Sensori superficiali misurano l'umidità nel suolo a differenti profondità, tramite la differenza di fase di onde elettromagnetiche

I ricercatori della North Carolina State University hanno sviluppato un sistema wireless che si propone di essere più efficiente e più economico di quelli attualmente diffusi, dei quali viene lamentato il fatto di servirsi di una notevole quantità di sensori, posizionati nel terreno, con un costo complessivamente maggiore e non sempre una migliore resa.

Le tecnologie attualmente utilizzate dai coltivatori per misurare l'umidità del suolo si basano su sensori interrati. Come riferito dalla fonte, questo approccio richiede agli agricoltori di posizionare più sensori intorno al campo per acquisire i dati dei livelli di umidità, che variano in funzione di vari fattori.
Per i grandi campi, i coltivatori hanno quindi bisogno di molti sensori, con forte aumento dei costi. Ciò ha portato i ricercatori dell'Università della Nord-Carolina ad esplorare una strada differente per ottenere il dato dell'umidità del suolo, in tempo reale ed anche a differenti profondità.

Il nuovo sistema, studiato presso l'università della Nord-Carolina è stato denominato Contactless Moisture Estimation (CoMEt) e si basa sulla trasmissione di un segnale wireless (onde elettromagnetiche) a dei sensori, che però non sono interrati.
Esso si serve delle proprietà fisiche delle onde elettromagnetiche, la cui lunghezza d'onda varia a seconda del mezzo attraversato (esempio: aria, acqua, suolo, suolo bagnato) e della sua umidità.

Il sistema 'CoMEt' considera la lunghezza dell'onda ricevuta, di quella trasmessa e la distanza tra il trasmettitore e il ricevitore; esso misura la differenza tra la fase di un'onda elettromagnetica, che attraversi un certo tipo di suolo asciutto e quella che lo attraversa quando è bagnato.
La fase di un'onda elettromagnetica (misurata in secondi) è la frazione del periodo di un'onda (T), ovvero il tempo trascorso, rispetto a quello abitualmente necessario all'onda, per compiere un'oscillazione completa.
L'oscillazione di un'onda elettromagnetica ha un andamento sinusoidale poiché, nel suo compiersi, l'onda descrive una sinusoide, a periodi di tempo regolari.
Il valore temporale espresso dalla fase è quindi un dato istante del movimento periodico dell'onda.

Nel caso di un onda che si muova tra un terreno asciutto e uno bagnato si determina uno sfasamento, cioè una differenza tra la fase dell'onda nelle due diverse condizioni ambientali.
La differenza di fase è misurata con un angolo detto 'angolo di fase' ed è l'oggetto principale dell'attività dell'algoritmo, su cui si basa lo strumento di misurazione 'CoMEt'.

Come afferma Usman Mahmood Khan, primo autore dell'articolo riguardo la ricerca compiuta e studente di dottorato di ricerca presso l'Università della Nord-Carolina: “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", afferma Khan. "Questo, a sua volta, ci consente di stimare la quantità di acqua nel suolo".

Il valore dell'umidità del suolo a differenti profondità è importante in relazione alla specifica profondità di sviluppo dell'apparato radicale delle differenti colture agricole, anche al fine di definire l'apporto di acqua necessario e sufficiente per massimizzare la resa delle coltivazioni.

Come ha spiegato Khan: “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. Ciò conserva le risorse idriche e supporta cose come le tecnologie per l'agricoltura intelligente (smart-agriculture), 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”.

Come viene spiegato, CoMEt funziona tramite 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 del valore dell'umidita del terreno.

Come riferisce Muhammad Shahzad, coautore dell'articolo e professore associato di informatica all'Università statale della Nord-Carolina: “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. 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 i due”.

Il dispositivo CoMEt contiene infatti più antenne, che gli consentono di acquisire una quantità significativa di dati dalle onde radio che "rimbalzano" fuori dal suolo, che sono poi elaborati da un algoritmo in grado di determinare sia i cambiamenti nella lunghezza d'onda del segnale, sia la profondità del segnale nel suolo e quindi il cambiamento di fase del segnale, che a sua volta fornisce agli utenti una stima dell'umidità del suolo per le profondità rilevanti.

Come spiega Khan: "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.

Gli autori di questa ricerca a indirizzo marcatamente applicativo sono convinti dell'utilità del loro dispositivo tecnologica, poiché ritengono che, oltre a fornire una misurazione più accurata e completa, potrebbe essere prodotto a un costo molto più competitivo di quello di altri dispositivi, che utilizzano invece una molteplicità di sensori interrati; i quali richiedono anche una costosa manutenzione, dovuta alla scomodità di tale lavoro ed al molto tempo richiesto.