如何為散佈在各處的農業物聯網 (IoT) 感測器供電？
電力是通往真正智慧農業道路上的一大障礙。即使是最節能的設備也需要電力來追蹤和報告 GPS 座標、水分含量、溫度、土壤酸度、養分濃度和入侵害蟲。每項數據都有許多解決方案：長壽命電池、太陽能電池板、風力發電機、雷射和微波能量束，甚至具有感應線圈的無人機，可以定位降落，並利用埋在地下的感應線圈充電。
現在，位於田納西科技大學庫克維爾分校的研究人員提出了一個新想法：直接透過土壤輸送電力。這不僅僅是實驗室裡的概念，研究人員已經透過土壤 (TTS) 傳輸電力，這個實驗分布在兩英畝大的測試土地上，使用遠端感測器和長距離、低功耗 LoRa 無線電供電，而且這個實驗已經經歷了多個生長季節。
工程師們使用行動太陽能電池板陣列為他們的測試供電，每天大約需要 0.1 千瓦時。如果他們按照零售價格支付電費，每天的花費大約略高於一美分。
研究人員的 TTS 系統具有三個主要部分：發電器、一個或多個接收器以及多個感測器模組。
該小組的兩英畝測試網路連接了四個感測器模組。每個都包含一個 Microchip 微控制器、一個整合了 LoRa 網路電路、一個用於儲存傳輸突發電力的 1 毫法拉電容器以及兩個土壤感測器。這兩個土壤感測器一個用於檢測水分，另一個用於檢測溫度。總而言之，試驗的四個感測器模組需要 0.8 瓦的功率。
然而，TTS 系統的發射器消耗更多的電量。經過一系列改進，已經將輸入電流需求從 500 W 降低到 250 W。並且由於系統不需要持續監測感測器讀數，透過1分鐘開啟、59分鐘關閉的工作週期，每天的耗電量可以降低到0.1千瓦時。
從概念上說，發射器和多個接收器形成耦合電路。電田地中的接收器會根據需要提取電力。「TTS系統的幾何結構類似於水井，為此種長距離無線電力傳輸技術提供了一種可能的方式，可以極低的成本將其整合到現有的農業基礎設施中，對使用者來說幾乎沒有成本。」研究人員在發表於 2024 年 2 月的《IEEE 工業電子交易》雜誌上的一篇論文中寫道。
發射器由一個表面電極和一個底部電極組成。表面電極是一個長 15 公尺長的鋼井套管，埋入表土層。底部電極穿過套管伸展到地下 90 公尺，其中 75 公尺的重型電線包裹在高密度聚乙烯管中，連接到另一根 15 公尺露出的黃銅上。
每個接收器都有兩根長 0.7 公尺的桿子插入地面，相距 1 到 3 公尺。感測器模組連接在這些電極之間。電壓取決於發射器和接收器之間的距離以及接收器電極之間的距離。操作人員可以調整接收器電極間的距離，以提供他們需要的電壓（在這種情況下為3.6伏特）來運行感應器模組。
田納西理工大學助理教授查爾斯·范內斯特（Charles Van Neste）和他的同事從 2016 年開始研究 TTS 電力。從那時起，他們研究了土壤的電氣特性，並學習了電流在地下如何運行，同時還努力將系統擴展到更大的土地上。
在他們的工作過程中，研究人員發現雖然土壤通常是一種不可靠的導體，但經過灌溉並定期加了有離子的肥料，這些農田土壤具有更好的導電性。他們還發現電流會沿著土壤層前行；換句話說，電流傾向於橫向通過特定土壤。這一發現為發射器的垂直設計提供了依據，該設計允許電流找到最佳的通行層。他們還發現 TTS 在非常低的交流電頻率下效果最佳，具體來說是低於 50 千赫。
兩英畝的測試網路以 60 赫茲的頻率傳輸電力。隨著接收器離發射器越遠，傳輸效率會下降。「該模型顯示，可以透過降低接觸電阻和以更高的頻率運行來進行改進，這也是我們目前研究的主要方向，」范內斯特說。
田納西理工大學已對 TTS 申請了全球專利，研究人員正與新創公司 Terra Watts, Inc. 合作進行商業化。
范內斯特表示，TTS 可以實現「相當令人興奮的傳輸距離」。 他補充說，「改善 [發射器/接收器] 接觸將提高傳輸效率。 我們的想法也開始演變為將資料傳輸與電力傳輸結合起來的方式，這樣感測器系統就可以完全在地下傳輸資訊。 這將允許感測器完全埋在地下，這是我們希望很快就能展示的東西。」
范內斯特說：「只要沒有發生災難性的事情，我們希望在夏天結束前能夠展示150到200公尺半徑（約30英畝）的電力傳輸。」作為該測試的一部分，他們計劃使用新設計的逆變器，在低工作週期下產生高強度電流。「我們上周測試了這個新的逆變器，並實現了在[工業電子交易]論文中獲得的相同電流密度，但僅使用了完全逆變器操作的10％。我們非常興奮地探索在更大範圍內的電力傳輸。」
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