و ۴۰۰ تا ۱۲۰۰ دلار برای یک خوانش‌گر الکترونیکی). هنگام نصب در مزارع، این سنسورها به کالیبراسیون با نوع خاک جداگانه نیز احتیاج دارند و همین امر موج دشوارتر شدن نصب آن‌ها می‌شود. البته در طرف مقابل، سنسورهای حجمی بسیار دقیق هستند و داده‌ها را بسیار سریع در اختیار کشاورزان قرار می‌دهند. این سنسورها معمولاً در محیط‌های پژوهشی و در محصولات با ارزش بالا كه سرعت و دقت هزینه بالاتر تجهیزات قابل توجیه است، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سنسور رطوبت خاک مقاومتی

سنسور رطوبت خاک مقاومتی با استفاده از رابطه بین مقاومت الکتریکی و مقدار آب برای اندازه‌گیری سطح رطوبت خاک کار می‌کند. این سنسورها را برای داشتن دو پراب در معرض مشاهده که مستقیماً به نمونه خاک وارد می‌شوند، مشاهده خواهید کرد.

جریان الکتریکی از یک پراب به دیگری برقرار می‌شود که به سنسور امکان اندازه‌گیری مقاومت خاک بین آن‌ها را می‌دهد.

وقتی مقدار آب موجود در خاک زیاد باشد، رسانایی الکتریکی بیشتری وجود دارد (آب رسانای خوبی برای برق است). از این رو، میزان مقاومت وجود دارد که نشان‌دهنده رطوبت بالای خاک است. وقتی محتوای آب در خاک کم باشد، رسانایی الکتریکی ضعیف‌تری وجود دارد. از این رو، میزان مقاومت بالاتری به دست می‌آید که نشانگر رطوبت کم خاک است.

سنسور رطوبت خاک خازنی

یک سنسور رطوبت خاک خازنی با اندازه‌گیری تغییر ظرفیت کار می‌کند. به زبان ساده، خازن میزان بار الکتریکی را که می‌تواند از طریق پتانسیل الکتریکی ذخیره شود اندازه‌گیری می‌کند. یک سنسور رطوبت خاک خازنی معمولاً با صفحه مثبت و منفی ساخته می‌شود که توسط یک ماده دی‌الکتریک در وسط آن‌ها جدا می‌شوند.

در این حالت، خاک محیط دی الکتریک است و ظرفیت آن با محتوای رطوبت تغییر می‌کند. با جفت شدن سنسور با مدار تایمر، یک ولتاژ آنالوگ به دست می‌آوریم که با برد آردوینو قابل خواندن است. این ولتاژ به نوبه خود با محتوای رطوبت خاک رابطه مستقیم دارد و دقیقاً همان چیزی است که ما به آن نیاز داریم.

اما سنسور مقاومتی بهتر است یا خازنی؟ هر دو سنسور میزان رطوبت خاک را در درصد حجم (نسبت آب به حجم خاک) ارائه می‌دهند.

ایراد معمول به سنسورهای رطوبت خاک مقاومتی این است که به مرور زمان مستعد خوردگی هستند، زیرا جریان الکتریکی برقرار شده بین پراب‌های آن می‌تواند باعث الکترولیز شود. در مقابل، سنسور رطوبت خاک خازنی الکترودی در معرض ندارد و نسبتاً فاقد خوردگی است. با این حال، سنسور خازنی به طور کلی هزینه بیشتری دارد.

سنسور خازنی در مواردی که نیازمند قرائت مکرر رطوبت خاک هستیم و چرخه‌های نگهداری و تعویض طولانی‌تر است، گزینه مناسبی خواهد بود.

اما در مواردی که قرائت کمتری نیاز است و هزینه برایمان مهم است، سنسور مقاومتی گزینه‌ بهتری است.

کشش‌سنج یا تنسیومتر

ذرات خاک آب را از طریق کشش یا چسبندگی نگه می‌دارند. کشش‌سنج‌ها (Tensiometers) انواعی از سنسور رطوبت خاک هستند که این کشش بین ذرات خاک و مولکول‌های آب را اندازه‌گیری می‌کنند. برای اینکه گیاهان به این آب دسترسی پیدا کنند باید بر کشش غلبه کنند تا مولکول‌های آب را از ذرات خاک دور کرده و به سمت ریشه بکشند. خوانش‌های پتانسیل ماتریک خاک یا کشش رطوبت خاک بیان می‌کند که گیاه برای استخراج آب چقدر باید کار کند. تنسیومتر یک لوله عمودی و پر از آب با نوک متخلخل است که در عمق توصیه شده به خاک وارد می‌شود. خاک از نوک متخلخل لوله مهر و موم شده آب خارج و خلأ ایجاد می‌کند. خاک‌های خشک خلاء قوی‌تری ایجاد می‌کنند، زیرا سخت‌تر است که مولکول‌های آب ذرات خاک را بکشند.

به طور کلی، کشش‌سنج‌ها تجهیزات نسبتاً ساده و ارزانی هستند (سنسورها برای هر واحد حدوداً 80 تا 160 دلار هزینه دارند) که می‌توانند در سیستم آبیاری قرار گیرند. استفاده از آن‌ها آسان است، زیرا داده‌های جمع‌آوری شده ساده هستند و نیازی به تفسیر ندارند. این سنسورها نیاز به نگهداری بالاتر در طول فصل رشد دارند. آب لوله‌های مهر و موم شده باید تعویض و تمیز شود و نمی‌توانند زمستان را در مناطق سردتر آب و هوایی در مزرعه بمانند. کشش‌سنج‌ها در صورت نصب در زمین‌هایی که میزان رطوبت نسبتاً کافی دارند، بهترین عملکرد را خواهند داشت. این سنسورها فقط می‌توانند در سطوح خاصی از مکش کار کنند و در شرایط خشک‌تر بی‌فایده می‌شوند.

سنسورهای حالت جامد

ارزان‌ترین گزینه برای اندازه‌گیری میزان رطوبت خاک، سنسورهای حالت جامد است که هزینه هر واحد سنسور تقریباً 35 تا 60 دلار است. انواع متداول سنسورهای رطوبت خاک حالت جامد، بلوک‌های گچی و سنسورهای ماتریس گرانول هستند. آن‌ها با استفاده از دو الکترود برای اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی در خاک کار می‌کنند. آب بیشتر در خاک مقاومت الکتریکی را کاهش می‌دهد، زیرا جریان الکتریکی می‌تواند راحت‌تر از آب عبور کند. آب کمتر باعث افزایش مقاومت می‌شود. پس از اندازه‌گیری مقاومت الکتریکی، کشش آب برای تعیین رطوبت خاک موجود در گیاه محاسبه می‌شود. در بلوک‌های گچی، الکترودها در یک قطعه گچ متخلخل قرار دارند که باید تماس با خاک را حفظ کند. سنسورهای ماتریس گرانول دارای یک ماتریس گرانول در داخل یک پوشش فلزی هستند. سنسورهای الکتریکی در ماتریس گرانول بالای ویفر گچ تعبیه شده‌اند.

سنسورهای حالت جامد ارزان‌ترین گزینه برای سنسورهای رطوبت خاک هستند و برای بافت خاک نیازی به کالیبراسیون ندارند. با این حال، لازم است که با توجه به از بین رفتن گچ، به درستی نصب شوند و به صورت دوره‌ای جایگزین شوند. این سنسورها برای اندازه‌گیری شرایط مزرعه بسیار کندتر هستند و در خاک‌های بسیار شنی به دلیل ذرات بزرگ‌تر خاک دقت کمتری دارند. بزرگترین عیب سنسورهای حالت جامد این است که آن‌ها در خاک‌های با شوری بالا به درستی کار نمی‌کنند، زیرا خوانش‌ها با افزایش نمک خدشه‌دار می‌شوند. به دلیل اشکالاتی که این سنسورها دارند، در شرایط بسیار خشک یا محصولاتی که به تنش آبی حساسیت زیادی دارند، عملکرد خوبی نخواهند داشت.

پیاده سازی سنسور رطوبت خاک در آردوینو

در این بخش می‌خواهیم یک مدار عملی را سنسور رطوبت خاک را با استفاده از آردوینو پیاده‌سازی کنیم. سنسوری که از آن استفاده می‌کنیم، ماژول FC-28 است که در دسته سنسورهای مقاومتی قرار می‌گیرد.

فیلم آموزش برد آردوینو Arduino با انجام پروژه های عملی در فرادرس

کلیک کنید

مشخصات این سنسور به صورت زیر است:

• ولتاژ‌ ورودی: ۳٫۳ تا ۵ ولت
• ولتاژ خروجی: ۰ تا ۴٫۲ ولت
• جریان ورودی: ۳۵ میلی‌آمپر
• سیگنال خروجی: آنالوگگ و دیجیتال

سنسور رطوبت خاک FC-28 چهار پایه دارد که به شرح زیر هستند:

• Vcc: تغذیه
• A0: خروجی آنالوگ
• D0: خروجی دیجیتال
• GND: زمین

ماژول همچنین شامل یک پتانسیومتر است که مقدار آستانه را تنظیم می‌کند. این مقدار آستانه توسط مقایسه‌کننده LM393 مقایسه خواهد شد.

حالت آنالوگ

برای اتصال سنسور در مد آنالوگ، باید از خروجی آنالوگ سنسور استفاده کنیم. وقتی خروجی آنالوگ را از سنسور رطوبت خاک FC-28 بگیریم، مقداری در محدوده ۰ تا ۱۰۲۳ به ما خواهد داد. رطوبت با درصد سنجیده می‌شود. بنابراین، مقادیر خروجی را به بازه ۰ تا ۱۰۰ تبدیل کرده و سپس آن‌ها را روی نمایشگر سریال نشان می‌دهیم.

در صورتی که بخواهید، می‌توانید محدوده‌های مختلفی از مقادیر رطوبت خاک را تنظیم کرده و پمپ آب را بر اساس آن‌ها خاموش و روشن کنید.

اتصالاتی از سنسور رطوبت خاک FC-28 که باید به آردوینو متصل شوند، به صورت زیر هستند:‌

• Vcc سنسور به 5V آردوینو
• GND سنسور به GND آردوینو
• A0 سنسور به A0 آردوینو

کد آنالوگ به صورت زیر است:

1int sensor_pin = A0;
2int output_value ;
3void setup() {
4   Serial.begin(9600);
5   Serial.println("Reading From the Sensor ...");
6   delay(2000);
7   }
8void loop() {
9   output_value= analogRead(sensor_pin);
10   output_value = map(output_value,550,0,0,100);
11   Serial.print("Mositure : ");
12   Serial.print(output_value);
13   Serial.println("%");
14   delay(1000);
15   }

توضیح کد در ادامه آمده است. ابتدا باید دو متغیر را تعریف کنیم: یکی برای پین سنسور و دیگری برای ذخیره‌ کردن خروجی سنسور.

1int sensor_pin = A0; // Soil Sensor input at Analog PIN A0
2int output_value ;

در تابع setup، دستور "Serial.begin(9600)" به ارتباط بین آردوینو و نمایشگر سریال کمک می‌کند. سپس، عبارت "Reading From the Sensor …" روی نمایشگر سریال چاپ می‌شود.

1void setup() {
2   Serial.begin(9600);
3   Serial.println("Reading From the Sensor ...");
4   delay(2000);
5   }

در تابع حلقه، اطلاعات را از پین سنسور می‌خوانیم و مقادیر را در متغیر "output_ value" ذخیره می‌کنیم. سپس، مقادیر خروجی را به بازه ۰ تا ۱۰۰ تصویر می‌کنیم، زیرا رطوبت برحسب درصد اندازه‌گیری می‌شود. با توجه به آزمایش‌هایی که انجام داده‌ایم، در خاک خشک مقدار سنسور ۵۵۰ و در خاک تر ۱۰ است. بنابراین، این مقادیر را تصویر می‌کنیم. پس از این کار، مقادیر را روی نمایشگر سریال چاپ می‌کنیم.

1void loop() {
2   output_value= analogRead(sensor_pin);
3   output_value = map(output_value,550,10,0,100);
4   Serial.print("Mositure : ");
5   Serial.print(output_value);
6   Serial.println("%");
7   delay(1000);
8   }

حالت دیجیتال

برای اتصال سنسور در حالت دیجیتال، خروجی دیجیتال آن را به پین دیجیتال آردوینو متصل می‌کنیم. ماژول سنسور شامل یک پتانسیومتر است که برای تنظیم مقدار آستانه از آن استفاده می‌شود. این مقدار آستانه توسط مقایسه‌کننده LM393 مقایسه خواهد شد.

مقایسه‌کننده LM393 مقدار خروجی سنسور و مقدار آستانه را با هم مقایسه می‌کند و پس از آن، خروجی را از طریق پین دیجیتال به ما می‌دهد. وقتی مقدار سنسور بزرگ‌تر از مقدار آسنتانه باشد، آنگاه پین دیجیتال مقدار ۵ ولت را به ما خواهد داد و LED روی سنسور را روشن خواهد کرد. اما اگر مقدار سنسور کوچک‌تر از مقدار آستانه باشد، آنگاه پین دیجیتال ۰ ولت را نتیجه داده و LED خاموش خواهد شد.

اتصالات پایه‌های سنسور به آردوینو در حالت دیجیتال به صورت زیر است:

• Vcc سنسور به 5V آردوینو
• GND سنسور به GND آردوینو
• D0 سنسور به پین 12 آردوینو
• سر مثبت LED به پین 13 آردوینو
• سر منفی LED به GND آردوینو

در حالت دیجیتال، کد به صورت زیر است.

1int led_pin =13;
2int sensor_pin =8;
3void setup() {
4  pinMode(led_pin, OUTPUT);
5  pinMode(sensor_pin, INPUT);
6}
7void loop() {
8  if(digitalRead(sensor_pin) == HIGH){
9    digitalWrite(led_pin, HIGH);
10  } else {
11    digitalWrite(led_pin, LOW);
12    delay(1000);
13  }
14}

توضیح کد در ادامه آورده شده است. ابتدا دو متغیر را برای اتصال پین LED و پین دیجیتال سنسور تعریف می‌کنیم.

1int led_pin =13;
2int sensor_pin =8;

در تابع setup، پین LED را به عنوان پین خروجی در نظر گرفته‌ایم، زیرا از طریق این پین LED را روشن و خاموش می‌کنیم. همچنین، پین سنسور را به عنوان ورودی در نظر می‌گیریم، زیرا آردوینو مقادیر را از طریق این پین از سنسور می‌گیرد.

1void setup() {
2  pinMode(led_pin, OUTPUT);
3  pinMode(sensor_pin, INPUT);
4}

در تابع حلقه، قرائت پین سنسور را داریم. اگر مقدار خروجی سنسور بزرگ‌تر از مقدار آستانه باشد، آنگاه پین دیجیتال در سطح high قرار داشته و LED روشن خواهد شد. اگر مقدار سنسور کوچک‌تر از مقدار آستانه باشد، آنگاه LED خاموش می‌شود.

1void loop() {
2  if(digitalRead(sensor_pin) == HIGH){
3    digitalWrite(led_pin, HIGH);
4  } else {
5    digitalWrite(led_pin, LOW);
6    delay(1000);
7  } }

تصویر زیر مدار و عملکرد آن را نشان می‌دهد.

معرفی فیلم آموزش برد آردوینو (Arduino) با انجام پروژه های عملی 

برای آشنایی بیشتر با آردوینو پیشنهاد می‌کنیم به فیلم آموزش برد آردوینو (Arduino) با انجام پروژه های عملی «فرادرس» مراجعه کنید که مدت زمان آن ۱۹ ساعت و ۱۰ دقیقه است. در درس اول این آموزش که در ۹ درس تدوین شده، معرفی اجمالی با برد آردوینو (Arduino) بیان شده است. در درس دوم، واحد ارتباط سریال در آردوینو مورد بحث قرار گرفته است. موضوع درس سوم واحد PWM و ADC در آردوینو است.

واحد وقفه و SPI در آردوینو نیز در درس‌های چهارم و پنجم معرفی شده‌اند. به واحد TWI و I2C در آردوینو نیز در درس ششم پرداخته شده است. حافظه EEPROM نیز موضوع درس هفتم است. آرایه‌ها و رشته‌ها در آردوینو از مباحث مهمی هستند که در درس هشتم گنجانده شده‌اند و در نایت، برنامه‌نویسی پیشرفته برد آردوینو در درس نهم آموزش داده شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش برد آردوینو (Arduino) با انجام پروژه های عملی + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش الکترونیک ۱ فرادرس

برای آشنایی با الکترونیک، پیشنهاد می‌کنیم به فیلم آموزش الکترونیک 1 مراجعه کنید که توسط فرادرس تهیه شده است. این آموزش در ۱۱ ساعت و ۲۷ دقیقه و در قالب ۶ درس تدوین شده است. در درس اول، درباره فیزیک الکترونیک بحث شده است. دیود و مدارهای دیودی موضوع مهم درس دوم است. مباحث ترانزیستور پیوندی دوقطبی و ترانزیستورهای اثر میدان، به ترتیب، در درس‌های سوم و چهارم معرفی شده‌اند. در درس پنجم تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری چندطبقه مورد بحث قرار گرفته و در نهایت در درس ششم آنالیز و طراحی مدارات آنالوگ با استفاده از نرم افزار OrCAD ارائه شده است.

• برای مشاهده فیلم آموزش‌ الکترونیک ۱ + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش الکترونیک 2 فرادرس

آموزش‌ الکترونیک 2 فرادرس در ۸ ساعت و ۱۱ دقیقه و در ۷ درس تهیه شده است. درس اول این آموزش درباره پاسخ فرکانسی تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری است. در درس دوم منابع جریان و بارهای فعال معرفی شده‌اند. تقویت‌کننده‌های تفاضلی، تقویت‌کننده‌های توان، تقویت‌کننده‌های فیدبک و تقویت‌کننده‌های عملیاتی، به ترتیب، موضوع درس‌های سوم تا ششم هستند. در نهایت، در درس هفتم تنظیم‌کننده‌های ولتاژ معرفی شده‌اند.

• برای مشاهده فیلم آموزش‌ الکترونیک 2 + اینجا کلیک کنید.

معرفی فیلم آموزش الکترونیک 3 فرادرس

آموزش درس الکترونیک ٣ در ادامه درس الکترونیک ١ و ٢ در ۱۵ ساعت و ۷ دقیقه و در قالب چهار درس ارائه شده است. در درس اول، پاسخ فرکانسی تقویت‌کننده‌های ترانزیستوری‎ به طور کامل آموزش داده شده است. پایداری و جبران فرکانسی تقویت‌کننده‌های فیدبک موضوع درس دوم است. در درس سوم، تقویت‌کننده‌های عملیاتی به طور کامل مورد بحث قرار گرفته‌اند و در نهایت، در درس چهارم، اسیلاتورها به طور مفصل شرح داده‌ شده‌اند.

• برای مشاهده فیلم آموزش‌ الکترونیک 3 + اینجا کلیک کنید.