Design and development of a low-cost soil moisture sensor based on solenoid coils

Abstract

[EN] The use of sensors is common in precision agriculture. Moisture sensors are one of the most used sensors in the systems to control the irrigation. Nonetheless, the currently available sensors to measure the moisture require electrodes to be in contact with the soil. In this study we present a new sensor for soil moisture monitoring which can be encapsulated and could be used for several sorts of soil. The sensors are composed of two copper coils (solenoids) and they are powered with a voltage of 10 peak to peak volts. Fifteen prototypes are tested in order to find the best design for soil moisture monitoring. After obtaining the best prototypes, they are tested in five different sorts of soils. The best prototype has 5 spires on the powered coil and 10 spires on the induced coil. Three of the soils could be modeled with regressions lines with R2 values higher than 0.85. Another prototype, with 80 spires on the powered coil and 40 spires on the induced coil (both on eight layers), shows a similar response to the other two sorts of soil. These two prototypes could be combined to create a soil moisture sensor for different sorts of soil.

[ES] El uso de sensores es común en la agricultura de precisión. Los sensores de humedad son los sensores más utilizados en los sistemas de riego. No obstante, los sensores disponibles actualmente para medir la humedad necesitan tener los electrodos en contacto con el suelo. En este estudio, presentamos un nuevo sensor para el seguimiento de la humedad del suelo que puede encapsularse y usarse para varios tipos de suelo. Los sensores están compuestos por dos bobinas de cobre (solenoides) y se alimentan con un voltaje de 10 voltios picopico. Se prueban quince prototipos para encontrar el mejor diseño para el seguimiento de la humedad del suelo. Tras obtener los mejores prototipos, se prueban en cinco tipos diferentes de suelos. El mejor tiene 5 espiras en la bobina alimentada y 10 espiras en la inducida. El comportamiento de tres de los suelos podría modelarse con líneas de regresión con valores de R2 superiores a 0,85. Otro prototipo, con 80 espiras en la bobina alimentada y 40 en la bobina inducida (ambas en ocho capas), muestra una respuesta similar a los otros dos tipos de suelo. Estos dos prototipos podrían combinarse para crear un sensor de humedad para diferentes tipos de suelo.

[CA] L'ús de sensors és comú en l'agricultura de precisió. Els sensors d'humitat són un dels sensors més utilitzats en els sistemes de reg. No obstant això, els sensors disponibles actualment per mesurar la humitat requereixen tindre els elèctrodes en contacte amb el terra. En aquest estudi, vam presentar un nou sensor per al seguiment de la humitat del sòl que pot encapsular-se i usar-se per diversos tipus de sòl. Els sensors estan compostos per dues bobines de coure (solenoides) i s'alimenten amb un voltatge de 10 volts pic-pic. Es proven quinze prototips per trobar el millor disseny per al seguiment de la humitat del sòl. Després d'obtenir els millors prototips, es proven en cinc tipus diferents de sòls. El millor té 5 espires a la bobina alimentada i 10 en la bobina induïda. El comportament de tres dels sòls podria modelar amb línies de regressió amb valors de R2 superiors a 0,85. Un altre prototip, amb 80 espires en la bobina elèctrica i 40 en la bobina induïda (totes dues a vuit capes), va mostrar una resposta similar als altres dos tipus de sòl. Aquests dos prototips podrien combinar-se per crear un sensor d'humitat per a diferents tipus de sòl.