ESP32 S3 - Bodenfeuchtesensor
Wenn Sie lernen, die Bodenfeuchte mit Ihrem ESP32 S3 zu messen, eröffnen sich Ihnen Projekte für intelligentes Gärtnern, automatische Bewässerungssysteme und Umweltüberwachung. Dieses Tutorial behandelt alles von der Verdrahtung des Sensors und dem Auslesen roher Analogwerte bis zur Kalibrierung von Schwellenwerten und der Erkennung von nassem oder trockenem Boden.
Was Sie bauen werden:
- Eine Schaltung, die einen kapazitiven Bodenfeuchtesensor mit dem ESP32 S3 verbindet
- Einen Sketch, der rohe analoge Feuchtigkeitswerte ausliest und im seriellen Monitor anzeigt
- Eine kalibrierte Version, die anhand Ihres Schwellenwerts den Status "WET" oder "DRY" ausgibt
- Eine Grundlage für automatische Pflanzenbewässerung und intelligente Gartenanwendungen
Erforderliche Hardware
Oder Sie können die folgenden Kits kaufen:
| 1 | × | DIYables ESP32 S3 Starter-Kit (ESP32 S3 enthalten) | |
| 1 | × | DIYables Sensor-Kit (18 Sensoren/Displays) |
Kaufhinweis: Viele kapazitive Bodenfeuchtigkeitssensoren auf dem Markt sind von geringer Qualität, unabhängig von der Version. Wir empfehlen dringend den Kauf des Sensors mit TLC555I-Chip von der Marke DIYables über den obigen Link. Wir haben ihn getestet und er funktionierte gut.
Überblick über Soil Moisture Sensor
Bodenfeuchtesensoren messen den Wassergehalt im Boden, indem sie ein analoges Spannungssignal ausgeben, das Ihr ESP32 S3 über seinen ADC (Analog-Digital-Wandler) liest. Es gibt zwei Haupttypen, und wenn Sie deren Unterschiede kennen, können Sie den richtigen für Ihr Projekt auswählen.
Der resistive Feuchtigkeitssensor leitet elektrischen Strom zwischen zwei freiliegenden Metallsonden, um den Bodenwiderstand zu messen. Diese Bauart ist zwar günstig und einfach, neigt aber mit der Zeit zu elektrochemischer Korrosion, was die Genauigkeit verschlechtert und einen häufigen Austausch des Sensors erfordert. Der kapazitive Feuchtigkeitssensor hingegen erkennt Feuchtigkeit über Kapazitätsänderungen, ohne dass Elektroden direkt dem Boden ausgesetzt sind. Das verhindert Korrosion, verlängert die Lebensdauer des Sensors erheblich und liefert langfristig gleichmäßigere Messwerte — daher ist er die bevorzugte Wahl für dauerhafte oder halbdauerhafte Installationen.
Der Rest dieses Tutorials zum ESP32 S3 Bodenfeuchtesensor konzentriert sich wegen seiner überlegenen Zuverlässigkeit auf den kapazitiven Typ.
Wichtige Spezifikationen
Der kapazitive Bodenfeuchtesensor arbeitet mit 3,3 V–5 V und ist damit direkt mit der 3,3-V-Leitung des ESP32 S3 kompatibel. Seine analoge Ausgangsspannung ist umgekehrt proportional zur Bodenfeuchte: Ein höherer Wassergehalt ergibt eine niedrigere Ausgangsspannung, während trockenerer Boden eine höhere Spannung ergibt. Der Sensor hat keine freiliegenden Elektroden, die den Boden berühren, wodurch die Korrosionsprobleme resistiver Bauarten vermieden werden.
Pinbelegung des kapazitiven Bodenfeuchtesensors
Der kapazitive Bodenfeuchtesensor besitzt drei Pins zum Anschluss an Ihren ESP32 S3.
- GND: Masseanschluss — mit GND (0 V) verbinden
- VCC: Stromversorgung — mit 3,3 V verbinden
- AOUT: Analoger Ausgangspin — gibt eine Spannung aus, die umgekehrt proportional zur Feuchtigkeit ist (mehr Feuchtigkeit = niedrigere Spannung)
So funktioniert der kapazitive Feuchtigkeitssensor
Der ESP32 S3 liest die Spannung am AOUT-Pin über seinen integrierten ADC. Da der Zusammenhang umgekehrt ist, beobachten Sie niedrigere ADC-Werte bei nassem Boden und höhere Werte bei trockenem Boden. Der Sensor hat keinen direkten Kontakt und korrodiert nicht, weil er die dielektrischen Eigenschaften des umgebenden Bodens über die Kapazität misst statt über direkten elektrischen Kontakt.
Verdrahtungsdiagramm
Verbinden Sie Ihren kapazitiven Bodenfeuchtesensor anhand der Pinzuordnung in der folgenden Tabelle mit dem ESP32 S3. Der Sensor läuft problemlos mit 3,3 V, daher sind keine Pegelwandlung oder zusätzlichen Bauteile erforderlich.
Sicherheitshinweise
Halten Sie die Leiterplatte (den oberen Teil des Sensors mit der Elektronik) stets oberhalb der Erd- oder Wasserlinie. Nur der Sondenabschnitt darf in den Boden gesteckt werden. Wenn Sie in Flüssigkeit testen, verwenden Sie Salzwasser statt reinem Wasser — reines Wasser hat eine sehr geringe Leitfähigkeit und beeinflusst die Sensorwerte nicht. Der Betrieb des Sensors mit 3,3 V am ESP32 S3 ist sicher und vermeidet Probleme mit der Spannungskompatibilität.
Dieses Bild wurde mit Fritzing erstellt. Klicken Sie, um das Bild zu vergrößern.
| Pin des Feuchtigkeitssensors | ESP32 S3 Pin |
|---|---|
| GND | GND |
| VCC | 3.3V |
| AOUT | GPIO6 (ADC1_CH5) |
ESP32 S3 Code - Feuchtigkeitswerte auslesen
Der folgende Sketch konfiguriert GPIO6 als Analogeingang, liest den Wert des Feuchtigkeitssensors alle 500 Millisekunden aus und gibt das Ergebnis im seriellen Monitor aus. Diesen Code zuerst auszuführen ist der wesentliche Schritt zur Kalibrierung Ihres Sensors, bevor Sie zur Nass/Trocken-Erkennung übergehen.
Schnelle Schritte
- Neu beim ESP32 S3? Arbeiten Sie zuerst unsere Anleitung Erste Schritte mit dem ESP32 S3 durch.
- Verdrahten Sie den kapazitiven Bodenfeuchtesensor wie im obigen Schaltplan gezeigt mit Ihrem ESP32 S3.
- Verbinden Sie den ESP32 S3 über ein USB-Typ-C-Kabel mit Ihrem Computer.
- Öffnen Sie die Arduino IDE und wählen Sie das ESP32 S3 Board und den richtigen COM-Port aus.
- Kopieren Sie den obigen Code und fügen Sie ihn in die Arduino IDE ein.
- Klicken Sie auf die Schaltfläche Upload, um Ihren ESP32 S3 zu programmieren.
- Stecken Sie die Sensorsonde in die Erde und öffnen Sie den seriellen Monitor mit 115200 Baud.
- Beobachten Sie, wie sich die Werte ändern, während Sie langsam Wasser in die Erde geben.
- Notieren Sie Ihre Werte für trocken und nass — Sie benötigen sie für die Kalibrierung.
- Profi-Tipp: Verwenden Sie bei der Kalibrierung eine einheitliche Bodenart und Einstecktiefe des Sensors, um Schwellenwerte zu erhalten, die sich zuverlässig auf Ihr Projekt übertragen lassen.
Ausgabe im seriellen Monitor
※ Notiz:
- Verwenden Sie zum Testen kein reines Wasser, da es keinen Strom leitet und die Sensorwerte daher nicht beeinflusst.
- Die Sensorwerte fallen nie auf null. Werte zwischen 3100 und 2600 sind normal, können sich aber aufgrund von Faktoren wie der Einstecktiefe des Sensors, der Zusammensetzung von Boden oder Wasser und der Versorgungsspannung ändern.
- Vergraben Sie den Schaltungsteil (oben am Sensor) nicht in Erde oder Wasser, da dies den Sensor beschädigen könnte.
Kalibrierung des kapazitiven Bodenfeuchtesensors
Da der kapazitive Bodenfeuchtesensor relative Werte ausgibt, die sich je nach Bodenart, Salzgehalt des Wassers und Einstecktiefe verschieben, ist eine Kalibrierung notwendig, bevor Ihr ESP32 S3 zuverlässig zwischen nass und trocken unterscheiden kann. Ein Schwellenwert, der in lehmiger Gartenerde perfekt funktioniert, kann für sandigen oder tonhaltigen Boden völlig falsch sein.
Der Kalibrierungsvorgang ist einfach: Führen Sie den ersten Sketch auf Ihrem ESP32 S3 aus, stecken Sie den Sensor in die Erde, die Sie tatsächlich überwachen möchten, und notieren Sie die Werte an beiden Extremen.
- Trocken beginnen: Notieren Sie den Wert im seriellen Monitor für völlig trockene Erde
- Nach und nach Wasser hinzufügen: Gießen Sie langsam und beobachten Sie, wie die Werte sinken
- Übergangspunkt finden: Ermitteln Sie den Wert, bei dem sich die Erde feucht anfühlt
- Schwellenwert notieren: Schreiben Sie den Wert an diesem Übergang von trocken zu nass auf
- Vollständig gesättigte Erde testen: Notieren Sie den niedrigsten Wert, den Sie bei völlig nasser Erde beobachten
Typische Kalibrierungsergebnisse für gewöhnliche Gartenerde liegen im Bereich von 2200–2500 für trockene Bedingungen und 1200–1500 für nasse Bedingungen. Ihr Schwellenwert sollte in der Mitte zwischen Ihren notierten Extremwerten für trocken und nass liegen.
Feststellen, ob der Boden nass oder trocken ist
Nach der Kalibrierung können Sie die Schwellenwert-Konstante im folgenden Sketch anpassen und ihn auf Ihren ESP32 S3 hochladen, um neben dem rohen Sensorwert eindeutige Statusmeldungen "WET" oder "DRY" zu erhalten.
Schnelle Schritte zur Nass/Trocken-Erkennung
- Neu beim ESP32 S3? Arbeiten Sie zuerst unsere Anleitung Erste Schritte mit dem ESP32 S3 durch.
- Ersetzen Sie den Wert THRESHOLD im Code durch die Zahl, die Sie bei der Kalibrierung notiert haben.
- Laden Sie den aktualisierten Code auf Ihren ESP32 S3 hoch.
- Stecken Sie die Sensorsonde in der vorgesehenen Messtiefe in die Erde.
- Öffnen Sie den seriellen Monitor mit 115200 Baud.
- Fügen Sie Wasser hinzu, um zu prüfen, ob der Schwellenwert die Meldungen WET und DRY korrekt auslöst.
- Passen Sie den Wert THRESHOLD bei Bedarf anhand Ihrer Ergebnisse an.
- Profi-Tipp: Setzen Sie Ihren Schwellenwert etwas höher als den tatsächlichen Übergangspunkt, damit der ESP32 S3 eine Bewässerung auslöst, bevor der Boden kritisch trocken wird.
Ausgabe im seriellen Monitor - Nass/Trocken-Status
※ Notiz:
Dieses Tutorial verwendet die Funktion analogRead(), um Werte von einem ADC (Analog-Digital-Wandler) zu lesen, der mit einem Sensor oder Bauteil verbunden ist. Der ADC des ESP32 S3 eignet sich für Projekte, die keine hohe Genauigkeit erfordern. Für Projekte mit präzisen Messungen sollten Sie jedoch Folgendes beachten:
- Der ADC des ESP32 S3 ist nicht perfekt genau und muss für korrekte Ergebnisse möglicherweise kalibriert werden. Jedes ESP32 S3 Board kann leicht abweichen, daher ist für jedes einzelne Board eine Kalibrierung notwendig.
- Die Kalibrierung kann anspruchsvoll sein, besonders für Einsteiger, und liefert nicht immer genau die gewünschten Ergebnisse.
Für Projekte, die hohe Präzision erfordern, sollten Sie einen externen ADC (z. B. ADS1115) mit dem ESP32 S3 verwenden oder einen anderen Arduino einsetzen, etwa den Arduino Uno R4 WiFi, der einen zuverlässigeren ADC besitzt. Wenn Sie den ADC des ESP32 S3 dennoch kalibrieren möchten, lesen Sie den ESP32 ADC Calibration Driver.
Anwendungs- und Projektideen
Der ESP32 S3 in Kombination mit einem kapazitiven Bodenfeuchtesensor ist eine vielseitige Grundlage für eine Vielzahl von Anwendungen für intelligentes Gärtnern und Umweltüberwachung.
- Automatisches Pflanzenbewässerungssystem: Lösen Sie eine relaisgesteuerte Wasserpumpe aus, wenn der ESP32 S3 erkennt, dass der Boden zu trocken geworden ist.
- Intelligenter Gartenmonitor: Übertragen Sie Live-Feuchtigkeitsdaten über das integrierte WLAN des ESP32 S3 per MQTT- oder HTTP-Benachrichtigungen auf Ihr Smartphone.
- Monitor für mehrere Pflanzen: Schließen Sie mehrere Sensoren an separate ADC-Pins des ESP32 S3 an, um verschiedene Pflanzen oder Gartenbereiche gleichzeitig zu überwachen.
- Datenlogger: Zeichnen Sie Feuchtigkeitswerte über die Zeit auf einer SD-Karte oder in einem Cloud-Dienst auf, um die Pflanzenpflege langfristig zu analysieren und Jahreszeiten zu vergleichen.
- Gewächshausautomatisierung: Kombinieren Sie die Bodenfeuchtewerte des ESP32 S3 mit Temperatur- und Luftfeuchtigkeitssensoren, um Bewässerungssysteme anhand der aktuellen Umgebungsbedingungen zu steuern.
- Pflanzengesundheits-Warnung: Verwenden Sie eine LED, einen Summer oder eine Push-Benachrichtigung über das WLAN des ESP32 S3, um Sie sofort zu benachrichtigen, wenn eine Pflanze Wasser braucht.
Videobereich
Sehen Sie sich unten die Schritt-für-Schritt-Videoanleitung für dieses ESP32 S3 Projekt an.
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Fordern Sie sich heraus
Diese Übungen bauen auf Ihren Kenntnissen zum Bodenfeuchtesensor mit dem ESP32 S3 auf und reichen von einfachen Verbesserungen der Ausgabe bis zu anspruchsvolleren Designs mit mehreren Sensoren und Energiesparfunktionen.
- Einsteiger: Fügen Sie am ESP32 S3 eine LED hinzu, die leuchtet, sobald der Bodenfeuchtesensor einen TROCKEN-Zustand meldet.
- Einsteiger: Rechnen Sie den rohen ADC-Wert in einen Feuchtigkeitsprozentsatz (0–100 %) um und zeigen Sie ihn neben dem Rohwert im seriellen Monitor an.
- Fortgeschritten: Bauen Sie ein automatisches Bewässerungssystem mit einem Relaismodul und einer kleinen Wasserpumpe, die vom ESP32 S3 gesteuert wird.
- Fortgeschritten: Senden Sie Feuchtigkeitsdaten vom ESP32 S3 über dessen WLAN-Funktionen an ein Web-Dashboard, damit Sie Ihre Pflanzen aus der Ferne überwachen können.
- Experte: Bauen Sie ein Gartensystem mit mehreren Sensoren, das drei oder mehr Pflanzen überwacht, jede mit eigenem Schwellenwert und eigener Bewässerungssteuerung über den ESP32 S3.
- Experte: Implementieren Sie den Deep-Sleep-Modus auf dem ESP32 S3, sodass das Board regelmäßig aufwacht, um die Feuchtigkeit zu prüfen, und dann wieder schlafen geht, was einen monatelangen Batteriebetrieb ermöglicht.