无线技术实时测量多个深度的土壤水分

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种无线系统，该系统使用无线电发射器和接收器实时估计多个深度的农田中的土壤湿度，改进了现有技术，可用于为灌溉实践提供信息，从而提高作物产量并减少用水量。

“估计土壤水分很重要，因为种植者可以使用它来更有效地灌溉他们的田地——只在需要水的时间和地点灌溉田地，”该论文的第一作者和博士学位的第一作者 Usman Mahmood Khan 说. 北卡罗来纳州的学生。“这既节约了水资源，又支持了智能农业技术，例如自动灌溉系统。此外，节约水资源还有助于减少碳排放，因为通过灌溉系统抽水的能源更少。”

这项名为非接触式湿度估计 (CoMEt) 的新技术不需要任何地下传感器。相反，CoMEt 使用称为“相位”的东西来评估土壤水分，这是无线电波的一个特征，受无线电波波长和无线电波发射器与波接收器之间的距离的影响。

无线信号是无线电波，这些信号通过的介质会影响这些无线电波的波长。当信号通过空气等介质时，它将具有特定的波长。但是，当信号通过不同的介质(例如土壤)传播时，其波长会发生变化。

“我们知道这些相移也受到土壤中水量的影响。如果我们知道信号传播了多远，并且我们测量了无线信号的波长如何变化，我们就可以确定信号的相移， “汗说。“这反过来又使我们能够估计土壤中的水量。”

CoMEt 依靠将无线电波传输到土壤中的地上无线设备。无线电波的一部分在被反射回空气之前穿过土壤，无线设备可以在空气中接收信号并测量相移。该系统允许用户通过增加传输信号的功率来评估多个深度的土壤水分——信号越强，评估越深入。

“这个过程使我们能够使用单个信号评估多个深度的土壤水分，而无需使用土壤中的任何传感器或与地表接触，”该论文的合著者、计算机科学副教授 Muhammad Shahzad 说在北卡罗来纳州。“例如，我们在实验测试中证明，如果我们使用强大到足以穿透 38 厘米土壤的信号，我们就能够评估信号相位在 38 厘米土壤表层的变化情况。在地表之下，处于这两者之间的中间水平。”

这是可能的，因为 CoMEt 设备包含多个天线，使其能够从从土壤中“反弹”出来的无线电波中捕获大量数据。然后将设备的天线套件收集的测量值插入一个算法，该算法可以确定信号波长的变化以及信号进入土壤的深度。这使得 CoMEt 设备能够准确地评估信号的相位变化，从而为用户提供相关深度的土壤湿度估计值。

“估计多个深度的土壤水分很重要，因为农民经常需要根据作物以及他们在作物周期中的位置在不同深度保持一定水平的水分，”汗解释说。

“我们认为 CoMEt 可以以多种方式使用，”Shahzad 说。“种植者可以手动移动 CoMEt 设备以测量田间各个点的土壤湿度;他们可以将 CoMEt 与手动操作的无人机结合使用来评估土壤湿度;或者他们可以将 CoMEt 与自动无人机一起使用，该无人机以定义的模式飞过场。”

目前种植者用于测量土壤湿度的技术依赖于地下传感器。然而，这种方法需要农民在田地周围放置多个传感器以捕捉水分含量，因为水分含量会因排水、靠近灌溉线等的差异而变化。对于大面积的田地，种植者需要大量的传感器——而这会变得昂贵。

“我们认为制造 CoMEt 设备的成本与精确的地下传感器大致相同，”Khan 说。“但如果种植者只需要一个 CoMEt 设备，他们将不得不购买相当多的地下传感器来收集相同数量的土壤水分信息。简而言之，我们认为 CoMEt 将更具成本效益。

“此外，地下传感器的安装和维护既费时又不方便。而 CoMEt 两者都不需要。”

“在这一点上，我们正在寻找行业合作伙伴，以探索我们如何将这项技术交到能够利用它的种植者手中，”Shahzad 说。

这篇题为“使用射频信号估计土壤水分”的论文将于 10 月 17 日至 21 日在澳大利亚悉尼举行的第 28 届移动计算和网络国际会议 (ACM MobiCom) 上发表。

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