Para el sensado de la humedad del suelo, adquirimos un par de sensores Watermark®, como el que se observa en la figura

El sensor Watermark (del tipo granular matricial), ofrece un método indirecto de medición de la humedad del suelo, a partir de la medida de la succión del agua en el terreno en centibares, con un rango aceptablemente lineal entre 0 y 200 centibares. En sí, el sensor es una resistencia eléctrica variable lograda por dos electrodos contenidos en una barrera permeable (con componente reactiva capacitiva menor del 7% en el rango de 0 a 10KHz de frecuencia, igualmente el método de sensado que adoptamos, no se ve afectado por componentes reactivas). Es decir, que cada valor de resistencia del sensor corresponde linealmente a un valor de presión en centibares, que a su vez se toma como indicador de un cierto valor de humedad en el suelo.

Tiene la ventaja de ser un sensor económico, robusto, de rápido tiempo de respuesta y de no necesitar mantenimiento ni calibraciones, pero no es de tanta precisión como un sensor tensiométrico y se degrada con el tiempo (vida útil de algunos años).

Del fabricante obtuvimos la siguiente información y sugerencias para el diseño del circuito excitador del sensor:

• Tabla de conversión entre valores de resistencia y presión de succión para el rango de 0-200 centibars (550-28000 Ohms ). Notar que un menor valor de resistencia (y por ende una menor lectura en centibars) corresponde a un suelo mas húmedo.
• La resistencia del sensor es inversamente proporcional a la temperatura del suelo. Ajustar un 1% por grado farenheit de variación tomando como referencia inicial 75 ºF.
• No es recomendable aplicar al sensor una tensión continua, ya que los electrodos se pueden dañar por efecto electrolítico.
• No debiera dejarse el sensor continuamente excitado, ni la corriente a través del mismo debiera superar 1mA. (para obtener una mayor vida útil).

Planteamos básicamente un divisor resistivo, como se observa en la figura. La resistencia Rx simboliza el sensor de humedad, la resistencia de 56kOhms limita la corriente y define el rango utilizable del sensor. Los capacitores a ambos lados de Rx buscan eliminar el paso de una eventual tensión continua hacia el sensor.

Alimentamos con tensión alterna de 15V, reducida desde 220VAC a través de un transformador. En el secundario va conectado un relé para la activación/desactivación del sensado de humedad.

Como alimentamos desde la red de 220 CA a través de un transformador, consideramos necesario también medir la tensión de alimentación del divisor de tensión (tensión del secundario del transformador) para incorporarla al cálculo de la humedad, ya que es de esperar fluctuaciones de tensión en la red que afectarían la calidad de la medición si no se la midiese. Esto lo hacemos mediante la resistencia sensora Rd, de 1kOhms .

La etapa siguiente, trata de un rectificador de precisión media onda con una tensión umbral de alterna de unos 15mV. Resumidamente, el circuito sensa la caída de tensión sobre Rx, la rectifica y almacena el valor pico de la media onda con una constante de tiempo dada por el capacitor y las resistencias R₂ + R₃ (t » 1seg; el ripple es despreciable) . Finalmente el nivel de continua obtenido es adquirido por el conversor analógico/digital.

Al igual que en el caso del circuito de sensado de temperatura, en la última etapa antes de entrar al conversor A/D, alimentamos al amplificador LM324 con una tensión acotada a 6,5V para evitar posibles daños al conversor en caso de un funcionamiento anómalo.

• Tensión nominal de alimentación: 15V
• Tensión máxima medible por el conversor A/D: 5V DC
• Máximo valor en la escala de presión que se desea medir: 115 centibares

Primero determinamos el rango de medición:

Con 115 cB por la tabla del sensor obtenemos una resistencia de 17450 Ohms y como éste es el valor máximo que queremos medir, pretendemos que equivalga a 5 V DC en el conversor A/D. Notar que la tensión que llega al conversor es el valor pico de la onda de alterna rectificada y filtrada, es decir que los sería la máxima tensión medible antes de saturar el conversor.

Con 115 cB , la corriente sobre el sensor será

Ahora determinamos el valor de la resistencia limitadora, Ra. Cuando en Rx caen 3,54V, la restante tensión lo debe hacer sobre Ra, es decir:

Podemos elegir una resistencia normalizada de 56KOhms al 5%

No es de esperar que la presión a la cual se sature el conversor sea exactamente 115 cB, debido a que para el cálculo de Ra utilizamos un valor fijo de alimentación de 15V y como ya mencionamos esto puede variar según las condiciones de la red de alterna. Pero el valor de 115 cB está bastante alejado del máximo de "sequedad" al cual responderá el control de riego ( alrededor de 60 cB)

Con 0 cB (lo cual es consecuencia de un sensor completamente saturado en humedad) la corriente sobre el sensor será de:

Resumiendo, tenemos:

Para monitorear la tensión del secundario del transformador, se hace necesario acondicionar su valor a un nivel adecuado e ingresarlo a un canal del conversor A/D. Esto lo logramos mediante otro divisor resistivo.

Adoptamos que para el valor nominal de 15V se traduzca a una tensión de 4V a la entrada del conversor, de modo de dejar un margen para una sobretensión.

Planteando la ecuación queda:

Adoptando Rd = 1KOhms , se obtiene: Rc = 4,3KOhms @ 4,7KOhms

A modo de ejemplo se citan en la siguiente tabla distintos valores de tensión de alimentación y su correspondencia con la tensión medida en el canal del ADC

Al desenergizar el circuito, la tensión sobre Rx cae a cero con una constante de tiempo de aproximadamente 1,5 segundos ( debido a la presencia de los capacitores de desacople de 100uF).

La habilitación se maneja escribiendo un estado alto (1 lógico) en la línea 1 del puerto A ( pata PA1) del 82C255. Éste puede entregar en cada salida del puerto como máximo 2,5mA, teniendo esto en cuenta colocamos una resistencia limitadora de 2,2KOhms junto con el optoacoplador. Al habilitar, se pone en conducción al optoacoplador ,que al inyectar corriente en la base del transistor lo satura permitiendo energizar la bobina del relé. De esta manera se logra la activación del circuito de sensado.

Notar que no existe aislación eléctrica entre el circuito de excitación del relé y el circuito de sensado, esto resultó inevitable para poder referenciar la tensión sobre los sensores de humedad.

El siguiente diagrama en bloques sintetiza como se obtiene el valor de humedad desde el sensor en el suelo hasta el valor que utiliza el algoritmo de control.

Como se mencionó anteriormente, el sensor se ve afectado por la temperatura del suelo. Según información del fabricante, éste viene calibrado a una temperatura de 75ºF (23,89ºC); para temperaturas mayores se debe incrementar el valor obtenido de resistencia a razón de 1% por cada ºF (0,56ºC ó 1,8% por cada ºC) ; análogamente, pero decrementando, se corrige para temperaturas por debajo de 75ºF.

La corrección por temperatura del suelo se realiza a nivel software, en el módulo de humedad del programa, de la siguiente manera:

[Ohms ]

Con el valor final de R, se ingresa a una tabla donde se obtiene el valor correspondiente en centiBares. En el siguiente diagrama en bloques se detalla como funciona el algoritmo de acceso a la tabla.

Una alternativa interesante para controlar la humedad propuesta por el fabricante del sensor, se detalla a continuación, aunque no se trata de la estrategia que se implementó. La idea es colocar algunos sensores cerca de la superficie y otros a mayor profundidad, donde se localizan las raíces del cultivo. De esta manera, cuando el sensor superficial se seca hasta alcanzar el valor mínimo prefijado, se puede iniciar un riego superficial que devuelva la humedad necesaria aunque el sensor profundo esté dentro del rango aceptado.

La limitación encontrada para implementar esta idea, fue no contar con un mayor número de sensores de humedad, ya que se disponen sólo de dos, por lo que se optó por elegir criteriosamente la ubicación de cada uno y colocarlos a la misma profundidad ( a unos 10-15 cm del suelo).

El algoritmo de control de humedad implementado responde básicamente al siguiente diagrama en bloques:

Cada 8 horas, se activan los sensores de humedad, se espera un minuto para que se estabilicen y se inicia la adquisición. Se toman 10 muestras de H₁ y H₂ separadas alrededor de 1ms y se calcula el valor promedio de cada uno. Luego se obtiene la humedad media del suelo promediando los valores finales obtenidos de H₁ y H₂.

Si en la lectura de algún sensor se obtuviese el valor de 110 cB o superior, es indicio de que se llegó al límite superior medible por el ADC. Esto puede ocurrir, si es que no se trata de un suelo extremadamente seco, de que se ha cortado el vínculo eléctrico entre el sensor propiamente dicho y su amplificador en la placa de adquisición. El algoritmo de humedad responde imprimiendo la leyenda:" Sensor Hx cable cortado" , donde x es el número del sensor afectado, en la pantalla de LCD y luego sale del programa.

Si por el contrario, la lectura del sensor es de 0cB, correspondería a un sensor completamente saturado en agua, situación imposible de lograr, por lo que sería indicio de un defecto en el referenciado a masa del amplificador del sensor. En este caso se imprimirá la leyenda: "Sensor Hx saturado" y también se sale del programa.

Dado que se cuenta con un retardo importante de tiempo entre que se comienza a regar y se verifica un aumento de humedad en la zona de interés, resulta conveniente tomar una decisión de riego antes de alcanzar el límite mínimo tolerado de humedad. Mediante el control de la pendiente, lo que se busca es detectar una tasa de disminución de humedad tope a fin de iniciar un riego moderado preventivo, aunque la humedad sensada esté dentro del rango aceptado. Básicamente, lo que realiza el algoritmo de control de pendiente es restar al valor de humedad obtenido en la medición anterior el valor actual; luego divide el resultado por un número que está en función del período de medición (originalmente 8 horas) y almacena el resultado final que es comparado con la referencia para tomar una decisión.

El circuito de activación de riego es de la misma estructura que el circuito de activación de los sensores de humedad. La habilitación se maneja con la línea 0 del puerto A (pata PA0) del 82C255. Al activarse, se le aplican 24 VAC a la electroválvula que de inmediato procede a desbloquearse permitiendo el inicio del riego. Notar que en este caso si existe una aislación eléctrica entre el circuito de potencia y el circuito de señal.