CC BY
29УДК 004.41:631.17
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ МОДУЛЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ЦИФРОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ СЕЛЬХОЗПРОИЗВОДСТВА
А.П.Гришин*, А.А. Гришин, В.А. Гришин
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1 -й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Российская Федерация, *e-mail: [email protected];
Аннотация. Во введении отмечается, что широкое распространение сверхинтенсивного роботизированного
растениеводства, позволит выйти на самообеспечение продовольствием за счет локальных многоэтажных агрокомплексов, использующих специально приготовленные минеральные питательные растворы вместо почвы мегаполисы, поселения на Крайнем Севере и в пустынях и, то есть использовать Городское сельское хозяйство (ГСХ).
Определены три основные составляющие ГСХ: вертикальные фермы, внегрунтовое выращивание растений и роботизированные растениеводческие комплексы. Все эти составляющие строятся на основе цифровых технологий.
Одна из таких технологий - интеллектуальная система управления роботом гидромелиорирования растений в искусственных экосистемах (ИСУРГ) «Гидробот 1,0» это цифровая технология выращивания продукции растениеводства, ориентированная на применении в ГСХ.
Эта технология, как и все другие цифровые требуют беспроводную передачу данных на значительные расстояния.
Определена цель исследований - выбрать и адаптировать применительно к условиям сельхозпроизводства один из известных стандартов связи.
В разделе результаты и их обсуждение, отмечается что в качестве стандарта передачи данных от ботов и датчиков выбран стандарт LoRa на частоте 433МГц.
Отмечено, что LoRa имеет значительные преимущества перед сотовыми сетями и WiFi благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций на расстояниях до 20 км. и скоростях до 50 Кбит/с., при минимальном потреблении электроэнергии, обеспечивающем несколько лет автономной работы на одном аккумуляторе типа АА.
Кроме того, отмечается, что для целей сбора данных о растении данный стандарт подходит как нельзя лучше: объемы данных небольшие, а, следовательно, нет потребности в больших скоростях передачи данных, и расстояния передачи данных при сильно разветвленной сети могут обеспечить наличие одного ретранслятора на весь комплекс (теплиц или всего здания при использовании в ГСХ). Также в сети могут быть использованы и другие устройства, передающие данные о растении на ретранслятор, например, листовые мини-датчики, измеряющие транспирацию с листа растения. Ретранслятор осуществляет сбор данных со всех устройств и передает данные в облачное хранилище или любую БД в сети интернет.
Приводятся Выводы: выбран и адаптирован применительно к условиям сельхозпроизводства - разработана структура пакетов передаваемых данных стандарт передачи данных от ботов и датчиков: LoRa на частоте 433МГц.
Ключевые слова: стандарт связи LoRa, городское сельское хозяйство цифровые технологий.
Введение
Ни двух-трехкратный рост урожайности основных агрокультур во второй половине XX века, ни внедрение генетически модифицированных видов растений не решают двух важнейших проблем сельского хозяйства — деградации почв и зависимости урожаев от природных катаклизмов [1].
В результате деятельности человека деградации подверглась четверть плодородных земель, ее прямые негативные последствия испытывает до 15% населения планеты.
Широкое распространение сверхинтенсивного
роботизированного растениеводства, при котором исчезнут зависимость урожая от погодных условий и потребность в больших площадях сельхозугодий, позволит поднять уровень продовольственной безопасности человечества на принципиально новый уровень. Мегаполисы, поселения на Крайнем Севере и в пустынях выйдут на самообеспечение продовольствием за счет локальных многоэтажных агрокомплексов, использующих специально приготовленные минеральные питательные растворы вместо почвы, то есть Городское сельское хозяйство (ГСХ) [2].
Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года (prognoz2030.hse.ru) и материалы научного журнала «Форсайт» (foresight-journal.hse.ru), позволяют определить три основные составляющие ГСХ: вертикальные фермы, внегрунтовое выращивание растений и роботизированные растениеводческие комплексы. Все эти
составляющие строятся на основе цифровых технологий.
Одна из таких технологий - интеллектуальная система управления роботом гидромелиорирования растений в искусственных экосистемах (ИСУРГ) «Гидробот 1,0» это цифровая технология выращивания продукции растениеводства, ориентированная на применении в ГСХ.
ИСУРГ «Гидробот 1,0» предназначен для мониторинга состояния климатических параметров и растений в искусственных экосистемах, передачи их в облачную базу данных и формирования сигнала управления роботом гидромелиорирования через интернет вещей. Эта технология, как и все другие цифровые требуют беспроводную передачу данных на значительные расстояния.
Цель исследований определить и адаптировать применительно к условиям сельхозпроизводства один из известных стандартов связи.
Результаты и их обсуждение
Для передачи данных параметров роста растений в облачную базу данных используется разветвленная схема сетевого типа, обеспечивающая возможность подключения большого числа передающих устройств. Условная схема сети представлена на рис. 1
[3-5]. ' _
Интернет Облачная БД
ГидроБот
Передача данных о растении
ГидроБот
Передача данных о растении
Рисунок 1 - Условная схема сети сбора и передачи данных о растении
В качестве стандарта передачи данных от ботов и датчиков выбран стандарт ЬоЯа на частоте 433МГц. Собственно, аббревиатура LoRa объединяет в себе метод модуляции LoRa в беспроводных сетях LPWAN, разработанный Semtech, и открытый протокол LoRaWAN. Разработчики LoRa позиционируют LoRa как технологию, имеющую
значительные преимущества перед сотовыми сетями и WiFi благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций на расстояниях до 20 км. и скоростях до 50 Кбит/с., при минимальном потреблении электроэнергии, обеспечивающем несколько лет автономной работы на одном аккумуляторе типа АА.
Узлы сети LoRa могут выполнять различные функции, такие как: измерения, управление и контроль. Обычно такие узлы располагаются удаленно друг от друга, и ко всему этом имеют питание от АКБ или батарей.
Данные от узлов передаются в обе стороны — от узла к ретранслятору и обратно. Узлы работают в режиме передачи лишь краткие промежутки времени, далее открывается временное окно на прием данных. Остальное время узлы находятся либо в спящем состоянии, либо в состоянии приема. Бот или датчик - точка (end-node) передает данные на ретранслятор короткими посылками по заданному графику. Инициатором обмена выступает сам конечный узел (end-node). Точка (end-node), как правило, не требует получения подтверждения своего сообщения ретранслятором. В остальное, более продолжительное время, передатчик бота находится в режиме энергосбережения или сна (sleep). Ретранслятор находится в режиме приема большую часть времени, кроме времени запроса данных по графику.
Для целей сбора данных о растении данный стандарт подходит как нельзя лучше: объемы данных небольшие, а, следовательно, нет потребности в больших скоростях передачи данных, и расстояния передачи данных при сильно разветвленной сети могут обеспечить наличие одного ретранслятора на весь комплекс (теплиц или всего здания при использовании в ГСХ). Каждый ГидроБот осуществляет передачу данных о текущем растении на ретранслятор. Также в сети могут быть использованы и другие устройства, передающие данные о растении на ретранслятор, например, листовые мини-датчики, измеряющие транспирацию с листа растения. Ретранслятор осуществляет сбор данных со всех устройств и передает данные в облачное хранилище или любую БД в сети интернет.
Передаваемые пакеты данных от ботов и датчиков имеет следующую структуру:
DATA: 0001 ABCD9999 60 25
Handshake Идентификатор бота Идентификатор растения Влажность субстрата, % Температура воздуха, ОС
>
>
50 10000 9999 6,0 1800 :END
Влажность Освещенность, Израсходовано PH TDS, Конец
воздуха, % lux раствора почвы ppm сообщения
растением, мг
Выводы
1. Определен стандарт передачи данных от ботов и датчиков: LoRa на частоте 433МГц. Разработчики LoRa позиционируют LoRa как технологию, имеющую значительные преимущества перед сотовыми сетями и WiFi благодаря возможности развертывания межмашинных (M2M) коммуникаций на расстояниях до 20 км
2. Стандарт адаптирован применительно к условиям сельхозпроизводства - разработана структура пакетов передаваемых данных.
Список использованных источников:
1. Прогноз научно-технологического развития РФ до 2030 года // Электронный ресурс: http:// prognoz2030.hse.ru /. Дата обращения 02.08.18.
2. Cельское хозяйство перемещается в небоскребы // Электронный ресурс: http://foresight-journal.hse.ru. Дата обращения 02.08.18.
3. Беспроводный Мониторинг Климата и Влажности Почвы // Электронный ресурс: http://www.caipos.com/ru/. Дата обращения 02.08.18.
4. Low Power Wide Area Networks, NB-IoTand the Internet of Things // Электронный ресурс: https://www.keysight.com/upload/cmc_upload/All/AB._IoT_PhilipChang.p df. Дата обращения 02.08.18.
5. Менеджер «Облачных служб» (SCM) // Электронный ресурс: http://iotsmart.ru/products/cloud-services/scm. Дата обращения 02.08.18.
Александр Петрович Гришин*, докт. техн. наук; Андрей Александрович Гришин, канд. экон. наук; Владимир Александрович Гришин
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 1-й Институтский проезд, 5, Москва, 109428, Российская Федерация, *e-mail: 5145411 @mail.ru;
TRANSMISSION MODULE SOFTWARE FOR THE DIGITAL TECHNOLOGY IN AGRICULTURAL PRODUCTION
Alexandr Petrovich Grishin*, Dr. Sc. (Eng.); Andrey Alexandrovich Grishin, Ph. D. (Econ); Vladimir Alexandrovich Grishin
Federal Scientific Agricultural Engineering Center VIM, 1st Institutskiy proezd, 5, Moscow, 109428, Russian Federation, *e-mail: [email protected];
Abstract. Wide spread of high-intensity robotic crop production, will allow to reach self-sufficiency in food at the expense of local multi-storey agricultural complexes, using specially prepared mineral nutrient solutions instead of the soil of megacities, settlements in The far North and in the deserts and, that is, to use Urban agriculture (UA).
There are three main components of the UA: vertical farm, negraneau the cultivation of plants and robotic crop production systems. All these components are based on digital technologies.
One of these technologies - intelligent control robot hydromeliorative plants in artificial ecosystems "Hydrobot 1,0" is the digital technology of cultivation of crop production, oriented on the use in the GSH.
This technology, like all other digital technologies, requires wireless data transmission over long distances.
The purpose of the research is to select and adapt one of the known communication standards in relation to the conditions of agricultural production.
In the section results and their discussion, it is noted that as a standard of data transmission from bots and sensors chosen LoRa standard at a frequency of 433MHz.
It is noted that LoRa has significant advantages over cellular networks and WiFi due to the possibility of deployment of inter-machine (M2M) communications at distances up to 20 km and speeds up to 50 Kbit/s, with minimal power consumption, providing several years of battery life on a single battery type AA.
In addition, it is noted that for the purpose of plant data collection, this standard is best suited: the amount of data is small, and therefore there is no need for high data rates, and data transmission distances with a highly branched network can ensure the availability of one repeater for the entire complex (greenhouses or the entire building when used in UA). Also in the network can be used and other devices that transmit data about the plant to the repeater, for example, mini-sheet sensors that measure transpiration
from the plant leaf. The repeater collects data from all devices and transmits data to the cloud storage or any database on the Internet.
Conclusions: selected and adapted to the conditions of agricultural production-the structure of data packets transmission standard from bots and sensors: LoRa at a frequency of 433MHz.
Keywords: LoRa communication standard, urban agriculture digital technologies.
Alexandr Petrovich Grishin*, Dr. Sc. (Eng.); Audrey Alexandrovich Grishin, Ph. D. (Econ); Vladimir Alexandrovich Grishin
Federal Scientific Agricultural Engineering Center VIM, 1st Institutskiy proezd, 5, Moscow, 109428, Russian Federation, *e-mail: [email protected];
