Помощь студентам в учебе
Разработка системы мониторинга в сфере сельского хозяйства на основе технологии интернета вещей
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Постановка задачи 9
2 Технологии Интернета вещей 11
2.1 Архитектура интернета вещей 11
2.2 Оконечные устройства (Объекты и вещи) 16
2.3. Классификация беспроводных технологий 21
2.3.1 WPAN - Wireless Personal Area Networks 22
2.3.2 WLAN - Wireless Local Area Network 23
2.3.3 WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks 24
2.3.4 WWAN - Wireless Wide Area Networks 25
2.4 Сравнительный анализ стандартов беспроводной связи 25
2.5 Программное обеспечение и пользовательский интерфейс 31
2.6 Выводы по главе 34
3 Этапы построения системы мониторинга с использованием технологии
интернета вещей 36
3.1 Выбор инструментов реализации 36
3.2 Выбор конечных устройств и их установка 37
3.3 Передача данных 49
3.4 Выбор и описание платформы 62
3.5 Разработка программного обеспечения 68
3.6 Разработка дизайна и интерфейса пользователя 73
3.7 Выводы по главе 78
4 Реализация проекта мониторинга SMART-АГРО 80
4.1 Обзор существующий систем мониторинга сельского хозяйства 80
4.2 Настройка оконечных устройство 83
4.3 Настройка связи между компонентами системы 88
4.4 Создания веб-сайта 94
4.5 Описание дальнейшей работы и выводы по главе 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 102
Приложение А 106
Приложение Б 110
Приложение В 113
Приложение Г
1 Постановка задачи 9
2 Технологии Интернета вещей 11
2.1 Архитектура интернета вещей 11
2.2 Оконечные устройства (Объекты и вещи) 16
2.3. Классификация беспроводных технологий 21
2.3.1 WPAN - Wireless Personal Area Networks 22
2.3.2 WLAN - Wireless Local Area Network 23
2.3.3 WMAN - Wireless Metropolitan Area Networks 24
2.3.4 WWAN - Wireless Wide Area Networks 25
2.4 Сравнительный анализ стандартов беспроводной связи 25
2.5 Программное обеспечение и пользовательский интерфейс 31
2.6 Выводы по главе 34
3 Этапы построения системы мониторинга с использованием технологии
интернета вещей 36
3.1 Выбор инструментов реализации 36
3.2 Выбор конечных устройств и их установка 37
3.3 Передача данных 49
3.4 Выбор и описание платформы 62
3.5 Разработка программного обеспечения 68
3.6 Разработка дизайна и интерфейса пользователя 73
3.7 Выводы по главе 78
4 Реализация проекта мониторинга SMART-АГРО 80
4.1 Обзор существующий систем мониторинга сельского хозяйства 80
4.2 Настройка оконечных устройство 83
4.3 Настройка связи между компонентами системы 88
4.4 Создания веб-сайта 94
4.5 Описание дальнейшей работы и выводы по главе 98
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 100
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 102
Приложение А 106
Приложение Б 110
Приложение В 113
Приложение Г
Продовольственная проблема - это глобальная проблема всего человечества. Дефицит продуктов сопровождал человечество на всем протяжении его развития. В связи с развитием мировой торговли и транспорта эта проблема несколько ослабла, но не исчезла. Причем, современная мировая продовольственная ситуация трагична. По прогнозам ООН, к 2050 году будет необходимо производить на 70 % больше продуктов питания, чем сейчас, чтобы прокормить растущее население Земли. [1] Для сельского хозяйства это означает регулярный и постоянно растущий спрос на сельскохозяйственную продукцию, а также появление ряда новых вызовов и принципиально новых требований к уровню производительности в целом. Многие страны возлагают большие надежды на цифровизацию экономик, понимая под этим различные элементы автоматизации. Одним из наиболее эффективных инструментов в достижении нового уровня цифровизации может стать «Интернет вещей» (Internet of Things, IoT) и появление «Умного сельского хозяйства», которое будет ставить перед собой цель максимально автоматизировать сельскохозяйственную деятельность, повысить урожайность и качество продукции .
Интернет вещей — сегодня этот термин можно услышать чуть ли не на каждом шагу. Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это единая сеть физических объектов, способных изменять параметры внешней среды или свои, собирать информацию и передавать её на другие устройства[2].Если обратиться к википедии в поисках определения для термина “интернет вещей”, можно увидеть следующее: Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы,
исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.
Сегодня Интернет вещей состоит из слабо связанных между собой разрозненных сетей, каждая из которых была развернута для решения своих специфических задач. Интернет вещей проникает в самые разные устройства и приложения, которые могут использоваться во всех отраслях промышленности и таким образом соединит огромное количество устройств. За последние пять лет, в качестве устройства связи, лидируют смартфоны, которые помогают решать повседневные задачи. Как только Интернет-вещей станет обыденным, легко вообразить целые категории потребительских приложений и бизнес - приложений, задействованных в этой новой системе, которую можно описать понятием “подключенная жизнь”. Это включает строительную и бытовую автоматизацию, системы отопления и кондиционировании воздуха, управление дорожным движением (например, умный светофор), организацию заботы о пожилых людях, системы безопасности, а также подключенные к интернету автомобили и наружную рекламу[3].
С одной стороны, повсеместно развернутые сети датчиков открывают новый мир полезных приложений. Вместе с тем все эти новшества создают целый ряд проблем с передачей и обработкой информации, а так же появляется возможность попадания сети датчиков в руки злоумышленника. Такое особенно вероятно, если сеть напрямую управляет физическими устройствами с помощью коммуникаций "машина-машина"(machineto-machine, M2M). [3] Таким образом, при подключении сети IoT, нам необходимо создать качественное соединение всех компонентов системы, обеспечить своевременную и доверительную передачи информации и обезопасить их взаимодействия. Этого можно добиться путем проверки и анализа передаваемых устройствами параметров, проведения сравнения существующих систем дистанционного контроля устройств Интернета вещей и разработку системы контроля и мониторинга различной информации.
Выпускная квалификационная работа направлена на исследования вопроса использования технологии IoT в современных проблемам сельского хозяйства. В ходе написания работы были описаны архитекторы подсистем и всей системы мониторинга. Проведен анализ конечных устройств, существующих технологий беспроводной передачи данных, создание программного обеспечения и базы данных, способы реализации клиентской части. Проведен обзор аналогичных систем мониторинга сельского хозяйства. Предложены этапы разработки программного обеспечения и пользовательского интерфейса. В ходе работы выявлены преимущества и недостатки различных технологий, и предложены наработки IoT подсистем для системы мониторинга.
Интернет вещей — сегодня этот термин можно услышать чуть ли не на каждом шагу. Интернет вещей (Internet of Things, IoT) — это единая сеть физических объектов, способных изменять параметры внешней среды или свои, собирать информацию и передавать её на другие устройства[2].Если обратиться к википедии в поисках определения для термина “интернет вещей”, можно увидеть следующее: Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) — концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), оснащённых встроенными технологиями для взаимодействия друг с другом или с внешней средой, рассматривающая организацию таких сетей как явление, способное перестроить экономические и общественные процессы,
исключающее из части действий и операций необходимость участия человека.
Сегодня Интернет вещей состоит из слабо связанных между собой разрозненных сетей, каждая из которых была развернута для решения своих специфических задач. Интернет вещей проникает в самые разные устройства и приложения, которые могут использоваться во всех отраслях промышленности и таким образом соединит огромное количество устройств. За последние пять лет, в качестве устройства связи, лидируют смартфоны, которые помогают решать повседневные задачи. Как только Интернет-вещей станет обыденным, легко вообразить целые категории потребительских приложений и бизнес - приложений, задействованных в этой новой системе, которую можно описать понятием “подключенная жизнь”. Это включает строительную и бытовую автоматизацию, системы отопления и кондиционировании воздуха, управление дорожным движением (например, умный светофор), организацию заботы о пожилых людях, системы безопасности, а также подключенные к интернету автомобили и наружную рекламу[3].
С одной стороны, повсеместно развернутые сети датчиков открывают новый мир полезных приложений. Вместе с тем все эти новшества создают целый ряд проблем с передачей и обработкой информации, а так же появляется возможность попадания сети датчиков в руки злоумышленника. Такое особенно вероятно, если сеть напрямую управляет физическими устройствами с помощью коммуникаций "машина-машина"(machineto-machine, M2M). [3] Таким образом, при подключении сети IoT, нам необходимо создать качественное соединение всех компонентов системы, обеспечить своевременную и доверительную передачи информации и обезопасить их взаимодействия. Этого можно добиться путем проверки и анализа передаваемых устройствами параметров, проведения сравнения существующих систем дистанционного контроля устройств Интернета вещей и разработку системы контроля и мониторинга различной информации.
Выпускная квалификационная работа направлена на исследования вопроса использования технологии IoT в современных проблемам сельского хозяйства. В ходе написания работы были описаны архитекторы подсистем и всей системы мониторинга. Проведен анализ конечных устройств, существующих технологий беспроводной передачи данных, создание программного обеспечения и базы данных, способы реализации клиентской части. Проведен обзор аналогичных систем мониторинга сельского хозяйства. Предложены этапы разработки программного обеспечения и пользовательского интерфейса. В ходе работы выявлены преимущества и недостатки различных технологий, и предложены наработки IoT подсистем для системы мониторинга.
В рамках дипломной работы мною был предложен проект системы мониторинга сельского хозяйства SMART-АГРО. На данный момент продовольственная проблема одна из главных в мире. На мой взгляд одним из наиболее эффективных инструментов решения данной проблемы это цифровизация сельского хозяйства. Создания «Умного сельского хозяйства» может максимально автоматизировать сельскохозяйственную деятельность и даст подробный мониторинг нужных параметров, что повысить урожайность и качество продукции. Поэтому мной был проведен анализ в данной области.
При обзоре аналогичный систем мониторинга для сельского хозяйства, выявлены недостатки систем, которые уже существуют на рынке. Например, данные системы в России не распространены, а заграничные аналоги имеют небольшие недостатки по сравнению с нашей системой, например большое количество оборудования или неподходящие датчики для сбора информации.
В работе содержится описание концепции технологии интернета вещей, развитие данной технологии, описание архитектуры технологии, а так же была предложена архитектура системы мониторинга на основе интернета вещей. Были описаны и проанализированы основные компоненты архитектуры технологии интернета вещей, а именно конечные устройства, технологии беспроводной связи, программное обеспечение и пользовательский интерфейс. В итоге этого была выбрана архитектура проекта:
- объекты и сенсоры, которые собирают информацию;
- базовые станции какой либо технологии беспроводной связи;
- iot платформа для обработки и анализа информации;
- устройства и приложения для мониторинга информации.
Далее определили конкретные компоненты для данного проекта и предложили способы реализации проекта. Были подобраны конечные устройства, проанализировали технологию передачи данных LoRaWAN, выбрали основной сетевой протокол передачи данных, а также платформу IoT. Описали архитектуру серверной и клиентской части и определили какие языки программирования понадобится при разработки.
На практике были проведены эксперименты с имеющемся оборудованием. Проведены настройки конечного устройства, установки датчиков и программировании микроконтроллера. Показано как можно организовать передачи данных от конечный устройств до сервера с базой данных на примере протокола MQTT. Приведен пример реализации клиентской части и как предлагается отображать показания датчиков для понимания пользователя.
При написании выпускной работы воспользовался наработками курсах IoT Академия Samsung. Ранее проект системы мониторинга параметров окружающей среды для сельского хозяйства разрабатывался в рамках программы поддержки коммерчески ориентированных научно -технических проектов молодых ученых «УМНИК». Стоит отметить, что проект имеет некоторые проблемы, например нехватка нужного оборудования или приобретение доменного имени требуется денежные вложения.
Надо помнить, что интернет вещей становится реальностью. Постоянный и увеличивающийся обмен данными требует развития новых сервисов, которые должны соединить нас с физическим миром вокруг. Эти сервисы также должны быть построены на полностью новых бизнес-моделях и обеспечить новые финансовые потоки. С помощью Интернета вещей взаимодействие объектов, среды и людей будет во многом переплетено, что обещает сделать мир «умным» - более благоустроенным для человека. Поэтому развитие подобных систем будет способствовать развитию многих сфер нашей страны.
При обзоре аналогичный систем мониторинга для сельского хозяйства, выявлены недостатки систем, которые уже существуют на рынке. Например, данные системы в России не распространены, а заграничные аналоги имеют небольшие недостатки по сравнению с нашей системой, например большое количество оборудования или неподходящие датчики для сбора информации.
В работе содержится описание концепции технологии интернета вещей, развитие данной технологии, описание архитектуры технологии, а так же была предложена архитектура системы мониторинга на основе интернета вещей. Были описаны и проанализированы основные компоненты архитектуры технологии интернета вещей, а именно конечные устройства, технологии беспроводной связи, программное обеспечение и пользовательский интерфейс. В итоге этого была выбрана архитектура проекта:
- объекты и сенсоры, которые собирают информацию;
- базовые станции какой либо технологии беспроводной связи;
- iot платформа для обработки и анализа информации;
- устройства и приложения для мониторинга информации.
Далее определили конкретные компоненты для данного проекта и предложили способы реализации проекта. Были подобраны конечные устройства, проанализировали технологию передачи данных LoRaWAN, выбрали основной сетевой протокол передачи данных, а также платформу IoT. Описали архитектуру серверной и клиентской части и определили какие языки программирования понадобится при разработки.
На практике были проведены эксперименты с имеющемся оборудованием. Проведены настройки конечного устройства, установки датчиков и программировании микроконтроллера. Показано как можно организовать передачи данных от конечный устройств до сервера с базой данных на примере протокола MQTT. Приведен пример реализации клиентской части и как предлагается отображать показания датчиков для понимания пользователя.
При написании выпускной работы воспользовался наработками курсах IoT Академия Samsung. Ранее проект системы мониторинга параметров окружающей среды для сельского хозяйства разрабатывался в рамках программы поддержки коммерчески ориентированных научно -технических проектов молодых ученых «УМНИК». Стоит отметить, что проект имеет некоторые проблемы, например нехватка нужного оборудования или приобретение доменного имени требуется денежные вложения.
Надо помнить, что интернет вещей становится реальностью. Постоянный и увеличивающийся обмен данными требует развития новых сервисов, которые должны соединить нас с физическим миром вокруг. Эти сервисы также должны быть построены на полностью новых бизнес-моделях и обеспечить новые финансовые потоки. С помощью Интернета вещей взаимодействие объектов, среды и людей будет во многом переплетено, что обещает сделать мир «умным» - более благоустроенным для человека. Поэтому развитие подобных систем будет способствовать развитию многих сфер нашей страны.