Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу
In the article the results of the development of the wireless sensor network for precision agriculture and ecological monitoring are considered. Приведены результаты разработки беспроводной сенсорной сети для прецизионного земледелия и экологического мониторинга. Наведені результати розробки безпров...
Saved in:
| Published in: | Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
|---|---|
| Date: | 2014 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України
2014
|
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84829 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу / В.О. Романов, О.В. Палагін, І.Б. Галелюка, О.В. Вороненко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 53-62. — Бібліогр.: 18 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-84829 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Романов, В.О. Палагін, О.В. Галелюка, І.Б. Вороненко, О.В. 2015-07-16T05:53:04Z 2015-07-16T05:53:04Z 2014 Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу / В.О. Романов, О.В. Палагін, І.Б. Галелюка, О.В. Вороненко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 53-62. — Бібліогр.: 18 назв. — укр. 1817-9908 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84829 681.5 In the article the results of the development of the wireless sensor network for precision agriculture and ecological monitoring are considered. Приведены результаты разработки беспроводной сенсорной сети для прецизионного земледелия и экологического мониторинга. Наведені результати розробки безпровідної сенсорної мережі для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу. uk Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України Комп’ютерні засоби, мережі та системи Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу Wireless sensor network for precision agriculture and ecological monitoring Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу |
| spellingShingle |
Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу Романов, В.О. Палагін, О.В. Галелюка, І.Б. Вороненко, О.В. |
| title_short |
Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу |
| title_full |
Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу |
| title_fullStr |
Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу |
| title_full_unstemmed |
Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу |
| title_sort |
безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу |
| author |
Романов, В.О. Палагін, О.В. Галелюка, І.Б. Вороненко, О.В. |
| author_facet |
Романов, В.О. Палагін, О.В. Галелюка, І.Б. Вороненко, О.В. |
| publishDate |
2014 |
| language |
Ukrainian |
| container_title |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи |
| publisher |
Інститут кібернетики ім. В.М. Глушкова НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Wireless sensor network for precision agriculture and ecological monitoring |
| description |
In the article the results of the development of the wireless sensor network for precision agriculture and ecological monitoring are considered.
Приведены результаты разработки беспроводной сенсорной сети для прецизионного земледелия и экологического мониторинга.
Наведені результати розробки безпровідної сенсорної мережі для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу.
|
| issn |
1817-9908 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/84829 |
| citation_txt |
Безпровідна сенсорна мережа для прецизійного землеробства та екологічного моніторингу / В.О. Романов, О.В. Палагін, І.Б. Галелюка, О.В. Вороненко // Комп’ютерні засоби, мережі та системи. — 2014. — № 13. — С. 53-62. — Бібліогр.: 18 назв. — укр. |
| work_keys_str_mv |
AT romanovvo bezprovídnasensornamerežadlâprecizíinogozemlerobstvataekologíčnogomonítoringu AT palagínov bezprovídnasensornamerežadlâprecizíinogozemlerobstvataekologíčnogomonítoringu AT galelûkaíb bezprovídnasensornamerežadlâprecizíinogozemlerobstvataekologíčnogomonítoringu AT voronenkoov bezprovídnasensornamerežadlâprecizíinogozemlerobstvataekologíčnogomonítoringu AT romanovvo wirelesssensornetworkforprecisionagricultureandecologicalmonitoring AT palagínov wirelesssensornetworkforprecisionagricultureandecologicalmonitoring AT galelûkaíb wirelesssensornetworkforprecisionagricultureandecologicalmonitoring AT voronenkoov wirelesssensornetworkforprecisionagricultureandecologicalmonitoring |
| first_indexed |
2025-11-24T21:09:56Z |
| last_indexed |
2025-11-24T21:09:56Z |
| _version_ |
1850497641037692928 |
| fulltext |
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 53
V. Romanov, O. Palagin,
I. Galelyuka, O. Voronenko
WIRELESS SENSOR NETWORK
FOR PRECISION AGRICULTURE
AND ECOLOGICAL
MONITORING
In the article the results of the de-
velopment of the wireless sensor
network for precision agriculture
and ecological monitoring are con-
sidered.
Key words: wireless sensor network.
Приведены результаты разра-
ботки беспроводной сенсорной
сети для прецизионного земледе-
лия и экологического мониторин-
га.
Ключевые слова: беспроводная
сенсорная сеть.
Наведені результати розробки
безпровідної сенсорної мережі
для прецизійного землеробства
та екологічного моніторингу.
Ключові слова: безпровідна сенсо-
рна мережа.
В.О. Романов, О.В. Палагін,
І.Б. Галелюка, О.В. Вороненко,
2014
УДК 681.5
В.О. РОМАНОВ, О.В. ПАЛАГІН,
І.Б. ГАЛЕЛЮКА, О.В. ВОРОНЕНКО
БЕЗПРОВІДНА СЕНСОРНА МЕРЕЖА
ДЛЯ ПРЕЦИЗІЙНОГО ЗЕМЛЕРОБСТВА
ТА ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ
Вступ. Сьогодні не можна уявити техноло-
гію прецизійного землеробства або систему
екологічного моніторингу без такого важли-
вого елементу як система прийняття рішень
та генерації управлінських дій. Основою
прийняття рішень у таких системах служать
вихідні дані з системи первинних датчиків,
які розташовані безпосередньо на досліджу-
ваних об’єктах або територіях, зокрема, сіль-
ськогосподарських угіддях або зелених наса-
дженнях паркових і лісових зон. Якість і по-
внота збору даних визначає правильність
прийняття рішень по впровадженню необ-
хідних заходів для збільшення врожаю, зме-
ншення затрат на одиницю продукції, захис-
ту зелених насаджень та попередження мож-
ливих втрат рослинного покриву від впливу
стресових чинників природного або техно-
генного походження.
Результати розробки безпровідної сенсо-
рної мережі (БСМ) як системи первинних
датчиків для систем підтримки прийняття
рішень у прецизійному землеробстві, еколо-
гічному моніторингу та захисті навколиш-
нього середовища, які розглядаються у ро-
боті, отримані в Інституті кібернетики імені
В.М. Глушкова НАН України при виконанні
міжнародного проекту НАН України і РФФД
"Створення інформаційної технології для
експрес-діагностики стану сільськогосподар-
ських культур з використанням розподілено-
го "хмарового" середовища" і національного
проекту "Мультисенсорна технологія екс-
прес-діагностики стану рослин" в рамках
Програми НАН України "Сенсорні прилади
В.О. РОМАНОВ, О.В. ПАЛАГІН, І.Б. ГАЛЕЛЮКА, О.В. ВОРОНЕНКО
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 54
для медико-екологічних та промислово-технологічних потреб".
Слід відзначити, що в значній мірі функціональні можливості системи при-
йняття рішень у прецизійному землеробстві або при екологічному моніторингу
визначаються кількістю, якістю і частотою отримання вихідних даних з дослі-
джуваних територій або об’єктів та швидкістю обробки цих даних. В узагальне-
ному вигляді верхній рівень системи підтримки прийняття рішень та генерації
агротехнологічних операцій у прецизійному землеробстві показано на рис. 1.
РИС. 1. Верхній рівень системи підтримки прийняття рішень у прецизійному землеробстві
Сукупність мобільних та традиційних технологій збору даних, баз даних
сільськогосподарських угідь та програмного забезпечення з первинної обробки
даних можна назвати базовою агротехнологією. Відповідно ту частину, яка пря-
мує за базовою агротехнологією, а саме блок генерації та оптимізації агротехно-
логій можна назвати адаптивною агротехнологією [1].
До даних, які збираються безпосередньо на досліджуваній території, слід ві-
днести метеорологічні дані, інформацію про стан ґрунтів і, що не менш важливо,
інформацію про стан рослин.
Саме тому, отримання оперативної та об'єктивної інформації про стан рос-
линного покриву в багатьох випадках є важливим фактором, який зумовлює по-
дальшу стратегію по догляду за сільськогосподарськими угіддями, зеленими
БЕЗПРОВІДНА СЕНСОРНА МЕРЕЖА …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 55
насадженнями мегаполісів, національними заповідниками, лісовими та парко-
вими зонами та прийняттю відповідних рішень. Звичайно, ідеальним було б
отримання інформації про покращення або погіршення стану зелених насаджень
не постфактум, а завчасно. Це дозолить зберегти рослини від втрат, зменшити
витрати на їхній захист та зменшити негативний вплив стресових чинників при-
родного або техногенного походження.
Як видно з рис. 1, мобільні та традиційні технології збору даних відіграють
важливу роль у прецизійному землеробстві, екологічному моніторингу та за-
хисті навколишнього середовища. З цією метою в Інституті кібернетики імені
В.М. Глушкова НАНУ створюється бездротова система збору даних, яка в реа-
льному часі знімає інформацію про стан рослин на певній території сільськогос-
подарських угідь або зелених насаджень. Структурна організація розроблених
систем збору даних у цілому розглянута в [2]. Але подальший аналіз літератур-
них джерел та існуючих прикладних рішень показав, що на сьогодні більш перс-
пективним для збору первинних даних є застосування технології БСМ.
Сучасні досягнення в мікроелектроніці, біосенсориці та інформаційно-
телекомунікаційних технологіях дозволяють створювати безпровідні сенсорні
мережі для експрес-діагностики стану рослин на великих територіях з викорис-
танням ефекту індукції флуоресценції хлорофілу, який лежить в основі роботи
автономних приладів сімейства "Флоратест" [3]. Застосування в БСМ мініатюр-
них сенсорів для вимірювання додаткових показників стану повітря та ґрунту
дозволяє діагностувати не тільки загальний стан рослин, але і такі параметри, як
вміст пестицидів у ґрунті, воді та рослинах, рівень корозії ґрунту, забруднення
повітря тощо.
БСМ є інформаційною технологією майбутнього. Сьогодні технології без-
провідних сенсорних мереж використовуються в різних областях прецизійного
землеробства та екологічного моніторингу, але основними сферами їх застосу-
вання є збір просторових даних та даних з метою підтримки прийняття управ-
лінських рішень. Фактично, за останні роки було опубліковано значну кількість
робіт про застосування БСМ у прецизійному землеробстві та екологічному моні-
торингу.
Автори праць [4, 5] розробили БСМ, яка призначена для збору даних про
стан ґрунту та навколишнього середовища. Основним призначенням системи є
моніторинг, який здатен охоплювати великі території. Мобільна система збору
даних, яка розглянута в [6], призначена для збору просторових даних та даних
для управління врожайністю і встановлюється безпосередньо на сільськогоспо-
дарську техніку. Система збирає дані про вміст вологи у ґрунті, щільність ґрун-
тів, рівень біомаси, індекс листової поверхні, температуру листя, вміст хлорофі-
лу у листі, рівень води у листі, локальні кліматичні показники, зараження рос-
лин хворобами тощо. В роботі [7] розглянуто систему просторового моніторин-
гу, яка містить модулі GPS, динамометричні сенсори, сенсори вологості та ко-
мунікаційний безпровідний Bluetooth-модуль. Автори публікації [8] розробили
безпровідну інфрачервону термометричну систему для збору даних безпосеред-
ньо у полі. Система складається з інфрачервоних сенсорів, програмованих логі-
В.О. РОМАНОВ, О.В. ПАЛАГІН, І.Б. ГАЛЕЛЮКА, О.В. ВОРОНЕНКО
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 56
чних контролерів і радіопередавачів з низьким енергоспоживанням для збору
даних в полі та подальшої їх передачі до віддалених приймачів за межами поля.
В роботі [9] показано, як безпровідні сенсори використовуються в системі для су-
проводження підтримки прийняття рішень при створенні графіків поливів з ви-
користанням зібраних кліматичних даних та даних зондування ґрунту. В роботі
[10] описано систему моделювання, яке демонструє можливості застосування
БСМ у прецизійному землеробстві. Автори роботи [11] описали платформу, яку
вони розробили для локальних і регіональних безпровідних сенсорних мереж.
Наведені публікації становлять лише невелику частку опублікованих за
останні роки праць, які присвячені розробці та застосуванню БСМ у прецизій-
ному землеробстві та екологічному моніторингу. Як випливає з огляду цих
праць, кожна система розробляється з урахуванням критеріїв конкретної прик-
ладної задачі.
Розробка сенсорної мережі. Головна мета роботи – це створення універса-
льної інтелектуальної системи для експрес-діагностики стану рослин та вироб-
лення управлінських рішень на основі отриманих даних про стан рослин та на-
вколишнього середовища. Збір первинних даних про стан рослин та параметри
оточуючого середовища в системі покладено на БСМ.
Створювана система збору даних – це безпровідна сенсорна мережа, а саме:
мережа великої кількості сенсорів, які об'єднані між собою радіоканалом. Площа
покриття подібної мережі може складати від декількох метрів до декількох кі-
лометрів за рахунок здатності ретранслювати дані від одного елемента до іншо-
го. Основна перевага безпровідної сенсорної мережі – це здатність контролюва-
ти в реальному часі стан сільськогосподарських рослин чи параметрів навколи-
шнього середовища на великих територіях.
Зупинимося на особливостях розробки типової безпровідної сенсорної ме-
режі. Типова сенсорна мережа має відповідати більшості вимог, які
пред’являються прецизійним землеробством та екологічним моніторингом до
БСМ. Ці вимоги враховують показники відмовостійкості, масштабування, ви-
трати на виробництво, вид операційного середовища, топологію сенсорної ме-
режі, апаратні обмеження, модель передачі даних та споживчу потужність.
Так, наприклад, деякі вузли можуть вийти з ладу із-за збоїв енергопостачан-
ня, фізичних пошкоджень або стороннього втручання. Але відмова одного вузла
мережі не має впливати на роботу усієї БСМ, яка має задовольняти вимогам ві-
дмовостійкості. Слід звернути увагу на те, що відмовостійкість мережі можна
забезпечити шляхом правильного застосування чи розробки відповідних прото-
колів передачі даних або алгоритмів функціонування. Оскільки створювана
БСМ призначається для роботи в умовах суттєвого впливу кліматичних умов, її
відмовостійкість має бути досить високою.
Масштабування розроблюваної сенсорної мережі для кожної прикладної за-
дачі обмежується кількістю вузлів від кількох десятків до кількох тисяч вузлів,
причому вартість одного вузла має бути такою, щоб виправдати загальну вар-
тість мережі. Вважається, що БСМ виправдовує вкладені в неї кошти, якщо її
розгортання є дешевшим від системи збору і обробки даних на основі тради-
БЕЗПРОВІДНА СЕНСОРНА МЕРЕЖА …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 57
ційних датчиків. Саме тому, вартість одного вузла має бути мінімально мож-
ливою.
Не зважаючи на те, що велика кількість вузлів, а також можливість автома-
тизації їх розгортання (розкидування з літака, розташування роботом або випад-
ковим чином людиною) виключає розташування їх у відповідності з чітко роз-
робленим планом, схеми початкового розгортання мають відповідати наступним
вимогам:
– зменшувати витрати на монтаж;
– усувати необхідність будь-якої попередньої організації і планування;
– підвищувати гнучкість розташування;
– сприяти самоорганізації та відмовостійкості.
Оскільки вузли мережі часто відмовляють із-за розряджання батареї або
впливу фізичних факторів, тому структурі БСМ притаманні часті зміни топології
після розгортання самої мережі. Зміна топології зумовлює зміну характеристик
самих вузлів, а саме: положення, доступність (із-за завад, шумів, рухомих пере-
шкод і т. д.), рівень заряду батареї, неполадки, зміна поставлених задач або ролі
в мережі.
Повинна бути передбачена можливість включення в БСМ резервних вузлів
для заміни несправних вузлів або у зв'язку з розширенням мережі та відповідних
її функцій.
Перш за все, виділимо характеристики БСМ для конкретної прикладної за-
дачі:
– кількість вузлів може бути на порядок вище, ніж у традиційній розподіле-
ній мережі збору і обробки даних;
– вузли можуть розташовуватися дуже щільно;
– можуть відбуватися збої у роботі вузлів під впливом факторів природного
чи техногенного походження;
– топологія мережі може змінюватися випадковим чином;
– вузли, як правило, обмежені в енергоспоживанні, обчислювальних можли-
востях, обсязі пам'яті;
– вузли не можуть мати глобальних ідентифікаційних номерів із-за значних
додаткових витрат та порівняно великої кількості вузлів.
Розробку БСМ для нашої прикладної задачі, а саме, для застосування в пре-
цизійному землеробстві та екологічному моніторингу, було розпочато з розроб-
ки окремого вузла мережі. За основу взято типовий вузол такої системи, який
складається з кількох основних елементів (рис. 2): блоку збору даних, блоку об-
робки даних, передавача і блоку живлення [12].
Наявність додаткових модулів залежить від прикладної задачі БСМ. До до-
даткових модулів можна віднести систему визначення місцезнаходження, сило-
вий генератор і мобілізатор. Модуль збору даних, як правило, складається з двох
частин: сенсора і АЦП. Сигнал від сенсора після перетворення в АЦП переда-
ється в блок обробки. Передавач служить для під'єднання вузла до мережі.
В.О. РОМАНОВ, О.В. ПАЛАГІН, І.Б. ГАЛЕЛЮКА, О.В. ВОРОНЕНКО
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 58
РИС. 2. Типовий вузол безпровідної сенсорної мережі
В роботі [13] розглянуто один з можливих варіантів передачі даних, а саме
мобільний зв'язок. Не зважаючи на те, що засоби мобільного зв'язку добре під-
ходять для традиційних систем збору і обробки даних, вони не можуть у повній
мірі забезпечити вимоги, які пред’являються до сучасних БСМ. Одним з варіан-
тів вирішення цієї задачі є організація радіозв'язку між сенсорами з використан-
ням промислових частот, які доступні без ліцензії у більшості країн. Для сенсор-
них мереж малого розміру і малої потужності не потрібні підсилювачі сигналу,
що є певною перевагою. Апаратні обмеження та знаходження компромісу між
ефективністю антени і споживанням енергії накладають певні обмеження на вибір
частоти передачі даних. Основною перевагою використання радіочастот промис-
лового призначення є широкий спектр частот і їх доступність у всьому світі. Але
можна зробити висновок, що вимоги прецизійного землеробства та екологічного
моніторингу до БСМ ускладнюють задачу вибору середовища передачі даних.
Безпровідний вузол є мікроелектронним пристроєм з батарейним живлен-
ням, яке має обмежений ресурс. Відповідно, час функціонування вузла напряму
залежить від ресурсу батарейного живлення. В мережі, де кожний вузол одноча-
сно є модулем збору даних і маршрутизатором, вихід з ладу декількох вузлів
може привести до значних змін в структурі мережі, що обумовлює необхідність
повторного пересилання пакетів та реорганізації мережі. Таким чином, адапти-
вне керування живленням є важливим додатковим фактором функціонування
БСМ. Саме тому, багато дослідників нині зосереджені на розробці енергозбері-
гаючих протоколів і алгоритмів для сенсорних мереж. Застосування певних про-
токолів може бути компромісним за рахунок зниження інших показників (на-
приклад, збільшення часу реакції і зменшення пропускної здатності). Основни-
ми задачами вузла є виявлення подій, виконання швидкої локальної обробки да-
них, передача даних. Відповідно, енергія споживається на цих трьох етапах. Пе-
БЕЗПРОВІДНА СЕНСОРНА МЕРЕЖА …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 59
ріодичний збір даних потребує меншого енергоспоживання енергії, ніж постій-
ний моніторинг.
Вузол витрачає максимум енергії при передачі або прийманні даних. Відо-
мо, що для зв'язку на невеликі відстані з малою потужністю випромінювання
передача та приймання даних вимагають приблизно однакової енергії спожи-
вання. В цьому випадку слід враховувати не тільки активну потужність, але і
споживання електроенергії, яка витрачається на запуск передавача. Запуск пере-
давача займає долі секунди, але при передачі малих пакетів даних потужність
запуску може бути більшою за потужність передачі, що робить недоцільним по-
стійно включення та вимикання передавача.
Вузли, як правило, розташовані випадковим чином на всій території спосте-
режень. Кожний з них може здійснювати збір даних і визначати маршрут пере-
дачі в центральний вузол до кінцевого користувача. Як правило, в створюваній
мережі можна виділити два типи пристроїв. Перший тип – це повнофункціона-
льний вузол. Він може слугувати як координатором окремих ланок мережі, так і
окремим звичайним вузлом мережі. Такий вузол реалізує загальну модель зв'яз-
ку, яка дозволяє "спілкуватися" з іншими вузлами мережі. Також цей вузол може
передавати дані на вищий рівень мережі, в такому випадку він є координатором
мережі. Другий тип пристроїв – вузли з облегшеними функціями. Тобто це прос-
ті вузли з малим ресурсом і вимогами до мережі. Переважно такі вузли можуть
зв'язуватися з повнофункціональними пристроями і не можуть слугувати коор-
динаторами мереж. Організація фрагменту безпровідної сенсорної мережі пока-
зана на рис. 3. Саме така архітектура створюваної мережі відповідає вимогам
прикладних задач у прецизійному землеробстві та екологічному моніторингу.
РИС. 3. Організація зв'язку в безпровідній сенсорній мережі
Координатор (рис. 3) здійснює загальний зв'язок системи з сервером верх-
нього рівня та планування збору і передачі даних усією мережею. Тим не менш,
не слід виключати з розгляду такі прості структури, як однорангові або структу-
В.О. РОМАНОВ, О.В. ПАЛАГІН, І.Б. ГАЛЕЛЮКА, О.В. ВОРОНЕНКО
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 60
ри типу "зірка". Саме прості структури організації безпровідних мереж у бага-
тьох випадках є більш прості в розгортанні та економічно виправдані. Організа-
ція передачі даних у простих безпровідних мережах та швидкість і простота їх
розгортання є часто одними з головних показників ефективності функціонуван-
ня (або життєвого циклу) БСМ. Слід зауважити, що навіть у простих мережах
один з вузлів має бути повнофункціональним і виконувати функції координатора.
До теперішнього часу розроблено більше 100 різноманітних алгоритмів са-
моорганізації БСМ, які можна умовно розбити на такі групи:
Кластери [14]. Цей підхід полягає у тому, що група з кількох вузлів мережі
об'єднується в кластер. З вузлів цієї групи вибирається голова кластера. Всі вуз-
ли кластера збирають інформацію і передають її голові кластера, а потім голова
кластера обробляє отриману інформацію і передає її на вузол збору даних.
Ланки зв'язків [15]. З багатьох сенсорних вузлів будуються ланки до одно-
го з вузлів, який згодом передає отримані дані на вузол збору даних.
Деревоподібні структури [16]. Цей підхід подібний до попереднього. Від-
мінність полягає у тому, що будуються не ланки, а дерева зв'язків, у коренях
яких знаходяться вузли збору даних.
Географічні підходи [17]. У географічних підходах використовується знан-
ня про місце розташування вузлів, отриманих, наприклад, за допомогою встано-
влених у вузлах модулів GPS. Використовуючи ці дані, вузли можуть організо-
вуватися у відповідну структуру.
Підхід, який використовує різнорідність вузлів мережі [18]. Передбачаєть-
ся наявність у мережі різнотипних вузлів. Вузли одного типу забезпечують зби-
ранням даних, а вузли іншого типу забезпечують винятково розповсюдженням
зібраних даних по мережі. При цьому вузли організовуються в окремі групи, які
об’єднуються у групи більшого розміру. Таким чином, в мережі організовується
ієрархічна групова структура.
Розробка базових засобів БСМ розділена на кілька етапів: етапи розробки
функціональних і принципових електричних схем окремого вузла системи з ра-
діоканалом, розробки алгоритмів функціонування розробленого вузла, розробки
конструктивів.
Вимоги до вузла БСМ наступні:
– тривалий час автономної роботи без заміни елементів живлення;
– висока надійність передавання та отримання даних;
– велика дальність зв'язку;
– малі розміри та вага;
– стійкість до впливу кліматичних факторів.
Перш за все, в рамках виконання проектів розроблено функціональну схему
вузла БСМ, яка показана на рис. 4. Основним елементом схеми є мікроконтро-
лер, який керує роботою цілого вузла та окремими його елементами. Результати
вимірювання передаються від сенсора через АЦП до мікроконтролера. Отримані
дані обробляються у мікроконтролері і записуються в пам'ять для збереження
або в модуль радіопередавача для подальшої передачі. Для налаштування мікро-
контролера та його перепрограмування служить USB-інтерфейс. Живлення всіх
БЕЗПРОВІДНА СЕНСОРНА МЕРЕЖА …
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 61
модулів забезпечується від автономних джерел живлення. Як допоміжні модулі
у вузлі можуть бути використані джерела опорних напруги і частоти.
РИС. 4. Функціональна схема вузла безпровідної сенсорної мережі
Мікроконтролер вузла БСМ реалізовано на ІМС JN5168 виробництва ком-
панії NXP. Він містить 32-бітний RISC-процесор з тактовою частотою 32 МГц,
модуль безпровідного зв'язку, сумісний зі стандартом ІЕЕЕ802.15.4, вбудований
4-канальний 10-бітний АЦП, аналогові та цифрові входи/виходи тощо. Цей мік-
роконтролер за своїми характеристиками повністю відповідає вимогам щодо
реалізації робочого вузла БСМ, який забезпечує збір, зберігання і передачу да-
них до координатора.
Висновки. Показано, що розробка та створення БСМ для прецизійного зем-
леробства та екологічного моніторингу це досить складна і комплексна пробле-
ма. При виконанні міжнародного і національного проектів авторами знайдено
розумний компроміс між відмовостійкістю, енергоспоживанням та апаратними
обмеженнями вузлів безпровідної сенсорної мережі.
1. Якушев В.В. Система поддержки принятия решений (СППР) в земледелии // Материалы
международной конференции "Современная агрофизика – Высоким агротехнологиям". –
С-Пб, РФ. – 2007. – С. 21–31.
2. Palagin O.V., Romanov V.O., Galelyuka I.B. et al. Data acquisition systems of plants' state in
precision agriculture // Proceeding of the 6th IEEE International conference on "Intelligent Data
Acquisition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications", IDAACS'2011.
– Prague, Czech Republic. – 2011, September 15–17. – Р. 16–19.
3. Romanov V., Brayko Yu., Galelyuka I. et al.. Portable Biosensor: from Idea to Market // Interna-
tional Journal "Information Theories & Applications. Vol. 19, N 2. – Sofia, Bulgaria. – 2012. –
P. 126–131.
В.О. РОМАНОВ, О.В. ПАЛАГІН, І.Б. ГАЛЕЛЮКА, О.В. ВОРОНЕНКО
Комп’ютерні засоби, мережі та системи. 2014, № 13 62
4. López J., Soto F., Iborra A. et al. Design and Implementation of a Wireless Sensor Network for
Precision Horticulture // in book "Sensor Applications, Experimentation, and Logistics", N.
Komninos (Ed.), 2009. – P. 27–42.
5. Haldar N., Banerjee D., Ghosh K. et al. An Automated Scheme for Precision Agriculture
through Data Acquisition and Monitoring System using Multiple Sensors Network // 2nd Na-
tional Conference on Computing, Communication and Sensor Network, 2011. – P. 19–24
6. Gomide R.L., Inamasu R.Y., Queiroz D.M. et al. An automatic data acquisition and control mo-
bile laboratory network for crop production systems data management and spatial variability
studies in the Brazilian center-west region. ASAE Paper No.:01-1046. The American Society of
Agriculture Engineers, St. Joseph. – Michigan, USA. – 2001.
7. Lee W.S., Burks T.F., Schueller J.K. Silage yield monitoring system. ASAE Paper No.: 02-1165.
The American Society of Agriculture Engineers, St. Joseph. – Michigan, USA – 2002.
8. Mahan J., Wanjura D. Upchurch, Design and Construction of a Wireless Infrared Thermometry
System. The USDA Annual Report. Project Number: 6208-21000-012-03. – May 01, 2001–
September 30, 2004.
9. Evans R., Bergman J. Relationships Between Cropping Sequences and Irrigation Frequency
under Self-Propelled Irrigation Systems in the Northern Great Plains (Ngp). USDA Annual Re-
port. Project Number: 5436-13210-003-02. – June 11, 2003–December 31, 2007.
10. Camilli A., Cugnasca C.E., Saraiva et al. From wireless sensor to field mapping: Anatomy of an
application for precision agricultura. Comput // Electron. Agric. 58, 2007. – P. 25–36.
11. Pierce F.J., Elliot, T.V. Regional and on-farm wireless sensor networks for agricultural systems
in Eastern Washington // Comput. Electron. Agric. 61, 2008. – P. 32–43.
12. Akyildiz I.F., Su W., Sankarasubramaniam Y. et al. Wireless sensor networks: a survey // Com-
puter Networks. – 2002. – N 38. – P. 393–422.
13. Palagin O., Romanov V., Galelyuka I. et al. Data acquisition systems for precision farming //
Information Technologies & Knowledge. Vol. 5, Number 2. – Sofia, Bulgaria. – 2011. – P. 103–
109.
14. Handy M.J., Haase M., Timmermann D. Low energy adaptive clustering hierarchy with deter-
ministic Cluster-Heads selection // Proc. 4th International Workshop on Mobile and Wireless
Communications Network. – 2002. – P. 368–372.
15. Lindsey S., Raghavendra C.S. Pegasis: Power-efficient gathering in sensor information systems
// Proc. of the IEEE. – 2002. – P. 924–935.
16. Perkins C.E., Belding-Royer E.M., Das S. Ad hoc On-Demand Distance Vector (AODV) Rout-
ing // IETF RFC. – 2003.
17. Xu Y., Heidemann J., Estrin D. Geography-informed energy conservation for ad hoc routing //
Proc. of the ACM/IEEE International Conference on Mobile Computing and Networking. –
2001. – P. 70–84.
18. Subramanian L., Katz R.H. An architecture for building self-configurable systems // Proc. Mo-
bile Ad Hoc Network Comput. Workshop. – 2000. – P. 63–73.
Одержано 12.09.2014
|