Moisture Sensor

Moisture Sensor (OpenThread)

Kapazitiver Bodenfeuchtesensor mit ESP32-H2 und Matter over Thread
Version 1.0 — April 2026

Fehler

Fehler im Schlatplan!!! R7, Q1 und Q2 nicht bestücken. Verbindung von Q1/pin1 zu Q2/Pin2 wie eingezeichnet herstellen und mit GPIO ein und ausschalten.

Übersicht

Batteriebetriebener kapazitiver Bodenfeuchtesensor für den Einsatz im Smart Home. Die Kommunikation erfolgt drahtlos über Matter over Thread mittels eines ESP32-H2 Supermini Moduls.

Das Sensordesign misst die Bodenfeuchte kapazitiv über eine interdigitale Elektrodenstruktur auf der PCB-Sonde und nutzt einen NE555 Timer zur Frequenzerzeugung. Die gemessene Frequenz wird vom ESP32-H2 ausgewertet und über das Thread-Netzwerk übermittelt.

PCB

Abmessungen

Hauptkomponenten

Signale

Funktionsprinzip

1. Der ESP32-H2 aktiviert die Sensorschaltung über SensorEN (MOSFET-Schaltstufe: Q1 BSS123 → Q2 BSS84).
2. Der NE555 erzeugt ein Rechtecksignal, dessen Frequenz von der Kapazität der Sonde abhängt.
3. Die Sonde nutzt interdigitale Kupferflächen — eine höhere Bodenfeuchte erhöht die Kapazität und senkt die Frequenz.
4. Der ESP32-H2 misst die Frequenz am SensorOut-Pin und berechnet den Feuchtigkeitswert.
5. Nach der Messung wird die Sensorschaltung abgeschaltet, um Strom zu sparen.
6. Die Batteriespannung wird über Ubat_adc überwacht (Spannungsteiler R1/R6: 2MΩ/4,7MΩ → ca. 0,55 µA Ruhestrom).
7. Die Messwerte werden per Matter over Thread an den Thread Border Router gesendet.

Schaltungsanalyse — NE555 Astable

Timing-Beschaltung

Der NE555 ist als Astable-Multivibrator konfiguriert:

Frequenzformel (NE555 Astable)

$$f = \frac{1{,}44}{(R_A + 2 \cdot R_B) \cdot C_{total}}$$

Mit $R_A = 330,\text{k}\Omega$, $R_B = 1{,}6,\text{k}\Omega$:

$$R_A + 2 \cdot R_B = 333{,}2,\text{k}\Omega$$

Die Gesamtkapazität setzt sich zusammen aus dem Festkondensator C3 und der variablen Sondenkapazität:

$$C_{total} = C_3 + C_{probe} = 470,\text{pF} + C_{probe}$$

Berechnete Frequenzen

Erwarteter Frequenzbereich: ca. 4,5 kHz – 9,2 kHz

Duty Cycle

$$D = \frac{R_A + R_B}{R_A + 2 \cdot R_B} = \frac{331{,}6,\text{k}}{333{,}2,\text{k}} \approx 99{,}5,%$$

Das Signal ist stark asymmetrisch (sehr kurze Low-Pulse). Der ESP32-H2 sollte die Periodendauer oder Frequenz messen (z. B. per Timer-Capture), nicht das Tastverhältnis.

Bewertung (KI) — Kann das Design funktionieren?

Grundsätzlich: Ja, mit folgenden Anmerkungen:

Wichtiger Hinweis — Versorgungsspannung:

⚠️ Der klassische NE555 (bipolar) ist für min. 4,5 V spezifiziert. Bei 3,3 V Betriebsspannung kann er unzuverlässig arbeiten oder gar nicht anlaufen. Es wird empfohlen, eine CMOS-555-Variante zu verwenden (z. B. LMC555, TLC555, ICM7555), die ab 1,5 V arbeitet und zudem weniger Strom verbraucht. Der Footprint (SOIC-8) ist kompatibel.

Tipps zur Kalibrierung

• Den Sensor in trockener Luft und in Wasser messen → Frequenz-Endwerte bestimmen.
• Einen linearen oder polynomialen Zusammenhang zwischen Frequenz und Feuchte kalibrieren.
• Die Sondenkapazität hängt stark von Bodenart und Temperatur ab — eine Vor-Ort-Kalibrierung ist sinnvoll.

Projektdateien

Voraussetzungen

• KiCad 9.0 oder neuer
• Thread Border Router (z. B. Apple HomePod, Google Nest Hub) für die Matter-Integration

Lizenz