A Low Cost Capacitive Soil Moisture Measurement and Datalogger System

Öz

Water resources, which are indispensable for agriculture, industry and domestic use, are under threat today. In order to use water and soil resources efficiently and sustainably, it has become an important need to develop new systems and methods that can detect the moisture content of the soil. With the developing technology and different techniques, the moisture content of the soil began to be measured more accurately, reliably and quickly. One of these techniques is measuring soil moisture with high-precision and low-cost capacitive sensors. In this study, an example system for measuring and recording soil moisture was designed using the Arduino microcontroller board and capacitive sensors. In the study conducted in a climate-controlled greenhouse, a very high negative correlation was found between sensor and gravimetric measurement values. The regression relationship between sensor values and gravimetric measurement values was examined and R2 values between 85.6% and 95.0% were obtained.

Anahtar Kelimeler

• Soil moisture
• capacitive moisture sensor
• arduino

Düşük Maliyetli Bir Kapasitif Toprak Nemi Ölçüm ve Veri Kayıt Sistemi

Öz

Tarım, sanayi ve evsel kullanımın vazgeçilmezi olan su kaynakları günümüzde tehdit altındadır. Su ve toprak kaynaklarının verimli ve sürdürülebilir şekilde kullanılması için toprağın nem içeriğini tespit edebilecek yeni sistem ve yöntemlerin geliştirilmesi önemli bir ihtiyaç haline gelmiştir. Gelişen teknolojiyle birlikte farklı teknikler sayesinde toprağın nem içeriği daha doğru, güvenilir ve hızlı bir şekilde ölçülmeye başlandı. Bu tekniklerden biri de toprak neminin yüksek hassasiyetli ve düşük maliyetli kapasitif sensörlerle ölçülmesidir. Bu çalışmada Arduino mikrodenetleyici kartı ve kapasitif sensörler kullanılarak toprak nemi ölçümü ve kaydedilmesine yönelik örnek bir sistem tasarlanmıştır. İklim kontrollü bir serada sistem ile yapılan çalışmada sensör değerleri ile gravimetrik ölçüm değerleri arasında çok yüksek negatif korelasyon bulunmuştur. Sensör değerleri ile gravimetrik ölçüm değerleri arasındaki regresyon ilişkisi incelenmiş ve %85.6 ile %95.0 arasında R2 değerleri elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Toprak nemi
• kapasitif nem sensörü
• arduino

Kaynakça

1. Anonymous (1995) Instruments for the measurement of moisture and dielectric properties using time domain reflectometry. Soil Moisture Equipment Company, Santa Barbara, CA.
2. Anonymous, 2022. Interface Capacitive Soil Moisture Sensor v1.2 with Arduino. https://how2electronics.com/interface-capacitive-soil-moisture-sensor-arduino/, Accessed 20 March 2023.
3. Bryan, A. B., & Sanders, I. C. (1928). The dielectric constant of air at radio frequencies. Physical Review, 32(2), 302.
4. Dean, R. N., Rane, A. K., Baginski, M. E., Richard, J., Hartzog, Z., & Elton, D. J. (2011). A capacitive fringing field sensor design for moisture measurement based on printed circuit board technology. IEEE transactions on instrumentation and measurement, 61(4), 1105-1112.
5. Fares, A., & Alva, A. K. (2000). Soil water components based on capacitance probes in a sandy soil. Soil Sci. Soc. Am. J,. 64, 311–318.
6. Fares, A., & Polyakov, V. (2006). Advances in crop water management using capacitive water sensors. Advances in Agronomy, 90, 43-77.
7. Fidan, G., & Korkmaz, Y. 2018 İplik Temizleme Sistemlerine Genel Bir Bakış. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(4), 312-321.
8. Halbertsma, J., Przybyla, C., & Jacobs, A. (1987). Application and accuracy of a dielectric soil water content meter (No. 1786). ICW. Wageningen.

9. Hartmann, R. 1996. Soil Water Content and Potential Measuring Techniques. In Advanced Short Course on Soil Water Balance and Transport Processes, 9-20 September. (pp. 59-105), Adana, Türkiye.
10. İyibakanlar, G. & Oktay, A., (2007). Bazı polimerlerin dielektrik özelliklerinin frekansla değişimlerinin incelenmesi. Journal of Aeronautics and Space Technologies, 3(1), 11-19.
11. Koçak, Ç., & Kırbaş, İ. (2016). Arduino tabanlı prototip akıllı ev sistemi tasarımı. Akademik Bilişim, 3.
12. Kusriyanto, M., & Putra, B. D. (2016). Smart home using local area network (LAN) based arduino mega 2560. 2nd International Conference on Wireless and Telematics (ICWT)(pp. 127-131). IEEE.
13. Kutilek, M. & D.R. Nielsen (1994). Soil hydrology. Catena Verlag. Cremlingen-Destedt. Germany.
14. Mander, G., & Arora, M. (2014). Design of capacitive sensor for monitoring moisture content of soil and analysis of analog voltage with variability in moisture. In 2014 Recent Advances in Engineering and Computational Sciences (RAECS) (pp. 1-5). IEEE.
15. Muzdrikah, F. S., Nuha, M. S., & Rizqi, F. A. (2018). Calibration of capacitive soil moisture sensor (SKU: SEN0193). 4th International Conference on Science and Technology (ICST) (pp. 1-6). IEEE.
16. Narmadha, G., Sreeja, B. S., Bindu, B., & Wiselin, M. J. (2012). Capacitive fringing field sensor design for moisture measurement. Asian J. Sci. Appl. Technol, 1(2), 10-14.
17. Özbek, Ö. & Kaman, H. (2014). The definition and monitoring of soil water content. Türk Tarım ve Doğa Bilimleri Dergisi, 1 (special issue-1), 1067-1071.
18. Öztaş, T. (1997). Toprağın nem tayininde kullanılan yeni bir yöntem TDR (time domain reflectometry). Atatürk Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi, 28(2).
19. Placidi, P., Gasperini, L., Grassi, A., Cecconi, M., & Scorzoni, A. (2020). Characterization of low-cost capacitive soil moisture sensors for IoT networks. Sensors, 20(12), 3585.
20. Rosegrant, M. W., Cai, X., & Cline, S. A. (2002). World water and food to 2025: dealing with scarcity. International Food Policy Research Institute, Washington, DC.
21. Uytun, A., Pekey, B., & Kalemci, M. (2013). Toprak nemi ölçümleri. VIII. ULUSAL Ölçüm Bilim Kongresi, (pp. 26-28). TÜBİTAK UME, Gebze, Kocaeli.