Inteligentny system monitorowania gleby na rzecz zrównoważonego rolnictwa z wykorzystaniem TinyML i sieci czujników bezprzewodowych o bardzo niskim zużyciu energii

Rolnictwo precyzyjne wymaga ciągłego, niezależnego energetycznie monitorowania gleby, umożliwiającego wykrywanie krytycznych stanów, takich jak gwałtowna utrata wilgotności lub wyczerpanie składników odżywczych zbliżające się do progów zagrażających uprawom. Konwencjonalne bezprzewodowe sieci czujników stoją przed fundamentalnym dylematem wyboru między wieloletnią żywotnością baterii a opóźnieniem reakcji poniżej sekundy, ponieważ cykliczne odpytywanie marnuje energię na zapytania w stanie bezczynności, podczas gdy komunikacja w trybie ciągłym pozostaje niewykonalna w przypadku zasilanych bateryjnie instalacji polowych obejmujących setki akrów. W niniejszej pracy przedstawiono nowatorską integrację wnioskowania brzegowego opartego na technologii TinyML z zaprojektowanym na zamówienie, ultraenergooszczędnym odbiornikiem typu „wake-up” (WuRX) wykonanym w technologii CMOS 40 nm, umożliwiającą sterowane zdarzeniami, asynchroniczne monitorowanie stanu gleby bez konieczności polegania na okresowych harmonogramach odpytywania. Proponowana trójwarstwowa architektura typu „edge-fog-cloud” wykorzystuje węzły czujnikowe mierzące wilgotność, temperaturę, pH, zawartość azotu, fosforu i potasu, a także kwantyzowane sieci neuronowe, które zostały wytrenowane i zweryfikowane na 64 800 oznaczonych próbkach zebranych z wyposażonych w czujniki pól kukurydzy i soi w ciągu 180 dni, osiągając dokładność klasyfikacji na poziomie 91,3% i wskaźnik F1 wynoszący 93,0% przy koszcie energetycznym wnioskowania wynoszącym 0,87 mJ na cykl. Symulacje na poziomie obwodów układu CMOS WuRX w technologii 40 nm potwierdzają stratę odbicia na wejściu wynoszącą -15,8 dB, wzmocnienie transmisji wynoszące +18,2 dB oraz sprawność dodanej mocy wynoszącą 45,3% przy czułości -60 dBm, przy czym ciągły pobór mocy w trybie czuwania wynosi 45–53 µW. Analiza bilansu energetycznego na poziomie systemu potwierdza żywotność baterii wynoszącą 200–300 dni przy zastosowaniu ogniw litowych o pojemności 240 mAh, uzupełnionych o monokrystaliczny panel słoneczny o powierzchni 5 cm². Do głównych ograniczeń należą: ograniczenie walidacji terenowej do dwóch rodzajów upraw oraz zależność od odpowiedniego natężenia promieniowania słonecznego w celu zapewnienia pracy neutralnej energetycznie. Proponowana architektura zmniejsza obciążenie komunikacyjne o 80–90% w porównaniu z systemami opartymi na progach, zapewniając praktyczne ramy dla skalowalnych wdrożeń rolnictwa precyzyjnego w warunkach ograniczonych zasobów.