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SDI-12センサの安価な測定システムの作り方 #1(マイコン準備編)

2024/03/17に公開
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esp32
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sdi12
tech

この記事のゴール

  • マイコン(M5Stack ATOM)を用いた安価でシンプルな測定環境の構築

前提

  • この記事をご覧になるのは研究者の方を想定していますので，コードに関しては比較的丁寧に記載いたします
  • この記事はSDI-12センサの内，Acclima社製のTDTセンサを使用する例を記載しています
  • この記事は筆者のHPから移植している部分が多いため，最新でない情報も含まれています
  • Mac環境の例を記載していますので，Windowsの方は必要に応じて読み替えをお願いします

現状のSDI-12の課題感(個人的感想)

  • SDI-12を用いているセンサが基本的に数万程度と比較的高価
  • 上記に加えて，日本語の事例や文献が少ない
    • 実際に筆者のHPにも何度かお問い合わせがありました
  • 安価なデータロガーを使用した例が少ない

必要な知識・もの

  • Arduino言語の基本的な知識
  • PC
必要な物品リスト
  • SDI-12センサ(TDTセンサ) × 1
  • ブレッドボード × 1
  • 端子台(3極) × 1
  • ジャンパワイヤ × 3
  • ATOM Lite × 1 (* その他のM5Stack系のマイコンでも動作可能ですが，適宜配線を変更する必要があります)
  • USB type-c ケーブル × 1

Arduino IDE のセットアップ

ライブラリのインストール

  • Arduino IDE　を開き， ツールタブ -> ライブラリを管理 からライブラリマネージャーを開き，SDI-12 と検索し，同名のライブラリをインストール

配線

  • ATOM LiteとSDI-12センサを接続します

    • センサの配線がATOM本体にそのまま刺さるケースは稀かと思いますので，適宜端子台やブレッドボードを使用してATOMに接続してください

    • 配線は下記の通りです

      SDI-12センサ ATOM
      GND GND
      PWR 5V
      DATA 33

SDI-12センサのコマンド

  • SDI-12センサは特定のコマンドに応答するようになっています
    • センサが異なっていても，基本的に同様のコマンドで同様の結果を得ることができます
  • コマンドには下記のようなものがあります
    • <センサアドレス>M!
      • 例)1M!
      • 測定コマンド
      • レスポンスは下記のような構成になっています
        • <センサアドレス>AAAXX
          • ここで，Aは測定にかかる秒数(3桁)，Xは測定データ数(2桁)を指しています
    • <センサアドレス>D0!
      • 例)1D0!
      • 測定結果取得コマンド
      • レスポンスは下記のような構成になっています
        • <1つ目の測定結果>+<2つ目の測定結果>+<3つ目の測定結果>+...

センサデータ取得の流れ

  • 5秒間隔で測定するシンプルなデータ取得の流れは下記の通りです

    1. センサに測定コマンドを送信(*1)
    2. 測定にかかる時間を取得(*2)
    3. 測定にかかる時間分待機(*3)
    4. センサに測定結果取得コマンドを送信(*4)
    5. 測定結果を表示(*5)
    6. 測定間隔分待機(*6)
    #include <SDI12.h>
#define DATA_PIN 33

SDI12 mySDI12(DATA_PIN);

const String sensorAddress = "1";
String measureCommand = sensorAddress + "M!";
String resultCommand = sensorAddress + "D0!";

void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  mySDI12.begin();
}

void loop()
{
  // *1
  const String response = sendCommandCollectResponse(measureCommand); // 例)100104

  // *2
  int waitTime = response.substring(3, 4).toInt() * 1000;

  // *3
  delay(waitTime);

  // *4
  const String result = sendCommandCollectResponse(resultCommand); // 例)1+20.27+15.2+10.67+0.41

  // *5
  Serial.println(result);

  // *6
  delay(5000);
}

/**
 * @brief コマンド送信とレスポンスの取得
 *
 * @param command コマンド文字列
 * @return String レスポンス
 */
String sendCommandCollectResponse(String command)
{
  String response = "";

  mySDI12.sendCommand(command);

  while (mySDI12.available())
  {
    char responseChar = mySDI12.read();
    if ((responseChar != '\n') && (responseChar != '\r'))
    {
      response += responseChar;
      delay(10);
    }
  }
  mySDI12.clearBuffer();

  return response;
}

おわりに

  • 上記のコードから基本的な測定を行うことができます
  • 今回は基本的な測定環境を整備するまでを記載しております
    • 次回は測定データの保存方法について紹介したいと思います

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