I sensori di umidità del suolo a due punte, quelli economici, si guastano nel giro di pochi giorni in un orto scolastico perché in sostanza sono circuiti di galvanostegia che funzionano al contrario. Quando lasciate un sensore resistivo a piste esposte collegato a una linea da 3,3 V o 5 V in un terreno umido e ricco di minerali, la corrente continua (CC) permanente innesca una rapida elettrolisi. La punta positiva si comporta da anodo: si ossida e disperde nel terreno la propria ramatura finché la pista non si interrompe del tutto.

Per le scuole sudafricane che costruiscono progetti di irrigazione automatica o di agricoltura intelligente nell'ambito del curriculum CAPS Coding and Robotics, questo tipo di guasto trasforma un progetto lungo un trimestre in un esperimento morto prima ancora che spunti la prima piantina. Per fortuna la soluzione non richiede né costose sonde industriali né riprogettazioni complesse.

La chimica: perché le sonde resistive si autodistruggono

I normali sensori resistivi di umidità del suolo funzionano facendo passare corrente elettrica fra due piste conduttive esposte. La resistenza elettrica fra le punte varia in modo inversamente proporzionale al contenuto d'acqua: il terreno asciutto ha una resistenza elettrica alta, mentre quello bagnato conduce la corrente molto più facilmente.

L'acqua del terreno, però, non è H₂O pura. È una soluzione elettrolitica che contiene sali minerali disciolti, nitrati da fertilizzante e ioni organici. Quando si applica una tensione continua permanente:

• Sulla punta positiva avviene un'ossidazione anodica: gli atomi di rame perdono elettroni e si sciolgono nel terreno sotto forma di ioni rame (Cu → Cu²⁺ + 2e^-).
• Sulla punta negativa avviene una riduzione catodica: l'acqua o gli ioni idrogeno acquistano elettroni, formando spesso microscopiche bolle di idrogeno gassoso o attirando incrostazioni minerali.
• Le piste di rame si disgregano: nel giro di una o due settimane la doratura o la stagnatura superficiale si sfoglia, il rame sottostante diventa nero-verdastro e il circuito si apre in modo definitivo.

Le letture del sensore derivano in modo scomposto man mano che il metallo si erode, rendendo inutile qualsiasi soglia di pompa automatica ben prima che la sonda ceda del tutto.

Alternativa 1: sensori capacitivi di umidità del suolo (consigliati)

La soluzione standard del settore per i microcontrollori didattici (ESP32, micro:bit o Arduino) è il sensore capacitivo analogico di umidità del suolo (venduto di solito come sonda capacitiva v1.2 o v2.0).

Invece di far passare corrente continua attraverso il terreno, una sonda capacitiva misura le variazioni di capacità elettrica dovute alla permittività dielettrica del suolo. L'acqua ha una permittività relativa molto alta (≈ 80) rispetto alla parte solida asciutta del terreno (≈ 3-5) e all'aria (≈ 1). Al crescere dell'umidità del suolo, la capacità attorno alla sonda aumenta e modifica la frequenza di un circuito con timer 555 o di un oscillatore ad alta frequenza integrato, che la scheda converte in una tensione analogica in uscita.

Perché le sonde capacitive non si corrodono

• Nessun rame esposto nel terreno: le piste conduttive sono completamente sigillate sotto lo strato di solder mask del circuito stampato. Nessun metallo tocca direttamente il terreno umido.
• Nessun percorso per la corrente continua: poiché non esiste un circuito galvanico chiuso attraverso l'acqua del terreno, l'elettrolisi non può avvenire.
• Immunità alla salinità del suolo: i sensori resistivi danno false letture di terreno molto umido se aggiungete fertilizzante, perché gli ioni in più abbassano la resistenza elettrica. I sensori capacitivi sono molto meno sensibili alla conducibilità dei minerali.

Per gli allestimenti didattici, kit pronti all'uso come quelli del curriculum Sheen Robotics Smart Agriculture mettono a disposizione sensori capacitivi pre-tarati e pensati proprio per i microcontrollori scolastici.

Alternativa 2: alimentazione controllata via software (duty cycling delle sonde resistive)

Se la vostra scuola ha già comprato una dotazione di classe di sensori resistivi economici e non può sostituirli subito, potete allungarne la vita da due settimane a diversi mesi con un'alimentazione controllata via software.

Invece di collegare il pin VCC del sensore direttamente al pin permanente 3.3V o 5V del microcontrollore, collegate VCC a un pin di uscita digitale (o a un transistor di commutazione, se il sensore assorbe più corrente di quanta il pin GPIO possa erogare in sicurezza):

1. Tenete il pin GPIO digitale su LOW (0 V) durante il normale stand-by.
2. Al momento della lettura (per esempio ogni 30 minuti), portate il pin GPIO su HIGH.
3. Aspettate dai 20 ai 50 millisecondi perché la lettura analogica si stabilizzi.
4. Leggete il valore dell'ADC dal pin analogico.
5. Riportate subito il pin GPIO su LOW.

Ridurre il duty cycle dal 100% di alimentazione continua a 50 millisecondi ogni mezz'ora abbatte l'esposizione elettrochimica complessiva di circa il 99,97%, rallentando la corrosione fino a renderla trascurabile.

Confronto pratico per progetti IoT in classe

Cablare e proteggere i sensori dell'orto nella pratica

Quando installate sonde capacitive in un tunnel scolastico, in un'aiuola rialzata o in un vaso da interno, tenete a mente tre dettagli di montaggio:

• Impermeabilizzate l'elettronica di bordo: le sonde capacitive possono stare nel terreno fino alla linea bianca segnata sul circuito stampato. La parte alta della scheda, che contiene l'integrato a montaggio superficiale, le resistenze e il connettore dei fili, non è impermeabile. La condensa o l'annaffiatura dall'alto mandano in corto questi componenti. Sigillate i 2 cm superiori con guaina termorestringente trasparente riempita di colla a caldo o con un rivestimento siliconico protettivo.
• Occhio alla tensione di funzionamento: molti sensori capacitivi economici usano un integrato timer che richiede almeno 3,3 V-5 V. Quando li collegate a schede a 3,3 V come l'ESP32 o il BBC micro:bit, verificate che quella variante di sensore funzioni in modo stabile a 3,3 V; altrimenti il segnale in uscita saturerà alla tensione di alimentazione a prescindere dall'umidità del suolo.
• Tarate in aria e in acqua: i valori grezzi dell'ADC (per esempio da 0 a 4095 su un ESP32) non dicono nulla agli studenti. Fate registrare ai ragazzi il valore grezzo in aria asciutta (riferimento 0% di umidità) e con la sonda immersa fino alla linea in un bicchiere d'acqua (riferimento 100% di umidità), poi fate scrivere una semplice funzione di mappatura o interpolazione in MicroPython o MakeCode per convertire la lettura in percentuale.

Se state progettando sistemi connessi di monitoraggio ambientale che devono sopravvivere al clima sudafricano, alle interruzioni di corrente e alle lunghe pause per le vacanze, consultate gli schemi collaudati in classe di Sheen IoT per configurazioni hardware sperimentate.