Developing AAO-based capacitive sensors for continuous and real-time water potential measurement in soft stems

Abstract

Monitoring water potential in agriculture is essential for efficient irrigation management and conservation efforts. In this study, we propose a novel approach for continuous and convenient water potential measurement, specifically designed for analyzing water stress in plant soft stems. Our system incorporates a wireless communication method, making it easily applicable in the agricultural field. By providing real-time water potential data, our system empowers farmers with valuable feedback to optimize irrigation plans, reduce water waste, and promote sustainable farming practices. Our water potential sensor in the system operates on the capacitive sensing principle, analyzing relative humidity within an anodic aluminum oxide (AAO) layer. An analog-to-digital converter, coupled with a wireless communication module, effectively records capacitance data from the sensing system. By utilizing calibration data derived from mixtures of superabsorbent polymer (SP) and deionized water (DIW), our sensor can accurately represent corresponding water potential values. Notably, our method exhibits exceptional coherence between capacitance and water potential values, especially above -7 MPa, aligning perfectly with results obtained from tomato stems. Over the course of several days, we conducted measurements by connecting sap flow and water potential sensors in series on a tomato stem. When there was sufficient sunlight, we observed an increase in sap flow and a decrease in water potential. Conversely, during nighttime, sap flow decreased, and water potential showed an increase. During periods of restricted irrigation, both sap flow and water potential signals experienced a decline, leading to the activation of emergency watering signals. These observations demonstrate the dynamic relationship between sap flow and water potential, as well as the importance of real-time monitoring to make informed decisions about irrigation management and water conservation practices. Our continuous water potential monitoring system plays a crucial role in quantitatively monitoring plant stem water stress, providing valuable insights for farmers to make informed decisions about adjusting irrigation schedules. By leveraging this innovative approach, farmers can optimize water usage and enhance the overall quality of agricultural products. Moreover, the system holds great promise in promoting more sustainable agriculture practices by conserving water resources and reducing water wastage. With its potential to revolutionize irrigation practices, this technology represents a significant step towards more efficient and environmentally-friendly agricultural operations.

농업 분야에서 수분 포텐셜 모니터링은 급수 일정 관리 및 급액량을 결정하는데 도움을 주는 중요한 데이터이다. 본 연구에서는 더 나은 관개 계획 피드백을 위해 연질 식물 줄기에 삽입이 가능한 형태의 지속적인 수분 포텐셜 측정 시스템의 개발 과정을 설명한다. 본 연구에서는 MEMS 공정 기술과 PCB 가공 기술을 이용해 양극 산화 알루미늄(AAO) 층 내부의 습도를 측정하는 정전용량 측정 방식의 수분 포텐셜 센서를 제작하였다. 무선 통신 모듈 시스템이 내장되어 있는 아날로그-디지털 변환기는 무선 통신을 이용하여 수분 포텐셜 센서의 정전용량 데이터를 측정하고 서버에 이 내용을 기록할 수 있다. 이러한 플랫폼은 향후 본 시스템이 전기설비 접근성 및 통신에 제약이 있는 농가에서 활용이 용이할 것으로 기대된다. 센서의 칼리브레이션을 위해 고흡수성수지(SP)와 증류수(DIW) 각종 비율로 혼합하였고 각 혼합비가 가지는 수분 포텐셜 값을 도출하여 각 표준 환경에서 수분 포텐셜 센서를 칼리브레이션 진행하였고 모든 센서들이 유사한 신호 분포도를 보여주었다. 특히 센서가 잘 동작하는 구간은 -7 MPa 이상의 구간으로서 토마토 줄기에서 측정을 시도 하였을 때 해당 구간 안에서 시그널이 나오는 것을 확인 하였다. 수 일 동안 토마토 줄기에 수분 포텐셜 센서와 수액 흐름 센서와 함께 직렬로 연결하여 데이터 측정을 진행하였다. 햇빛이 충분할 때, 수액의 흐름은 증가하지만, 반면에 줄기 내 수분 포텐셜은 감소하는 양상을 보였다. 반대로 밤에는 수액 흐름이 없으면서 내부 수분 포텐셜이 증가하는 양상을 보여주었다. 급수가 제한된 조건에서는 수액 흐름과 수분 잠재 신호가 모두 감소할 때 식물체가 수분스트레스를 받은 것을 확인하였고, 비상급수를 통해 식물이 정상상태로 돌아오는 양상을 확인하였다. 이러한 지속적인 수분 포텐셜 모니터링 시스템은 식물 줄기의 수분 스트레스를 정량적으로 모니터링하고 급수 일정을 설정하여 농업 분야에서 고품질의 과실을 수확 할 수 있는데 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.