IoT alapú mezőgazdasági adatgyűjtő prototípus fejlesztési tapasztalatok 2016.05.19. Szilágyi Róbert Tóth Mihály Debreceni Egyetem
Az IoT Eszközök és más fizikai objektumok elektronikával, vezérléssel, szoftverrel és szenzorral való ellátása, mely hálózati kapcsolattal segíti az eszközök közötti kommunikáció megvalósítását. Felhasználási területek: Precíziós mezőgazdasági felhasználás Szántóföldi alkalmazás Kertészeti alkalmazás Munkaeszköz management Logisztikai alkalmazás RFID tag-ek alkalmazása Járműkövetés Épületeken belüli lokális adatgyűjtés (alapadatok, vezérlés, állapot) Település szintű adatgyűjtés Forgalomirányítás Egészségügy
IoT a mezőgazdaságban Precíziós szántóföldi gazdálkodás Munkaeszközök Távérzékelés drónok segítségével Üvegház automatizálás Távoli vezérlés Állattenyésztés Élelmiszerek nyomonkövetése Lokális időjárás monitoring
Célkitűzés Különböző hely és időspecifikus adatok gyűjtése és feldolgozása Az Atmel AVR mikrokontrollerek mélyebb megismerése az alkalmazásuk által Különböző szenzorok és kiegészítők megismerése, alkalmazása és a velük való kísérletek elvégzése Egyéni platform készítése Mérésekkel kapcsolatos kísérletek Következtetések levonása, fejlesztési tervek készítése
Előzetes fejlesztések Szántóföldi hasznosítású scout robot modellezése, prototípus készítés. Hely és időspecifikus adatgyűjtés GPS jel alkalmazása az irányításra Előnyök: Rugalmas helyi mérések Kevesebb azonos célú szenzorok alkalmazása Nem igényel helyi kiépítést Kompakt, mobil eszköz Hátrányok: Nehezen megközelíthető területeken történő mérés GPS vétel hiánya (fedett területek) Helyspecifikus adatok összehasonlítása
Előzetes fejlesztések Szántóföldi hasznosítású scout robot modellezése, prototípus készítés. Hely és időspecifikus adatgyűjtés GPS jel alkalmazása az irányításra Előnyök: Rugalmas helyi mérések Kevesebb azonos célú szenzorok alkalmazása Nem igényel helyi kiépítést Kompakt, mobil eszköz Hátrányok: Nehezen megközelíthető területeken történő mérés GPS vétel hiánya (fedett területek) Helyspecifikus adatok összehasonlítása
A vezérlés és a szenzorok Vezérlés: Mikrokontroller Mikroprocesszor Célprocesszor Szenzor: A környezet meghatározott tényezőinek számszerűsítését végző eszközök. 12 fő kategória. Kiegészítők: A rendszerhez csatlakoztatott eszközök, melyek segítik a helyes működést és a felhasználóval történő interakció kialakítását.
A hardver terve 1. generáció: Egyszerű felépítés, egyoldalú nyomtatott áramkör Atmel ATmega 328p mikrokontroller Integrált RTC, EEPROM Szabványosított foglalatok a szenzorok és kiegészítők közvetlen fogadására 2. generáció ATmega 2560 mikrokontroller SMD alkatrészek Integrált hálózati vezérlő Integrált vezetéknélküli hálózati vezérlő 3. generáció ARM alapú, SAM3X8E mikrokontroller Sematikus ábra Nyomtatott áramkör Program megírása Prototípus készítés Forrás: Saját ábra
A szoftver terve Adatok gyűjtése, konverziója, megfelelő csatornán történő továbbítása. Felhasználó által beállítható küszöbértékek meghaladásakor beavatkozás Figyelmeztetés küldése (kijelzés, hang, távoli figyelmeztetés) Más rendszereknek való jeltovábbítás (adat, logikai érték) Grafikus interfész Forrás: Saját ábra
Kísérletek Atmel AVR és ARM alapú mikrokontrollerek Számos szenzor és kiegészítő használata Szenzorok DHT11 hőmérséklet és páratartalom mérő BMP085 hőmérséklet és légnyomásmérő Ultrahangos távolságmérő Talajnedvesség mérő PIR szenzor, HALL szenzor CO2 szenzor Szélsebesség mérő (HALL szenzorral) Más kiegészítők RFID olvasó Ethernet vezérlő Vezetéknélküli hálózati vezérlők GSM vezérlők Kijelzők (7 szegmenses, 16x2 karakteres, 84x48 pixeles monokróm, 320x480 színes érintőképernyő) RTC, EEPROM Arduino kódról való átállás a mikrokontroller natív nyelvére (gyorsabb végrehajtás, több hardveres funkció alkalmazása) Szoftveres modulok kialakítása különböző buszrendszerek használatához (SPI, I 2 C, OneWire, UART)
Adatgyűjtési kísérletek
Energiafelhasználás Normál mód (folyamatos végrehajtás) Átlagosan 135 ma 750 mah / 135 ma = 5,6 óra Alvó mód a várakozások során Átlagosan 45 ma 750 mah / 45 ma = 17,2 óra Minőségi hardver Átlagosan 23,3 ma 750 mah / 32,1 óra Esetünkben 5uA + 100 ua + 200 ua + 138 ma + 100 ma + 16,3 ma = 254,605 ma Forrás: Adafruit
A rendszer korlátai Aránylag nagy méret Párhuzamos művelet végrehajtás kérdése Adatok tisztítása Energiaellátás Időjárási tényezők Fix program végrehajtása
Felhasználási lehetőségek Szenzorhálózatok kiépítése Adatgyűjtés Több eszköz közötti adatcsere megvalósítása Különböző vezérlési feladatok ellátása Gyűjtött adatok segítségével beavatkozások kiváltása Gyakorlatban: Precíziós gazdálkodás (nyomvonalkövetés) Logisztika és raktározás Üvegház automatizálás Munkagép management Időjárás monitoring, előrejelzés
Fejlesztési lehetőségek Adatgyűjtésre készült célprocesszor készítése FPGA segítségével. Szenzoronként és műveletenként egy műveletvégző szál, ami kiküszöböli a soros művelet végrehajtás problémáit. ARM architektúra alkalmazása az AVR mellett Teljesen moduláris rendszer készítése, mely automatikusan konfigurálja magát a szenzoroktól függően. Bytekód alapú protokoll készítése a külső programokkal történő konfiguráláshoz UART kapcsolaton keresztül. Vezetéknélküli hálózat további alkalmazása. Gyakorlati alkalmazásokra történő specializálás. Adatok elemzése.
KÖSZÖNÖM A MEGTISZTELŐ FIGYELMET!