ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Γ.Γ.Ν.Γ.: ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΜΙΚΡΟΚΛΙΜΑΤΟΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ

Transcript

1 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Γ.Γ.Ν.Γ.: ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΝΕΩΝ ΑΓΡΟΤΩΝ Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗΣ ΜΙΚΡΟΚΛΙΜΑΤΟΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΑΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΟΜΑΔΑ: Δημήτριος Τσελές, Καθηγητής, Επιστημονικός Υπεύθυνος Δημήτριος Πυρομάλης, Καθηγητής Εφαρμογών Δημήτριος Δημογιαννόπουλος, Επ. Καθηγητής Δημήτριος Κάντζος, Επ. Καθηγητής Αϊτζάν Σαρρή, Συνεργάτης Τ.Ε.Ι. Πειραιά, 2011

2 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Γ.Γ.Ν.Γ.: ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΝΕΩΝ ΑΓΡΟΤΩΝ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 Σύγχρονη γεωργία και εφαρμογές Τάσεις στην γεωργία Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks) Εφαρμογές διεθνώς Επιτήρηση καλλιέργειας για πρώιμη ανίχνευση ασθενειών στα φυτά Επιτήρηση κλιματικών συνθηκών για αποφυγή ζημιάς παγετού σε καλλιέργειες φρούτων Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων για Αειφόρες Πρακτικές Καλλιεργειών Δημιουργία Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων για Εκτίμηση Κατάστασης σε Βοσκότοπο και Φάρμα Οφέλη γεωργίας ακριβείας Ανάλυση έργου και αρχιτεκτονική συστήματος Αρχιτεκτονική συστήματος Οι ασύρματοι κόμβοι Quax C Arg PS USB Gateway ZigBee Wireless Sensor Network (WSN) PC Station GPRS Modem Server Προδιαγραφές ασύρματων κόμβων Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Μηχανικά χαρακτηριστικά Η εφαρμογή QUAX ARG AP Οδηγός χρήσης Πριν την εκτέλεση της εφαρμογής Διάταξη της εφαρμογής Ρύθμιση του φακέλου για την αποθήκευση των αρχείων CSV Σύνδεση με την πύλη ZigBee-USB Ρύθμιση ρυθμού δειγματοληψίας μετρήσεων Εισαγωγή μετρήσεων ph Σύνδεση με Quax Agr Services Επίλυση προβλημάτων Τεχνικός οδηγός Διαδικασία εγκατάστασης Μορφή των πακέτων δεδομένων...32 Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

3 ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ Γ.Γ.Ν.Γ.: ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΥΠΟΣΤΗΡΙΞΗ ΝΕΩΝ ΑΓΡΟΤΩΝ Περιγραφή κώδικα εφαρμογής Η διαδικτυακή πύλη (Portal) Quax agr Οδηγός χρήσης Χάρτης διαδικτυακής πύλης Last measurements (πρόσφατες μετρήσεις) Graphs (γραφήματα) Devices (ασύρματοι κόμβοι αισθητήρων) Parameters (ιστοσελίδα με τις παραμέτρους) Αλλαγή συνθηματικής λέξης Τεχνικός οδηγός Διαδικασία εγκατάστασης Περιγραφή κώδικα Quax Agr Services Διαδικασία εγκατάστασης Περιγραφή κώδικα Αρχεία έργου Βάση δεδομένων Quax Agr DB Διαδικασία εγκατάστασης Σχήμα βάσης δεδομένων (DB Schema) Quax Agr Example Αρχιτεκτονική συστήματος Διαδικασία εγκατάστασης Relay Card Τεχνικά χαρακτηριστικά Οδηγίες χρήσης Συνδεσμολογία φορτίου Παράρτημα απαιτήσεις εφαρμογών Quax Agr app Quax Agr Services Quax Agr Portal Quax Agr DB...79 Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

4 1. Σύγχρονη γεωργία και εφαρμογές 1.1 Τάσεις στη γεωργία Η τάση που επικρατεί στην σύγχρονη γεωργία ονομάζεται γεωργία ακριβείας (Precision Agriculture). Είναι μία σύγχρονη μεθοδολογία, που σχετίζεται με την καλλιέργεια και με διεργασίες, όπως η παροχή δεδομένων και πληροφοριών, η παρατήρηση και εκτίμηση της κατάστασης της καλλιέργειας και ο έλεγχος και διαχείριση των διεργασιών. Η γεωργία ακριβείας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της ποσότητας και ποιότητας των προϊόντων, την μείωση της περιβαλλοντικής επιβάρυνσης και την μείωση των λειτουργικών εξόδων. Η τυπική πορεία υλοποίησης της μεθοδολογίας, που βασίζεται στην γεωργία ακριβείας, έχει ως εξής: 1. Επικέντρωση σε μία συγκεκριμένη καλλιέργεια (είδος, χώρος, κ.λ.π.). 2. Παρατήρηση και συλλογή πληροφοριών σε πραγματικό χρόνο (έδαφος, υπέδαφος, προϊόν, μικροκλίμα). 3. Γενίκευση των παραπάνω παρατηρήσεων σε όλα τα μέρη του καλλιεργούμενου εδάφους (μοντέλα λειτουργίας). 4. Σχεδιασμός εργαλείου λήψης αποφάσεων (αναγνωρίζει καταστάσεις και προβλήματα και, είτε επιτρέπει τουλάχιστον καλύτερη εποπτεία της κατάστασης για την εφαρμογή της ενδεδειγμένης λύσης, είτε παρέχει ολοκληρωμένες λύσεις). Η βασική τεχνολογία στην οποία βασίζεται η γεωργία ακριβείας είναι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks). Η χρήση ασύρματων αισθητηρίων αποτελεί σημαντικό μέρος της συνολικής προσπάθειας για τη χρήση μοντέρνων μεθόδων ελέγχου και αξιοποίησης πληροφορίας, για την επίτευξη του στόχου της γεωργίας ακριβείας. Είναι ουσιαστικά η μέθοδος, με την οποία λαμβάνουμε μετρήσεις από πολλά σημεία σε έναν χώρο καλλιέργειας. 1.2 Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Networks) Ένα δίκτυο αισθητήρων είναι μία συλλογή ασύρματων κόμβων, οι οποίοι λειτουργούν συλλογικά για την αξιόπιστη μετάδοση της πληροφορίας από την πηγή στον προορισμό. Κάθε κόμβος αποτελείται τυπικά από μία υπολογιστική μονάδα (π.χ. μικροελεγκτής), την διεπαφή με το μέσο μετάδοσης (υποσύστημα RF), την μονάδα τροφοδοσίας (π.χ. μπαταρία), τα αισθητήρια (sensors) και τους ενεργοποιητές (actuators) (Σχήμα 1.1: τυπικός ασύρματος κόμβος). Σχήμα 1.1: τυπικός ασύρματος κόμβος Το πλέον σύγχρονο πρωτόκολλο ασύρματης δικτύωσης για δίκτυα αισθητήρων και ελέγχου είναι το ZigBee. Το ZigBee αποτελεί μία ειδική υλοποίηση του ΙΕΕΕ , που Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

5 προδιαγράφει δίκτυα WPAN (Wireless Personal Area Networks). Το πρωτόκολλο έχει σχεδιαστεί, υλοποιηθεί και υποστηρίζεται από έναν οργανισμό, τον ZigBee Alliance, αποτελούμενο από 200 περίπου εταιρίες/κατασκευαστές, οι οποίες έχουν αναλάβει την εξέλιξη του πρωτοκόλλου, όπως επίσης και την προώθησή του. Το ZigBee διαφέρει από τα υπόλοιπα ασύρματα δίκτυα στο γεγονός ότι έχει υλοποιηθεί για να συμπληρώσει το κενό στην δικτύωση συστημάτων, που απαιτούσαν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, χαμηλό ρυθμό μετάδοσης και χαμηλό ρυθμό συνδεσιμότητας (χαμηλό ρυθμό πρόσβασης στο μέσο μετάδοσης). Το πρωτόκολλο έχει βασιστεί στις προδιαγραφές του , το οποίο περιγράφει το φυσικό επίπεδο, όπως και το επίπεδο MAC του μοντέλου διασύνδεσης. Το ZigBee απλώς πρόσθεσε το επίπεδο δικτύου (Network Layer NWK) και το επίπεδο εφαρμογής (Application Layer APL). Μερικά από τα χαρακτηριστικά του πρωτοκόλλου είναι τα ακόλουθα: Συχνότητα λειτουργίας 900MHz ~ 2.4GHz Υποστήριξη έως κόμβων Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων έως 250kbps Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας Είναι αξιόπιστο. Το ZigBee χρησιμοποιεί διάφορες μεθόδους για να πετύχει αξιόπιστη μεταφορά των πακέτων: o o o o o o IEEE με O-QPSK και DSSS CSMA-CA 16-bit CRCs Επιβεβαίωση σε κάθε κόμβο του δικτύου Επιβεβαίωση από άκρη-σε-άκρη των πακέτων Υποστήριξη Mesh τοπολογίας για την εύρεση εναλλακτικών τρόπων δρομολόγησης των δεδομένων. Παρέχει αρκετή ασφάλεια: για την ασφάλεια των δεδομένων το ZigBee χρησιμοποιεί προδιαγραφή AES-128 (Advanced Encryption Standard), που περιγράφει μεθόδους κρυπτογράφησης και αποκρυπτογράφησης, που είναι πολύ δύσκολο να παραβιαστούν. Παράλληλα, αποτελεί ένα διεθνώς αναγνωρισμένο πρότυπο και μπορεί να υλοποιηθεί από 8-bit μικροελεγκτές. Ένα δίκτυο ZigBee αποτελείται τυπικά από τρεις διαφορετικούς κόμβους: Τον κόμβο ZigBee Coordinator (αποτελεί τον διαχειριστή του ασύρματου δικτύου κάθε ZigBee δίκτυο περιλαμβάνει οπωσδήποτε έναν τέτοιο κόμβο), τον κόμβο ZigBee Router (χρησιμοποιείται κυρίως για την αύξηση της εμβέλειας του δικτύου) και τον κόμβο ZigBee End Device (αποτελούν τους τελικούς κόμβους του δικτύου και παρέχουν διασύνδεση με τα αισθητήρια και τους ενεργοποιητές). Το ZigBee υποστηρίζει τις ακόλουθες τοπολογιες: Τοπολογία αστέρα Σε αυτήν την τοπολογία το δίκτυο αποτελείται από μία συσκευή ZigBee Coordinator και συσκευές ZigBee Routers ή ZigBee End Devices. Ο Coordinator αναλαμβάνει τον σχηματισμό του δικτύου PAN, δηλαδή τον έλεγχο για ύπαρξη ήδη PANs στην περιοχή και την λήψη του PANID, που αποτελεί μοναδικό στοιχείο ταυτοποίησης του συγκεκριμένου δικτύου ανάμεσα σε άλλα. Αυτή η τοπολογία απεικονίζεται στο Σχήμα 1.2: Τοπολογία αστέρα) και, όπως μπορούμε να δούμε, όλες οι υπόλοιπες συσκευές είναι συνδεδεμένες στον Coordinator και, συνεπώς, όλα τα δεδομένα διέρχονται από αυτήν την συσκευή. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

6 Σχήμα 1.2: Τοπολογία αστέρα Τοπολογία δέντρου Στην περίπτωση αυτή, το ZigBee δίκτυο σχηματίζεται από έναν Coordinator και οι συσκευές ZigBee Routers αποτελούν τους κόμβους του δικτύου για την αναμετάδοση των πακέτων δεδομένων από τις End Devices συσκευές. Η εμβέλεια του δικτύου μπορεί να μεγαλώσει με σύνδεση και άλλων Routers. Σχήμα 1.3: Τοπολογία δέντρου Τοπολογία Mesh Η τοπολογία Mesh, παρέχει πιο αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων, με την χρήση εναλλακτικών τρόπων δρομολόγησης. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

7 Σχήμα 1.4: Τοπολογία Mesh 1.3 Εφαρμογές διεθνώς Στην ενότητα αυτή περιγράφονται μερικές εφαρμογές των ασύρματων δικτύων αισθητήρων σε διεθνές επίπεδο. Οι βασικοί στόχοι αυτών των εφαρμογών είναι: 1. Η επιτήρηση της καλλιέργειας για πρώιμη ανίχνευση ασθενειών στα φυτά. 2. Η επιτήρηση των κλιματικών συνθηκών για αποφυγή ζημιάς παγετού σε καλλιέργειες φρούτων. 3. Η ανάπτυξη αειφόρων πρακτικών καλλιέργειας. 4. Η εκτίμηση της κατάστασης σε βοσκοτόπια και φάρμες. Τα κριτήρια επιλογής των εφαρμογών που παρουσιάζονται παρακάτω είναι: 1. Είδη καλλιέργειας (συμβατότητα με ελληνικά προϊόντα). 2. Χώρα εφαρμογής (δύσκολα περιβάλλοντα, τεχνολογική πρόοδος και γνώση). 3. Προστασία από έκτακτες καταστάσεις. 4. Πρωτοπορία και καινοτομία Επιτήρηση καλλιέργειας για πρώιμη ανίχνευση ασθενειών στα φυτά Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται εφαρμογές-εργασίες, που είχαν σαν στόχο την έγκαιρη ανίχνευση ασθενειών στα φυτά. 1. Επιτήρηση καλλιέργειας για πρώιμη ανίχνευση ασθενειών [LOFAR 2005] Ο σκοπός αυτής της εφαρμογής ήταν η έγκαιρη προειδοποίηση για την πιθανότητα ανάπτυξης της ασθένειας από τον μύκητα Phytophora στις πατάτες. Η μέθοδος εφαρμόστηκε στην Ολλανδία και στην καλλιέργεια της πατάτας. Η αρχιτεκτονική του συστήματος ασύρματων αισθητήρων της μεθόδου δίνεται στο ακόλουθο σχήμα. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

8 Σχήμα 1.5: Αρχιτεκτονική συστήματος και μορφή ενός ασύρματου κόμβου Τα μετρήσιμα μεγέθη από τους ασύρματους κόμβους αισθητήρων είναι: Υγρασία Θερμοκρασία Ατμοσφαιρική πίεση Φωτεινότητα Επίπεδο υδροφόρου ορίζοντα Διεύθυνση και δύναμη ανέμου Τα χαρακτηριστικά του δικτύου είναι: Πλήθος κόμβων: 150 Πρωτόκολλο επικοινωνίας: T-MAC 2.4GHz Radio Ρυθμός λήψης δεδομένων: 1min Ρυθμός αποστολής δεδομένων: 10 min Τροφοδοσία κόμβων: Μπαταρία και Φ/Β πάνελ Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εφαρμογή είναι: 1. Συλλογή Δεδομένων για τις τρεις κρίσιμες παραμέτρους, που ευνοούν την ανάπτυξη του Μύκητα Philophora (Υγρασία, Θερμοκρασία, Ύπαρξη Νερού στα φυλλώματα του φυτού 2. Έγκαιρη Προειδοποίηση για την Λήψη Μέτρων (ψεκασμός) Τα αποτελέσματα συμπεράσματα της εφαρμογής είναι: Έγκαιρη Προειδοποίηση για Λήψη Μέτρων Επιλεκτικός Ψεκασμός Οικονομία (λειτουργικά κόστη) Λιγότερη Περιβαλλοντική Επιβάρυνση Διασφάλιση Ποσότητας και Ποιότητας Παραγωγής Επιτήρηση κλιματικών συνθηκών για αποφυγή ζημιάς παγετού σε καλλιέργειες φρούτων Σε αυτήν την ενότητα παρουσιάζονται εφαρμογές-εργασίες, που είχαν σαν στόχο την έγκαιρη ανίχνευση κλιματικών συνθηκών παγετού στα φρούτα. 1. Ασύρματα Δίκτυα Αισθητηρίων για Συστήματα Αγροτικών Καλλιεργειών Εντός Περιοχής και Εντός Φάρμας [Pierce & Elliot 2008] Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

9 Ο σκοπός της εφαρμογής ήταν η ορθολογική χρήση θέρμανσης, άρδευσης και μίξης αέρα ή συνδυασμός τους για την αποφυγή ζημιάς παγετού σε αμπέλια ή καλλιέργειες φρούτων. Η εφαρμογή υλοποιήθηκε στις Η.Π.Α. στην καλλιέργεια σταφυλιών. Η τοπολογία του δικτύου που χρησιμοποιήθηκε στην συγκεκριμένη εφαρμογή φαίνεται στο Σχήμα 1.6: (a) Τυπική τοπολογία (M: Master, S:Slave, R: Repeater) για τοπικό (εντός φάρμας) ασύρματο δίκτυο αισθητηρίων και (b) κατανεμημένο σε απομακρυσμένα μέρη με σύνδεση μέσω διαδικτύου. Στην τυπική τοπολογία, ένας master αναλαμβάνει την διαχείριση του δικτύου και σε αυτόν συνδέονται οι συσκευές slaves και οι repeaters. Αυτή η τοπολογία χρησιμοποιήθηκε σε τοπικό επίπεδο, όπως π.χ. στις φάρμες. Μια άλλη τοπολογία, που χρησιμοποιεί η εφαρμογή, είναι ένα κατανεμημένο σύστημα με κύριο διαχειριστή έναν server, στον οποίο συνδέονται δίκτυα αισθητήρων που ακολουθούν την τυπική τοπολογία. Σχήμα 1.6: (a) Τυπική τοπολογία (M: Master, S:Slave, R: Repeater) για τοπικό (εντός φάρμας) ασύρματο δίκτυο αισθητηρίων και (b) κατανεμημένο σε απομακρυσμένα μέρη με σύνδεση μέσω διαδικτύου Τα μετρήσιμα μεγέθη από τους ασύρματους κόμβους αισθητήρων είναι: Θερμοκρασία, Ταχύτητα, Υγρασία και Διεύθυνση Αέρα Υγρασία Εδάφους και Επιφάνειας Φύλλων Ατμοσφαιρική Πίεση Τα χαρακτηριστικά του δικτύου είναι: Πλήθος Κόμβων: 300 Πρωτόκολλο Επικοινωνίας: 900MHz, FSHH radio, TCP/IP επικοινωνία με Server. Ρυθμός Λήψης Δεδομένων: 1min Ρυθμός Αποστολής Δεδομένων: 15min Τροφοδοσία Κόμβων: Μπαταρία και Φ/Β Πάνελ Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εφαρμογή είναι: 1. Σχηματισμός των προφίλ θερμοκρασίας, υγρασίας και των υπολοίπων μεταβλητών, σε κάθε τοποθεσία της φάρμας ή της περιοχής σε όλο το 24ώρο. 2. Συσχέτιση των παραπάνω μεταβλητών για διαπίστωση πιθανότητας παγετού, ξηρασίας, συσσώρευσης θερμότητας κ.λ.π. 3. Ενεργοποίηση μεθόδων αντιστάθμισης (θέρμανση, άρδευση, μίξη αέρα), μόνο όταν και όπου απαιτείται. Τα αποτελέσματα συμπεράσματα της εφαρμογής είναι: Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

10 Αυτόματη συλλογή δεδομένων από ασύρματο δίκτυο αισθητηρίων, άρα οικονομία (Καύσιμα, Υπερωρίες, Φθορές Εξοπλισμού) Παράδειγμα προφίλ θερμοκρασίας (Σχήμα 1.7: Παράδειγμα προφίλ θερμοκρασίας σε νύκτα παγετού: μίξη αέρα μόνον 6 φορές αντί για συνεχή λειτουργία όλη τη νύκτα, δηλαδή οικονομία (ρεύμα)) Σχήμα 1.7: Παράδειγμα προφίλ θερμοκρασίας Κύκλοι χρήσης μίξης αέρα 2. Εφαρμογή Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων σε Αμπελώνα [Beckwith et al 2004] Ο σκοπός της εφαρμογής ήταν η απεικόνιση στον χρόνο της κατανομής «Συσσώρευση Θερμότητας και Ψύχους» σε αμπελώνες με διάφορες ποικιλίες. Η εφαρμογή υλοποιήθηκε στις Η.Π.Α. στην καλλιέργεια των σταφυλιών. Οι ασύρματοι αισθητήρες ήταν τοποθετημένοι σε προστατευτικούς σωλήνες PVC για την μέτρηση της θερμοκρασίας (Σχήμα 1.8: Ασύρματος αισθητήρας προστατευμένος σε σωλήνα PVC για μέτρηση θερμοκρασίας σε περιοχή αμπελώνων). Σχήμα 1.8: Ασύρματος αισθητήρας προστατευμένος σε σωλήνα PVC για μέτρηση θερμοκρασίας σε περιοχή αμπελώνων Το μετρήσιμο μέγεθος από τους ασύρματους κόμβους αισθητήρων είναι η θερμοκρασία αέρα, ενώ τα χαρακτηριστικά του δικτύου είναι: Πλήθος Κόμβων: 65 Πρωτόκολλο Επικοινωνίας: 3V (Berkeley Mote), 916MHz radio Ρυθμός Λήψης Δεδομένων: Πραγματικός Χρόνος Ρυθμός Αποστολής Δεδομένων: 5min Τροφοδοσία Κόμβων: Μπαταρίες Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

11 Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εφαρμογή είναι: 1. Κατανομή «Συσσώρευση Θερμότητας» σε δεδομένη περίοδο (άθροισμα των ημερών με θερμοκρασία>10 ο C στην περίοδο) 2. Προφίλ «Δριμύτητα Ψύχους» (Cold-Hardiness) ανά περίοδο Τα αποτελέσματα συμπεράσματα της εφαρμογής είναι: Χάρτες «Συσσώρευσης Θερμότητας» και «Δριμύτητας Ψύχους» ανά περιοχή, χωρίς μεσολάβηση ανθρώπινου παράγοντα, άρα οικονομία (ανθρωποώρες, εξοπλισμός). Συσσώρευση θερμότητας( ) Κατανομή δριμύτητας ψύχους σε παγετό Σχήμα 1.9: Αποτελέσματα της μεθοδολογίας Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων για Αειφόρες Πρακτικές Καλλιεργειών 1. Εφαρμογή Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων για Αειφόρες Καλλιέργειες Σε Αναπτυσσόμενες Χώρες [Panchard 2008] Ο σκοπός της μεθόδου είναι η χρήση δεδομένων από ασύρματο δίκτυο και ο σχεδιασμός εργαλείου λήψης αποφάσεων για αειφόρες πρακτικές καλλιεργειών. Η μέθοδος εφαρμόστηκε στην Ινδία, στην καλλιέργεια φιστικιών και δημητριακών. Η δομή του ασύρματου δικτύου, (Σχήμα 1.10: Δομή ασύρματου δικτύου), περιλαμβάνει διάφορα στάδια επεξεργασίας δεδομένων με το εργαλείο αποφάσεων CSN (Common Sense Network) Σχήμα 1.10: Δομή ασύρματου δικτύου Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

12 Τα μετρήσιμα μεγέθη από τους ασύρματους κόμβους αισθητήρων είναι: Υγρασία Εδάφους Ημερήσια Βροχόπτωση Θερμοκρασία, Ταχύτητα, Υγρασία και Διεύθυνση Αέρα Ημερήσια Ηλιοφάνεια Βαρομετρική Πίεση Τα χαρακτηριστικά του δικτύου είναι: Πλήθος Κόμβων: 7 ~ 25 Πρωτόκολλο Επικοινωνίας: Berkeley Mote Ρυθμός Αποστολής Δεδομένων: 1min ~ 1ημέρα Τροφοδοσία Κόμβων: Μπαταρίες & Φ/Β Πάνελ Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εφαρμογή είναι: 1. Χρήση δεδομένων για επιβεβαίωση μοντέλων σοδειάς, που προβλέπουν την υγρασία εδάφους 2. Χρήση δεδομένων για διατήρηση υδροφόρου ορίζοντα και ορθολογική χρήση του νερού κατά το πότισμα 3. Διαπίστωση συσχέτισης δεδομένων με συνθήκες που επικρατούν κατά το ξέσπασμα ασθενειών, ώστε να γίνει δυνατή η έγκαιρη πρόβλεψή τους Στο ακόλουθο σχήμα δίνεται ένα διάγραμμα με τις απαραίτητες περιβαλλοντικές παραμέτρους για την δημιουργία ενός μοντέλου καλλιέργειας, καθώς και την κατηγοριοποίηση αυτών ανά είδος καλλιέργειας. Σχήμα 1.11: Περιβαλλοντικές παράμετροι καλλιέργειας Τα αποτελέσματα συμπεράσματα της εφαρμογής είναι: Χάρτες - Καλλιεργητές: o Βελτίωση στην Παραγωγή μέσω της αυτοματοποίησης Συλλογής Δεδομένων, άρα οικονομία (ανθρωποώρες, εξοπλισμός). Επιστήμονες (Γεωπόνοι, ): o Καθορισμός σημαντικότητας κάθε εποπτευόμενης παραμέτρου στον καθορισμό αειφόρου πρακτικής καλλιεργειών. o Καθορισμός περιορισμών λόγω κλιματικών παραμέτρων ανά καλλιεργούμενο προϊόν o Βελτιωμένη ικανότητα παροχής συμβουλών και υπηρεσιών στους καλλιεργητές Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

13 2. Εφαρμογή Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων για Έξυπνες Στρατηγικές Άρδευσης στην Καλλιέργεια Πατάτας [Shinghal 2010] Ο σκοπός της μεθόδου ήταν η χρήση δεδομένων από ασύρματο δίκτυο αισθητήρων για τον καθορισμό στρατηγικής ποτίσματος και βελτίωση ποιότητας καλλιέργειας πατάτας. Η μέθοδος εφαρμόστηκε στην Ινδία, στην καλλιέργεια της πατάτας. Η αρχιτεκτονική του συστήματος δίνεται στο Σχήμα 1.12:. Σχήμα 1.12: Δομή ασύρματου δικτύου αισθητηρίων και απεικόνιση δομής εξοπλισμού για έλεγχο διοχέτευσης λιπάσματος και νερού σε χωράφι με καλλιέργεια πατάτας Τα μετρήσιμα μεγέθη από τους ασύρματους κόμβους αισθητήρων είναι: Υγρασία Εδάφους Ροή Νερού Άρδευσης Θερμοκρασία, Ταχύτητα, Υγρασία και Διεύθυνση Αέρα Συγκεντρώσεις Στοιχείων στο έδαφος Βαρομετρική Πίεση Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εφαρμογή είναι: 1. Χρήση δεδομένων για υπολογισμό δείκτη κατακράτησης νερού (Soil Water Tension) εδάφους και διαθέσιμης ροής νερού στο σύστημα άρδευσης 2. Καθορισμός βιβλιογραφικών στοιχείων ανάπτυξης φυτού στο εξεταζόμενο έδαφος (χρόνος ανάπτυξης, βάθος ρίζας, μέγιστη ανάγκη σε νερό) 3. Απόφαση για πότε και πόσο νερό να διοχετευτεί Τα αποτελέσματα συμπεράσματα της εφαρμογής είναι: Βελτίωση Ποιότητας Πατάτας Βελτιωμένη αποτελεσματικότητα άρδευσης κατά 10%, άρα οικονομία νερού και ρεύματος. 3. Δημιουργία Σειρών Έξυπνων Αισθητηρίων για Προγραμματισμό Άρδευσης [Velidis et al 2008] Ο σκοπός της εφαρμογής ήταν η δημιουργία έξυπνων κόμβων αισθητηρίων και εγκατάσταση για καθορισμό στρατηγικής ποτίσματος βάμβακος. Η εφαρμογή υλοποιήθηκε στις Η.Π.Α. και εφαρμόστηκε στην καλλιέργεια του βαμβακιού. Η αρχιτεκτονική του συστήματος περιλαμβάνει κόμβους με αισθητήρα υγρασίας εδάφους για μετρήσεις σε τρία βάθη και αισθητήρα θερμοκρασίας αέρα-εδάφους. Στο ακόλουθο σχήμα φαίνεται ένας ασύρματος κόμβος με τα αισθητήρια και η χωροθεσία τους στην καλλιεργούμενη έκταση. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

14 Σχήμα 1.13: Ασύρματος κόμβος και η χωροθεσία ασύρματων κόμβων στην καλλιέργεια Τα μετρήσιμα μεγέθη από τους ασύρματους κόμβους αισθητήρων είναι: Υγρασία Εδάφους (βάθη μ) Ροή Νερού Άρδευσης Θερμοκρασία Αέρα κοντά στο Φυτό Θερμοκρασία Εδάφους (βάθος 0.2μ) Τα χαρακτηριστικά του δικτύου είναι: Πλήθος Κόμβων: 10 Πρωτόκολλο Επικοινωνίας: RFID WhereNet, 2.4GHz Ρυθμός Αποστολής Δεδομένων: Μεταβλητός/Ανάγκες Τροφοδοσία Κόμβων: Μπαταρίες Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εφαρμογή είναι: 1. Χρήση δεδομένων για υπολογισμό δείκτη κατακράτησης νερού (Soil Water Tension) εδάφους 2. Συνδυασμός του παραπάνω δείκτη και των δεδομένων θερμοκρασίας εδάφους και αέρα με λογισμικό λήψης αποφάσεων (Irrigation Pro) για καθορισμό στρατηγικής ποτίσματος. 3. Χωρισμός της καλλιεργούμενη έκτασης σε τεμάχια, που εφαρμόζεται κοινή στρατηγική ποτίσματος. Στο επόμενο σχήμα φαίνονται δύο γραφήματα, που απεικονίζουν την θερμοκρασία εδάφους-αέρα (αριστερά) και δείκτη κατακράτησης νερού (δεξιά) ανά τεμάχιο και περίοδο καλλιέργειας. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

15 Σχήμα 1.14: Θερμοκρασία και δείκτης κατακράτησης νερού Τα αποτελέσματα συμπεράσματα της εφαρμογής είναι: Δυνατότητα απεικόνισης προφίλ θερμοκρασίας (αέρα- εδάφους) και κατακράτησης νερού ανά τεμάχιο-περιοχή. Βελτιωμένη αποτελεσματικότητα άρδευσης, καθορισμός διαφορετικών στρατηγικών ανά τεμάχιο καλλιέργειας, άρα οικονομία νερού και ρεύματος Δημιουργία Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων για Εκτίμηση Κατάστασης σε Βοσκότοπο και Φάρμα 1. Επιτήρηση Βοσκοτόπου με Δίκτυο Αυτοτροφοδοτούμενων Ασυρμάτων Αισθητήρων [Wark et al 2007] Η συγκεκριμένη εφαρμογή υλοποιήθηκε στην Αυστραλία, σε βοσκότοπο με αγελάδες. Σκοπός της μεθόδου ήταν η διασφάλιση της ποιότητας της χλωρίδας του βοσκοτόπου με: Την οικονομικότερη χρήση λιπάσματος και νερού Την ελάχιστη φυσική παρουσία του καλλιεργητή Στο ακόλουθο σχήμα δίνεται μία μορφή του ασύρματου κόμβου αισθητήρα και μία εικόνα του προφίλ υγρασίας εδάφους ολόκληρης της έκτασης. Το σχήμα παρουσιάζει ένα παράδειγμα ασύρματου αισθητήρα θέσης-κίνησης και ένα προφίλ συγκέντρωσηςβόσκησης των ζώων στον βοσκότοπο. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

16 Σχήμα 1.15: Ασύρματος κόμβος και προφίλ υγρασίας εδάφους Σχήμα 1.16: Ασύρματος κόμβος θέσης και προφίλ συγκέντρωσης ζώων Τα μετρήσιμα μεγέθη από τους ασύρματους κόμβους αισθητήρων είναι: Υγρασία Εδάφους Ύπαρξη Χλωρίδας (μέσω εικόνας) Κίνηση και Θέση Ζώων Τα χαρακτηριστικά του δικτύου είναι: Πλήθος Κόμβων: 10 (Αγελάδες) Πρωτόκολλο Επικοινωνίας: Μίξη Διαφορετικών Πρωτοκόλλων Τροφοδοσία Κόμβων: Μπαταρίες & Φ/Β Πάνελ Η μεθοδολογία που χρησιμοποιήθηκε σε αυτήν την εφαρμογή είναι: 4. Δίκτυο ασυρμάτων αισθητήρων τροφοδοτούμενων από ηλιακή ενέργεια. 5. Ομοιόμορφη τοποθέτηση κόμβων στην έκταση 6. Λήψη μετρήσεων υγρασίας εδάφους. 7. Ένα προφίλ υγρασίας εδάφους ολόκληρης της έκτασης του βοσκότοπου στέλνεται στον χρήστη ανά τακτά χρονικά διαστήματα. 8. Τοποθέτηση καμερών για την παρακολούθηση του ύψους και της κατάστασης της βλάστησης. 9. Τοποθέτηση καμερών σε περιλαίμια ζώων, μαζί με αισθητήρες θέσης και κίνησης για την μελέτη της συμπεριφοράς βόσκησης των ζώων. Τα αποτελέσματα συμπεράσματα της εφαρμογής είναι: Δυνατότητα απεικόνισης της βλάστησης του βοσκότοπου Καταγραφή της συμπεριφοράς βόσκησης των ζώων Δυνατότητα εξαγωγής συμπερασμάτων για την διαχείριση του κοπαδιού και του βοσκότοπου Οικονομία σε Εργατοώρες Καλύτερη Διαχείριση της Παραγωγής και των Επενδύσεων Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

17 1.4 Οφέλη γεωργίας ακριβείας Όπως είδαμε από τις εφαρμογές που έχουν υλοποιηθεί σε διεθνές επίπεδο, τα οφέλη της μεθόδου γεωργίας ακριβείας είναι πολλά: 1. Εξοικονόμηση Φυσικών Πόρων (νερό, ενέργεια,..) 2. Μείωση Εργατικού Κόστους 3. Έγκαιρη Προειδοποίηση Έκτακτων Καταστάσεων (παγετός, ασθένειες, ελλείψεις,..) 4. Δυνατότητα Δημιουργίας Αυτομάτων Συστημάτων Λήψης Αποφάσεων 5. Αύξηση της Ποσότητας και Ποιότητας της Παραγωγής (ελεγχόμενη παραγωγή,..) 6. Μικρότερη Περιβαλλοντική Επιβάρυνση (λιγότερο λίπασμα, λιγότερα φάρμακα,..) 2. Ανάλυση έργου και αρχιτεκτονική συστήματος Το σύστημα ασύρματων αισθητήρων για την παρακολούθηση περιβαλλοντικών παραμέτρων για αγροτικές εφαρμογές στηρίζεται στην αναπτυξιακή πλατφόρμας συλλογής δεδομένων από έξυπνους ασύρματους αισθητήρες. Η πλατφόρμα αυτή περιλαμβάνει υλικό και λογισμικό, που αναπτύχθηκαν κατόπιν πολυετούς έρευνας. Το σύστημα βασίζεται στην εγκατάσταση έξυπνων ασύρματων συλλεκτών, οι οποίοι είναι ενεργειακά αυτόνομοι και συλλέγουν μετρήσεις μέσω ειδικών αισθητήρων. Οι μετρήσεις αυτές υφίστανται επεξεργασία πρωτογενώς από τους ίδιους τους αισθητήρες, οι οποίοι αποστέλλουν ασύρματα τα δεδομένα προς μία βάση (gateway). Η βάση αυτή μεταβιβάζει τα δεδομένα σε έναν υπολογιστή. Στον υπολογιστή είναι συνδεδεμένο ένα GPRS modem για σύνδεση στο διαδίκτυο. Μέσω των κατάλληλα ανεπτυγμένων web services συνδέεται, μέσω διαδικτύου, με το κέντρο λήψης πληροφοριών, που είναι στην πράξη ένας εξυπηρετητής (server), στον οποίο αποθηκεύονται τα δεδομένα σε μια βάση δεδομένων, ώστε να είναι διαθέσιμα μέσω ιστοτόπου (portal) σε οποιοδήποτε άλλον ηλεκτρονικό υπολογιστή ή εφαρμογή. Παρακάτω παρουσιάζονται η γενική αρχιτεκτονική του συστήματος, τα διάφορα σενάρια χρήσης (use cases), οδηγίες για την εγκατάσταση των απαραίτητων προγραμμάτων και τον προγραμματισμό των ασύρματων κόμβων, καθώς και οι προδιαγραφές αυτών. 2.1 Αρχιτεκτονική συστήματος Το σύστημα αποτελείται από υλικό (hardware) και λογισμικό (software). Τα διάφορα υλικά μέρη του συστήματος είναι τα εξής: 1. Συλλέκτες (Quax C Agr Collectors). Ασύρματοι κόμβοι συλλογής, επεξεργασίας και αποστολής δεδομένων από τους αισθητήρες. 2. Βάση (PS USB Gateway). Ηλεκτρονική συσκευή που δημιουργεί και ελέγχει το δίκτυο ασύρματης επικοινωνίας (τύπου ZigBee) των Quax. Επίσης, συλλέγει τα δεδομένα των αισθητήρων και τα προωθεί μέσω θύρας USB σε έναν υπολογιστή, στην περίπτωσή μας τύπου tablet. 3. Υπολογιστής (PC Station). Ο υπολογιστής συλλέγει τα δεδομένα από τους αισθητήρες και τα αποστέλλει, μέσω του GPRS modem, σε έναν εξυπηρετητή. Στον υπολογιστή είναι εγκατεστημένη μια εφαρμογή (Quax Agr App) για τον έλεγχο, διαχείριση και παραμετροποίηση του δικτύου των ασύρματων κόμβων. 4. GPRS Modem. To GPRS modem είναι συνδεδεμένο με το κέντρο λήψης πληροφοριών και αποστέλλει τα δεδομένα, μέσω των κατάλληλων web services, στον server. 5. Κέντρο Λήψης Πληροφοριών. Το κέντρο λήψης πληροφοριών βασίζεται σε έναν εξυπηρετητή (server), όπου υπάρχει μια βάση δεδομένων (Quax Agr DB), για να αποθηκεύονται οι πληροφορίες που έρχονται από τον υπολογιστή. Στον server Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

18 τρέχουν τα web services (Quax Agr Service) για την επικοινωνία υπολογιστή-βάσης δεδομένων του server, καθώς και το portal (Quax Agr Portal) για την παρακολούθηση των δεδομένων που αποθηκεύονται στη βάση δεδομένων. Η αρχιτεκτονική του συστήματος και του λογισμικού φαίνονται στα παρακάτω σχήματα. Σχήμα 2.1: Αρχιτεκτονική συστήματος Σχήμα 2.2: Αρχιτεκτονική λογισμικού Οι ασύρματοι κόμβοι Quax C Agr Οι ασύρματοι κόμβοι (Quax C Agr Collectors) είναι ηλεκτρονικές συσκευές, τα βασικά χαρακτηριστικά των οποίων είναι: Υπολογιστική Ισχύς. Τα Quax διαθέτουν έναν 16bit RISC επεξεργαστή με μία σειρά διεπαφών, όπως ψηφιακές, σειριακές και αναλογικές θύρες. Ο επεξεργαστής αυτός είναι ικανός να εκτελέσει αρκετά πολύπλοκές επεξεργασίες των μετρούμενων τιμών, ώστε να υπάρχει η δυνατότητα εξαγωγής ασφαλών συμπερασμάτων. Μνήμη. Υπάρχει αρκετή διαθέσιμη μνήμη για την καταχώρηση μεγάλου αριθμού μετρήσεων. Χαμηλή κατανάλωση. Τα Quax είναι αυτόνομα και στην συγκεκριμένη εφαρμογή τροφοδοτούνται από επαναφορτιζόμενη μπαταρία, η οποία φορτίζεται με την βοήθεια φωτοβολταϊκού πάνελ. Για τον λόγο αυτό ο επεξεργαστής και όλες οι περιφερειακές συσκευές είναι ιδιαίτερα χαμηλής κατανάλωσης, με δυνατότητα λειτουργίας σε περισσότερες της μίας καταστάσεις. Επίσης, κόμβος διαθέτει ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα, που επιτρέπει στον επεξεργαστή να διακόπτει ξεχωριστά την τροφοδοσία σε κάθε περιφερειακή συσκευή (βλέπε παρακάτω σχήμα). Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται η ελάχιστη δυνατή κατανάλωση ισχύος. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

19 Σχήμα 2.3: Κατανομή ηλεκτρικής ενέργειας στον κόμβο Ασύρματη επικοινωνία. Η επικοινωνία των Quax με το PS USB gateway είναι ασύρματη και βασίζεται στο πρότυπο ΙΕΕΕ και πιο συγκεκριμένα στο πρωτόκολλο επικοινωνίας ZigBee. Απευθείας διασυνδέσεις. Το κάθε Quax μπορεί, επίσης, να συνδεθεί απευθείας μέσω USB με ηλεκτρονικό υπολογιστή για την απευθείας παραμετροποίησή του και τον έλεγχο της λειτουργίας του. Διεπαφές. Το κάθε Quax διαθέτει ενδεικτικές λυχνίες τύπου LED για την κατάσταση του δικτύου και της συσκευής και, επίσης, πλήκτρο για την επανεκκίνηση του επεξεργαστή. Σχήμα 2.4: Quax module Η σχεδίαση του ηλεκτρονικού κυκλώματος, η κατασκευή του τυπωμένου και η επιλογή των ηλεκτρονικών εξαρτημάτων έγιναν με πολύ υψηλές προδιαγραφές για ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα και σταθερή λειτουργία σε ακραία περιβαλλοντικά φαινόμενα. Εκτός από το υψηλής ποιότητας υλικό, το Quax διαθέτει και ένα ευφυές λογισμικό. Φυσικά, ο χρήστης μπορεί να επιλέξει οποιοδήποτε λειτουργικό σύστημα για ενσωματωμένα συστήματα επιθυμεί (πραγματικού χρόνου ή μη). Τέτοια συστήματα, που υποστηρίζονται απευθείας από τον επεξεργαστή των Quax, είναι το TinyOS και το MicroC/OS. Όμως, επειδή η μακρά μελέτη τέτοιων συστημάτων ανέδειξε πολλές αδυναμίες των διαφόρων λειτουργικών, χρησιμοποιήθηκε το λειτουργικό σύστημα ISOS, το οποίο είναι ένα λειτουργικό προσαρμοσμένο ακριβώς στις ανάγκες των έξυπνων αισθητήρων. Το λειτουργικό σύστημα ISOS (Intelligent Sensor Operating System) εξασφαλίζει την σωστή μετάδοση της πληροφορίας, την γρήγορη επεξεργασία των μετρήσεων και την εξοικονόμηση ενέργειας. Το λειτουργικό, μεταξύ άλλων, περιλαμβάνει: Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ

20 Task scheduler για την εκτέλεση διεργασιών και αλλαγή της κατάστασης λειτουργίας του επεξεργαστή στον ανενεργό χρόνο. Interrupt Handler, με την προσθήκη και λογισμικών interrupts, για την καλύτερη δομή της κάθε εφαρμογής. Επικοινωνία: Ειδικές ρουτίνες επικοινωνίας εξασφαλίζουν την σωστή μετάδοση των πακέτων. Συγχρονισμός μεταξύ των συσκευών. Frequency Agility, ώστε να λυθούν τυχόν θέματα παρεμβολών από άλλα ασύρματα δίκτυα. Εξομοίωση μετρήσεων για τον έλεγχο σωστής λειτουργίας. Συγχρονισμός των ρολογιών. Σχήμα 2.5: Intelligent Sensors Operating System (ISOS) Όλο το λειτουργικό είναι ανεπτυγμένο σε γλώσσα προγραμματισμού C και οι βιβλιοθήκες είναι ανοικτές, ώστε ο χρήστης να μπορεί να αναπτύξει την εφαρμογή του σε μικρό χρονικό διάστημα και με μικρή εξοικείωση με το συγκεκριμένο σύστημα. To Quax διαθέτει, από πλευράς εισόδων-εξόδων και διεπαφών, τα εξής: 16 Digital I/O 6 Inputs Analog to Digital Converter Outputs Digital to Analog Converter 1 UART Port 1 SCI/I 2 C Port PWM Outputs Για την συγκεκριμένη εφαρμογή, συνδέονται σε κάθε Quax ένας αισθητήρας θερμοκρασίας/υγρασίας και ένας αισθητήρας φωτεινότητας. Επίσης, έχει προβλεφθεί και υπάρχει η δυνατότητα ο αισθητήρας υδροπονίας να συνδεθεί σε οποιοδήποτε από τα Quax. Ο αισθητήρας φωτεινότητας είναι συνδεδεμένος στην I 2 C θύρα, ενώ ο αισθητήρας θερμοκρασίας/υγρασίας σε δύο (2) ψηφιακές I/Os. Ο αισθητήρας υγρασίας/ θερμοκρασίας μπορεί και μετράει ποσοστά υγρασίας από 0%RH έως 100%RH με 0,03%RH ανάλυση. Επίσης μετράει θερμοκρασία από -40 έως C με ανάλυση 0,01 0 C PS USB Gateway Το PS USB Gateway αποτελεί μία βάση για την συλλογή των δεδομένων από τα Quax και την αποστολή αυτών προς τον υπολογιστή. Τ.Ε.Ι. ΠΕΙΡΑΙΑ