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SoilTAG: Fine-Grained Soil Moisture Sensing Through Chipless Tags

含水量 水分 遥感 计算机科学 环境科学 土壤科学 气象学 工程类 地质学 岩土工程 物理
作者
Wenli Jiao,Ju Wang,Yelu He,Xiangdong Xi,Fuwei Wang
出处
期刊:IEEE Transactions on Mobile Computing [IEEE Computer Society]
卷期号:23 (3): 2153-2170 被引量:3
标识
DOI:10.1109/tmc.2023.3253135
摘要

Soil moisture sensing plays an important role in agriculture, especially in greenhouses or vertical farms. However, existing soil moisture sensing systems are either expensive and require batteries or suffer from low accuracy, preventing their real-world applications. This paper introduces SoilTAG, a battery-free, chipless tag-based high accuracy soil moisture sensing system. The key insight is that the tag's resonator can convert changes in soil moisture levels into changes in the tag's frequency response. However, two challenges need to be addressed before applying the system to the real world. First, how to design a resonator whose frequency response is sensitive to even small moisture changes, which is the basis for high-precision moisture sensing. To solve the challenge, we design a special structure (i.e., a defected ground structure) as the tag's resonator and optimize its key parameters to increase the frequency response sensitivity for different soil moisture levels. Second, how to design a robust soil moisture feature that is independent of the tag's location changes, since the frequency response varies by both the tag location and soil moisture. To deal with this challenge, we introduce a relative frequency response feature whose amplitude ratio is only related to soil moisture levels and independent of the tag location changes. Extensive experiments show that SoilTAG achieves $90th$ percentile moisture sensing error of $2\%$ , $3.64\%$ , and $8\%$ when the distance between transmitter and tag is 6 m, 10 m, and 13.9 m. Compared to current commodity sensors, SoilTAG saves the cost per sensor by more than 70%.

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