CC BY
16
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018. Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018.
ИНТЕГРИРАН ПОДХОД ЗА ИЗГРАЖДАНЕ НА ИНФРАСТРУКТУРА ЗА ИНТЕРНЕТ НАД ХРАНИТЕ Красимир Колев, Нед ял ко Катранджиев, Вел ина Кансъзова Университет по хранителни технологии - Пловдив
AN INTEGRATED APPROACH TO DESIGNING- INFRASTRUCTURE FOR RHE CNTERNET OF FOON Krassimir Kolev, Nedyalko Katrandzhiev, Velina- Kansazova University of Food Technologies - Plovdiv
Abstract: The Internet of Food (IoF) is a new perspective tendency for traceability, identification and remote control of food. In this work, a functional structure is synthesized to build a branch network infrastructure for the Internet of food. A computer system model is made by integrating LoRa embedded microprocessor modules to build infrastructure for traceability, identification and remote control of food. The proposed infrastructure is synthesized and appropriate elements are selected. Proposed are variants of information services to the computer model. The functional and price analysis is made.
Keywords: The Internet of Food, IoF, LoRa, LoRaWAN, Computer systems Въведение
Интернет на храните (IoF) е ново направление в компютърните технологии, което значително ще промени начина, по който можем да извличаме, прехвърляме, съхраняваме и обработваме информация за дадена храна. Възможността за проследимост, идентификация и контрол на качеството на храните в реално време за отделни региони и държави с използване на интегриране на сензорни мрежи към съществуващи мрежови инфраструктури е едно от най-обещаващите приложения на Интернет на храните. За тази цел в последните години се търсят различни решения за изграждане на Интернет на храните [3]. Като база за изграждане на IoF може да се използва натрупаният опит от развитие на технологията Интернет на нещата (IoT), като се отчитат особеностите за отдалеченост на хранителните обекти от съществуващи мрежови инфраструктури.
Материали и методи
Крайните хостове на мрежите на Интернет на храните се състоят от множество сензорни възли, разположени в близост до хранителни продукти, намиращи се в различни териториални локации. Тези сензорни възли трябва да притежават по-голяма функционалност, а именно: -да имат възможност за безжична мрежова свързаност по-голяма от 1 км; -да имат възможност за малка консумация с цел батерийно захранване; -да снемат и дискретизират съответните технологични сигнали, описващи състоянието на хранителните продукти; -да имат възможност за локално буфериране на получените данни; -да имат възможност за измерване параметрите на съхраняващата среда; -да имат ниска цена;
-да имат малки размери за интеграция във всякакви хранителни продукти. 116
Тези основни изисквания автоматично изключват безжични сензорни възли, поддържащи Bluetooth и Wi-Fi поради ограничения обхват за мрежова свързаност. Безжичните мрежови възли на база на мобилните 3G/4G мрежи също не са подходящи поради високата цена на хардуера, месечен план на мрежова поддръжка и висока енергийна неефективност. Като възможен вариант е да се използват модули поддържащи стандарт на ниско консумираща глобална мрежа (LPWAN) тип LoRaWAN™. Спецификациите на стандарта LoRaWAN™ е различен в зависимост от разрешеният спектър на комуникация. За Европа честотният обхват е от 867 MHz до 869 Mhz, разделен на десет канала (осем за скорост 5.5 kbps, един за 11 kbps и един за 50 kbps) и максимална изходна мощност +14 dBm. Крайните възли по този стандарт позволяват двустранна комуникация до 5 км. LoRaWAN™ има две нива на сигурност, базирани на 802.15.4 Security. Защитата на мрежата гарантира автентичността на възела в мрежата, докато слоя за сигурност на приложението гарантира, че мрежовият оператор няма достъп до данни за приложението на крайния потребител както е показано на фиг. 1.
End-Devices
Network Application Server Server
Control
'Sub-GHz RF Network Session Key (NwkSKey)
VW
Application Session Key (AppSKey)
S
Control Data
Фиг. 1 Поточна диаграма за защита на данни [6]
Един възможен вариант на функционална структура за изграждане на отделни клонове на мрежова инфраструктура за Интернет на храните на база на съществуващите системи за Интернет на нещата е показана на фиг. 2.
Кш1 Ninlct
№№WIBtnil I Applutln Ewmr
I
LoRaWAN ТСГЛР
Фиг. 2 Мрежова инфраструктура за Интернет на храните
Резултати и обсъждане
На база на предложената мрежова инфраструктура за Интернет на храните, посредством интегриране на LoRa вградени микропроцесорни модули е разработен модел на компютърна система за изграждане на инфраструктура за проследимост, идентификация и дистанционен контрол на храни (фиг. 3).
I.eRjHtri
[ oRj.^DJ
lijipNrn klbJLU
L.■_= x:I tl lit*л SHtl j p ^ I ^JJ
ArcJurCUOO
Lttiatto*
Фиг. 3 Модел на компютърна система
За хардуерната реализация са избрани съвременни модули. Като конкретни устройства избора е за крайни възли LoRa32u4, за шлюз Raspberry PI 3 с включен модул RAK831 LoRa 868EU, за маршрутизатор към доставчика на Интернет е избран тип с комбинирана връзка (Wi-Fi и жична Ethernet) - TP-LINK Archer C1200. Сензорните модули към хранителните продукти са тип интегрален за даден вид параметър. Входящият интерфейс на крайните възли поддържа цифрови и аналогови сензорни входове, така че сензорите могат да бъдат с различни изходни интерфейсни сигнали. Избора на сензор може да е:
-за температура LM75A, LM35D, TMP36, DS18B20 и др.
- за цвят TCS3200, TCS34725, TCS3414 и др.
- за налягане MS5540, MPX5500 и др.
- за влажност Si7021, HS1101 и др.
- комбиниран за температура, влажност и налягане BME280 и др.
- за газове MQ-2, MQ-3, MQ-4, MQ-5, MQ-6, MQ-7, MQ-8, MQ-9, MQ-135 и др.
Програмирането на крайните възли се извършва самостоятелно в зависимост от избраният
конкретен сензор за даден хранителен продукт. При това крайните възли позволяват два режима на програмиране чрез bootloader и външен програматор. За реализиране на обслужващите системни програми може да се използва безплатният софтуер на Microchip Atmel Studio 7.
За реализация на приложното програмното осигуряване на системата могат да се използват различни платформи на база на LoRaWAN™ като:
-The Things Network, свободен с отворен код LoRaWAN™ мрежов доставчик разработен и поддържан от широка група ентусиасти [5];
-LORIOT.io, глобален публичен LoRaWAN™ оператор за частни и публични мрежи [4];
-Everynet, глобален публичен LoRaWAN™ оператор [2];
За разработване на приложното програмно осигуряване може да се използва платформата за отдалечен мониторинг ResIOT (фиг. 4).
L*. в о
# Личи! Zl Hl№>wr г Ap(Kjni«ii A Шл)*и
fv- г1.1 j I ч !■
H Й(Ч|
A Tffi ■ о
IV hii-ll-p'iv
4rJ 1? Kmi
ЧИ 4 Ull
w-
Evonf "-.wtkTtWJ + - ' Openino^touni? +
i
шоп н~a FJDO Vjи laawim
Фиг. 4 Среда за обслужване на системата ResIOT [1]
Функционалните възможности на Интернет на храните се определят от съвместната работа на всички компоненти - сензори, крайни възли, шлюзове (gateways) и системен и приложен софтуер. Цената на отделните възли за многократна употреба за предложената система при три различни типови сензори (температура, цвят, влажност, проводимост, налягане и др.) не надвишава 30 EUR. Цената на шлюза, ако се използва архитектура с отворен код не надвишава 300 EUR. Както се подчерта съществува голямо разнообразие от безплатни софтуерни LoRa платформи, поради което цената на софтуерната разработка може да се сведе до минимум свързана само с конфигуриране на мрежовата архитектура в рамките на 50 EUR за шлюза, поддържаш хиляди крайни устройства.
Заключение
При изграждане на инфраструктура на Интернет на храните следва да се обърне внимание на избора на крайните устройства. Тези устройства работят с различни хранителни продукти, притежаващи разнообразни параметри за качество при различни параметри на обкръжаващата среда. При бъдещото проектиране на инфраструктура за Интернет на храните е необходимо да се отчита и развитието на новопоявили се безжични технологии, както и стандарти насочени по-тясно към облачни технологии за събиране и обработка на данни.
Библиография
1. Complete suite of software for LoRaWan networks, https://www.resiot.io, 2017
2. Helping the world make sense of everything, http://www.everynet.com, 2017
3. Internet of Food and Farm 2020, http://www.iof2020.eu, 2017
4. LoRaWAN Services and Software, https://www.loriot.io, 2017
5. Migrate from Staging to Production, https://www.thethingsnetwork.org, 2017
6. Wide Area Networks for IoT, https://www.lora-alliance.org, 2017
