Se propone una solución de bajo costo, bajo consumo de energía y baja velocidad de datos para cumplir con los requisitos de monitoreo de información para granjas agrícolas reales a gran escala. Una finca a pequeña escala se puede administrar fácilmente. Por el contrario, una granja grande requerirá equipos de automatización que contribuyan a la producción de cultivos. La medición de las propiedades del suelo basada en sensores juega un papel integral en el diseño de una granja agrícola totalmente automatizada y también proporciona resultados más satisfactorios que cualquier método manual. Las soluciones de monitoreo de información existentes son ineficientes en términos de mayor costo de implementación y rango de comunicación limitado para adaptar la necesidad de las granjas agrícolas a gran escala. Se propone un módulo de comunicación en serie de bajo consumo, largo alcance y bajo costo para enfrentar los desafíos de monitorear la información a largas distancias. En el sistema propuesto, Se implementa un mecanismo de comunicación basado en árboles para ampliar el rango de comunicación agregando nodos intermedios. Cada nodo sensor consta de un panel solar, una celda recargable, un microcontrolador, un sensor de humedad y una unidad de comunicación. Cada nodo puede funcionar como nodo sensor y nodo de enrutador para el tráfico de red. Los registros de datos minimizados desde el nodo central se envían diariamente a la nube para fines analíticos futuros. Después de realizar un experimento detallado a la vista, la distancia de comunicación midió 250 m entre dos puntos y aumentó a 750 m al agregar dos nodos intermedios. La corriente de trabajo mínima de cada nodo fue de 2 mA y la tasa de pérdida de paquetes fue de aproximadamente 2 a 5% en diferentes tamaños de paquetes de toda la red.
Palabras clave: monitoreo de información, sensor, agricultura inteligente, red de sensores inalámbricos
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1. Introducción
La agricultura inteligente representa la aplicación de tecnologías modernas de información y comunicación a la agricultura. Potencialmente, puede generar una producción agrícola productiva y sostenible basada en un enfoque preciso y eficiente en el uso de recursos. Los sensores en las granjas agrícolas permiten a los agricultores obtener datos detallados en tiempo real como variables, como la temperatura del suelo y ambiente, el agua de riego y la conductividad del suelo, y el suelo o el pH del agua de riego. Con el uso de tecnologías de comunicación, estos datos se pueden transmitir a pasarelas para desencadenar las acciones necesarias basadas en las propiedades del suelo y los registros de datos, que se pueden enviar a la nube para análisis futuros [ 1 , 2 ].
Para acceder a datos de campo con un cableado mínimo, fácil instalación y bajo esfuerzo de mantenimiento, diferentes aplicaciones que utilizan las características de detección distribuida de las redes de sensores inalámbricos (WSN), incluido el monitoreo del agua [ 3 , 4 , 5 ], bosque [ 6 , 7 ], industrial [ 8 , 9 ], agricultura [ 10 , 11 , 12 ], medioambiental [ 13 , 14 ] y ciudad inteligente y marco comunitario [ 15 , 16] Haber emergido. Estas tecnologías son plataformas adecuadas para implementar sistemas inalámbricos en la agricultura debido a las propiedades orientadas a la aplicación de las WSN. Una WSN es una colección de nodos que funcionan de forma cooperativa. Cada nodo incluye un microcontrolador, una fuente de alimentación y una unidad de comunicación, y puede alojar varios sensores. Los datos del sensor se transfieren a una puerta de enlace utilizando la unidad de comunicación a través de uno o varios saltos.
Las WSN están emergiendo como una gran ayuda para mejorar la calidad agrícola, la productividad y la optimización de recursos. En la actualidad, la investigación sustancial [ 17 , 18 , 19 , 20] se ha centrado en el desarrollo de sistemas WSN eficientes que proporcionarán una supervisión y una automatización detalladas de los procesos agrícolas. Los valores medidos de los nodos de sensores de suelo deben transferirse de manera confiable a una puerta de enlace a través de un medio de comunicación. Los WSN pueden recopilar datos de los nodos de sensores de campo con bajo costo, cableado mínimo, fácil instalación y mejor mantenimiento. Una red basada en WSN comprende nodos finales para obtener la medición de datos de campo (por ejemplo, temperatura y humedad), un módulo de comunicación para la transmisión de datos (por ejemplo, ZigBee) y un controlador central para administrar los datos de los sensores, activar los actuadores y almacenar datos [ 21 , 22 ].
Actualmente, las tecnologías de comunicación ZigBee, Bluetooth, Cellular y otras más utilizadas tienen sus pros y sus contras [ 23 , 24 ]. En un sistema, los parámetros ambientales de campo recopilados, por ejemplo, la humedad, la temperatura se utilizan para enviar a través del módulo ZigBee hacia el nodo receptor y un módulo GPRS se integra en el nodo receptor para la comunicación a larga distancia con el servidor que realizó el monitoreo de información centralizado, visualización de datos, almacenamiento de datos. y realiza análisis de datos en el invernadero [ 25 ]. En un sistema de detección de información de tráfico, Bluetooth se utiliza para transmitir los parámetros del vehículo, por ejemplo, posición y velocidad, etc. [ 26]. Se propone un sistema de supervisión de sensores basado en GPRS para garantizar la transmisión precisa de datos a larga distancia en un entorno distribuido [ 27 ]. Sin embargo, ZigBee y Bluetooth son tecnologías de radio de corto alcance y no son adecuadas para escenarios de transmisión de largo alcance. 2G, 3G, 4G y otras soluciones basadas en la comunicación celular pueden proporcionar una cobertura más amplia, pero consumen demasiada energía y aumentan los costes operativos [ 24 ].
Los objetivos centrales de la construcción del sistema de destino son la cobertura de distancia, la rentabilidad y la fiabilidad de la comunicación. En este trabajo, se utiliza un módulo de comunicación de bajo costo llamado HC12 para la transmisión de datos a larga distancia en la finca agrícola. El HC12 tiene un rango de comunicación de 200 a 1000 m en un escenario punto a punto. Sin embargo, en comparación con el sistema propuesto, la comunicación celular y las soluciones basadas en LPWAN [ 24 , 28] proporcionan un mejor alcance de comunicación a varios kilómetros a la vista. Sin embargo, existe una compensación entre la cobertura de la distancia y la ubicación de los nodos en cada zona. Por ejemplo, si la distancia de ubicación de los nodos aumenta en kilómetros en aras de un rango de comunicación más alto, es posible que un agricultor no pueda medir las zonas intermedias. Por el contrario, si la distancia de ubicación de los nodos disminuye, no es necesario implementar un sistema costoso. En nuestra aplicación, la cobertura de zona y la cobertura de distancia son igualmente importantes. Para tener en cuenta los requisitos de la aplicación, HC12 se ha considerado la solución más adecuada. Se ha diseñado un mecanismo de red para extender la comunicación agregando nodos intermedios. A nuestro leal saber y entender, el trabajo propuesto puede ajustarse mejor a los requisitos de la aplicación.
El resto de este documento está organizado de la siguiente manera: Las tecnologías de IoT existentes en el monitoreo de información se analizan en la Sección 2 . El componente clave y la tecnología propuesta se presentan en la Sección 3 . La metodología detallada del sistema propuesto se analiza en la Sección 4 . En la Sección 5 se presenta y comenta un conjunto de experimentos en tiempo real . Finalmente, las conclusiones, la limitación y el trabajo futuro se resumen en la Sección 6 .
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2. Revisión de la literatura
El papel de las WSN en la agricultura se ha vuelto prominente como parte de la iniciativa de agricultura de precisión (AP), y estas redes ayudan a constituir AP [ 1 , 17 ]. La adaptación de sistemas WSN en agricultura ha sido ampliamente explorada en la última década [ 22 , 29 ] desde diferentes perspectivas, por ejemplo, diseño de plataforma inalámbrica para un mejor rendimiento, estrategia de implementación óptima de nodos de sensores y sistemas de gestión de riego automatizados para ahorrar agua. En [ 30 ], los parámetros de la capa MAC IEEE 802.15.4 se ajustan correctamente para seguir la frecuencia de muestreo de los nodos de sensores de acuerdo con los requisitos de la agricultura de precisión. Se propone un patrón de despliegue de nodos de sensores de calidad para la agricultura de precisión [ 31]. El método utiliza varias métricas para cuantificar los patrones de implementación de sensores para proporcionar conectividad cualitativa en la granja. Desde la perspectiva de los costos, el problema del despliegue óptimo se logra manteniendo el nivel deseado de cobertura y conectividad con un número mínimo de nodos [ 32 ]. Además, la gestión del sistema de riego se analiza ampliamente para ahorrar agua [ 22 , 33 , 34 ]. Por ejemplo, el valor en tiempo real de las zonas de raíces de la planta se mide de manera distribuida y se usa un valor umbral en la puerta de enlace para lograr el ahorro de agua [ 21]. Recientemente, un sistema de apoyo a la toma de decisiones (DSS) integrado en la puerta de enlace de la red superó los métodos de última generación basados en el umbral de parámetros [ 22 ].
De hecho, la mayor parte del esfuerzo se ha realizado en el diseño y las estrategias de implementación para WSN con la realización de la capacidad de detección y una mejor gestión en la agricultura de precisión. Considerando que, la transmisión confiable de datos en tiempo real adquirida por sensores en red a larga distancia ha sido menos investigada. Aunque, muchos investigadores han centrado la atención en el estudio y diseño de la transmisión de datos en el entorno WSN, los inconvenientes comunes son su cobertura de distancia limitada o su mayor costo de implementación. Por ejemplo, ZigBee siempre se ha considerado una solución óptima debido a su bajo consumo de energía y fuerte movilidad [ 35 , 36 , 37]; sin embargo, su alcance de transmisión de datos está limitado a 100 m entre dos puntos. El recuento de dispositivos ZigBee aumenta cuando se requiere cubrir más de 100 m; por lo tanto, el costo de implementación y la sobrecarga de la red también aumentarán. Para garantizar la cobertura de larga distancia, se utiliza una solución basada en GSM en la que cada nodo contiene un módulo GSM y envía directamente los datos de sus sensores a la nube, cambiando así la topología de la red de centralizada a distribuida [ 38 ]. Aunque se elimina la tensión de cobertura, el costo de implementación y la complejidad de la instalación son extremadamente altos. Recientemente, se ha propuesto una solución de red de área amplia de baja potencia (LPWAN) basada en LoRa para resolver el problema de monitoreo de información en un área extensa [ 28]. Un módulo de comunicación LoRa proporciona una transmisión de datos confiable a una distancia de más de 1 km en un entorno relativamente complejo; sin embargo, el principal inconveniente de la solución LPWAN es que requiere una suscripción anual de un solo proveedor (Semtech) [ 39 ] y una puerta de enlace dedicada llamada NB-IoT / LoRaWAN [ 24 ], que puede resultar costosa.
Uno de los desafíos actuales es diseñar un sistema rentable para la transmisión de datos de campo a larga distancia, que es más deseable en esta aplicación, que rara vez se explora. Por lo tanto, el estudio actual propone e implementa una red de sensores inalámbricos de bajo costo, que se puede utilizar como modelo de referencia para la recolección de datos de sensores de campo en un área amplia. Sin embargo, algunos sistemas de monitoreo de información basados en WSN ya están disponibles [ 22 , 28 , 34 , 38 ], pero el inconveniente común de estos sistemas es el costo de implementación extremadamente alto cuando aumenta el número de dispositivos.
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3. Granja de modelos basada en IoT
Nuestra solución propuesta es específica de la aplicación y consta de sensores de humedad, microcontroladores, módulos de comunicación por radiofrecuencia, paneles solares, una puerta de enlace basada en Linux, un módulo de conectividad a Internet y almacenamiento en la nube. El diagrama del diseño del sistema propuesto se muestra enFigura 1. La solución está diseñada con el objetivo final de garantizar una cobertura de alta distancia con un costo de implementación mínimo.
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Figura 1
Diagrama de bloques de una granja agrícola basada en IoT.
3.1. Descripción general de HC12
HC12 [ 40 ] es un módulo de transmisión inalámbrica semidúplex de nueva generación, que tiene un rango de frecuencia de 433,4 a 473,0 MHz. El módulo tiene varios canales integrados y puede utilizar 100 canales con un paso de 400 KHz. La potencia de transmisión máxima del módulo es de 100 mW (20 dBm), la sensibilidad de recepción es de −112 dBm a una velocidad de 9600 baudios en el aire y la distancia de comunicación es de 200 a 1000 m en espacio abierto. El rango de comunicación más lejano se puede lograr cuando un módulo se configura a una velocidad de datos baja. Se pueden configurar tres modos de trabajo, llamados FU1, FU2 y FU3, para adaptarse a diferentes requisitos de aplicación. FU1 y FU2 son modos de ahorro de energía, mientras que FU3 es el modo de máxima potencia.
3.2. Descripción general de Orange-Pi
Orange PI es una computadora de placa única de código abierto que puede funcionar con una alimentación de 5 V. Tiene 512 MB de SDRAM y 2 MB de flash de interfaz periférica serie (SPI) incorporada y puede admitir un máximo de 32 GB de tarjeta TF. Orange PI tiene hasta 26 pines de entrada / salida (E / S) de propósito general, que se pueden usar para varios propósitos, dos ranuras USB 2.0, una SPI, una I2C, tres transmisores receptores asíncronos universales (UART) y un hardware real -reloj / calendario. El microcontrolador es adecuado para esta aplicación remota y puede ejecutar los sistemas operativos (SO) Android 4.4, Ubuntu, Debian y Raspbian.
3.3. Descripción general del módulo 2G (SIM900)
El módulo 2G es un módulo basado en GSM que puede ofrecer un rendimiento de 850/900/1800/1900 MHz para voz y datos. El módulo se comunica con la placa principal mediante comandos AT a través de una interfaz serie UART. El rango de voltaje de funcionamiento es de 4,5 a 5,5 V. En este estudio, este módulo se utiliza para recopilar datos meteorológicos de Internet y establecer una conexión con la nube mediante el protocolo GSM / GPRS. En comparación con 3G o 4G, el módulo 2G es más adecuado para aplicaciones agrícolas porque la mayoría de las granjas agrícolas están ubicadas en el campo, donde 3G o 4G aún no están establecidos. Aunque la tasa de datos es considerablemente más lenta que la última tecnología, la velocidad no es un factor importante en nuestro contexto porque la cantidad de datos recopilados es extremadamente pequeña.
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4. Diseño e implementación del sistema
Nuestro sistema incluye principalmente nodos (instalados en el campo), el nodo central (puerta de enlace) y almacenamiento en la nube, como se presenta en Figura 1. Los datos de campo se miden usando el sensor adjunto del nodo sensor y se transmiten a la puerta de enlace usando un módulo de comunicación HC12 en uno o varios saltos. El nodo central recibe datos de campo de los nodos de sensores, obtiene datos meteorológicos de Open Weather API y envía registros minimizados a la nube utilizando el módulo 2G (GSM / GPRS).
4.1. Diseño de hardware
El diseño de los nodos y la puerta de enlace se ha diseñado observando un escenario de aplicación, por ejemplo, recopilación de datos óptima, bajo consumo de energía y transmisión confiable.
4.1.1. Diseño de hardware del nodo sensor
El trabajo básico de un nodo es recibir una solicitud oportuna de la puerta de enlace a través de una unidad de comunicación, recopilar los parámetros del suelo del campo y enviar los valores resultantes a la puerta de enlace en el paquete de respuesta. Cada nodo comprende un microcontrolador, un sensor de humedad del suelo, una unidad de comunicación HC12 y una unidad de energía solar. Un diagrama de bloques de un nodo se muestra enFigura 2.
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Figura 2
Diseño de hardware del nodo sensor.
La unidad de microcontrolador (MCU) es ATmega328p (Arduino Nano 3.0). La tensión de entrada recomendada para el microcontrolador es de 7 a 12 V y la tensión de funcionamiento (nivel lógico) es de 5 V. La MCU tiene 14 E / S digitales y 8 pines de entrada analógica. Cada pin tiene una corriente continua de 40 mA. La suma de todas las corrientes que entran o salen de los pines de entrada / salida (todos los pines analógicos y digitales combinados) del microcontrolador ATMEGA328P en sí no puede exceder los 200 mA. En nuestro escenario, el nodo sensor ha utilizado 4 pines GPIO (3 digitales y 1 analógico) que está por debajo del límite máximo de ATMEGA328P. La memoria flash de la placa es de 16 KB y SRAM de 2 KB. El sensor de humedad del suelo está conectado a pines analógicos y digitales en la placa del microcontrolador. El microcontrolador controla la potencia del sensor utilizando el pin digital para mantenerlo bajo durante los tiempos de inactividad.
El hardware HC12 consta de una MCU incorporada, una interfaz de comunicación en serie TTL, una fuente de alimentación, un control de modo y una antena. La MCU incorporada se comunica con un dispositivo externo mediante el puerto serie. El HC12 se puede alimentar con un voltaje de 3,2 a 5,5 CC. La transmisión de datos tiene tres modos, a saber, FU1, FU2 y FU3, que se pueden configurar mediante comandos AT de acuerdo con los requisitos de la aplicación.
En este estudio, solo usamos el modo FU3, que tiene un consumo de energía promedio de 16 mA (en estado inactivo) y el consumo de corriente máximo se mide entre 50 y 55 mA (en estado de transmisión). Dos módulos emparejados deben tener el mismo modo de transmisión, velocidad de transmisión serial y canal de comunicación inalámbrica. Además, el módulo es semidúplex y los datos no se pueden enviar y recibir simultáneamente entre dos módulos.
La unidad de potencia consta de un panel solar de 10 W, una placa de protección de batería y una celda de almacenamiento de 3,7. La placa de protección se utiliza para regular la salida de voltaje de un panel solar y para evitar que la celda de carga se sobrecargue. El voltaje de salida de 4 V va directamente al microcontrolador, sensor de suelo y unidad de comunicación. La celda de almacenamiento se carga durante el día, lo que mantiene vivo el nodo del sensor en un clima parcialmente nublado, incluso de noche. La vida operativa del nodo se estimó midiendo el consumo de corriente real. Para el experimento de medición actual, programamos el nodo del sensor para medir continuamente el estado de la humedad del suelo y transmitir los valores resultantes a la puerta de enlace, de forma continua. Mientras se ejecuta el dispositivo en modo de funcionamiento completo, el consumo de corriente medido del nodo sensor fue de 80 a 85 mA. El consumo de corriente del módulo individual, por ejemplo, el microcontrolador, el sensor y el transceptor, se midió como 20 mA, 5 mA y 55 mA, respectivamente. Para la medición de la vida útil, el nodo del sensor se encendió mediante una celda de 3,7 V completamente cargada con una capacidad de 1800 mAh. Como el consumo de corriente del dispositivo fue de 80 a 85 mA, la batería duró casi 20 h en el experimento. El diagrama físico del nodo sensor se muestra enfigura 3.
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figura 3
Diagrama físico del nodo sensor.
4.1.2. Diseño de hardware de Gateway
La puerta de enlace se dedica a recopilar datos de campo de todos los nodos y datos meteorológicos de Internet y a enviar registros de datos minimizados al almacenamiento en la nube. Un dispositivo basado en Armbian, llamado Orange Pi, se utiliza con fines operativos. El dispositivo se instala en una ubicación central en una granja donde hay electricidad disponible, eliminando así la necesidad de un panel solar y una placa de protección. El diseño de hardware del nodo primario comprende una fuente de alimentación de 5 V CC, un dispositivo Orange Pi, un módulo 2G (GSM / GPRS) y una unidad de comunicación HC12. Los módulos HC12 y GPS están conectados a la placa Orange Pi en interfaces seriales. El diagrama de bloques del nodo central se muestra enFigura 4, mientras que el diagrama físico se muestra en Figura 5.
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Figura 4
Diseño de hardware del nodo de puerta de enlace.
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Figura 5
Diagrama físico del nodo de puerta de enlace.
4.2. Diseño de software
El diseño de software del sistema propuesto incluye un mecanismo de comunicación de red basado en árbol integrado en los nodos y un programa de puerta de enlace. Una sola unidad de comunicación no puede satisfacer los requisitos de una granja a gran escala debido a su alcance limitado. Por lo tanto, la lógica completa de la red se implementa en el lado del software de los nodos y la puerta de enlace.
4.2.1. Diseño de software del nodo sensor
El diseño de software de los nodos incluye una función de configuración, un bucle principal, una función de recopilación de datos y lógica de red. La compilación y desarrollo del programa completo se realiza utilizando lenguaje C ++ con software Arduino. En la parte de configuración, establecemos pines de entrada para el sensor, una velocidad en baudios en serie y comandos relacionados con HC12, que incluyen el modo de transmisión, la velocidad en baudios y el canal de transmisión inalámbrico. Un pin SET está disponible en la unidad de comunicación, que debe establecerse a tierra en el momento de la configuración.
La configuración se puede ejecutar en cada reinicio. En el programa principal, un bucle siempre está esperando paquetes entrantes. Si un paquete entrante está destinado a ese nodo, entonces el pin del sensor se activa para recopilar datos de campo y enviar el valor resultante en el paquete de respuesta a la puerta de enlace. El diagrama de flujo completo de los nodos se muestra enFigura 6, en el que se utiliza un nodo para reenviar el paquete si la dirección de destino no coincide con su dirección. En este estudio, solo usamos el sensor de humedad, que recopila datos tres veces y luego toma el promedio para obtener resultados precisos.
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Figura 6
Diagrama de flujo del nodo sensor.
4.2.2. Diseño de software de Gateway
El diseño del software de la puerta de enlace se desarrolla en función del diseño del hardware, que incluye principalmente la configuración, la recopilación de datos y el almacenamiento de datos. La compilación y desarrollo del programa completo se realiza utilizando el lenguaje Python en la imagen del sistema operativo Raspbian. El diagrama de flujo de la puerta de enlace se muestra enFigura 7.
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Figura 7
Diagrama de flujo del nodo de puerta de enlace.
La configuración del nodo central incluye comandos AT para la unidad de comunicación y el módulo GSM y credenciales de inicio de sesión para el almacenamiento en la nube. Después de la configuración inicial, el proceso de recopilación de datos comienza a ejecutarse diariamente por la mañana para recopilar datos de campo y meteorológicos. Este proceso también utiliza un mecanismo de reintento para superar la pérdida de paquetes debido a problemas de conectividad entre los nodos. En cada solicitud de nodo, la respuesta se almacena localmente con una ID de nodo o la ID de nodo se agrega a la lista muerta después del tiempo de espera. Después de completar los datos de todos los nodos y la API de Open Weather, la puerta de enlace inicia el proceso de retransmisión para los nodos fuera de línea utilizando sus nodos vecinos. Finalmente, para ahorrar ancho de banda, la puerta de enlace inicia el proceso de minimización de datos en los datos almacenados localmente, para enviar los registros minimizados a la nube.
4.3. Red de arquitectura
El mecanismo de red está diseñado en base a una topología de árbol. El rango del módulo de comunicación es limitado; por lo tanto, la cobertura de distancia se amplía agregando nodos intermedios. Se utiliza un enfoque simple basado en capas donde cada nodo intermedio crea una capa. El recuento de capas aumenta con el recuento de nodos intermedios. El nodo de la capa inferior depende de la vida útil del nodo de la capa superior, donde la falla de un nodo puede hacer que toda la subred deje de estar disponible. Cada nodo puede albergar de uno a nueve nodos conectados directamente y puede tener muchos nodos conectados indirectamente, como se muestra enFigura 8.
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Figura 8
Arquitectura de red basada en capas.
El nodo de la puerta de enlace se encuentra en la capa superior, lo que genera la solicitud de datos, mientras que todos los nodos sensores se encuentran en las capas inferiores. Cuando el paquete se origina en la capa 0 (puerta de enlace) hacia los nodos objetivo, cada nodo comprueba si el paquete está destinado a él y luego procesa el paquete; de lo contrario, reenvía el paquete a sus nodos secundarios. Para superar el reenvío de paquetes innecesario y la sobrecarga de red, la longitud de la dirección se define en cada capa del árbol (por ejemplo, la capa 1 tiene una dirección de un solo dígito, la capa 2 tiene dos dígitos y la capa 3 tiene tres dígitos de la dirección). La longitud de la dirección de destino en cada nodo se usa para calcular en dígitos antes del reenvío de paquetes. Por ejemplo, se genera un paquete con la dirección de destino 112 y el nodo 1 reenviará el paquete a todos los nodos de su subárbol. Cuando el paquete se recibe en la segunda capa, el nodo 11 reenvía el paquete a sus nodos sensores, mientras que los otros nodos descartan el paquete inmediatamente. La lógica de red para el proceso y el movimiento de paquetes se implementa en el nodo sensor.
Las redes de sensores inalámbricas (WSN) consisten en nodos de sensores autónomos distribuidos espacialmente para monitorear de manera cooperativa ciertos eventos y fenómenos en un área interesante. En comparación con la red cableada, los nodos de la WSN son muy propensos a fallar debido a sus limitados recursos disponibles [ 41 ]. La falla también afecta a la subred si la topología subyacente está basada en árboles. Tal falla no solo causa la pérdida de cobertura del área monitoreada sino que también desarticula algunos nodos con la estación base. Por lo tanto, es crucial restaurar la conectividad de estos WSN dañados.
El problema de restauración de la conectividad se puede resolver colocando el nodo de retransmisión (RN) [ 42 , 43 ]. En nuestro sistema, cada nodo está diseñado para actuar como un nodo sensor y un nodo de retransmisión también. Con la realización de la restauración de la conectividad, clasificamos los nodos vecinos en rutas primarias y secundarias, para redirigir el tráfico en caso de falla. Todos los nodos se consideran vecinos que se colocan dentro de un radio y pueden comunicarse directamente. Cada nodo tiene cuatro vecinos en su radio: en forma de columna, que sigue la ruta primaria verticalmente y en fila, que sigue la ruta secundaria horizontalmente. En caso de cualquier falla en el nodo de la ruta principal, la puerta de enlace redirige el tráfico a la ruta secundaria como se muestra enFigura 9. El nodo se marca como muerto si no responde en el intervalo de tiempo.
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Figura 9
Diagrama de retransmisión para nodos fuera de línea.
Se desarrolla una estructura de paquete personalizado de 10 bytes, como se muestra en tabla 1. En nuestra estructura de paquetes se utilizan tres tipos de ID de paquete (S, F y R). Cuando un paquete se origina en la puerta de enlace, el ID del paquete se establece en S (paquete de estado). Los ID de paquete F y R se utilizan con fines de reenvío y respuesta, respectivamente.
tabla 1
Paquete de red personalizado.
Tipo de campo Número de bytes
ID de paquete 2 bytes
Dirección MAC 2 bytes
Dirección de la fuente 2 bytes
Dirección de destino 2 bytes
Datos N bytes
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5. Resultados y discusión
Se realiza una prueba experimental en línea de visión en una finca de uva a gran escala, que cubre cerca de 700 m de este a oeste y 500 m de norte a sur. La prueba en tiempo real tiene como objetivo medir el rango de comunicación, el tiempo de retardo de la transmisión y la tasa de éxito del paquete en la red en un tamaño de paquete diferente. Los sensores de humedad del suelo se utilizan para medir el nivel de humedad en diferentes áreas de la finca para validar los resultados porque el valor de la humedad es familiar para los agricultores.
5.1. Prueba de distancia de comunicación punto a punto
El primer paso es medir el rango de comunicación entre dos nodos conectados directamente. El nodo central (puerta de enlace) se fija en la esquina este-norte, lo que genera la solicitud de datos para los nodos sensores de manera oportuna. La tasa de respuesta en la puerta de enlace se examina generando una solicitud de datos continua y moviendo lentamente el nodo 1. La distancia óptima medida es de aproximadamente 250 m, como se muestra enFigura 10. Para medir la pérdida de paquetes, se envían 1000 paquetes de baliza desde la puerta de enlace hacia el nodo 1, lo que da como resultado una tasa de pérdida de paquetes del 1,5% entre dos nodos conectados directamente.
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Figura 10
Mapa de distancias de comunicación punto a punto.
5.2. Prueba de distancia de comunicación de esperanza múltiple
El trabajo real de la red se examina mediante una prueba de distancia de comunicación de varios saltos, en la que cada nodo puede servir como un enrutador y una unidad de recopilación de datos. Teniendo en cuenta el resultado anterior, el nodo 1 se fijó inicialmente en la posición n. ° 1 desde donde respondía de manera confiable en la prueba punto a punto. Como nodo móvil, el nodo 11 se movió lentamente, la tasa de respuesta se midió continuamente y el nodo 11 se fijó en la posición 11 a una distancia de 250 m junto al nodo 1. Además, se implementaron dos nodos más (111 y 112) junto al nodo 11 para comprobar el trabajo de varios nodos en la misma capa. Los dos últimos nodos se desplegaron en direcciones opuestas a una distancia de 250 m del nodo 11 en las posiciones # 111 y # 112, como se muestra enFigura 11.
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Figura 11
Mapa de distancias de comunicación de múltiples esperanzas.
Como se muestra en la arquitectura de la red, la puerta de enlace, el nodo 1 y el nodo 11 se encuentran en la capa 0, la primera capa y la segunda capa, respectivamente; mientras que los nodos 111 y 119 están ubicados en la tercera capa. Después de realizar el experimento en el rango de comunicación de nuestra solución propuesta, los nodos se fijan en las mismas posiciones enFigura 11, desde donde están respondiendo de manera confiable. Para concluir la prueba de cobertura de distancia, la distancia punto a punto medida es de 250 m, que aumenta a casi 750 m al agregar dos nodos intermedios.
Se realizó una prueba a largo plazo en los postes fijos en un área abierta de la finca de uva. Cada nodo estaba alimentado por un panel solar monocristalino de 10 W y tenía un sensor de humedad conectado, que medía el estado del suelo en el área. La prueba se llevó a cabo durante 5 días desde el 16 de enero de 2020 hasta el 20 de enero de 2020. El tiempo de solicitud de datos se estableció de 10:00 a.m. a 1:00 p.m. Diariamente, el nodo de puerta de enlace (Nodo 0) obtiene datos meteorológicos (por ejemplo, temperatura y humedad del aire) de OpenWeatherAPI y genera solicitudes de humedad del suelo para los nodos 1, 11, 111 y 112. También se utilizó un mecanismo de reintento en el nodo de la puerta de enlace para mantener un registro diario del estado de humedad en diferentes áreas. Durante la recolección de datos el segundo y tercer día, se vertió agua en las zonas del nodo 111 y 112, respectivamente.
Como se muestra en Figura 12, los resultados indican que el nivel de humedad aumentó considerablemente después de verter el agua. Además, la temperatura y la humedad del aire tienen una fuerte correlación con la humedad del suelo, por lo que estos parámetros se han utilizado en las pruebas. Por ejemplo, el aumento de temperatura provocará una disminución en el porcentaje de humedad.
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Figura 12
Datos históricos de humedad del suelo y clima del nodo 111 y el nodo 112.
5.3. Prueba de rendimiento de la red
El alcance máximo de comunicación de un solo salto es de 250 m de radio. Las pruebas se realizaron con dos y tres saltos, teniendo cada salto una distancia de 250 m. Un enrutador que se colocó entre saltos funcionó como un repetidor. Reconstruyó el paquete y lo reenvió al destino, regenerando así la señal de radio. Se realizó una serie de pruebas en el corredor dentro de la línea de visión, con un tamaño de paquete diferente hasta un máximo de 256 bytes a una velocidad subyacente de 9,6 kbps. Nuestro sistema admite el enrutamiento del siguiente salto para mensajes controlados en el árbol y el enrutamiento de varios a uno a la puerta de enlace.
En esta fase del experimento, se realizó una prueba en tiempo real para verificar la latencia y la tasa de pérdida de paquetes en diferentes tamaños de paquetes. La prueba se realizó durante un tiempo soleado de 10:00 am a 5:00 pm La red constaba de cuatro nodos ubicados en tres capas diferentes. Para cada nodo, se enviaron cientos de paquetes continuamente en cada tamaño de paquete. Por lo tanto, se envió un total de 400 paquetes en cada tamaño de paquete desde la puerta de enlace a los nodos. Se midieron la pérdida de paquetes y el retardo de tiempo para cada nodo de la red. La tasa de pérdida de paquetes se incrementó ligeramente con el tamaño del paquete, pero los resultados por nodo enTabla 2muestran que la tasa de pérdida no depende completamente del tamaño del paquete y que pueden estar involucrados otros factores, como problemas de energía y ubicación de la antena. En la prueba de 16 bytes, la tasa de pérdida del nodo secundario fue menor que la de su principal cuando se implementó una estructura de árbol en la que la pérdida del paquete principal debería reflejar las de sus nodos secundarios. La razón de tal hallazgo es que las solicitudes de datos secuenciales se generan desde el nodo de la puerta de enlace, y la puerta de enlace espera la respuesta del paquete generador y aumenta la ID del nodo en caso de una respuesta de paquete o un tiempo de espera. Podría decirse que el nodo 11 se activó cuando se generó un paquete para el nodo 111. La pérdida total de paquetes en la red en diferentes tamaños de paquetes se presenta enTabla 3.
Tabla 2
Pérdida de paquetes por nodo en diferentes tamaños de paquetes.
Tamaño del paquete Nodo 1 Nodo 11 Nodo 111 Nodo 112
8 bytes 2 2 4 4
16 bytes 1 4 3 5
32 bytes 1 2 4 6
64 bytes 2 3 6 4
128 bytes 1 5 6 4
256 bytes 2 3 7 9
Tabla 3
Pérdida de paquetes de red en diferentes tamaños de paquetes.
Tamaño del paquete (bytes) Número de pérdida de paquetes
8 12
dieciséis 13
32 13
64 15
128 dieciséis
256 21
El retardo de tiempo de la red también se probó en un escenario de múltiples saltos en diferentes tamaños de paquetes. Dado que nuestro mecanismo de red se basa en una estructura de árbol,Figura 13 muestra que la latencia aumenta al agregar cada nodo intermedio.
Un archivo externo que contiene una imagen, ilustración, etc. El nombre del objeto es sensores-20-02367-g013.jpg
Figura 13
Latencia de red en diferentes tamaños de paquetes.
La latencia aceptable y la pérdida de paquetes dependen de la aplicación. Cuadro 4presenta las comparaciones de latencia, rango de comunicación y pérdida de paquetes entre ZigBee [ 44 ] y nuestro módulo propuesto HC12 en un tamaño de paquete dado. La pérdida de paquetes es casi la misma, pero el rango de comunicación es considerablemente mayor en nuestro sistema, que es el aspecto más importante de nuestra aplicación. Aunque su latencia de red es notablemente superior a la de ZigBee, nuestra aplicación sigue siendo aceptable porque los nodos solo informan una pequeña cantidad de datos una vez al día. El módulo propuesto supera al enfoque existente.
Cuadro 4
Comparaciones de rendimiento de red entre HC12 y ZigBee.
Módulo Tamaño del paquete Distancia RTT Paquete perdido
ZigBee 50 bytes 85 metros 18,6 ms 1,65%
HC12 64 bytes 250 metros 271 ms 2%
5.4. Comparaciones con tecnologías existentes
Con el rápido crecimiento de IoT en diferentes aplicaciones, se prefieren los dispositivos o protocolos con dicha característica porque pueden ajustarse bien a los requisitos de la aplicación. En el contexto agrícola, la distancia de cobertura y la rentabilidad son más importantes que la velocidad de datos. La medición de las propiedades del suelo, que se realiza principalmente en ciertos intervalos, por ejemplo, diaria o semanalmente, elimina la necesidad de una red de alta velocidad. De acuerdo con los requisitos de la aplicación, el dispositivo de comunicación en serie llamado HC12 [ 41 ] es la solución más adecuada debido a su menor costo de implementación y mejor rango de comunicación. Sin embargo, tiene una tasa de datos baja con una latencia alta, lo que es menos importante en nuestra aplicación.Cuadro 5 presenta la comparación detallada del módulo propuesto con otros enfoques existentes basados en varios parámetros, como el consumo de energía, el rango de comunicación, el costo de implementación y la tasa de datos.
Cuadro 5
Comparaciones detalladas del módulo propuesto con tecnologías existentes.
Parámetros GSM ZigBee LoRa HC12
Velocidad de datos 9600-115,200 b / s 20.000–250.000 b / s 300–50 000 b / s 1200-115,200 b / s
Rango – 10-100 m 5 km (URBANO), 15 km (RURAL) 200–1000 m
Topología Repartido Estrella / Malla Estrella en estrella Estrella en estrella
Potencia de transmisión (máx.) 29–39 dBm 3-4 dBm 20 dBm 20 dBm
Costo del espectro Se requiere suscripción Gratis Gratis Gratis
Costo del dispositivo final 10-13 USD 20 a 23 USD 5 a 7 dólares estadounidenses 2,5–3 USD
Costo de puerta de enlace – 20-25 USD 100-150 USD 20-25 USD
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6. Conclusiones
Este trabajo propone un enfoque de monitoreo de información para recopilar datos de campo a largas distancias, que se puede utilizar en una granja agrícola completamente automatizada. En este sistema, un mecanismo de red para el módulo HC12 está diseñado para mejorar el rango de comunicación. Un experimento en una granja real muestra que el sistema funciona mejor en la medición del suelo en un área amplia. Los casos de prueba indican que el sistema funciona de forma estable y precisa. Como se indica en los resultados, la distancia punto a punto es de 250 m, que aumenta a 750 m cuando se agregan dos nodos intermedios. El enfoque propuesto reemplaza las obras existentes en términos de menor costo de implementación y mejor rango de comunicación. El rendimiento de la red es de alguna manera mejor que los enfoques existentes, excepto por la latencia, que no es un requisito para la aplicación de destino. Se realiza una prueba a largo plazo para verificar la recopilación en tiempo real de datos de campo, lo que da como resultado actualizaciones precisas del estado del campo. Por último, el enfoque propuesto se puede utilizar como modelo de referencia para cualquier tipo de sistema de monitoreo de información de área amplia.
El retardo de tiempo de transmisión puede considerarse un factor de limitación si el sistema se implementa en aplicaciones donde la velocidad de los datos es igualmente importante. Sin embargo, la cobertura de bajo costo y la distancia son más importantes que la velocidad de los datos en el contexto agrícola.
El sistema propuesto utiliza un solo canal inalámbrico para toda la comunicación de la red. La multicanalización se puede aplicar dividiendo la red en grupos. Cada clúster utilizará dos canales diferentes: uno para la puerta de enlace y otro para sus nodos secundarios. Al implementar la multicanalización, la puerta de enlace ya no esperará la respuesta de cada nodo; por tanto, el tiempo de retardo en la puerta de enlace se puede reducir considerablemente. La limitación del fallo del nodo sensor debido a un nodo padre estático también se puede eliminar mediante el uso de un escenario de malla en el que cada nodo tendrá un trayecto múltiple hacia su nodo padre. Por último, la escalabilidad del sistema en una red grande también se puede comprobar mediante un simulador.