Đo Flux CH₄ Ruộng Lúa, a ESP32 project

This guide builds a complete eddy-covariance methane flux monitoring station for rice paddies using professional-grade instrumentation. The system combines a LI-COR LI-7700 open-path CH₄ analyzer with a Gill WindMaster Pro 3D ultrasonic anemometer mounted on a guyed tower, powered by a 400 W solar array and 300 Ah LiFePO₄ battery bank with integrated charge controller and lightning protection.

Readers will receive a wiring diagram showing the complete power distribution architecture, a detailed parts list with specifications, assembly steps for tower installation and sensor mounting, solar system configuration, and firmware scaffolding for the ESP32 data-logging controller. The guide covers proper grounding practices, fused load distribution, surge protection, and remote monitoring setup to ensure reliable long-term operation in outdoor agricultural environments.

Wiring diagram

Gather all the parts

Qty	Component
1	LI-COR LI-7700 Open-Path CH₄ Analyzer The fast open-path methane analyzer for the eddy-covariance measurement.
1	Gill WindMaster Pro 3D Ultrasonic Anemometer The three-dimensional sonic anemometer that provides fast digital wind components and sonic temperature for eddy covariance.
1	Victron SmartSolar MPPT 150/60-Tr Solar Charge Controller Victron SmartSolar MPPT 150/60-Tr; 12/24/48 V, 60 A, 150 V PV, Bluetooth + VE.Direct Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời 60 A có Bluetooth và cổng VE.Direct để xem điện áp, dòng PV, dòng sạc và trạng thái sạc pin.
1	12.8 V 300 Ah LiFePO₄ Battery with BMS 12.8 V 300 Ah Pin LiFePO₄ dung lượng lớn giữ trạm EC và đường truyền từ xa chạy qua nhiều ngày thời tiết xấu.
1	12 V DC Fused Load Distribution Disconnect The fused 12 V distribution block supplying each station instrument from the protected battery bus.
1	Lightning Grounding Kit with Earth Rod ≥2 m earth rod + ≥16 mm² copper Cọc tiếp địa và dây đồng nối đất để dẫn xung sét khỏi tháp và tủ thiết bị.
1	IP66 Outdoor Instrument Enclosure IP66, UV-resistant Tủ kín nước có tấm gá và ray DIN để chứa LI-7550, nguồn, ắc quy và thiết bị mạng.
1	15 A DC Photovoltaic Inline Fuse and Holder 15 A DC, PV-rated, ≥100 VDC Cầu chì DC chuyên dùng đặt trên dây dương từ một tấm pin mặt trời để bảo vệ dây nhánh khi có chập mạch.
1	PV DC Surge Protective Device PV DC SPD, Ucpv ≥100 VDC Thiết bị chống sét lan truyền cho đường từ panel vào MPPT, xả xung điện xuống hệ tiếp địa.
1	400 W Monocrystalline Solar Panel 400 W, 1 tấm Tấm pin mặt trời tạo điện ban ngày để sạc ắc quy cho trạm ngoài ruộng.
1	Guyed Adjustable Eddy-Covariance Instrument Tower cột nâng hạ + dây neo Cột có dây neo và cơ cấu nâng hạ để giữ cảm biến cao hơn tán lúa khi cây lớn lên.
1	Eddy-Covariance Sonic Boom and Leveling Mount hướng gió chủ đạo Tay đòn cứng đưa cảm biến ra khỏi vùng nhiễu của cột và giữ đầu đo gió thăng bằng.
1	UV-Rated Conduit and Rodent Protection Set ngoài trời, chống chuột Ống luồn kín bảo vệ cáp khỏi nắng, nước và chuột cắn ở khu vực ruộng.
1	IP66 Cable Gland Set IP66, đúng dải đường kính cáp Các đầu siết kín nước giữ cho cáp đi vào tủ mà không làm nước mưa lọt vào.
1	400 W Monocrystalline Solar Panel 400 W, panel thứ 2 Tấm pin mặt trời thứ hai tạo thêm điện để sạc lại pin sau các ngày mưa.
1	15 A DC Photovoltaic Inline Fuse and Holder 15 A DC, PV-rated, ≥100 VDC Cầu chì DC bảo vệ riêng dây dương của tấm pin mặt trời thứ hai.
1	Two-String PV Combiner Box 2-string, ≥100 VDC Hộp gộp hai nhánh panel đã có cầu chì thành một đường vào MPPT.
1	Industrial 4G LTE Ethernet Router 12 VDC, 4G LTE, Ethernet Router công nghiệp gửi cảnh báo trạng thái và cho phép kiểm tra LI-7550 từ xa qua mạng di động.
1	Industrial Managed 4-Port Ethernet Switch The outdoor-rated local Ethernet switch linking SmartFlux 3, LI-7700, the 4G router and the energy gateway.
1	Victron SmartShunt 500 A / 50 mV Battery Monitor Victron SmartShunt 500 A / 50 mV; Bluetooth + VE.Direct Điện trở đo dòng đặt ở cực âm pin để đo toàn bộ dòng sạc và dòng tải thực của trạm.
1	Victron Cerbo GX Monitoring Gateway The gateway that publishes solar, battery and measured station-load information through the 4G router.
1	Victron VE.Direct Cable for MPPT VE.Direct, chiều dài phù hợp tủ Cáp dữ liệu nối MPPT SmartSolar với Cerbo GX để đưa số liệu năng lượng lên mạng.
1	Victron VE.Direct Cable for SmartShunt VE.Direct, chiều dài phù hợp tủ Cáp dữ liệu nối SmartShunt với Cerbo GX để truyền dòng sạc và dòng tải thực.
1	LI-COR SmartFlux 3 System The eddy-covariance logger that receives WindMaster Pro digital wind data, LI-7700 methane data over Ethernet, and writes synchronized raw files.
1	Victron SmartShunt 500 A / 50 mV — DC Load Energy Meter A separate Victron shunt that measures the complete protected 12 V load branch rather than net battery current.
1	Victron VE.Direct Cable for DC Load Meter The data cable that sends the dedicated load-shunt readings to the Cerbo GX.
1	Industrial Ethernet Cable for LI-7700 to SmartFlux 3 The weather-resistant Ethernet link that sends LI-7700 methane measurements to the SmartFlux 3 logger.
1	12 V DC Bus Surge Protective Device A surge protector wired across the protected 12 V load bus and bonded to the earth rod.
1	80 A DC Breaker for MPPT-to-Battery Circuit A DC-rated breaker that protects and disconnects the MPPT charging lead to the battery.
1	20 A DC Main Load Fuse and Holder A DC-rated fuse that protects the complete instrument load branch from the battery.
1	WindMaster Pro to SmartFlux 3 RS-422 Cable Assembly A full-duplex RS-422 data cable assembly for the Gill sonic and SmartFlux digital port, pending LI-COR system approval.
1	Industrial USB Flash Drive for SmartFlux 3 Logging An industrial USB flash drive intended for raw EC logging if LI-COR confirms this SmartFlux configuration.
1	Industrial USB Flash Drive for SmartFlux 3 Spare A spare industrial USB drive used only during planned media rotation.

Assemble it in 8 steps

1. Dựng cột, hai panel và tiếp địa

Dựng instrument_tower_1 trên móng chắc, căng dây neo và đặt weatherproof_enclosure_1 cao hơn mực nước ngập. Gắn solar_panel_1 và solar_panel_2 hướng nam thực, không bị bóng che từ 08:00 đến 16:00. Đóng cọc grounding_kit_1 sâu ít nhất 2 m; nối cọc với khung panel, vỏ tủ, pv_spd_1 và bus_spd_12v_1 bằng dây đồng ít nhất 16 mm² (đưa xung sét xuống đất).

Đo điện trở tiếp địa bằng máy chuyên dụng; chỉ nghiệm thu khi không lớn hơn 10 Ω.
Không dùng dây âm 12 V thay cho dây tiếp địa.
Không thao tác trên cột hoặc panel khi có dông sét.

2. Gắn hai đầu đo EC

Gắn windmaster_pro_1 thật thăng bằng trên sonic_boom_1 và định hướng bắc theo hướng dẫn Gill. Gắn li7700_1 theo đúng tư thế hãng yêu cầu, gần sonic nhưng không để cột, tay đòn hoặc lá lúa che đường quang.

Không chạm hoặc làm xước bề mặt quang của LI-7700.

3. Lắp thiết bị nguồn và mạng trong tủ

Gá battery_1, mppt_1, battery_shunt_1, dc_load_shunt_1, cerbo_gx_1, pv_combiner_1, dc_protection_1, ethernet_switch_1 và router_4g_1 vào tấm gá trong weatherproof_enclosure_1. Luồn toàn bộ cáp ngoài trời trong conduit_rodent_1; dùng ip66_cable_glands_1 đúng dải đường kính cáp và tạo vòng võng nước ở ngoài tủ. Chỉ gá smartflux_3_1 sau khi LI-COR xác nhận bằng văn bản rằng cấu hình không có LI-7500DS được hỗ trợ.

Pin 12 V 300 Ah rất nặng; cố định chắc trước khi đấu dây.
Một lỗ xuyên tủ không dùng cable gland đúng cỡ sẽ làm nước mưa vào tủ.

4. Đấu hai panel và mạch sạc

Khi breaker đang mở, nối solar_panel_1 PV+ → pv_fuse_15a_1 IN+ (bảo vệ panel 1), pv_fuse_15a_1 OUT+ → pv_combiner_1 PV1+ (gộp nguồn), PV− → PV1− (đường hồi). Làm tương tự solar_panel_2 qua pv_fuse_15a_2 vào PV2+/PV2−. Nối pv_combiner_1 OUT+/OUT− → mppt_1 PV+/PV− (sạc). Mắc pv_spd_1 song song ở PV+/PV− và nối PE → grounding_kit_1 (xả sét). Nối mppt_1 BAT+ → mppt_battery_breaker_80a_1 IN+ → OUT+ → battery_1 BAT+ (sạc); mppt_1 BAT− → battery_shunt_1 SYSTEM− (đo dòng pin).

Panel có điện khi có nắng; không chạm đồng thời dây dương và âm.
Xác nhận Voc và Isc tổng không vượt giới hạn PV của MPPT trước khi nối.

5. Lắp hai shunt để đo đúng năng lượng

Nối battery_1 BAT− → battery_shunt_1 BATT− (dòng pin). Nối battery_shunt_1 SYSTEM− → dc_load_shunt_1 IN−, rồi dc_load_shunt_1 OUT− → dc_protection_1 IN− (dòng tải trạm). Nối battery_shunt_1 B1+ → battery_1 BAT+ qua cầu chì nhỏ đi kèm. Nối dc_load_shunt_1 Vbatt+ → dc_protection_1 IN+ qua cầu chì nhỏ theo manual Victron; đây là dây dương cảm nhận điện áp của đồng hồ tải. Mắc bus_spd_12v_1 song song: BUS+ → dc_protection_1 IN+, BUS− → dc_load_shunt_1 OUT−, PE → grounding_kit_1.

Trong VictronConnect, đặt battery_shunt_1 là Battery Monitor. Đặt dc_load_shunt_1: Settings > Misc > Monitor mode > DC Energy Meter, rồi chọn loại tải DC. Reset lịch sử sau khi đổi chế độ.
Không đưa dây âm tải trực tiếp về cực âm pin; đi tắt shunt sẽ làm số liệu sai.
Dây Vbatt+ không có cầu chì nhỏ có thể cháy dây khi chạm vỏ tủ.

6. Cấp nguồn có cầu chì cho từng thiết bị

Nối battery_1 BAT+ → main_load_fuse_20a_1 IN+ → OUT+ → dc_protection_1 IN+ (bảo vệ tải chính). Từ các nhánh cầu chì riêng: LI-7700 +/− → li7700_1 Power In +/− (nguồn); WindMaster +/− → windmaster_pro_1 12 V IN/GND (nguồn); SmartFlux +/− → smartflux_3_1 12 V IN/GND (nguồn, chỉ sau khi LI-COR chấp thuận cấu hình); Router +/− → router_4g_1 12 V IN/GND (nguồn); Switch +/− → ethernet_switch_1 12 V IN/GND (nguồn); Cerbo GX +/− → cerbo_gx_1 8–70 V IN+/GND (nguồn).

LI-7700 cần nhánh nguồn riêng 10,5–30 VDC; dây Ethernet không cấp nguồn cho nó.
Dùng trị số cầu chì nhánh theo nhãn và manual của từng SKU; cầu chì chính 20 A không thay cho cầu chì nhánh.

7. Chờ xác nhận đường dữ liệu EC của LI-COR

Không đấu windmaster_smartflux_rs422_cable_1, li7700_smartflux_ethernet_1 hoặc smartflux_usb_1 như một hệ EC đã được phê duyệt trước khi LI-COR xác nhận cấu hình SmartFlux 3 + LI-7700 + WindMaster Pro không dùng LI-7500DS. Tài liệu công khai hiện tìm được mô tả SmartFlux 3 trong hệ LI-7500DS; vì vậy yêu cầu LI-COR cung cấp sơ đồ kết nối, firmware, cáp đúng mã và xác nhận khả năng ghi raw 10 Hz cho đúng tổ hợp thiết bị này.

Nếu tự đấu theo giả định, trạm có thể có điện và mạng nhưng không ghi được tập dữ liệu EC hợp lệ.

8. Kiểm tra nguồn và giám sát từ xa

Kiểm tra router_4g_1, ethernet_switch_1 và cerbo_gx_1 có liên lạc. Trên Cerbo/VRM, xác nhận mppt_1 hiển thị điện áp/dòng PV và dòng sạc; battery_shunt_1 hiển thị SOC/dòng pin; dc_load_shunt_1 hiển thị dòng tải thực. Thiết lập cảnh báo mất liên lạc, pin thấp, không có sạc khi có nắng và tải bất thường. Sau xác nhận bằng văn bản của LI-COR, kiểm tra logger ghi đồng thời CH₄, U, V, W, nhiệt độ âm thanh và timestamp ở 10 Hz trước khi rời ruộng.

Chưa bắt đầu chiến dịch đo EC khi chưa có xác nhận tương thích từ LI-COR và một tệp thử đầy đủ dữ liệu.

Review all connections

1. Connections between "solar_panel_1" and "ESP32"

Function	solar_panel_1	ESP32
`power`	PV+ → 15 A DC Photovoltaic Inline Fuse and Holder IN+	EXT
`ground`	PV- → Two-String PV Combiner Box PV1-	EXT

2. Connections between "pv_spd_1" and "ESP32"

Function	pv_spd_1	ESP32
`ground`	PE → Lightning Grounding Kit with Earth Rod Earth Terminal	EXT
`power`	PV+ → Victron SmartSolar MPPT 150/60-Tr Solar Charge Controller PV+	EXT
`ground`	PV- → Victron SmartSolar MPPT 150/60-Tr Solar Charge Controller PV-	EXT

3. Connections between "weatherproof_enclosure_1" and "ESP32"

Function	weatherproof_enclosure_1	ESP32
`ground`	Protective Earth Lug → Lightning Grounding Kit with Earth Rod Earth Terminal	EXT

4. Connections between "dc_protection_1" and "ESP32"

Function	dc_protection_1	ESP32
`power`	WindMaster + → Gill WindMaster Pro 3D Ultrasonic Anemometer 12 V IN	EXT
`ground`	WindMaster - → Gill WindMaster Pro 3D Ultrasonic Anemometer GND	EXT
`power`	Router + → Industrial 4G LTE Ethernet Router 12 V IN	EXT
`ground`	Router - → Industrial 4G LTE Ethernet Router GND	EXT
`power`	Switch + → Industrial Managed 4-Port Ethernet Switch 12 V IN	EXT
`ground`	Switch - → Industrial Managed 4-Port Ethernet Switch GND	EXT
`power`	Cerbo GX + → Victron Cerbo GX Monitoring Gateway 8–70 V IN+	EXT
`ground`	Cerbo GX - → Victron Cerbo GX Monitoring Gateway GND	EXT
`digital`	SmartFlux + → LI-COR SmartFlux 3 System 12 V IN	EXT
`digital`	SmartFlux - → LI-COR SmartFlux 3 System GND	EXT
`power`	LI-7700 + → LI-COR LI-7700 Open-Path CH₄ Analyzer Power In +	EXT
`ground`	LI-7700 - → LI-COR LI-7700 Open-Path CH₄ Analyzer Power In −	EXT

5. Connections between "pv_fuse_15a_1" and "ESP32"

Function	pv_fuse_15a_1	ESP32
`power`	OUT+ → Two-String PV Combiner Box PV1+	EXT

6. Connections between "solar_panel_2" and "ESP32"

Function	solar_panel_2	ESP32
`power`	PV+ → 15 A DC Photovoltaic Inline Fuse and Holder IN+	EXT
`ground`	PV- → Two-String PV Combiner Box PV2-	EXT

7. Connections between "pv_fuse_15a_2" and "ESP32"

Function	pv_fuse_15a_2	ESP32
`power`	OUT+ → Two-String PV Combiner Box PV2+	EXT

8. Connections between "pv_combiner_1" and "ESP32"

Function	pv_combiner_1	ESP32
`power`	OUT+ → Victron SmartSolar MPPT 150/60-Tr Solar Charge Controller PV+	EXT
`ground`	OUT- → Victron SmartSolar MPPT 150/60-Tr Solar Charge Controller PV-	EXT

9. Connections between "battery_shunt_1" and "ESP32"

Function	battery_shunt_1	ESP32
`ground`	BATT− → 12.8 V 300 Ah LiFePO₄ Battery with BMS BAT-	EXT
`power`	B1+ → 12.8 V 300 Ah LiFePO₄ Battery with BMS BAT+	EXT

10. Connections between "mppt_1" and "ESP32"

Function	mppt_1	ESP32
`ground`	BAT- → Victron SmartShunt 500 A / 50 mV Battery Monitor SYSTEM−	EXT
`power`	BAT+ → 80 A DC Breaker for MPPT-to-Battery Circuit IN+	EXT

11. Connections between "ve_direct_cable_mppt_1" and "ESP32"

Function	ve_direct_cable_mppt_1	ESP32
`data`	MPPT End → Victron SmartSolar MPPT 150/60-Tr Solar Charge Controller VE.Direct	EXT
`data`	Cerbo End → Victron Cerbo GX Monitoring Gateway VE.Direct 1	EXT

12. Connections between "ve_direct_cable_shunt_1" and "ESP32"

Function	ve_direct_cable_shunt_1	ESP32
`data`	Shunt End → Victron SmartShunt 500 A / 50 mV Battery Monitor VE.Direct	EXT
`data`	Cerbo End → Victron Cerbo GX Monitoring Gateway VE.Direct 2	EXT

13. Connections between "li7700_smartflux_ethernet_1" and "ESP32"

Function	li7700_smartflux_ethernet_1	ESP32
`data`	LI-7700 End → LI-COR LI-7700 Open-Path CH₄ Analyzer Ethernet	EXT
`data`	SmartFlux End → Industrial Managed 4-Port Ethernet Switch Port 2	EXT

14. Connections between "smartflux_3_1" and "ESP32"

Function	smartflux_3_1	ESP32
`data`	Ethernet → Industrial Managed 4-Port Ethernet Switch Port 1	EXT

15. Connections between "dc_load_shunt_1" and "ESP32"

Function	dc_load_shunt_1	ESP32
`ground`	IN− → Victron SmartShunt 500 A / 50 mV Battery Monitor SYSTEM−	EXT
`ground`	OUT− → 12 V DC Fused Load Distribution Disconnect IN-	EXT
`power`	Vbatt+ → 12 V DC Fused Load Distribution Disconnect IN+	EXT

16. Connections between "ve_direct_cable_load_1" and "ESP32"

Function	ve_direct_cable_load_1	ESP32
`data`	Load Meter End → Victron SmartShunt 500 A / 50 mV — DC Load Energy Meter VE.Direct	EXT
`data`	Cerbo End → Victron Cerbo GX Monitoring Gateway VE.Direct 3	EXT

17. Connections between "router_4g_1" and "ESP32"

Function	router_4g_1	ESP32
`data`	LAN → Industrial Managed 4-Port Ethernet Switch Port 3	EXT

18. Connections between "cerbo_gx_1" and "ESP32"

Function	cerbo_gx_1	ESP32
`data`	Ethernet → Industrial Managed 4-Port Ethernet Switch Port 4	EXT

19. Connections between "mppt_battery_breaker_80a_1" and "ESP32"

Function	mppt_battery_breaker_80a_1	ESP32
`power`	OUT+ → 12.8 V 300 Ah LiFePO₄ Battery with BMS BAT+	EXT

20. Connections between "battery_1" and "ESP32"

Function	battery_1	ESP32
`power`	BAT+ → 20 A DC Main Load Fuse and Holder IN+	EXT

21. Connections between "main_load_fuse_20a_1" and "ESP32"

Function	main_load_fuse_20a_1	ESP32
`power`	OUT+ → 12 V DC Fused Load Distribution Disconnect IN+	EXT

22. Connections between "bus_spd_12v_1" and "ESP32"

Function	bus_spd_12v_1	ESP32
`power`	BUS+ → 12 V DC Fused Load Distribution Disconnect IN+	EXT
`ground`	BUS− → Victron SmartShunt 500 A / 50 mV — DC Load Energy Meter OUT−	EXT
`ground`	PE → Lightning Grounding Kit with Earth Rod Earth Terminal	EXT

23. Connections between "windmaster_pro_1" and "ESP32"

Function	windmaster_pro_1	ESP32
`data`	RS-422 Port → WindMaster Pro to SmartFlux 3 RS-422 Cable Assembly WindMaster End	EXT

24. Connections between "windmaster_smartflux_rs422_cable_1" and "ESP32"

Function	windmaster_smartflux_rs422_cable_1	ESP32
`data`	SmartFlux End → LI-COR SmartFlux 3 System Digital I/O Port 1 RS-422/485	EXT

25. Connections between "smartflux_usb_1" and "ESP32"

Function	smartflux_usb_1	ESP32
`data`	USB → LI-COR SmartFlux 3 System USB logging	EXT

Deploy the firmware

main.cppOpen in Schematik

#include <Arduino.h>

// This ESP32-S3 is not part of the EC acquisition chain.
// EC compatibility and logging remain pending LI-COR confirmation.
void setup() {
}

void loop() {
}