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多深度农田中的土壤水分，改进了现有技术，可用于告知灌溉实践，从而提高作物产量并减少水耗。
“估计土壤水分很重要，因为种植者可以利用它更有效地灌溉农田鈥攐“只在需要水的时候和地方灌溉农田，”关于这项工作的论文第一作者、北卡罗来纳州的博士生乌斯曼·马哈茂德·汗（Usman Mahmood Khan）说，“这既节约了水资源，又支持智能农业技术，如自动灌溉系统。此外，节约水资源也有助于减少碳排放，因为通过灌溉系统抽水所用的能源更少。”
这项被称为非接触式湿度估计（CoMEt）的新技术不需要任何地面传感器。相反，彗星使用一种称为“相位”的东西来评估土壤湿度，这是无线电波的一种特性，受无线电波波长和无线电波发射器与接收器之间的距离的影响。
无线信号是无线电波，这些信号传播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。但当信号通过不同的介质（如土壤）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的距离，并且我们测量无线信号的波长如何变化，我们可以确定信号的相移，”汗说。“这反过来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。无线电波的一部分在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鈥攖信号越强，评估就越深入。
“这一过程允许我们使用单一信号评估多个深度的土壤湿度，而无需在土壤中使用任何传感器或与地面接触，”论文合著者、北卡罗来纳州计算机科学副教授穆罕默德·沙扎德（Muhammad Shahzad）说。“例如，我们在实验测试中证明，如果我们使用的信号足够强大，可以穿透38厘米的土壤，我们就能够评估信号在土壤表面、38厘米以下以及两者之间的中间水平的相位变化。”
这是可能的，因为彗星装置包含多个天线，允许它从“反弹”出土壤的无线电波中捕获大量数据。该设备的一套天线收集的测量结果然后被插入一个算法，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设备能够准确评估信号的相位变化，进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水分很重要，因为农民通常需要根据作物以及作物周期中的位置，在不同深度保持一定水平的水分。”。
“我们认为彗星可以用多种方式，”沙赫扎德说。“种植者可以手动移动CoMEt设备来测量田间各个点的土壤湿度；他们可以将CoMEt与手动无人机结合使用来评估土壤湿度；或者他们可以使用CoMEt与自动无人机结合，在田间以指定的模式飞行。”
种植者目前用于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农田周围放置多个传感器，以采集水分水平，因为水分水平因排水系统的差异、灌溉线附近的差异等而不同。对于大型农田，种植者需要大量传感器鈥攁那会很贵。
“我们认为制造彗星装置的成本可能与精确的地面传感器的成本相同，”汗说。“但如果种植者只需要一个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水分信息。简言之，我们认为CoMEt将更具成本效益。”。
“此外，地面传感器的安装和维护既耗时又不方便。CoMEt也不需要。”
“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交给能够利用它的种植者，”沙扎德说。
这篇题为“利用射频信号估计土壤湿度”的论文将在10月17日举行的第28届移动计算与网络国际年会（ACM MobiCom）上发表鈥?1在澳大利亚悉尼。
