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Aus Raspberry Pi Geek 05/2016

I<+>2<+>C, Teil 10: Bodenfeuchtigkeit, Helligkeit und Temperatur messen

© Robert Byron, 123RF

Wetterfühler

Martin Mohr

Empfindliche Pflanzen brauchen die passende Pflege. Mithilfe eines entsprechenden Sensors werten Sie die jeweiligen Parameter auf dem Raspberry Pi aus.

Wer empfindliche und unter Umständen teure Pflanzen in seinem Garten arrangiert, sorgt sich oft um die optimalen Bedingungen. Ein Sensor liefert alle relevanten Daten, die Sie brauchen, um die Gewächse optimal zu pflegen. Das I2C-Modul misst Bodenfeuchte, Helligkeit und Temperatur und überträgt die Werte über den entsprechenden Bus.

Der Sensor für diesen Workshop selbst hat keine Kennung: Es handelt sich um einen ATTINY44A-Mikrocontroller, der auf einer Platine verbaut ist. Auf diesem läuft ein Programm, das die Messwerte ermittelt. Über den I2C-Bus lesen Sie diese vom Raspberry Pi aus einfach ein. Alle dazu nötigen elektronischen Komponenten befinden sich auf einer (bis auf die Kontakte) wasserdicht beschichteten Platine.

Sensor

Zu unserem Sensor mit dem sinnigen Namen Chirp – es handelt sich um quelloffene Hardware — gibt es kein Datenblatt im Internet. Daher liefert die Tabelle “Sensordaten” die wichtigsten technischen Daten. Am I2C-Bus belegt der Sensor in der Voreinstellung die Adresse 0x20h. Es besteht aber die Möglichkeit, die Adresse softwareseitig zu ändern. Auf der Chirp-Homepage [1] finden sich noch weitere interessante Informationen, bei Bedarf bestellen Sie den Messchip online [2].

Sensordaten

I2C-Adresse

0x20h

Betriebstemperatur

0 bis 85 Grad Celsius

Versorgungsspannung

3,3 bis 5 Volt

Stromverbrauch

Leerlauf bei 5 Volt

1,1 mA

Leerlauf bei 3,3 Volt

0,7 mA

Messen bei 5 Volt

14 mA

Messen bei 3,3 Volt

7,8 mA

Kontinuierliches Messen bei 5 Volt

4,5 mA

Kontinuierliches Messen bei 3,3 Volt

2,8 mA

Sie schließen den Sensor eins zu eins seiner Beschriftung entsprechend an den Raspberry Pi an (Tabelle “Verbindung”). Zusätzliche Bauteile benötigen Sie nicht, da der Raspberry Pi den I2C-Bus bereits terminiert. Daher sieht unser Testaufbau diesmal sehr übersichtlich aus (Abbildung 1)

Verbindung

Sensor

RasPi

VCC

3,3 Volt

GND

GND

SDA

SDA

SCL

SCL

Abbildung 1: Der Testaufbau fällt bei diesem Baustein simpel aus, da Sie keine weiteren Elemente mehr benötigen, um den Sensor in Betrieb zu nehmen.

Abbildung 1: Der Testaufbau fällt bei diesem Baustein simpel aus, da Sie keine weiteren Elemente mehr benötigen, um den Sensor in Betrieb zu nehmen.

Testumgebung

In den letzten Teilen dieser Reihe kam immer eine Java-Umgebung zum Einsatz, dieser Teil baut nun auf C-Programmen auf. Dafür richten Sie sich eine passende Umgebung ein. Im ersten Schritt laden Sie das aktuelle Raspbian “Jessie” Lite herunter und schreiben es auf eine SD-Karte. Das klappt am schnellsten direkt auf der Konsole.

Beim Befehl dd geben Sie dann für den Parameter of das passende Gerät an (Listing 1, letzte Zeile). Vermutlich greifen Sie auf ein neueres Image als das von uns verwendete 2016-03-18 zurück – in diesem Fall passen Sie den Namen des Images beim Parameter if ebenfalls an. Jetzt stecken Sie die Karte in den RasPi und booten diesen. Um problemlos über das Netzwerk auf dem Mini-PC zu arbeiten, aktivieren Sie via raspi-config den SSH-Daemon, um später komfortabel per SSH auf dem RasPi zu arbeiten. Den Platz auf der SD-Karte erweitern Sie bei dieser Gelegenheit ebenfalls.

Aktivieren Sie außerdem unter Advanced Options die I2C-Schnittstelle, sonst bleibt die Kommunikation recht einseitig. Falls Sie tatsächlich noch nie mit raspi-config gearbeitet haben, finden sich im Internet Anleitungen dazu.

Listing 1

 

$ wget https://downloads.raspberrypi.org/raspbian_lite_latest
$ unzip raspbian_lite_latest
$ sudo dd if=2016-03-18-raspbian-jessie-lite.img of=Gerät

Bodenfeuchte messen

Um etwas zu messen, benötigen Sie erst einmal eine Vorstellung davon, um was es genau geht. Die Feuchte des Bodens lässt sich nicht direkt ermitteln; zwei einfach zu ermittelnde Messwerte erlauben aber Rückschlüsse darauf: zum einen die Leitfähigkeit des Erdreichs, zum anderen dessen Kapazität. Beide verändern sich abhängig von der im Boden vorhandenen Wassermenge.

Sensoren, die die Leitfähigkeit des Bodens messen, liefern jedoch nicht immer optimale Ergebnisse. Im Internet locken zwar günstige Angebote für diese Bausteine, aber wenn Sie Strom über Elektroden durch das Erdreich leiten, zersetzt er Flüssigkeiten – der Techniker nennt das Elektrolyse. Mit der Zeit zersetzen sich obendrein auch die Elektroden selbst, und die Reste dieser chemischen Reaktion haben Sie anschließend im Beet mit dem Gemüse. Es ist also keine gute Idee, die Feuchte auf diese Weise zu messen.

Die zweite Methode basiert darauf, dass sich die elektrische Kapazität des Bodens abhängig von dem darin enthaltenen Wasser ändert. Das Erdreich bildet hier quasi das Dielektrikum eines Kondensators. Die Kapazität dieses “Messkondensators” erlaubt daher direkte Rückschlüsse auf die Feuchte. Dieses Verfahren ist zwar erheblich aufwendiger, hinterlässt dafür aber keine Schadstoffe im Boden.

Der Sensor aus dem Test liefert, wenn er nicht im Boden steckt, für die elektrische Kapazität einen Ganzzahlenwert von rund 300. Der Wert verhält sich linear zur Bodenfeuchte, höhere Werte bedeuten also einen feuchteren Boden.

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