Kredit:CC0 Public Domain
Forskare från North Carolina State University har utvecklat ett trådlöst system som använder radiosändare och mottagare för att uppskatta markfuktigheten i jordbruksfält på flera djup i realtid, vilket förbättrar befintlig teknik som kan användas för att informera bevattningsmetoder som både förbättrar skörden och minskar skörden. vatten konsumption.
"Det är viktigt att uppskatta markfuktigheten eftersom den kan användas av odlare för att bevattna sina åkrar mer effektivt – bara bevattna åkrar när och var vattnet behövs", säger Usman Mahmood Khan, första författare till en artikel om arbetet och en doktorsexamen. . student vid NC State. "Detta både bevarar vattenresurser och stödjer saker som smarta jordbrukstekniker, såsom automatiserade bevattningssystem. Dessutom kan bevara vattenresurser också bidra till att minska koldioxidutsläppen, eftersom mindre energi används för att pumpa vatten genom bevattningssystemet."
Den nya tekniken, kallad Contactless Moisture Estimation (CoMEt), kräver inga sensorer i marken. Istället bedömer CoMEt markfuktigheten med hjälp av något som kallas "fas", vilket är en egenskap hos radiovågor som påverkas av både radiovågornas våglängd och avståndet mellan radiovågens sändare och vågens mottagare.
Trådlösa signaler är radiovågor, och mediet som dessa signaler färdas genom påverkar våglängden på dessa radiovågor. När signalen färdas genom ett medium som luft kommer den att ha en specifik våglängd. Men när signalen färdas genom ett annat medium, såsom jord, ändras dess våglängd.
"Vi vet att dessa fasförskjutningar också påverkas av mängden vatten i marken. Om vi vet hur långt signalen har färdats, och vi mäter hur en trådlös signals våglängd har förändrats, kan vi bestämma fasförskjutningen av signalen. " säger Khan. "Detta i sin tur gör att vi kan uppskatta mängden vatten i jorden."
CoMEt är beroende av en trådlös enhet ovan jord som sänder ut radiovågor i marken. En del av radiovågorna passerar genom jorden innan de reflekteras tillbaka till luften, där den trådlösa enheten kan ta emot signalen och mäta fasförskjutningen. Systemet tillåter användare att bedöma markfuktighet på flera djup genom att öka kraften hos den överförda signalen – ju kraftigare signalen är, desto djupare blir bedömningen.
"Denna process tillåter oss att bedöma markfuktighet på flera djup med en enda signal, utan att använda några sensorer i jorden eller i kontakt med markytan", säger Muhammad Shahzad, medförfattare till tidningen och docent i datavetenskap i NC State. "Vi har till exempel visat i experimentella tester att om vi använder en signal som är tillräckligt kraftfull för att penetrera 38 centimeter i jorden, kan vi bedöma hur fasen av signalen förändrades på markytan, 38 centimeter. under ytan och på en mellannivå mellan dessa två."
Detta är möjligt eftersom CoMEt-enheten innehåller flera antenner, vilket gör att den kan fånga en betydande mängd data från radiovågorna som "studsar" ut ur jorden. Mätningarna som samlas in av enhetens svit av antenner kopplas sedan in i en algoritm som kan bestämma både förändringar i signalens våglängd och hur djupt signalen färdades ner i jorden. Detta gör att CoMEt-enheten kan noggrant bedöma fasförändringen av signalen, vilket i sin tur ger användarna en uppskattning av markfuktigheten för de relevanta djupen.
"Det är viktigt att uppskatta markfuktigheten på flera djup, eftersom bönder ofta behöver upprätthålla vissa nivåer av fukt på olika djup beroende på grödan och var de befinner sig i växtcykeln", förklarar Khan.
"Vi tror att CoMEt kan användas på flera sätt", säger Shahzad. "Odlare kan manuellt flytta CoMEt-enheten för att mäta markfuktighet vid olika punkter i fältet; de kan använda CoMEt i kombination med en manuellt manövrerad drönare för att bedöma markfuktighet; eller så kan de använda CoMEt med en automatiserad drönare som flyger ett definierat mönster över fältet."
Teknik som för närvarande används av odlare för att mäta markfuktighet är beroende av sensorer i marken. Men detta tillvägagångssätt kräver att bönder placerar flera sensorer runt fältet för att fånga fuktnivåer, eftersom fuktnivåerna varierar på grund av skillnader i dränering, närhet till bevattningsledningar och så vidare. För stora fält behöver odlare många sensorer – och det blir dyrt.
"Vi tror att det skulle vara möjligt att tillverka CoMEt-enheter för ungefär samma summa pengar som en exakt marksensor", säger 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. + Utforska vidare
