Feuchtigkeit mit dem Arduino messen

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Neben der Temperaturmessung sind Feuchtigkeitssensoren ein weiteres sehr interessantes Thema. Sei es als Einsatz im Smart Garden, als Erinnerung, die eigenen Blumen nicht verdursten zu lassen oder als Sensor für die eigene automatische Bewässerungslösung im Gewächshaus oder in der Wohnung. Der Bodensensor sorgt für die notwenigen Daten. Drei Sensoren werden wir ausführlich mit einem Arduino testen. Zudem gehen wir der Frage nach, ob die Sensoren bzw. die elektrische Messung den Pflanzen schadet.

Drei Feuchtigkeitssensoren für den Arduino im Test
Für einen Boden Feuchtigkeitssensoren-Test haben wir drei verschiedene Sensoren gekauft. Alle Sensoren messen den analogen Widerstandswert bei Feuchtigkeit. Neben dem Anschluss testen wir auch in der Praxis, ob es bei den Sensoren zu einer Erosion im Erdreich kommt.

Drei Boden Feuchtigkeitssensoren im Test

Für diesen Test haben wir drei unterschiedliche Sensoren herangezogen und in Einzeltests geprüft. Wir testen mit einem einfachen Programm, wie den Sensoren an einem Arduino anzuschließen sind. Im Anschluss zeigen wir, wie man einen Arduino an das eigene Netzwerk schließt, um mittels eines Browsers die Sensordaten über das eigene LAN anzeigen kann. Dieses Programm nutzen wir, um die drei Sensoren in einem Langzeittest zu prüfen. Drei extra für diesen Test angeschaffte Pflanzen werden mit einer sekündlichen Messung überwacht. Wie entwickeln sich die Pflanzen? Schadet die Messung der Bodenqualität?

NameArtBetriebsspannungAusgangsspannung
Capacitive Soil Moisture Sensor V1.2Kapazitiver Feuchtigkeitsmessung3,3 Volt0 bis 3.0 Volt (0 bis 1023)
Analog Soil Moisture SensorAnaloge Widerstandsmessung: 100kΩ (feucht) bis 2MΩ (trocken)5 Volt0 bis 5 Volt (0 bis 1023)
Diyduino Soil Moisture SensorAnaloge Widerstandsmessung5 Volt0 bis 5 Volt (0 bis 1023)

So arbeitet ein Feuchtigkeitssensor

Mit einem Feuchtigkeitssensor (Moisture Sensor) kann man Feuchtigkeit im Boden messen. Diese Sensoren eignen sich ebenfalls, um den Wasserstand zu messen.
Die Funktionsweise der Sensoren ist einfach. An den beiden Kontakten des Sensors liegt eine Spannung an. Je höher die Feuchtigkeit zwischen den beiden Kontakten ist, desto besser kann der Strom von einem Kontakt zum anderen fließen. Dieser Wert wird vom Sensor als ein analoges Signal bereitgestellt. Das Arduino Board wandelt die anliegende Spannung in einen Zahlenwert zwischen 0 bis 1023 um.

Die Messsonde von kapazitiven Sensoren, auch Capacitive Soil Moisture Sensor genannt, messen die Kapazität der Erde, die sich mit der Feuchtigkeit verändert. Kapazitive Bodenfeuchtesensoren nutzen den dielektrischen Kontrast zwischen Wasser und Boden aus. Der Vorteil dieser Sensoren: Diese haben keinen Verschleiß oder Korrosion wie ein herkömmlicher Bodenfeuchtigkeitssensor. 

Kalibrierung der Sensoren

Kalibrierung der Feuchtigkeitssensoren in Wasser
Kalibrierung der Feuchtigkeitssensoren: Mit einer Messung in purem Wasser kann die maximale reale Werthöhe ermittelt werden. So erhält mal beispielsweise in Salzwasser höhere Werte, die aber für eine Messung im Garten uninteressant sind.

Wie schon angesprochen, liefert ein Bodenfeuchtigkeitssensor am analogen Port des Arduino angeschlossen, einen Wert von 0 bis 1023. In der Praxis erhält man Werte zwischen 0 (trocken) und 800 (feucht). Diesen Wert kann man dann in seinem Programm verarbeiten. Welcher maximale Wert für die Messung angenommen werden sollte, kann man mit einer Messung in normalem Wasser ermitteln. Dies sollte dann der Maximalwert im eigenen Programm sein. Messungen in Salzwasser, die einen höheren Wert liefern, sind bei einem Smart Garden-Projekt eher zu vernachlässigen.

Die maximale Messhäufigkeit

Vieldiskutiert ist die maximale Messhäufigkeit der Sensoren. Bei einem Pflanzenprojekt müsste man nur einmal am Tag eine Messung durchführen. Eine stündliche Messung sollte weder dem Sensor noch der Pflanze schaden. Hersteller empfehlen maximal eine Messung im 15 Minuten-Takt, um Schäden vorzubeugen.

Wir werden in der Praxis die Sensoren jede Sekunde messen lassen, da wir im Zeitraffer den Verschleiß der Sensoren und die Auswirkung auf die Pflanzen beobachten wollen.

Capacitive Soil Moisture Sensor V1.2

arduino capacitive soil moisture sensor
Der kapazitive Feuchtigkeitssensor wird bis zur weißen Trennlinie in das Erdreich gesteckt. Die Elektronik verbleibt dicht über dem Erdreich. Durch diese Bauweise ist der Sensor nicht wasserdicht und für einen Outdooreinsatz nicht ohne weiteres geeignet.

Der“Capacitive Sensor V1.2″ Feuchtigkeitssensor arbeitet dank kapazitiver Messung erosionsfrei im Erdreich. Dies soll die Haltbarkeit des Sensors sowie der Pflanzen sicherstellen. Der 98x23mm große und 15g schwere Sensor wird bis zur weißen Trennlinie in das Erdreich gesteckt. Über dem Erdreich verbleit die Elektronik. Durch diese Bauweise ist der Sensor nicht wasserdicht.

arduino capacitive soil moisture sensor pflanze
Test mit 3,3 Volt: Die uns vorliegende Version des Sensors verträgt eine 5Volt-Spannung. In diesem Test prüfen wir, ob der Sensor auch mit einer 3,3 Volt-Spannung korrekt arbeitet.

Der Anschluss des kapazitiven Feuchtigkeitssensor

Um den Sensor mit 5 Volt Eingangsspannung zu betreiben, genügt es, GND (Masse) und VCC mit 5 Volt des Arduinos zu verbinden. Der Datenport AOUT wird mit einem analogen Pin des Arduinos (hier: A0) verbunden.
Für eine 3,3 Volt-Schaltung ist etwas mehr Auswand notwenig. Zusätzlich zur Direktverbindung VCC mit 3,3 Volt wird noch eine Brücke zwischen 3,3 Volt und dem Pin AREF des Arduino-Boards gesteckt.

arduino capacitive soil moisture sensor sketch
Dieser einfache Arduino Sketch für 3,3 Volt Eingangsspannung zur Berechnung der Feuchtigkeit steht bei Github zum Download bereit.

Um den Sensor auszulesen, genügt des, den analogen Pin abzufragen. Je nach verwendeter Spannung muss bei der Ermittlung der Volt die Eingangsspannung umgerechnet werden. Der Beispielcode für 3,3 Volt kann bei Github heruntergeladen werden (Capacitive_Soil_Moisture_Sensor.ino). Wenn Sie 5 Volt Eingangsspannung verwenden, können Sie den Sketch analog-soil-moisture.ino verwenden.

Analog Soil Moisture Sensor

arduino analog moisture sensor
Wasserdichte Sache: Dieser Feuchtigkeitssensor ist wasserdicht. Dank eines 15cm langen Kabels kann die Platine neben dem Arduino in einem wasserdichten Gehäuse untergebracht werden.

Dieser wasserdichte Feuchtigkeitssensor besteht aus zwei Teile: Der Sensor mit einem 15cm langen Verbindungskabel und einer kleinen Anschlußplatine mit einem Poti, über den die Empfindlichkeit des Sensors nachjustiert werden kann. Der Sensor kann mit 5 Volt wie auch mit 3,3 Volt betrieben werden.

arduino analog moisture sensor pflanze
Anschluß mit 5 Volt: Der analoge Sensor wird an seine Steuerplatine gesteckt. Von dort wird die Platine mit Plus (5V), Minus und einer analogen Datenleitung (im Beispiel A0) verbunden.

Der Anschluss des kapazitiven Feuchtigkeitssensor

Um den Sensor mit 5 Volt Eingangsspannung zu betreiben, genügt es, GND (Masse) und VCC mit 5 Volt des Arduinos zu verbinden. Der Datenport AOUT wird mit einem analogen Pin des Arduinos (hier: A0) verbunden. Dank des Potis auf der Steuerplatine kann der Sensor direkt kalibriert werden.

arduino analog moisture sensor sketch
Mit diesem einfachen Arduino Sketch für 5 Volt Eingangsspannung haben wir die ersten Feuchtigkeitswerte ermittelt. Der Beispielcode zur Berechnung der Feuchtigkeit steht bei Github zum Download bereit.

Um den Sensor auszulesen, genügt des ebenfalls, nur den analogen Pin abzufragen. Der Beispielcode für 5 Volt kann bei Github heruntergeladen werden (analog-soil-moisture.ino).

Diyduino Soil Moisture Sensor

arduino diy duino moisture sensor
Die silberfarbenen Beinchen dieses Feuchtigkeitsmessers werden in das Erdreich gesteckt. Die Elektronik verbleibt dicht über dem Erdreich. Durch diese Bauweise ist der Sensor nicht wasserdicht und für einen Outdooreinsatz nicht ohne weiteres geeignet.

Dieser Feuchtigkeitsmesser ist ein gutes Beispiel für die Feuchtigkeitsmessung per Elektrolyse. Die beiden silberfarbenen Elektroden lösen sich bei jeder Messung weiter auf, so dass der Sensor nach einiger Zeit defekt ist. Der Hersteller empfiehlt, nur eine Messung pro 15 Minuten durchzuführen. Bei einem Bewässerungsprojekt sollte sogar eine Messung pro Tag genügen.
Als größter Nachteil dieser Messung ist neben dem Defekt des Sensors auch die Vergiftung der Pflanzen. Diesen Effekt testen wir aktuell (siehe unten).

arduino diy duino moisture sensor pflanzen
Anschluß mit 5 Volt: Die silberfarbenen Beine des Sensors werden komplett in das Erdreich gesteckt, so dass nur noch die Elektronik aus der Erde ragt. Somit ist dieser Sensor nicht wasserdicht. Der Sensor wird mit Plus (5V), Minus und einer analogen Datenleitung (im Beispiel A0) verbunden.
Arduino diy duino moisture sensor sketch
Mit diesem einfachen Arduino Sketch für 5 Volt Eingangsspannung haben wir die ersten Feuchtigkeitswerte ermittelt. Der Beispielcode zur Berechnung der Feuchtigkeit steht bei Github zum Download bereit.

Um den Sensor auszulesen, genügt des ebenfalls, nur den analogen Pin abzufragen. Der Beispielcode für 5 Volt kann bei Github heruntergeladen werden (analog-soil-moisture.ino).

Boden Feuchtigkeitsdaten per LAN übermitteln

HINWEIS: Dieser Test ist aktuell noch am Laufen. Der Artikel ist noch nicht vollständig und wird fortlaufend mit den aktuellen Ergebnissen angepasst.

Pflanzenbild mit Feuchtigkeitssensoren Arduino
Arduino Sketch LAN Feuchtigkeit

Der Beispielcode kann bei Github heruntergeladen werden (lan_soil_moisture.ino).

Anzeige der Feuchtigkeitswerte Tag 1 und Tag 6
Welche Werte gibt ein Feuchtigkeitssensor aus, wenn die Erde feucht oder nass ist? Dies kann zwar über das Datenblatt des Feuchtigkeitssensors ermittelt werden – letztlich kommt man jedoch nicht über einen Praxistest herum. Links im Bild die Werte der drei Feuchtigkeitssensoren direkt nach dem Gießen der Pflanzen, rechts im Bild die Werte, wenn die Pflanzen bereits durch Trockenheit die Blätter wellen.