Seeeduino XIAOで土壌センサーの情報を取得

こんにちは、ENGかぴです。

Arduino環境ではアナログ入力をAD変換する標準ライブラリが実装されています。Seeeduino XIAOを使って土壌センサーの出力電圧を計測し土壌の水分量の判定した結果をOLEDに表示して動作確認を行いました。

土壌センサーはSEN0114（DFROBOT製：秋月電子で購入）を使用しています。土壌センサーの動作検証と動作履歴をSDカードに保存して動作確認を行いました。

Seeeduino XIAO用拡張ボード（Seeed Studio）を使用しています。Seeeduino XIAOを使って動作確認を行ったことを下記リンクにまとめています。

Seeeduino XIAOで学べるソフト開発と標準ライブラリの使い方

土壌センサーの情報を取得する
動作確認
ソースコード全体
関連リンク

土壌センサーの情報を取得する

SEN0114は土壌の抵抗分で発生する電圧を出力するセンサーです。水分量が多いほど土壌の抵抗分が少なくなり電気を通しやすくなることを利用したものです。下記リンクにセンサーの情報とスケッチ例が説明されています。

SEN0114 Moisture Sensor-DFROBOT

Arduino用に出力調整されているためライブラリで読み取った値から土壌の状態を確認することができます。

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センサー情報の使用例

if( timdataget == TIME_UP){
  timdataget = TIM_MEAS;
  sen0114.buf[sen0114.wp] = analogRead(A0);

  if(++sen0114.wp >= MEAS_MAX){
    sen0114.wp = 0;
  }
  sum = 0;
  for(uint8_t i =0; i < MEAS_MAX; i++){
    sum += sen0114.buf[i];
  }
  sen0114.humid = sum >> 3; //8で割る
}

アナログデータはノイズの影響などで実際の値から少し上下することがあるため数回読み込んだデータを平均化して使用します。

電圧値の取得はanalogRead()関数を使用します。引数にアナログピンの番号を指定します。AD変換値が戻り値にセットされるので変数に格納します。

例では100ms毎にデータを取得して最新のデータから8個分のデータを使用して平均値を算出しています。平均化する際に>>3で3回右にシフトしていますが8で割るのと同じ結果になります。

マイコンが計算する際にビットシフトで計算すると計算時間を減らすことができます。演算器を持たないマイコンを使用する場合においては効果的な方法です。

土壌センサーとしての用途を考えると短期間で土壌の水分がしないため計測の頻度を減らして平均化しない構成でも問題ないと思います。

動作検証

Seeeduino XIAOは3.3V動作なので3.3V時の動作の目安について検証を行いました。Arduino(5V)から取得した値で土壌の状態の目安として0～300 dry soil、300～700 humid soil、700～950 in waterと記載されています。

電源5Vが3.3Vになった場合の計測値の相違について次のパターンで計測値の確認を行います。

プローブ間を指で触れる
プローブを水の中に入れる（上記の写真の通り）
プローブ間をショートする

これらのパターンの結果をシリアルモニタで確認します。

１. プローブ間を指で触れた場合は190程度の値となっています。２. プローブを水の中に入れた場合は690付近（5V時は750）の値になっています。3. プローブ間をショートした場合は820付近（5V時は880）の値になっています。

3.3Vの結果と5Vの結果を比較すると指で触れた場合を除いて水に入れた場合とショートした場合で50～60程度値が低く出る傾向がありました。in waterの目安値を650程度で考えるとよさそうです。

3.3Vの場合直接水につけた場合でも690程度の値になることが分かりました。プローブ間をショートすると820付近の値になりますが土壌に使用する場合ショートする可能性は限りなく低いことから690付近が最大値と考えて問題なさそうです。

SDカードに履歴保存

void saveSd(void){

  if( timsave == TIME_UP ){
    timsave = TIM_SAVE;
    myfile = SD.open(filepath,FILE_WRITE);

    if( myfile ){ //ファイルが開けたら書き込む
      myfile.print("time:");
      myfile.print(timcnt);
      myfile.print(" humid:");
      myfile.println(sen0114.humid);
      myfile.close(); //ファイルを閉じる
    }
    ++timcnt;
  }
}

SDカードに土壌の水分量の履歴を保存するためタイマで管理しています。土壌は直射日光が当たらない限り乾燥しにくいため頻繁にタイムアップするような構成にする必要はありません。SDカードの操作については下記記事にまとめています。

ArduinoのライブラリでSDカードにデータを保存する

SDカードに履歴を保存することで観葉植物の土壌の様子が分かるため水やりの最適なタイミングを掴むことができます。面倒見が良すぎがあまり根腐れさせてしまうことに悩む可能性の軽減につながることが期待できます。

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拡張基板のOLEDに文字を表示

OLEDに文字を表示するためにライブラリを追加して動作確認したことを下記記事にまとめています。

Seeeduino XIAOの拡張ボードのOLEDを使用する

拡張ボードはOLED用に４ピンと５ピンを使用するため使用することができません。使用するとOLEDの表示がバグるなど不安定な動作になります。

本記事では土壌の状態をOLEDで表示するために使用しています。

#define DRY_SOIL 300
#define HUMID_SOIL 650

if( sen0114.humid < DRY_SOIL){ //300未満
  u8x8.print("-->dry soil");
}
else if( sen0114.humid >= DRY_SOIL && sen0114.humid < HUMID_SOIL){
  u8x8.print("-->humid soil");
}
else{ //650以上
  u8x8.print("-->in water");
}

動作検証でSEN0114の計測値を確認しました。結果を踏まえてOLEDの表示を切り替えます。SEN0114の計測値が0～299の間であれば–>dry soilを表示します。計測値が300～649の間であれば–>humid soilを表示します。計測値が650以上で–>in waterを表示します。

頻繁に文字を切り替えるとOLEDの表示がチカチカするので注意が必要です。計測タイミングと表示タイミングを区別することで見やすくなります。

本記事ではOLEDの表示をSDカードに履歴を保存するタイミングにして表示が頻繁に切り替わらないようにしています。

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