Αξιολόγηση και λειτουργική αποτίμηση αισθητήρων μέτρησης της υγρασίας εδάφους και υποστρωμάτων μέσω ασύρματων ηλεκτρονικών μετρητικών διατάξεων χαμηλού κόστους

Abstract

The study initially began with the design and evaluation of an integrated edge computing system, enabling remote Internet-based access to dielectric soil sensor data. The main objective was to assess the feasibility of low-cost measurement devices that offer simple deployment while achieving accuracy and reliability comparable to widely used commercial instruments. Concurrently, the performance of the promising LoRa communication protocol was evaluated under both nominal and constrained operating conditions. However, along the way, the scope of the thesis expanded, as irregularities were discovered in the operation of the sensors and their more thorough study was deemed necessary. More specifically, the unexpected behavior of the sensors, compared to time domain reflectometry (TDR) sensors, was a decisive turning point in the course of this thesis, as it was necessary to identify and isolate the systematic errors that the unverified acceptance of the manufacturer specifications of the instruments would have left in the system.During system validation, unexpected sensor behavior was identified, leading to an expanded investigation into sensor performance and systematic measurement errors that are often overlooked when relying solely on manufacturer specifications. Significant deviations from specified behavior were observed in the widely used soil moisture sensors TEROS 10 and TEROS 12. Their response was experimentally analysed, mainly in the laboratory, across different soil types, aqueous solutions, and substrates, under a wide range of moisture conditions (from dry to fully saturated) and salinity levels (from very low to high). The functionality of the prototype data transmission platform was also examined, both in laboratory conditions and in a field environment (both on the surface of the soil and within it, with all equipment covered). The prototype data-transmission platform was evaluated in both laboratory and field environments, including surface and subsurface deployments. The findings are relevant to precision agriculture and to broader applications requiring reliable soil monitoring, and were acknowledged with an honorable mention by the sensor manufacturer METER Group AG.

Η έρευνα ξεκίνησε αρχικά για τη δημιουργία και αξιολόγηση ενός ολοκληρωμένου συστήματος υπολογιστικής άκρου (edge computing), με έμφαση στην παροχή απομακρυσμένης προσβασιμότητας (μέσω του Διαδικτύου) σε δεδομένα διηλεκτρικών αισθητήρων εκτίμησης της κατ΄ όγκο περιεκτικότητας σε νερό και της αλατότητας του εδάφους. Βασική προτεραιότητα αποτέλεσε η επιβεβαίωση της καταλληλότητας της χρήσης πρωτότυπων διατάξεων χαμηλού κόστους για λήψη μετρήσεων με απλό, εύκολο τρόπο αλλά και με συγκρίσιμη ακρίβεια και αξιοπιστία σε σχέση με τις λύσεις που παρέχουν οι κατασκευαστές διαδεδομένων οργάνων μέτρησης στο χώρο αυτό. Παράλληλα έγιναν βήματα για την αξιολόγηση της επίδοσης του πολλά υποσχόμενου πρωτοκόλλου LoRa σε μετάδοση δεδομένων, υπό κανονικές αλλά και οριακές συνθήκες όσον αφορά τις δυνατότητες του. Στην πορεία όμως, το πλαίσιο της διατριβής διευρύνθηκε, καθώς διαπιστώθηκαν ιδιαιτερότητες στη λειτουργία των αισθητήρων, σε σχέση με τις εργοστασιακές ρυθμίσεις, και κρίθηκε απαραίτητη η ενδελεχέστερη μελέτη τους. Πιο συγκεκριμένα, η ιδιαίτερη συμπεριφορά των αισθητήρων σε σύγκριση με τους αισθητήρες time domain reflectometry (TDR) αποτέλεσε καθοριστική καμπή στην πορεία της παρούσας διατριβής καθώς έπρεπε να εντοπισθούν και να απομονωθούν τα συστηματικά σφάλματα που θα κληροδοτούσε στο σύστημα η «τυφλή» και χωρίς έλεγχο αποδοχή των εργοστασιακών προδιαγραφών των οργάνων. Παρατηρήθηκαν αποκλίσεις, σε σχέση με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή, για τους καθιερωμένους και ευρέως διαδεδομένους αισθητήρες μέτρησης της εδαφικής υγρασίας TEROS 10 και TEROS 12 και επικεντρωθήκαμε στην καταγραφή και έλεγχο των αντίστοιχων πειραματικών ευρημάτων στην ζώνη των εδαφικών και υδατικών διαλυμάτων καθώς και διαφόρων υποστρωμάτων. Μελετήθηκε διεξοδικά η συμπεριφορά των εν λόγω αισθητήρων κυρίως στο εργαστήριo σε διαφορετικούς τύπους εδαφών, σε διαφορετικά επίπεδα υγρασίας θ (από ξηρό έως πλήρως κορεσμένο) και αλατότητας (από πολύ χαμηλή έως υψηλή αλατότητα). Eξετάστηκε και η λειτουργικότητα της πρωτότυπης πλατφόρμας μετάδοσης δεδομένων, τόσο σε εργαστηριακές συνθήκες όσο και σε περιβάλλον αγρού (επί της επιφανείας του εδάφους αλλά και εντός αυτού, με καλυμμένο όλο τον εξοπλισμό). Τα σχετικά ευρήματα παρουσιάζουν ενδιαφέρον όχι μόνο για επιστήμονες που ασχολούνται με την Γεωργία Ακριβείας αλλά και για ερευνητές που ασχολούνται ευρύτερα με τεχνολογίες που απαιτούν μετρήσεις εδαφικών ιδιοτήτων. Αξίζει να σημειωθεί ότι σε αυτά τα ευρήματα έγινε τιμητική αναφορά από την ίδια την κατασκευάστρια εταιρεία METER Group AG.