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
•
Logisztikai alkalmazás
• • • •
Épületeken belüli lokális adatgyűjtés (alapadatok, vezérlés, állapot) Település szintű adatgyűjtés Forgalomirányítás Egészségügy
• • •
Szántóföldi alkalmazás Kertészeti alkalmazás Munkaeszköz management
• •
RFID tag-ek alkalmazása Járműkövetés
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
•
Előnyök:
GPS jel alkalmazása az irányításra
• • • •
•
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
•
Előnyök:
GPS jel alkalmazása az irányításra
• • • •
•
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 Sematikus ábra mikrokontroller – Integrált RTC, EEPROM – Szabványosított foglalatok a szenzorok és kiegészítők közvetlen fogadására
Program megírása
• 2. generáció – – – –
ATmega 2560 mikrokontroller SMD alkatrészek Integrált hálózati vezérlő Integrált vezetéknélküli hálózati vezérlő
• 3. generáció – ARM alapú, SAM3X8E mikrokontroller
Nyomtatott áramkör
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, I2C, 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!
