这篇文章是我们独家报道的一部分IEEE Journal Watch系列与IEEE Xplore合作。
你如何为遍布各地的农业物联网（IoT）传感器供电？
电力是实现现实智能农业的主要障碍。即使是最节能的设备也需要电力来跟踪和报告GPS坐标、湿度水平、温度、土壤酸度、养分浓度和入侵的害虫。有多少数据需要跟踪，就有多少解决方案：长寿命电池、太阳能电池板、风力发电机、激光和微波能量束，甚至电容式无人机可以对埋地感应线圈进行沉降和充电。
现在研究人员田纳西技术大学库克维尔有另一个新主意：直接通过土壤输送电力。这不仅仅是一个实验室的奇观——研究人员已经使用一个直通式（TTS）系统传输电力，为远程传感器和远程低功率传感器供电LoRa无线电在多个生长季节分布在一块2英亩的试验地上。
工程师们用一个移动太阳能电池板阵列为测试供电，每天大约需要0.1千瓦时。如果他们为这种电力支付零售价，那么他们每天的成本将略高于一便士。
TTS发射机是一对电极，一个位于地面，另一个位于地下90米处。田纳西理工大学
研究人员的TTS系统有三个主要组件：一个功率发射器、一个或多个功率接收器和多个传感器模块。
该小组的2英亩测试网络连接了四个传感器组。每个都包括一个微型芯片微控制器、LoRa网络集成电路、1毫法拉电容器（用于存储突发传输的电量）和两个土壤传感器（一个用于测量湿度，一个用于温度）。综合起来，试验的四个传感器模块需要0.8瓦。
然而，TTS系统的发射机消耗了更多能量。一系列改进将输入电流需求从500 W降低到250 W。由于系统不需要连续监测传感器读数，因此占空比由1分钟开启和59分钟关闭组成，这将每日功耗降低到0.1 kWh。
TTS接收器有两个0.7米长的电极，电极间距为3米，用于从发射机接收电流。田纳西理工大学
从概念上讲，发射机和多个接收机形成耦合电路。电力通过发射机深入地下，而野外的接收机则根据需要将其提取出来。研究人员在一份研究报告中写道：“TTS系统的几何形状类似于水井，提供了一种可能的方法，可以将这种[远程无线电力传输]技术集成到现有的农业基础设施中，而用户的成本很低。”纸张于2024年2月出版IEEE工业电子学报.
变送器由表面电极和底部电极组成。表面电极是一个15米长的钢套管，沉入表层土壤中。底部电极穿过套管，在地下延伸90米，在高密度聚乙烯管中用75米厚的金属丝与另15米的裸露黄铜连接。
在每个接收器上，有两个0.7米长的杆，分别打入地下1至3米。传感器模块连接在这些电极之间。电压取决于发射机到接收机的距离以及接收机电极之间的间距。操作员可以调整接收器电极间距，以提供运行传感器模块所需的电压（在这种情况下为3.6伏）。
查尔斯·范·内斯特，田纳西理工大学助理教授，和他的同事于2016年开始研究TTS电源。从那以后，他们研究了土壤的电学性质，了解了地下电流的行为，同时也努力将该系统扩展到更大的土地上。
在他们的工作中，研究人员了解到，虽然土壤通常是一种不可靠的导体，但灌溉并通过肥料定期提供离子的农业土壤具有更好的导电性。他们还发现电流沿着土层流动；换言之，水流倾向于水平穿过特定土层。这一发现为发射机的垂直设计提供了信息，使电流能够找到最佳地层。他们还发现TTS在极低的交流频率下工作得最好，特别是在50千赫以下。
TTS系统使用地下发射机和接收机直接通过土壤产生电流。田纳西理工大学
这个2英亩的测试网络以60赫兹的频率传输电力。随着接收机距离发射机更远，传输效率下降。范·内斯特说：“该模型表明，通过降低接触电阻，以及在更高频率下运行，可以实现改进，这是我们目前研究的主要重点。”。
田纳西理工大学已提交TTS的全球专利研究人员正在与一家初创公司合作实现商业化，Terra Watts公司.
范·内斯特说，TTS可以在“相当令人兴奋的距离”上实现功率传输。他补充道，“更好的[发射机/接收机]触点的传输效率有所提高。我们的想法也已开始演变为将数据传输与电力同步，以便传感器系统能够完全在地下传输信息。这将使传感器完全埋入地下，我们希望很快能证明这一点。”
“只要没有发生灾难性事件，”范·内斯特说，“我们希望在夏末证明150至200米半径（约30英亩）范围内的电力传输。”作为测试的一部分，他们计划使用一种新设计的逆变器，在低占空比下产生高强度电流。“我们上周测试了这种新型逆变器，并获得了与[工业电子交易]纸张，但仅占整个逆变器运行的10%。我们对探索更大范围的权力转移感到非常兴奋，”他说。
