Меню

Автоматический капельный полив с датчиком влажности

Автоматическая система полива сада на Home Assistant, ESP8266 и MiFlora

Некоторое время назад у моей семьи появился дом с небольшим садом в очень теплом и засушливом месте, и перед нами встала проблема регулярного полива.

Хотелось, чтобы система полива была автоматической, при этом при ее выборе приходилось учитывать следующие условия:

  • очень дорогая вода, которую надо экономить всеми доступными способами
  • разные по потребностям во влаге растения в саду, от суккулентов до влаголюбивых
  • необходимость полностью автономного полива во время отсутствия людей в доме, желательно с возможностью удаленного контроля
  • засушливый климат, не прощающий ошибок с поливом

Оценив готовые решения, которые удалось найти в местных DIY сетях и на Amazon и почитав отзывы об их надежности (как правило, не самой высокой), решили попробовать сделать что-то самостоятельно.

Disclaimer: Автор не является IT-специалистом, и не претендует на профессиональное знание описываемой темы. Уровень исполнения проекта — хобби. Об уровне своих знаний в сфере программирования и электроники автор прекрасно осведомлен и будет очень признателен за предложения по улучшению и оптимизации использованных решений.

Принципиальная схема

Сад был разбит на 4 зоны полива, каждая из них снабжается индивидуальным датчиком влажности почвы и может поливаться по индивидуальному графику и разным количеством воды.
По земле проложены ПНД-трубки капельного полива с перфорацией, которые подключены к трубам сходящимся в водоразборном узле и подключенным через электромагнитные клапаны к водопроводу. Клапаны управляются реле подключенными к ESP8266 (Sonoff 4Ch).

Полив осуществляется по таймерам, в ночное время, чтобы увеличить количество воды, которое впитается в землю и не будет испарено солнцем.

При наступлении запланированного времени полива проверяется соответствие нескольким условиям:

  • влажность почвы ниже заданной величины
  • отсутствуют прогнозируемые осадки в достаточно большом количестве на ближайшие 2 дня
  • не превышен лимит воды по поливу заданного для этой линии

Использованное оборудование

Raspberry Pie с установленным HassIO (уже была)

ESP32 DevKit, прошитая ESPHome, выступающая bluetooth-гейтвеем для MiFlora и принимающая данные от проводных датчиков влажности. Расположена в саду

Проводные датчики влажности Capacitive Soil Moisture Sensor v1.2, измеряющие влажность в ближних к месту установки ESP32 зонам полива

Датчики MiFlora, подключены к ESP32 по BLE, измеряющие влажность в удаленных зонах полива.

SONOFF 4Ch, прошитый ESPHome, расположен в водоразборном узле, куда приходят трубы от всех зон полива

4 Нормально-закрытых электромагнитных клапана на 220В расположены в водоразборном узле и подключены к Sonoff 4Ch. Открывают подачу воды для полива. Выбрана нормально-закрытая модель, с тем чтобы вероятность «наводнения» в случае каких-либо сбоев электрики и электроники была минимальной, и чтобы минимизировать количество требуемых выходов реле.

Импульсный водосчетчик, стоящий на входе в систему полива в водоразборном узле и подключенный к Sonoff 4ch. Позволил полностью передать данные о расходе воды в Home Asssistant и реализовать функционал полива заданным количеством. Весьма удачным оказалось то, что на этой версии sonoff уже распаяны контакты для прошивки и даже есть один свободный GPIO02 – на него и был повешен импульсный счетчик.


Так выглядит коллектор с установленными клапанами и счетчиком воды. Контроллер (sonoff 4Ch) в кадр не попал, он установлен на расстоянии в полметра в щитке IP65

Настройки ESPHome и Home Assistant

Код ESPHome для него максимально примитивен, но на всякий случай приведу:

Подключать датчик можно только к аналоговым входам (ADC) микроконтроллера
Датчик придется калибровать, задав предельные значения напряжения для сухого датчика (в моем случае 3.22 В) и погруженного в воду (1,65 В). Я это делал включив демонстрацию log’ов в плагине ESPHome для HassIO и записав показания датчика в сухом виде и при погружении в воду.

После перепрошивки ESP32 в Home Assistant ничего настраивать не надо, там автоматически появляется датчик влажности с правильными единицами измерения

Я использовал счетчик «Пульсар», но вообще должен подойти любой счетчик с импульсным выходом (идентифицируется по торчащему проводу). Принцип действия таких счетчиков очень простой — рядом с колесиками счетчика расположен геркон, который активируется магнитом, расположенном на одной из цифр колеса учета (у меня — цифра 3 на колесике 10 литров).
Соответственно, подключив провода от счетчика к GND и одному из GPIO мы можем получить простейший бинарный сенсор.

Код для ESPHome при этом примитивен:

В Home Assistant все немного сложнее:

Там я сделал несколько счетчиков (counter), сенсор и автоматизацию для работы с ними
При этом есть общий счетчик истраченной за все время воды (фактически, это виртуальный «двойник» механического счетчика). Он реализован в двух ипостасях — как counter, измеряемый в литрах и растущий в результате реакции на изменения бинарного сенсора из ESPHome, и как sensor, измеряемый в кубических метрах и берущий данные из предыдущего counter (для удобства сравнения цифр со счетами за воду).

Читайте также:  Сузуки эскудо датчик холостого хода где находится

Для целей управления поливом и сбора статистики были также созданы по 2 счетчика на каждую линию полива — один за все время, а второй за «сегодня». Так как физический счетчик у нас один, а линий четыре, для получения точных данных расхода по каждой линии полив каждой линии был разнесен по разным временным интервалам и запрещено одновременное их включение.

Смысл этого сенсора — выдавать в числовом виде прогноз осадков на ближайшие два дня. Эта цифра впоследствии используется в автоматизации и если она превышает заданный порог, полив не происходит.

Изначально сенсор построен на базе данных сервиса darksky. К сожалению, за время настройки системы этот сервис успела купить компания Apple и объявила о постепенном сворачивании работы сервиса «на сторону». API пока работает, но, судя по всему, скоро потребуется искать альтеранативу этому решению, благо в HA довольно много других сервисов погоды. Здесь я привожу настройки для darksky, думаю, что даже с другим сервисом большая их часть сохранит актуальность.

Сначала создаем 2 сенсора по количеству осадков на завтра и послезавтра:

Затем делаем на основе трех прогнозов один template-sensor:

После того, как все данные собраны, можно приступать непосредственно к поливу.

Вот так у меня выглядит кусок интерфейса с одной из зон в Home Assistant:

Здесь можно задать количество воды для полива (ползунком) и посмотреть значения основных сенсоров и счетчиков. Я привел интерфейс для одной из линий, для остальных все аналогично, только на линиях с проводными датчиками данных несколько меньше.

В интерфейсе можно заметить одну «лишнюю» деталь — вспомогательный сенсор «Достигнута норма». Его пришлось ввести, т.к. мне не удалось заставить работать condition:template для остановки автоматизации при достижении нормы по количеству воды, и в результате автоматизация просто проверяет значение этого сенсора. Уверен, что эту часть автоматизации можно сделать проще и элегантней, но моего уровня для этого не хватило.

Ниже код получившегося «костыльного» темплейт-сенсора:

Автоматизация для запуска полива в конечном итоге выглядит так:

Полив запускается поздно вечером, при этом каждая линия запускается в свой временной интервал. Разделение по времени запуска позволяет использовать один счетчик воды на входе для получения данных по 4 линиям.

При запуске проверяются три условия:

  • не превышен ли лимит по количеству воды на сегодня (если, например, включали полив вручную)
  • не превышает ли влажность 50% (по наблюдениям в наших условиях свежеполитая почва имеет влажность не более 60%)
  • не ожидается ли осадков более 5 мм в ближайшие два дня.

Следующая автоматизация — отключение полива:

В автоматизации использовано целых 4 варианта триггеров, но в большинстве случаев она срабатывает по первому — «костыльному» сенсору, который отслеживает превышение лимита по количеству воды. Остальные триггеры сделаны в большой степени для подстраховки.

Ну и последняя относящаяся к проблеме автоматизация — обнуление ежедневного счетчика

Экономика проекта

Затраты на управляющую часть системы полива получились следующие:

(Raspberry PIE c HassIO на борту и WiFi router с покрытием в саду уже были до начала проекта, их я не учитываю)

Электромагнитный клапан UNIPUMP BCX-15 1/2″ (нормально закрытый) 4*20 евро
Sonoff 4CH 17 евро
Счетчик импульсный Пульсар 8 евро
ESP32 DevKitC 3.5 евро
Capacitive Soil Moisture Sensor v1.2 2*0.67 евро
Датчики MiFlora 2*16 евро
Щитки, коллектор, провода, фиттинги все вместе около 50 евро

Затраты времени на настройку датчиков и МК — примерно 3-4 вечера по нескольку часов, но большая часть времени была потрачена на «изобретение велосипедов» и придумывание «костылей», в целом работы там немного. Физическая сборка системы заняла около 2 вечеров.
В целом, ожидается экономия воды примерно в 20-50% по сравнению с «глуповатой» системой на таймерах и при местных ценах на воду система должна окупиться за один-два сезона.

Недостатки и планы по доработке

По итогам выполнения проекта вскрылись некоторые нюансы и возможности для дальнейшего совершенствования.

В частности, я бы заменил электромагнитные клапана 220В на модель 24В — это напряжение являются стандартными для систем полива. В этом случае пришлось бы добавить в систему трансформатор на 24В и сменить Sonoff 4Ch на что-то с сухим контактом (например, Sonoff 4CH Pro или что-то самосборное). Сами клапана при этом стоят дешевле (от 8 евро) и снижают вероятность поражения электрическим током.

Читайте также:  Mi home датчик температуры сценарии

Также выяснилось, что для работы с пластиковыми трубопроводами давление из водопровода является слишком высоким, и фитинги могут подтекать во время цикла полива. В моем случае это не критично, все фитинги расположены над поливаемой землей, но по-хорошему надо добавить на входе редуктор для понижения давления.

Еще немного расстроила невозможность учета количества воды для полива в объемах меньших чем 10 литров — именно этот объем является минимальной измеряемой величиной для такого счетчика. Эту проблему можно решить, разобрав счетчик и поменяв местами колесики, но пока до этого не дошли руки.

Источник

Датчик влажности почвы в системах автоматического полива

Многие огородники и садоводы лишены возможности ежедневно ухаживать за посаженными овощами, ягодами, фруктовыми деревьями в силу загруженности по работе или во время отпуска. Тем не менее, растения нуждаются в своевременном поливе. С помощью простых автоматизированных систем можно добиться того, что почва на вашем участке будет сохранять необходимую и стабильную влажность на протяжении всего вашего отсутствия. Для построения огородной системы автополива потребуется основной контрольный элемент – датчик влажности почвы.

Датчик влажности

Датчики влажности также называют иногда влагомерами или сенсорами влажности. Почти все предлагаемые на рынке влагомеры почвы измеряют влажность резистивным способом. Это не совсем точный метод, потому что он не учитывает электролизные свойства измеряемого объекта. Показания прибора могут быть разными при одной и той же влажности грунта, но с разной кислотностью или содержанием солей. Но огородникам-экспериментаторам не столь важны абсолютные показания приборов, как относительные, которые можно настроить для исполнительного устройства подачи воды в определенных условиях.

Суть резистивного метода заключается в том, что прибор измеряет сопротивление между двумя проводниками, помещенными в грунт на расстоянии 2–3 см друг от друга. Это обычный омметр, который входит в любой цифровой или аналоговый тестер. Раньше такие инструменты называли авометрами.

Также существуют приборы со встроенным или выносным индикатором для оперативного контроля над состоянием почвы.

Легко сделать замер разницы проводимости электрического тока перед поливом и после полива на примере горшка с домашним растением алоэ. Показания до полива 101.0 кОм.

Показания после полива через 5 минут 12.65 кОм.

Но обычный тестер лишь покажет сопротивление участка почвы между электродами, но не сможет помочь в автополиве.

Принцип действия автоматики

В системах автополива обычно действует правило «поливай или не поливай». Как правило, никто не нуждается в регулировании силы напора воды. Это связано с использованием дорогостоящих управляемых клапанов и других, ненужных, технологически сложных, устройств.

Почти все предлагаемые на рынке датчики влажности, помимо двух электродов, имеют в своей конструкции компаратор. Это простейший аналого-цифровой прибор, который преобразует входящий сигнал в цифровую форму. То есть при установленном уровне влажности вы получите на его выходе единицу или ноль (0 или 5 вольт). Этот сигнал и станет исходным для последующего исполнительного устройства.

Для автополива наиболее рациональным будет использование в качестве исполнительного устройства электромагнитного клапана. Он включается в разрыв трубы и может также использоваться в системах микро-капельного орошения. Включается подачей напряжения 12 В.

Для простых систем, работающих по принципу « датчик сработал — вода пошла», достаточно использование компаратора LM393. Микросхема представляет собой сдвоенный операционный усилитель с возможностью получения на выходе командного сигнала при регулируемом уровне входного. Чип имеет дополнительный аналоговый выход, который можно подключить к программируемому контроллеру или тестеру. Приблизительный советский аналог сдвоенного компаратора LM393 — микросхема 521СА3.

На рисунке представлено готовое реле влажности вместе с датчиком в китайском исполнении всего за 1$.

Ниже представлен усиленный вариант, с выходным током 10А при переменном напряжении до 250 В, за 3–4$.

Системы автоматизации полива

Если вас интересует полноценная система автополива, то необходимо задуматься о приобретении программируемого контроллера. Если участок небольшой, то достаточно установить 3–4 датчика влажности для разных типов полива. Например, сад нуждается в меньшем поливе, малина любит влагу, а для бахчи достаточно воды из почвы, за исключением чрезмерно засушливых периодов.

На основании собственных наблюдений и измерений датчиков влажности можно приблизительно рассчитать экономичность и эффективность подачи воды на участках. Процессоры позволяют вносить сезонные корректировки, могут использовать показания измерителей влажности, учитывают выпадение осадков, время года.

Читайте также:  Сузуки скайвэй датчик скорости

Некоторые датчики влажности почвы оснащены интерфейсом RJ-45 для подключения к сети. Прошивка процессора позволяет настроить систему так, что она будет оповещать о необходимости полива через социальные сети или SMS-сообщением. Это удобно в тех случаях, когда невозможно подключить автоматизированную систему полива, например, для комнатных растений.

Для системы автоматизации полива удобно использовать контроллеры с аналоговыми и контактными входами, которые соединяют все датчики и передают их показания по единой шине к компьютеру, планшету или мобильному телефону. Управление исполнительными приборами происходит через WEB-интерфейс. Наиболее распространены универсальные контроллеры:

Это гибкие устройства, позволяющие точно настроить автоматический полив в теплице, и можно доверить им полный контроль над садом и огородом.

Простая схема автоматизации полива

Простейшая система автоматизации полива состоит из датчика влажности и управляющего устройства. Можно изготовить датчик влажности почвы своими руками. Понадобится два гвоздя, резистор с сопротивлением 10 кОм и источник питания с выходным напряжением 5 В. Подойдет от мобильного телефона.

В качестве прибора, который выдаст команду к поливу можно использовать микросхему LM393. Можно приобрести готовый узел или собрать его самостоятельно, тогда понадобятся:

  • резисторы 10 кОм – 2 шт;
  • резисторы 1 кОм – 2 шт;
  • резисторы 2 кОм – 3 шт;
  • переменный резистор 51–100 кОм – 1 шт;
  • светодиоды – 2 шт;
  • диод любой, не мощный – 1 шт;
  • транзистор, любой средней мощности PNP (например, КТ3107Г) – 1 шт;
  • конденсаторы 0.1 мк – 2 шт;
  • микросхема LM393 – 1 шт;
  • реле с порогом срабатывания 4 В;
  • монтажная плата.

Схема для сборки представлена ниже.

После сборки подключите модуль к блоку питания и датчику уровня влажности почвы. На выход компаратора LM393 подсоедините тестер. С помощью построечного резистора установите порог срабатывания. Со временем нужно будет его откорректировать, возможно, не один раз.

Принципиальная схема и распиновка компаратора LM393 представлена ниже.

Простейшая автоматизация готова. Достаточно подключить к замыкающим клеммам исполнительное устройство, например, электромагнитный клапан, включающий и отключающий подачу воды.

Исполнительные устройства автоматизации полива

Основным исполнительным устройством автоматизации полива является электронный клапан с регулировкой потока воды и без. Вторые дешевле, проще в обслуживании и управлении.

Хорошо зарекомендовали себя клапаны производства американской компании Hunter. Для разных целей используются клапаны c проходным диаметром 1, 1.5, и 2 дюйма с наружной или внутренней резьбой.

Существует множество управляемых кранов и других производителей.

Если на вашем участке случаются проблемы с подачей воды, приобретайте электромагнитные клапаны с датчиком потока. Это предотвратит выгорание соленоида при падении давления воды или прекращении водоснабжения.

Недостатки автоматических систем полива

Почва неоднородна и отличается по своему составу, поэтому один датчик влажности может показывать разные данные на соседних участках. Кроме того, некоторые участки затемняются деревьями и более влажные, чем те, которые расположены на солнечных местах. Также значительное влияние оказывает приближенность грунтовых вод, их уровень по отношению к горизонту.

Используя автополив для цветов, следует учитывать ландшафт местности. Участок можно разбить на сектора. В каждом секторе установить один или более датчиков влажности и рассчитать для каждого собственный алгоритм работы. Это значительно усложнит систему и вряд ли удастся обойтись без контроллера, но впоследствии почти полностью избавит вас от траты времени на нелепое стояние со шлангом в руках под знойным солнцем. Почва будет наполняться влагой без вашего участия.

Построение эффективной системы автоматизированного полива не может основываться только на показаниях датчиков влажности почвы. Непременно следует дополнительно использовать температурные и световые сенсоры, учитывать физиологическую потребность в воде растений разных видов. Необходимо также учитывать сезонные изменения. Многие компании производящие комплексы автоматизации полива предлагают гибкое программное обеспечение для разных регионов, площадей и выращиваемых сельскохозяйственных культур.

Приобретая систему с датчиком влажности, не поддавайтесь на глупые маркетинговые слоганы: наши электроды покрыты золотом. Даже если это так, то вы лишь обогатите почву благородным металлом в процессе электролиза пластин и кошельки не очень честных бизнесменов.

Заключение

В данной статье рассказывалось о датчиках влажности почвы, которые являются основным контрольным элементом автоматического полива. А также был рассмотрен принцип действия системы автоматизации полива, которую можно приобрести в готовом виде или собрать самому. Простейшая система состоит из датчика влажности и управляющего устройства, схема сборки которой своими руками также была представлена в этой статье.

Видео по теме

Источник

Adblock
detector