Langattoman peltotiedustelijan maanalainen toimintaympäristö ja laitesuunnittelu

Abstract

Tässä väitöskirjassa esitellään langattomien maanalaisten peltotiedustelijoiden järjestelmän tavoitteet ja rajoitukset. Tarkoitus oli kehittää käytännön viljelyyn sovellettava pellon seurantajärjestelmä, sillä reaaliaikaisen kosteus- ja lämpötilatiedon keruulaitteiden puuttuminen haittaa viljelytoimenpiteiden suunnittelua. Mittaus-aineistosta voi tehdä sekä havaintoja pellon ominaisuuksista että muutoksista niissä. Tulevaisuudessa tiedustelijalla saatetaan voida mitata ravinteita tai kemikaaleja.

Kun peltotiedustelijan 869 MHz:n radioaalto saavuttaa vastaanottoantennin, on 1) maa-aines vaimentanut sitä; 2) osa aallosta heijastunut rajapinnoilta; 3) pellosta ulos taittuva aalto hajaantunut ja; 4) aallon intensiteetti alentunut etäisyyden kasvaessa. Maan sähkökenttäkäyttäytymistä kuvaava permittiivisyys on kompleksinen suure, jonka reaaliosa kuvaa varautumiskykyä (polarisoitumista) ja imaginaariosa häviöllisyyttä (sähkönjohtavuutta). Pellon pinnassa aalto on pallomainen, joten heijastumisen lisäksi hajaannuttaa taittuminen suurilla taitekulmilla sen tehoa.

Tiedustelijan prototyyppiä varten kehitettiin maa-aineksessa toimivat antennit, joiden taajuuskaistat kattoivat ne aallonpituudet, jotka 869 MHz:n radioaalto saa kuivassa ja märässä mullassa, sillä aallon etenemisnopeus ja pituus muuttuvat maan kosteudesta riippuen. Vaimennusmallin testausmittauksiin tehtiin discone-antenni, ja tiedustelijaa varten piirilevytekniikalla pienikokoinen elliptinen monopoliantenni, jonka piirikortille ladottiin myös tiedustelijan elektroniikka. Multalaatikkoon upotettujen antennien säteilyominaisuudet määritettiin piirianalysaattorilla heijastusvaimennusmittauksin.

Elektroniikkasuunnittelun tavoitteita oli pieni koko ja pitkä toimintaikä. Näihin päästiin komponenttivalinnoilla sekä ohjelmoinnin keinoin. Tiedustelija teki mittaukset ja lähetti tulokset 10 min välein ja sen keskivirrankulutus oli 4,2 uA käytettäessä 3 V:n paristoa, jonka 1800 mAh kapasiteetti riittäisi huonollakin hyötysuhteella yli 10 vuodeksi.

Vuoden mittaisen 12 prototyypin käytön perusteella voidaan kantamaa parantaa yli nykyisen 200 m:n ilman käyttöiän lyhentymistä 1) nostamalla laitteen lähetystehoa ja pariston käyttöastetta lisäkomponenteilla; 2) parantamalla vastaanottoantennin vahvistusta; 3) pidentämällä lähetysten jaksoa; 4) ohjelmoimalla tiedustelija suodattamaan mittaustietoja ja; 5) koodaamalla useita tuloksia samaan lähetteeseen. Järjestelmän ja mittaustulosten käytettävyyttä voidaan parantaa paikantamalla tiedustelijoiden syvyydet aaltoilevan lämpötilan vaihe-erojen perusteella ja ohjelmoimalla tiedustelijaan opastava asennustoiminto. Lisäksi maahan asennetun tiedustelijan toimintaparametrit tai jopa koko ohjelmisto voidaan vaihtaa langattomasti.

Vastaanottoasemat matkapuhelinmastoissa voisivat vastaanottaa viestejä parin kilometrin säteeltä. Koostettu aineisto maaperäsimulaattoreihin yhdistettynä antaisi kuvan alueellisesta tilanteesta ja viljelijän omille lohkoille sijoitetut tiedustelijat korjauspisteitä keskiarvosta.

Mitä maan alla tapahtuu? Peltomaan ominaisuudet vaikuttavat ratkaisevasti maanviljelyn toimenpiteisiin, kasvien kasvuun, ravinteiden liikkeisiin ja lopulta myös maatilan johtamiseen. Peltomaan ilmiöt ja mekanismit tunnetaan hyvin, mutta viljelijän on lähes mahdotonta seurata pinnanalaisia tapahtumia. Jos peltoon haudattaisiin antureita jotka soittaisivat kotiin pari kertaa tunnissa, kuuluisiko kännykkä maan alta?

Asiaa on helppo kokeilla, ja eihän se kuulu, mutta miksei? Tässä tutkimuksessa selvitettiin radioaallon ja maan vuorovaikutuksen mekanismit sekä koekenttämittauksilla varmennettiin laskentamallin toimivuus. Laaditun mallin pohjalta pystyttiin toteamaan, että sopivilla järjestelyillä radiosignaali saataisiin ehkä sittenkin kuulumaan pellosta viljelijän kotipihaan, mutta tavalliset antennit eivät toimi mullassa.

Antenniongelma ratkaistiin kehittämällä erityinen maanalainen ellipsin muotoinen laajakaista-antenni, jonka hyötysuhteeksi pystyttiin mittaamaan yli 90% maahan haudattuna maan kosteudesta riippumatta. Laaditulla radioaallon mallilla pystyttiin ennustamaan, miten radioaallon pituus muuttuu maan kosteuden mukana, ja siten pystyttiin mitoittamaan antenni juuri multaan sopivaksi.

Edellä mainittujen edistysaskelten ansiosta pystyttiin keväällä 2006 hautaamaan koepeltoon Satakunnan Ulvilassa 12 tulitikkurasian kokoista pienoistietokonetta eli "peltotiedustelijaa", jotka mittasivat pellon kosteutta ja lämpötilaa kymmenen minuutin välein ja lähettivät tuloksia jatkuvasti noin 200 m päässä olevan navetan vintille pystytetylle vastaanottimelle. Halpojen laitteiden - uusi elektroniikkahan on lähes ilmaista - odotetaan pysyvän toiminnassa yhdellä paristolla noin 10 vuotta. Kantamaa pystytään laitekehittelyllä kasvattamaan kilometriluokkaan.

Näiden peltotiedustelijoiden avulla avautuu uusi näkökulma moniin ajankohtaisiin ja hankalina pidettyihin ongelmiin. Minne vesi menee ja mitä veden mukana? Mittaamalla kosteutta jatkuvasti eri kohdissa peltoa ja eri syvyyksillä, nähdään todelliset veden liikkeet ja päästään konkreettisesti kiinni mahdollisiin ravinnehuuhtoumiin taselaskujen sijaan. Peltotiedustelijoiden aineistosta nähdään koska pelto on roudassa ja miten paksulti, miten nopeasti sadevesi imeytyy peltoon eli onko pelto tiivistynyt, tai vaikkapa onko peltomaa liian kuivaa jolloin osa ravinteista saattaa jäädä kasveilta käyttämättä ja kulkeutua myöhemmin pois pellolta.

Peltotiedustelijat eivät estä peltoviljelytoimenpiteitä ja niitä voidaan sijoittaa jopa kyntökerrokseenkin. Kyntämisen yhteydessä tai roudan vaikutuksesta tiedustelija saattaa siirtyä, mutta muuttunut syvyys voidaan havaita yö- ja päivälämpötilojen aaltoilusta, jonka voimakkuus ja tahti riippuvat asennussyvyydestä. Koska anturit ovat kokonaan maan alla, eivät sähköjohdot häiritse veden liikkeitä ja vääristä tuloksia. Koska peltotiedustelija on ensisijaisesti tietokone ja tiedonsiirtolaite, voidaan laitteeseen kytkeä kosteus- ja lämpötila-antureiden sijaan vaikkapa sähkönjohtavuus-, tärinä-, paine- ja happamuusantureita.

On mahdollista, että anturikehityksen jatkuessa voidaan peltotiedustelijoilla mitata jopa yksittäisten ravinteiden määrää maan vedessä ja paljon puhuttujen ravinnepäästöjen lähteet voidaan mitata konkreettisesti - ei vain hetkellisesti jokivedestä ilman tietoa alkulähteestä vaan jatkuvalla seurannalla rantapelloilla.