Датчик влажности почвы

Полезная модель относится к лесному и сельскому хозяйству, в частности к управляющим устройствам оросительных систем поддержания необходимых условий для выращивания посадочного материала в теплицах, оранжереях или парниках.
Одним из важных показателей почвы, является влажность. Последнее время все чаще используются различные автоматические системы полива, ключевым элементом которых служит датчик влажности почвы (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. Но для автоматизации процесса полива нет необходимости определять абсолютную величину влажности. Условия циклически повторяются и достаточно один раз зафиксировать текущее значение в тот момент, когда целесообразно включить полив и в дальнейшем процесс будет автоматически повторяться.
Принцип действия резистивных сенсоров основан на изменении сопротивления между двумя проводниками, помещенными в грунт на небольшом расстоянии друг от друга.
Известны датчики влажности почвы [1], [2], [3], включающие в себя резистивный сенсор, блок питания, компаратор. Это простейший аналого-цифровой прибор, который преобразует входящий сигнал в цифровую форму, т.е. управляющий сигнал (низкий или высокий уровень, в зависимости от того, достигнут ли установленный порог влажности).
В ряде случаев сигнал от датчиков влажности обрабатывается внешними контроллерами, которые позволяют реализовать более расширенную логику автоматизации (например, в зависимости от температуры, времени суток и т.д.).
Указанный аналог [2] является наиболее близким к заявляемой полезной модели, так как ему присуща совокупность признаков, наиболее близкая к совокупности существенных признаков полезной модели авторами принята за прототип.
Существенный недостаток, описанных датчиков влажности, ограниченный срок службы одного контакта из-за явления электролиза (так как электроды подключены к измерительной сети постоянно).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является увеличение срока службы электродов, погруженных в грунт.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый датчик влажности почвы, содержащий резистивный сенсор и микроконтроллер, отличающийся тем, что в него дополнительно введены два совмещенных делителя напряжения, внешние плечи которых зашунтированы диодами, и диодного моста, что при последовательной смене управляющих сигналов с микроконтроллера, обеспечивает повторяющиеся циклы замера с разной полярностью напряжения на резистивном сенсоре.
Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявленные источники информации, содержащие сведения об аналогах заявленного решения позволили установить, что не обнаружены аналоги, характеризующиеся признаками, идентичными существенным признакам заявленного изобретения
Проведенный анализ позволил выявить совокупность существенных отличительных признаков по сравнению с известным достигнутым результатом.
Указанная совокупность признаков изложена в формуле полезной модели.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованию «новизна».
Также по результатам поиска установлено, что заявленное техническое решение не является для специалистов очевидным, исходя из известного уровня техники, следовательно, оно соответствует требованию «изобретательский уровень» и является промышленно применимым.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема предложенного датчика влажности почвы. Датчик влажности почвы включает в себя резистивный сенсор R4, состоящий из двух электродов, управляемый измерительный мост на элементах D1, D3-D7, R1, R3, R5, контроллера U1, модуля передатчика M1, а также ряда вспомогательных элементов (прототип).
На фиг. 2 изображена блок-схема алгоритма работы микроконтроллера датчика влажности почвы.
Прототип полезной модели реализован в соответствии с принципиальной схемой указанной в фиг. 3 (А и Б) на базе микроконтроллера ATiny 45. Управляемый измерительный мост реализован на сигнальных диодах Шоттки (1N5818) и резисторах 10 кОм. Основа выходного каскада - радиопередатчик, работающий на частоте 433 МГц (для передачи значений во внешний управляющий компьютер).
Алгоритм работы микроконтроллера представлен в виде блок-схемы на фиг. 2.
Перед началом цикла (в элементе 1) задается заданная периодичность замера (в данном случае 60 мин) и устанавливается начальное значение флага полярности «f». Затем проверяется, подошло ли время измерения (2), если нет, то устройство в режиме ожидания (в элементе (10) показано увеличение значения счетчика секунд). Если время замера наступило, то проверяем значение флага полярности (3), и в зависимости от этого выводим соответственно высокий уровень сигнала (High) на соответствующее плечо делителя напряжения (4) или (5). Затем выполняется замер и передача сигнала на исполнительное устройство (управляющий компьютер). Флаг меняется на противоположный (7) и подаются низкие уровни сигнала (Low) на оба плеча делителя напряжения (8). И если питание не выключено (9), то цикл повторяется.
Результат измерений в предложенной схеме передается посредством выходного каскада через модуль передатчика к внешнему управляющему компьютеру, но, при необходимости, может подаваться непосредственно на исполнительный механизм (система полива).
Учитывая, что полезная модель не затрагивает особенности работы выходного каскада, то особенности работы выходного каскада в данной заявке не рассматриваются.
Существенным признаком полезной модели является:
1) наличие резистивного сенсора влажности (два электрода, которые опускаются в грунт), на схеме изображен как переменный резистор;
2) два совмещенных делителя напряжения (R1, R4 и R4, R5), внешние плечи которых зашунтированы диодами(D1, D7);
3) диодный мост (D3-D6);
4) кнопка, которая замыкает на плюс вход аналого-цифрового преобразователя (для подачи управляющих сигналов) и резистор для ограничения R3;
5) управляющий контроллер (любой, в котором один выход (РВ3) сконфигурирован как аналого-цифровой преобразователь (АЦП), четыре цифровых вывода (РВ1, РВ2 - управление сенсором, РВ0 - для отображения значения влажности или для управления исполнительными механизмами, РВ4 - для сигнального светодиода).
Признаки 1) и 5) совпадают с прототипом. А признаки 2), 3) и 4) отличаются от существующего прототипа.
Работа датчика влажности происходит в четыре периодически повторяющихся этапа.
Этап 1 (ожидание). На управляющих выводах микроконтроллера РВ1 и РВ2 и, соответственно, на обоих внешних плечах совмещенного делителя напряжения, низкий логический уровень (отсутствуют управляющие сигналы). Измерений не производится, так как на выходе диодного моста нет напряжения. В зависимости от подключаемых исполнительных механизмов можно либо сохранять на выходе значение, замеренное в ходе последнего замера, либо выдавать с любой необходимой повторяемостью. В ходе этого этапа реализована возможность управления датчиком. Нажатие на кнопку S1 (сигнал равен напряжению питания) программным способом отделяется от измерительного сигнала (всегда меньше напряжения питания).
Учитывая, что показатель влажности почвы меняется незначительно, рекомендуется делать паузы между замерами 1 час или более. Если есть необходимость выполнить замер непосредственно в текущий момент времени, необходимо нажать 1 раз. Если необходимо зафиксировать текущее значение как минимальное («сухо»), нажать два раза. Для фиксации значения как максимального («полив осуществлен успешно») - два раза. Контрольный светодиод продублирует количество нажатий или факт измерения.
Этап 2 (замер с положительной полярностью). На вывод РВ1 подается управляющий сигнал (высокий уровень), а на выводе РВ2 остается низкий уровень. Задействован один из совмещенных делителей напряжения на резисторах R1, R4. Второй делитель становится зашунтированным диодами (замкнут резистор R5). Ha резистивном сенсоре имеется напряжение, которое подается на вход АЦП через диодный мост. Длительность этапа 2 может быть несколько десятков миллисекунд (в зависимости от типа контроллера), только для снятия значения напряжения.
Этап 3 (ожидание), аналогично этапу 1.
Этап 4 (замер с отрицательной полярностью). Происходит смена управляющего сигнала. В частности, на выводе РВ2 высокий уровень, а на РВ1 низкий. Задействован второй делитель напряжения R4, R5. Первый делитель становится зашунтированным диодом из-за измененной полярности (замкнут резистор R1). Полярность напряжения на резистивном сенсоре изменилась относительно этапа 2. В остальном этап аналогичен этапу 2. За счет диодного моста полярность на входе аналого-цифрового преобразователя не меняется.
Повторение цикла обеспечивает возможность замеров (на этапе 2 и 4) с разной полярностью на резистивном сенсоре.
Таким образом, указанные выше существенные признаки влияют на возможность решения проблемы небольшого срока службы электродов, то есть находятся в причинно-следственной связи с достигаемым полезной моделью техническим результатом увеличением показателя срока службы сенсорного датчика.
Внедрение предложенной конструкции датчика влажности позволит увеличить срок службы резистивного сенсора и повысить надежность автоматизированных систем полива.
Источники информации:
1. ООО «Амперка». Датчик влажности почвы. - Режим доступа:
http://amperka.ru/product/soil-moisture-sensor
2. ИП Архипов С.М. Умные модули. Датчик влажности почвы YL-69 с компаратором LM393. - Режим доступа: hups://smartmodules.ru/soil-moisture-yl-64
3. ИП Шупик А.Ю. / Датчик влажности почвы FC-28. - Режим доступа: http://fastnvr.ru/all-for-arduino/datchiki/klimat-sensor/datchik-vlazhnosti-pochvy?frommarket=https%3A//market.yandex.ru.search%3Ftext%3D%D0%B4%D0%B0%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BS+%D0%B2%D0%BB%D0%B0%B6%D0%BD%D0%BE%D1%81%D0%+B8+%D0%BF%D0%BE%D1%87%D0%B2%D1%8B%26clid%3D545&ymclid=12395362405742753420012