Überwachung des pH-Wertes und des Feuchtigkeitsgehalts des Bodens

Die Erhaltung der richtigen Bodenfeuchte und des pH-Wertes ist eine Grundvoraussetzung für die Pflanzengesundheit, sei es im Großflächenanbau oder in einfachen Hausgärten. Um diese Bodeneigenschaften zu messen, müssen Entwickler jedoch kostengünstige analoge Signalketten entwerfen, die in der Lage sind, Rohdaten in nützliche Informationen für spezifische Bodenmessungen umzuwandeln.

Ein Ansatz zum Erreichen dieser Ziele ist die Verwendung eines Referenzdesigns mit angemessen flexibler Software. Ein gutes Beispiel für eine solche Lösung ist die Karte EVAL-CN0398-ARDZ inklusive Softwarepaket von Analog Devices.

Dieser Artikel behandelt die Anwendungen und Anforderungen im Zusammenhang mit der Überwachung von Bodenfeuchtigkeit und -pH, bevor die Karte CN0398 von Analog Devices und ein Referenzdesign vorgestellt werden. Der Artikel erläutert, wie die Hauptkomponenten des CN0398-Designs wichtigen Designanforderungen gerecht werden, und untersucht ihre Rolle für die gesamte Anwendung. Abschließend geht der Artikel darauf ein, wie Entwickler die CN0398-Karte und das zugehörige Softwarepaket nutzen können, um im Handumdrehen Anwendungen zur Bodenüberwachung zu evaluieren und anzupassen.

Die Notwendigkeit exakter Bodenmessungen

Die Notwendigkeit, den Wassergehalt und den pH-Wert des Bodens auf dem passenden Level zu halten, ist eine Grundvoraussetzung für Pflanzenzüchter jeglicher Größenordnung. Ist der Wassergehalt des Bodens nicht hoch genug, hat dies für jede Pflanze direkt eine reduzierte Photosynthese zur Folge. Weitere biologische Prozesse wie die Stickstofffixierung in bedeutenden Hülsenfrüchten wie Sojabohnen verschlechtern sich ebenfalls.

Ebenso können Veränderungen des Bodens durch Düngung oder Naturereignisse dramatische Auswirkungen auf den Boden-pH haben, was zu einem Rückgang wichtiger Mikroben und Bodennährstoffe führt. Bei manchen Kulturpflanzen hat ein ungeeigneter Boden-pH in der frühen Wachstumsphase niedrigere Wachstumsraten und schlussendlich einen geringeren Ernteertrag zur Folge.

Ohne geeignete Überwachungssysteme für Bodenfeuchtigkeit und -pH können sich diese Werte derart verschlechtern, dass letztendlich die Pflanze darunter zu leiden hat. Zusammen ergeben die Karte EVAL-CN0398-ARDZ und das Softwarepaket von Analog Devices ein vollständiges Design zur Bodenüberwachung, das von Entwicklern entweder direkt verwendet oder entsprechend ihren Anforderungen modifiziert werden kann.

Die Karte CN0398 von Analog Devices und das Referenzdesign wurden speziell zur Verwendung mit externen Feuchtigkeits-, pH- und Temperatursensoren in Anwendungen für Bodenmessungen konzipiert. Die On-Board-Schaltung umfasst ein vollständiges Design mit mehreren Sensoren, die zur Messung von Feuchtigkeits- und pH-Werten erforderlich sind, die dann über die serielle Schnittstelle abgerufen werden können. Trotz seines enormen Funktionsumfangs verbraucht das Design maximal lediglich 1,95 Milliampere (mA). Außerdem nutzt es energiesparende Funktionen wie etwa die Pulsweitenmodulation (PWM), um externe Sensoren mit Strom zu versorgen.

Entwickler können die CN0398 für die schnelle Entwicklung kundenspezifischer Hardwaredesigns verwenden oder zusammen mit der Arduino-kompatiblen Basiskarte EVAL-ADICUP360 von Analog Devices. Die als Arduino-Shield konzipierte CN0398 lässt sich direkt mit der Basiskarte verbinden und stellt so eine Plattform zur raschen Anwendungsentwicklung zur Verfügung.

Um die Softwareentwicklung zu beschleunigen, können Entwickler das Open-Source-Softwarepaket ADuCM360_demo_cn0398 von Analog Devices nutzen, das zusammen mit der Sensorkarte CN0398, der Basiskarte ADICUP360 und CrossCore Embedded Studio von Analog Devices verwendet werden kann. Neben grundlegenden Treibern und Dienstprogrammen zur Systemunterstützung beinhaltet das Softwarepaket vollständige Quell- und Header-Dateien in C++, inklusive einer kompletten Softwareanwendung für Bodenmessungen.

Mit der Kombination aus Karte und Softwarepaket von Analog Devices steht ein vollständiges Hardwaredesign samt Software zur Verfügung, das von Entwicklern sofort in Anwendungen zur Durchführung von Bodenmessungen eingesetzt werden kann. Ebenso wichtig ist, dass das Referenzdesign mit der CN0398 und die Beispielsoftware die Blaupause zur raschen Entwicklung kundenspezifischer Bodenmesssysteme darstellen, die den jeweiligen Anforderungen dieser Anwendungen gerecht werden.

Verarbeitung von Sensorsignalen

Das Hardwaredesign der CN0398 umfasst drei separate Teilschaltungen für externe Feuchtigkeits-, pH- und Temperatursensoren. Jede Teilschaltung verfügt über alle erforderlichen Schaltkreise, um mit jedem Sensortyp verbunden werden zu können. Somit müssen die Entwickler die einzelnen Sensoren lediglich mit dem entsprechenden Anschluss an der CN0398-Karte verbinden und die Stromversorgung einschalten, um die Sensoren in Betrieb zu nehmen. Diese Funktionsweise ist um den AD7124-8 von Analog Devices herum aufgebaut, der ein umfassendes Frontend zur Signalaufbereitung mit einem 24-Bit-Sigma-Delta(Σ-Δ)-Analog/Digital-Wandler (ADC) kombiniert (Abbildung 1).

Abbildung 1: Mit der integrierten Signalkette und dem ADC vereinfacht der AD7124-8 von Analog Devices das Design von Multisensorsystemen, die für Bodenmessungen benötigt werden. (Bildquelle: Analog Devices)

Der Signalmultiplexer des AD7124-8 kann über seine integrierte programmierbare Signalkette acht differentielle oder 15 asymmetrische Eingänge zur Wandlung und Aufbereitung zum On-Chip-Σ-Δ-ADC und zum digitalen Filter leiten. Entwickler verbinden den AD7124-8 über seine serielle Schnittstelle mit einem MCU-Host zur Komponentensteuerung und Datenkonvertierung.

Aufgrund seines enormen Funktionsumfangs können Entwickler mit wenigen zusätzlichen Komponenten außer den Sensorkreisen und einer stabilen Spannungsquelle einer Vielzahl an Designanforderungen gerecht werden. Für das CN0398-Referenzdesign verwendet Analog Devices seine Spannungsreferenz ADR3433 als analoge Versorgungsspannung (AV_DD) und Spannungsreferenz (REFIN1) (Abbildung 2). Wie unten beschrieben erfordern Designs für jeden der drei Sensorkreise nur einige wenige zusätzliche Komponenten.

Abbildung 2: Bei Verwendung des AD7124-8 von Analog Devices können Entwickler mit wenigen zusätzlichen Komponenten außer speziellen Sensoreingangskreisen und einer Spannungsreferenz von hoher Präzision wie der ADR3433 von Analog Devices Sensordesigns implementieren. (Bildquelle: Analog Devices)

Feuchtigkeitsmessung

Systeme zur Messung der Bodenfeuchtigkeit bestimmen den Wassergehalt üblicherweise über die verschiedenen dielektrischen Konstanten von Wasser (80) und Luft (1). Für diese Systeme versorgen die Entwickler einen einfachen 3-Draht-Sensor wie etwa einen HPP809A033 von TE Connectivity Measurement Specialties mit einer Erregerspannung, um eine zum Wassergehalt des Bodens proportionale Ausgangsspannung zu erzeugen.

Beim CN0398-Design kommt im Frontend für die Bodenfeuchtigkeit der lineare Low-Dropout-Regler (LDO) ADP7118-2.5 von Analog Devices zum Einsatz, um eine stabile Erregerspannung (V_Sensor) für den Sensor bereitzustellen (Abbildung 3). Den LDO können die Entwickler über die ADICUP360-Basiskarte oder ihre kundenspezifischen Designs mit Strom versorgen.

Abbildung 3: Für das CN0398-Design von Analog Devices wird der unternehmenseigene Low-Dropout-Regler (LDO) ADP7118-2.5 verwendet, um für einen kapazitiven Feuchtigkeitssensor eine stabile Spannungsquelle V_Sensor bereitzustellen. (Bildquelle: Analog Devices)

Obwohl der ADP7118 eine konstante Sensorspannung bereitstellen kann, machen der Stromverbrauch und die speziellen Anforderungen einiger Feuchtigkeitssensoren die Verwendung einer getakteten Spannungsquelle zur Versorgung des Sensors erforderlich. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, können die Entwickler den Sensor über Spannungsimpulse versorgen, indem sie den Enable-Anschluss des LDO über den PWM-Ausgang eines MCU versorgen.

Mit der integrierten Signalaufbereitung und dem ADC kann der AD7124-8 die Ausgangsspannung eines Feuchtigkeitssensors zuverlässig abtasten und wandeln. Bei Anwendungen zur Bodenmessung kann die Beziehung zwischen den gewandelten Sensordaten und der Bodenfeuchtigkeit jedoch komplex sein.

Zur Bewertung der Bodenfeuchtigkeit vergleichen Spezialisten für Bodengesundheit üblicherweise den Feuchtigkeitsgehalt des Bodens hinsichtlich des volumetrischen Wassergehalts des Bodens. Hierbei handelt es sich um das Verhältnis des Wasservolumens zum gesamten Bodenvolumen. Die Hersteller von Feuchtigkeitssensoren stellen üblicherweise Gleichungen zur Verfügung, um den Sensorausgang in den volumetrischen Wassergehalt umzurechnen. Die Bodenbedingungen oder die Anwendung selbst können dennoch den Einsatz einer Umrechnungsgleichung erforderlich machen, die für die jeweilige Situation besser geeignet ist.

Analog Devices demonstriert im Beispielsoftwarepaket die Verwendung beider Ansätze. Durch Aktivierung von USE_MANUFACTURER_MOISTURE_EQ in der Header-Datei CN0398.h können Entwickler wählen, ob sie die vom Hersteller empfohlenen schrittweisen Umrechnungsformeln verwenden möchten oder eine in der Software enthaltene Standardformel. Hier generiert die Beispielroutine read_moisture() einen Feuchtigkeitswert abhängig vom Ausgangsspannungsbereich des Sensors, falls USE_MANUFACTURER_MOISTURE_EQ definiert ist (Programmcode 1). Ist die Definition in der Header-Datei CN0398.h angegeben, kann die Routine die Spannung über den zur Verfügung gestellten mathematischen Ausdruck in einen Feuchtigkeitswert umrechnen.

float CN0398::read_moisture()

{

    float moisture = 0;

#ifdef MOISTURE_SENSOR_PRESENT

    DioSet(ADP7118_PORT, ADP7118_PIN);

    set_digital_output(P3, true);

    timer.sleep(SENSOR_SETTLING_TIME);

    int32_t data = adcValue[MOISTURE_CHANNEL]= read_channel(MOISTURE_CHANNEL);

    DioClr(ADP7118_PORT, ADP7118_PIN);

    float volt = voltage[MOISTURE_CHANNEL - 1] = data_to_voltage_bipolar(data, 1, 3.3);

#ifdef USE_MANUFACTURER_MOISTURE_EQ

    if(volt <= 1.1) {

        moisture = 10 * volt - 1;

    } else if(volt > 1.1 && volt <= 1.3) {

        moisture = 25 * volt - 17.5;

    } else if(volt > 1.3 && volt <= 1.82) {

        moisture = 48.08 * volt - 47.5;

    } else if(volt > 1.82) {

        moisture = 26.32 * volt - 7.89;

    }

#else

    moisture = -1.18467 + 21.5371 * volt - 110.996 * (pow(volt, 2)) + 397.025 * (pow(volt, 3)) - 666.986 * (pow(volt, 4)) + 569.236 * (pow(volt, 5)) - 246.005 * (pow(volt, 6)) + 49.4867 * (pow(volt, 7)) - 3.37077 * (pow(volt, 8));

#endif

    if(moisture > 100) moisture = 100;

    if(moisture < 0 ) moisture = 0;

#endif

    set_digital_output(P3, false);

    return moisture;

}

Programmcode 1: Das Softwarepaket der CN0398 von Analog Devices stellt eine Beispielroutine für die Feuchtigkeit zur Verfügung, die demonstriert, wie Entwickler die Umrechnungsformeln der Hersteller oder Gleichungen verwenden können, um die Spannung des Feuchtigkeitssensors in aussagekräftige Feuchtigkeitsdaten umzuwandeln. (Codequelle: Analog Devices)

Messung des pH-Werts

Ein typischer pH-Sensor wie der im pH-Kit SEN-10972 von SparkFun Electronics enthaltene weist ein Ersatzschaltbild auf, das sich durch eine Spannungsquelle mit hoher Impedanz auszeichnet. Selbst bei Verwendung eines ADC mit integriertem Frontend zur Signalaufbereitung ergänzen erfahrene Entwickler in solchen Situationen üblicherweise einen Puffer zwischen dem Sensorausgang und dem ADC-Eingang.

Dementsprechend enthält der pH-Sensorkreis im CN0398-Design einen Operationsverstärker ADA4661-2 von Analog Devices (Abbildung 4). Der gut für Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme (z. B. Sensorkreise) geeignete ADA4661-2 ist ein präziser Operationsverstärker mit einfacher Spannungsversorgung, geringem Stromverbrauch und geringer Offsetspannung über den gesamten Betriebsspannungsbereich.

Abbildung 4: Im CN0398-Design von Analog Devices fungiert der Operationsverstärker ADA4661-2 von Analog Devices als Puffer zwischen einem typischen pH-Sensor mit hoher Impedanz und dem AD7124-8-Analogeingang von Analog Devices. (Bildquelle: Analog Devices)

Obwohl das Design eine einzelne Versorgungsspannung verwendet, erzeugen pH-Sensoren üblicherweise eine bipolare Ausgangsspannung. In diesem Fall jedoch ermöglicht es der AD7124-8 auf einfache Weise, die Vorspannung des Sensors auf ein geeignetes Level über Masse einzustellen. Der AD7124-8 integriert einen internen Vorspannungserzeuger, der die Gleichtaktspannung eines Kanals auf AV_DD/2 einstellt. Wie in diesem Fall können Entwickler einen AD7124-8-Ausgans-Pin verwenden, um diese Vorspannung an den Low-Side-Eingang des pH-Sensors zu übermitteln (V_BIAS in Abbildung 4). Die Eingangsvorspannung kann von den Entwicklern problemlos wieder in ein bipolares, digitales Ergebnis in der Software umgewandelt werden.

Das Open-Source-Softwarepaket ADuCM360_demo_cn0398 enthält eine Beispielroutine read_ph(), die die Umwandlung der Ausgangsspannung des pH-Sensors in pH-Werte veranschaulicht. Wie die Routine für die Bodenfeuchtigkeit auch demonstriert die pH-Beispielroutine die Verwendung von zwei verschiedenen Ansätzen zur Erzeugung von pH-Werten (Programmcode 2).

float CN0398::read_ph(float temperature)

{

    float ph = 0;

#ifdef PH_SENSOR_PRESENT

    int32_t data;

    set_digital_output(P2, true);

    adcValue[PH_CHANNEL] = data = read_channel(PH_CHANNEL);

    float volt = voltage[PH_CHANNEL - 1] = data_to_voltage_bipolar(data, 1, 3.3);

    if(use_nernst)

    {

          ph  = PH_ISO -((volt - ZERO_POINT_TOLERANCE) / ((2.303 * AVOGADRO * (temperature + KELVIN_OFFSET)) / FARADAY_CONSTANT) );

    }

    else

    {

       float m =  (calibration_ph[1][0] - calibration_ph[0][0]) / (calibration_ph[1][1] - calibration_ph[0][1]);

       ph = m * (volt - calibration_ph[1][1] + offset_voltage) + calibration_ph[1][0];

    }

    set_digital_output(P2, false);

#endif

    return ph;

}

Programmcode 2: Die Beispielroutine von Analog Devices zum Auslesen von pH-Sensorwerten veranschaulicht die Verwendung der standardmäßigen Nernst-Gleichung oder der integrierten Kalibrierungswerte zur Umwandlung der Ausgangsspannung des pH-Sensors in pH-Werte. (Codequelle: Analog Devices)

Indem sie eine Variable use_nernst im Beispielpaket auf „True“ setzen, können Entwickler mit der standardmäßigen Nernst-Gleichung einen pH-Wert erzeugen. Wird die Variable auf „False“ gesetzt, verwendet die Routine die im Verlauf eines Zwei-Punkt-Kalibrierverfahrens erhaltenen Werte, das üblicherweise mit pH-Referenzpufferlösungen wie den im pH-Kit SEN-10972 von SparkFun enthaltenen durchgeführt wird. Die Routinen der Beispielsoftware verwenden festgelegte Standardkalibrierungswerte. Für diese Werte werden NIST-Nachschlagetabellen für verschiedene pH-Pufferlösungen sowie temperaturkorrigierte pH-Werte für einen Temperaturbereich von 0 °C bis 95 °C verwendet. Entwickler können die Standardwerte durch eigene kundenspezifische Kalibrierungsdaten ersetzen oder den Code problemlos modifizieren, um sowohl Standard- als auch kundenspezifische Werte zu unterstützen.

Temperaturmessung

Wie in Programmcode 2 veranschaulicht hängt der pH-Wert von der Temperatur ab, entweder explizit wie in der Nernst-Gleichung oder implizit in kundenspezifischen Kalibrierungswerten. Zusätzlich wirkt sich die Temperatur auf die Empfindlichkeit des Sensors und auf die Signalkette aus. Obwohl mit dem integrierten Temperatursensor des AD7124-8 (siehe erneut Abbildung 1) einige dieser Bedenken ausgeräumt werden können, sind präzise Temperaturmessungen für zuverlässige Bodenmessungen unerlässlich. Dementsprechend ist der Temperatursensorkanal des CN0398-Designs so ausgelegt, dass er über einen externen PT100 3-Draht-Widerstandstemperaturfühler (RTD) wie den 3290 von Adafruit Industries exakte Werte liefert.

Wie bei jedem resistiven Sensor erfordern RTDs einen Erregerstrom, um temperaturabhängige Spannungsänderungen messen zu können. Üblicherweise müssen Entwickler, die resistive Sensoren verwenden, ihre Sensordesigns mit externen Treibern, Reglern und Stromsensoren ergänzen, um den Erregerstrom auf präzisen Werten zu halten. Mit dem AD7124-8 müssen sie jedoch lediglich die geeigneten passiven Netzwerke hinzufügen, die zur Unterstützung einer 3-Draht-Konfiguration erforderlich sind (Abbildung 5).

Abbildung 5: Um einen 3-Draht-Widerstandstemperaturfühler (RDT) zu versorgen, verwendet das CN0398-Design von Analog Devices programmierbare Konstantstromquellen, die in den AD7124-8 von Analog Devices integriert sind. (Bildquelle: Analog Devices)

In den AD7124-8 sind zwei Konstantstromgeneratoren integriert, die verschiedene fest vorgegebene Erregerströme von 50 bis 1.000 Mikroampere (µA) bereitstellen, einschließlich der 500 μA für das CN0398-Design. Stromstärke und Ausgangs-Pin werden von den Entwicklern festgelegt, indem sie die Bits IOUTx bzw. IOUTx_CH im Konfigurationsregister IO_CONTROL der Komponente programmieren. Im Rahmen seiner Initialisierungsroutine legt das Softwarepaket der CN0398 die ADC-Kanäle AIN11 und AIN12 als Ausgangs-Pins für zwei Erregerströme (IOUT1 und IOUT2) von je 500 μA fest.

Obwohl die Stromgeneratoren für viele Anwendungen ausreichend genau sind, können Entwickler die Auswirkungen von Stromschwankungen problemlos beseitigen, indem sie eine ratiometrische Messtechnik verwenden. Der Temperatursensorkreis des CN0398-Designs in Abbildung 5 verfolgt diesen Ansatz. Hier fließt derselbe Strom IOUT1 über den RTD und einen präzisen Referenzwiderstand R_REF, was in einer ratiometrischen Messung resultiert. Gleichzeitig verursacht IOUT2 am Leitungswiderstand RTD SENSE des RTD einen Spannungsabfall, der den Spannungsabfall am Leitungswiderstand RTD+ kompensiert.

Wie bei den Feuchtigkeits- und pH-Sensoren auch erfordert die Umwandlung von Widerstandswerten in Temperaturwerte eine geeignete Umrechnungsfunktion. Für einen typischen RTD kann die Beziehung zwischen Temperatur und Widerstand zuverlässig mathematisch ausgedrückt werden. Dennoch müssen zwei verschiedene mathematische Ausdrücke für Temperaturen über und unter 0 °C verwendet werden. Das Open-Source-Softwarepaket ADuCM360_demo_cn0398 unterstützt beide Methoden sowie zusätzlich eine einfache lineare Umwandlung (Programmcode 3).

float CN0398::read_rtd()

{

    float temperature = 0;

    int32_t data;

    adcValue[RTD_CHANNEL] = data = read_channel(RTD_CHANNEL);

    float resistance = ((static_cast<float>(data) - _2_23) * RREF) / (TEMP_GAIN * _2_23);

#ifdef USE_LINEAR_TEMP_EQ

    temperature = PT100_RESISTANCE_TO_TEMP(resistance);

#else

#define A (3.9083*pow(10,-3))

#define B (-5.775*pow(10,-7))

    if(resistance < R0)

        temperature = -242.02 + 2.228 * resistance + (2.5859 * pow(10, -3)) * pow(resistance, 2) - (48260.0 * pow(10, -6)) * pow(resistance, 3) - (2.8183 * pow(10, -3)) * pow(resistance, 4) + (1.5243 * pow(10, -10)) * pow(resistance, 5);

    else

        temperature = ((-A + sqrt(double(pow(A, 2) - 4 * B * (1 - resistance / R0))) ) / (2 * B));

#endif

    return temperature;

}

Programmcode 3: Für die Umwandlung von Widerstandswerten in Temperaturwerte veranschaulicht eine Beispielroutine von Analog Devices das grundlegende Designmuster zur Auswahl der geeigneten Methode basierend auf statischen Definitionen (USE_LINEAR_TEMP_EQ) oder dynamischen Werten (Widerstand < R0). (Codequelle: Analog Devices)

Wie aus Programmcode 3 ersichtlich, ermöglicht die Beispielroutine read_rtd() Entwicklern die Auswahl eines einfachen Makros (PT100_RESISTANCE_TO_TEMP) zur linearen Umwandlung, das im Modul CN0398.cpp definiert ist. Alternativ können Entwickler die komplexeren mathematischen Ausdrücke verwenden, die in der Beispielroutine read_rtd() enthalten sind. In diesem Fall ist der Wendepunkt von 0 °C zur Auswahl des geeigneten Ausdrucks in R0 impliziert, den RTD-Widerstand bei 0 °C.

Fazit

Bei der Erstellung von Systemen für Bodenmessungen sehen sich Entwickler sowohl hinsichtlich der Hardware als auch der Software mit verschiedensten Herausforderungen konfrontiert. Die Hardwaredesigns müssen den Anforderungen von Sensorschnittstellen genügen, wohingegen die Software verschiedene Ansätze zur Umwandlung von Rohdaten in aussagekräftige Informationen unterstützen muss.

Die Karte CN0398 und das Open-Source-Softwarepaket ADuCM360_demo_cn0398 von Analog Devices genügen beiden Aspekten des Designs von Systemen für Bodenmessungen. In Kombination mit der Arduino-kompatiblen Basiskarte ADICUP360 von Analog Devices stellen die CN0398-Karte und die Software eine vollständige Lösung für Bodenmessungen dar.

Entwickler können diese Fertiglösung zur Erstellung von Anwendungen für Bodenmessungen verwenden oder sie können das zugehörige Referenzdesign und die Beispielsoftware erweitern, um kundenspezifische Lösungen zu erstellen.