Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 1

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 1 ΕΡΓΟ ΑΡΙΣΤΕΙΑ 2632 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 2.3 Πρωτότυπο συστήματος παρακολούθησης των φυτών σε πραγματικό χρόνο 1. Εισαγωγή Το παραδοτέο αυτό χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο γίνεται μία αναλυτική παρουσίαση της λειτουργικότητας των ασύρματων κόμβων και του λογισμικού που υποστηρίζει το σύστημα του ασύρματου δικτύου αισθητήρων για τη μέτρηση των παραμέτρων της καλλιέργειας και του μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Παρουσιάζονται οι δυνατότητες ανάλυσης και επεξεργασίας των δεδομένων μέσω του συστήματος, για τη μετέπειτα χρήση τους στη δημιουργία δεικτών αποτελεσματικότητας της καλλιέργειας, με στόχο τη χρήση τους στον βέλτιστο έλεγχο του θερμοκηπιακού περιβάλλοντος. Στο δεύτερο μέρος του παραδοτέου, γίνεται μία ανάλυση της αποδοτικότητας του ασύρματου δικτύου αισθητήρων, μέσω πειραμάτων τόσο ως προς διάφορες τοπολογίες δικτύου στις θερμοκηπιακές εγκαταστάσεις του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας και του ΕΚΕΤΑ στο Βελεστίνο, όσο και σε πραγματικές συνθήκες υδροπονικής καλλιέργειας τομάτας στο θερμοκήπιο. Εξετάζονται οι παράγοντες εκείνοι που επηρεάζουν τη λειτουργικότητα του συστήματος, τόσο ως προς την απόδοση επικοινωνίας όσο και ως προς την κατανάλωση ενέργειας, και εξάγονται συμπεράσματα για τις συνθήκες βέλτιστης λειτουργίας του ασύρματου δικτύου αισθητήρων στις συνθήκες μιας θερμοκηπιακής καλλιέργειας. 2. Περιγραφή και λειτουργία ολοκληρωμένου συστήματος μετρήσεων Για την καταγραφή και αποτύπωση των μετρήσεων δημιουργήθηκε ένα σύστημα που χωρίζεται σε δύο μέρη: σε αυτό που εκτελείται στους ασύρματους κόμβους του δικτύου και σε αυτό που εκτελείται στον κόμβο του σταθμού βάσης (basestation). Επιπρόσθετα, στον ηλεκτρονικό υπολογιστή του σταθμού βάσης εκτελείται και η εφαρμογή που αναπτύχθηκε για την αποθήκευση των δεδομένων στη βάση δεδομένων και την παροχή του ανάλογου γραφικού περιβάλλοντος για

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 2 την εμφάνισή τους μέσω πινάκων, γραφημάτων κτλ. Η εφαρμογή των ασύρματων κόμβων υλοποιήθηκε σε γλώσσα NesC και κάνει χρήση των οδηγών που υποστηρίζουν τη λειτουργία των αισθητήρων, χρονομέτρων και ασυρμάτου. Κατά την εκκίνησή της, ξεκινάει το κεντρικό χρονόμετρο, το οποίο είναι ρυθμισμένο ώστε κάθε 2.5 λεπτά να εκτελεί μια σειρά ενεργειών. Πιο συγκεκριμένα, κάθε 2.5 λεπτά (150.000ms), δίνεται η εντολή να ληφθούν μετρήσεις θερμοκρασίας και υγρασίας και να αποθηκευτούν σε έναν πίνακα. Κάθε τέσσερις σειρές μετρήσεων, δηλαδή κάθε 10 λεπτά, ενεργοποιείται η διεργασία υπολογισμού των μέσων όρων θερμοκρασίας και υγρασίας, ενώ παράλληλα λαμβάνεται και η τιμή που αφορά την ισχύ της μπαταρίας στον επεξεργαστή. Στη συνέχεια δημιουργείται το πακέτο των τιμών σύμφωνα με τον τρόπο που περιγράφονται σε αντίστοιχο αρχείο κεφαλίδας (header), ενεργοποιείται η διεπαφή του ασυρμάτου και ξεκινάει η αποστολή του μηνύματος. Το κάθε μήνυμα περιλαμβάνει επίσης και την ταυτότητα του κάθε κόμβου και αποστέλλεται κάθε 10 λεπτά. Κατά τα ενδιάμεσα χρονικά διαστήματα, η ασύρματη επικοινωνία απενεργοποιείται, για εξοικονόμηση ενέργειας της μπαταρίας, άρα και μεγαλύτερο χρόνο ζωής του δικτύου. Ο κόμβος του σταθμού βάσης διαθέτει και αυτός τη δική του εφαρμογή, όπως προαναφέρθηκε. Η εφαρμογή κατά την εκκίνησή της προκαλεί την εκκίνηση του ασυρμάτου, θέτοντας τον κόμβο σε συνεχή κατάσταση ασύρματης λήψης. Ο κόμβος βάσης έχει και αυτός στην εφαρμογή του το ίδιο αρχείο κεφαλίδας με τους υπόλοιπους ασύρματους κόμβους του δικτύου, και έτσι μπορεί να αναγνωρίσει μόνο μηνύματα με τη συγκεκριμένη δομή. Όταν ο κόμβος λάβει κάποιο μήνυμα που να ταιριάζει με αυτό που αναμένει, κάνει την αναγνώριση των επιμέρους τιμών που περιέχονται στο μήνυμα και αφορούν τις διάφορες μεταβλητές, ενώ παράλληλα μετράει και την ισχύ με την οποία λήφθηκε το μήνυμα, μέσω του δείκτη RSSI (received signal strength indicator), την τοποθετεί και αυτή σε μια μεταβλητή και όλες μαζί τις προωθεί μέσω της σειριακής θύρας. Την επικοινωνία με τη σειριακή θύρα αναλαμβάνει ένα πρόγραμμα γραμμένο στη γλώσσα προγραμματισμού Python. Ο κώδικας αυτός αναλαμβάνει να παραλάβει το μήνυμα από τη σειριακή, να το τεμαχίσει ανάλογα και να συνδεθεί με τον διακομιστή της βάσης δεδομένων για να αποθηκεύσει τις τιμές, μέσω ανάλογου ερωτήματος (query). Για να την επίτευξη αυτής της λειτουργικότητας χρησιμοποιήθηκε η Python 2.7.6, με τα επιπλέον module MySQL-Python 1.2.5 και Pyserial-2.7, έτσι ώστε να μπορεί να επεκταθεί η λειτουργικότητα του αρχικού πακέτου για να

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 3 μπορεί να επικοινωνήσει με τον διακομιστή MySQL και τη σειριακή θύρα του υπολογιστή, αντίστοιχα. Οι τιμές αποθηκεύονται στη βάση δεδομένων, ενώ μια δυναμική δικτυακή εφαρμογή αναλαμβάνει την παρουσίασή τους στον τελικό χρήστη με κατανοητό τρόπο, μέσα από ένα ελκυστικό και εύχρηστο περιβάλλον. Αυτή η δυναμική εφαρμογή ιστού είναι βασισμένη στις ανοιχτού κώδικα τεχνολογίες Php 1, MySql 2 και Ajax 3. Ο λόγος επιλογής αυτής της προσέγγισης είναι, πέρα από τη διαλειτουργικότητα και τη δυνατότητα μεταφοράς της στις περισσότερες δημοφιλείς πλατφόρμες, η ευκολία χρήσης της τόσο ως κανονικής (desktop) εφαρμογής όσο και η μεταφορά της στον ιστό για ευκολότερη απομακρυσμένη πρόσβαση. Πιο συγκεκριμένα, η πρωτότυπη εφαρμογή υποστηρίζεται από την ανοιχτού κώδικα εφαρμογή XAMPP, η οποία δίνει τη δυνατότητα λειτουργίας Apache server και MySQL σε περιβάλλοντα Windows, Linux και Mac OS. Στην αρχική σελίδα της εφαρμογής, ο χρήστης καλείται να εισάγει τα στοιχεία του για να συνδεθεί, ενώ υπάρχει και η δυνατότητα εγγραφής νέου χρήστη (Εικόνα 1). Εικόνα 1. Οι φόρμες σύνδεσης και δημιουργίας νέου χρήστη. 1 php.net 2 www.mysql.com 3 en.wikipedia.org/wiki/ajax_(programming)

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 4 Μετά την επιτυχημένη σύνδεση του χρήστη, μπορεί πλέον να γίνει η είσοδος στο περιβάλλον της εφαρμογής, όπου στην αρχική σελίδα παρουσιάζονται κάποιες γενικές πληροφορίες. Στο επάνω μέρος υπάρχει ο κατάλογος επιλογών της εφαρμογής (Εικόνα 2), ο οποίος αποτελείται από τις επιλογές: Home, αρχική σελίδα Monitor, σελίδα παρακολούθησης των μετρήσεων των αισθητήρων User Profile, σελίδα προβολής και επεξεργασίας των στοιχείων του χρήστη Greenhouse Manager, σελίδα προβολής και επεξεργασίας στοιχείων τεχνικών χαρακτηριστικών του θερμοκηπίου Logout, αποσύνδεση χρήστη από το σύστημα Εικόνα 2. Το μενού επιλογών της διαδικτυακής εφαρμογής Το σημαντικότερο κομμάτι, το οποίο αφορά την παρακολούθηση των συνθηκών του θερμοκηπίου, βρίσκεται στο μενού Monitor, το οποίο χωρίζεται σε δύο επιλογές: Live και Data Tables. Στην επιλογή Live βρίσκονται μια σειρά από γραφικές αναπαραστάσεις όλων των απαραίτητων πληροφοριών. Στην κορυφή της σελίδας παρουσιάζεται η κάτοψη του θερμοκηπίου και οι θέσεις των αισθητήρων με βάση τα στοιχεία που έχει εισάγει ο χρήστης (Εικόνα 3). Ακριβώς από κάτω βρίσκεται μια σειρά από γραφήματα τύπου gauge που προσφέρονται μέσω του ανοιχτού κώδικα API της Google, Google Charts (Εικόνα 4). Στις γραφικές αυτές αναπαραστάσεις, φορτώνονται με δυναμικό τρόπο οι μετρήσεις θερμοκρασίας αέρα, θερμοκρασίας φύλλου και σχετικής υγρασίας όλων των αισθητήρων. Πιο κάτω στην ιστοσελίδα, εμφανίζονται γραφικές παραστάσεις οι οποίες απεικονίζουν την πορεία των μεγεθών που καταγράφονται και αποτελούνται από κόμβους, καθένας

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 5 από τους οποίους εμφανίζει (με την έλευση του δείκτη του ποντικιού από πάνω του) τη χρονική στιγμή και την αντίστοιχη μέτρηση (Εικόνα 5). Εικόνα 3. Η τοπολογία του δικτύου που δημιουργείται σύμφωνα με τις πληροφορίες που αντλεί από τη ΒΔ. Εικόνα 4. Μετρήσεις τύπου gauge αναπαριστούν τα επίπεδα θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 6 Εικόνα 5. Γραφήματα απεικόνισης θερμοκρασίας αέρα, θερμοκρασίας επιφάνειας φύλλου και σχετικής υγρασίας του τελευταίου 12ώρου. Υπάρχει επίσης η δυνατότητα εμφάνισης των μετρήσεων του τελευταίου 24ώρου για τον κάθε ασύρματο κόμβο και προβολή τους σε ολόκληρη την οθόνη για να είναι πιο ευανάγνωστες (Εικόνα 6). Στο τελευταίο τμήμα της σελίδας βρίσκονται δύο πίνακες με όλους τους κόμβους που περιλαμβάνονται στο σύστημα και μια επισκόπηση του θερμοκηπίου και της καλλιέργειας (Εικόνα 7).

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 7 Εικόνα 6. Εμφάνιση των μετρήσεων του τελευταίου 24ώρου σε πλήρη οθόνη. Εικόνα 7. Πίνακες με τους κόμβους του δικτύου και τα χαρακτηριστικά του θερμοκηπίου

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 8 Η δεύτερη επιλογή του μενού Monitor ( Data Tables ), παρουσιάζει τις μετρούμενες τιμές των κόμβων σε μορφή πίνακα (Εικόνα 8). Υπάρχει η δυνατότητα επιλογής συγκεκριμένου κόμβου, καθώς και του χρονικού διαστήματος των τιμών που θα εμφανίζονται στον πίνακα. Οι υπόλοιπες επιμέρους σελίδες του κεντρικού μενού περιλαμβάνουν φόρμες προβολής/επεξεργασίας των στοιχείων προφίλ του χρήστη και των αντίστοιχων στοιχείων που αφορούν το θερμοκήπιο. Εικόνα 8. Πίνακας εμφάνισης των μετρούμενων τιμών με δυνατότητα επιλογής κόμβου και χρονικού διαστήματος

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 9 3. Δοκιμή και στατιστικά απόδοσης του ασυρμάτου δικτύου αισθητήρων Το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων που αναπτύχθηκε, δοκιμάστηκε σε πραγματικές συνθήκες στο θερμοκήπιο, με στόχο τόσο την αξιολόγηση της λειτουργικότητάς του, όσο και τον προσδιορισμό των παραγόντων εκείνων που επηρεάζουν τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του δικτύου, καθώς και τον εντοπισμό προβλημάτων που προκύπτουν από τη συγκεκριμένη εφαρμογή σε πραγματικές συνθήκες. Τα πειράματα έγιναν στα θερμοκήπια του Εργαστηρίου Γεωργικών Κατασκευών & Ελέγχου Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας (ΠΘ) στο πλαίσιο συνεργασίας του ΕΚΕΤΑ με το ΠΘ, που βρίσκονται στο αγρόκτημα της Σχολής Γεωπονικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας στο Βελεστίνο (συντεταγμένες: 39 ο 44 Β, 22 ο 79 Α, υψόμετρο 85m). Τα τρία θερμοκήπια της εγκατάστασης είναι συμβατικού τύπου, απλά τροποποιημένα τοξωτά, με επιφάνεια 160 m 2 το καθένα (20 m μήκος και 8 m πλάτος), με προσανατολισμό Β-Ν, ύψος κορφιά 4.1 m και ύψος υδρορροής 2.4 m. Οι τελικές μετρήσεις του ασύρματου δικτύου αισθητήρων πραγματοποιήθηκαν κατά τους μήνες Ιούνιο και Ιούλιο 2014. 3.1. Πειραματικές διατάξεις του δικτύου και δεδομένα μετρήσεων Οι περιβαλλοντικές παράμετροι στο εσωτερικό ενός θερμοκηπίου διαφοροποιούνται όχι μόνο χρονικά, αλλά και χωρικά, δημιουργώντας ένα ανομοιογενές μικροκλίμα που επηρεάζει την ομαλή ανάπτυξη των φυτών και ευνοεί την εμφάνιση ασθενειών, οδηγώντας σε μη ομοιόμορφη παραγωγή, τόσο ως προς την ποσότητα, όσο και ως προς την ποιότητα των παραγόμενων προϊόντων. Για παράδειγμα, στην Εικόνα 9 φαίνεται η θερμοκρασιακή κατανομή ενός θερμοκηπίου για 5 διαφορετικά επίπεδα έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (Bojacá et al., 2009): (a) 177 W m -2, (b) 177-381 W m -2, (c) 381-567 W m -2, (d) 567-753 W m -2 και (e) >753 W m -2. Η μέση θερμοκρασιακή διαφορά στην περίπτωση της χαμηλής ηλιακής ακτινοβολίας (a) είναι περίπου 1ºC, ενώ φτάνει τους 2.2ºC όταν η ηλιακή ακτινοβολία αυξάνεται στα 750 W m -2 (e). Η ακριβής γνώση της χωρικής κατανομής των βασικών περιβαλλοντικών παραμέτρων στο εσωτερικό του θερμοκηπίου, όπως η θερμοκρασία και η σχετική υγρασία, είναι πολύ χρήσιμη στην υλοποίηση μιας προσέγγισης γεωργίας ακριβείας στον έλεγχο του περιβάλλοντος. Μια τέτοια προσέγγιση μπορεί να οδηγήσει:

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 10 1. στην εξοικονόμηση ενέργειας μέσω της εφαρμογής ενεργειών ακριβείας στον έλεγχο του περιβάλλοντος, δηλαδή στα σημεία μόνο του θερμοκηπίου που είναι απαραίτητες 2. στην ελαχιστοποίηση της χρήσης φυτοφαρμάκων, μέσω της τοπικής εφαρμογής τους μόνο στα σημεία που κρίνεται απαραίτητη 3. στην ομοιομορφία της παραγόμενης ποσότητας προϊόντων καθώς και της ποιότητας της τελικής παραγωγής, ως άμεσα αποτελέσματα της μείωσης της ανομοιογένειας των περιβαλλοντικών συνθηκών Εικόνα 9. Θερμοκρασιακή κατανομή στο εσωτερικό θερμοκηπίου για διαφορετικές εντάσεις ηλιακής ακτινοβολίας: (a) 177W m -2, (b) 177-381W m -2, (c) 381-567W m -2, (d) 567-753Wm -2, (e) >753W m -2 (Bojacá et al., 2009) Η διάταξη και η αρχιτεκτονική ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων θα πρέπει να έχει ως στόχο την όσο πιο ακριβή αποτύπωση της χωρικής κατανομής και ανομοιογένειας των περιβαλλοντικών συνθηκών στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Η πυκνότητα των ασύρματων κόμβων του δικτύου εξαρτάται κυρίως από τη δυνατότητα επιμερισμού των ενεργειών ελέγχου του περιβάλλοντος στο

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 11 προς εξέταση θερμοκήπιο, αφού χωρική ακρίβεια μετρήσεων μεγαλύτερη από την ακρίβεια των μηχανισμών ελέγχου του περιβάλλοντος, δεν έχει κάποια πρακτική χρησιμότητα, παρά μόνο ερευνητική, ως προς τη διερεύνηση και ανάλυση της ανομοιομορφίας του μικροπεριβάλλοντος. Οι πυκνότητες ασύρματων κόμβων που έχουν προταθεί στη σχετική βιβλιογραφία έχουν αρκετά μεγάλη διακύμανση, ενώ δεν υποστηρίζονται από αντίστοιχη πληροφορία ως προς τις λεπτομέρειες της εκάστοτε εφαρμογής και τους μηχανισμούς ελέγχου των θερμοκηπιακών μονάδων στις οποίες εφαρμόζονται τα αντίστοιχα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Επιπρόσθετα, στην πλειοψηφία των ανάλογων εργασιών, δεν υπάρχουν συγκεκριμένα πειραματικά δεδομένα μετρήσεων από τα οποία να προκύπτει η εκάστοτε προτεινόμενη πυκνότητα κόμβων. Οι Balendonck et al. (2014) χρησιμοποίησαν διάφορες πυκνότητες μετρήσεων στην προσπάθειά τους να αποτυπώσουν την ανομοιογένεια της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας σε διάφορες θερμοκηπιακές καλλιέργειες, από έναν κόμβο ανά 170 m 2 έως και έναν κόμβο ανά 80 m 2, ενώ πρότειναν πυκνότητα μετρήσεων ενός κόμβου ανά 100 m 2 για να είναι δυνατή η μέτρηση διαφορών 0.5 βαθμού. Οι Bojacá et al. (2009) χρησιμοποίησαν πυκνότητα ενός κόμβου ανά 400 m 2. Ο Castillo (2007) ανέπτυξε μία εμπειρική εξίσωση για τον υπολογισμό της πυκνότητας κόμβων για θερμοκήπια έκτασης έως 5000 m 2, με μέση πυκνότητα αρκετά πιο υψηλή, περί τον έναν κόμβο ανά 70 m 2, η οποία χρησιμοποιήθηκε από τους Jiménez et al. (2012) σε θερμοκηπιακή καλλιέργεια τομάτας, ενώ οι Chaudhary et al. (2011) πρότειναν τη διπλάσια πυκνότητα (έναν κόμβο ανά 35 m 2 ). Όπως προαναφέρθηκε, οι αναλύσεις αυτές δε φαίνεται να υποστηρίζονται από συγκεκριμένα χαρακτηριστικά των υπό εξέταση θερμοκηπίων και από τις αντίστοιχες δυνατότητες των συστημάτων ελέγχου του περιβάλλοντός τους, δηλαδή δεν έχει εξεταστεί εάν τα εγκατεστημένα συστήματα ελέγχου μπορούν να εκμεταλλευτούν τις προτεινόμενες πυκνότητες μετρήσεων και να λειτουργήσουν με βάση αυτές. Επίσης, οι αναλύσεις αυτές δεν συνοδεύονται από ανάλογες στατιστικές αναλύσεις των χωρικών κατανομών των μετρούμενων τιμών. Τέλος, κάποιες από αυτές αποτελούν πειραματικές διατάξεις για τον προσδιορισμό του μεγέθους της ανομοιογένειας του μικροκλίματος και δεν αποτελούν τελικές προτάσεις για συγκεκριμένη υλοποίηση. Μία πιο εμπεριστατωμένη ανάλυση των Goense et al. (2005) προτείνει πυκνότητα κόμβων μέτρησης ενός κόμβου ανά 100 m 2, αλλά σε εφαρμογές ανοιχτού αγρού. Με δεδομένη τη μεγάλη διακύμανση στις προτεινόμενες πυκνότητες ασύρματων κόμβων, αλλά και το γεγονός ότι η αρχική χρήση του πρωτότυπου δικτύου που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο του

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 12 προγράμματος ήταν η διερεύνηση των ποιοτικών του χαρακτηριστικών ως προς την επικοινωνία των κόμβων σε πραγματικές συνθήκες και την κατανάλωση ενέργειας, επιλέχθηκαν οι δύο ακόλουθες διατάξεις: α) Στην πρώτη διάταξη, τέσσερις ασύρματοι κόμβοι τοποθετήθηκαν σε ένα από τα θερμοκήπια, στο οποίο ήταν εγκατεστημένη υδροπονική καλλιέργεια τομάτας. Οι κόμβοι βρίσκονταν κοντά στις 4 γωνίες του θερμοκηπίου, ενώ ο σταθμός βάσης ήταν μέσα στο γραφείο ελέγχου, σε μία απόσταση 18 μέτρων από το θερμοκήπιο (Εικόνα 10). Ο κάθε κόμβος επικοινωνούσε απευθείας με τον σταθμό βάσης, χωρίς την παρέμβαση κάποιου ενδιάμεσου κόμβου-clusterhead (single-hop δίκτυο). Σκοπός της συγκεκριμένης διάταξης ήταν να καλυφθεί πλήρως η έκταση ενός θερμοκηπίου (εμβαδού 160 m 2 ) και να ερευνηθούν οι ιδιότητες επικοινωνίας και ενεργειακής απόδοσης του ασύρματου δικτύου αισθητήρων σε πραγματικές συνθήκες, αλλά και οι διακυμάνσεις των μετρούμενων μεταβλητών μέσα στον χώρο του θερμοκηπίου. β) Στη δεύτερη διάταξη, τοποθετήθηκε ένας ασύρματος κόμβος στο κέντρο από το καθένα από τα τρία διαθέσιμα θερμοκήπια (Εικόνα 11). Το κάθε θερμοκήπιο είχε διαφορετικού τύπου πλαστικό υλικό κάλυψης και ήταν σε διαφορετική απόσταση από τον σταθμό βάσης, με διάφορα εμπόδια στο ενδιάμεσο, τα οποία θα μπορούσαν να επηρεάσουν την ποιότητα επικοινωνίας του δικτύου. Ο βασικός σκοπός του πειράματος ήταν να εξεταστεί η επίδραση αυτών των συνθηκών πραγματικής λειτουργίας στην απόδοση επικοινωνίας του δικτύου. Εικόνα 10. 1η διάταξη του ασύρματου δικτύου αισθητήρων: 4 κόμβοι σε ένα θερμοκήπιο.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 13 Εικόνα 11. 2η διάταξη του ασύρματου δικτύου αισθητήρων: 1 κόμβος σε κάθε θερμοκήπιο Η Εικόνα 12 δείχνει ένα ενδεικτικό γράφημα με τις μετρήσεις θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας που καταγράφηκαν από τους τέσσερις κόμβους του ασύρματου δικτύου αισθητήρων κατά τη διάρκεια ενός πειράματος διάρκειας 2 ημερών, χρησιμοποιώντας την πρώτη διάταξη του δικτύου, δηλαδή τους 4 κόμβους στο εσωτερικό του θερμοκηπίου 1 (Εικόνα 10). Κατά τη διάρκεια της ημέρας παρατηρούνται διαφορές στις καταγραφόμενες θερμοκρασίες της τάξης του ενός βαθμού, ενώ στη διάρκεια της νύχτας οι τιμές των θερμοκρασιών των τεσσάρων κόμβων φαίνονται να ταυτίζονται. Μάλιστα, παρατηρώντας πιο προσεκτικά το γράφημα, κατά τη διάρκεια των μεταβολών της θερμοκρασίας φαίνεται να υπάρχουν διαφορές κατά την άνοδό της (από νύχτα προς ημέρα) αλλά όχι κατά την πτώση της (από ημέρα προς νύχτα). Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι οι μεταβολές στις μετρούμενες θερμοκρασίες των κόμβων οφείλονται πιθανότητα στην έκθεση των αισθητήρων ή/και των κόμβων στην ηλιακή ακτινοβολία (η οποία υπάρχει στις περιόδους ανόδου της θερμοκρασίας, αλλά όχι στις περιόδους πτώσης της θερμοκρασίας). Το αντίστοιχο φαινόμενο ισχύει και στην περίπτωση των τιμών της σχετικής υγρασίας, με τις μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ των τιμών των τεσσάρων κόμβων (της τάξης του 10%) να παρουσιάζονται κατά τις περιόδους ηλιοφάνειας. Παρόμοιο πρόβλημα παρατήρησαν και οι Balendonck et al. (2014) με τους κόμβους αισθητήρων του δικτύου τους.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 14 Παραπλήσια συμπεριφορά των τιμών των αισθητήρων φαίνεται και στα γραφήματα των Εικόνων 13 και 14, όπου φαίνονται οι τιμές της θερμοκρασίας και υγρασίας, αντίστοιχα, των τεσσάρων κόμβων σε άλλο πείραμα με την ίδια διάταξη αισθητήρων, ενώ φαίνονται επίσης και οι τιμές των κεντρικών αισθητήρων θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας του θερμοκηπίου. Στο πείραμα αυτό οι τιμές των κόμβων 1 και 2 διακόπτονται περίπου στη μέση του πειράματος, λόγω πτώσης της τάσης της μπαταρίας τους, κάτι το οποίο επίσης μπορεί να οφείλεται στην ηλιακή ακτινοβολία, η οποία, κρίνοντας από τις διαφοροποιήσεις στις τιμές των θερμοκρασιών των κόμβων, φαίνεται να ήταν εντονότερη στους κόμβους αυτούς, αφού κατά τη διάρκεια της ημέρας δίνουν υψηλότερες θερμοκρασίες από τους άλλους δύο κόμβους. Γενικά, στο συγκεκριμένο πείραμα, το οποίο ήταν από τα πολύ αρχικά πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, φαίνεται να υπάρχει μία σχετικά σταθερή διαφορά των τιμών θερμοκρασίας των κόμβων από αυτήν του κεντρικού αισθητήρα του θερμοκηπίου, ενώ στις περιόδους έντονης ηλιοφάνειας, η διαφορά μειώνεται. Ειδικά για τους κόμβους 1 και 2, με το πιθανό πρόβλημα έντονης έκθεσης στον ήλιο που προαναφέρθηκε, η διαφορά γίνεται αρνητική. Άρα, οι τιμές του συγκεκριμένου πειράματος δεν μπορούν μεν να θεωρηθούν αξιόπιστες, δίνουν όμως μία ένδειξη των προβλημάτων που μπορεί να προκαλεί η έντονη ηλιακή ακτινοβολία στα σημεία των ασύρματων αισθητήρων στην εύρυθμη λειτουργία τους ως προς την ακρίβεια των μετρούμενων περιβαλλοντικών παραμέτρων. 110 80 100 70 90 60 80 Temperature (C) 70 60 50 40 30 Temp. Node 1 Temp. Node 2 Temp. Node 3 Temp. Node 4 RH Node 1 RH Node 2 RH Node 3 RH Node 4 50 40 30 20 Relative Humidity (%) 20 10 10 0 Time (2-min time steps) Εικόνα 12. Μετρήσεις θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας από 4 διαφορετικούς κόμβους κατά τη διάρκεια πειράματος 2 ημερών με την 1η διάταξη του ασύρματου δικτύου αισθητήρων.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 15 40 35 GH sensor Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Temperature (C) 30 25 20 15 Time (10-min time steps) Εικόνα 13. Μετρήσεις θερμοκρασίας από 4 διαφορετικούς κόμβους και τον κεντρικό αισθητήρα του θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια πειράματος 2.5 ημερών. 100 90 80 GH sensor Node 1 Node 2 Node 3 Node 4 Relative Humidity (%) 70 60 50 40 30 20 Time (10-min time steps) Εικόνα 14. Μετρήσεις σχετικής υγρασίας από 4 διαφορετικούς κόμβους και τον κεντρικό αισθητήρα του θερμοκηπίου κατά τη διάρκεια του πειράματος 2.5 ημερών της Εικόνας 13.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 16 3.2. Αρχικά πειράματα κατανάλωσης ενέργειας ασύρματων κόμβων Ο κάθε ασύρματος κόμβος του δικτύου αισθητήρων, αποτελείται ουσιαστικά από δύο βασικά μέρη: τους αισθητήρες που μετράνε τις διάφορες περιβαλλοντικές παραμέτρους και την πλακέτα διασύνδεσης των αισθητήρων, που συλλέγει τα δεδομένα και εκτελεί συγκεκριμένες ενέργειες επεξεργασίας τους, ενώ στη συνέχεια ο κόμβος αναλαμβάνει την ασύρματη μετάδοσή τους. Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν κάποιες δοκιμές για να διερευνηθεί η κατανάλωση ενέργειας των ξεχωριστών αυτών τμημάτων του κάθε ασύρματου κόμβου του δικτύου, δηλαδή της πλακέτας των αισθητήρων και των ίδιων των αισθητήρων. Στο γράφημα της Εικόνας 15 φαίνεται η τάση της μπαταρίας τριών κόμβων κατά τη διάρκεια τριών ημερών. Στο συγκεκριμένο πείραμα εφαρμόστηκε υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων, ώστε να επιτευχθεί η μεγαλύτερη δυνατή κατανάλωση ενέργειας και να συγκριθούν οι αποδόσεις των τριών κόμβων. Ο Κόμβος 1 ήταν ένας κανονικός κόμβος με συνδεδεμένη τόσο την πλακέτα των αισθητήρων, όσο και όλους τους διαθέσιμους αισθητήρες. Ο Κόμβος 2 είχε συνδεδεμένη μόνο την πλακέτα των αισθητήρων αλλά όχι αισθητήρες, ενώ ο Κόμβος 3 δεν είχε τίποτε συνδεδεμένο, οπότε το μόνο που έκανε ήταν να επικοινωνεί ασύρματα με τον σταθμό βάσης. Όπως διακρίνεται από το διάγραμμα, η πλακέτα των αισθητήρων δε φαίνεται να καταναλώνει μεγάλα ποσά ενέργειας, αφού η τάσεις των Κόμβων 2 και 3 είναι παραπλήσιες, ενώ ο Κόμβος 1 παρουσιάζει πολύ μεγαλύτερη κατανάλωση ενέργειας, κάτι το οποίο προφανώς οφείλεται στους αισθητήρες. Οι κόμβοι λειτουργούσαν με δύο αλκαλικές μπαταρίες χωρητικότητας 2400mAh και το πείραμα διήρκεσε περίπου 45 ώρες, όσο ο Κόμβος 1 κράτησε την τάση του πάνω από το επίπεδο των 2.5V. Παρόλο που η κύρια πλακέτα του κόμβου μπορεί να λειτουργήσει με τάση μέχρι και 2.1V, η πτώση της τάσης κάτω από τα 2.5V θέτει εκτός λειτουργίας τον αισθητήρα θερμοκρασίας επιφάνειας (ZyTemp TN9).

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 17 Εικόνα 15. Η τάση τριών κόμβων με διαφορετικά διασυνδεδεμένα μέρη, κατά τη διάρκεια 3 ημερών. Στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε ένα πείραμα για να διαπιστωθεί η εξοικονόμηση ενέργειας που επιτυγχάνεται στους κόμβους όταν είναι ενεργοποιημένη η λειτουργία χαμηλής ισχύος επικοινωνίας (low power communication), ένα βασικό χαρακτηριστικό των κόμβων TelosB. Και σε αυτή την περίπτωση, εφαρμόστηκε υψηλός ρυθμός μετάδοσης δεδομένων (1 μήνυμα ανά δευτερόλεπτο). Όπως φαίνεται από το διάγραμμα της Εικόνας 16, η ενεργοποίηση της συγκεκριμένης λειτουργίας (Κόμβος S1) είναι πολύ χρήσιμη, αφού επιτυγχάνεται εξοικονόμηση ενέργειας της τάξης του 60% μετά από περίπου 4 ώρες λειτουργίας στις συγκεκριμένες συνθήκες, με αποτέλεσμα να επιμηκύνεται δραστικά ο αναμενόμενος χρόνος ζωής του δικτύου. Εικόνα 16. Η τάση (voltage) δύο κόμβων με ενεργοποιημένη (κόμβος S1) και απενεργοποιημένη (κόμβος S2) τη λειτουργία χαμηλής ισχύος επικοινωνίας.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 18 3.3. Πειράματα απόδοσης επικοινωνίας Μετά τα προκαταρκτικά πειράματα σε μεμονωμένους κόμβους, πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα με το ολοκληρωμένο δίκτυο αισθητήρων, χρησιμοποιώντας την πρώτη διάταξη του δικτύου (Εικόνα 10), με τέσσερις κόμβους στο εσωτερικό ενός θερμοκηπίου, σε αποστάσεις από 20 έως 28 μέτρα από τον σταθμό βάσης. Η Εικόνα 17 δείχνει ένα αντιπροσωπευτικό διάγραμμα με δεδομένα ενός κόμβου, όπου φαίνεται η διακύμανση των τιμών της θερμοκρασίας, της σχετικής υγρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου, καθώς και της θερμοκρασίας επιφάνειας φύλλου, για ένα διάστημα τριών ημερών. Στο ίδιο γράφημα φαίνεται και η πορεία των τιμών RSSI (received signal strength indicator) του κόμβου, που αποτελούν μια ένδειξη της ισχύος σήματος ενός ασύρματου κόμβου. Είναι εμφανές ότι η ισχύς σήματος φαίνεται να επηρεάζεται από τα επίπεδα θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας, κάτι που συμφωνεί με τα ευρήματα προηγούμενων σχετικών μελετών (Thelen et al., 2005; Bannister et al., 2008; Balendonck et al., 2008; Boano et al., 2010). Εξετάστηκαν οι συγκεκριμένες αυτές συσχετίσεις και βρέθηκε ότι υπάρχει μια θετική, γραμμική συσχέτιση μεταξύ RSSI και σχετικής υγρασίας, όπως φαίνεται και στα γραφήματα της Εικόνας 18, με σχετικά χαμηλή τιμή R 2 σε δεδομένα περιόδου 24 ωρών (R 2 =0.47 γράφημα (α)), αλλά με καλύτερη συσχέτιση σε επιλογή μετρήσεων μικρότερου χρονικού διαστήματος (R 2 =0.81 γράφημα (β)). Η γραμμική αυτή συσχέτιση συμφωνεί με αυτή που αναφέρεται από τους Thelen et al. (2005). Αντίστοιχα, γραμμικά αντιστρόφως ανάλογη είναι η συσχέτιση του RSSI με τη θερμοκρασία, αντίστοιχη με αυτή που αναφέρουν οι Bannister et al. (2008). Από τη στιγμή που η θερμοκρασία και η σχετική υγρασία στο εσωτερικό του θερμοκηπίου αποτελούν ισχυρά συνδεδεμένες μεταβλητές, απαιτείται περαιτέρω έρευνα ως προς τον ακριβή προσδιορισμό της επιρροής της κάθε παραμέτρου ξεχωριστά στην ισχύ σήματος των κόμβων του ασύρματου δικτύου.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 19 Εικόνα 17. Αντιπροσωπευτικό γράφημα μετρήσεων ενός ασύρματου κόμβου και των τιμών ισχύος σήματός του (RSSI) (α) (β) Εικόνα 18. Συσχέτιση της ισχύος σήματος (RSSI) με τη σχετική υγρασία του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου με βάση μετρήσεις διάρκειας: (α) 24 ωρών και (β) 12 ωρών.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 20 3.4. Πειράματα κατανάλωσης ενέργειας Η δεύτερη βασική παράμετρος της απόδοσης του ασύρματου δικτύου αισθητήρων που ερευνήθηκε ήταν αυτή της κατανάλωσης ενέργειας των κόμβων του δικτύου. Με τα πειράματα της 1ης διάταξης του δικτύου, εκτός από την ανάλυση της απόδοσης της επικοινωνίας, διερευνήθηκαν και οι συσχετίσεις μεταξύ της τάσης της μπαταρίας των κόμβων και των παραμέτρων της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Και οι δύο αυτές περιβαλλοντικές παράμετροι, είναι γνωστό ότι επηρεάζουν σε σημαντικό βαθμό την απόδοση των μπαταριών. Ειδικά η θερμοκρασία, μπορεί να επιδράσει στις χημικές διεργασίες της μπαταρίας αλλάζοντας την κινητικότητα των ηλεκτρολυτικών υλικών και μειώνοντας την αντίσταση. Η συνεχόμενη έκθεση της μπαταρίας σε υψηλές (άνω των 25 o C) θερμοκρασίες μειώνει τον αριθμό επαναφορτίσεων (στην περίπτωση επαναφορτιζόμενων μπαταριών) και αυξάνει τον ρυθμό αποφόρτισης όταν η μπαταρία είναι σε αδράνεια, αλλά αυξάνει και τη χωρητικότητα. Στις χαμηλές θερμοκρασίες αντίθετα, η εσωτερική αντίσταση μεγαλώνει, με αποτέλεσμα τη μείωση της χωρητικότητας της μπαταρίας, άρα και της δυνατότητάς της να τροφοδοτήσει το εκάστοτε σύστημα για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Το γράφημα της Εικόνας 19 δείχνει τη μέση τιμή των μετρήσεων θερμοκρασίας και σχετικής υγρασίας των τεσσάρων κόμβων, κατά τη διάρκεια ενός πειράματος 2 ημερών με ρυθμό μίας μέτρησης ανά 2 λεπτά, μαζί με τη μέση τάση των μπαταριών των τεσσάρων κόμβων (κίτρινη γραμμή). Παρόλο που, λόγω της κατανάλωσης ενέργειας των κόμβων, η τάση της μπαταρίας αρχίζει να μειώνεται καθώς περνάει ο χρόνος, είναι εμφανές ότι όταν αυξάνεται η θερμοκρασία και μειώνεται η σχετική υγρασία (στο μέσο του γραφήματος), όχι μόνο ο ρυθμός μείωσης της τάσης μειώνεται και φτάνει το μηδέν (σταθερή τάση), αλλά η τάση ακόμα και αυξάνεται για κάποιο διάστημα, πριν ξεκινήσει και πάλι την πτωτική της πορεία. Το ίδιο φαινόμενο παρατηρείται και προς το τέλος του γραφήματος. Επομένως, είναι εμφανές ότι υπάρχει μία ισχυρή συσχέτιση μεταξύ της τάσης της μπαταρίας των κόμβων και των τιμών της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας του αέρα στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Θα πρέπει να σημειωθεί σε αυτό το σημείο, ότι η ιδανική λειτουργία της πλακέτας των κόμβων TelosB γίνεται σε τάση 3V και η συγκεκριμένη πλακέτα φέρει ενσωματωμένο ρυθμιστή τάσης (regulator) για να μπορεί να τροφοδοτεί σταθερά τα διάφορα υποσυστήματα και κυρίως αυτό της ασύρματης επικοινωνίας.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 21 90 80 Avg. Temperature Avg. Relative Humidity Avg. Voltage 3.2 3 Temperature (C) / RH (%) 70 60 50 40 30 20 2.8 2.6 2.4 2.2 Voltage (V) 10 2 Time (2-min time steps) Εικόνα 19. Μέσες τιμές θερμοκρασίας, σχετικής υγρασίας και τάσης μπαταρίας των τεσσάρων κόμβων κατά τη διάρκεια πειράματος 2 ημερών με την 1η διάταξη του δικτύου αισθητήρων. Οι συσχετίσεις που προαναφέρθηκαν φαίνονται στα γραφήματα των Εικόνων 20 και 21. Τα γραφήματα στην Εικόνα 20 δείχνουν τη συσχέτιση μεταξύ της μέσης τάσης μπαταρίας των τεσσάρων κόμβων και των τιμών της θερμοκρασίας στο εσωτερικό θερμοκηπίου (εκφρασμένη ως μέσος όρος των μετρήσεων των τεσσάρων αισθητήρων), για δύο διαφορετικές περιόδους του πειράματος που αποτυπώνεται στην Εικόνα 19. Στις δύο αυτές περιόδους, τα επίπεδα μπαταρίας των κόμβων είναι διαφορετικά. Και στις δύο περιπτώσεις, η τάση της μπαταρίας είναι γραμμικά ανάλογη της θερμοκρασίας, με υψηλές τιμές R 2 (0.97 και 0.96). Οι τιμές της θερμοκρασίας στις συγκεκριμένες αναλύσεις συσχέτισης κυμαίνονται μεταξύ 20 o C και 35 o C. Τα αποτελέσματα συμφωνούν με αυτά των Ruiz-Garcia et al. (2008). Αντίστοιχα, στα γραφήματα της Εικόνας 21 φαίνεται ότι η τάση της μπαταρίας είναι γραμμικά αντιστρόφως ανάλογη της σχετικής υγρασίας, με ανάλογα υψηλές τιμές R 2 (0.94 και 0.96). Η συσχέτιση αφορά ένα εύρος σχετικής υγρασίας μεταξύ περίπου 50% και 75%. Όπως και στην περίπτωση της επίδρασης των παραμέτρων αυτών στο RSSI που αναφέρθηκε νωρίτερα, έτσι και στην περίπτωση της επίδρασης στην κατανάλωση ενέργειας που εξετάζεται εδώ,

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 22 η ακριβής επίδραση της κάθε παραμέτρου (θερμοκρασίας και υγρασίας) ξεχωριστά, πρέπει να ερευνηθεί πιο αναλυτικά, αφού λόγω της ισχυρής σύνδεσης των δύο αυτών παραμέτρων μεταξύ τους, δε μπορεί να γίνει εύκολα σαφές το μέτρο επίδρασης της κάθε μίας στην κατανάλωση ενέργειας των κόμβων του ασύρματου δικτύου αισθητήρων. Ωστόσο, σύμφωνα με τη μελέτη των Boano et al. (2010), η άνοδος της θερμοκρασίας φαίνεται να αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας των ασύρματων κόμβων, τουλάχιστον αυτήν που αφορά την ασύρματη επικοινωνία, αποτέλεσμα το οποίο έρχεται σε αντίθεση με τη συσχέτιση που παρουσιάζεται εδώ (Εικόνες 19 και 20). Επομένως, κατά πάσα πιθανότητα, ο σημαντικότερος περιβαλλοντικός παράγοντας που επηρεάζει την κατανάλωση ενέργειας στις συνθήκες του θερμοκηπίου, είναι αυτός της σχετικής υγρασίας (Εικόνα 21), κάτι που είναι ούτως ή άλλως δεδομένο και από τα τεχνικά χαρακτηριστικά των μπαταριών. Επίσης, πιθανότατα η επίδραση των παραμέτρων αυτών να είναι πολύ σημαντικότερη σε ακραίες τιμές τους, εκτός των ορίων κανονικής λειτουργίας των ασύρματων κόμβων. 2.7 2.65 f(x) = 0.0044175313x + 2.3617795908 R² = 0.9676051911 Voltage (V) 2.6 2.55 2.5 f(x) = 0.0036436835x + 2.5436454998 R² = 0.9629073384 2.45 Period 1 Linear (Period 1) 2.4 Period 2 Linear (Period 2) 21 23 25 27 29 31 33 35 Temperature (C) Εικόνα 20. Συσχέτιση της τάσης της μπαταρίας με τη θερμοκρασία του αέρα, για δύο διαφορετικές περιόδους μετρήσεων.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 23 2.7 2.65 Voltage (V) 2.6 2.55 2.5 f(x) = - 0.0017921501x + 2.5899023658 R² = 0.9427046807 f(x) = - 0.0018419699x + 2.7588970423 R² = 0.9629816811 2.45 Period 1 Linear (Period 1) 2.4 Period 2 Linear (Period 2) 45 50 55 60 65 70 75 80 Relative Humidity (%) Εικόνα 21. Συσχέτιση της τάσης της μπαταρίας με τη σχετική υγρασία του αέρα, για δύο διαφορετικές περιόδους μετρήσεων. Τα γραφήματα των Εικόνων 22 και 23 δείχνουν αντίστοιχες συσχετίσεις της τάσης της μπαταρίας με τη θερμοκρασία και τη σχετική υγρασία για κάθε ένα από τα δύο τμήματα του θερμοκηπίου, ως προς τη διάσταση του μήκους του. Όπως φαίνεται και στην Εικόνα 10, οι κόμβοι 1 και 2 ήταν τοποθετημένοι στο ένα άκρο του θερμοκηπίου, ενώ οι κόμβοι 3 και 4 στο άλλο άκρο. Ο διαχωρισμός αυτός στη συγκεκριμένη ανάλυση πραγματοποιήθηκε επειδή παρατηρήθηκαν ελαφρώς διαφορετικοί ρυθμοί κατανάλωσης ενέργειας μεταξύ των αισθητήρων του κάθε τμήματος του θερμοκηπίου. Τα γραφήματα της Εικόνας 22 δείχνουν τη συσχέτιση της τάσης της μπαταρίας με τη θερμοκρασία, ενώ αυτά της Εικόνας 23 με τη σχετική υγρασία, για κάθε τμήμα του θερμοκηπίου ξεχωριστά. Και στις δύο περιπτώσεις, οι συσχετίσεις είναι παραπλήσιες και για τα δύο τμήματα του θερμοκηπίου, παρόλη τη μικρή διαφορά στις καταναλώσεις ενέργειας των δύο ομάδων κόμβων. Οι συσχετίσεις αυτές είναι επίσης αντίστοιχες αυτών που προσδιορίστηκαν για το μέσο όρο όλων των κόμβων για δύο διαφορετικές περιόδους του πειράματος (Εικόνες 20 και 21), με αντίστοιχα υψηλές τιμές R 2 (0.89 0.96).

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 24 Voltage (V) 2.7 2.69 2.68 2.67 2.66 2.65 2.64 2.63 f(x) = 0.0034504624x + 2.5317563616 R² = 0.9103340909 f(x) = 0.003753722x + 2.5579734911 R² = 0.9521275434 2.62 Nodes 1 & 2 Linear (Nodes 1 & 2) 2.61 Nodes 3 & 4 Linear (Nodes 3 & 4) 2.6 20 22 24 26 28 30 32 34 36 Temperature (C) Εικόνα 22. Συσχέτιση της τάσης της μπαταρίας με τη θερμοκρασία του αέρα, για δύο διαφορετικά τμήματα του θερμοκηπίου. 2.7 Voltage (V) 2.69 2.68 2.67 2.66 2.65 2.64 f(x) = - 0.0016970554x + 2.7341942631 R² = 0.8920695159 2.63 f(x) = - 0.0019315301x + 2.7801586212 2.62 R² = 0.9623804056 2.61 Nodes 1 & 2 Linear (Nodes 1 & 2) 2.6 Nodes 3 & 4 Linear (Nodes 3 & 4) 45 50 55 60 65 70 75 Relative Humidity (%) Εικόνα 23. Συσχέτιση της τάσης της μπαταρίας με τη σχετική υγρασία του αέρα, για δύο διαφορετικά τμήματα του θερμοκηπίου.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 25 3.5. Πειράματα επίδρασης λοιπών παραγόντων στην ποιότητα της επικοινωνίας Τέλος, εξετάστηκαν οι επιδράσεις των πραγματικών συνθηκών της θερμοκηπιακής εγκατάστασης στην απόδοση επικοινωνίας του ασύρματου δικτύου αισθητήρων. Οι απαιτούμενες μετρήσεις έγιναν με τη 2η διάταξη του δικτύου αισθητήρων (Εικόνα 11), όπου ένας ασύρματος κόμβων αισθητήρων ήταν τοποθετημένος σε κάθε ένα από τα τρία διαθέσιμα θερμοκήπια. Το πείραμα επαναλήφθηκε δύο φορές, με επανατοποθέτηση διαφορετικών κόμβων σε κάθε θερμοκήπιο, για τον περιορισμό προβλημάτων που μπορούσαν να οφείλονται στην κατάσταση λειτουργίας του κάθε κόμβου. Τα τελικά αποτελέσματα βασίζονται στις μέσες τιμές των μετρήσεων των δύο πειραμάτων. Ο Πίνακας 1 παρουσιάζει τις αποστάσεις του κάθε κόμβου από τον σταθμό βάσης, καθώς και το υλικό κάλυψης του κάθε θερμοκηπίου. Τα μετρούμενα χαρακτηριστικά του δικτύου ήταν η ισχύς του σήματος των κόμβων (RSSI) και το πλήθος των πακέτων επικοινωνίας που χάθηκαν κατά τη διάρκεια των πειραμάτων. Όπως φαίνεται και από τις μέσες τιμές του RSSI του κάθε κόμβου κατά τη διάρκεια των πειραμάτων (Πίνακας 1 & Εικόνα 24), ο βασικός παράγοντας που επηρεάζει την ισχύ σήματος των κόμβων είναι η απόστασή τους από τον σταθμό βάσης (η ισχύς είναι αντιστρόφως ανάλογη της απόστασης), ενώ δε φαίνεται να υπάρχει κάποια συγκεκριμένη συσχέτιση με τον τύπο του πλαστικού κάλυψης, αφού τα αποτελέσματα των δύο πειραμάτων δεν επιβεβαιώνουν κάτι τέτοιο. Υπάρχει φυσικά η πιθανότατα να υπάρχει κάποια επίδραση του υλικού κάλυψης η οποία να επικαλύπτεται από τον παράγοντα της απόστασης των κόμβων από τον σταθμό βάσης, για αυτό και το συγκεκριμένο ζήτημα θα πρέπει να μελετηθεί περαιτέρω, μέσω ειδικά σχεδιασμένων πειραμάτων. Το δίκτυο λειτούργησε επιτυχώς στις πραγματικές συνθήκες των πειραμάτων, με πολύ χαμηλούς αριθμούς χαμένων πακέτων επικοινωνίας (Πίνακας 1 & Εικόνα 24), παρά το γεγονός ότι τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με σχετικά υψηλό ρυθμό αποστολής των δεδομένων στον σταθμό βάσης (κάθε 2 λεπτά). Ο αριθμός των πακέτων που χάθηκαν δε φαίνεται να σχετίζεται με την απόσταση ή τα φυσικά εμπόδια στο χώρο των θερμοκηπίων. Σε συνδυασμό με το γεγονός ότι το πλήθος τους είναι ποσοστιαία πολύ μικρό (< 0.5%) και μη ικανό για ασφαλή συμπεράσματα ως προς τον τρόπο που επιδρούν οι χωροταξικές συνθήκες σε αυτόν τον παράγοντα ποιότητας επικοινωνίας, οδηγεί στην υπόθεση ότι πιθανότητα η ύπαρξη αυτών των χαμένων πακέτων να οφείλεται σε χρονικές συμπτώσεις στη λήψη των σημάτων των κόμβων από τον σταθμό βάσης.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 26 Τέλος, περαιτέρω διερεύνηση απαιτείται για τον προσδιορισμό της επίδρασης της καλλιέργειας στην ισχύ σήματος του δικτύου. Υπάρχουν ενδείξεις ότι η επίδραση της ίδιας της καλλιέργειας είναι υπολογίσιμη στην ισχύ των ασύρματων δικτύων αισθητήρων (π.χ., Giacomin & Vasconcelos, 2006), αλλά τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν δεν ήταν σε θέση να εξετάσουν κάτι τέτοιο. Πιο εξειδικευμένα πειράματα προς αυτή την κατεύθυνση θα προγραμματιστούν για τα επόμενα στάδια του προγράμματος. Πίνακας 1. Χαρακτηριστικά θερμοκηπίων και τιμές ισχύος σήματος και πακέτων που χάθηκαν. Απόσταση από Σταθμό Βάσης (m) Υλικό κάλυψης θερμοκηπίου Θερμοκήπιο 1 25 Απλό κάλυμμα πολυαιθυλενίου Θερμοκήπιο 2 12 Απλό κάλυμμα πολυαιθυλενίου διάχυσης Θερμοκήπιο 3 26 Διπλό κάλυμμα πολυαιθυλενίου Μέση τιμή RSSI (db) Χαμένα πακέτα -64.5 0-55.6 3-69.8 10 Avg. RSSI (db) 20 10 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80 Lost packets Avg RSSI 12 m 25 m 26 m Distance (m) 20 10 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80 # of packets Εικόνα 24. Τιμές μέσης ισχύος σήματος (RSSI) και πακέτων που χάθηκαν, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, για διάφορες αποστάσεις κόμβων από τον σταθμό βάσης.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 27 1. Συμπεράσματα Στο παραδοτέο αυτό αρχικά πραγματοποιήθηκε μια αναλυτική παρουσίαση της λειτουργικότητας των ασύρματων κόμβων και του λογισμικού που υποστηρίζει το σύστημα του ασύρματου δικτύου αισθητήρων για τη μέτρηση των παραμέτρων της καλλιέργειας και του μικροκλίματος του θερμοκηπίου. Στη συνέχεια παρουσιάστηκαν τα πειράματα που έγιναν σε πραγματικές συνθήκες θερμοκηπίου με το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων, και με βάση τα μετρούμενα στοιχεία, έγινε μία ανάλυση της αποδοτικότητάς του, τόσο ως προς την ακρίβεια των μετρούμενων περιβαλλοντικών παραμέτρων, όσο και ως προς την απόδοση επικοινωνίας και την κατανάλωση ενέργειας των ασύρματων κόμβων. Αρχικά, το ασύρματο δίκτυο αισθητήρων εγκαταστάθηκε στη θερμοκηπιακή μονάδα του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας και λειτούργησε επιτυχώς υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας. Παρατηρήθηκε ότι η ακρίβεια των μετρούμενων περιβαλλοντικών παραγόντων της θερμοκρασίας και της σχετικής υγρασίας επηρεάζεται σε κάποιο, μάλλον σημαντικό, βαθμό από την έκθεση των ασύρματων κόμβων και των αισθητήρων τους στην ηλιακή ακτινοβολία. Για την εξαγωγή ασφαλών συμπερασμάτων και την αντιμετώπιση του συγκεκριμένου προβλήματος, απαιτείται η πραγματοποίηση περισσότερων πειραμάτων, με ταυτόχρονη μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας στο επίπεδο των κόμβων, καθώς και περαιτέρω βαθμονόμηση ακριβείας των αισθητήρων. Ως προς την ισχύ σήματος των ασύρματων κόμβων και τον τρόπο που επηρεάζεται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες στο εσωτερικό του θερμοκηπίου, βρέθηκε ότι η ισχύς σήματος, εκφρασμένη ως τιμή RSSI, είναι ανάλογη της σχετικής υγρασίας του αέρα και αντιστρόφως ανάλογη της θερμοκρασίας του, ευρήματα που συμφωνούν με αυτά της βιβλιογραφίας. Ο ακριβής όμως προσδιορισμός της επιρροής της κάθε παραμέτρου ξεχωριστά, χρειάζεται περαιτέρω έρευνα με εξειδικευμένα πειράματα στα οποία η μία από τις δύο παραμέτρους παραμένει σταθερή, αφού η ισχυρή συσχέτιση μεταξύ θερμοκρασίας και υγρασίας στο εσωτερικό του θερμοκηπίου δε δίνει τη δυνατότητα να βγουν ακριβή συμπεράσματα ως προς αυτή την κατεύθυνση. Επίσης, διαπιστώθηκε ότι η ισχύς σήματος, όπως ήταν αναμενόμενο, μειώνεται όσο μεγαλώνει η απόσταση από τον σταθμό βάσης, αλλά στις συνθήκες της θερμοκηπιακής εγκατάστασης στην οποία δοκιμάστηκε το ασύρματο δίκτυο, με αποστάσεις των κόμβων μεταξύ 10 και 30 περίπου μέτρων από τον σταθμό βάσης, η επικοινωνία δεν παρουσίασε κανένα πρόβλημα και ο αριθμός των πακέτων που χάθηκαν

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 28 ήταν πρακτικά μηδενικός. Τέλος, λαμβάνοντας υπόψη τα δεδομένα του συνόλου των πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν, δε βρέθηκε κάποια συνεπής συσχέτιση μεταξύ των διαφόρων τύπων πλαστικών καλυμμάτων των θερμοκηπίων και της ποιότητας επικοινωνίας των κόμβων, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι στις δεδομένες αποστάσεις, ο τύπος των συγκεκριμένων καλυμμάτων δεν επηρεάζει την επικοινωνία του δικτύου. Ως προς την κατανάλωση ενέργειας των ασύρματων κόμβων και τον τρόπο που επηρεάζεται από τις περιβαλλοντικές συνθήκες στο εσωτερικό του θερμοκηπίου, τα διάφορα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν κατέγραψαν την τιμή της τάσης της μπαταρίας των κόμβων του δικτύου και με βάση τη συμπεριφορά της τάσης αυτής, έγιναν οι ανάλογες αναλύσεις. Βρέθηκε ότι η τάση της μπαταρίας είναι γραμμικά ανάλογη της θερμοκρασίας (για θερμοκρασίες μεταξύ 20 o C και 35 o C) και γραμμικά αντιστρόφως ανάλογη της σχετικής υγρασίας (για τιμές υγρασίας μεταξύ περίπου 50% και 75%). Και στην περίπτωση αυτή, η επίδραση της κάθε μεταβλητής ξεχωριστά πρέπει να διερευνηθεί περαιτέρω. Ωστόσο, με βάση τη βιβλιογραφία, το πιθανότερο είναι ότι ο βασικός παράγοντας επιρροής είναι η σχετική υγρασία και όχι η θερμοκρασία, τουλάχιστον για τα συγκεκριμένα εύρη τιμών των μεταβλητών αυτών. Επιπρόσθετα, θα πρέπει να διερευνηθούν και οι επιπτώσεις ακραίων τιμών θερμοκρασίας και υγρασίας, στα όρια λειτουργίας των κόμβων. Τέλος, ως προς τη συνολική λειτουργικότητα του ασύρματου δικτύου αισθητήρων, θα πρέπει να σημειωθεί ότι στην παρούσα φάση του έργου, το δίκτυο αποτελεί πιλοτική υλοποίηση και η ανάπτυξη και βελτίωση των λειτουργιών του συνεχίζεται. Το βασικότερο ζήτημα που παραμένει είναι αυτό της κατανάλωσης ενέργειας, καθώς ένα μεγάλο ποσοστό της καταναλησκόμενης ενέργειας, ύψους 30-40mA, εντοπίζεται στην πλακέτα πρωτοτυποποίησης Advanticsys EX1000, στην οποία υλοποιούνται ένα πλήθος διεπαφών διασύνδεσης συσκευών για την ανάπτυξη εφαρμογών, χωρίς το χαρακτηριστικό της χαμηλής κατανάλωσης να αποτελεί προτεραιότητα. Η κατασκευή πλακέτας επέκτασης, η οποία επίσης είναι υπό διερεύνηση, θα επιτρέψει στο σύστημα να απαλλαχθεί από οποιαδήποτε περιττή κατανάλωση ενέργειας. Εκτιμάται ότι με τη χρήση των παραπάνω λύσεων, είναι εφικτή η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας σε επίπεδα κάτω των 20mA σε κατάσταση πλήρους λειτουργίας. Επιπρόσθετα, εξετάζονται προσεγγίσεις με χρήση εξωτερικών μονάδων ενέργειας, όπως π.χ. φωτοβολταϊκών στοιχείων, κάτι που επίσης θα οδηγήσει στη δραστική αύξηση της ενεργειακής αυτονομίας των ασύρματων κόμβων.

Π.2.3 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 29 Βιβλιογραφία Baccour, N., Koubaa, A., Mottola, L., Zuniga, M.A., Youssef, H., Boano, C.A. and Alves, M. 2012. Radio link quality estimation in wireless sensor networks: a survey. ACM Transactions on Sensor Networks (TOSN), vol. 8(4), p. 34. Balendonck, J., Hemming, J., van Tuijl, B.A.J., Incrocci, L., Pardossi, A. and Marzialetti, P. 2008. Sensors and wireless sensor networks for irrigation management under deficit conditions (FLOW-AID). In: Proceedings of the International Conference on Agricultural Engineering (AgEng 2008). Balendonck, J, Sapounas, A.A., Kempkes, F., van Os, E.A. and van der Schoor, R. 2014. Using a wireless sensor network to determine climate heterogeneity of a greenhouse environment. Acta Horticulturae, vol. 1037, pp. 539-546. Bannister, K., Giorgetti, G. and Gupta, S.K.S. 2008. Wireless Sensor Networking for Hot Applications: Effects of Temperature on Signal Strength, Data Collection and Localization. In: HotEmNets 08, June 2-3, Charlottesville, Virginia, USA. Bojacá, C.R., Gil, R. and Cooman, A. 2009. Use of geostatistical and crop growth modelling to assess the variability of greenhouse tomato yield caused by spatial temperature variations. Computers and Electronics in Agriculture, vol. 65, pp. 219-227. Boano, C.A., Tsiftes, N., Voigt, T., Brown, J. and Roedig, U. 2010. The impact of temperature on outdour industrial sensornet applications. IEEE Trans. on Industrial Informatics, vol. 6(3), pp. 451-459. Castillo, C. 2007. Implementation of a prototype wireless sensors network for greenhouses. PhD Thesis, UPN-Quito, Ecuador. Chaudhary, D.D., Nayse, S.P. and Waghmare, L.M. 2011. Application of wireless sensor networks for greenhouse parameter control in precision agriculture. International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN), vol. 3(1), pp. 140-149. Giacomin, J.C. and Vasconcelos, F.H. 2006. Wireless sensor network as a measurement tool in precision agriculture. XVIII IMEKO World Congress, September 17-22, Rio de Janeiro, Brazil. Goense, D., Thelen, J. and Langendoen, K. 2005. Wireless sensor networks for precise Phytophthora decision support. In: 5th European Conference on Precision Agriculture (5ECPA), Uppsala, Sweden. Jiménez, A., Jiménez, S., Lozada, P. and Jiménez, C. 2012. Wireless sensor network in efficient management of greenhouse crops. In: IEEE 9 th International Conference on Information Technology New Generations, pp. 680-685. Ruiz-Garcia, L., Barreiro, P. and Robla, J.I. 2008. Performance of ZigBee-Based wireless sensor nodes for real-time monitoring of fruit logistics. Journal of Food Engineering, vol. 87, pp. 405-415. Thelen, J., Goense, D. and Langendoen, K. 2005. Radio wave propagation in potato fields. In: 1st Workshop on Wireless Network Measurements, vol. 2, pp. 331-338.