Für das Überwintern der Pflanzen von Balkon und Terrasse habe ich ein beheiztes Folienzelt vorbereitet und darüber berichtet (https://ckblog2016.net/2021/10/27/uberwintern-von-pflanzen-im-beheizten-folienzelt/).
Unabhängig von der dort verbauten Steuerung des Frostwächters möchte ich die Bedingungen einiger sensibler Pflanzen direkt erfassen. Neben Temperatur und Luftfeuchtigkeit ist auch die Bodenfeuchtigkeit für das Pflanzenwohl wichtig. Auch im Winter benötigen Pflanzen Wasser, wenn auch wesentlich weniger.
Eine Möglichkeit hatte ich vor Jahren mit dem HiGrow-Sensor untersucht und im Blog unter
- https://ckblog2016.net/2018/03/18/higrow-sensor-sorgt-fuer-das-wohl-der-pflanzen
- https://ckblog2016.net/2018/03/19/higrow-sensor-daten-erfassen-und-versenden/
auch beschrieben.
Da ich im Folienzelt durch die Heizung ohnehin Spannung zur Verfügung habe, bin ich hier nicht auf Batteriebetrieb angewiesen und kann das Monitoring der Umgebungsbedingungen grosszügiger angehen.
Komponenten zum Monitoring
Als Controller verwende ich einen M5Stack Core2, der die für den Betrieb der Sensorik erforderlichen Grove-Konnektoren, ein Display zur Anzeige der Messwerte, seitliche LED-Streifen zur Signalisierung des Wasserbedarfs und eine WiFi-Verbindung ins Internet zur Verfügung stellt.
Temperatur und Luftfeuchtigkeit werden durch eine M5Stack ENV.II Unit mit einem Sensirion SHT31 erfasst. Der ausserdem vorhandene Bosch BMP280 wird nicht für die Messwerterfassung herangezogen.
Die M5Stack EARTH Unit nutzt die beiden großen freiliegenden Pads als Sonden für den Sensor. Der dazwischen liegenden Boden bildet einen variablen Widerstand in einem Spannungsteiler. Je höher die Feuchtigkeit im Boden ist, desto besser ist die Leitfähigkeit zwischen den beiden Pads und der Spannungsteiler liefert eine sinkende Ausgangsspannung, die über den ESP32-internen ADC gewandelt wird.
Die folgenden Bilder zeigen die für das Monitoring der Umgebungsbedingungen eingesetzten Komponenten:
Mit den hier vorgestellten Komponenten ist sehr schnell ein entsprechendes Monitoring aufgebaut, da die M5Stack Units nur mit Grove-Kabeln mit dem M5Stack Core2 verbunden werden müssen. Die ENV.II Unit kommuniziert über I2C mit PortA und die EARTH Unit über eine analoge Leitung mit PortB.
Das Programm zur Erfassung der Messwerte über die beiden Sensoren, deren Aufbereitung und Versand der Message über Pushover ist auf Github unter der URL https://github.com/ckuehnel/Arduino2020/tree/master/M5Stack/M5Core2_EnvMonitor abgelegt und steht zum Download zur Verfügung.
Die folgenden Bilder zeigen die Ausgaben des Programms M5Core2_EnvMonitor.ino über die Console. Nach der Initialisierung erfolgt die erste Messwertausgabe aller Sensoren (SHT31, BMP280, EARTH Unit) über die Console. Die Daten des BMP280 werden nicht weiter verwendet. Es schliesst sich das Versenden der Message über Pushover an.
Die Messwerte werden in einem Zyklus von 5 Sekunden erfasst und auf dem Display angezeigt. Die Pushover Messages werden in einem Zyklus von 15 Minuten versendet. Das ergibt 24 x 4 = 96 Messages am Tag. Pushover lässt kostenfrei 10’000 Messages pro Monat zu. Eine kostenfreie Nutzung dieses Dienstes ist also gegeben.
Die Pushover Messages erscheinen dann in der im folgenden Bild gezeigten Form als Pushup Messages im Smartphone oder Tablet.
Messung der Bodenfeuchtigkeit
Die EARTH Unit implementiert eine resistive Messung der Bodenfeuchtigkeit. Die Elektroden der EARTH Unit sind weder korrosionsbeständig oder wasserdicht. Für ein Proof-of-Concept kann die EARTH Unit oder ein anderer resistiv arbeitender Sensor durchaus verwendet werden. Für den Dauereinsatz sind sie nicht geeignet.
Kapazitive Bodenfeuchtesensoren weisen eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf. Der im folgenden Bild gezeigte Bodenfeuchtesensor wird von verschiedenen Anbietern als Alternative angeboten.
Der Vorteil des kapazitiven Bodenfeuchtesensors besteht, zum einen im kapazitiven Messverfahren selbst und zum anderen durch die Verwendung korrosionsbeständigen Materials, wodurch ihm eine lange Lebensdauer verliehen werden soll. Dennoch sollten die Schnittkanten der Leiterplatte mit einem Lack geschützt werden, um ein seitliches Eindringen von Feuchtigkeit in die Leiterplatte zu vermeiden.
Die Anschlussbedingungen sind identisch zur M5Stack EARTH Unit und ich werden diesen Sensor ebenfalls noch testen.
Wenn Sie sich über die Interna dieser Messmethode informieren wollen, dann finden Sie dieses im Beitrag Characterization of Low-Cost Capacitive Soil Moisture Sensors for IoT Networks. Praktische Erfahrungen mit dieser Art von Bodenfeuchtesensor können Sie unter https://thecavepearlproject.org/2020/10/27/hacking-a-capacitive-soil-moisture-sensor-for-frequency-output/ nachlesen.
Nachtrag
Ich habe festgestellt, dass die geschlossene Terrassentür einen Einfluss auf die WLAN-Verbindung zum M5Stack Core2 aufweist.
Es ist ja bekannt, dass WLAN-Signale durch zahlreiche Aspekte im elektromagnetischen Umfeld beeinflusst werden. Zum einen durch die sogenannte Freiraumdämpfung aber auch durch die Signaldämpfung aufgrund von physischen Hindernissen, die zwischen Sender und Empfänger von WLAN-Signalen im Weg stehen.
Welches Material das WLAN wie stark dämpft ist an Hand von Messwerten unter https://www.wlan-blog.com/erfahrungen/wlan-daempfung-tabelle-welches-material-daempft-wlan-wie-stark-fenster-rigips-holz-etc/ nachzulesen.
Damit bei der Aufstellung des Sensors bereits die zu erwartende Feldstärke abgeschätzt werden kann, habe ich noch eine Abfrage des RSSI ins Programm eingebaut.
RSSI steht für Received Signal Strength Indicator. Es ist ein geschätztes Maß für den Leistungspegel, den ein WLAN-Client von einem Zugangspunkt oder Router empfängt. Dieser Wert wird sowohl am Display als auch in der Pushover Message mitgeteilt. Oberhalb von -80 dBm liegen Werte, bei denen keine Störungen zu erwarten sind.
2021-11-16/CK
ckArduino 
Ein Kommentar zu “Messung von Umgebungsbedingungen für Pflanzen”