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来自北卡罗莱纳州立大学的研究人员开发了一种无线系统，使用无线电发射器和接收器实时估计农业领域多个深度的土壤湿度，改进了现有技术，可用于告知灌溉实践，既提高作物产量，又减少水消耗。
“估算土壤湿度很重要，因为它可以被种植者用来更有效地灌溉他们的田地——只在需要水的时候和地方灌溉田地，”乌斯曼·马哈茂德·汗说，他是一篇关于这项工作的论文的第一作者，也是北卡罗来纳州立大学的博士生。“这既能节约水资源，又能支持智能农业技术，比如自动灌溉系统。更重要的是，节约水资源也有助于减少碳排放，因为通过灌溉系统抽水消耗的能源更少。”
这项新技术被称为非接触式水分估算(CoMEt)，不需要任何地面传感器。相反，CoMEt使用一种叫做“相位”的东西来评估土壤湿度，这是无线电波的一种特征，它受到无线电波波长和无线电波发射器和接收器之间距离的影响。
无线信号是无线电波，这些信号所经过的介质会影响这些无线电波的波长。当信号在空气等介质中传播时，它会有特定的波长。但当信号穿过不同的介质时，比如土壤，它的波长就会改变。
“我们知道，这些相移也受到土壤中水分含量的影响。如果我们知道信号传播了多远，我们测量无线信号的波长是如何变化的，我们就可以确定信号的相移，”Khan说。“这反过来又使我们能够估计土壤中的水量。”
CoMEt依靠地面无线设备将无线电波传输到土壤中。一部分无线电波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湿度——信号越强，评估越深。
“这一过程使我们能够使用单一信号评估多个深度的土壤湿度，而无需使用土壤中的任何传感器或与地面接触，”该论文的合著者、北卡罗来纳州立大学计算机科学副教授穆罕默德·沙赫扎德(Muhammad Shahzad)说。“例如，我们已经在实验测试中证明，如果我们使用一个强大到足以穿透土壤38厘米的信号，我们就能够评估信号的相位在土壤表层、地表下38厘米以及两者之间的中间水平上是如何变化的。”
这是可能的，因为CoMEt设备包含多个天线，允许它从“反弹”出土壤的无线电波中捕获大量数据。然后，该设备的天线组收集的测量数据被插入到一个算法中，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。
Khan解释说:“估计多个深度的土壤湿度很重要，因为农民经常需要根据作物及其在作物周期中的位置在不同深度保持一定的湿度水平。”
“我们认为CoMEt可以有多种用途，”Shahzad说。“种植者可以手动移动CoMEt设备来测量田间不同地点的土壤湿度;他们可以使用CoMEt与手动操作的无人机一起评估土壤湿度;或者他们可以使用CoMEt和一架自动无人机，在田野上空以确定的模式飞行。”
目前种植者使用的测量土壤湿度的技术依赖于地面传感器。然而，这种方法要求农民在田地周围放置多个传感器，以捕捉水分水平，因为水分水平因排水系统的差异、与灌溉线的接近程度等而不同。对于大面积的农田，种植者需要大量的传感器，这是昂贵的。
Khan说:“我们认为制造CoMEt设备的成本可能与精确的地面传感器相当。”“但是，如果种植者只需要一台CoMEt设备，他们就必须购买相当多的地面传感器来收集相同数量的土壤湿度信息。简而言之，我们认为CoMEt将显著提高成本效益。
此外，地面传感器的安装和维护既耗时又不方便。而CoMEt这两样都不需要。”
Shahzad说:“在这一点上，我们正在寻找行业合作伙伴，探索如何将这项技术提供给能够利用它的种植者。”
这篇题为“利用射频信号估算土壤湿度”的论文将于10月17日至21日在澳大利亚悉尼举行的第28届移动计算与网络国际年会(ACM MobiCom)上发表。
希普曼-
编者须知:研究摘要如下。
《利用射频信号估算土壤湿度》
作者: Usman Mahmood Khan和Muhammad Shahzad，北卡罗来纳州立大学
提出了:第28届移动计算与网络国际年会(ACM MobiCom)， 10月17日至21日，澳大利亚悉尼
DOI: 10.1145/3495243.3517025
文摘:在本文中，我们提出了CoMEt，这是一种基于射频的方法，可以测量地表以下多个深度的土壤湿度，而无需在土壤中安装任何物体，也无需与地表进行任何接触。CoMEt背后的主要见解是，射频信号的相位取决于它在传播介质中的波长，而波长又取决于土壤湿度。为了测量土壤湿度，CoMEt利用接收天线阵列中连续天线之间的相位变化以及接收信号的飞行时间，共同估计每一层土壤的深度和每一层信号的波长。然后，它利用这些估计值来获得每一土层的水分量。我们使用软件定义的无线电和树莓派实现了CoMEt来实时测量土壤湿度。我们已经在室内和室外环境中广泛地评估了CoMEt。我们的结果表明，CoMEt估计了多达三层土壤的土壤湿度，中位误差仅为1.1%。
