Forum: Platinen Layout kapazitiver Bodenfeuchtigkeitssensor


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von Gustl B. (-gb-)


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Moin,

ich plane gerade eine kleine dünne lange Platine mit ESP und einigen 
Sensoren. Die wird in den Boden gesteckt und meldet mir dann über WLAN 
dessen Feuchtigkeit.

Tja und jetzt überlege ich wie ich den Kondensator am besten layoute.

Die Platine wird 20 mm breit und 300 mm lang. ca. 200 mm sollen dabei in 
den Boden. Ich möchte die Länge in zwei je 100 mm lange Zonen 
unterteilen und die Feuchtigkeit direkt unter der Oberfläche und auch 
etwas weiter unten messen zu können.

Jetzt hat diesen Kondensator zwei Seiten, eine wird mit Masse verbunden 
und die andere Seite wird aufgeladen und die Zeit gemessen.

Wie sollte man den Kondensator auf einer beidseitigen Platine aufbauen? 
Mir fallen da mehrere Möglichkeiten ein:

1. Option 1, alle Flächen sind auf beiden PCB Lagen. Die 
Kondensatorseite, die mit Masse verbunden ist ist im Bild rechts auf der 
ganzen Höhe, links sind die beiden Kondensatorflächen für obere und 
untere Messung.

2. Option 2, da ist die Rückseite die Massenfläche und die Vorderseite 
ist in zwei Zonen unterteilt.

3. Option 3, da sind alle Flächen auf beiden PCB Seiten. Die Länge ist 
in drei Teile geteilt, in der Mitte ist Masse und oben und unten können 
jeweils geladen werden.

Welche Möglichkeit hat denn da die größte Kapazität?

: Bearbeitet durch User
von Joachim (Gast)


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Ich tippe auf Folgendes:
- Option 1 wird eindeutig am besten sein
- Option 2 wird quasi gar nicht funktionieren
- Option 3 wird (im Vergleich zu Option 1) nur vglw. schlecht 
funktionieren

Was meiner persönlichen Erfahrung nach extrem wichtig ist:

Du musst darauf achten, dass, wenn Du an einer beliebigen Stelle quasi 
durch die Platine hindurchbohren würdest, Du auf Vorder- und Rückseite 
stets die "gleiche" Fläche treffen würdest.


Weil dem bei Option 2 nicht so ist, wird Option 2 meiner Erfahrung nach 
gar nicht funktionieren. Da hast Du zwar eine sehr grosse Kapazität - 
aber die ist konstant und wird von der Erdfeuchtigkeit so gut wie gar 
nicht beeinflusst

Bei Option 3 ist diese Bedingung zwar erfüllt, aber die Anordnung sorgt 
nur für eine geringe Kapazität. Für eine hohe und von der Erdfeuchte 
abhängige Kapazität will man, dass die "Linie", die die beiden 
Kondensator-Flächen auf einer Seite der Platine voneinander trennt, 
möglichst lang ist. Bei Option 2 ist diese Linie aber nur sehr kurz.

Bei Option 1 ist sie lang, daher wird Option 1 am besten funktionieren. 
Aber auch nur dann, wenn die obige Bedingung betreffend der Rückseite 
erfüllt, die Rückseite also quasi gespiegelt ist. Ansonsten hätte man 
das gleiche Problem wie bei Option 2: Hohe Kapazität, die aber quasi 
konstant ist und von der Erdfeuchtigkeit so gut wie gar nicht 
beeinflusst wird.

von Jürgen W. (Firma: MED-EL GmbH) (wissenwasserj)


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Option 1 ist die einzig sinnvolle.

Die Eindringtiefe des elektrischen Feldes in den "Halbraum", d.h. die 
Erde, ist etwa so groß wie der Mittenabstand der Elektroden zueinander - 
in Deinem Fall also knapp 10mm - das sollte reichen.

Wenn Du das Ganze in Betrieb nimmst gib aber Acht, daß die (Lack-) 
Isolation gut durchfeuchtet ist, bevor Du auf Meßwerte vertraust. 
Andernfalls wirst Du während der Sättigung des Lacks einen steten 
Anstieg der Kapazität sehen.

Alternativ oder ergänzend könntest Du auch eine echte Impedanzmessung 
machen und den Realteil mitbewerten - mit dem Wurzelwachstum und der 
Verdichtung der Erde im Lfe. der Zeit werden die Werte zwar deutlich 
wandern, aber die Messung ist ja eher für ein Intervall von ein paar 
Tagen relevant.

von Wolfgang (Gast)


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Dadurch, dass bei Option 1 die Sensorflächen für "oben" und "unten" so 
dicht aneinander grenzen, überlappen sich die Felder sehr stark. Für 
eine bessere Trennung würde ich den Abstand vergrößern. Im Boden hast du 
sowieso keine scharfe Grenze.
Guck dir die Feldverläufe mal mit einem Modellierungsprogramm an.

von Gustl B. (-gb-)


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Joachim schrieb:
> Du musst darauf achten, dass, wenn Du an einer beliebigen Stelle quasi
> durch die Platine hindurchbohren würdest, Du auf Vorder- und Rückseite
> stets die "gleiche" Fläche treffen würdest.

OK. Sollte ich da Vias setzen um beide Seiten zu verbinden?

Joachim schrieb:
> Für eine hohe und von der Erdfeuchte
> abhängige Kapazität will man, dass die "Linie", die die beiden
> Kondensator-Flächen auf einer Seite der Platine voneinander trennt,
> möglichst lang ist.

Na dann wären ja fast Meander oder so sinnvoll? Ich stelle mir da so 
Zacken vor die ineinander greifen.

Jürgen W. schrieb:
> Die Eindringtiefe des elektrischen Feldes in den "Halbraum", d.h. die
> Erde, ist etwa so groß wie der Mittenabstand der Elektroden zueinander -
> in Deinem Fall also knapp 10mm - das sollte reichen.

Danke!

Jürgen W. schrieb:
> Wenn Du das Ganze in Betrieb nimmst gib aber Acht, daß die (Lack-)
> Isolation gut durchfeuchtet ist, bevor Du auf Meßwerte vertraust.

OK, ja, das werden sowieso keine genauen Werte werden. Ich bin noch am 
Überlegen wie ich die Kapazität möglichst gut mit einem ESP messen 
könnte. Das ist ja ein uC, und der macht nebenbei ja auch noch andere 
Dinge. Es wäre also gut, wenn die Zeit die ich messen/stoppen will 
möglichst lange wäre. Dazu kann ich
a) den Entladewiderstand sehr hoch wählen (im Internet 
http://esp8266-server.de/Bodenfeuchtesensor.html habe ich 1 k gelesen, 
das finde ich aber eher gering. Aber gut, das kann man ja durch 
Bestückung ausprobieren) oder
b) eine möglichst große Kapazität bauen. Und das hängt eben auch am 
Layout.

> Andernfalls wirst Du während der Sättigung des Lacks einen steten
> Anstieg der Kapazität sehen.

Wie ist das überhaupt mit dem Lack? Ich hätte die ganze Platine mit 
Lötstoplack überzogen. Sollte man das machen oder sollte man lieber eine 
unbedecke Oberfläche wählen? Z. B. Goldoberfläche und das dann zwischen 
den kurzen Messungen Spannungsfrei halten.

Jürgen W. schrieb:
> Alternativ oder ergänzend könntest Du auch eine echte Impedanzmessung
> machen und den Realteil mitbewerten

Wie würde man das mit einem ESP machen? Verschiedene PWM Frequenzen 
anlegen und gucken wie sehr die am ADC ankommen? Der ADC macht ein paar 
wenige kSample/s, ich weiß nicht ob das reicht. Was sind das denn grob 
für Kapazitätswerte, also eher pF oder nF?

Wolfgang schrieb:
> Dadurch, dass bei Option 1 die Sensorflächen für "oben" und "unten" so
> dicht aneinander grenzen, überlappen sich die Felder sehr stark. Für
> eine bessere Trennung würde ich den Abstand vergrößern. Im Boden hast du
> sowieso keine scharfe Grenze.

Ja, richtig. Vor allem ist ja die Massenfläche über die ganze Höhe. Aber 
wenn ich die Abstände vergrößere, dann wird die Kapazität auch kleiner 
und schlechter messbar. Mir geht es nur um grobe Werte, genau wird das 
mit einem uC und dessen Zeitauflösung sowieso nicht.
(ein FPGA wäre fein, sollte ich mir das überlegen? So ein iCE40, aber 
dann kostet die Platinen deutlich mehr wegen den kleineren Strukturen.)

Wolfgang schrieb:
> Guck dir die Feldverläufe mal mit einem Modellierungsprogramm an.

Welches würdest du mir da empfehlen?

von Wolfgang (Gast)


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Gustl B. schrieb:
> Welches würdest du mir da empfehlen?
Ich verwende ab und zu FEMM. Das ist auf 2D beschränkt, d.h. man kann 
sich irgendwelche Effekte angucken oder Symmetrien nutzen, aber bekommt 
keine volles 3D-Feld gerechnet.
http://www.femm.info/wiki/HomePage

von Gustl B. (-gb-)


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Danke!

von Gustl B. (-gb-)


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Moin,

habt ihr noch Antworten auf die Fragen? Jetzt weiß ich zwar welche 
Geometrie ich wähle, aber ich weiß nicht:

- soll ich beide Lagen mit vielen Vias verbinden?
- ist es besser wenn die Platine dick oder dünn ist (dick könnte man 
besser in den Boden hämmern)?
- soll ich Lötstoplack über die Kondensatorflächen ziehen oder diese 
blank lassen?

Vielen Dank!

von Wühlhase (Gast)


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Gustl B. schrieb:
> soll ich Lötstoplack über die Kondensatorflächen ziehen oder diese
> blank lassen?

Das blanke Cu wir dir recht schnell weggammeln, und Elektrolyse bekommst 
du auch. Ich habe allerdings auch keine Ahnung, wie lange der Lötstopp 
deine Leiterkarte schützt.

Vielleicht wäre eine eigentlich vierlagige Platine, wo du jedoch nur die 
inneren Lagen benutzt, besser. Dann ist auch die Oberfläche, über die 
das FR4 Feuchtigkeit aufnehmen kann, größer.

von Wühlhase (Gast)


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Nachtrag: Dann würde ich den Kondensatorplatten noch ein feines Muster 
spendieren, für besseren Feuchtedurchlass. Anstatt ganzer Flächen 
vielleicht lieber viele Leiterbahnen mit geringem Abstand oder so...oder 
Netzmuster statt Vollfläche, irgendwowas.

von Gustl B. (-gb-)


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Hm, ja interessant. Gut, 4 Lagen kosten schon deutlich, vor allem wenn 
es um mehrere viele Gartensensoren geht.

Gegen Elektrolyse sollte es doch reichen den Kondensator spannungsfrei 
zu schalten wenn nicht gemessen wird.

Beim Layout gibt es irgendwie viele verschiedene Designs zu kaufen, hier 
ein paar Bildchen:

Irgendeine Schleife oder ein Oval in der Mitte:
https://sc01.alicdn.com/kf/HTB1kWMBaTTI8KJjSsphq6AFppXaJ.jpg

Hier zwei blanke Stifte:
https://www.dhresource.com/0x0/f2/albu/g5/M00/32/A1/rBVaJFlPMgGAPWc1AAGYxCoWrVE374.jpg

Zinken mit großen Vias:
https://http2.mlstatic.com/higrometro-sensor-de-humedad-del-suelo-arduino-modulo-hl-69-D_NQ_NP_327911-MCO20674648754_042016-F.jpg

Und hier zwei Flächen nebeneinander mit Lack drüber:
https://allgeek.de/wp-content/uploads/2018/07/IMG_6282-768x503.jpg

Scheint irgendwie alles zu funktionieren ...

von Wühlhase (Gast)


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Bei dem blanken Metall würde ich nicht davon ausgehen, daß die kapazitiv 
messen.


Gustl B. schrieb:
> Scheint irgendwie alles zu funktionieren ...

Das sieht mir aus wie irgendwelche Arduinospielereien...bzw. Spielereien 
auf Arduinoniveau. Oder Polinbausätze. Wenn du Glück hast, dann hat mal 
jemand mit einem ernsthaften Feuchtemesser verglichen und interpoliert 
zwischen ein paar Werten hin und her. Ich bin mir recht sicher, warum da 
was wie funktioniert wissen die Entwickler selber nicht genau. Wer weiß 
wie die Meßtoleranzen nach einer Woche Einsatz aussehen...

von Gustl B. (-gb-)


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Exakt das vermute ich leider auch. Und weil ich davon keine Ahnung habe 
frage ich dann lieger hier nach. Eine klare Empfehlung zum Nachbauen 
oder ein paar Richtlinien wären ja fein ...

Jedenfalls werde ich Feedback geben wenn das funktioniert, das kann aber 
noch lange dauern.

von Wühlhase (Gast)


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Gustl B. schrieb:
> Und weil ich davon keine Ahnung habe
> frage ich dann lieger hier nach. Eine klare Empfehlung zum Nachbauen
> oder ein paar Richtlinien wären ja fein ...

Ich bin jetzt zu faul/beschäftigt erstmal nachzuschauen, aber 
vernünftige Erdfeuchtemesser dürften nicht so billig sein wie die 
Spielzeuge beim Ali.

Und das nicht ohne Grund, wie du gerade selber feststellst. Das 
Funktionsprinuip sieht bestechend simpel aus, bis man feststellt wieviel 
einem da noch in die Suppe spuckt: Materialausdehnung durch 
Feuchtigkeitsaufnahme, Drift über die Zeit falls dieser Effekt 
irgendwann mal schwächer wird (sofern es diesen überhaupt gibt, ich 
orakel auch nur munter ins Blaue), Temperaturdrift, ...

Aber die erste Frage die ich mir stellen würde, wäre: Wie genau 
willst/brauchst du es denn? Und wie lange? Und wo? Möglicherweise sind 
die schlechten Bastelspielereien gut genug.

Die Frage nach dem Ziel sollte sowieso immer geklärt sein, bevor man 
sich einen Weg auswählt. Es sei denn, der Weg ist das Ziel.

Ach ja...wie sieht es eigentlich mit den Ausdünstungen einer Leiterkarte 
aus? Will man sowas im Boden vergraben?

von Joachim S. (oyo)


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Gustl B. schrieb:
> Irgendeine Schleife oder ein Oval in der Mitte:
> https://sc01.alicdn.com/kf/HTB1kWMBaTTI8KJjSsphq6AFppXaJ.jpg
>
> Hier zwei blanke Stifte:
> 
https://www.dhresource.com/0x0/f2/albu/g5/M00/32/A1/rBVaJFlPMgGAPWc1AAGYxCoWrVE374.jpg
>
> Zinken mit großen Vias:
> 
https://http2.mlstatic.com/higrometro-sensor-de-humedad-del-suelo-arduino-modulo-hl-69-D_NQ_NP_327911-MCO20674648754_042016-F.jpg
>
> Und hier zwei Flächen nebeneinander mit Lack drüber:
> https://allgeek.de/wp-content/uploads/2018/07/IMG_6282-768x503.jpg
>
> Scheint irgendwie alles zu funktionieren ...

Die beiden mittleren Varianten mit blankem Metall sind erfahrungsgemäss 
völliger Schrott. Die gammeln quasi binnen Tagen weg. An denen würde ich 
mich nicht orientieren.

Die Variante mit dem Oval in der Mitte finde ich zwar ganz interessant, 
aber ob das jetzt Vorteile bringt? Keine Ahnung. Ich denke, an Deiner 
Stelle würde ich mir da gar keine so grossen Gedanken machen und einfach 
die Standardvariante nehmen, mit zwei länglichen parallelen Streifen, so 
wie in der letzten Variante bzw. Option 1 aus Deinem Eröffnungsposting. 
Diese Standardvariante ist ausreichend erprobt und bewährt.

p.s.: Grundsätzlich eine sehr interessante Idee, den Feuchtigkeitssensor 
in mehrere getrennte Zonen zu unterteilen, um die Feuchtigkeit in 
mehreren Tiefen messen zu können. Habe ich so bislang noch nie gesehen. 
Würde mich da wirklich über Feedback freuen, was Du damit für 
Erfahrungen machst.
Auch, was die Art der Kapazitätsmessung mit der hier beschriebenen 
Methode betrifft:
http://esp8266-server.de/Bodenfeuchtesensor.html
Auf genau diese Webseite bin ich damals auch gestossen und fand die Idee 
recht interessant, weil man offenbar nur zwei Widerstände benötigt. Weil 
ich sonst aber niemanden gefunden habe, der das auch so macht, und man 
da zwei GPIO-Pins statt nur einem benötigt, habe ich mich letztlich dann 
doch für die leicht aufwändigere Art der Kapazitätsmessung entschieden, 
wie sie z.B. hier beschrieben wird:
https://github.com/Zentris/erdfeuchtemessung/wiki/kapazitiv

von Johannes S. (jojos)


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Ein Low cost Sensor der halbwegs funktioniert ist der Xiaomi flower 
care, arbeitet mit Bluetooth.
Zentris hat den zuletzt auch eingesetzt, der letzte Link hier ist auf 
eine ältere Seite. Im Raspberry Forum ist ein ellenlanger Thread über 
die ganze Historie, ich habe hier auch mal einen Sensor entworfen, 
Beitrag "YACMS - noch ein kapazitiver Feuchtigkeitssensor"
Dank Corona gibts ja viel Zeit zum lesen. Die würde ich jetzt aber zum 
manuellen selber gießen nutzen. Oder lasse das meinen zweibeinigen 
Gießroboter machen :)

: Bearbeitet durch User
von Gustl B. (-gb-)


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Wühlhase schrieb:
> Ich bin jetzt zu faul/beschäftigt erstmal nachzuschauen,

Kein Problem, ist ja mein Bastelprojekt. Leider kosten Platinen auch, 
also eine Testreihe will ich ungerne machen wobei das ja mal was wäre 
...

Wühlhase schrieb:
> Aber die erste Frage die ich mir stellen würde, wäre: Wie genau
> willst/brauchst du es denn? Und wie lange? Und wo? Möglicherweise sind
> die schlechten Bastelspielereien gut genug.

Naja, mich kostet eine Platine mit Minimalbestückung irgendwo zwischen 
10 und 20 €, wahrscheinlich näher bei den 20 €. Das soll dann schon 
mehrere Jahre halten. Ich stecke das einmal neben einem Baum oder so in 
den Boden und da bleibt das dann.
Die Messgenauigkeit ist mir fast egal, mir geht es nur daraum um 
Schwellen setzen zu können wann wo gegossen werden soll. Mit dem oberen 
Kondensator dann für den Rasen oder Oberflächenpflanzen, mit dem 
tieferen Kondensator für Sträucher und Bäume.

Wühlhase schrieb:
> Es sei denn, der Weg ist das Ziel.

Auch. Ich habe noch nie etwas wirklich mit uCs gemacht. Klar, ich hatte 
mal einen microblaze im FPGA, aber der war mir dann zu langsam, da 
schreibe ich lieber mehr VHDL. Jetzt möchte ich das ganze mit MQTT und 
Visualisierung mit Grafana oder so lernen. Und ich möchte auch lernen 
etwas zu bauen was dann Witterung aushält und mit wenig Strom auskommt. 
Da wird ein 10440 Akku draufgelötet und es kommt ein kleines Solarpanel 
dran. Ich bin gespannt ob das im Winter ausreicht. Aber im Winter würde 
es mir ja auch genügen wenn der nur wenige Stunden am Tag genug Strom 
bekommt und Messwerte liefert, die Pflanzen sind da im Winterschlaf.

Joachim S. schrieb:
> Die beiden mittleren Varianten mit blankem Metall sind erfahrungsgemäss
> völliger Schrott. Die gammeln quasi binnen Tagen weg. An denen würde ich
> mich nicht orientieren.

Das habe ich schon mehrmals gelesen und trotzdem scheint sich das zu 
verkaufen.

Joachim S. schrieb:
> Habe ich so bislang noch nie gesehen.
> Würde mich da wirklich über Feedback freuen, was Du damit für
> Erfahrungen machst.

Exakt deshalb baue ich den auch selber.
Ich dachte auch über eine Sollbruchstelle zwischen den beiden Zonen 
nach. Dann könnte man die Platine da einfach durchbrechen. Das Ergebnis 
wäre ein kurzer Sensor den man dann auch in kleine Blumentöpfe stecken 
kann.
Feedback wird es geben.

Joachim S. schrieb:
> Auch, was die Art der Kapazitätsmessung mit der hier beschriebenen
> Methode betrifft:
> http://esp8266-server.de/Bodenfeuchtesensor.html

Genau das will ich machen. Aber:
Der ESP ist ein uC, ich weiß nicht wie genau man damit Zeiten messen 
kann. Im FPGA habe ich ein definiertes Timing, aber so ein uC macht 
nebenbei noch andere Dinge.
Und ich finde einen Entladewiderstand von 1 kOhm eher klein. Wenn man 
bei der Zeitmessung einen großen Fehler hat, dann sollte die absolute 
Zeit möglichst lange sein damit der Fehler im Vergleich dazu kleiner 
wird. Ich werde da also auch 10 k und 100 k Ohm ausprobieren.

Joachim S. schrieb:
> und man
> da zwei GPIO-Pins statt nur einem benötigt,

Mit den zwei Zonen sogar 4 IOs.

Joachim S. schrieb:
> habe ich mich letztlich dann
> doch für die leicht aufwändigere Art der Kapazitätsmessung entschieden,
> wie sie z.B. hier beschrieben wird:
> https://github.com/Zentris/erdfeuchtemessung/wiki/kapazitiv

Ja, die habe ich auch gesehen, aber ... das sind viele Bauteile und die 
brauchen die ganze Zeit Strom. Nicht nur während der Messung. Weil mein 
Sensor nur eine kleine Solarzelle bekommt will ich so wenig Energie 
verschwenden wie möglich.

Johannes S. schrieb:
> Ein Low cost Sensor der halbwegs funktioniert ist der Xiaomi flower
> care, arbeitet mit Bluetooth.

Da ist mir die Reichweite zu gering. Das soll in den Garten und da habe 
ich > 20 m Funkstrecke und Bewuchs dazwischen.

Johannes S. schrieb:
> ich habe hier auch mal einen Sensor entworfen,
> Beitrag "YACMS - noch ein kapazitiver Feuchtigkeitssensor"

Interessant. Ich vermute aber, dass die ganzen Schwingkreislösungen 
dauerhaft Strom brauchen? Oder man baut das mit einem Transistor 
abschaltbar.

Wobei ... wie wäre es denn mit dieser Schnellschussidee:

Ein Parallelschwingkreis kann ja auch als schlambandiges Filter 
verwendet werden. Der ist dann rein passiv und braucht keinen Strom.
Dann nehme ich zwei IOs. An einem gebe ich eine Frequenz aus, und mit 
dem anderen gucke ich ob da diese Frequenz ankommt.
Weil die Durchlassfrequenz von der Feuchtigkeit abhängt kenne ich die 
also nicht und muss quasi einen Frequenzsweep machen. Dann sehe ich am 
Empfangspin ab welcher unteren Frequenz ein Signal empfangen wird und 
auch bei welcher oberen Frequenz dann nichts mehr empfangen wird. 
Dazwischen liegt dann also die Resonanzfrequenz.
Ginge sowas?

Edit:
Ich bekomme gerade von einem E-Technik Kumpel die Empfehlung den 
Kondensator wie zwei ineinandergeschobene Kämme zu bauen. Ist das 
sinnvoll?

: Bearbeitet durch User
von Gustl B. (-gb-)


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Bei der Schwingkreislösung ist ja das Problem, dass man da entweder die 
Frequenz bestimmen oder Takte zählen muss mit dem ESP. Da weiß ich nicht 
wie das bei hohen Frequenzen ist. Aber man könnte ja auch einen externen 
Zählerbaustein wie den hier 
https://www.mouser.de/datasheet/2/916/74HC_HCT4040-1319793.pdf 
verwenden.

Dann braucht man also zwei IOs, einmal für einen Transistor um dem 
Zähler und Gatter den Strom zu nehmen und einen IO um die Periodendauer 
vom LSB-1 zu messen.

Übrigens:
Diese Schaltung aus 
https://github.com/Zentris/erdfeuchtemessung/wiki/kapazitiv lässt sich 
nicht simulieren. Warum auch immer.

von Wühlhase (Gast)


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Das müßte auch mit einem IO gehen, wenn da ein ADC dranhängt. Mit einer 
FFT kriegst du die Frequenz auch raus. Spart einen IO, ist aber 
rechenintensiv.

von Gustl B. (-gb-)


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Ja, aber für die FFT muss der ADC schnell genug abtasten. Und einen ADC 
mit nur einem IO findet man auch eher selten. Da verwende ich lieber 
einen externen Vorteiler und messe dann mit dem UC einen sehr langsamen 
Takt.

von Gustl B. (-gb-)


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So, wirklich Ahnung habe ich immer noch nicht, aber ich habe mir jetzt 
für das Kammlayout entschieden.

Eigentlich wäre es doch gut wenn zwischen den Kondensatorpolen 
tatsächlich Freiraum wäre. Vielleicht sollte man da also Schlitze 
reinfräsen lassen?

Ausserdem werde ich zum Messen tatsächlich einen externen Zähler als 
Vorteiler verwenden. Ich vermute damit kann man die tatsächliche 
Frequenz genauer bestimmen.

: Bearbeitet durch User
von Gustl B. (-gb-)


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Macht das überhaupt Sinn das in zwei Zonen aufzuteilen?

Ich meine, die Verbindung zu der unteren Zone muss ja uch oben vorbei 
und geht also so die ganze Länge nach unten. Ja, die Fläche der 
Verbindung ist oben dann sehr viel kleiner, aber etwas Kapazität hat das 
auch.

von Gustl B. (-gb-)


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Ja und dann kann man in den RC Kreis noch eine Shunt Spannungsreferenz 
einbauen. Dann darf die Versorgungsspannung an dem NOT Gatter auch etwas 
wackeln.

von Wolfgang (Gast)


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Gustl B. schrieb:
> Ja, die Fläche der
> Verbindung ist oben dann sehr viel kleiner, aber etwas Kapazität hat das
> auch.
Eben, das Flächenverhältnis bestimmt das Übersprechen und das muss man 
in Relation zur erzielbaren Genauigkeit sehen. Im Prinzip spricht auch 
nichts dagegen, den Quereinfluss zu kalibrieren und bei der Auswertung 
zu berücksichtigen.

von Gustl B. (-gb-)


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Jap, kalibrieren ist vermutlich sehr wichtig bei sowas.

Jetzt habe ich Slots drinnen. Das werde ich auch so fertigen lassen wenn 
es nicht zu teuer wird. Die Slots habe ich dort gesetzt, wo das Feld 
seine höchste Dichte hat.

Und noch eine Frage:

Wie ist das eigentlich wenn man jetzt bei der Platine ganz einfach die 
obere Lage für den einen und die untere Lage für den anderen 
Kondensatorpol verwenden würde?
Dann hat man ja einen Plattenkondensator gebaut und die Feldlinien gehen 
durch die Platine. Das ändert sich auch nicht, wenn die Erde nass ist.
Aber zusätzlich geht ja auch das Feld aussen herum durch die Erde von 
Platte zu Platte. Und das geht dann vollständig durch die Erde, 
Feuchtigkeit hätte also auf dieses Feld dort einen großen Einfluss.
Macht das Sinn oder wird in diesem äußeren Feld fast keine Energie 
gespeichert?

: Bearbeitet durch User
von Gustl B. (-gb-)


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So, Layout ist fertig, Bestellung ist raus. Ich habe die Fräsungen jetzt 
noch etwas vergrößert, damit da wirklich Erde dazwischen reingeht.

Insgesamt ist die Länge der Fräsung deutlich länger wie die Länge der 
Platine unter der Erde, ich erwarte also, dass das besser funktioniert 
wie wenn ich nur zwei Zinken in die Erde gesteckt hätte.
Nachteil ist aber, dass durch die Fräsungen Wurzeln wachsen können. Die 
könnten die Platine zersprengen? oder es zumindest erschweren die dann 
wieder aus dem Boden zu ziehen.

von Wolfgang (Gast)


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Gustl B. schrieb:
> Wie ist das eigentlich wenn man jetzt bei der Platine ganz einfach die
> obere Lage für den einen und die untere Lage für den anderen
> Kondensatorpol verwenden würde?
Der Weg außen rum (durch die Erde) ist dann relativ lang und die 
Kapazität im Vergleich zu dem Plattenkondensator entsprechend gering. 
Dadurch hat die Erdfeuchte dann einen relativ geringen Einfluss auf die 
Gesamtkapazität.

von Gustl B. (-gb-)


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Danke! Mal gucken wie meine Lösung dann funktioniert. Ziel war es das in 
möglichst schmal zu bekommen, daher auch nur eine Akku Zelle. Aber 
Li-Ion ist leider im Winter nicht gut. Da werde ich also noch eine 
Winteroption für Bleiakku oder so entwerfen müssen.

von Gustl B. (-gb-)


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So, Sensor ist fertig. Die Platine hat zwar insgesamt ein paar Bugs, 
aber so ist das eben mit Rev. A Hardware. Ich will ja auch was dabei 
lernen. Jedenfalls, der Sensor funktioniert und ich bekomme brauchbare 
Werte. Jetzt habe ich aber ein Problem:

Wie teste ich das möglichst optimal?

Meine Ideen und Probleme dabei:

Sensor in Behältnis stellen und das langsam mit Wasser auffüllen.

- Das Behältnis muss gerade Wände haben, also die Querschnittsfläche in 
jeder Höhe gleich sein.
- Die Wasserquelle muss konstant gleich viel Wasser liefern. (Meine 
Wasserhähne machen das leider nicht so wirklich)
- Das Wasser soll an der Platine möglichst gleichmäßig emporsteigen. 
Auch das macht es nicht, denn Dank Oberflächenspannung sind das viele 
kleine "Sprünge" die ich auch in den Messwerten schön sehen kann.
Die Beigabe von Seife hat erstmal zu Schaum geführt was noch schlechter 
war. Mit sehr wenig Seife/Waschpulver habe ich aber weiterhin deutlich 
sichtbare Oberflächenspannung.
- Es sollte keine Luft eingeschlossen werden. Das ist bei den gefrästen 
Meandern ein echtes Problem. Ab und zu bleiben da Luftblasen hängen. Die 
Innenseite der Fräsung ist ja auch etwas rau.

Tja ... Ideen wie ich das optimieren könnte?

Was ich machen will ist den Sensor in einen hohen Topf mit Erde 
eingraben. Dann gießen und auf der Herdplatte trocknen und so, das 
sollte auch Kurven geben.

Und dann würde ich gerne die Auflösung testen. Also kleine aber 
definierte Änderungen und sehen wie sich der Sensor verhält. Die 
Auflösung ist jedenfalls ziemlich hoch und das Rauschen der Messwerte 
eher gering. Ich vermute, dass ich damit vorbeikriechende Regenwürmer 
zählen könnte. Vielleicht mache ich das mal als lustiges Video^^.

Jedenfalls sind Testideen immer willkommen. Mir ist zwar klar, dass ich 
keine absoluten Zahlen brauche, aber ich würde meinen Sensor gerne gegen 
andere Sensoren vergleichen.

Zu den Daten:
Ich bekomme Periodendauern von 28 ms in Luft bis zu ca. 2 s in Wasser. 
Wenn ich mit dem ESP eine Periodendauer messe, dann geht das mit 
micros() also deutlich unter 1 ms genau. Vermutlich auch auf kleiner 100 
us genau.

: Bearbeitet durch User
von Joachim S. (oyo)


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Hallo Gustl - schön, wieder etwas von Deinem Projekt zu hören!

Gustl B. schrieb:
>> Die beiden mittleren Varianten mit blankem Metall sind erfahrungsgemäss
>> völliger Schrott. Die gammeln quasi binnen Tagen weg. An denen würde ich
>> mich nicht orientieren.
>
> Das habe ich schon mehrmals gelesen und trotzdem scheint sich das zu
> verkaufen.

Ja - an Leute wie mich, die es erst glauben wollen, wenn sie es selbst 
ausprobiert haben. ;-)

Gustl B. schrieb:
> Wie teste ich das möglichst optimal?
>
> Meine Ideen und Probleme dabei:
> [...]
> - Das Wasser soll an der Platine möglichst gleichmäßig emporsteigen.
> Auch das macht es nicht, denn Dank Oberflächenspannung sind das viele
> kleine "Sprünge" die ich auch in den Messwerten schön sehen kann.
> Die Beigabe von Seife hat erstmal zu Schaum geführt was noch schlechter
> war. Mit sehr wenig Seife/Waschpulver habe ich aber weiterhin deutlich
> sichtbare Oberflächenspannung.

Dürften diese Sprünge bei dieser Versuchsanordnung nicht auch zum Teil 
durch die gewählte Kamm-Struktur kommen? Bei meinem Sensor, bei dem ich 
ganz simpel zwei parallele Flächen gewählt habe (quasi Option 1 aus 
Deinem Eröffnungsposting) kann ich mich jedenfalls nicht an solche 
Sprünge erinnern; wenn ich den Sensor bspw. langsam in's Wasser getaucht 
habe, der Wert stieg meiner Erinnerung nach völlig linear an.

> - Es sollte keine Luft eingeschlossen werden. Das ist bei den gefrästen
> Meandern ein echtes Problem. Ab und zu bleiben da Luftblasen hängen. Die
> Innenseite der Fräsung ist ja auch etwas rau.

Ich bin eh skeptisch, ob das mit dem Fräsungen unter'm Strich eine gute 
Idee ist.  Die ja schon von Dir geäusserte Befürchtung, dass da Wurzeln 
durchwachsen und man die Sensoren dann nicht mehr entfernen kann 
(zumindest ohne Beschädigung) erscheint mir sehr real. Ausserdem wird 
der lange dünne Sensor dadurch ja nochmal deutlich zerbrechlicher...

Noch ein Tipp für deine Tests: Der Sensor sollte erst einmal 
"eingeschwemmt" werden (wie das ein anderer Forist mal bezeichnet hat), 
sonst wundert man sich evtl. über komische Messergebnisse.
Beim Test meines kapazitiven Bodenfeuchtesensors war mir das jedenfalls 
nicht bewusst und ich habe mich echt gewundert: Da bekam ich an Luft 
sagen wir mal einen Wert von 2µs, und als ich ihn dann in ein Glas mit 
Wasser gesteckt habe, stieg der Wert sofort auf sagen 35µs oder so an. 
Soweit völlig okay, das komische war nur: ich liess den Sensor eine 
Weile im Wasserglas stehen, und bemerkte, dass der Wert langsam aber 
stetig weiter anstieg; erst nach etlichen Stunden, als der Wert 
mittlerweile auf 60µs oder so angestiegen war, stieg er nicht mehr 
weiter.

von Johannes S. (jojos)


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zwischen dem Test im Wasser und der Praxis in der Erde hatte ich bei der 
kapazitiven Messungen deutliche Unterschiede gesehen. Im Wasser habe ich 
einen nahezu linearen Füllstandsensor, aber in der Erde blieben die 
Feuchtigkeitswerte hoch obwohl die Erde schon knochentrocken war. Und 
diese Erfahrung hatten ja auch schon andere gemacht. Und das ist keine 
Feuchtigkeit in der Isolierung, nach Trockenwischen des Sensors gingen 
die Werte runter. Versiegelung mit PU ist auch wichtig, einfache Lacke 
halten nicht lange.
Das einfache Modell von Kondensatorplatten mit unterschiedlichem 
Dielektrikum bildet die Realität nicht richtig ab. Ich bin ja gespannt 
ob du zu anderen Ergebnissen kommst, aber auch eine Variante mit ESP und 
verschiedenen Sensorgeometrien ist nicht neu, siehe die vielen Versuche 
von Zentris im RPi Forum.
Und LiIon Akku im Winter: dürfte auch wenig praxisrelevant sein, was 
wächst im Winter draussen das noch regelmässig gegossen werden möchte? 
Da friert nicht nur der Akku, da friert dir auch das Wasser ein.

von Joggel E. (jetztnicht)


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Es ist aber schon klar, dass Epoxy hygroskopisch ist und viel Wasser 
selbst aufnehmen kann. Deswegen sollte das Feld auch nicht durch den 
Epoxy durch gehen, sondern aussen rum bleiben.

von Gustl B. (-gb-)


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Joachim S. schrieb:
> Dürften diese Sprünge bei dieser Versuchsanordnung nicht auch zum Teil
> durch die gewählte Kamm-Struktur kommen?

Ja, möglich, aber der Sensor lag schräg im Wasser.

Joachim S. schrieb:
> Die ja schon von Dir geäusserte Befürchtung, dass da Wurzeln
> durchwachsen und man die Sensoren dann nicht mehr entfernen kann
> (zumindest ohne Beschädigung) erscheint mir sehr real. Ausserdem wird
> der lange dünne Sensor dadurch ja nochmal deutlich zerbrechlicher...

Jap, stimmt, aber das ist eben so.

Joachim S. schrieb:
> ich liess den Sensor eine
> Weile im Wasserglas stehen, und bemerkte, dass der Wert langsam aber
> stetig weiter anstieg;

Ja, das habe ich über Nacht gemacht. Der War im Wasser und ist es noch 
und ich nehme Werte auf. Und die bleiben nicht stehen sondern werden 
auch noch größer. Eigentlich wolte ich ein Histogramm machen, aber dazu 
muss ich den wohl länger im Wasser lassen und gegen 
Temperaturschwankungen und Vibrationen schützen. Wenn die Katze hier 
über den Schreibisch läuft auf dem die Wasserflasche steht oder ich hier 
an der Tastatur tippe, dann sieht man das deutlich in den Messwerten.

Johannes S. schrieb:
> zwischen dem Test im Wasser und der Praxis in der Erde hatte ich bei der
> kapazitiven Messungen deutliche Unterschiede gesehen. Im Wasser habe ich
> einen nahezu linearen Füllstandsensor, aber in der Erde blieben die
> Feuchtigkeitswerte hoch obwohl die Erde schon knochentrocken war. Und
> diese Erfahrung hatten ja auch schon andere gemacht. Und das ist keine
> Feuchtigkeit in der Isolierung, nach Trockenwischen des Sensors gingen
> die Werte runter.

OK, aber im Boden geht trockenwischen nicht. Daher habe ich meinen 
Sensor so gebaut um auch kleine Kapazitätsänderungen gut messen zu 
können.

Johannes S. schrieb:
> Versiegelung mit PU ist auch wichtig, einfache Lacke
> halten nicht lange.

Mit was könnte man das denn schön versiegeln? Ich dachte an Heißkleber 
oder eben flüssiges Plastik. Wenn ich hier eine Plastikflasche erhitze 
und schmelze kann ich darin den Sensor tunken und würde einen dünnen 
Plastiküberzug bekommen.

Johannes S. schrieb:
> Das einfache Modell von Kondensatorplatten mit unterschiedlichem
> Dielektrikum bildet die Realität nicht richtig ab.

Ja gut, aber was ist dann besser?

Johannes S. schrieb:
> Und LiIon Akku im Winter: dürfte auch wenig praxisrelevant sein,

Klar, ist ja auch nur Spielerei. Aber auch im Winter wären die 
Helligkeitsverläufe und Temperaturverläufe an verschiedenen Standorten 
und in verschiedenen Bodentiefen interessant.

Joggel E. schrieb:
> Deswegen sollte das Feld auch nicht durch den
> Epoxy durch gehen, sondern aussen rum bleiben.

Und wie kann man das verhindern? Ich habe ja Luft dazwischen und kein 
Epoxy.

von Max G. (l0wside) Benutzerseite


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Hallo Gustl,

super, jemand, der sich mit systematischem Testen beschäftigt! Das hat 
gefühlt Seltenheitswert hier.
Lektüre zum Hintergrund: 
https://www.dwd.de/DE/fachnutzer/landwirtschaft/dokumentationen/allgemein/bf_erlaeuterungen.pdf?__blob=publicationFile&v=7
Allerdings habe ich nicht gefunden, wie man von FK zu nFK kommt, das ist 
vermutlich pflanzenabhängig.
Vorschlag zum Aufbau:
* Erde, wie sie auch in deinem Garten/Beet/Topf vorkommt sammeln
* Kleinkrümeln und im Backofen o.ä. so lange trocknen, bis sie komplett 
trocken ist (entspricht FK=0%)
* Getrocknete Menge auswiegen
* Optional: in einen Topf geben, festdrücken und Nullwert deines Sensors 
messen. Ggf. musst du auch ein bisschen adaptieren, trockene Erde ist 
schlecht festzudrücken.
* In ein Sieb geben, mit Wasser tränken, abtropfen lassen. Ergebnis 
entspricht FK=100%
* Gesättigte Menge auswiegen

Jetzt hast du einen Versuchsträger, bei dem du bequem per Waage die 
relative Erdfeuchte (Feldkapazität - nicht im elektrischen Sinn) messen 
kannst. Damit kannst du für diesen Erdtyp deinen Sensor kalibrieren.

In Anbetracht der notwendigen Gerätschaften solltest du vielleicht den 
nächsten Mädelsabend abwarten, Erde in der Küche kann für Verstimmungen 
sorgen ;)

von Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)


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Ich möchte mal noch eine andere Variante ins Spiel werfen:

Nimm einen Luftfeuchte-Sensor in einem nicht glasierten Ton-Röhrchen 
(als "Diaphragma"). In dem Tonröhrchen stellt sich die gleiche Feuchte 
ein, wie im umgebenden Erdreich.

Man kann auch in einem "Pfahl" (aus dem 3D-Drucker oder aus Alu 
gefräst), ein oder zwei "Fenster" aus Ton oder ähnlichem Material 
einsetzen, die eine kleine Kammer mit dem Sensor verschließen.

Und du hast keine Korrosions-Probleme.

von Gustl B. (-gb-)


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Max G. schrieb:
> super, jemand, der sich mit systematischem Testen beschäftigt! Das hat
> gefühlt Seltenheitswert hier.

Ähm äh ... ja, mal gucken wie ernst ich das nehme.

Max G. schrieb:
> Vorschlag zum Aufbau:

Danke! Ist eben schwierig. Ich habe ja viele Fräsungen im Sensor, die 
sollen natürlich auch mit Erde gefüllt sein.

Frank E. schrieb:
> Ich möchte mal noch eine andere Variante ins Spiel werfen:

Danke! Ja, das klingt in der Tat gut. Verlässt die Feuchtigkeit den 
kleinen Raum hinter ddem Ton auch wieder?

So, ich habe jetzt mal den Sensor eingegossen. Und zwar in Heißkleber. 
Klingt zwar sehr unsinnig, geht aber wunderbar. Heißkleber grob mit der 
Pistole auftragen und dann mit dem Heißluftfön heiß und flüssig machen 
und abtropfen lassen dass nur ein dünner Film auf der gesamten 
Oberfläche übrig bleibt.

Aber all diese Oberflächenbehandlungen haben leider auch einen Nachteil: 
Die Feuchtigkeit kommt nicht mehr so nah an den Sensor.

Ohne Heißkleber hatte ich unter Wasser eine maximale Periodendauer von 
ca. 2 Sekunden. Jetzt mit Heißkleber sind es etwas über 200 ms. Dafür 
kann ich jetzt sehen, dass der Wert relativ stabil bleibt und nicht 
wandert. Ich habe also mal > 40k Werte aufgenommen am Stück in grob 2,5 
Stunden und daraus ein Histogramm gebaut. Die Werte haben zwar eine 
Auflösung von 1 us, aber  das ist natürlich sehr verrauscht, daher habe 
ich hier immer 100 us Bins gebaut. Damit bin ich eigentlich recht 
zufrieden. Das rauscht also um 3 ms bei 215 ms insgesamt, das sind 1,4%.

Edit:
Ja, die Werte sind wirklich so, das Histogramm ist nicht rechts 
abgeschnitten. Das wandert auch nicht, sondern die ersten 10 Minuten der 
Messung und die letzten 10 Minuten erzeugen auch so ein Histogramm nur 
mit weniger Werten.

: Bearbeitet durch User
von Gustl B. (-gb-)


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So, nochmal neue Messung gestartet weil ich gesehen habe, dass das doch 
leicht driftet. Aber eben nur minimal.

Zwei Bildchen:
Eines zeigt die gesamte Messdauert von jetzt knapp einem Tag. Das 
driftet nach rechts.
Und dann noch ein Bild das die letzten 10k Messwerte zeigt, das sind 
grob 0,22s*10k = 36 Minuten. Und in der Zeit rauscht das um ca. 600 us 
bei 220 ms. Das sind also 0.27%. Ich lasse das jetzt noch ein paar Tage 
im Wasser und hoffe, dass sich der Wert stabilisiert, aber das ist nicht 
so irre schlimm.

von Gustl B. (-gb-)


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So, die Idee mit dem Li-Ion und Solar habe ich verworfen. So Solarpanele 
kosten auch was und am Ende ist das mit der Batterie deutlich einfacher.

Jetzt ist aber die Frage ob Aufwärts- oder Abwärtsregler.
Ich tendiere zu einem 9 V Block, der passt mit der schmalen Seite auch 
schön auf die 16 mm breite Platine. Der speichert viel Energie, gibt es 
in günstig und teuer. Da würde ich einen Buck Regler verwenden um von 
den 9 V auf 3,6 V zu kommen und von dort dann mit dem LDO auf 3,3 V. 
Warum dann 3,6 V? Weil ist eine WS2812B mit auf der Platine habe. Da 
sind 3,3 V etwas wenig. Aber ich weiß noch nicht so recht ob
Batterie -> Buck -> 3,6 V -> LDO -> 3,3 V
oder
Batterie -> Buck -> 3,6 V
 -> Buck 3,3 V
sinnvoller ist.

Habt ihr Empfehlungen?

von Johannes S. (jojos)


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Immer noch RFM69 mit 868 MHz und dein Lieblings μC. Mit zwei normalen 
LED rot und grün. Da hält ne dicke Knopfzelle ewig.

: Bearbeitet durch User
von Gustl B. (-gb-)


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Das ist zwar eine Lösung, aber ich hätte schon gerne normales WLAN. So 
ein ESP ist eben irre einfach zu konfigurieren.

von Frank E. (Firma: Q3) (qualidat)


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Gustl B. schrieb:
> Frank E. schrieb:
>> Ich möchte mal noch eine andere Variante ins Spiel werfen:
>
> Danke! Ja, das klingt in der Tat gut. Verlässt die Feuchtigkeit den
> kleinen Raum hinter ddem Ton auch wieder?

Ja, tut sie. Es stellt sich immer ein Gleichgewicht mit dem umgebenden 
Erdreich ein.

von Fred R. (Firma: www.ramser-elektro.at/shop) (fred_ram)


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