Pesquisadores da North Carolina State University desenvolveram um sistema sem fio que usa transmissores e receptores de rádio para estimar a umidade do solo em campos agrícolas em várias profundidades em tempo real, aprimorando as tecnologias existentes que podem ser usadas para informar práticas de irrigação que melhoram o rendimento das culturas e reduzem consumo de água.
"Estimar a umidade do solo é importante porque pode ser usado pelos produtores para irrigar seus campos com mais eficiência - apenas irrigando campos quando e onde a água é necessária", diz Usman Mahmood Khan, primeiro autor de um artigo sobre o trabalho e Ph.D. . estudante na NC State. "Isto conserva os recursos hídricos e suporta coisas como tecnologias agrícolas inteligentes, como sistemas de irrigação automatizados. Além disso, a conservação dos recursos hídricos também pode ajudar a reduzir as emissões de carbono, porque menos energia é usada para bombear água pelo sistema de irrigação."

A nova tecnologia, chamada Contactless Moisture Estimation (CoMEt), não requer nenhum sensor no solo. Em vez disso, o CoMEt avalia a umidade do solo usando algo chamado "fase", que é uma característica das ondas de rádio que é afetada tanto pelo comprimento de onda das ondas de rádio quanto pela distância entre o transmissor da onda de rádio e o receptor da onda.

Os sinais sem fio são ondas de rádio, e o meio pelo qual esses sinais viajam afeta o comprimento de onda dessas ondas de rádio. Quando o sinal viaja através de um meio como o ar, ele terá um comprimento de onda específico. Mas quando o sinal viaja por um meio diferente, como o solo, seu comprimento de onda muda.

"Sabemos que essas mudanças de fase também são influenciadas pela quantidade de água no solo. Se soubermos até onde o sinal viajou e medirmos como o comprimento de onda de um sinal sem fio mudou, podemos determinar a mudança de fase do sinal. ", diz Khan. "Isso, por sua vez, nos permite estimar a quantidade de água no solo."

O CoMEt conta com um dispositivo sem fio acima do solo que transmite ondas de rádio para o solo. Parte das ondas de rádio passa pelo solo antes de ser refletida de volta ao ar, onde o dispositivo sem fio pode receber o sinal e medir a mudança de fase. O sistema permite que os usuários avaliem a umidade do solo em várias profundidades, aumentando a potência do sinal transmitido – quanto mais poderoso o sinal, mais profunda a avaliação.

“Esse processo nos permite avaliar a umidade do solo em várias profundidades usando um único sinal, sem usar nenhum sensor no solo ou em contato com a superfície do solo”, diz Muhammad Shahzad, coautor do artigo e professor associado de ciência da computação. no estado do NC. "Por exemplo, demonstramos em testes experimentais que, se usarmos um sinal poderoso o suficiente para penetrar 38 centímetros no solo, podemos avaliar como a fase do sinal mudou no nível da superfície do solo, 38 centímetros abaixo da superfície, e em um nível intermediário entre os dois."

Isso é possível porque o dispositivo CoMEt contém várias antenas, permitindo capturar uma quantidade significativa de dados das ondas de rádio que "saltam" para fora do solo. As medições coletadas pelo conjunto de antenas do dispositivo são então conectadas a um algoritmo que pode determinar tanto as mudanças no comprimento de onda do sinal quanto a profundidade que o sinal percorreu no solo. Isso permite que o dispositivo CoMEt avalie com precisão a mudança de fase do sinal, o que, por sua vez, fornece aos usuários uma estimativa de umidade do solo para as profundidades relevantes.

“Estimar a umidade do solo em várias profundidades é importante, porque os agricultores geralmente precisam manter certos níveis de umidade em diferentes profundidades, dependendo da cultura e de onde estão no ciclo da cultura”, explica Khan.

"Achamos que o CoMEt pode ser usado de várias maneiras", diz Shahzad. "Os produtores podem mover manualmente o dispositivo CoMEt para medir a umidade do solo em vários pontos do campo; eles podem usar o CoMEt em conjunto com um drone operado manualmente para avaliar a umidade do solo; ou podem usar o CoMEt com um drone automatizado que voa um padrão definido sobre o campo."

As tecnologias que estão atualmente em uso pelos produtores para medir a umidade do solo dependem de sensores no solo. No entanto, essa abordagem exige que os agricultores coloquem vários sensores ao redor do campo para capturar os níveis de umidade, pois os níveis de umidade variam devido a diferenças na drenagem, proximidade das linhas de irrigação e assim por diante. Para grandes campos, os produtores precisam de muitos sensores – e isso fica caro.

“Achamos que seria possível fabricar dispositivos CoMEt por aproximadamente a mesma quantia de dinheiro que um sensor preciso no solo”, diz Khan. "Mas onde um produtor precisaria apenas de um dispositivo CoMEt, ele teria que comprar alguns sensores no solo para coletar a mesma quantidade de informações sobre a umidade do solo. Em suma, achamos que o CoMEt seria significativamente mais econômico.

"Além disso, a instalação e manutenção de sensores no solo são demoradas e inconvenientes. E o CoMEt não requer nenhum dos dois."

"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. + Explorar mais

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