Εφαρμογή του διαδικτύου των πραγμάτων σε περιβάλλον έξυπνης γεωργίας

Abstract

Η ραγδαία πρόοδος και ανάπτυξη της επιστήμης της Πληροφορικής τις τελευταίες 3 δεκαετίες οδήγησε στην εξάπλωση του Παγκοσμίου Ιστού, που στις μέρες μας έχει κατακλύσει την καθημερινή μας ζωή. Σε αυτό, βέβαια, συνέβαλε και η εκρηκτική ανάπτυξη που παρατηρείται στον τομέα των φορητών συσκευών και τον μικροϋπολογιστών (barebones), που η χρήση τους κατέκλυσε όλο τον πλανήτη. Αποτέλεσμα ήταν η εμφάνιση και εξάπλωση της έννοιας του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things - IoT), που αναφέρεται στην σύνδεση όλων των φορητών συσκευών στο Διαδίκτυο. Φυσικό συνεπακόλουθο ήταν να επικρατήσει μια απαίτηση, σύμφωνα με την οποία, οι λύσεις που παρέχονται από την τεχνολογία να χρησιμοποιούνται προς όφελος του ανθρώπου με σκοπό την επίλυση προβλημάτων που αντιμετωπίζει στη ζωή του. Βεβαίως, τα προβλήματα για τα οποία πρωτίστως αναζήτησε λύση ο άνθρωπος είναι αυτά τα οποία σχετίζονται με το επάγγελμά του, αφού ο άνθρωπος είναι οικονομικά εξαρτημένος από αυτό, όπως επίσης και αποκομίζει σημαντική ποσότητα ψυχικής και σωματικής κόπωσης κατά την εκτέλεση των καθηκόντων του. Έτσι, αναζήτησε λύσεις που θα του επέτρεπαν να γίνει αποδοτικότερος και να εργαστεί με λιγότερη κόπωση, ώστε να βελτιώσει την ποιότητα ζωής του. Παράλληλα, τα τελευταία χρόνια η ανάπτυξη οικολογικής συνείδησης οδήγησε σε αναζήτηση «πράσινων» λύσεων, δηλαδή ανάπτυξη επιχειρηματικής λογικής που θα έχει μειωμένο περιβαλλοντικό αποτύπωμα στο ήδη επιβαρυμένο φυσικό περιβάλλον. Από τα επαγγέλματα που ήταν πρόσφορο το έδαφος για ανάπτυξη τέτοιων λύσεων, μεγάλο όφελος αποκόμισε ο πρωτογενής τομέας παραγωγής και πιο συγκεκριμένα η καλλιέργεια αγροτικών ειδών. Τα γεωργικά μηχανήματα στις μέρες μας είναι υπερσύγχρονα και παρέχουν πληθώρα διευκολύνσεων στον καλλιεργητή, ο οποίος όμως εξαιτίας της ευκολίας που του παρέχουν και ορμώμενος από τις δύσκολες οικονομικές συγκυρίες της εποχής, επιδιώκει να καλλιεργήσει μεγαλύτερες εκτάσεις με σκοπό να επιτευχθεί ένα αξιοπρεπές βιοτικό επίπεδο. Ενώ κάτι τέτοιο μπορεί να ακούγεται σχετικά απλό, στην πραγματικότητα δεν είναι γιατί αυξάνονται οι αρμοδιότητες του σε επίπεδο φυσικής παρουσίας και εποπτείας της καλλιέργειάς του. Αυτό, ωστόσο, δεν είναι εφικτό αφού, για παράδειγμα, τα διάφορα αγροτεμάχιά του μπορεί να βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση μεταξύ τους και η μετακίνηση απαιτεί χρήματα για καύσιμα και πολύτιμο χρόνο. Επιπλέον, τα έξοδα αυξάνονται λόγω των αναγκών άρδευσης, λίπανσης και παροχής ηλεκτρικής ενέργειας, με τον καλλιεργητή να καλείται να τα περιορίσει στο αναγκαίο μέτρο ώστε να είναι όσο το δυνατόν αποδοτικότερη η παραγωγή του. Στην παρούσα εργασία, γίνεται μελέτη και κατασκευή ενός αυτοματοποιημένου συστήματος δυναμικής εποπτείας καλλιεργειών, με δυνατότητα ελέγχου καταστάσεων λειτουργίας και παροχής πληροφοριών σχετικών με τις καιρικές συνθήκες. Είναι δομημένο πάνω σε μια συγκεκριμένη γενική αρχιτεκτονική, η οποία υποστηρίζει την ιδέα της σπονδυλωτής κατασκευής(modularity). Ουσιαστικά αυτό σημαίνει ότι με αλλαγές επιμέρους τμημάτων του συστήματος (αισθητήρες, κινητήρες κτλ.), αλλά όχι της λειτουργικότητας, το σύστημα μπορεί να προσαρμοστεί σε διαφορετικά είδη καλλιέργειας. Ακόμη, διασυνδέει σύγχρονες τεχνολογίες IoT με το χρήστη, παρέχοντάς του πληροφορίες για την καλλιέργειά σε πραγματικό χρόνο μέσω φορητών συσκευών που χρησιμοποιούν οποιοδήποτε από τα δύο επικρατέστερα λειτουργικά συστήματα(IOS και Android). Χρησιμοποιεί αισθητήρες και συσκευές (ρελέ) που ελέγχονται από μικροϋπολογιστές χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας τύπου Arduino, με δυνατότητες διασύνδεσης με τον παγκόσμιο ιστό (μέσω WiFi). Το παραπάνω σύστημα επιτυγχάνει μείωση του κόστους παραγωγής μέσω μείωσης της απαιτούμενης ηλεκτρικής ενέργειας κατά την λειτουργία των ενεργοβόρων συστημάτων άρδευσης και λίπανσης. Επιπρόσθετα, δεν καταναλώνονται άσκοπα υδάτινοι πόροι, διότι παρέχει ακρίβεια κατά την άρδευση, ενώ στον τομέα της λίπανσης το κέρδος είναι διπλό: αφενός δεν γίνεται σπατάλη λιπάσματος, με κίνδυνο να πληγεί από την λάθος ποσότητα η παραγωγή, αφετέρου οι μειωμένες ποσότητες έχουν σίγουρα θετικό αντίκτυπο στο περιβάλλον, μειώνοντας την επιβάρυνση που δέχεται η φύση από την αλληλεπίδρασή της με τον άνθρωπο. Μάλιστα, για να επιτευχθεί η σωστή λίπανση αναπτύχθηκε ένα ευφυές αυτόνομο υποσύστημα που λαμβάνει αποφάσεις δυναμικά σε σχέση με την παροχή λίπανσης, χρησιμοποιώντας σαν πυλώνες της λογικής που χρησιμοποιεί τις μετρήσεις από τους διάφορους αισθητήρες. Τέλος, για την ανάδειξη του προτεινόμενου δυναμικού συστήματος παρουσιάζεται μία συγκεκριμένη περίπτωση παραγωγής (συγκεκριμένο use-case), ώστε να γίνει επεξήγηση της αρχιτεκτονικής και βασικών λειτουργιών της, όπως και να εκτελεστούν πειράματα που αναδεικνύουν τα συνολικά οφέλη με στατιστικά στοιχεία προερχόμενα από μετρήσεις του δικτύου αισθητήρων που εγκαταστήσαμε.

The rapid progress and evolution of Computer Science over the last three decades has led to the spreading of the World Wide Web, which has slipped into our everyday lives. Of course, the remarkable growth of the mobile devices and barebones’ sectors has contributed to that, with those devices “flooding” the whole planet. As a result, the concept of Internet of Things (IoT) has emerged and spread, which refers to the connection of mobile devices to the Internet. Hence, using technological solutions to facilitate the everyday life has prevailed rapidly. Naturally, in the foremost place of order, the problems that people tried to solve were those related to their jobs, as they are financially dependent on them. Moreover, people receive physical and mental tiredness from their working environments, so they starting seeking for a solution to allow them work in a more efficient way and with less fatigue, resulting into a higher quality of life and well-being. Additionally, in the last years that environmental awareness has reached higher levels, people intended to find eco-friendly solutions, so that business planning would not burden the environment furthermore. Many solutions of this kind were developed for the primary sector and more specifically agriculture. Agriculture equipment, nowadays, is very sophisticated and uses advanced technology, providing the farmers with a lot of facilitations. As a result, due to the difficult financial situation of our time, farmers tend to have under their responsibilities larger areas under cultivation, in order to increase their incomes and achieve a higher standard of living. Even if that sounds simple, the reality is that people have higher responsibilities in terms of physical presence and supervision. However, that could be quite difficult as fields might be far apart and that would require money for transportation and precious time. Furthermore, costs increase due to higher needs in irrigation, fertilization and electricity consumption, with farmers trying to limit that to a certain point where production does not get affected. In the present study, an automated dynamic cultivation supervision system is designed and developed, capable of inspecting the operation modes and providing weather condition information. It is structured on a specific architecture, supporting modularity. Changing parts of the system (e.g. sensors, motors), but not the general functionality allows it to adapt to different kinds of farming. Besides, the system uses modern IoT technology and users can connect to it through mobile devices using Android or IOS operating systems in order to be provided with info in real time. Everything is achieved by low-energy consumption microcontrollers, with WiFi connection capability, using sensors and relays controlled by them. The project structure is designed having in mind that its cost should be as low as possible. The system described above achieves its goals through reducing farming running costs. Electricity needed by energy-intensive appliances (e.g. pumps) for irrigation and fertilization is reduced and also farming becomes more gentle on the water resources in terms of usage. During fertilization gains are doubled, as fertilizers are not wasted, endangering the health of a crops, but also they do not end up in nature with no reason, so farming becomes more eco-friendly. To achieve proper fertilization, an intelligent autonomous subsystem was created, making decisions dynamically regarding the fertilizations rates. These decisions are made based on feedback received from different kinds of sensors controlled by the processing unit. Finally, it would be an omission if we did not focus on a specific use case, in order to briefly explain the proposed systems’ architecture and functionality, including conducting experiments. That will be the last part of this study in order to give prominence to benefits by providing statistical data based on data from our sensor network.