Talajnedvesség-mérés az E-IoT-val

Vezeték nélküli, ad-hoc helyi hálózati és NB-IoT technológia felhasználásával

A Magyar Elektronika előző számában részleteztük, hogyan integrálható a NeoCortec alacsony fogyasztású vezeték nélküli ad hoc neo.mesh hálózati technológiája az Endrich IoT ökoszisztémába. Ez a kialakítás egy lehetséges megoldást kínál nagyszámú szenzorból álló fizikai hálózatok adatainak gyűjtésére és felhőalapú adatbázisba továbbítására. Ez a skálázható, hosszú élettartamú, független, akkumulátoros intelligens szenzorcsomópontokból álló helyi hálózat kiválóan alkalmazható mezőgazdasági feladatokra is. A többszörös internetkapcsolatot feltételező közvetlen szenzor-felhő-kommunikáció helyett elegendő egy biztonságos, szubgigahertzes helyi hálózat egyetlen kicsatolással a világháló felé. Ez a megoldás sokkal alacsonyabb költséggel, nagyobb megbízhatósággal alkalmazható zord időjárási körülmények között mezőgazdasági vagy kertészeti alkalmazásokban is. Egy ilyen érdekes felhasználási lehetőségről szeretnénk jelen írásunkban beszélni.

Egy érdekes felhasználási terület

A talajnedvesség-érzékelés a környezeti monitoring és a mezőgazdasági, valamint kertészeti jellegű IoT megoldások egyik kulcsfontosságú eleme. Magában foglalja a talaj legfelső rétegében lévő víz mennyiségének mérését, amely közvetlenül befolyásolja a növények növekedését, az öntözési stratégiákat és a víztakarékossági erőfeszítéseinket. Különféle módszereket alkalmaznak a talajnedvesség kimutatására, a hagyományos technikáktól, például a gravimetriás mérésektől a modern technológiákig, például a kapacitásérzékelésig, vagy a reflektometriáig (TDR). A pontos talajnedvesség-érzékelés segít az öntözési ütemterv optimalizálásában, a túl- vagy alulöntözés megelőzésében, a fenntartható gazdálkodás elősegítésében és végső soron a mezőgazdasági termelékenység növelésében, miközben minimalizálja a vízpazarlást. A hagyományos érzékelők és vezérlőelektronikák modern vezeték nélküli kommunikációs egységekkel való kiegészítése, az IoT integrálása népszerű és érdekes feladat, amelynek akkor van igazán értelme, ha szenzorok sokaságának adataiból szeretnénk számítástechnikai módszerekkel képet kapni a talajnedvességi viszonyokról nagy kiterjedésű ültetvényekben. A szerző idén nyáron dél-amerikai szakmai útja során több olyan cég képviselőjével is beszélt, ahol a nagy távolságokra lévő művelt területek telekommunikációs szolgáltatásokkal való lefedettségének hiánya lehetetlenné vagy gazdaságtalanná teszi például a szenzor–felhő közvetlen kapcsolattal (GSM, SAT stb.) rendelkező okosszenzorok használatát. Ilyenkor lehet megoldás egy önállóan működő, megújuló energiaforrásokat használó, kisfogyasztású, nagy területet lefedni képes, ad-hoc vezetékmentes hálózatba szervezni a talajnedvesség-szenzorokat és a költséghatékonyság elősegítésére egyetlen kicsatolással ellátni ezt a hálózatot az Internet felé. Az alkalmazott (egyetlen) átjáró lehet egy a terület szélén lévő, internetkapcsolattal ellátott ingatlanban működő eszköz, SAT kapcsolattal rendelkező gateway, amely szervesen integrálódik az okosszenzor-hálózatba.

Az E-IoT platform alacsony fogyasztású ad-hoc helyi hálózattal kombinálva

Ebben az esetben egy alacsony fogyasztású ad-hoc helyi érzékelő­hálózati megoldást hívunk segítségül, a mi megoldásunkban például a korábban bemutatott NeoCortec Neo.Mesh protokollt használhatjuk. Nagyszámú intelligens érzékelő csatlakoztatható, ultraalacsony energiafogyasztással a helyi hálózathoz, ahol egyetlen internetkapcsolattal rendelkező adatkoncentrátor/átjáró gondoskodik az adatok Cloud DB-be való eljuttatásáról a mobilhálózaton, műholdon vagy vezetékes kapcsolaton keresztül, például LTE-M-et vagy NB-IoT-t használva. Ez a moduláris szenzorhálózati infrastruktúra több pont-pont kommunikációt kínál a felhő felé az LPLAN-LPWAN átjáró segítségével. Korábbi cikkünkben részletesen leírtuk ennek a kommunikációs technológiának a jellemzőit most pedig a mezőgazdasági feladatokra frissen kidolgozott koncepcióról írnánk.

E-IoT vezetéknélküli talajnedvesség-jeladó

Kísérletezésképpen létrehoztunk egy kapacitív elven működő érzékelőt, amely a talaj legfelső rétegének nedvességével arányos jelet továbbít a neo.mesh hálózaton keresztül. Mint a korábbiakban tárgyaltuk, a kültéren akár egymástól száz méter távolságban elhelyezett szenzorok alkotta „háló”, a nagyszámú (több ezer) csomópont alkalmazhatósága folytán relatív nagy területek lefedésére alkalmas anélkül, hogy az adatok elvesznének, hiszen minden szenzor egyben átjátszóként is működik, és az adat megtalálja az utat a célja felé. Az egyes csomópontok elektronikájának energiaellátásáról napközben az integrált napelem gondoskodik, míg éjszaka tölthető elemmel biztosított a folyamatos működés.

A mérési elv

A kapacitív talajnedvesség-érzékelés alapját a talaj dielektromos állandójának nedvesség hatására történő változása adja. A talaj nedvességtartalmának növekedésével a dielektromos állandó is növekszik, ami magasabb kapacitást eredményez. A nedves talaj elektrolit­ként működik, megnöveli az érzékelő földbe szúrt részén kialakított nyomvonal kapacitását. Egy nagyfrekvenciás négyszög­jel-generátor kimenetét egy ellenálláson keresztül erre a kapacitásra kötve, egy alul áteresztő szűrőként működő R-C tagot kapunk, aminek kimenetén egy egyszerű diódás csúcsérzékelő felerősített feszültségjele alkalmas a nedvesség érzékelésére – a mikrokontroller ADC bemenetére kötve. Az elvi blokkvázlat a következő:

Ez a technológia folyamatos monitorozási lehetőségeket kínál, így értékes a precíziós mezőgazdasági és kertészeti kutatások területén. Mindazonáltal olyan tényezők, mint a talaj összetétele és hőmérséklete befolyásolhatják a kapacitív talajnedvesség-érzékelők pontosságát, ami megfelelő kalibrálást tesz szükségessé a megbízható eredmények érdekében. Ennek köszönhetően a mi érzékelőnk csúcsán is megtalálható egy a talajhőmérsékletet mérő hőmérsékletszenzor, amelynek jele természetesen szintén beküldésre kerül. Mivel ez az eszköz egyszerű talajnedvesség-detektor, egyéb kémiai és fizikai szenzorokat nem helyeztünk el rajta, így a talaj összetételére és szerkezetére vonatkozó jellemzőket nem képes mérni. Ez talán nem is olyan fontos, mert mi csak a változásokat szeretnénk jelezni, és ebből képet alkotni az öntözés szükségességéről.

Az okosszenzor működése

A mérési elv ismertetése után szeretnénk bemutatni milyen egyszerűen használható a NeoCortec modul okosszenzorokban. Az in­tegrált ARM M0+ mikrokontroller alapkiépítésben szükségtelenné teszi további mikrovezérlő alkalmazását a legkisebb energiafogyasztás biztosítása érdekében. A rendelkezésre álló firmware lehetővé teszi több analóg feszültségjel egyidejű mintavételezését (ADC), így egyszerre mérhető a talajhőmérséklet érzékelésére szolgáló NTC termisztor ellenállása, valamint a kapacitív nedvességdetektor kimenetén megjelenő feszültség is. Az adatok 20 másodperces ciklusokban egy rövid 21 byte-os üzenetben kerülnek átadásra a szomszédos modulnak, amely a mesh hálózaton keresztül a célállomás (Gateway) felé továbbítja azt. I²C buszon keresztül lehetőség van HTU21 hőmérséklet- és páratartalom-szenzor illesztésére is, ezzel például a környezeti hőmérsékletet és páratartalmat is beküldhetjük az adatbázisba a talajra jellemző adatok mellett. Következő cikkünkben az alkalmazható E-IoT GATEWAY megoldásokat ismertetjük.

Szerzők: Kiss Zoltán, Export Igazgató – Head of R&D, Kocsis Csaba, Fejlesztőmérnök,
Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH

Endrich Bauelemente Vertriebs GmbH
Sales Office Budapest
1188 Budapest, Kölcsey u. 102/A
Tel.: + 36 1 297 4191
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.endrich.com