Embed Size (px)
Citation preview
UNIVERZA V MARIBORU
FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,
RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO
Egidij Šmigoc
AVTONOMNO NAPAJANI BREZŽIČNI MERILNIK VLAŽNOSTI IN TEMPERATURE ZEMLJE
Magistrsko delo
Maribor, avgust 2017
i
AVTONOMNO NAPAJANI BREZŽIČNI MERILNIK VLAŽNOSTI IN
TEMPERATURE ZEMLJE
Magistrsko delo
Študent: Egidij Šmigoc, dipl. inž. el. Študijski program: Študijski program 2. stopnje Elektrotehnika Smer: Elektronika Mentor: doc. dr. Iztok Kramberger Lektorica: Mirijam Križevnik
ii
iii
Avtonomno napajani brezžični merilnik vlažnosti in temperature zemlje
Ključne besede: Brezžični merilnik, avtonomno napajanje, krmilnik, pretvornik, vlažnost,
temperatura, zemlja, fotovoltaična celica.
UDK: 681.2:621.317.39(043.2)
Povzetek
Cilj magistrske naloge je razviti in izdelati energijsko avtonomen brezžični merilnik vlažnosti
in temperature zemlje. Merilnik se napaja z električno energijo iz majhne akumulatorske
baterije, ki jo polni fotovoltaična celica. Izmerjene podatke o vlagi in temperaturi v zemlji
brezžično prenaša do sprejemnika, ki je vgrajen v napravo za zalivanje travne ruše.
Merilnik je sestavljen iz sledečih, med seboj povezanih sklopov: fotovoltaična celica,
pretvornik napetosti navzgor, Li-ionska baterija, VF oscilator stabilne frekvence, kapacitivni
merilni sklop, merilnik srednje vrednosti VF signala, mikrokrmilnik za obdelavo merjenih
signalov in RF oddajni modul.
V magistrski nalogi je opisana študija merjenja vlage in temperature v zemlji ter načrtovanje
in izgradnja posameznih sklopov, ki sestavljajo celotno merilno napravo. Zajete so meritve,
rezultati meritev pa so predstavljeni tako tekstovno kot tudi grafično.
iv
Autonomous Powered Wireless Soil Moisture and Temperature Meter
Key words: Wireless meter, autonomous power supply, controller, converter, moisture,
temperature, soil, photovoltaic cell.
UDK: 681.2:621.317.39(043.2)
Abstract:
The purpose of the master thesis is to develop and create energy autonomous wireless soil
moisture and temperature meter, powered by electricity from small battery, filled with a
photovoltaic cell. It transfers the measured temperature and humudity data of the soil
wirelessly to the receiver, which is installed in the lawn watering device.
The meter has the following components: fotovoltaic cell, boost converter, Li-ion battery,
HF oscillator of stable frequency, capacitive measuring circuit, circuit for measuring of root
mean square, microcontroller for processing measured signals and RF transmitting module.
The master thesis explains the way of measuring moisture and temperature in the soil and
describes the construction of the components of the measuring device. The results of the
measurements are presented both in textual and graphic form.
v
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju, doc. dr. Iztoku
Krambergerju, za izčrpno in vsestransko
pomoč pri pripravi in izdelavi magistrske
naloge.
Zahvala gre tudi moji življenjski sopotnici za
vzpodbudo, potrpežljivost in pomoč v času
študija.
vi
KAZALO
1 UVOD ....................................................................................................... 1
2 PREGLED LITERATURE .............................................................................. 4
2.1 Osnove, načini in metode merjenja vlažnosti zemlje ............................................................. 4
2.1.1 Merjenje vlage v zemlji v časovni domeni ....................................................................................... 5
2.1.2 Merjenje vlage v zemlji v frekvenčni domeni ................................................................................10
3 ZASNOVA IN IZVEDBA MERILNEGA SISTEMA ........................................... 17
3.1 Blokovna shema merilnika ................................................................................................... 18
3.2 Študija solarno napajanih sistemov ..................................................................................... 20
3.3 Izbira primerne polnilne fotovoltaične celice ...................................................................... 24
3.4 Izbira akumulatorske baterije in primerjava karakteristik ................................................... 27
3.5 Načrtovanje DC/DC pretvornika navzgor za polnjenje akumulatorske baterije .................. 32
3.6 Načrtovanje stabilnega RF oscilatorja z merilnim krogom in kapacitivno sondo ................ 34
3.7 Načrtovanje merilnega pretvornika za pretvorbo merilnega signala .................................. 42
3.8 Izbira najprimernejšega mikrokrmilnika in RF oddajnega podatkovnega modula............... 44
3.9 Načrtovanje merilnega sklopa za merjenje temperature v zemlji ....................................... 50
3.10 Programiranje mikrokrmilnika ............................................................................................. 55
3.11 Načrtovanje tiskanine s programskim okoljem Altium Designer ......................................... 62
3.12 Izbira primernega vodotesnega ohišja in zaščita sončne celice pred poškodbami .............. 67
vii
4 MERITVE IN REZULTATI ........................................................................... 69
4.1 Izdelava, sestavljanje in preizkušanje sistema kot celote .................................................... 69
4.2 Meritve, kalibracija merilnika in predstavitev rezultatov .................................................... 71
5 ZAKLJUČEK .............................................................................................. 85
6 VIRI IN LITERATURA ................................................................................. 86
7 PRILOGE .................................................................................................. 90
viii
KAZALO SLIK
SLIKA 2.2.1: BLOKOVNA SHEMA REFLEKTOMETRSKEGA MERILNIKA VLAGE V ZEMLJI ............................................................. 5
SLIKA 2.2: PRIKAZ TOVARNIŠKEGA MERILNIKA VLAŽNOSTI ZEMLJE, KI DELUJE PO METODI TDR ............................................... 8
SLIKA 2.3: PREDSTAVITEV IZGUBNEGA KOTA 𝜎 IN NADOMESTNE VEZAVE KONDENZATORSKE MERILNE SONDE.......................... 11
SLIKA 2.4: IZVEDBE KONDENZATORSKIH SOND ............................................................................................................ 13
SLIKA 2.5: PRIKAZ RAZMERJA MED REALNIM DELOM DIELEKTRIČNE KONSTANTE ZEMLJE IN IMAGINARNIM DELOM .................... 15
SLIKA 2.6: PRIMER TOVARNIŠKE KAPACITIVNE SONDE PODJETJA DECAGON DEVICES, INC. ................................................... 16
SLIKA 2.7: PRIMER TOVARNIŠKE KAPACITIVNE SONDE PODJETJA VEGETRONIX, INC. ........................................................... 16
SLIKA 3.1: ZASNOVA SKLOPOV MERILNIKA VLAŽNOSTI IN TEMPERATURE ZEMLJE ................................................................ 18
SLIKA 3.2: BLOKOVNA SHEMA MERILNIKA VLAŽNOSTI IN TEMPERATURE ZEMLJE ................................................................ 19
SLIKA 3.3: MAJHEN SOLARNI SISTEM ZA NAPAJANJE VEZJA ............................................................................................ 21
SLIKA 3.4: ENOSTAVEN TOKOVNI OMEJEVALNIK ZA AKUMULATORSKO BATERIJO Z LM 317 ................................................. 22
SLIKA 3.5: BLOKOVNA SHEMA SISTEMA ZA SLEDENJE TOČKI NAJVEČJE MOČI ..................................................................... 23
SLIKA 3.6: U/I KARAKTERISTIKA SONČNE CELICE ......................................................................................................... 23
SLIKA 3.7: PRIMERI FOTOVOLTAIČNIH CELIC ............................................................................................................... 24
SLIKA 3.8: PRESEK POLIKRISTALNE SILICIJEVE SONČNE CELICE ......................................................................................... 25
SLIKA 3.9: IZGLED 4 V SONČNE SILICIJEVE POLIKRISTALNE CELICE DIMENZIJE 55X55 MM..................................................... 26
SLIKA 3.10: PRIKAZ PRAZNILNIH KRIVULJ ZA LI-ION BATERIJSKO CELICO ........................................................................... 28
SLIKA 3.11: PREDSTAVITEV OSNOVNIH KARAKTERISTIK RAZLIČNIH AKUMULATORSKIH BATERIJ .............................................. 29
SLIKA 3.12: LI-ION AKUMULATORSKA BATERIJA LIR 2450 ........................................................................................... 30
SLIKA 3.13: PCB NOSILEC BATERIJE LIR2450 ............................................................................................................ 30
SLIKA 3.14: PREPROST LC OSCILATOR ...................................................................................................................... 35
SLIKA 3.15: BLOKOVNA SHEMA IN ZUNANJI IZGLED OSCILATORJA ................................................................................... 36
SLIKA 3.16: PRIMER PI FILTRA ................................................................................................................................ 37
SLIKA 3.17: SHEMA VF OSCILATORJA FREKVENCE 100 MHZ ........................................................................................ 38
SLIKA 3.18: OJAČEVALNA STOPNJA OSCILATORJA ........................................................................................................ 38
SLIKA 3.19: MERILNO VEZJE, KI GA SESTAVLJATA PRILAGODILNIK SIGNALA IN MERILNA SONDA ............................................. 39
SLIKA 3.20: SLIKA KONCEPTA MERILNE SONDE OZIROMA PLANARNEGA KONDENZATORJA .................................................... 40
SLIKA 3.21: FOTOGRAFIJA PROTOTIPA KAPACITIVNE SONDE .......................................................................................... 41
SLIKA 3.22: IZGLED IZHODNE NAPETOSTI ČIPA AD 8361 PRI FREKVENCI 1.9 GHZ ............................................................. 43
SLIKA 3.23: BLOKOVNA SHEMA VEZJA AD8361 V SOT-23 OHIŠJU ................................................................................ 43
SLIKA 3.24: SHEMA MERILNEGA PRETVORNIKA .......................................................................................................... 44
SLIKA 3.25: BLOKOVNA ZGRADBA MIKROKRMILNIKA PIC16F688 ................................................................................. 46
SLIKA 3.26: IZGLED MIKROKRMILNIKA PIC16F688 V SOIC-14 OHIŠJU .......................................................................... 47
SLIKA 3.27: PRIKAZ PRIKLJUČKOV ZA PROGRAMIRANJE IN »RAZHROŠČEVANJE« ................................................................ 47
ix
SLIKA 3.28: IZGLED PROGRAMA ZA NASTAVLJANJE PARAMETROV RF MODULA ................................................................. 48
SLIKA 3.29: IZGLED 8-BITNE PODATKOVNE BESEDE ..................................................................................................... 49
SLIKA 3.30: PRIKAZ TIPIČNE APLIKACIJE S HM-TRP869 .............................................................................................. 49
SLIKA 3.31: MODUL HM-TRP869 ......................................................................................................................... 50
SLIKA 3.32: GRAF ODVISNOSTI RELATIVNE DIELEKTRIČNOSTI VODE OD TEMPERATURE ........................................................ 51
SLIKA 3.33: TIPIČNO APLIKATIVNO VEZJE Z MAX 6608 ............................................................................................... 52
SLIKA 3.34: IZHODNA KARAKTERISTIKA ČIPA MAX 6608 ............................................................................................. 53
SLIKA 3.35: PRIKAZ PREVAJANJA TOPLOTE SKOZI TELO ................................................................................................. 54
SLIKA 3.36: IZGLED PRIKLJUČNE POVRŠINE ZA PRIKLOP PRENOSNIKA TOPLOTE IN MERILNEGA SENZORJA ................................. 55
SLIKA 3.37: PROGRAMSKO OKOLJE ZA PROGRAMIRANJE PIC MIKROKRMILNIKOV .............................................................. 56
SLIKA 3.38: PICKIT 2 PROGRAMATOR ...................................................................................................................... 57
SLIKA 3.39: PRIKLJUČNI PINI PROGRAMATORJA PICKIT 2 ............................................................................................. 58
SLIKA 3.40: DIAGRAM POTEKA PROGRAMA ............................................................................................................... 59
SLIKA 3.41: DEKLARACIJA SPREMENLJIVK IN NASTAVITEV REGISTROV .............................................................................. 60
SLIKA 3.42: BRANJE A/D PRETVORNIKOV IN PREVERJANJE, ALI JE ZUNAJ ŽE NOČ ............................................................... 61
SLIKA 3.43: POŠILJANJE PODATKOV PREKO UART-A V RF ODDAJNI MODUL ..................................................................... 61
SLIKA 3.44: PRIKAZ UKAZA ZA REŽIM SPANJA ............................................................................................................ 62
SLIKA 3.45: PRIMER SHEME V ALTIUMU ................................................................................................................... 63
SLIKA 3.46: PRIKAZ POTREBNIH POVEZAV MED ELEMENTI ............................................................................................. 64
SLIKA 3.47: PRIKAZ POVEZAV IN UPORABA SKOZNIKOV ................................................................................................ 64
SLIKA 3.48: TISKANO VEZJE MERILNIKA V 2D POGLEDU ................................................................................................ 65
SLIKA 3.49: TISKANO VEZJE MERILNIKA V 3D POGLEDU - ZGORNJA STRAN ....................................................................... 66
SLIKA 3.50: TISKANO VEZJE MERILNIKA V 3D POGLEDU - SPODNJA STRAN ........................................................................ 66
SLIKA 3.51: FOTOGRAFIJA VODOTESNEGA OHIŠJA PT100/80/35 ................................................................................. 67
SLIKA 3.52: FOTOGRAFIJA POKROVA OHIŠJA IN ETIKETE ................................................................................................ 68
SLIKA 4.1: SLIKA PRISPAJKANEGA ČIPA DC-DC PRETVORNIKA (POGLED SKOZI MIKROSKOP) ................................................. 69
SLIKA 4.2: FOTOGRAFIJA PRIPRAVLJENIH VZORCEV ZEMLJINE ......................................................................................... 71
SLIKA 4.3: IZGLED MERILNIKA V »DELOVNEM« OKOLJU ................................................................................................ 84
SLIKA 7.1: SHEMA MERILNIKA VLAŽNOSTI IN TEMPERATURE ZEMLJE ............................................................................... 90
x
KAZALO TABEL
TABELA 4-1: VREDNOSTI VLAGE V ZEMLJI IN MERITEV NAPETOSTI IZ MERILNEGA VEZJA ....................................................... 72
TABELA 4-2: MERITEV VLAGE IN PRIMERJAVA MERITEV ................................................................................................ 75
TABELA 4-3: MERITEV TEMPERATURE IN PRIMERJAVA MERITEV ..................................................................................... 76
TABELA 4-4: ABSOLUTNI POGREŠEK PRI MERJENJU VLAGE V ZEMLJI ................................................................................ 78
TABELA 4-5: ABSOLUTNI POGREŠEK PRI MERJENJU TEMPERATURE V ZEMLJI...................................................................... 79
TABELA 4-6: RELATIVNI POGREŠEK PRI MERJENJU VLAGE V ZEMLJI .................................................................................. 81
TABELA 4-7: RELATIVNI POGREŠEK PRI MERJENJU TEMPERATURE V ZEMLJI ....................................................................... 82
KAZALO GRAFOV
GRAF 4-1: ODVISNOST IZHODNE NAPETOSTI OD VLAGE V ZEMLJI .................................................................................... 73
GRAF 4-2: PRIMERJAVA MERITEV VLAGE V ZEMLJI ....................................................................................................... 76
GRAF 4-3: PRIMERJAVA MERITEV TEMPERATURE V ZEMLJI ............................................................................................ 77
GRAF 4-4: ABSOLUTNI POGREŠEK PRI MERJENJU VLAGE V ZEMLJI ................................................................................... 79
GRAF 4-5: ABSOLUTNI POGREŠEK PRI MERJENJU TEMPERATURE V ZEMLJI ........................................................................ 80
GRAF 4-6: RELATIVNI POGREŠEK PRI MERJENJU VLAGE V ZEMLJI ..................................................................................... 82
GRAF 4-7: RELATIVNI POGREŠEK PRI MERJENJU TEMPERATURE V ZEMLJI .......................................................................... 83
xi
SEZNAM UPORABLJENIH KRATIC
VF Visoke frekvence
RF Radio frequency, radijske frekvence
DC/DC Direct Current to Direct Current Converter, enosmerno-enosmerni
pretvornik
ISM Industrial Scientific Medical, radijsko področje, ki je namenjeno za
industrijo, znanost in medicino
TDR Time Domain Reflectometry, reflektometrija v časovni domeni
FDR Frequency Domain Reflectometry, reflektometrija v frekvenčni
domeni
MPPT Maximum Power Point Tracking, sledenje točki največje moči
Hz Herz
CMOS Complementary Metal Oxid Semiconductor
A/D Analogno/Digitalno
A Amper
V Volt
Ah Amper hour, amperska ura
LDO Low Drop Output
PPM Parts per Million, delcev na milijon
SMD Sourface Mounted Device, elektronski element, ki se prispajka
neposredno na površino tiskanega vezja
Ω Ohm
F Farad
F/m Farad na meter
RMS Root Mean Square, efektivna vrednost
WDT Watchdog Timer, poseben časovnik za prekinitve v mikrokrmilniku
USART Universal Synchronous-Asynchronous Receiver/Transmitter,
univerzalni sinhronsko-asinhronski sprejemnik/oddajnik
RAM Random Access Memory, pomnilnik z naključnim dostopom
xii
W Watt
LED Light Emitting Diode, svetleča dioda
CAE/CAD Computer Aided Engineering/Computer Aided Design,
Računalniško podprto načrtovanje
STEP Standard for the Exchange of Product, standard za izmenjavo
podatkov
1
1 UVOD
Marsikdo ima željo imeti urejeno okolico svojega doma. Pogosto hiše krasijo cvetoče
rastline, v okras pa jim je tudi lepa in negovana trata. Ker brez vode ni življenja, je zalivanje
trate in ostalih rastlin nepogrešljivo opravilo predvsem v bolj sušnih obdobjih. Vodne zaloge
so omejene, cena vode pa tudi ni zanemarljiva, zato je treba pri zalivanju rastlin ravnati
gospodarno.
Po pregledu ponudbe na svetovnem spletu ter v prodajalnah, kjer nudijo zalivalne oziroma
namakalne sisteme, ugotavljamo, da večina takšnih sistemov ne vsebuje merilnika, ki bi
meril vsebnost vlage v zemlji. Zaznavanje potrebne količine vode je pri sistemih, ki so na
voljo, največkrat empirično oziroma pavšalno, zalivalni ciklus pa je izveden z navadnim
časovnikom. Takšna naprava travno rušo zaliva ob nastavljenem času in tako dolgo, dokler
prednastavljeni čas trajanja zalivanja ne poteče. Zalivanje rastlin na opisan način je
nepravilno in je lahko tudi škodljivo za rastline.1 Ker gre veliko vode v nič, je tudi
neekonomično. Predvsem v krajih, kjer so zgrajene čistilne naprave za čiščenje odpadnih
voda iz gospodinjstev, se namreč cena storitve čiščenja odpadne vode preračuna na kubični
meter porabljene vode. Čeprav smo vodo porabili zgolj za zalivanje in je nismo spuščali v
čistilno napravo, nam pristojne službe storitev čiščenja kljub temu zaračunajo.
Za dobro rast travne ruše in racionalno porabo vode je torej ključen podatek o vlažnosti
zemlje, na podlagi katerega lahko ugotovimo, kakšno količino vode je treba nameniti
zalivanju rastlin. Pri tem je treba upoštevati podatke o količini vode, ki jo za svoj normalen
razvoj in rast potrebuje določena vrsta rastlin. Te podatke je mogoče zelo enostavno
poiskati v strokovni literaturi s področja agronomije. Z merjenjem vlažnosti zemlje tako
znižamo porabo vode ter dosežemo, da so rastline optimalno zalite.
1 Znano je namreč, da se zaradi nepravilnega zalivanja koreninski sistem rastlin ne razvija pravilno, zaradi česar so rastline bolj podvržene raznim boleznim.
2
Zaradi ugotovljenih pomanjkljivosti obstoječih zalivalnih sistemov smo se odločili, da sami
izdelamo merilnik, ki bo meril vlago in temperaturo zemlje, njegov razvoj in izvedbo pa
predstavimo v magistrski nalogi.
Magistrsko delo je sestavljeno iz sedmih poglavij in prikazuje zasnovo in izvedbo naprave
oziroma njenih posameznih sklopov, ki skupaj sestavljajo merilnik vlažnosti in temperature
zemlje.
V drugem poglavju sta predstavljeni najpogosteje uporabljeni merilni metodi za natančno
merjenje količine vlage v zemlji. V tretjem poglavju sledi prikaz zasnove in podrobnejši opis
izvedbe posameznih sklopov naprave, v četrtem poglavju pa so predstavljene meritve in
rezultati gotovega prototipa merilnika. Elektronika naprave je zgrajena na ploščici
dvostransko tiskanega vezja, vsi sestavni deli pa so vgrajeni v primerno vodotesno in
zaščitno ohišje.
Osrednji del naprave predstavlja sodoben 8-bitni mikrokrmilnik, ki usklajuje delovanje
celotnega merilnika. Poleg omenjenega mikrokrmilnika napravo sestavljata tudi
fotovoltaična celica in »DC/DC2« pretvornik navzgor za polnjenje akumulatorske baterije.
Baterija je nepogrešljivi element naprave, saj skrbi za skladiščenje energije, ki je potrebna
za delovanje takrat, ko ni sonca. Ker bi zalivanje ob sončni pripeki tekom dneva rastlinam
škodovalo, izvajamo zalivanje v nočnem času. Takrat temperature padejo, veter, ki
ponavadi piha čez dan, pa se umiri, zato je zalivanje travne površine enakomernejše.
Podatki o merjeni vlagi in temperaturi v zemlji se do sprejemnika, ki je nameščen v
zalivalnem sistemu, prenašajo brezžično s posebnim oddajnim modulom, ki deluje na
frekvenci 869 MHz. Uporablja se tako imenovano ISM3 radio frekvenčno območje, ki je
namenjeno komunikaciji med napravami v industriji, znanosti in medicini. Za to območje
smo se odločili zato, ker zanj ne potrebujemo nobenih dovoljenj pristojnih služb.
2 DC/DC pretvornik – enosmerni pretvornik. 3 ISM – angl., Industrial Scientific Medical – radio frekvenčno področje namenjeno industriji, znanosti in medicini.
3
Merilnik vlažnosti in temperature zemlje je povsem samostojna naprava, ki je bistvena za
uspešno delovanje zalivalnega sistema, saj natančno meri vsebnost vlage in temperature v
zemlji in te podatke nato sporoča zalivalnemu sistemu. Le-ta na podlagi prejetih podatkov
izvaja zalivalne cikluse in zaliva travno rušo le takrat, ko je to potrebno ter z optimalno
količino vode.
V kompleksnejših sistemih, kjer se zalivanje vrši z večimi zalivalnimi krogi, je za vsak zalivalni
krog smiselno uporabiti svoj merilnik. Vlažnost zemlje se namreč po posameznih zalivalnih
krogih lahko bistveno razlikuje. Na površinah, ki so obrnjene na jug in jugo-zahod, je
izhlapevanje vlage večje kot pa na površinah, ki so obrnjene na sever ali vzhod. V primeru
uporabe zgolj enega merilnika za celoten zalivalni sistem bi lahko bile zato nekatere
površine zalite prekomerno, druge pa premalo.
Merilnik vlažnosti in temperature zemlje je dobrodošel sestavni del vsakega sodobnega
zalivalnega oziroma namakalnega sistema - ne glede na to, ali je sistem namenjen zgolj
zalivanju travne ruše ali tudi drugih rastlin.
4
2 PREGLED LITERATURE
2.1 Osnove, načini in metode merjenja vlažnosti zemlje
Pri ugotavljanju vsebnosti vlage v zemlji je bilo v preteklosti uporabljenih več različnih
pristopov. Nekatere metode so z vidika uporabnosti bolj, druge manj učinkovite, nekatere
uporabljajo povsem mehanske pristope za določanje vlage v zemlji, druge so uporabniku
celo nevarne, saj za merjenje uporabljajo radioaktivne substance.
Med metodami najbolj izstopajo sledeče:
• gravimetrična metoda,
• metoda merjenja električne upornosti zemlje,
• toplotno-difuzijska metoda,
• absorpcijska metoda,
• tenziometrična metoda,
• penetracijska metoda in
• radioaktivna metoda.
Načinov ugotavljanja vlage v zemlji je torej kar precej, vendar po natančnosti in praktičnosti
pri napravah, ki uporabljajo elektroniko, izstopata predvsem dve novejši metodi:
• reflektometrija v časovni domeni (TDR)4 in
• reflektometrija v frekvenčni domeni (FDR)5.
Obema metodama je skupno to, da merita vlago v zemlji s pomočjo elektromagnetnih valov
na visokih frekvencah. Na podlagi analize obeh metod ugotavljamo, da je TDR metoda v
primerjavi s FDR metodo precej bolj zapletenena, saj zahteva kompleksnejše elektronsko
vezje. Glede na to, da je bil eden izmed ciljev magistrske naloge zgraditi cenovno ugoden
4 TDR – angl., Time Domain Reflectometry. 5 FDR – angl., Frequency Domain Reflectometry.
5
merilnik vlažnosti zemlje, je metoda določanja vlage v zemlji, ki deluje po principu
reflektometrije v časovni domeni, prezahtevna in tudi predraga. Po preučitvi principa
delovanja TDR metode smo namreč ugotovili, da bi razvoj kompleksnega elektronskega
vezja zahteval veliko časa in uporabo večjega števila sestavnih delov. Cena gotovega
proizvoda bi bila zato previsoka ter zato na trgu nekonkurenčna.
V magistrskem delu je opisana teoretična podlaga tako TDR kot tudi FDR metode, ki obe
uporabljata podoben pristop.
2.1.1 Merjenje vlage v zemlji v časovni domeni
Metoda določanja vsebnosti vlage v zemlji, ki izkorišča pojav refleksije elektromagnetnega
valovanja v časovni domeni, se je razvila iz metode, ki se je na začetku uporabljala za
odkrivanje napak na komunikacijskih vodih. S pomočjo te tehnike je bilo mogoče iskati
prekinitve ali pa morebitne kratke stike na električnih vodnikih in tako natančno določiti
mesto okvare [1]. Spodnja slika (Slika 2.2.1) prikazuje blokovno shemo TDR merilnika.
Slika 2.2.1: Blokovna shema reflektometrskega merilnika vlage v zemlji
6
Cilj TDR metode je določiti dielektrično konstanto zemlje in z njeno pomočjo nato izraziti
vsebnost vlage v zemlji. Da lahko določimo dielektrično konstanto zemlje, moramo zapisati
nekaj enačb, ki pri tem veljajo. Z enačbami (2.1), (2.2) in (2.3) lahko zapišemo hitrost
razširjanja valovanja v zemlji, razmerje med dielektričnostjo zemlje in dielektričnostjo
praznega prostora ter izgubni kot δ, čigar tangens predstavlja razmerje vektorjev med
realnim in imaginarnim delom dielektričnosti pri prehodu elektromagnetnega valovanja
skozi zemljo[1][2].
𝜈 =1
√(µ·𝜀
2)·(√1+𝑡𝑎𝑛2·𝛿+1)
(2.1)
0= 휀𝑟′ − 𝑗휀𝑟′′ = 휀𝑟′ − 𝑗
𝜎𝑏
𝜔· 0 (2.2)
tan 𝛿 = 𝐼𝑚( )
𝑅𝑒( )=
𝜎𝑏
𝜔· 𝑟′· 0 (2.3)
Pri tem je:
- 𝜈 - hitrost elektromagnetnega valovanja v zemlji (m/s),
- 휀 - kompleksna dielektrična konstanta (F/m),
- 휀𝑟′ - realni del dielektričnosti zemlje, ki predstavlja dielektrično konstanto zemlje
(F/m),
- 휀𝑟′′ - imaginarni del dielektričnosti zemlje, ki predstavlja izgube zaradi prevodnosti
zemlje (F/m),
- tan 𝛿 - tangens izgubnega kota,
- 𝜎𝑏 - električna prevodnost zemlje (S/m),
- µ - magnetna permeabilnost zemlje (Vs/Am),
- 𝜔 - krožna frekvenca elektromagnetnega valovanja (rad/s),
- 휀0 - dielektrična konstanta praznega prostora (F/m).
Pri materialih, ki izkazujejo nizko prevodnost pri frekvencah, ki so enake ali višje od 100
MHz, kar zemlja dejansko izkazuje, lahko zapišemo enačbe (2.4), (2.5) in (2.6), ki definirajo
7
hitrost razširjanja impulza po merilni elektrodi in v praznem prostoru, ter povezavo z
dielektrično konstanto zemlje.
𝜈 =2·𝐿
𝑡≅
1
√µ·µ0· · 0≅
𝑐
√ 𝑏 (2.4)
𝑐 = 1
√µ0· 0 (2.5)
휀𝑏 ≅ 휀𝑟′ (2.6)
Pri tem je:
- 𝜈 - hitrost širjenja elektromagnetnega valovanja po merilni elektrodi (m/s),
- 𝐿 - dolžina merilne elektrode (m),
- 𝑡 - čas potreben za potovanje elektromagnetnega valovanja od začetka do konca
elektrode in nazaj (s),
- 휀𝑏 - dielektrična konstanta zemlje (F/m),
- µ - magnetna permeabilnost zemlje (Vs/Am),
- 𝑐 - hitrost signala v praznem prostoru (m/s),
- µ0 - magnetna permeabilnost praznega prostora (Vs/Am),
- 휀𝑟′ - realni del dielektrične konstante zemlje (F/m).
Pri ugotavljanju vlage v zemlji s pomočjo reflektometrije v časovni domeni se v praksi
uporablja merilna sonda, ki jo sestavljajo dve ali tri kratke paličice iz nerjavečega materiala
in izvor visokofrekvenčnih impulzov frekvence okoli 1 GHz. Merilnik vlažnosti zemlje (Slika
2.2) je sestavljen iz dveh med seboj povezanih sklopov. Sonda je na merilnik priključena s
koaksialnim kablom in ustreznimi priključnimi konektorji. Uporabi na terenu je prilagojena
tako, da jo je mogoče ročno zariniti v zemljo in nato izvesti meritev.
8
Slika 2.2: Prikaz tovarniškega merilnika vlažnosti zemlje, ki deluje po metodi TDR6
Signalni impulz, ki ga generira elektronsko vezje, potuje po kablu, dokler ne doseže merilne
sonde. Do te točke je signal zaščiten s plaščem kabla, kar pomeni, da do sem ni nobenih
izgub, razen ohmskih zaradi kabla samega. Signal nato nadaljuje pot od začetka proti koncu
sonde. Čas, ki ga signal porabi za potovanje po sondi, je neposredno povezan z realnim
delom kompleksne dielektričnosti medija, ki obdaja sondo, zato lahko zapišemo enačbo
(2.7)[1]:
휀𝑟′ = (𝑐·𝑡𝑟𝑒𝑓𝑙
2·𝑙)
2 (2.7)
Pri tem je:
- 휀𝑟′- realni del kompleksne dielektričnosti (F/m),
- 𝑐 - hitrost potovanja signala v praznem prostoru (m/s),
- 𝑡𝑟𝑒𝑓𝑙 - čas potovanja signala po merilni sondi (s),
6 Vir: https://www.vanwalt.com/tdr-soil-moisture-measurement.html.
9
- 𝑙 - dolžina elektrod merilne sonde (m).
Ko signal prispe do konca merilne elektrode, se reflektira nazaj. Pri tem se izkaže, da
imaginarni del kompleksne dielektričnosti predstavlja razmerje amplitud oddanega in
odbitega signala. Zato lahko zapišemo enačbo:
휀𝑟′′ = √ 1
120·𝜋·𝑙· ln
𝑢𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠
𝑢𝑟𝑒𝑓𝑙 (2.8)
Pri tem je:
- 휀𝑟′′- imaginarni del dielektrične konstante (F/m),
- 휀1 - realni del dielektrične konstante (F/m),
- 𝑙 - dolžina merilnih elektrod (m),
- 𝑢𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠 - amplituda oddanega signala (V),
- 𝑢𝑟𝑒𝑓𝑙 - amplituda odbitega signala (V).
Kadar je zemlja okoli merilnih elektrod dovolj homogena in nima velike prevodnosti (kar
velja za veliko večino zemljin), je amplituda odbitega impulza dovolj velika za detekcijo. V
tem primeru je imaginarna komponenta dielektričnosti zanemarljivo majhna in lahko
rečemo, da je takrat dielektrična konstanta zemlje kar enaka realnemu delu dielektričnosti
zemlje.
Ko določimo dielektrično konstanto zemlje, ki je funkcija realne dielektričnosti (2.9), lahko
s pomočjo univerzalne enačbe (2.10), ki jo je leta 1980 zapisal kanadski znanstvenik Clarke
G. Topp7, enostavno izračunamo volumsko vrednost vode v zemlji [1].
𝛩𝑣 = 𝑓(휀𝑏) (2.9)
𝛩𝑣 = (−5.3 · 10−7 + 2.92 · 10−2 · 휀𝑏 − 5.5 · 10−4 · 휀𝑏
2
+4.3 · 10−6휀𝑏3 ) · 100 (2.10)
7 Clarke G. Topp – kanadski okoljski znanstvenik.
10
Pri tem je:
- 휀𝑏 - dielektrična konstanta zemlje (brez enote),
- 𝛩𝑣 - volumski del vlage v zemlji (%).
Določanje vlage v zemlji s pomočjo reflektometrije v časovni domeni omogoča točnost v
območju ± 2 %, upoštevaje standardno termogravimetrično merilno metodo, ki služi kot
referenca. Zaradi tako velike točnosti metode ni potrebe po kalibraciji instrumenta glede
na posamezno zemljino. Slabost metode pa je ta, da je uporaba v zemljinah, ki izkazujejo
visoko prevodnost, težavna zaradi velikega slabljenja signala in posledično slabe zaznave
odbitega signala [1][2].
2.1.2 Merjenje vlage v zemlji v frekvenčni domeni
Pri izmeničnih električnih tokovih v interakciji z dielektričnimi materiali lahko dielektričnost
materiala definiramo kot vsoto realne in kompleksne vrednosti, ki je odvisna od krožne
frekvence, ki ji je takšen material izpostavljen in je predstavljena z enačbo (2.11) [1]:
휀(𝜔) = 휀1(𝜔) + 𝑗 휀2(𝜔) (2.11)
Pri tem je:
- 휀 - skupna kompleksna vrednost dielektričnosti (F/m),
- 휀1 - realni del dielektričnosti (F/m),
- 휀2 - imaginarni del dielektričnosti (F/m),
- 𝜔 - krožna frekvenca (rad/s).
Realna komponenta enačbe pri tem predstavlja shranjeno energijo v materialu, imaginarna
komponenta pa izgube (Slika 2.3), ki so posledica absorpcije elektromagnetnega polja. Do
absorpcije elektromagnetnega polja v materialu pride zaradi ionske prevodnosti materiala
in dielektričnih izgub, ki so posledica prehoda električne poljske jakosti skozi dielektrik. Zato
lahko enačbo (2.11) nekoliko preoblikujemo, da dobimo enačbi (2.12) in (2.13) [1]:
휀 = 휀1(1 − 𝑗 tan 𝜎 ) (2.12)
11
tan 𝜎 = 2
1 (2.13)
Pri tem je:
- 휀 - skupna kompleksna vrednost dielektričnosti (F/m),
- 휀1 - realna komponenta dielektričnosti (F/m),
- 휀2 - imaginarna komponenta dielektričnosti (F/m),
- tan 𝜎 - tangens izgubnega kota (brez enote).
Slika 2.3: Predstavitev izgubnega kota 𝜎 in nadomestne vezave kondenzatorske merilne
sonde
Ker so izgube v materialu, kot že omenjeno, odvisne ne samo od dielektričnih izgub, ampak
tudi od krožne frekvence elektromagnetnega polja, ki mu je izpostavljen dielektrik, lahko
imaginarni del skupne dielektričnosti zapišemo z enačbo (2.14)[1]:
휀2 = 휀2𝑑 +𝜎
0𝜔 (2.14)
12
Pri tem je:
- 휀2𝑑 - izguba v dielektriku (F/m),
- 𝜎 - ionska prevodnost materiala (S/m),
- ω - krožna frekvenca (rad/s),
- 휀0 - dielektričnost v vakuumu (8.85 · 10−12 𝐹/𝑚).
Metoda reflektometrije v frekvenčni domeni je zelo podobna metodi reflektometrije v
časovni domeni. Za določitev dielektričnosti zemlje pa drugo omenjena metoda uporablja
kapacitivnost kondenzatorja, med ploščama katerega je zemlja [1][2].
Kapacitivnost kondenzatorja in zemlje (kot dielektričnega materiala v njem) lahko zapišemo
z enačbo (2.15):
𝐶 = 𝛼 · 휀0 · 𝐾 (2.15)
Pri tem je:
- 𝐶- kapacitivnost kondenzatorja (F),
- 𝛼 - geometrijska konstanta merilnih elektrod,
- 𝐾 - dielektrična konstanta zemlje (brez enote),
- 휀0 - dielektrična konstanta praznega prostora (F/m).
Takšen kondenzator je lahko narejen na različne načine. Lahko je sestavljen iz planarnih
oziroma vzporednih »stripov«8 na ploščici tiskanega vezja, iz kovinskega obroča, ki obkroža
paličico, iz dveh kovinskih paličic, iz dveh kovinskih obročev ipd. Primeri so prikazani na
naslednji sliki (Slika 2.4) [2].
8 Strip – angl., bakren vod na ploščici tiskanega vezja.
13
Slika 2.4: Izvedbe kondenzatorskih sond9
V nekaterih primerih pa je priročneje dielektričnost zemlje meriti s kondenzatorjem kot
elementom RC vezja.
Ko čez takšno vezje, ki izkazuje določeno impedanco, teče znan tok, ki ustvari določen
padec napetosti, lahko izmerimo amplitudo in fazo te napetosti. Napetost pri tem izkazuje
kompleksen značaj. Dielektričnost se tako meri s pomočjo kompleksne impedance »Z« tega
kondenzatorja. Razmerje med kompleksno impedanco in kompleksno dielektričnostjo je
podano z enačbo (2.16). Enačbi (2.17) in (2.18) pa prikazujeta povezavo med realnim delom
dielektričnosti 휀𝑟′ in kapacitivnostjo ter imaginarnim delom dielektričnosti 휀𝑟′′ in
prevodnostjo zemlje [1][2].
𝑍 = 1
𝐺+𝑗𝜔·𝐶=
1
𝑗𝜔· · 0·𝛼 (2.16)
휀𝑟′ = 𝐶
𝛼· 0 (2.17)
휀𝑟′′ = 𝐺
𝜔· 0·𝛼 (2.18)
9 Vir: https://www120.secure.griffith.edu.au/rch/items/f687a3b4-739d-e4df-dcea-60279c64bdaf/1/.
14
Pri tem je:
- 𝑍 - impedanca sonde (Ω),
- 𝜔 - krožna frekvenca (rad/s),
- 휀 - dielektrična konstanta zemlje (brez enote),
- 휀0 - dielektrična konstanta praznega prostora (F/m),
- 𝐺 - induktanca zemlje (𝐹−1),
- 𝐶 - kapacitivnost zemlje (F),
- 𝛼 - geometrijska konstanta merilnih elektrod,
- 휀𝑟′ - realna komponenta dielektrične konstante zemlje (F/m),
- 휀𝑟′′ - imaginarna komponenta dielektrične konstante zemlje (F/m).
Amplitudni odziv kondenzatorske sonde je tako odvisen od realnega dela dielektričnosti, ki
predstavlja reaktivno komponento (kapacitivnost kondenzatorja), in kompleksne
dielektričnosti, ki predstavlja prevodnost zemlje. Ko kapacitivnost kondenzatorja (z zemljo
kot dielektrikom v njem) z višanjem vsebnosti vode v zemlji narašča, narašča tudi odziv
sonde, kar ima za posledico, da visokofrekvenčna priključena napetost na sondi pada [1][2].
Znanstveni izsledki kažejo, da pri frekvencah med 100 MHz in 1 GHz imaginarni del
dielektrične konstante 휀𝑟′′ (izgube zaradi prevodnosti zemlje) nima več pomembne vloge
in ga lahko zanemarimo. Dielektrične izgube v zemlji so takrat najmanjše in realni del
dielektrične konstante, ki je v neposredni povezavi s kapacitivnostjo, prevzema
dominantno vlogo pri celokupni dielektričnosti zemlje. Razmerje med realnim in
imaginarnim delom dielektričnosti ter frekvenco prikazuje naslednja slika (Slika 2.5).
15
Slika 2.5: Prikaz razmerja med realnim delom dielektrične konstante zemlje in imaginarnim
delom10
Mehanska izvedba sonde je zaradi tega enostavnejša in cenovno ugodnejša. Na slikah (Slika
2.6) in (Slika 2.7) sta prikazani tovarniško izdelani kapacitivni sondi, pri katerih je
uporabljena tehnologija izdelave kondenzatorja na ploščici tiskanega vezja. To je uporabno,
saj lahko tudi ostale sestavne dele merilnika vlažnosti zemlje umestimo na tiskano vezje. V
primerih, ko se uporablja drugačna oblika kapacitivne sonde, pa je treba elektroniko
namestiti drugje.
10 Vir: http://electronicimaging.spiedigitallibrary.org/article.aspx?articleid=1099506.
16
Slika 2.6: Primer tovarniške kapacitivne sonde podjetja Decagon Devices, Inc.11
Slika 2.7: Primer tovarniške kapacitivne sonde podjetja Vegetronix, Inc.12
11 Vir: http://www.environmentalbiophysics.org/tdr-versus-capacitance-or-fdr/.
12 Vir: http://www.vegetronix.com/Products/VH400/.
17
3 ZASNOVA IN IZVEDBA MERILNEGA SISTEMA
Želimo merilnik, ki je popolnoma energijsko neodvisen in napajan iz akumulatorske
baterije, polnjene iz fotovoltaične celice. Podatke o izmerjeni vlažnosti in temperaturi
zemlje mora merilnik do zalivalnega sistema oziroma do sprejemnika v njem prenašati
brezžično, proces delovanja pa mora biti voden s sodobnim mikrokrmilnikom. Celotno vezje
mora biti kar se da energijsko varčno, saj želimo, da je napajalna baterija čim manjših
dimenzij, delovanje naprave pa mora biti nemoteno tudi takrat, ko je sončnih dni malo
oziroma, ko je vreme slabo. Glede na zastavljene cilje mora merilnik vsebovati sledeče
elemente:
• fotovoltaično polnilno celico,
• DC/DC pretvornik navzgor za kontrolirano polnjenje baterije,
• Li-Ion13 akumulatorsko baterijo,
• sodoben 8-bitni mikrokrmilnik,
• zanesljivo in enostavno vezje za merjenje vlažnosti zemlje,
• vezje za merjenje temperature v zemlji,
• primerno vodotesno in zaščitno ohišje,
• ISM 869 MHz oddajni modul za prenos podatkov.
Ob upoštevanju omenjenih zahtev smo sestavili osnovno zasnovo vezja, ki jo prikazuje
naslednja slika (Slika 3.1).
13 Li-Ion – vrsta akumulatorske baterije, izdelane na osnovi litija.
18
Slika 3.1: Zasnova sklopov merilnika vlažnosti in temperature zemlje
3.1 Blokovna shema merilnika
Merilnik vlažnosti in temperature zemlje je sestavljen iz večih med seboj povezanih
sklopov, ki se napajajo iz akumulatorske baterije. Prikazan je na naslednji sliki (Slika 3.2).
Baterija se polni iz majhne sončne celice s pomočjo DC/DC pretvornika navzgor, ki skrbi za
nadzorovano polnjenje in tako skupaj z baterijo zagotavlja energijsko avtonomijo celotne
naprave. Merilnik je zgrajen iz temperaturno stabilnega visokofrekvenčnega oscilatorja
frekvence 100 MHz, narejenega v CMOS14 tehnologiji, ki mu sledi prilagodilnik nivoja
izhodnega signala oscilatorja. Prilagodilnik mora namreč previsoko amplitudo
oscilatorjevega izhoda znižati na primeren napetostni nivo, primeren za vezje, ki sledi. Za
prilagodilnikom napetostnega nivoja je prigrajeno merilno vezje, ki je sestavljeno iz upora
in kondenzatorske sonde. Sonda se namesti v zemljo in služi za merjenje vlage v njej. Princip
delovanja sonde temelji na spremembi kapacitivnosti kondenzatorja, ki je posledica
spremembe dielektrične konstante zemlje zaradi vsebnosti vode. Signal nato iz merilnega
14 CMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, posebna tehnologija izdelave elektronskih komponent.
19
vezja vodimo na visokofrekvenčni detektor, ki skrbi za pretvorbo merjenega signala v
ustrezen enosmerni napetostni nivo, temu pa sledi A/D pretvornik mikrokrmilnika. Z A/D
pretvornikom zajemamo analogno vrednost napetosti iz detektorja in jo pretvarjamo v
digitalno obliko, ki je primerna za nadaljnjo obdelavo s programskim algoritmom
mikrokrmilnika za izračun vlažnosti zemlje. Temperaturo zemlje merimo z občutljivim
temperaturnim senzorjem in pripadajočim kovinskim prenosnikom toplote ter ustreznim
vezjem, ki je neposredno povezano na drugi A/D pretvornik mikrokrmilnika. Z
mikrokrmilnikom nato po določenem algoritmu obdelamo izmerjeni vrednosti vlage in
temperature in jih spremenimo v takšno obliko, ki je primerna za brezžično pošiljanje z RF
ISM modulom do sprejemnika. Sprejemnik je enota, ki je nameščena v kontrolni enoti
zalivalnega sistema in ni predmet magistrske naloge.
Slika 3.2: Blokovna shema merilnika vlažnosti in temperature zemlje
20
3.2 Študija solarno napajanih sistemov
Pridobivanje električne energije iz sončne svetlobe, ki obseva naš planet, je v današnjem
času zaradi visokih cen in številnih škodljivih vplivov drugih energentov na okolje več kot
dobrodošlo. Čeprav tehnologija izdelave sončnih celic zaradi škodljivih vplivov do določene
mere prav tako obremenjuje okolje, gre trend novih tehnoloških rešitev v smer
povečevanega izkoriščanja solarne energije. V zadnjih nekaj letih se je namreč izkoristek
sončnih celic zaradi uporabe modernejših materialov in uvedbe novih pristopov v izdelavi
močno povečal, njihova cena pa je zaradi poplave izdelkov na tržišču precej padla. Veliko
so k temu prispevale tudi odločitve vlad posameznih držav, da subvencionirajo pridobivanje
električne energije iz sonca z odkupom kilovatne ure elektrike po znatno višji ceni.
Na tem mestu se s problematiko solarnih sistemov ne bomo ukvarjali. Omejili se bomo zgolj
na vprašanje, kako nek majhen merilni sistem napraviti energijsko neodvisen z uporabo
sončne celice in baterijskega akumulatorja energije. Električno energijo, ki jo v ugodnih
razmerah lahko tekom dneva pridobivamo iz sončne celice, moramo kar se da učinkovito
in s čim manjšimi izgubami skladiščiti v primerni polnilni bateriji. S tem zagotovimo zadosti
energije za delovanje naprave tudi za čas, ko sončne energije ni na voljo - to je za ponoči in
ob slabih vremenskih razmerah.
Solarni sistem je tako sestavljen iz fotovoltaične celice, ki preko primernega pretvorniškega
vezja polni akumulatorsko baterijo, ter iz vezja za pretvorbo v ustrezen napetostni nivo, ki
napaja elektroniko naprave. Osnovni koncept je predstavljen na naslednji sliki (Slika 3.3).
21
Slika 3.3: Majhen solarni sistem za napajanje vezja15
Akumulatorsko baterijo je iz solarnega sistema mogoče polniti na več različnih načinov.
Eden izmed pogosteje uporabljenih načinov polnjenja je polnjenje s konstantnim tokom.
Za takšen režim polnjenja lahko uporabimo navaden linearni stabilizator napetosti, kakršen
je primer integriranega vezja LM 317, prikazan na naslednji sliki (Slika 3.4). Za nezahtevne
primere polnjenja akumulatorskih baterij je takšno vezje povsem zadovoljivo, za
kompleksnejše naprave, ki uporabljajo visokozmogljive in občutljivejše akumulatorske
baterije in zahtevajo čim višji izkoristek, pa takšen način polnjenja ni najbolj primeren.
Po našem prepričanju ima takšen sistem polnjenja preveč pomanjkljivosti, saj ne spremlja
vseh pomembnih parametrov, kot so to polnilni tok, napetost na bateriji ter temperatura
polnilnega člena. Prekoračenje katerega izmed navedenih parametrov namreč vodi v
skrajšanje življenske dobe baterije, v najslabšem primeru pa tudi v njeno uničenje.
15 Vir: (http://www.linear.com/solutions/1786).
22
Slika 3.4: Enostaven tokovni omejevalnik za akumulatorsko baterijo z LM 31716
Glede na postavljene zahteve smo poiskali primernejšo rešitev, ki poleg ostalih
najosnovnejših parametrov spremlja tudi zelo pomemben parameter, to je sledenje točki
največje moči sončne celice oziroma MPPT.17
V solarno napajanih sistemih je takšen parameter zelo zaželen, če ne že skoraj nujen. Za
določeno stopnjo osvetljenosti ima namreč sončna celica posebno delovno točko, v kateri
lahko proizvede največjo možno količino energije oziroma moči. Ohranjanje te točke, ko se
svetlobne razmere spreminjajo, se imenuje sledenje točki največje moči. Pogosto je treba
za opravljanje te funkcije uporabiti periodična merjenja ob različnih znanih obremenitvah
ob istočasnem direktnem merjenju izhodne napetosti in izhodnega toka ter na tej podlagi
izračunati trenutno izhodno moč sončne celice. Nato je DC/DC pretvorniku, na katerega je
priključena sončna celica, treba vsiliti točko delovanja, ki zagotavlja maksimalno moč tudi,
če se osvetlitvene in temperaturne razmere spremenijo. Takšen način na splošno zahteva
precej kompleksno vezje in mikroprocesorsko kontrolo. Blokovno shemo sistema za
sledenje točki največje moči lahko vidimo na naslednji sliki (Slika 3.5). Druga slika (Slika 3.6)
pa prikazuje U/I karakteristiko sončne celice in kaže točko največje moči.
16 Vir: (http://diyaudioprojects.com/Technical/Current-Regulator/).
17 MPPT- angl., Maximum Power Point Tracking, sledenje točki največje izhodne moči sončne celice.
23
Slika 3.5: Blokovna shema sistema za sledenje točki največje moči18
Slika 3.6: U/I karakteristika sončne celice19
18 Vir: (http://bryanwbuckley.com/projects/mppt.html).
19 Vir: (http://bryanwbuckley.com/projects/mppt.html).
24
Danes je na tržišču mogoče dobiti že izdelana integrirana vezja, ki vse te zahtevane sklope
združujejo v enem ohišju. Uporaba takšnega vezja je več kot dobrodošla, saj je čipu za
njegovo delovanje treba dodati samo še nekaj pasivnih zunanjih elementov. Čip tako skrbi
za kvalitetno in nadzorovano polnjenje akumulatorske baterije ter spremlja vse potrebne
parametre sončne celice, da je prenos energije iz celice do baterije maksimalen v vseh
ozirih. S takšnim načinom polnjenja baterije dosežemo dolgo energijsko avtonomijo
naprave, pa tudi dolgo življensko dobo baterije.
3.3 Izbira primerne polnilne fotovoltaične celice
Najpomembnejši del solarno napajanega sistema je fotovoltaična celica. Od nje je namreč
v največji meri odvisna količina energije, ki jo je mogoče pridobiti iz svetlobe, ki jo seva
sonce. Zato je lahko izbira fotovoltaične celice precej zahtevno opravilo. Ker so sončne
celice grajene na osnovi različnih tehnologij, se njihove značilnosti precej razlikujejo,
različna pa je tudi njihova cena. Danes se najpogosteje uporabljajo naslednje sončne celice,
ki so prikazane na spodnji sliki (Slika 3.7):
• silicijeve monokristalne celice,
• silicijeve polikristalne celice,
• silicijeve amorfne celice,
• celice iz kadmijevega telurida,
• celice iz baker-indij-galijevega selenida.
Slika 3.7: Primeri fotovoltaičnih celic20
20 Vir: https://www.linkedin.com/pulse/photovoltaics-pv-solar-cells-panels-available-types-best-borthakur.
25
Izkoristek fotovoltaičnih celic je odvisen od uporabljene tehnologije izdelave.
Pri izbiri fotovoltaične celice smo se morali odločiti, ali bomo dali prednost izkoristku
sončne celice ali njeni ceni. Zato smo proučili tehnične značilnosti celic, ki so na voljo na
trgu in primerjali njihove cene. Prišli smo do sledečih ugotovitev:
• Si-monokristalne sončne celice: 15 % – 20 % izkoristek in visoka cena,
• Si-polikristalne sončne celice: 13 % – 16 % izkoristek in nizka cena,
• Si-amorfne celice: 13 % – 14 % izkoristek in nizka cena.
Moč sončnih celic pada približno 0.5 % na leto, zato večina proizvajalcev jamči, da moč
celice po 25 letih ne bo manjša od 80 % nazivne moči. Na podlagi podatkov o izkoristkih,
moči in kvaliteti celic smo se odločili za cenejše sončne celice. Glede na predvideno
življensko dobo merilnika (cca. 10 let) pa smo izbrali silicijevo polikristalno celico nazivne
napetosti 4 V, ki je sposobna proizvesti tok 60 mA, kar v celoti zadovolji naše potrebe.
Prerez celice je prikazan na spodnji sliki (Slika 3.3.8)[15].
Slika 3.8: Presek polikristalne silicijeve sončne celice21
21 Vir: http://www.wiringdiagrams.org.
26
Napetost celice smo izbrali glede na zahteve DC/DC pretvornika navzgor, ki dovoljuje
maksimalno vhodno napetost 5 V. Velikost celice znaša 55 X 55 mm, kar je ravno prav, saj
želimo, da celica v ohišju naprave zasede celoten vrhnji prostor in s tem pokrije ostalo
elektroniko. Izgled celice je prikazan na spodnji sliki (Slika 3.9).
Slika 3.9: Izgled 4 V sončne silicijeve polikristalne celice dimenzije 55x55 mm22
Izbrana sončna celica ima na hrbtni strani izjedkane in s polariteto označene bakrene
priključke, kamor se prispajka priključne žice za potrebe priključitve celice na DC/DC
pretvornik navzgor. Ker je sončna celica precej občutljiva na mehanske poškodbe, jo je
treba vgraditi v primerno zaščitno ohišje.
Ohišje in celico je treba pokriti s takšnim materialom, ki je odporen na lom in ima dobro
prosojnost. Z uporabo polikarbonatnega pokrova, ki pokriva celico, sicer izgubimo nekaj
22 Vir: https://pt.aliexpress.com/item/2PCS-X-4V-60mA-Mini-monocrystalline-polycrystalline-solar-Panel-
small-solar-cell-PV-module-for-DIY/32392215772.html?spm=2114.42010208.4.24.kCvCNr.
27
vpadne sončne energije, vendar pa je mehanska trdnost in zaščita celice v našem primeru
pomembnejša od izgube nekaj odstotkov energije.
3.4 Izbira akumulatorske baterije in primerjava karakteristik
Kot je bilo obrazloženo, mora merilnik vlažnosti in temperature zemlje delovati
neprekinjeno v nočnem času, saj se takrat odvija zalivalni ciklus, kar zahteva neprekinjeno
spremljanje parametrov vlage in temperature. Tekom dneva nakopičeno energijo, ki je
shranjena v akumulatorski bateriji, merilnik v nočnem času porablja z merjenjem vlage in
temperature v zemlji. Te podatke nato pošilja do sprejemne enote v napravi, ki skrbi za
zalivanje. Količina energije, ki smo jo pridobili iz sončne celice in shranili v akumulatorski
bateriji, mora zadoščati za neprekinjeno delovanje merilnika tudi v primeru, ko so razmere
za pridobivanje sončne električne energije več dni zapored slabe. Zato je treba izbrati
baterijo z zadostno kapaciteto, ki pa zaradi želje, da je merilnik čim manjše dimenzije, ne
sme biti prevelika. Kapaciteta akumulatorske baterije mora biti tudi takšna, da jo je mogoče
ob ugodnih razmerah tekom dneva napolniti do maksimuma.
Nominalna napetost galvanskega člena oziroma baterije je odvisna od elektrokemičnih
karakteristik kemičnih elementov in spojin v členu. Napetost člena pa je odvisna tudi od
toka, ki teče skozi priključeno breme, notranje upornosti baterije, temperature, polnilnih
ciklov in starosti baterije. Za posamezno vrsto baterije so značilni tudi različni polnilni in
praznilni tokovi (Slika 3.10) ter število možnih polnjenj.
28
Slika 3.10: Prikaz praznilnih krivulj za Li-ion baterijsko celico23
Akumulatorske baterije so precej občutljiv element, ki mu je treba v fazi načrtovanja vezja
posvetiti kar nekaj pozornosti. Paziti je treba, da vezje ne porabi preveč energije. Baterije
ne smemo izprazniti pod določen napetostni nivo ali preveč napolniti. Vezje naprave mora
biti narejeno tako, da omogoča izklop vseh porabnikov, ko napetost baterije pade pod tako
imenovano »cut-off«24 napetost. Za dolgo življensko dobo baterije pa je priporočljivo, da je
napetost, pri kateri se izklopi vse porabnike, nekoliko višja od minimalne napetosti. Na
naslednji sliki (Slika 3.11) so prikazane karakteristike najpogosteje uporabljanih
akumulatorskih baterij.
23 Vir: https://learn.adafruit.com/li-ion-and-lipoly-batteries/voltages. 24 Cut-off voltage – angl., napetost spodnjega praga oziroma minimum.
29
Slika 3.11: Predstavitev osnovnih karakteristik različnih akumulatorskih baterij25
Akumulatorskih baterij, ki bi bile (vsaj kar se kapacitete tiče) primerne za vgradnjo v našo
napravo, je precej, vendar so njihove karakteristike in nominalne napetosti precej različne.
Glede na uporabljene komponente v vezju, je napajalna napetost za porabnike, nastavljena
na 3.3 V. V vezju moramo torej uporabiti takšno akumulatorsko baterijo, katere nominalna
napetost je nekoliko višja od te napetosti, saj moramo upoštevati še padec napetosti na
stabilizatorju napetosti APE 8865, ki napaja porabnike.
Napetost mora biti konstantna in ne sme pasti pod nivo 3 V, kar je zgornja vrednost izhodne
napetosti iz čipa AD 8361, ko vlaga v zemlji doseže 100 %. Če bi napetost padla pod nižji
nivo, meritev ne bi bila več točna. Napetost na bateriji je zato treba spremljati in v primeru
pretiranega padca napetosti prenehati izvajati meritev vlage. Glede na zbrane podatke in
izračune mora biti nominalna napetost akumulatorskega člena tako 3.6 V.
Ker želimo slediti zastavljenim ciljem, smo po pregledu karakteristik različnih tipov
akumulatorskih baterijskih členov izbrali Li-Ion baterijo z oznako LIR2450 (Slika 3.12), ki
zadosti postavljenim kriterijem. Je dovolj majhna, njena kapaciteta pa znaša 120 mAh, kar
25 Vir: http://eavto.si/akumulatorji-jih-res-poznamo/
30
po izračunih zagotavlja zadostno avtonomijo v delovanju merilnika. Za pričvrstitev na
tiskano vezje smo uporabili nosilec, ki je prikazan na sliki (Slika 3.13).
Slika 3.12: Li-Ion akumulatorska baterija LIR 245026
Slika 3.13: PCB nosilec baterije LIR245027
S pomočjo enačb (3.1), (3.2), (3.3) in (3.4) smo izračunali časovno avtonomijo merilnika
oziroma čas, ko polnjenje baterije ni potrebno. Pri tem smo upoštevali, da se vsi periferni
deli vezja, ko jih ne potrebujemo, izklapljajo, in da mikrokrmilnik, ko se nahaja v režimu
spanja, potroši zgolj zanemarljivo količino električnega toka. Hitrost prenosa podatkov v
oddajni modul je standardna in znaša 9600 bps,28 kar predstavlja podatek za izračun dolžine
trajanja podatkovne besede. S pomočjo enačbe (3.1) je izračunana celotna tokovna poraba
26 Vir: http://uk.farnell.com/multicomp/lir2450/coin-cell-lithium-120mah-3-6v/dp/2009025.
27 Vir: https://www.distrelec.ch/en/battery-holder-cr2450n-solder-pins-renata-hu2450/p/16950031.
28 Bps – angl., bits per second, biti/sekundo.
31
vezja v trenutku, ko so vsi sklopi naprave vključeni, RF oddajni modul pa je nastavljen na
polno moč.
𝐼𝑆𝐾𝑈𝑃𝑁𝐼 = 𝐼µ𝐶 + 𝐼𝑂𝑆𝐶 + 𝐼𝐻𝑀−𝑇𝑅𝑃869 + 𝐼𝐴𝐷8361 + 𝐼𝑀𝐴𝑋6608 (3.1)
600 µ𝐴 + 47 𝑚𝐴 + 100 𝑚𝐴 + 1.1 𝑚𝐴 + 15 µ𝐴 ≅ 𝟏𝟓𝟎𝒎𝑨
V enačbi (3.2) smo izračunali čas, ki je potreben, da oddamo izmerjene podatke. Sestavlja
ga čas, ki je potreben, da oscilator začne stabilno delovati in čas, ki je potreben za prenos
podatkov, čas čakanja do ponovitvenega oddajanja, čas ponovitvenega oddajanja in čas
ponovnega čakanja na to, da RF oddajni modul zaključi prenos podatkov.
𝑇𝑂𝑁 = 𝑇𝑂𝑁 𝑂𝑆𝐶.+ 𝑇𝑇𝑅𝐴𝑁𝑆𝑀𝐼𝑇 + 𝑇𝐷𝐸𝐿𝐴𝑌 + 𝑇𝑅𝐸𝑇𝑅𝐴𝑁𝑆𝑀𝐼𝑇 + 𝑇𝐷𝐸𝐿𝐴𝑌 (3.2)
100 𝑚𝑠 + 1.46 𝑚𝑠 + 50 𝑚𝑠 + 1.46 𝑚𝑠 + 50 𝑚𝑠 ≅ 𝟐𝟎𝟑 𝒎𝒔
Nato smo s pomočjo enačbe (3.3) izračunali čas delovanja naprave v eni uri - ob
predpostavki, da podatke pošiljamo vsako minuto.
𝑇𝑂𝑁/ℎ = 203 𝑚𝑠 · 60𝑜𝑑𝑑𝑎𝑗
ℎ= 𝟏𝟐. 𝟏𝟖𝒔 𝑶𝑵/𝒉 (3.3)
V času ene ure bo tako merilnik po izračunu iz enačbe (3.3) vključen le 12.18 sekunde.
Preostali čas bo zaradi varčevanja z energijo izklopljen.
Končno vrednost smo izračunali s pomočjo enačbe (3.4), katere rezultat predstavlja izračun
potrošene energije v eni uri.
(150 · 10−3 𝐴) · 12.18 𝑠 = 1.827 𝐴𝑠 ⇒ 1.827 𝐴𝑠
3600= 𝟎. 𝟓 𝒎𝑨𝒉 (3.4)
32
Glede na opravljene izračune bi merilnik s kapaciteto baterije 120 mAh brez dodatnega
polnjenja deloval približno 240 ur oziroma 10 dni, kar predstavlja zadosti dolgo časovno
obdobje za vnovično polnjenje baterije.
3.5 Načrtovanje DC/DC pretvornika navzgor za polnjenje akumulatorske
baterije
Polnjenje akumulatorske baterije smo izvedli s stikalnim pretvornikom navzgor. Takšen
tako imenovani DC/DC pretvornik je narejen z namenskim integriranim vezjem LTC 3105
podjetja Linear Technology Corporation.29 Čip je grajen tako, da z nekaj zunanjimi pasivnimi
elementi omogoča polnjenje baterije samo s pomočjo ene fotovoltaične celice, ki ima lahko
nizko nazivno napetost. Integrirano vezje vsebuje tudi učinkovit MPPT krmilnik, ki omogoča
maksimalen izkoristek visokoohmske in nizkonapetostne sončne celice. Točko MPPT lahko
glede na uporabljeno sončno celico določimo sami z izbiro le enega upora, ki ga izračunamo
s pomočjo enačbe (3.5).
𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇 = 10µ𝐴 · 𝑅𝑀𝑃𝑃𝑇 (3.5)
Pri tem je:
- 𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇 - napetost v točki največje izhodne moči (V),
- 𝑅𝑀𝑃𝑃𝑇 - upornost upora za določanje točke največje moči (Ω).
V vezju uporabljamo sončno celico, katere nazivna napetost je 4 V. Po tehničnih podatkih
znaša točka največje moči celice pri 80 % njene nazivne napetosti. Napetost v točki MPPT
lahko izračunamo s pomočjo enačbe (3.6).
𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇 = 0.8 · 4 𝑉 = 𝟑. 𝟐 𝑽 (3.6)
Upor 𝑅𝑀𝑃𝑃𝑇, ki v vezju DC/DC pretvornika določa napetost sledenja točki največje moči,
lahko izračunamo, če obrnemo enačbo (3.6) tako, da dobimo enačbo (3.7).
29 Linear Technology Corporation – podjetje iz ZDA, ki izdeluje polprevodniške elektronske elemente.
33
𝑅𝑀𝑃𝑃𝑇 =𝑉𝑀𝑃𝑃𝑇
10µ𝐴=
3.2 𝑉
10·10−6𝐴= 𝟑𝟐𝟎 𝒌𝜴 (3.7)
Ker upor s takšno vrednostjo ne obstaja na nobeni standardni uporovni lestvici, ga
sestavimo enostavno kar iz dveh drugih standardnih vrednosti tako, da zaporedno vežemo
upora vrednosti 220 kΩ in 100 kΩ. Zaradi minimalnega odstopanja od prave vrednosti smo
izbrali toleranco uporov 1 %.
Integrirano vezje LTC 3105 omogoča napajanje elektronike iz posebnega izhoda,
imenovanega LDO, s tokovno omejitvijo 6 mA medtem, ko se baterije lahko nemoteno
polnijo. Napetost omenjenega izhoda je mogoče določiti z uporovnim delilnikom, ki ga
izbere načrtovalec glede na potrebe vezja, izračunati pa ga je mogoče s pomočjo enačbe
(3.8).
𝑉𝐿𝐷𝑂 = 1.004 𝑉 · ( 𝑅3
𝑅4+ 1 ) (3.8)
Ker poznamo napetost 𝑉𝐿𝐷𝑂, ki v našem primeru znaša 3.3 V, lahko upornost uporov 𝑅3 in
𝑅4 izračunamo s pomočjo enačbe (3.9), ki jo je treba le obrniti. Določimo vrednost upora
𝑅3 in izračunamo upor 𝑅4. Ob tem je treba paziti le, da je upornost upora 𝑅3 v območju
megaohmov.
𝑅4 =𝑅3
(𝑉𝐿𝐷𝑂1.004
−1)=
2.2·106𝛺
(3.3 𝑉
1.004−1)
= 𝟗𝟔𝟐 𝒌 (3.9)
Da ločimo napajanje šibkejših in močnejših potrošnikov v vezju in da zmanjšamo potrebo
po dodatnem linearnem napetostnem stabilizatorju za napajanje šibkejših porabnikov,
šibkejše porabnike napajamo iz izhoda LDO. Na ta izhod smo priključili mikrokrmilnik,
integrirano vezje za merjenje temperature MAX 6608 in detektor vršne moči AD 8361.
Seštevek tokovne potrošnje je izračunan v spodnji enačbi (3.10).
𝐼𝐿𝐷𝑂 = 𝐼𝑃𝐼𝐶16𝐿𝐹1823 + 𝐼𝑀𝐴𝑋6608 + 𝐼𝐴𝐷8361 (3.10)
34
1 𝑚𝐴 + 15 µ𝐴 + 1.1 𝑚𝐴 = 𝟐. 𝟏𝟏𝟓 𝒎𝑨
Na podlagi izračuna ugotovimo, da tokovna poraba iz priključka LDO dosega le 1/3
dopustne vrednosti, kar je dobro, saj je s tem tranzistor v čipu, preko katerega teče ta tok,
manj obremenjen.
Izhodna napetost vezja, s katero polnimo akumulatorje, je prav tako določljiva z uporovnim
delilnikom, ki ga izračunamo na podlagi enačbe (3.11).
𝑉𝑂𝑈𝑇 = 1.004 𝑉 · ( 𝑅1
𝑅2+ 1 ) (3.11)
Postopek izračuna je popolnoma enak postopku izračuna uporov 𝑅3 in 𝑅4, zato lahko
vrednosti za 𝑅1 in 𝑅2 kar prepišemo. V enačbi smo upoštevali le višjo napetost 𝑉𝑂𝑈𝑇, ki
zaradi uporabljene akumulatorske baterije znaša 4.2 V.
𝑅1 = 𝟏. 𝟎𝟐 𝑴𝜴 ; 𝑅2 = 𝟑𝟐𝟎 𝒌𝜴
Kot smo že omenili, omogoča vezje DC-DC boost pretvornika delovanje tudi pri zelo nizki
vhodni napetosti, ki jo dobimo iz sončne celice, katere vrednost pa ne sme pasti pod 225
mV.
3.6 Načrtovanje stabilnega RF oscilatorja z merilnim krogom in kapacitivno
sondo
Za natančno merjenje vlage v zemlji je stabilno delovanje oscilatorskega kroga z merilnim
vezjem ključnega pomena. Predvsem je pomembno, da oscilatorski krog deluje stabilno
tudi v spremenljivih temperaturnih pogojih. Znano je namreč, da so oscilatorji zelo
občutljivi na temperaturne spremembe in da se jim frekvenca lahko zato precej spreminja.
Ker je natančnost meritev močno odvisna od stabilnosti frekvence visokofrekvenčnega
oscilatorja, smo pred gradnjo vezja veliko pozornosti namenili prav izbiri primernih
35
gradnikov vezja oscilatorja. Nekoč so bili oscilatorji sestavljeni iz osnovnih gradnikov, kot so
to kondenzator, tuljava, uporovni elementi za določitev delovne točke tranzistorja ter
tranzistor kot aktivni element vezja (Slika 3.14).
Slika 3.14: Preprost LC oscilator30
Pri zahtevnih aplikacijah je bila gradnja takšnega oscilatorja problematična predvsem zaradi
zagotavljanja kvalitete in tolerance parametrov osnovnih gradnikov. Zlasti zaradi
zapletenosti gradnje in nepredvidljivosti visokofrekvenčnih oscilatorjev smo se odločili, da
že gotov oscilator raje kupimo in ga ne sestavljamo sami.
Po podrobnem pregledu tehničnih specifikacij VF oscilatorjev, ki so na tržišču, smo izbrali
oscilator, ki ga proizvaja podjetje Fox Electronics iz ZDA (Slika 3.15).
30 Vir: http://www.learnabout-electronics.org/Oscillators/osc24.php.
36
Slika 3.15: Blokovna shema in zunanji izgled oscilatorja31
Oscilator uporablja tehnologijo CMOS in za potrebe merilnika vlage v zemlji deluje na
frekvenci 100 MHz s stabilnostjo ± 20 ppm.32 Ključno vlogo pri izbiri oscilatorja je igrala prav
njegova stabilnost. Temperaturno območje delovanja oscilatorja je po tehničnih
specifikacijah dovolj široko in je v območju od - 40 °C do + 85 °C. Takšno temperaturno
območje je za delovanje naprave, za katero želimo, da deluje zanesljivo na območju od - 10
°C do + 60 °C, več kot ustrezno.
Oscilator poleg ostalih dobrih lastnosti odlikuje tudi izredno majhen pomik frekvence
oziroma tako imenovani »jitter«. Njegova cena je sprejemljiva, saj znaša le 1,20 EUR. Pri
napravah, ki so predvidene za široko potrošnjo, je namreč cena posameznih elementov
izrednega pomena in pogosto tudi glavna pri izbiri gradnikov vezja. Tokovna poraba v
aktivnem režimu ob napajalni napetosti 3.3 V znaša po podatkih proizvajalca 47 mA, kar ni
malo. Zaradi varčevanja z energijo ga je zato treba takoj po izvedeni meritvi izključiti. Za
merilnik smo izbrali oscilator v ohišju velikosti 5 x 7 mm, ki je zadosti veliko glede na velikost
ostalih komponent vezja, ki so majhnih SMD dimenzij 0805.
Oscilator je narejen tako, da ima poseben izvod iz ohišja, kjer je njegovo delovanje mogoče
z ustreznim napetostnim nivojem omogočiti oziroma onemogočiti. Visok logični nivo na
tem priključku delovanje omogoči, nizek pa ga onemogoči. Čas do stabilnih oscilacij po
31 Vir: https://www.foxonline.com/.
32 Ppm – angl., parts per million, delcev na milijon.
37
zagonu znaša 10 ms, zato mora mikrokrmilnik pred izvajanjem vsake meritve toliko časa
čakati. Ni zaželeno, da mikrokrmilnik samo čaka in ne izvaja nobenih aktivnosti. Ta čas je v
programski kodi treba upoštevati in ga zapolniti z neko drugo aktivnostjo.
Zaradi onemogočanja povratnih vplivov iz oscilatorja v napajalni krog smo na priključku za
napajanje oscilatorja prigradili LC filter (slika 3.17), ki ga sestavljata dva keramična
kondenzatorja in visokofrekvenčna dušilka. Izločiti je bilo treba vse visokofrekvenčne
komponente oscilatorja, ki bi lahko škodljivo vplivale na stabilno delovanje ostalih sklopov
merilnika, predvsem RF oddajnega modula. S kondenzatorjem 𝐶2 izločimo vse
visokofrekvenčne komponente že takoj na samem napajalnem priključku oscilatorja. Z
dušilko 𝐿1 preprečimo, da se kakšne preostale komponente prenesejo v napajalno
napetost, kondenzator 𝐶1 pa izloči oziroma na maso sklene še tiste komponente, ki nam jih
ne uspe izločiti s predhodnima dvema elementoma.
Takšen tako imenovani »PI« filter ščiti ostale sklope naprave pred neželenim vdorom
visokofrekvenčnih motenj preko napajalnih linij in s tem preprečuje njihovo morebitno
nepričakovano obnašanje, ki za delovanje merilnika ni sprejemljivo. Filter, ki ga prikazujeta
sliki (Slika 3.16) in (Slika 3.17), je dobil ime po grški črki »pi«, na katero spominja razpored
elementov.
Slika 3.16: primer PI filtra
38
Slika 3.17: Shema VF oscilatorja frekvence 100 MHz
Upoštevaje podatke proizvajalca lahko izhod oscilatorja obremenimo z maksimalno 15 pF.
Z namenom zagotoviti večjo dinamiko obremenitve izhoda smo oscilatorju dodali
ojačevalno stopnjo (Slika 3.18) oziroma »buffer«,33 ki s svojim tranzistorjem kot aktivnim
elementom to dopušča.
Slika 3.18: Ojačevalna stopnja oscilatorja
33 Buffer – angl., ojačevalnik za prilagoditev enega sklopa vezja na drugega.
39
Izhodna napetost je bila iz ojačevalne stopnje nekoliko previsoka za nadaljnje procesiranje,
zato smo jo znižali na primeren nivo. To smo storili tako, da smo v merilni krog vstavili dva
upora, vrednosti 150 Ω in 75 Ω. V osnovi je vezje navaden napetostni delilnik, le upora sta
primerna za uporabo v visokofrekvenčnih tokokrogih. Upor R1 je izbran tako, da zagotavlja
primerno znižanje izhodne napetosti, ne da bi tokovno sam izhod tranzistorja obremenjeval
preveč. Upor R2 z vrednostjo 75 Ω ima poleg vloge napetostnega delilnika tudi vlogo
impedančne prilagoditve na merilni pretvornik. Priključka v vezju z oznako C Sen1 in C Sen2
predstavljata mesto (Slika 3.19), kamor se prispajka kapacitivno merilno sondo oziroma
tipalo (Slika 3.20).
Slika 3.19: Merilno vezje, ki ga sestavljata prilagodilnik signala in merilna sonda
40
Slika 3.20: Slika koncepta merilne sonde34 oziroma planarnega kondenzatorja
Izračune za kapacitivno sondo smo opravili s pomočjo enačb (3.12), (3.13) in (3.14), ki
veljajo za koplanarni kondenzator, narejen na tiskanem vezju.
𝐶 = 𝐿 ·∈·𝐾(𝑘′)
2·𝐾(𝑘) (3.12)
𝑘 = 𝑡𝑎𝑛ℎ(
𝜋·𝑑
4·𝑠)
𝑡𝑎𝑛ℎ(𝜋·(𝑤+𝑑/2)
2·𝑠) (3.13)
𝑘′ = √1 − 𝑘2 (3.14)
34 Vir: http://www.mdpi.com/1424-8220/12/10/13109/htm.
41
Pri tem je:
- 𝐶 - kapacitivnost sonde (F),
- 𝐿 - dolžina bakrenih trakov (m),
- 𝐾(𝑘′) - eliptični integral prvega odvoda od 𝑘,
- 𝐾(𝑘) - eliptični integral od 𝑘,
- ∈ - dielektrična konstanta vitroplasta (brez enote),
- 𝑑 - razdalja med dvema bakrenima trakovoma (m),
- 𝑤 - širina bakrenih trakov (m),
- 𝑠 - debelina vitroplasta (m).
Na sliki spodaj (Slika 3.21) je prikazan prototip izdelanega merilnega kondenzatorja.
Slika 3.21: Fotografija prototipa kapacitivne sonde
Prototip kondenzatorja je izdelan na enostranskem tiskanem vezju iz vitroplasta debeline
1.6 mm. Stran z bakrom je izolirana s plastično folijo debeline 0.2 mm, ki preprečuje
električni kontakt z okoliško zemljo. Črta s puščico označuje globino, do katere se merilni
42
kondenzator vstavi v zemljo. Zgornji del merilnega kondenzatorja je pričvrščen v ohišje
naprave.
3.7 Načrtovanje merilnega pretvornika za pretvorbo merilnega signala
Visokofrekvenčno napetost iz kapacitivne merilne sonde vodimo na merilni pretvornik, ki
je zgrajen s pomočjo integriranega vezja AD 8361. Vezje se v osnovi uporablja kot merilnik
jakosti signala v visokofrekvenčnih sprejemnikih in oddajnikih do frekvence 2.5 GHz.
Deluje z napajalnimi napetostmi med 2.5 V in 5.5 V ter za svoje delovanje potrebuje le
nekaj zunanjih kondenzatorjev. Izhodna vrednost je popolnoma linearna napetost s
prenosnim ojačenjem 7.5 V/V RMS.35 Izračunamo jo na podlagi enačbe (3.13). To pomeni,
da integrirano vezje vhodno napetost množi s faktorjem 7.5. Prenosna karakteristika je
prikazana na naslednji sliki (Slika 3.22). Druga slika (Slika 3.23) pa prikazuje notranjo
blokovno shemo integriranega vezja AD 8361.
𝑉𝑂𝑈𝑇 = 7.5 · 𝑉𝐼𝑁𝑟𝑚𝑠 (3.13)
Pri tem je:
- 𝑉𝑂𝑈𝑇 - izhodna napetost čipa (V),
- 𝑉𝑖𝑛 𝑟𝑚𝑠 - vhodna efektivna napetost v čip (V).
35 RMS – Root Mean Square, efektivna vrednost.
43
Slika 3.22: Izgled izhodne napetosti čipa AD 8361 pri frekvenci 1.9 GHz36
Slika 3.23: Blokovna shema vezja AD8361 v SOT-23 ohišju37
Signal, ki ga želimo meriti, privedemo na vhod, označen z RF IN, preko veznega
kondenzatorja 100 nF. Pri napajalni napetosti 3.3 V ne sme preseči 400 mV. Izhodna
napetost na priključku VRMS znaša takrat natanko 3 V, s čimer ne presegamo napetosti
nasičenja. Na priključku VPOS, ki je predviden za napajalno napetost, je treba čim bližje
priključni nogici prigraditi dva kondenzatorja vrednosti 100 nF in 100 pF za sklapljanje
visokofrekvenčnih signalov na maso. Med priključka, označena s FLTR in VPOS, pa vstavimo
36 Vir: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8361.pdf. 37 Vir: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/AD8361.pdf.
44
kondenzator vrednosti 100 nF, ki skrbi za zmanjšanje nihanja izhodne napetosti. Shemo
vezja prikazuje spodnja slika (Slika 3.24).
Slika 3.24: Shema merilnega pretvornika
Merilni pretvornik lahko izklapljamo na klasičen način tako, da mu odvzamemo napajalno
napetost ali pa priključno nogico, označeno s PWDN, sklenemo na potencial, na katerem je
priključek VPOS. V takšnem režimu čip troši tok 1 µA, njegov vhod pa ima takrat vhodno
upornost približno 16 kΩ. Če je na njegovem vhodu prisotna kakšna napetost, bo tok, ki ga
troši čip, odvisen tudi od te priključene napetosti.
3.8 Izbira najprimernejšega mikrokrmilnika in RF oddajnega podatkovnega
modula
Ker mora merilnik vlažnosti in temperature zemlje trošiti malo energije, je bila izbira
primernega mikrokrmilnika dokaj zahtevna naloga. Najti primeren čip, ki združuje vse
potrebne elemente za delovanje in vodenje naprave in je povrhu še energijsko nepotraten
ter poceni, je lahko nočna mora vsakega načrtovalca elektronskih vezij, ki v svojih napravah
uporabljajo mikrokrmilnike.
Za izbiro mikrokrmilnika PIC16F688 smo se odločili iz več razlogov. V napravo smo želeli
vgraditi napreden in energijsko varčen ter ne preveč zahteven mikrokrmilnik. Njegove
45
dimenzije so morale biti karseda majhne, na razpolago pa je moral imeti vsaj vse spodaj
naštete dele:
• najmanj tri A/D pretvornike z 10-bitno resolucijo,
• razširjen WDT,
• USART vmesnik,
• interni oscilator,
• najmanj 2k FLASH programskega pomnilnika in
• primerno velik RAM.
Mikrokrmilnik, ki smo ga izbrali, poleg vsega ostalega odlikuje izredno majhna poraba, kar
je za baterijsko napajane sisteme ključnega pomena. Njegova potrošnja v aktivnem načinu
po tehničnih podatkih znaša le 100 µA/MHz pri napajalni napetosti 2 V. V našem primeru
znaša tokovna poraba v delovanju okoli 600 µA, saj uporabljamo napajalno napetost 3.3 V
in frekvenco takta 4 MHz z notranjim oscilatorjem mikrokrmilnika. Poraba v režimu spanja
je skoraj zanemarljiva, saj pri napajalni napetosti 2 V znaša le 1 µA. Čip omogoča A/D
pretvorbo z 10-bitnimi A/D pretvorniki tudi v režimu spanja. Notranja blokovna shema je
prikazana na naslednji sliki (Slika 3.25).
46
Slika 3.25: Blokovna zgradba mikrokrmilnika PIC16F68838
Zunanji izgled mikrokrmilnika v ohišju SOIC-14 pa prikazuje naslednja slika (Slika 3.26).
38 Vir: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/41203B.pdf
47
Slika 3.26: Izgled mikrokrmilnika PIC16F688 v SOIC-14 ohišju39
Mikrokrmilnik lahko programiramo kar v vezju preko samo dveh priključkov, prav tako
lahko preko enakih priključkov tudi »razhroščujemo«40 programsko opremo. Priključka, na
katerih lahko izvajamo opisani opravili, se imenujeta ICSPDAT (podatki) in ICSPCLK (takt).
Na izbranem čipu sta to priključka RA0 in RA1 oziroma nogici 12 in 13 (Slika 3.27).
Slika 3.27: Prikaz priključkov za programiranje in »razhroščevanje«
Prenos podatkov iz merilnika do sprejemne enote v zalivalnem sistemu je izveden s
pomočjo RF modula HM TRP-869, ki ga izdeluje podjetje HOPERF Microelectronics Co.,
39 Vir: http://uk.rs-online.com/web/p/microcontrollers/6230415/.
40 Razhroščevanje – odpravljanje napak v programu.
48
Ltd.41 Vezje deluje na frekvenci 869 MHz v tako imenovanem ISM radio frekvenčnem
področju, zato zanj ne potrebujemo nobenih dovoljenj pristojnih inštitucij za
radiokomunikacije. Vezje odlikuje velika oddajna moč, ki znaša 20 dBm oziroma 100 mW,
zato je domet v odprtem prostoru lahko tudi več kot 1 km. Moč je mogoče prilagajati
potrebam uporabnika tako, da nastavimo poseben register, ki skrbi za to. Tudi vse ostale
parametre lahko nastavimo z registri, nastavitve pa ostanejo shranjene tudi po izključitvi
napajanja. Če želimo nastavljati registre, je treba postaviti priključka CONFIG in ENABLE na
nizek nivo. Ko je to narejeno, svetita zelena in rdeča LED dioda na vezju neprekinjeno. Za
spreminjanje parametrov RF modula se uporablja namenski program z imenom HM-TRP
Config GUI. Na spodnji sliki (Slika 3.28) je prikazan izgled grafičnega vmesnika tega
programa.
Slika 3.28: Izgled programa za nastavljanje parametrov RF modula
41 HOPERF Micro-electronics Co., Ltd. - kitajsko podjetje, ki izdeluje elektronske komponente.
49
Vezje je dokaj enostavno za uporabo in deluje z napajalno napetostjo 3.3 V, tokovna
potrošnja pa znaša 100 mA pri polni oddajni moči. Podatke vanj pošiljamo serijsko, in sicer
start bit, 8 podatkovnih bitov, ki jim sledi stop bit (Slika 3.29).
Slika 3.29: Izgled 8-bitne podatkovne besede42
Vezje je majhnih dimenzij, oddajno anteno pa nanj prispajkamo na za to pripravljenem
priključku. Spodnja slika (Slika 3.30) prikazuje način priključitve modula na mikrokrmilnik.
Slika 3.30: Prikaz tipične aplikacije s HM-TRP86943
42 Vir:http://www.active-semi.com/hydra/blog/simple-serial-communications/. 43 Vir:http://www.hoperf.com.
50
Ker vezje troši kar precej toka, ga je treba takrat, ko ne oddaja podatkov, izključiti. To
storimo tako, da postavimo priključek ENABLE na visok napetostni nivo, ko pa želimo
pošiljati podatke, priključek postavimo na nizek napetostni nivo. Izgled modula je prikazan
na spodnji sliki (Slika 3.31).
Slika 3.31: Modul HM-TRP86944
3.9 Načrtovanje merilnega sklopa za merjenje temperature v zemlji
Možnost merjenja temperature v zemlji je dodatna funkcija merilnika, ki služi za
temperaturno kompenzacijo pri izračunavanju vlažnosti v zemlji (dielektrična konstanta
vode v zemlji se namreč s temperaturo spreminja), kar prikazuje naslednja slika (Slika
3.32). Merjenje temperature pa je ključno tudi za določanje trenutka, ko je zaradi
prenizkih zunanjih temperatur treba zalivani sistem dati v režim mirovanja.
44 Vir: http://www.roboeq.ir/products.
51
Slika 3.32: Graf odvisnosti relativne dielektričnosti vode od temperature45
V času, ko je zunaj premrzlo, zalivalni sistem ne sme opravljati svoje naloge, saj obstaja
nevarnost, da pride do zamrznitve vode v ceveh, ki skrbijo za razvod vode do škropilnikov.
Naloga zalivalnega sistema je, da uporabnika takrat opozori, naj odstrani vodo iz sistema
z izpihovanjem cevnega razvoda s komprimiranim zrakom. Zaradi zamrznitve vode v
cevnem razvodu lahko namreč pride do poškodb ali celo uničenja cevi in škropilnikov. Ko
so zunanje temperature prenizke, tudi ni smiselno več zalivati, saj pri nižjih temperaturah
rastline več ne rastejo.
Funkcija merjenja temperature zemlje pa je poleg opisanega varnostnega vidika
dobrodošla tudi zato, ker lahko z njeno pomočjo uporabnik ugotovi, kdaj so razmere za
dosajanje trave najugodnejše.
Za merjenje temperature zemlje smo uporabili merilni senzor MAX 6608 v SOT-23 ohišju.
Zanj je značilno, da je narejen posebej za naprave, ki trošijo malo energije in uporabljajo
45 Vir: https://en.wikipedia.org/wiki/Relative_permittivity.
52
za napajanje nizko napetost iz baterij. Senzor ima analogni izhod in je precej natančen
(slika 3.33). Deluje z napajalnimi napetostmi, ki se gibljejo v območju od 1.8 V do 3.6 V,
njegova tokovna potrošnja pa je 8 µA. Temperaturno območje, ki ga je senzor sposoben
meriti, se giblje od – 20 °C do + 85 °C (Slika 3.34). V temperaturnem območju od 0 °C do
70 °C je natančnost meritve ± 0.7 °C. Izhodna karakteristika integriranega vezja je
prikazana na sliki spodaj (Slika 3.34).
Slika 3.33: Tipično aplikativno vezje z MAX 660846
46 Vir: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX6607-MAX6608.pdf.
53
Slika 3.34: Izhodna karakteristika čipa MAX 660847
Merjeno temperaturo po tovarniških tehničnih podatkih izračunamo s pomočjo enačbe
(3.9.1).
𝑇 = (𝑉𝑂𝑈𝑇−500𝑚𝑉)
10𝑚𝑉
°𝐶
(°𝐶) (3.9.1)
Pri tem je:
- 𝑇 - temperatura (°C),
- 𝑉𝑂𝑈𝑇 - izhodna napetost senzorja (V).
Pri senzorjih, kakršen je MAX 6608, ki merijo temperaturo svojega ohišja, je pomembno,
da se senzor namesti v neposredno bližino telesa, ki mu želimo meriti temperaturo. V
našem primeru, ko želimo meriti temperaturo zemlje, se srečamo s težavo, kako najbolj
optimalno namestiti senzor tako, da bo pravilno meril temperaturo zemlje. Iz tehničnih
podatkov je razvidno, da je jedro čipa zelo dobro toplotno sklopljeno z njegovimi
47 Vir: https://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX6607-MAX6608.pdf.
54
priključnimi nogicami. Po tehtnem premisleku smo se odločili, da senzor pustimo
prispajkan na ploščici tiskanega vezja in toploto pripeljemo neposredno do njega s pomočjo
telesa, ki je dober prevodnik toplote (Slika 3.35).
Slika 3.35: Prikaz prevajanja toplote skozi telo48
Ker je znano, da so kovine zelo dobri prevodniki toplote, smo sklenili, da toploto zemlje
vodimo preko primerno kratke in debele kovinske paličice skozi ohišje naprave neposredno
na kovinsko površino, kjer je prispajkan priključek mase senzorja. Na ploščici tiskanega
vezja smo zato pripravili posebno površino, kamor smo s pomočjo matice pritrdili paličico
iz nerjavnega materiala (Slika 3.36). Med matico in kovinsko površino, kamor je pritrjena
paličica, smo dali plast toplotno prevodne paste in tako naredili dober termični kontakt.
Ker meri dolžina paličice od zemlje do senzorja samo okoli 1 cm, je izguba toplote zaradi
okoliškega medija, ki je v tem primeru mirujoč zrak znotraj zaprte škatle, zanemarljiva.
Lahko rečemo, da je temperatura zemlje enaka dejanski temperaturi, ki jo je izmeril senzor.
Temperatura zemlje se tudi ne spreminja tako hitro, da bi sistem zaradi svoje vztrajnosti
prenosa toplote zaostajal za dejansko temperaturo. Sprva je sicer potreben določen čas, da
se temperatura na priključku senzorja stabilizira, vendar po nekaj minutah ta prehodni
pojav izzveni.
48 Vir: http://www.alanpedia.com/physics_thermal/thermal_physics_notes.html.
55
Slika 3.36: Izgled priključne površine za priklop prenosnika toplote in merilnega senzorja
3.10 Programiranje mikrokrmilnika
Za programiranje mikrokrmilnika smo uporabili programski jezik µC, ki ga je razvilo srbsko
podjetje MikroElektronika d.o.o. Je neke vrste izvedenka programskega jezika C z
določenimi posebnostmi, vsaj kar se knjižnic tiče. Splošni ukazi so enaki kot v programskem
jeziku C, enaka pa je tudi splošna oblika kode. Omenjeni programski jezik smo uporabili, ker
nam je dobro poznan. Veliko posameznih knjižnic je že napisanih, njihova uporaba in
vključitev v programsko kodo pa je tudi nadvse enostavna. S tem smo prihranili kar nekaj
dragocenega časa, kar je pri razvoju nove naprave zelo pomembno.
Program smo na mikrokrmilnik iz programskega okolja prenesli s pomočjo programatorja
PICkit 2, ki ga je za te namene izdelalo podjetje Microchip Technology Inc. iz ZDA. To
podjetje izdeluje tudi mikrokrmilnike, imenovane PIC. Programator je kljub sicer starejšemu
datumu še zmeraj uporabno orodje za programiranje različnih družin Microchip-ovih
mikrokrmilnikov. Na računalnik smo ga priključili preko USB priključka. Za delovanje
potrebuje le še pripadajoče programsko okolje, imenovano PICkit 2 Programmer (Slika
3.37).
56
Slika 3.37: Programsko okolje za programiranje PIC mikrokrmilnikov
Naslednja slika (Slika 3.38) prikazuje PICkit 2 programator, s katerim smo program prenesli
na mikrokrmilnik.
57
Slika 3.38: PICkit 2 programator49
Na ciljni objekt, to je mikrokrmilnik, se programator PICkit 2 priključi s pomočjo petih
priključnih pinov (Slika 3.39). Zato je na tiskanem vezju v bližino, kamor je prispajkan
mikrokrmilnik, treba umestiti tudi primeren konektor, ki bo služil za programiranje.
LED diode na programatorju prikažejo, ko je priključena napajalna napetost preko USB
priključka (zelena LED dioda), ko programator napaja ciljni mikrokrmilnik (rumena LED
dioda) in ko je programator v proceduri programiranja mikrokrmilnika (rdeča LED dioda).
49 Vir: http://www.microchip.com/DevelopmentTools/ProductDetails.aspx?PartNO=pg164120.
58
Slika 3.39: Priključni pini programatorja PICkit 250
Priključni pini na programatorju so sledeči:
• Vpp/MCLR (programabilna napetost za mikrokrmilnik),
• Vdd (napajalna napetost za mikrokrmilnik),
• Vss (priključek mase),
• ICSPDAT/PGD (podatkovni priključek),
• ICSPCLK/PGC (priključek takta),
• Auxiliary (ni povezan nikamor).
Pred začetkom programiranja smo sestavili diagram poteka, s katerim smo razdelali sam
program oziroma njegov potek izvajanja. S takšnim pristopom smo si olajšali pregled
načrtovanja in delovanja programa ter s tem povezano pisanje programske kode. Sam
diagram poteka je precej enostaven in pregleden. Predstavljen je na naslednji sliki (Slika
3.40).
50 Vir: https://www.hobbytronics.co.uk/tutorials-code/tutorials-microchip/pickit-2-pinout.
59
Slika 3.40: Diagram poteka programa
60
Napisan programski algoritem ni preveč zahteven in tudi ne tako dolg. Kot je v navadi, so
na začetku najprej deklarirane vse spremenljivke, ki jih potrebujemo za shranjevanje
določenih vrednosti ob izvajanju programa, temu pa sledita še inicializacija in deklaracija
registrov, ki definirajo, ali bo kakšen priključni pin določenega porta vhodno ali izhodno
naravnan (Slika 3.41). Nato se inicializira še UART komunikacija, pri kateri je treba
definirati, kakšna bo hitrost komunikacijskih podatkov med mikrokrmilnikom in RF
komunikacijskim modulom. Izbrali smo podatkovni prenos s hitrostjo 9600 bps, kar je v
večini primerov privzeta hitrost med napravami, ki komunicirajo s serijskimi podatki.
Uporabljamo 8-bitno podatkovno besedo brez paritete.
Slika 3.41: Deklaracija spremenljivk in nastavitev registrov
V glavnem programu po izteku tako imenovanega »sleep«51 režima izvedemo meritev
temperature in preverimo, ali je zunaj dan ali noč. To storimo z merjenjem napetosti
fotovoltaične celice. Napetost celice nad določenim nivojem pomeni, da je zunaj dan, pod
51 Sleep – angl., posebno stanje mikrokrmilnika, v katerem ta troši zelo malo energije.
61
nivojem pa, da je zunaj noč oziroma tema. Če je zunaj noč, vključimo vse periferne
naprave, ki so sicer zaradi velike tokovne porabe izključene. Takoj za tem izvedemo
meritev vlage v zemlji. Analogne napetosti, ki jih s tem postopkom dobimo, zajemamo z
A/D pretvorniki v mikrokrmilniku in jih pretvorimo v deset bitno digitalno vrednost, kot
prikazuje slika spodaj (Slika 3.42).
Slika 3.42: Branje A/D pretvornikov in preverjanje, ali je zunaj že noč
V programu merjene vrednosti ustrezno pretvorimo in preračunamo ter pripravimo za
pošiljanje do sprejemnika. To storimo tako, da iz posebnega podatkovnega registra,
imenovanega »data buffer«,52 vrednosti prenesemo v oddajni modul in jih nato pošljemo
v eter, kot je prikazano na spodnji sliki (Slika 3.43).
Slika 3.43: Pošiljanje podatkov preko UART-a v RF oddajni modul
Po končanem prenosu, katerega z malenkostno zakasnitvijo še enkrat ponovimo,
izključimo vse periferne naprave, mikrokrmilnik pa ponovno damo v tako imenovani režim
spanja, kot prikazuje naslednja slika (Slika 3.44).
52 Data Buffer – angl., podatkovni register, namenjen začasni hrambi podatkov.
62
Slika 3.44: Prikaz ukaza za režim spanja
Ponovno oddajo podatkov potrebujemo za zanesljivejši prenos v primeru izenačenega
oddajnega intervala dveh ali večih merilnikov. Po izteku WDT časovnika, ki smo ga
nastavili na trajanje ene minute, se mikrokrmilnik ponovno zbudi iz spanja in ponovi
celotno proceduro.
Tekom dneva merilnik zgolj preverja, ali je zunaj dan oziroma noč, hodi v režim spanja in
ne počne ničesar drugega. Program za meritev vlage in temperature zemlje začne pošiljati
podatke šele zvečer preden začnemo z zalivalnim ciklusom. S takim načinom dela
varčujemo z energijo, ki je pri baterijsko napajanih sistemih zelo pomembna.
3.11 Načrtovanje tiskanine s programskim okoljem Altium Designer
Za izris sheme (Slika 3.45) in tiskanega vezja naprave smo izbrali programsko okolje Altium
Designer. To je eno izmed najbolj dovršenih računalniških okolij za risanje tiskanih vezij,
ki smo ga dodobra spoznali že na dodiplomskem študiju pri predmetu CAE/CAD
praktikum. Delo z njim je precej enostavno, le navaditi se ga je treba, saj vsebuje široko
paleto najrazličnejših funkcij.
63
Slika 3.45: Primer sheme v Altiumu
Program omogoča kreiranje knjižnic in modelov tako za shematske elemente kot za
podnožja posameznih elementov. Tridimenzionalne modele, ki jih umestimo na podnožje
posameznega elementa, lahko brezplačno snamemo s spletne strani 3D Content Central.
Tako si lahko v 3D pogledu ogledamo končni izdelek tiskanega vezja in nato lažje izberemo
dimenzijo in obliko ohišja.
Program omogoča ročno in samodejno povezovanje elementov na tiskanem vezju. Izbrali
smo ročno varianto, saj je z njo razporeditev elementov bolj optimalna in pregledna.
Elemente, ki jih je treba medsebojno povezati, program označi s tankimi sivimi črtami
(Slika 3.46).
64
Slika 3.46: Prikaz potrebnih povezav med elementi
Od nas je kasneje odvisno, kateri tako imenovani »layer«53 bomo za povezavo uporabili.
Program jih daje na razpolago kar nekaj, vendar v našem primeru zadostujeta zgolj dva, in
sicer »top layer«54 in »bottom layer«.55 Prvi je rdeče in drugi modre barve. Povezave med
njima naredimo tako, da uporabimo element, imenovan »via«56 (Slika 3.47).
Slika 3.47: Prikaz povezav in uporaba skoznikov
Gornji in spodnji sloj tiskanega vezja uporabljamo takrat, ko z enim izmed slojev zaradi
obilice oziroma prevelike gostote povezav ne moremo povezati vseh elementov. S tem
53 Layer – angl., plast, v našem primeru plast tiskanega vezja. 54 Top layer – angl., zgornja plast tiskanega vezja. 55 Bottom layer – angl., spodnja plast tiskanega vezja. 56 Via – angl., skoznik.
65
kombiniramo med obema slojema in skušamo čimbolj optimalno z najkrajšimi možnimi
povezavami medsebojno povezati elemente, ki sodijo skupaj.
Tiskano vezje merilnika vlažnosti in temperature zemlje je zasnovano tako, da je prostor na
tiskanini karseda optimalno izrabljen. Dele vezja smo razporedili tako, da posamezni sklopi
čim manj vplivajo na sosednje sklope. V mislih imamo zlasti DC/DC pretvornik navzgor, ki
bi lahko zaradi svojih lastnosti motil delovanje oscilatorja in merilnega kroga za merjenje
vlage v zemlji. Zato smo njegove sestavne dele namestili na skrajni desni strani tiskanine.
Akumulatorsko baterijo smo namestili na spodnjo stran tiskanine in tako privarčevali nekaj
prostora. Na isto mesto z zgornje strani tiskanine smo dodali modul za brezžično
komunikacijo TRP-869. Linearni stabilizator napetosti smo namestili nekoliko stran od čipa
za merjenje temperature, saj bi njegovo segrevanje lahko negativno vplivalo na pravilno
izmero temperature. Konektor za programiranje mikrokrmilnika je zaradi boljšega dostopa
montiran na rob tiskanine. Mikrokrmilnik pa je nameščen tako, da so vsi njegovi priključki
enostavno dostopni vsem ostalim elementom, ki so vezani nanj. Izdelano tiskano vezje je
velikosti 46 X 60 mm in je prikazano na naslednjih treh slikah (Slika 3.48), (Slika 3.49) in
(Slika 3.50).
Slika 3.48: Tiskano vezje merilnika v 2D pogledu
66
Slika 3.49: Tiskano vezje merilnika v 3D pogledu - zgornja stran
Slika 3.50: Tiskano vezje merilnika v 3D pogledu - spodnja stran
67
3.12 Izbira primernega vodotesnega ohišja in zaščita sončne celice pred
poškodbami
Za vgradnjo elektronike in sončne celice je bilo treba izbrati primerno ohišje, ki napravo
ščiti pred atmosferskimi vplivi in mehanskimi poškodbami. Sončna celica je namreč zelo
občutljiva na poškodbe in se ob mehanski obremenitvi hitro zlomi. Ker je merilnik
nameščen na prostem in izpostavljen vremenskim neprilikam, je bilo treba izbrati
kakovostno in vodotesno ohišje. Po dolgotrajnem iskanju primernega ohišja na spletu smo
se odločili za ohišje podjetja Plastron iz Gornje Radgone, ki nosi oznako PT 100/80/35 in je
velikosti 100 X 80 X35 mm (Slika 3.51). Čeprav ohišje ni idealnih dimenzij glede na velikost
našega elektronskega vezja in sončne celice, smo vseeno sklenili, da ga uporabimo, saj na
spletu primernejšega ohišja tako z vidika cene kot tudi kvalitete ni bilo najti. Pokrov ohišja
je izdelan iz ABS plastike in je prozoren, tako da sončna svetloba neovirano pada na sončno
celico.
Slika 3.51: Fotografija vodotesnega ohišja PT100/80/35
68
Z željo narediti ohišje vizualno privlačnejše, smo se odločili, da celotno zgornjo površino
ohišja (z izjemo odprtine za sončno celico) opremimo z ustrezno grafično oblikovano
etiketo (Slika 3.52). Za pomoč smo se obrnili na grafično-oblikovalski studio Comtec d.o.o.
iz Maribora, ki nam je izdelal kvalitetno samolepilno nalepko. Nalepka je laminirana in
primerna za zunanjo uporabo, saj je iz visokokakovostnega materiala. Podobne nalepke
uporabljajo tudi druga podjetja, ki izdelujejo elektronske naprave, da polepšajo videz svojih
izdelkov.
Slika 3.52: Fotografija pokrova ohišja in etikete
69
4 MERITVE IN REZULTATI
4.1 Izdelava, sestavljanje in preizkušanje sistema kot celote
Merilnik je izdelan na dvostranski tiskanini iz vitroplasta. Gradnike vezja smo na tiskanino
prispajkali s pomočjo klasičnega spajkalnika, nekaj pa tudi s pomočjo spajkalne postaje na
vroči zrak. V veliko pomoč nam je bil mikroskop, saj smo zaradi povečave lažje namestili
komponente na tiskanino (Slika 4.1).
Najprej smo se lotili sestavljanja DC/DC pretvornika navzgor. Po uspešnem spajkanju vseh
sestavnih delov smo v za to pripravljeno ohišje vstavili akumulatorsko baterijo in priključili
fotovoltaično celico. Z meritvijo napetosti na bateriji in toka vanjo smo preverili, če
polnjenje baterije deluje normalno. Ob običajni sončni svetlobi, ki je vpadala na sončno
celico, je voltmeter pokazal napetost 4.2 V, tok v baterijo pa je znašal 24 mA. Ker je napetost
ustrezala parametru za polnjenje baterije, smo bili mnenja, da DC-DC pretvornik navzgor
deluje pravilno.
Slika 4.1: Slika prispajkanega čipa DC-DC pretvornika (pogled skozi mikroskop)
70
Sledila je vgradnja čipa MAX 6608, ki skrbi za merjenje temperature. Ponovno smo priključili
napajalno napetost in z digitalnim voltmetrom spremljali napetost na izhodnem priključku
čipa. Kot referenčni merilnik temperature smo uporabili kalibrirani digitalni merilnik
znamke TESTO, ki se uporablja za kalibracijo temperature v medicinskih analizatorjih. S
pomočjo tabele iz tehničnih podatkov za čip smo preverjali, če merjena temperatura
ustreza dejanski. Temperatura, prikazana na kalibriranem digitalnem merilniku in čipu za
merjenje temperature, je bila skoraj identična, zato smo zaključili, da merilnik temperature
deluje dobro.
Takoj za tem smo na ploščico prispajkali še napetostni stabilizator APE 8865 in oba
tranzistorja, ki skrbita za vklop in izklop večjih porabnikov na vezju. Delovanje vezja za vklop
smo preizkusili tako, da smo na bazo tranzistorja T1 preko ustreznega upora priključili
napetost 3.3 V, s katero smo dosegli enak učinek, kot če bi tranzistor vključevali s pomočjo
vgrajenega mikrokrmilnika. Funkcija vklopa in izklopa je delovala brezhibno.
Nato smo na tiskano vezje prispajkali vse elemente oscilatorja, merilnega kroga in
merilnega pretvorniškega vezja. Sledil je preizkus delovanja. Po vljučitvi napajanja je bila
tokovna poraba normalna, zato smo nadaljevali s preizkusom. Na izhodni priključek čipa
AD8361, ki tvori merilni pretvornik, smo priključili digitalni voltmeter. Ko je bila kapacitivna
merilna sonda v zraku, je digitalni voltmeter pokazal 2.5 V. Nato smo celotno merilno
površino kapacitivne sonde vstavili v zemljo, ki je bila 100 % nasičena z vodo. Na
instrumentu smo dobili napetost 990 mV. Dobljeni rezultati so bili skladni z izračunanimi iz
faze načrtovanja, zato smo ocenili, da merilnik vlage deluje pravilno in po pričakovanjih.
Po osnovnem preizkusu delovanja je bilo treba razmisliti, kako zatesniti izvode iz ohišja za
paličico senzorja temperature in merilno sondo za merjenje vlage. V ta namen smo
uporabili dvokomponentno epoksidno lepilno maso, ki se uporablja za učvrstitev in
zalivanje elektronskih komponent. Na koncu smo v ohišje vgradili še tiskanino ter tako
zaključili z izdelavo merilnika. Slika v nadaljevanju (Slika 4.3) prikazuje dokončan prototip
merilnika vlažnosti in temperature zemlje.
71
4.2 Meritve, kalibracija merilnika in predstavitev rezultatov
Vlažnost zemlje smo ugotavljali s pomočjo standardne gravimetrične metode, ki je služila
kot referenca. Na podlagi te metode lahko zemlji dodajamo znano količino vode glede na
zemljino težo ali pa volumen. S tem dosežemo točno določeno vlažnost zemlje. Zaradi
lažjega postopka smo se odločili za drugo različico, to je dodajanje volumske količine vode
glede na volumen zemlje.
Količino zemlje, ki smo jo namenili za vzorčenje, smo najprej presejali s finim sitom, da smo
iz nje izločili kamenje in drug moteč material. Nato smo jo nasuli v primerno veliko posodo
in dali v pečico, ki smo jo nastavili na 120 °C. Zemljo smo v pečici pustili 24 ur. Na ta način
smo iz nje izločili vso vlago ter tako dosegli potreben začetni pogoj za meritev.
Ko se je zemlja dovolj ohladila, smo pripravili enajst količinsko enakih vzorcev zemljine, ki
so prikazani na spodnji sliki (Slika 4.2).
Slika 4.2: Fotografija pripravljenih vzorcev zemljine
72
Vsak izmed vzorcev je meril natančno 300 ml. V prvi vzorec nismo dodali nič vode, nato pa
smo količino dodane vode stopnjevali po 5 % glede na volumen zemlje. Tako smo v drugi
vzorec dodali 15 ml vode, v tretjega 30 ml in tako dalje do enajstega vzorca, v katerega smo
dodali 150 ml vode. Enajsti vzorec je z dodano količino vode dosegel nasičenje zemlje, zato
vsako nadaljnje dodajanje vode ni imelo več nobenega pomena. Pri nasičenju je opaziti, da
se voda začne nabirati nad zemljo, ker je ta ne more več absorbirati. S tem smo dosegli
maksimum, ki je glede na znastvene izsledke pri približno 50 % dodane vode. Vsak vzorec
smo po dodajanju vode temeljito premešali, tako da je postala zemlja homogeno prepojena
z njo. Posode z vzorci smo pokrili s tanko folijo iz polivinila, da smo preprečili izsuševanje
zemlje zaradi izhlapevanja, zatem pa smo vzorce shranili v hladen prostor, kjer smo jih
pustili stati 24 ur. S tem smo dosegli, da se je vlaga v zemlji povsem enakomerno porazdelila
po celotnem vzorcu.
Na izhod merilnega vezja, ki skrbi za merjenje vlažnosti zemlje, smo priključili digitalni
voltmeter, s katerim smo merili napetost. Merilni senzor smo potisnili v vsakega izmed
pripravljenih vzorcev in zaporedno v enakih časovnih presledkih za vsak vzorec izvedli deset
meritev. Izračunane srednje vrednosti posameznih meritev smo vnesli v tabelo (Tabela 4-
1).
Tabela 4-1: Vrednosti vlage v zemlji in meritev napetosti iz merilnega vezja
ŠTEVILKA VZORCA VLAŽNOST-VWC [%] NAPETOST [V]
1 0 2,32
2 5 2,20
3 10 2,12
4 15 2,07
5 20 2,04
6 25 2,00
7 30 1,95
8 35 1,68
73
9 40 1,25
10 45 1,11
11 50 0,99
S pomočjo vrednosti iz zgornje tabele smo izrisali graf, ki je prikazan spodaj (Graf 4-1). Na
vertikalno os so vnesene izmerjene vrednosti napetosti, na horizontalno os pa je vnesena
volumska vrednost vlage glede na volumen zemlje. Zanjo se v angleškem jeziku uporablja
kratica VWC.57
Graf 4-1: Odvisnost izhodne napetosti od vlage v zemlji
57 VWC – angl., Volumetric Water Content, vsebnost vode glede na volumen zemlje.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
NA
PET
OST
(V
)
VOLUMSKA VREDNOST VODE V ZEMLJI (VWC - %)
Odvisnost napetosti od vlage v zemlji
74
Kot je razvidno iz grafa, odziv napetosti glede na spremembo vlage v zemlji ni linearen. Če
bi vrednosti napetosti v srednjem delu krivulje aproksimirali, tako da bi dobili premico, bi
naredili nedopustno napako. Zaradi navedenega smo se odločili, da bomo vlago v zemlji
izračunavali po odsekih, kjer odstopanje od premice ni preveliko. Na ta način lahko krivuljo
razdelimo na štiri odseke. Prvi odsek je med 0 % in 10 % VWC, drugi med 10 % in 30 % VWC,
tretji med 30 % in 40 % VWC, četrti zadnji pa med 40 % in 50 % VWC.
V programski kodi je odsekovna razdelitev upoštevana tako, da glede na izmerjeno
vrednost napetosti v določenem odseku uporabljamo svojo enačbo za izračun vrednosti
vlage. Seveda je rezultatu enačbe dodan (ali pa odvzet) korekcijski faktor zaradi
temperature zemlje. Pri temperaturi zemlje 25 °C je ta enak 0 %. Izračun kapacitivnosti
kondenzatorske sonde je bil namreč narejen prav za to vrednost temperature. Korekcijski
faktor je mogoče razbrati in izračunati iz slike v tretjem poglavju (Slika 3.32) in znaša 0,4 %.
Izračunan je za vrednosti temperature zemlje med 0 °C in 50 °C, kar je za zalivalni sistem
več kot dovolj velik razpon. Če je temperatura nižja od 25°C , se korekcijski faktor odšteva
od izmerjene vrednosti, v nasprotnem primeru pa se prišteva.
Kalibracijo merilnika smo torej izvedli tako, da smo kot referenco uporabili gravimetrično
metodo in dosledno upoštevali korekcijski faktor zaradi sprememb temperature zemlje.
Prav tako smo z izračunavanjem vlage v zemlji dokaj natančno sledili poteku meritvene
krivulje. Na ta način smo dosegli veliko točnost merilnega instrumenta.
Na koncu smo izvedli še primerjalne meritve s tovarniško izdelanim merilnikom vlage v
zemlji in gravimetrično metodo. Za primerjavo smo uporabili merilnik ameriškega podjetja
Vegetronix. Rezultati primerjalnih meritev so predstavljeni v tabeli (Tabela 4-2) in na grafu
(Graf 4-2).
75
Tabela 4-2: Meritev vlage in primerjava meritev
REFERENČNA METODA
(GRAVIMETRIČNA
METODA)
MERILNIK VLAGE
VEGETRONIX S
SENZORJEM VH-400
IZDELANI MERILNIK
0 % 0 % 0 %
5 % 4 % 4 %
10 % 8 % 7 %
15 % 14 % 15 %
20 % 19 % 19 %
25 % 24 % 25 %
30 % 27 % 28 %
35 % 33 % 34 %
40 % 39 % 39 %
45 % 43 % 43 %
50 % 48 % 47 %
76
Graf 4-2: Primerjava meritev vlage v zemlji
Za primerjavo meritev temperature v zemlji smo uporabili kalibrirani merilnik temperature
znamke TESTO. Rezultati primerjalnih meritev so prikazani v tabeli (Tabela 4-3) in na
spodnjem grafu (Graf 4-3).
Tabela 4-3: Meritev temperature in primerjava meritev
REFERENČNI MERILNIK IZDELANI MERILNIK
0 °C 0 °C
5 °C 6 °C
10 °C 11 °C
15 °C 15 °C
20 °C 22 °C
25 °C 26 °C
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
IZM
ERJE
NE
VR
EDN
OST
I ( V
WC
-%
)
REFERENČNA METODA ( VWC - % )
Meritev vlage
Gravimetrična metoda Izdelani merilnik Vegetronix VH-400
77
30 °C 30 °C
35 °C 36 °C
40 °C 42 °C
45 °C 46 °C
50 °C 51 °C
Graf 4-3: Primerjava meritev temperature v zemlji
Rezultati, ki so razvidni iz tabel in grafov, dokazujejo, da je ponovljivost in točnost meritev
izdelanega merilnika izredno dobra. Odstopanje od dejanskih parametrov je tako pri
merjenju temperature kot tudi vlage zelo majhno.
Glede na rezultate, ki smo jih dobili, smo na koncu izračunali še absolutni in relativni
pogrešek merilnika, tako za merjenje temperature v zemlji kot tudi za merjenje vlage v
zemlji. Izračun absolutnega pogreška smo opravili s pomočjo enačbe (4.1), relativni
pogrešek v odstotkih pa smo izračunali s pomočjo enačbe (4.2).
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
IZM
ERJE
NE
VR
EDN
OST
I ( °
C )
REFERENČNA VREDNOST ( °C )
Meritev temperature
Kalibrirani merilnik TESTO Izdelani merilnik
78
𝐸 = 𝑥𝑖 − 𝑥 (4.1)
𝑒 = 100 % ·𝐸
𝑥= 100 % ·
𝑥𝑖 − 𝑥
𝑥 (4.2)
Pri tem je:
- 𝑥 - prava vrednost ,
- 𝑥𝑖 - izmerjena vrednost,
- 𝐸 - absolutni pogrešek,
- 𝑒 - relativni pogrešek.
Rezultati izračunanih absolutnih in relativnih pogreškov so predstavljeni v spodnjih tabelah
(Tabela 4-4, Tabela 4-5, Tabela 4-6 in Tabela 4-7) in grafih (Graf 4-4, Graf 4-5, Graf 4-6 in
Graf 4-7).
Tabela 4-4: Absolutni pogrešek pri merjenju vlage v zemlji
REFERENČNA VREDNOST
(GRAVIMETRIČNA
METODA)
IZMERJENA VREDNOST
(IZDELANI MERILNIK)
ABSOLUTNI POGREŠEK
0 % 0 % 0 %
5 % 4 % -1 %
10 % 8 % -2 %
15 % 15 % 0 %
20 % 19 % -1 %
25 % 25 % 0 %
30 % 28 % -2 %
35 % 34 % -1 %
40 % 39 % -1 %
45 % 43 % -2 %
79
50 % 47 % -3 %
Graf 4-4: Absolutni pogrešek pri merjenju vlage v zemlji
Tabela 4-5: Absolutni pogrešek pri merjenju temperature v zemlji
REFERENČNI MERILNIK
IZDELANI MERILNIK ABSOLUTNI POGREŠEK
0 °C 0 °C 0 °C
5 °C 6 °C -1 °C
10 °C 11 °C 1 °C
15 °C 15 °C 0 °C
20 °C 22 °C 2 °C
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
AB
SOLU
TNI P
OG
REŠ
EK (
VW
C -
%)
REFERENČNA VREDNOST (VWC - %)
Absolutni pogrešek pri merjenju vlage v zemljiReferenčna vrednost Izdelani merilnik
80
25 °C 26 °C 1 °C
30 °C 30 °C 0 °C
35 °C 36 °C 1 °C
40 °C 42 °C 2 °C
45 °C 46 °C 1 °C
50 °C 51 °C 1 °C
Graf 4-5: Absolutni pogrešek pri merjenju temperature v zemlji
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
AB
SOLU
TNI P
OG
REŠ
EK (
°C)
REFERENČNA VREDNOST (°C)
Absolutni pogrešek pri merjenju temperature v zemlji
Referenčni merilnik Izdelani merilnik
81
Tabela 4-6: Relativni pogrešek pri merjenju vlage v zemlji
REFERENČNA VREDNOST
(GRAVIMETRIČNA
METODA)
IZMERJENA VREDNOST
(IZDELANI MERILNIK)
RELATIVNI POGREŠEK
(%)
0 % 0 % 0 %
5 % 4 % -20 %
10 % 8 % -20 %
15 % 15 % 0 %
20 % 19 % -5 %
25 % 25 % 0 %
30 % 28 % -6,66 %
35 % 34 % -2,86 %
40 % 39 % -2,5 %
45 % 43 % -4,44 %
50 % 47 % -6 %
82
Graf 4-6: Relativni pogrešek pri merjenju vlage v zemlji
Tabela 4-7: Relativni pogrešek pri merjenju temperature v zemlji
REFERENČNI MERILNIK
IZDELANI MERILNIK RELATIVNI POGREŠEK
(%)
0 °C 0 °C 0 %
5 °C 6 °C 20 %
10 °C 11 °C 10 %
15 °C 15 °C 0 %
20 °C 22 °C 10 %
25 °C 26 °C 4 %
30 °C 30 °C 0 %
35 °C 36 °C 2,86 %
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40% 45% 50%
REL
ATI
VN
I PO
GR
EŠEK
( %
)
REFERENČNA VREDNOST ( VWC - % )
Relativni pogrešek pri merjenju vlage v zemljiReferenčna vrednost Izdelani merilnik
83
40 °C 42 °C 5 %
45 °C 46 °C 2,22 %
50 °C 51 °C 2 %
Graf 4-7: Relativni pogrešek pri merjenju temperature v zemlji
Če pogledamo pogreške lahko zaključimo da merilnik vlage in temperature v zemlji sodi v
razred točnosti ± 20 %. Rezultat je za namen uporabe merilnika zelo primerljiv s tovarniško
izdelanimi merilniki, njegova točnost pa zadovoljuje zahteve zalivalnega sistema.
-20%
-15%
-10%
-5%
0%
5%
10%
15%
20%
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
REL
ATI
VN
I PO
GR
EŠEK
( %
)
REFERENČNA VREDNOST (°C)
Relativni pogrešek pri merjenju temperature v zemlji
Referenčni merilnik Izdelani merilnik
84
Na spodnji sliki (Slika 4.3) je merilnik postavljen v sklop zalivalnega sistema (levo od
merilnika je vgrezni zalivalnik za zalivanje pravokotnih površin).
Slika 4.3: Izgled merilnika v »delovnem« okolju
85
5 ZAKLJUČEK
Ocenjujemo, da smo vse zastavljene cilje magistrske naloge dosegli. Izdelali smo namreč
zanesljiv in točen merilnik vlažnosti in temperature zemlje, ki tehnično in ekonomsko
gledano predstavlja dodano vrednost zalivalnega sistema. Pravilna izbira vgrajenih
komponent in primernega ohišja zagotavljata merilniku dolgo življensko dobo ter
nemoteno delovanje.
Merilnik bi bilo mogoče tudi nadgraditi - predvsem v delu, ki se nanaša na programsko
opremo, kar bo izziv za nadaljnje delo. Razmisliti bo treba tudi o uporabi oblikovno bolj
zanimivega ohišja, saj je merilnik zgrajen z namenom prodaje na tržišču skupaj z novim
zalivalnim sistemom, ki bo prav tako predmet nadaljnjega razvoja.
V prihodnosti želimo funkcije merilnika še razširiti. Potrebno bo razmisliti o možnosti, kako
z merilnikom meriti vsebnost kemijskih substanc v zemlji, predvsem tistih, ki so nujno
potrebne za kvalitetno rast rastlin. Na podlagi izmerjenih vrednosti bi lahko ob zalivalnem
ciklusu vodi dodajali potrebna hranila in tako rastlinam zagotovili bolj kvalitetne pogoje za
rast. Na podoben način bi lahko dodajali tudi sredstva za zatiranje škodljivcev in plevela.
Z merilnikom bi bilo mogoče meriti tudi ph faktor zemlje in nato z zalivalnim sistemom in
kemičnimi dodatki uravnavati kislost oziroma bazičnost tal. S tem bi ustvarili optimalne
življenske pogoje za rast rastlin.
Vse naštete funkcije bi lahko dvignile dodano vrednost izdelka in ga s tem naredile tržno še
bolj zanimivega in konkurenčnega.
86
6 VIRI IN LITERATURA
[1] Chad, L. Antle. Soil Moisture Determination by Frequency and Time Domain
Techniques. Ohio: The Faculty of the Russ College of Engineering and Technology. Ohio
University, 1997.
Dostopno na:
https://etd.ohiolink.edu/!etd.send_file?accession=ohiou1177613443&disposition=inli
ne [19.5.2017].
[2] Peter Morris St. Clair Johnson. The Design of an Integrated Soil Moisture Sensor for
Agriculture. Griffith University, Brisbane, 2007.
Dostopno na:
https://www120.secure.griffith.edu.au/rch/items/f687a3b4-739d-e4df-dcea-
60279c64bdaf/1/ [19.5.2017].
[3] J. Ledieu, P. de Ridder, P. de Clerck, S. Dautrebande. A Method of Measuring Soil
Moisture by Time-Domain Reflectometry, 1986.
Dostopno na:
http://journal.ashspublications.org/content/123/4/734.full.pdf [19.5.2017].
[4] Johnson, A.I. Methods of Measuring Soil Moisture in the Field, Washington: United
States Government Printing Office, 1962.
Dostopno na:
http://pubs.usgs.gov/wsp/1619u/report.pdf [19. 5. 2017].
[5] J. Minet, S. Lambot, G. Delaide, J.A. Huisman, H. Vereecken, M. Vanclooster. A
Generalized Frequency Domain Reflectometry Modeling Technique for Soil Electrical
Properties Determination, 2010.
Dostopno na:
https://dl.sciencesocieties.org/publications/vzj/pdfs/9/4/1063 [19.5.2017].
87
[6] T.J. Heimovaara, E.J.G. de Winter, W.K.P. van Loon, D.C. Esveld. Frequency-dependent
dielectric permittivity from 0 to 1 GHz: Time domain reflectometry measurements
compared with frequency domain network analyzer measurements, 1996.
Dostopno na:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/96WR02695/pdf [19.5.2017].
[7] Jon M. Wraith, Dani Or. Temperature effects on soil bulk dielectric permittivity
measured by time domain reflectometry: Experimental evidence and hypothesis
development, 1999.
Dostopno na:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/1998WR900006/abstract [19.5.2017].
[8] Atkins R.T., Pangburn T., Bates R.E., Brockett B.E., Soil Moisture Determinations Using
Capacitance Probe Methodology, 1998.
Dostopno na:
www.dtic.mil/cgi-bin/GetTRDoc?AD=ADA337497 [19. 5. 2017]
[9] Vegetronix, Inc.
http://www.vegetronix.com/
[10] Microchip Technology Inc.
http://www.microchip.com
[11] STMicroelectronics N.V.
http://www.st.com/web/en/resource/technical/document/datasheet/CD00002973.p
df
[12] Hope Microelectronics co., Ltd
http://www.hoperf.com/
88
[13] Texas Instruments Inc.
http://www.ti.com/
[14] Linear Technology
http://www.linear.com
[15] Sunpower
https://us.sunpower.com/home-solar/solar-cell-technology-solutions/
[16] Akira Matsuzawa. RF circuit design: Basics, Tokyo Institute.
Dostopno na:
http://www.ssc.pe.titech.ac.jp/materials/VLSICS03_shortcourse_matsu_homepage.p
df [19.5.2017].
[17] Chris Bowick. RF Circuit Design. Indianapolis, 1982.
Dostopno na:
http://www2.electron.frba.utn.edu.ar/~jcecconi/Bibliografia/Ocultos/Libros/(ebook)
%20RF%20Circuit%20Design%20-%20Chris%20Bowick,%20Newnes.pdf [19.5.2017].
[18] Abdul Fathah. Design of a Boost Converter. Depatment of Electrical Engineering Natio
nal Institute of Technology, Rourkela Odisha, India, 2013.
Dostopno na:
http://ethesis.nitrkl.ac.in/4811/1/109EE0612.pdf [19.5.2017].
[19] Richard A. Cullen. Blue Sky Energy Inc, What is Maximum Power Point Tracking and
How Does it Work?
Dostopno na:
http://www.blueskyenergyinc.com/uploads/pdf/BSE_What_is_MPPT.pdf [19.5.2017].
89
[20] Victron Energy B.V., Which solar charge controller: PWM or MPPT?, 2014.
Dostopno na:
https://www.victronenergy.com/upload/documents/White-paper-Which-solar-
charge-controller-PWM-or-MPPT.pdf [19.5.2017].
[21] Randall W. Rhea. Oscillator Design and Computer Simulation, 1995.
Dostopno na:
http://bbs.hwrf.com.cn/downmte/Oscillator%20Design%20and%20Computer%20Sim
ulation.pdf [19.5.2017].
[22] Mehul Oswal, Jason Paul, Runhua Zhao. A comparative study of Lithium-Ion Batteries,
2010.
Dostopno na:
http://www-scf.usc.edu/~rzhao/LFP_study.pdf [19.5.2017].
[23] Dr. Haim Mazar. International, regional and national regulation of SRDs, 2014.
Dostopno na:
http://www.itu.int/en/ITU-R/study-groups/workshops/RWP1B-SRD-UWB-
14/Presentations/International,%20regional%20and%20national%20regulation%20of
%20SRDs.pdf [19.5.2017].
[24] Fox Electronics, Inc.
https://www.foxonline.com/
90
7 PRILOGE
Priloga A
Shema merilnika vlažnosti in temperature zemlje
Slika 7.1: Shema merilnika vlažnosti in temperature zemlje
91
92
93
94
