Программное обеспечение модуля передачи данных для цифровых технологий сельхозпроизводства

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].

Рисунок 1- Условная схема сети сбора и передачи данных о растении

В качестве стандарта передачи данных от ботов и датчиков выбран стандарт LoRa 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 (endnode) 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:

>

Выводы