北卡羅萊納州立大學的研究人員開發了一種無線系統，使用無線電發射器和接收器實時估計多深度農田中的土壤水分，改進了現有技術，可用于告知灌溉實踐，從而提高作物產量并減少水耗。

“估計土壤水分很重要，因為種植者可以利用它更有效地灌溉農田鈥攐“只在需要水的時候和地方灌溉農田，”關于這項工作的論文第一作者、北卡羅來納州的博士生烏斯曼·馬哈茂德·汗（Usman Mahmood Khan）說，“這既節約了水資源，又支持智能農業技術，如自動灌溉系統。此外，節約水資源也有助于減少碳排放，因為通過灌溉系統抽水所用的能源更少。”

這項被稱為非接觸式濕度估計（CoMEt）的新技術不需要任何地面傳感器。相反，彗星使用一種稱為“相位”的東西來評估土壤濕度，這是無線電波的一種特性，受無線電波波長和無線電波發射器與接收器之間的距離的影響。

無線信號是無線電波，這些信號傳播的介質會影響這些無線電波的波長。當信號通過空氣等介質時，它將具有特定的波長。但當信號通過不同的介質（如土壤）時，其波長會發生變化。

“我們知道這些相移也受到土壤中水量的影響。如果我們知道信號傳播的距離，并且我們測量無線信號的波長如何變化，我們可以確定信號的相移，”汗說。“這反過來使我們能夠估計土壤中的水量。”

CoMEt依靠地面無線設備將無線電波傳輸到土壤中。無線電波的一部分在反射回空氣之前穿過土壤，無線設備可以在空氣中接收信號并測量相移。該系統允許用戶通過增加傳輸信號的功率來評估多個深度的土壤濕度鈥攖信號越強，評估就越深入。

“這一過程允許我們使用單一信號評估多個深度的土壤濕度，而無需在土壤中使用任何傳感器或與地面接觸，”論文合著者、北卡羅來納州計算機科學副教授穆罕默德·沙扎德（Muhammad Shahzad）說。“例如，我們在實驗測試中證明，如果我們使用的信號足夠強大，可以穿透38厘米的土壤，我們就能夠評估信號在土壤表面、38厘米以下以及兩者之間的中間水平的相位變化。”

這是可能的，因為彗星裝置包含多個天線，允許它從“反彈”出土壤的無線電波中捕獲大量數據。該設備的一套天線收集的測量結果然后被插入一個算法，該算法可以確定信號波長的變化以及信號進入土壤的深度。這使得CoMEt設備能夠準確評估信號的相位變化，進而為用戶提供相關深度的土壤濕度估計。

Khan解釋說：“估計多個深度的土壤水分很重要，因為農民通常需要根據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。”。

“我們認為彗星可以用多種方式，”沙赫扎德說。“種植者可以手動移動CoMEt設備來測量田間各個點的土壤濕度；他們可以將CoMEt與手動無人機結合使用來評估土壤濕度；或者他們可以使用CoMEt與自動無人機結合，在田間以指定的模式飛行。”

種植者目前用于測量土壤濕度的技術依賴于地面傳感器。然而，這種方法要求農民在農田周圍放置多個傳感器，以采集水分水平，因為水分水平因排水系統的差異、灌溉線附近的差異等而不同。對于大型農田，種植者需要大量傳感器鈥攁那會很貴。

“我們認為制造彗星裝置的成本可能與精確的地面傳感器的成本相同，”汗說。“但如果種植者只需要一個CoMEt設備，他們就必須購買相當多的地面傳感器來收集相同數量的土壤水分信息。簡言之，我們認為CoMEt將更具成本效益。”。

“此外，地面傳感器的安裝和維護既耗時又不方便。CoMEt也不需要。”

“在這一點上，我們正在尋找行業合作伙伴，探索如何將這項技術交給能夠利用它的種植者，”沙扎德說。

這篇題為“利用射頻信號估計土壤濕度”的論文將在10月17日舉行的第28屆移動計算與網絡國際年會（ACM MobiCom）上發表鈥?1在澳大利亞悉尼。