Μετρώντας (φτηνά) την υγρασία χώματος με ήχο

Οικονομική Επιθεώρηση, Ιούλιος 2022, τ.1020

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ

του Άγγελου Μπλέτσα*

Είναι δυνατόν να μετρηθεί με ακρίβεια η υγρασία στο χώμα χρησιμοποιώντας ήχο; Μπορεί επίσης η μέτρηση να γίνει φθηνά, ασύρματα, με ενέργεια από το περιβάλλον (δηλαδή χωρίς μπαταρία);

Το πότισμα στις αγροτικές καλλιέργειες γίνεται σε μεγάλο βαθμό εμπειρικά, ενώ η χρήση αισθητήρων μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση νερού, η οποία μπορεί να ξεπεράσει το 20%. Επιπλέον, υπάρχουν καλλιέργειες, όπως στο αβοκάντο ή στη σόγια, όπου πότισμα παραπάνω απ’ όσο χρειάζεται μπορεί κυριολεκτικά να σκοτώσει τον καρπό. Η αλλαγή του κλίματος και τα σχετικά φαινόμενα λειψυδρίας, το γεγονός ότι η γεωργία αποτελεί τον κύριο καταναλωτή νερού, αλλά και η ανάγκη βιώσιμης στήριξης του πρωτογενή τομέα της χώρας απαιτούν άμεσα έξυπνες και καινοτόμες τεχνολογικές λύσεις, με χαμηλό κόστος. Το θέμα του οικονομικού κόστους είναι σημαντικό για όλη τη λεκάνη της νοτιοανατολικής Μεσογείου, δεδομένου ότι υπάρχουν αρκετοί μικροκαλλιεργητές.

Η τεχνολογία της οπισθοσκέδασης που έχει αναπτυχθεί από την ομάδα μου την τελευταία δεκαετία στο Πολυτεχνείο Κρήτης μπόρεσε να δώσει λύση στο πρόβλημα. Ειδικότερα, αναπτύχθηκε αισθητήρας που μπορεί να μετρήσει την υγρασία χώματος και στη συνέχεια να τη μεταδώσει ασύρματα, χρησιμοποιώντας την τεχνολογία της οπισθοσκέδασης σε ηλεκτρομαγνητικά σήματα που υπάρχουν ήδη στο περιβάλλον, π.χ. σήματα από σταθμούς ραδιοφώνου FM. Συγκεκριμένα, ο αισθητήρας «φωτίζεται» από τους σταθμούς FM και ανακλά το σήμα τους, με έξυπνο (αλλά σχετικά απλό) τρόπο, έτσι ώστε η πληροφορία της υγρασίας να μετατραπεί σε σήμα FM και να μπορεί να ληφθεί από οποιονδήποτε δέκτη FM, όπως εκείνος στο κινητό του γεωργού.

Το πλεονέκτημα αυτής της τεχνολογίας είναι ότι ο αισθητήρας μεταδίδει ασύρματα χωρίς να δημιουργεί ο ίδιος τα απαραίτητα σήματα – επαναχρησιμοποιεί τα σήματα που υπάρχουν ήδη στο περιβάλλον. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα ιδιαίτερα απλό σχέδιο στα ηλεκτρονικά του, το οποίο μεταφράζεται σε ιδιαίτερα χαμηλή κατανάλωση ισχύος (ή ενέργειας) και ιδιαίτερα χαμηλό κόστος ανά σένσορα. H απαιτούμενη ισχύς για να λειτουργήσει είναι μερικές δεκάδες μικροWatt, η οποία μπορεί να υπερκαλυφθεί από ένα φθηνό ηλιακό πάνελ επιφάνειας ενός νομίσματος. Επιπλέον, δεν χρειάζεται εξειδικευμένος δέκτης αλλά ένα δέκτης FM, ο οποίος υπάρχει σε αρκετά κινητά τηλέφωνα.

Ο χρήστης μπορεί να ακούσει στον δέκτη FM του κινητού του έναν τόνο (σφύριγμα), του οποίου η συχνότητα είναι αντιστρόφως ανάλογη της υγρασίας. Έχει αναπτυχθεί λογισμικό για το κινητό, το οποίο αναλύει συχνοτικά το σφύριγμα και αντιστοιχεί στην κατάλληλη τιμή υγρασίας, λαμβάνοντας υπόψη το προφίλ του χώματος. Με τη βοήθεια καλλιεργητών, έχουν μελετηθεί και ενσωματωθεί 5 διαφορετικά προφίλ χώματος, ανάλογα με την περιεκτικότητα σε άμμο και άργιλο, ενώ υπάρχει η δυνατότητα προσθήκης επιπλέον προφίλ χώματος από τον ίδιο τον χρήστη. Επίσης, υπάρχει η δυνατότητα οι μετρήσεις να «ανέβουν» στο υπολογιστικό νέφος και να οπτικοποιηθούν προς όφελος του καλλιεργητή.

Το συνολικό κόστος του αισθητήρα είναι κάτω από 10 ευρώ, με ακρίβεια 2,5-3%, έτσι ώστε ο γεωργός, ειδικά ο μικροκαλλιεργητής, να μπορεί να εγκαταστήσει πληθώρα αισθητήρων, πάνω από 10-20/στρέμμα, χωρίς σημαντική οικονομική επιβάρυνση (αλλά απαιτώντας να πάει στο χωράφι με το κινητό του). Η πυκνή (χωρικά) μέτρηση είναι κρίσιμη για καλλιέργειες σε ανομοιογενή υποστρώματα.

Ο αισθητήρας δοκιμάζεται τον τελευταίο χρόνο από καλλιεργητές αβοκάντο στη δυτική Κρήτη, ενώ πρόσφατα στάλθηκε για περαιτέρω δοκιμές στη Γερμανία. Προστατεύεται από 2 διπλώματα ευρεσιτεχνιών από το σχετικό γραφείο ευρεσιτεχνιών των ΗΠΑ (10763990, Σεπτ. 1, 2020, 10395162, Αύγ. 27, 2019), μπορεί να επεκταθεί και σε άλλες εφαρμογές που απαιτούν πυκνωτική ή αντιστασιακή μέτρηση, ενώ είναι συμβατός και με σήματα ψηφιακών τηλεπικοινωνιών.

Συμπληρώνει μια σειρά τεχνολογιών που αναπτύχθηκαν από την ομάδα μου τα τελευταία χρόνια, όπως οι τεχνολογίες ασύρματης διαδικτύωσης μέσω οπισθοσκέδασης σε θερμοκήπια, τεχνολογίες πολυστατικής διαδικτύωσης μεγάλης κλίμακας και τεχνολογίες που χρησιμοποιούν τα ίδια τα φυτά ως ηλεκτρολυτικούς αισθητήρες ή ως μπαταρίες.

 

*Σύντομο βιογραφικό Άγγελου Μπλέτσα

Είναι καθηγητής στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών (ΗΜΜΥ) του Πολυτεχνείου Κρήτης. Είναι κάτοχος μεταπτυχιακού και διδακτορικού από το ΜΙΤ και είναι διακεκριμένος ομιλητής για τα έτη 2022 και 2023 της IEEE Communications Society (ComSoc). Στις διακρίσεις του περιλαμβάνεται το IEEE Communications Society 2008 Marconi Prize Paper Award in Wireless Communications και Βραβεία καλύτερης εργασίας στα συνέδρια IEEE RFID-TA 2011, IEEE ICASSP 2015, IEEE RFID-TA 2017, MOCAST 2018 και IEEE WCNEE 2021. Μία εργασία του σταθερά καταλαμβάνει την πρώτη θέση τα τελευταία χρόνια στη λίστα Google Scholar: Classic Papers in Computer Networks and Wireless Communication.