基于无线通信的土壤湿度传感长期评估：多射频技术融合在精准农业中的应用与挑战

本文系统评估了利用商用现成（COTS）硬件结合多射频技术（Wi-Fi 2.4 GHz、BLE、LoRa）的土壤湿度传感长期性能。通过四个月户外实验发现，虽然信号强度（RSSI）与湿度存在相关性，但长期预测可靠性有限（仅约10天）。研究为低成本精准农业监测提供了重要实证，凸显了环境复杂性对联合通信传感（JCAS）技术的挑战。

　　

相关文献

既往研究探讨了利用通信信号进行土壤湿度估算的方法。表1总结了这些研究的实验参数。现有方法涵盖从仅使用接收信号强度指标（RSSI）到多天线分析和相位偏移检测等复杂技术。部分研究声称能捕捉0%至饱和的全范围湿度，但这在长期实践中难以实现。值得注意的是，某些研究（如Hernandez等）仅通过短期实验验证性能。

测量架构

基于现有研究，我们旨在探索多射频技术融合对长期部署的可行性。我们设计了能同步记录多频段RSSI值与真实土壤湿度数据的传感系统。实验设置包含4种土壤类型，通过成对的发射-接收传感器节点（采用Lilygo TTGO T-Beam开发板）实现Wi-Fi、BLE和LoRa三频段数据采集。

评估

我们对4个月内每分钟采集的8组传感器数据进行了分析。数据重采样至每分钟间隔，并计算各射频技术的RSSI算术均值。图3显示，不同射频技术的湿度数据与时间序列存在明显关联——降雨事件会引发体积含水量（VWC）真实值的显著峰值，而RSSI值也呈现同步响应。

数据收集问题

我们发现数据中存在多种异常：部分数据丢失（如VIII号试验田全程及II、VII号田部分数据）可能源于节点故障或通信阻塞；另一些波动则与真实湿度变化无明确关联，可能与土壤渗透不均（如压实差异）、不规则水流或快速蒸发等有关。

结论

本研究提出了一种低成本多通道土壤湿度估算系统，并通过长期户外实验验证其性能。结果表明：全周期预测误差较大，但在特定10天左右短时段内可实现较低误差。通过交叉验证技术，我们证明了多技术融合在短时段的可行性，为精准农业传感技术提供了优化方向。

作者贡献声明

Lennart Kaiser： 撰写-审阅/初稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Thomas H?nel： 撰写-审阅，监督，项目管理，方法论，调查，概念化。Sebastian Vogel： 撰写-审阅，监督，资金获取，概念化。Nils Aschenbruck： 撰写-审阅，监督，资金获取，项目管理，概念化。