Arduino CloudでガーデニングIoT -土壌水分センサーの比較-

目的

自動灌水には土壌の水分量をセンシングすることが必要で、土壌水分センサーにはTDRや静電容量式、抵抗式などがある。最適なセンサーの選択のために、ネットで簡単に手に入る4種類のセンサーを比較してみた。

土壌水分センサーの仕様

DiyStudio 土壌湿度計

Amazonで購入できて調べた中では最安。

• ¥200/個
• 静電容量式
• 端子：PH型（2mmピッチ）×3（ケーブル付属）
• DC 3.3-5.5 V（ArduinoでもESP-WROOM-02でも使える）
• アナログ出力0-3.0 V（土壌水分量で電圧値が変化する）

実物で空気中に置いた状態（乾燥）と水に浸けた状態（湿潤）で電圧を測定した。仕様では出力電圧3Vのレンジがあるが、実際には0.9-2.1Vの範囲で1.2Vのレンジを使って土壌の水分を測ることになる。

出力電圧[V]	乾燥	湿潤
1	2.10	0.94
2	2.11	0.92
3	2.05	0.91
4	2.06	0.90
5	2.12	0.91
平均	2.086	0.916

SEN0193

DiyStudioとほぼ同じ仕様のセンサーだが、単価は高い。

• ¥960/個
• 静電容量式
• 端子：PH型（2mmピッチ）×3（ケーブル付属）
• DC 3.3-5.5 V
• アナログ出力0-3.0 V（DFRduino UNOというこのセンサーのメーカーのボードに繋ぐと以下のディジタル出力を示す）

Dry: (520 430]
Wet: (430 350]
Water: (350 260]

https://akizukidenshi.com/catalog/g/g113550/
https://wiki.dfrobot.com/Capacitive_Soil_Moisture_Sensor_SKU_SEN0193

単価が高い分、DiyStudioよりも出力の個体差が小さそう。

出力電圧[V]	乾燥	湿潤
1	2.45	1.21
2	2.45	1.22
平均	2.45	1.215

SEN0114

抵抗式のシンプルな作りで、端子は金メッキで錆びづらく加工されている。

• ¥500/個
• 抵抗式
• 端子：PH型（2mmピッチ）×3（ケーブル付属）
• DC 3.3-5 V
• アナログ出力0-4.2 V (VCC 5.0V)

乾燥/湿潤の出力の大小が静電容量式とは逆になっている。

出力電圧[V]	乾燥	湿潤
1	0	3.7
2	0	3.4
平均	0	3.55

Adafruit STEMMA Soil Sensor - I2C CapacitiveMoisture Sensor

今回の4種類では唯一のディジタル出力で、I2Cで繋がる。温度センサーも内蔵しているが、精度は±2℃と精度は高くない。

• ¥1,150/個
• 静電容量式
• 端子：PH型（2mmピッチ）×4（ケーブル別売り）
• DC 3-5 V
• ディジタル出力：200 (乾燥) - 2000 (湿潤) (ATSAMD10に繋いだ場合)

水分値に関しては、およそ300のレンジがある。

出力ディジタル値	乾燥	湿潤	温度
1	315	607	26
2	318	621	23
平均	316.5	614	24.5

センサーの使い方

アナログ出力の前者3種類は同じような接続で使えるが、ディジタル出力のAdafruit STEMMA Soil Sensorでは使い方が異なる。

アナログ出力センサー

センサーが動作するための電源を繋ぐVCC、センサー値を電圧として出力する端子、グラウンドの3ピンをArduinoなどのマイコンに繋ぐ。出力はプログラムで指定したピンに繋げば良い。ただし、ESPr Developerのアナログ入力は0-1Vしか入れることができないので、上記のセンサーはそのまま使用することができない。対処法の一つとしては、抵抗分圧で0-1Vの範囲に収めることができる。例えば、22kΩと10kΩの抵抗を使って10/32に抵抗分圧。Arduino UNO R4 Wifiなどはレンジが広いのでそのまま繋いで使用することができる。

#include "thingProperties.h"

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1500); 
  initProperties();
  ArduinoCloud.begin(ArduinoIoTPreferredConnection);
  setDebugMessageLevel(2);
  ArduinoCloud.printDebugInfo();
}

void loop() {
  ArduinoCloud.update();
  
  moisture = analogRead(TOUT);
}

ディジタル出力センサー (Adafruit STEMMA Soil Sensor)

VCC, GND, SCL, SDAの4ピンを繋ぐ。

加えて、以下のライブラリが必要。

• Adafruit_seesaw.h
• Adafruit_seesaw.cpp

#include "thingProperties.h"
#include "Adafruit_seesaw.h"

Adafruit_seesaw ss;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(1500); 
  initProperties();
  ArduinoCloud.begin(ArduinoIoTPreferredConnection);
  setDebugMessageLevel(2);
  ArduinoCloud.printDebugInfo();
}

void loop() {
  ArduinoCloud.update();
  
  tempC = ss.getTemp();
  capread = ss.touchRead(0);
}

センサーの値の安定性

ノイズがなければセンサーは一定の値を出力する状態で丸一日間放置して、センサーごとの値の安定性を確認した。具体的には、アナログセンサーの3つについて、静電容量型は発泡スチロールの上のなるべく空気と接するように置き、抵抗型は水中に置いた。各種2つずつ検証し、同時にデータを得るためにArduino UNO R4 Wifiを用いた。

DHT22を用いて、気温と湿度へのセンサー値の依存性も検証したが、今回のような±1℃の条件下では依存性は見られなかった。

Arduino Cloudからデータを吐き出して統計処理すると、ばらつきが見えてきた。抵抗型のSEN0114は±100も値が変化してしまっている。それに対し静電容量型は±40に収まっており、標準偏差も小さい。

	DiyStudio＿1	DiyStudio＿2	SEN0114_1	SEN0114_2	SEN0194_1	sen0194_2
平均	503.91	509.86	653.25	659.17	578.95	578.09
最大値	26.09	41.14	109.75	90.83	21.05	20.91
最小値	-14.91	-31.86	-103.25	-88.17	-9.95	-10.09
標準偏差	7.00	19.06	63.52	54.59	3.98	3.58

まとめ

値の安定性の観点では静電容量型が良く、単価¥200のDiyStudioはコスパが良い。SEN0194は個体差も少なそうで、何十個と使うのでなければ選択肢としてはありだろう。