Измеритель солености и электропроводности почвы на Arduino: схема и программа

В этой статье мы узнаем как сделать собственный измеритель электропроводности и солености почвы с помощью Arduino и датчика EC почвы. Электропроводность почвы (electrical conductivity, EC) является мерой количества солей в почве (соленость почвы). Это важный показатель здоровья почвы. Она влияет на урожайность, пригодность, доступность питательных веществ и активность почвенных микроорганизмов. Соленость является мерой растворимых солей в почве или воде. Молекулы соли состоят из катиона натрия, калия, кальция и аниона хлорида или сульфата.

Избыток солей препятствует росту растений, влияя на баланс почва-вода. Хотя электропроводности не обеспечивает прямого измерения определенных ионов или солевых соединений, но она коррелирует с концентрациями нитратов, калия, натрия, хлорида, сульфата и аммиака. Вот почему важно измерение электропроводности почвы и солености почвы. Электропроводность почвы можно измерить с помощью электродов, вставленных непосредственно в землю, или путем извлечения почвенной воды с помощью лизиметра.

В нашем проекте мы будем измерять электропроводность и соленость почвы с помощью нашего собственного самодельного измерителя на основе платы Arduino. Тип датчика электропроводности почвы, который мы будем использовать, — это JXCTIOT Soil EC Sensor. Датчик работает по протоколу Modbus. Используя определенную команду Modbus, мы можем запросить значение электропроводности и солености почвы с датчика.

Мы будем отображать значение электропроводности почвы и значение солености на 0,96-дюймовом OLED- дисплее.

Необходимые компоненты

Плата Arduino Nano (купить на AliExpress).
Датчик солености и электропроводности почвы (Soil EC Salinity Sensor).
Модуль OLED дисплея SSD1306 128×64 с интерфейсом I2C (купить на AliExpress).
Модуль Modbus MAX485 (купить на AliExpress).
Блок питания 9-12 В.
Макетная плата.
Соединительные провода.

Реклама: ООО «АЛИБАБА.КОМ (РУ)» ИНН: 7703380158

Значение электропроводности и солености почвы

Электропроводность почвы (EC) — это способности почвенной воды проводить электрический ток. Это электролитический процесс, который происходит в основном через заполненные водой поры.

Катионы, такие как Ca2+, Mg2+, K+, Na+ и NH4+, а также анионы, такие как SO42-, Cl-, NO3 – и HCO3 – из растворенных солей несут электрические заряды. Электрические заряды отвечают за проводимость электрического тока. Таким образом, концентрация ионов определяет электропроводность почвы.

В сельском хозяйстве электропроводность используется в основном как мера засоленности почвы. Засоленность почвы — это мера минералов и солей, которые могут быть растворены в воде. Электропроводность выражается в сименсах на метр (См/м), тогда как соленость выражается в мг/кг .

Датчик электропроводности и солености почвы

Датчик электропроводности почвы JXCTIOT — это недорогой датчик электропроводности почвы для измерения электропроводности и солености. Он разработан в соответствии с отраслевыми стандартами, отличается высокой точностью, чувствительностью и долговечностью. Вы можете использовать этот датчик для оценки состояния почвы. Он может быстро проверить проводимость и соленость различных видов почвы. Существует несколько датчиков электропроводности почвы и солености. Но этот датчик является лучшим для практического применения.

Внутри датчика находится высококачественный чип. Чип имеет низкое энергопотребление, высокую чувствительность, а также высокую стабильность. Зонд датчика изготовлен с использованием аустенитной нержавеющей стали 316 в качестве сырья. Вот почему датчик имеет хорошую антикоррозийную стойкость, стойкость к электролизу, солевой и щелочной коррозии. Это обеспечивает длительную эксплуатацию почвы и подходит для различных типов почвы.

Вы можете использовать этот датчик в научных экспериментах, водосберегающем орошении, садоводстве, теплицах, сельском хозяйстве на открытом воздухе, садоводстве, гольфе и уходе за газоном. Датчик также лучше подходит для таких приложений, как лесное хозяйство, точное земледелие и другие профессиональные сценарии мониторинга окружающей среды. Вы можете использовать этот датчик электропроводности и проводимости почвы вместе с платой Arduino или любым другим микроконтроллером.

Особенности датчика

Импортный высококачественный датчик и чип электропроводности почвы.
Специально разработанный датчик с большим проникновением в почву.
Уникальная технология датчиков с широким рабочим диапазоном.
Высококачественный датчик солености почвы со стабильной чувствительностью.
Портативная конструкция и простота тестирования.
Низкое энергопотребление.
Корпус IP68, с полной водонепроницаемостью.

Технические характеристики датчика

Электропитание: 12-24 В постоянного тока.
Выходной сигнал: Modbus RS485/4-20мА/0-5В/0-10В
Диапазон рабочих температур: от -40℃ до 80℃
Диапазон измерения электропроводности: 0-10000 мкс/см
Разрешение проводимости: 10 мкс/см
Время отклика: <1с
Уровень защиты: водонепроницаемый корпус IP68

Распиновка датчика

Датчик имеет 4 контакта: VCC, GND, 485-A и 485-B. Датчик работает от напряжения 12 В-24 В. Вы не получите никакого выходного сигнала, если подадите напряжение ниже 12 В.

Схема проекта

Схема подключения датчика солености и электропроводности почвы к плате Arduino Nano с помощью модуля Modbus MAX485 приведена на следующем рисунке.

Подключите контакты R0 и DI модуля Modbus к контактам D2 и D3 платы Arduino с помощью программного последовательного порта. Аналогично, мы должны включить высокий уровень DE и RE модуля Modbus, что делается путем подключения их к контактам D7 и D8 платы Arduino. Датчик солености и электропроводности почвы имеет 4 провода. Коричневый — это VCC, которому требуется источник питания 12 В — 24 В. Вывод GND, который черного цвета, необходимо подключить к выводу GND Arduino. Подключите синий провод, который является выводом B, к выводу B MAX485. Также подключите желтый провод, который является выводом A, к выводу A MAX485.

0,96-дюймовый OLED-дисплей SSD1306 подключается по интерфейсу I2C. Подключите контакты VCC и GND OLED-дисплея к контактам 3,3 В и GND Arduino. Аналогичным образом подключите контакты SDA и SCL OLED-дисплея к контактам A4 и A5 Arduino. Вы можете следовать принципиальной схеме и собрать схему на макетной плате или изготовить печатную плату собственного дизайна.

Проект печатной платы для проекта

Если вы не хотите собирать схему на макетной плате и вам нужна печатная плата для проекта, то вот печатная плата для вас. Она разработана с использованием онлайн-инструмента EasyEDA. Передняя и задняя стороны печатной платы показаны ниже.

Файл Gerber для изготовления печатной платы вы можете скачать по ссылке ниже.

Загрузить файл Gerber: Печатная плата солемера EC

Команда Modbus для датчика солености и электропроводности почвы

Команды Modbus могут давать указания устройству Modbus:
1. Изменить значение в одном из его регистров, которое записывается в регистры катушки и хранения.
2. Прочитать порт ввода-вывода: прочитать данные из дискретных портов и регистров флагов;
3. Дать команду устройству отправить обратно одно или несколько значений, содержащихся в его регистрах флагов и хранения.

Команда Modbus содержит адрес Modbus устройства, для которого она предназначена (от 1 до 247). Только адресуемое устройство ответит и выполнит команду, даже если другие устройства ее получат.

Датчик солености и электропроводности почвы имеет 3 различных значения для считывания значений электропроводности и солености почвы. Вы можете получить адрес бита запроса из руководства по эксплуатации устройства Modbus.

Чтобы узнать больше о протоколе связи Modbus, вы можете воспользоваться следующими обучающими материалами:

последовательная связь по протоколу Modbus RS-485 с Arduino (ведомой) — одна из лучших статей в сети по этой тематике;
последовательная связь по протоколу Modbus RS-485 с Arduino (ведущей);
считывание информации с датчиков в Arduino по протоколу Modbus.

Значение электропроводности почвы

Формат запроса для значения электропроводности почвы:

В ответ вы получите следующее:

Вы можете рассчитать проводимость почвы из полученного ответа. Например, если вы получили 5DC в качестве ответа, то значение EC почвы будет:
5DC H(шестнадцатеричное) = 1500 (десятичное) => Проводимость = 1500 мкс/см

Значение солености почвы

Формат запроса для значения засоленности почвы:

В ответ вы получите следующее:

Вы можете рассчитать соленость почвы из полученного ответа. Например, если вы получили 69 в качестве ответа, то значение солености почвы будет:
69 H(шестнадцатеричное) = 105 (десятичное) => соленость = 105 мг/л

Исходный код программы

Исходный код для сопряжения датчика солености почвы с платой Arduino приведен ниже. Вы можете использовать этот код для получения значения электропроводности почвы и значения солености почвы с помощью команды Modbus RTU. Вы можете отправить команду и получить значение в шестнадцатеричном коде. Чтобы получить данные об измеренном содержании питательных веществ в почве, шестнадцатеричный код необходимо преобразовать в десятичный.

Поскольку мы используем OLED-дисплей для отображения значения электропроводности и солености почвы, вам понадобится библиотека OLED. Загрузите следующую библиотеку OLED и добавьте ее в Arduino IDE.
1. Библиотека Adafruit SSD1306 : Загрузить
2. Библиотека Adafruit GFX : Загрузить

Вот полный исходный код. Скомпилируйте код и загрузите его на плату Arduino Nano.

#include <SoftwareSerial.h>
#include <Wire.h>
#include <Adafruit_GFX.h>
#include <Adafruit_SSD1306.h>
 
#define RE 8
#define DE 7
 
const byte ec[] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x15, 0x00, 0x01, 0x95, 0xCE};
const byte salinity[] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x14, 0x00, 0x01, 0xC4, 0x0E};
byte values[8];
 
SoftwareSerial mod(2, 3);
 
#define SCREEN_WIDTH 128  // OLED display width, in pixels
#define SCREEN_HEIGHT 64  // OLED display height, in pixels
#define OLED_RESET    -1  // Reset pin # (or -1 if sharing reset pin)
Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);
 
 
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  mod.begin(9600);
  pinMode(RE, OUTPUT);
  pinMode(DE, OUTPUT);
  if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C))
  {
    Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));
    for (;;); // Don't proceed, loop forever
  }
  display.display();
  delay(100);
  display.clearDisplay();
 
  display.setTextColor(WHITE);
  display.setTextSize(1);
  display.setCursor(20, 30);
  display.print("Soil Analysis");
  display.display();
  delay(2000);
}
 
void loop()
{
/**************Soil EC Reading*******************/  
 digitalWrite(DE, HIGH);
  digitalWrite(RE, HIGH);
  delay(10);
 
  if (mod.write(ec, sizeof(ec)) == 8)
  {
    digitalWrite(DE, LOW);
    digitalWrite(RE, LOW);
    for (byte i = 0; i < 7; i++)
    {
      values[i] = mod.read();
      Serial.print(values[i], HEX);
    }
    Serial.println();
  }
  int soil_ec = int(values[3]<<8|values[4]);
  delay(1000);
/**************Soil Salinity Reading*******************/ 
  digitalWrite(DE, HIGH);
  digitalWrite(RE, HIGH);
  delay(10);
  if (mod.write(salinity, sizeof(salinity)) == 8)
  {
    digitalWrite(DE, LOW);
    digitalWrite(RE, LOW);
    for (byte i = 0; i < 7; i++)
    {
      values[i] = mod.read();
      Serial.print(values[i], HEX);
    }
    Serial.println();
  }
  int soil_salinity = int(values[4]);
  delay(1000);
 
  Serial.print("Soil EC: ");
  Serial.println(soil_ec);
  
  Serial.print("Soil Salinity: ");
  Serial.println(soil_salinity);
 
  display.clearDisplay();
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(0,10);
  display.print("EC:");
  display.print(soil_ec);
  display.setTextSize(1);
  display.print(" us/cm");
 
  display.setTextSize(2);
  display.setCursor(0,40);
  display.print("SL:");
  display.print(soil_salinity);
  display.setTextSize(1);
  display.print(" mg/L");
 
  display.display();
  
  delay(2000);
}

100

101

102

103

104

105

106

#include <SoftwareSerial.h>

#include <Wire.h>

#include <Adafruit_GFX.h>

#include <Adafruit_SSD1306.h>

#define RE 8

#define DE 7

const byte ec[] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x15, 0x00, 0x01, 0x95, 0xCE};

const byte salinity[] = {0x01, 0x03, 0x00, 0x14, 0x00, 0x01, 0xC4, 0x0E};

byte values[8];

SoftwareSerial mod(2, 3);

#define SCREEN_WIDTH 128 // OLED display width, in pixels

#define SCREEN_HEIGHT 64 // OLED display height, in pixels

#define OLED_RESET -1 // Reset pin # (or -1 if sharing reset pin)

Adafruit_SSD1306 display(SCREEN_WIDTH, SCREEN_HEIGHT, &Wire, OLED_RESET);

void setup()

{

Serial.begin(9600);

mod.begin(9600);

pinMode(RE, OUTPUT);

pinMode(DE, OUTPUT);

if (!display.begin(SSD1306_SWITCHCAPVCC, 0x3C))

{

Serial.println(F("SSD1306 allocation failed"));

for (;;); // Don't proceed, loop forever

}

display.display();

delay(100);

display.clearDisplay();

display.setTextColor(WHITE);

display.setTextSize(1);

display.setCursor(20, 30);

display.print("Soil Analysis");

display.display();

delay(2000);

}

void loop()

{

/**************Soil EC Reading*******************/

digitalWrite(DE, HIGH);

digitalWrite(RE, HIGH);

delay(10);

if (mod.write(ec, sizeof(ec)) == 8)

{

digitalWrite(DE, LOW);

digitalWrite(RE, LOW);

for (byte i = 0; i < 7; i++)

{

values[i] = mod.read();

Serial.print(values[i], HEX);

}

Serial.println();

}

int soil_ec = int(values[3]<<8|values[4]);

delay(1000);

/**************Soil Salinity Reading*******************/

digitalWrite(DE, HIGH);

digitalWrite(RE, HIGH);

delay(10);

if (mod.write(salinity, sizeof(salinity)) == 8)

{

digitalWrite(DE, LOW);

digitalWrite(RE, LOW);

for (byte i = 0; i < 7; i++)

{

values[i] = mod.read();

Serial.print(values[i], HEX);

}

Serial.println();

}

int soil_salinity = int(values[4]);

delay(1000);

Serial.print("Soil EC: ");

Serial.println(soil_ec);

Serial.print("Soil Salinity: ");

Serial.println(soil_salinity);

display.clearDisplay();

display.setTextSize(2);

display.setCursor(0,10);

display.print("EC:");

display.print(soil_ec);

display.setTextSize(1);

display.print(" us/cm");

display.setTextSize(2);

display.setCursor(0,40);

display.print("SL:");

display.print(soil_salinity);

display.setTextSize(1);

display.print(" mg/L");

display.display();

delay(2000);

}

Тестирование работы проекта

После загрузки кода на плату Arduino Nano OLED-дисплей инициализируется вместе с датчиком. Датчику потребуется некоторое время для стабилизации, и показания могут быть неверными в течение нескольких секунд.

После стабилизации датчика вы можете окунуть его в почву, чтобы получить показания электропроводности и солености почвы. На OLED-дисплее отобразится значение электропроводности в микросименсах на сантиметр (us/cm) и значение солености в миллиграммах на килограмм (мг/кг).

Аналогично поместите датчик в разные образцы почвы. Вы увидите изменение значений электропроводность/соленость в зависимости от типа почвы.

Видео, демонстрирующее работу проекта

Ссылка на видео на YouTube

Необходимые компоненты

Значение электропроводности и солености почвы

Датчик электропроводности и солености почвы

Особенности датчика

Технические характеристики датчика

Распиновка датчика

Схема проекта

Проект печатной платы для проекта

Команда Modbus для датчика солености и электропроводности почвы

Значение электропроводности почвы

Значение солености почвы

Исходный код программы

Тестирование работы проекта

Видео, демонстрирующее работу проекта

Похожие статьи

Добавить комментарий Отменить ответ

Добавить комментарий