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I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato un sistema wireless che utilizza trasmettitori e ricevitori radio per stimare l'umidità del suolo nei campi agricoli a più profondità in tempo reale, migliorando le tecnologie esistenti che possono essere utilizzate per informare le pratiche di irrigazione che migliorano la resa delle colture e riducono consumo d'acqua.
"La stima dell'umidità del suolo è importante perché può essere utilizzata dai coltivatori per irrigare i loro campi in modo più efficiente, irrigando i campi solo quando e dove è necessaria l'acqua", afferma Usman Mahmood Khan, primo autore di un documento sul lavoro e un dottorato di ricerca . studente presso NC State. "Questo conserva le risorse idriche e supporta cose come le tecnologie per l'agricoltura intelligente, come i sistemi di irrigazione automatizzati. Inoltre, la conservazione delle risorse idriche può anche aiutare a ridurre le emissioni di carbonio, perché viene utilizzata meno energia per pompare l'acqua attraverso il sistema di irrigazione".
La nuova tecnologia, denominata Contactless Moisture Estimation (CoMEt), non richiede sensori interrati. Invece, CoMEt valuta l'umidità del suolo usando qualcosa chiamato "fase", che è una caratteristica delle onde radio che è influenzata sia dalla lunghezza d'onda delle onde radio che dalla distanza tra il trasmettitore dell'onda radio e il ricevitore dell'onda.
I segnali wireless sono onde radio e il mezzo attraverso il quale viaggiano questi segnali influisce sulla lunghezza d'onda di tali onde radio. Quando il segnale viaggia attraverso un mezzo come l'aria, avrà una lunghezza d'onda specifica. Ma quando il segnale viaggia attraverso un mezzo diverso, come il suolo, la sua lunghezza d'onda cambia.
"Sappiamo che questi sfasamenti sono influenzati anche dalla quantità di acqua nel suolo. Se sappiamo fino a che punto ha viaggiato il segnale e misuriamo come è cambiata la lunghezza d'onda di un segnale wireless, possiamo determinare lo sfasamento del segnale, "dice Khan. "Questo, a sua volta, ci consente di stimare la quantità di acqua nel suolo".
CoMEt si basa su un dispositivo wireless fuori terra che trasmette le onde radio nel terreno. Una parte delle onde radio passa attraverso il suolo prima di essere riflessa nell'aria, dove il dispositivo wireless può ricevere il segnale e misurare lo sfasamento. Il sistema consente agli utenti di valutare l'umidità del suolo a più profondità aumentando la potenza del segnale trasmesso:più potente è il segnale, più profonda è la valutazione.
"Questo processo ci consente di valutare l'umidità del suolo a più profondità utilizzando un singolo segnale, senza utilizzare alcun sensore nel suolo o in contatto con la superficie del suolo", afferma Muhammad Shahzad, coautore dell'articolo e professore associato di informatica allo stato NC. "Ad esempio, abbiamo dimostrato in test sperimentali che se utilizziamo un segnale abbastanza potente da penetrare 38 centimetri nel terreno, siamo in grado di valutare come la fase del segnale è cambiata a livello della superficie del suolo, 38 centimetri sotto la superficie e ad un livello intermedio tra questi due."
Ciò è possibile perché il dispositivo CoMEt contiene più antenne, che gli consentono di acquisire una quantità significativa di dati dalle onde radio che "rimbalzano" fuori dal suolo. Le misurazioni raccolte dalla suite di antenne del dispositivo vengono quindi inserite in un algoritmo in grado di determinare sia i cambiamenti nella lunghezza d'onda del segnale sia la profondità del segnale nel suolo. Ciò consente al dispositivo CoMEt di valutare con precisione il cambiamento di fase del segnale, che a sua volta fornisce agli utenti una stima dell'umidità del suolo per le profondità rilevanti.
"La stima dell'umidità del suolo a più profondità è importante, perché gli agricoltori spesso devono mantenere determinati livelli di umidità a profondità diverse a seconda della coltura e della posizione in cui si trovano nel ciclo colturale", spiega Khan.
"Pensiamo che CoMEt possa essere utilizzato in diversi modi", afferma Shahzad. "I coltivatori potrebbero spostare manualmente il dispositivo CoMEt per misurare l'umidità del suolo in vari punti del campo; potrebbero utilizzare CoMEt insieme a un drone azionato manualmente per valutare l'umidità del suolo; oppure potrebbero utilizzare CoMEt con un drone automatizzato che sorvola uno schema definito il campo."
Le tecnologie attualmente utilizzate dai coltivatori per misurare l'umidità del suolo si basano su sensori interrati. Tuttavia, questo approccio richiede agli agricoltori di posizionare più sensori intorno al campo per acquisire i livelli di umidità, poiché i livelli di umidità variano a causa delle differenze di drenaggio, della vicinanza alle linee di irrigazione e così via. Per i grandi campi, i coltivatori hanno bisogno di molti sensori e questo diventa costoso.
"Pensiamo che sarebbe possibile produrre dispositivi CoMEt per circa la stessa somma di denaro di un sensore interrato accurato", afferma 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. + Esplora ulteriormente
