Trådløs teknologi måler jordfugtighed på flere dybder i realtid

Forskere fra North Carolina State University har udviklet et trådløst system, der bruger radiosendere og -modtagere til at estimere jordfugtighed i landbrugsmarker på flere dybder i realtid, hvilket forbedrer eksisterende teknologier, der kan bruges til at informere kunstvandingspraksis, der både forbedrer afgrødeudbyttet og reducerer vandforbrug.

"Det er vigtigt at estimere jordfugtigheden, fordi den kan bruges af avlere til at vande deres marker mere effektivt - kun vande marker, når og hvor vandet er nødvendigt," siger Usman Mahmood Khan, førsteforfatter til et papir om arbejdet og en ph.d. . studerende ved NC State. "Dette sparer både vandressourcer og understøtter ting som smarte landbrugsteknologier, såsom automatiserede kunstvandingssystemer. Desuden kan bevarelse af vandressourcer også hjælpe med at reducere kulstofemissioner, fordi der bruges mindre energi til at pumpe vand gennem vandingssystemet."

Den nye teknologi, kaldet Contactless Moisture Estimation (CoMEt), kræver ingen jordsensorer. I stedet vurderer CoMEt jordfugtighed ved hjælp af noget, der kaldes "fase", som er en karakteristik af radiobølger, der påvirkes af både radiobølgernes bølgelængde og afstanden mellem radiobølgens sender og bølgens modtager.

Trådløse signaler er radiobølger, og det medium, som disse signaler bevæger sig igennem, påvirker bølgelængden af ​​disse radiobølger. Når signalet bevæger sig gennem et medium som luft, vil det have en bestemt bølgelængde. Men når signalet bevæger sig gennem et andet medie, såsom jord, ændres dets bølgelængde.

"Vi ved, at disse faseforskydninger også er påvirket af mængden af ​​vand i jorden. Hvis vi ved, hvor langt signalet har rejst, og vi måler, hvordan et trådløst signals bølgelængde har ændret sig, kan vi bestemme signalets faseforskydning. " siger Khan. "Dette giver os igen mulighed for at estimere mængden af ​​vand i jorden."

CoMEt er afhængig af en trådløs enhed over jorden, der transmitterer radiobølger ned i jorden. En del af radiobølgerne passerer gennem jorden, før de reflekteres tilbage i luften, hvor den trådløse enhed kan modtage signalet og måle faseforskydningen. Systemet giver brugerne mulighed for at vurdere jordfugtighed i flere dybder ved at øge styrken af ​​det transmitterede signal - jo kraftigere signalet er, jo dybere er vurderingen.

"Denne proces giver os mulighed for at vurdere jordfugtighed i flere dybder ved hjælp af et enkelt signal uden at bruge nogen sensorer i jorden eller i kontakt med jordoverfladen," siger Muhammad Shahzad, medforfatter af papiret og lektor i datalogi. i NC State. "For eksempel har vi demonstreret i eksperimentel test, at hvis vi bruger et signal, der er kraftigt nok til at trænge 38 centimeter ned i jorden, er vi i stand til at vurdere, hvordan fasen af ​​signalet ændrede sig ved jordoverfladen, 38 centimeter. under overfladen og på et mellemniveau mellem disse to."

Dette er muligt, fordi CoMEt-enheden indeholder flere antenner, hvilket gør det muligt for den at fange en betydelig mængde data fra radiobølgerne, der "studser" ud af jorden. Målingerne indsamlet af enhedens pakke af antenner tilsluttes derefter en algoritme, der kan bestemme både ændringer i signalets bølgelængde og hvor dybt signalet rejste ned i jorden. Dette giver CoMEt-enheden mulighed for nøjagtigt at vurdere faseændringen af ​​signalet, hvilket igen giver brugerne et estimat for jordfugtighed for de relevante dybder.

"Det er vigtigt at estimere jordfugtigheden i flere dybder, fordi landmænd ofte har brug for at opretholde visse niveauer af fugt i forskellige dybder afhængigt af afgrøden og hvor de er i afgrødecyklussen," forklarer Khan.

"Vi tror, ​​at CoMEt kan bruges på flere måder," siger Shahzad. "Avlerne kunne manuelt flytte CoMEt-enheden for at måle jordfugtighed på forskellige punkter i marken; de kunne bruge CoMEt i forbindelse med en manuelt betjent drone til at vurdere jordfugtighed; eller de kunne bruge CoMEt med en automatiseret drone, der flyver et defineret mønster hen over. marken."

Teknologier, der i øjeblikket bruges af avlere til at måle jordfugtighed, er afhængige af jordsensorer. Denne tilgang kræver dog, at landmændene placerer flere sensorer rundt på marken for at fange fugtniveauer, da fugtniveauerne varierer på grund af forskelle i dræning, nærhed til vandingslinjer og så videre. Til store marker har avlerne brug for mange sensorer - og det bliver dyrt.

"Vi tror, ​​det ville være muligt at fremstille CoMEt-enheder for omtrent det samme beløb som en nøjagtig jordsensor," siger Khan. "But where a grower would only need one CoMEt device, they would have to buy quite a few in-ground sensors to collect the same amount of information on soil moisture. In short, we think CoMEt would be significantly more cost effective.

"What's more, installation and maintenance of in-ground sensors is time-consuming and inconvenient. And CoMEt requires neither."

"At this point, we're looking for industry partners to explore how we can get this technology into the hands of growers who will be able to make use of it," Shahzad says.

The paper, "Estimating Soil Moisture using RF Signals," will be presented at the 28th Annual International Conference On Mobile Computing And Networking (ACM MobiCom), being held Oct. 17–21 in Sydney, Australia. + Udforsk yderligere

Farmers can save water with wireless technologies, but there are challenges, like transmitting data through mud