Измерване на влагосъдържанието на почвата с E-IoT безжична, ad hoc локална мрежа и NB-IoT технология

Золтан Киш, експорт мениджър и ръководител "Научноизследователска дейност", Чаба Кочиш, проектен инженер в Endrich Bauelemente Vertriebs

Вече обяснихме подробно как нискоенергийната безжична ad hoc Neo.Mesh мрежова технология на NeoCortec може да се интегрира в IoT екосистемата на Endrich. Този дизайн предлага възможно решение за събирането на данни от физически мрежи, състоящи се от множество сензори, и предаването им към облак базирана база данни. Тази мащабируема, дълготрайна, захранвана с батерии локална мрежа от смарт сензори е отлична и за приложения в земеделието. Вместо пряка комуникация сензор – облак, за която са нужни множество интернет връзки, е достатъчна една сигурна субгигахерцова локална мрежа с една-единствена интернет връзка. Решението може да се използва при много по-ниски разходи и по-висока надеждност в земеделски или растениевъдски приложения при тежки метеорологични условия.

Интересна област на приложение

Отчитането на влажността на почвата е един от ключовите елементи на екологичния мониторинг и IoT решенията за земеделието и растениевъдството. Точното отчитане на влажността спомага за оптимизиране на графиците за напояване, предотвратяване на преполиване или недостатъчно поливане, насърчаване на устойчива фермерска дейност и повишаване на производителността при минимизиране на загубите на вода. Оборудването на традиционни сензори и електроника за управление със съвременни безжични комуникационни модули и интегрирането на IoT са разпространена и интересна задача, която има смисъл, ако искаме да получим представа за условията на почвената влажност в големи плантации, използвайки изчислителни методи от данните на множество сензори. По време на бизнес пътуване до Южна Америка това лято авторът разговаря с представители на няколко компании, където липсата на покритие на телекомуникационни услуги в култивираните площи прави невъзможно или неизгодно използването на смарт сензори с пряка връзка между тях и облак (GSM, SAT и др.). В такива случаи решение може да бъде организирането на сензорите за почвена влажност в ad hoc безжична мрежа, използваща възобновяеми енергийни източници и нискоенергийни модеми, които могат да покрият голяма площ, предоставяйки една-единствена връзка на мрежата с интернет и разходна ефективност. Използваният гейтуей може да бъде устройство, функциониращо в имот с интернет връзка в периферията на зоната, гейтуей със SAT връзка, който е органично интегриран в мрежата от смарт сензори.

E-IOT платформата в комбинация с нискоенергийна ad hoc локална мрежа

Тогава препоръчваме решение с нискоенергийна ad hoc локална сензорна мрежа, например в нашия случай можем да използваме протокола Neo.Mesh на NeoCortec, представен по-рано. Множество смарт сензори с ултраниска енергоконсумация могат да бъдат свързани към локална, субгигахерцова безжична мрежа, в която един-единствен концентратор на данни/гейтуей с интернет връзка пренася данните до облачната база данни чрез мобилната мрежа, напр. чрез LTE-M или NB-IoT, дори със сателитна или кабелна връзка. Тази модулна инфраструктура на сензорната мрежа предлага комуникация от множество точки към облака през LPLAN-LPWAN/WAN гейтуея.

E-IoT безжичен предавател

Като експеримент създадохме сензор, който работи на капацитивния принцип и предава сигнал, пропорционален на влажността на повърхностния почвен слой чрез Neo.Mesh мрежата. Мрежата от сензори, поставени на до 100 м един от друг, е подходяща за обхващане на относително големи площи, поради приложимостта на голям брой (хиляди) възли без загуба на данните, тъй като всеки сензор функционира като повторител и открива данните в същото време, когато се предават към целевия гейтуей. През деня интегрираният соларен панел осигурява енергия за електронните компоненти във всеки възел, а през нощта непрекъснатата работа се гарантира от презареждаща се батерия.

Тази технология предлага възможности за непрекъснат мониторинг, което я прави ценна за прецизни земеделски и растениевъдски дейности. Фактори като състава на почвата и температурата обаче могат да повлияят на точността на капацитивните сензори за влажност на почвата, което налага извършването на подходящо калибриране с оглед получаване на надеждни резултати. За целта има и температурен сензор, измерващ температурата на почвата на върха на нашия сензор, чийто сигнал също се изпраща. Тъй като устройството е прост детектор за влажност на почвата, няма други химични или физични сензори и не може да измерва характеристиките на почвения състав и структура. Това може би не е толкова важно, защото искаме само да индикираме промените и формираме представа за необходимостта от напояване.

Функциониране на смарт сензора

След като описахме принципа на измерване, бихме искали да покажем колко лесно може да се използва NeoCortec модулът в смарт сензори. Интегрираният ARM M0+ микроконтролер елиминира нуждата от допълнителни микроконтролери, с цел да се осигури минимално енергопотребление. Наличният фърмуер позволява едновременното анализиране на няколко аналогови напреженови сигнала, за да може да се измерят едновременно съпротивлението на NTC термистора за отчитане на почвената температура и изходното напрежение на капацитивния детектор за влажност. Данните се предават на 20-секундни цикли в късо 21-битово съобщение към съседния модул, който го препраща към гейтуея чрез мрежата. Възможно е да се свърже и вътрешният HTU21 сензор за температура и влажност на модула чрез I2C шината, така че стойностите на температурата и влажността на околната среда също да се изпращат в базата данни.

www.endrich.com