[论文解读] Comparative Analysis and Calibration of Low Cost Resistive and Capacitive Soil Moisture Sensor

Sourodip Chowdhury, Shaunak Sen+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2022

Soil Moisture and Remote Sensing被引用 5

一句话总结

本研究通过与重量含水量和体积含水量校准，比较了低成本电阻式与电容式土壤湿度传感器的性能，并分析了其在逐步加水条件下的响应。电阻式传感器表现出更高的均方根误差（RMSE）和更大的变异性，尤其是在高湿度水平下；而电容式传感器由于具有抗腐蚀探针，展现出更优的稳定性、灵敏度和耐久性，尽管其校准决定系数（R²）略低，但仍更适用于长期监测。

ABSTRACT

Soil moisture is an essential parameter in agriculture. It determines several environmental and agricultural activities such as climate change, drought prediction, irrigation, etc. Smart irrigation management requires continuous soil moisture monitoring to reduce unnecessary water usage. In recent times, the use of low-cost sensors is becoming popular among farmers for soil moisture monitoring. In this paper, a comparison of low-cost resistive and capacitive soil moisture sensors is demonstrated in two ways. One way is the calibration of the sensors in gravimetric and volumetric water content, and the other is the sensors' response analysis when different quantities of water are added to the same amount of soil. The analysis shown in this work is essential before choosing cost-effective sensors for any soil moisture monitoring platform.

研究动机与目标

• 评估并比较低成本电阻式与电容式土壤湿度传感器在校准精度与响应一致性方面的性能。
• 利用实验数据，以重量含水量（GWC）和体积含水量（VWC）为基准，对两种传感器进行校准。
• 通过向同一土壤样品逐步加水的重复实验，分析传感器响应的变异性。
• 评估传感器在重复短时测量下的可靠性、灵敏度与寿命。
• 为基于物联网的土壤湿度监测平台选择合适的低成本传感器提供实用指导。

提出的方法

• 以重量含水量（GWC）和体积含水量（VWC）为真实值，通过实验数据推导方程，对两种传感器进行校准。
• 通过NodeMCU微控制器测量传感器原始输出（电压），在1–1024范围内数字化，并使用公式（1）转换为3.3V。
• 使用API密钥将数据传输至Thingspeak云平台，实现实时存储与可视化。
• 通过逐步加水（25ml、50ml、75ml、100ml）进行重复实验，评估传感器的动态响应与可重复性。
• 使用决定系数（R²）、均方根误差（RMSE）、平均绝对百分比误差（MAPE）和方差等统计指标，比较校准性能。
• 通过观察5–6次短时测量后功能退化情况，评估传感器的耐久性，尤其关注电阻式传感器。

实验结果

研究问题

• RQ1 在重复实验中，电阻式与电容式传感器在R²、RMSE和方差方面的校准结果有何差异？
• RQ2 在逐步加水条件下，传感器在输出电压变化与一致性方面如何响应？
• RQ3 土壤饱和对电阻式与电容式传感器的可靠性与灵敏度有何影响？
• RQ4 探针腐蚀对电阻式传感器长期功能的影响，相较于电容式传感器如何？
• RQ5 在基于物联网的农业系统中，哪种传感器类型更适合长期连续的土壤湿度监测？

主要发现

• 电阻式传感器的RMSE（0.125）高于电容式传感器（RMSE：0.089），且R²（0.87）低于电容式传感器（R²：0.92），表明其校准精度较差。
• 电阻式传感器在重复实验中表现出显著更高的输出方差，尤其是在高湿度水平下，表明其可靠性较低。
• 在多次重复试验中，电阻式传感器在干燥土壤条件下无法检测到湿度变化，而电容式传感器保持一致的检测能力，表明电阻式传感器灵敏度较低。
• 对于25ml和100ml的加水，电阻式传感器的输出几乎相同，表明其响应存在饱和相关的失真；而电容式传感器表现出线性且一致的响应。
• 电阻式传感器的探针在5–6次短时测量后因腐蚀而退化，而电容式传感器的聚合物涂层探针仍保持功能，表明其耐久性更优。
• 尽管校准R²略低，电容式传感器因抗氧化与电解作用，展现出更优的长期连续监测适用性。