Розподілена система моніторингу параметрів оточуючого середовища на базі LoRaWAN

Abstract

У кваліфікаційній роботі досліджено питання автоматизації моніторингу параметрів оточуючого середовища з використанням технології LoRaWAN для аграрного сектора. Метою роботи є розробка розподіленої системи, яка забезпечує ефективний збір, передачу та аналіз даних про стан полів для підвищення врожайності та зменшення витрат. Актуальність теми визначається необхідністю підвищення ефективності управління аграрними процесами в умовах сучасних викликів, таких як обмеженість ресурсів і необхідність збереження екологічної рівноваги. Традиційні методи моніторингу часто є неефективними, тоді як технологія LoRaWAN забезпечує економічне, енергоефективне та масштабоване рішення для моніторингу великих площ. Робота включає аналіз існуючих рішень у сфері моніторингу, обґрунтування вибору технології LoRaWAN, а також проектування і реалізацію апаратно-програмного комплексу. Розроблено схеми вузлів системи, спроектовано та виготовлено друковані плати, написано програмне забезпечення для збору та обробки даних, а також виконано тестування системи у реальних умовах. Запропонована система дозволяє автоматизувати моніторинг таких параметрів, як температура, вологість ґрунту, освітленість тощо, забезпечуючи своєчасне отримання даних для прийняття управлінських рішень. Кваліфікаційна магістерська робота містить: перелік скорочень, вступ, чотири розділи, висновок, перелік джерел посилання та чотири додатки. У першому розділі проведено аналіз існуючих методів моніторингу та їх інтеграції в аграрний сектор, а також обґрунтовано вибір технології LoRaWAN як оптимального рішення. Другий розділ містить технічні й математичні аспекти функціонування сигналів LoRa, розроблену модель передачі даних у розподіленій системі та охарактеризовані параметри, що впливають на ефективність роботи мережі. У третьому розділі спроектовано електронні схеми вузлів, розроблено друковані плати, обрано технічні компоненти для реалізації системи. Описано процес інтеграції апаратних і програмних модулів. Четвертий розділ присвячений представленню результатів складання прототипу системи, опису процедури тестування її працездатності в реальних умовах. Проведено аналіз отриманих даних та оцінено ефективність роботи розробленої системи. Кваліфікаційна магістерська робота містить 65 сторінок (без додатків), 42 рис., 6 табл., 30 літературних джерел, 7 додатків. The qualification work investigates the automation of environmental monitoring using LoRaWAN technology for the agricultural sector. The aim of the work is to develop a distributed system that provides efficient collection, transmission and analysis of field condition data to increase yields and reduce costs. The relevance of the topic is determined by the need to improve the efficiency of managing agricultural processes in the face of modern challenges, such as limited resources and the need to maintain environmental balance. Traditional monitoring methods are often inefficient, while LoRaWAN technology provides a cost-effective, energy-efficient, and scalable solution for monitoring large areas. The work includes analysis of existing monitoring solutions, justification of the choice of LoRaWAN technology, as well as design and implementation of the hardware and software complex. Schematics of the system components were developed, printed circuit boards were designed and manufactured, software for data collection and processing was written, and the system was tested in real conditions. The proposed system allows automating the monitoring of parameters such as temperature, soil moisture, illumination, etc., providing timely data for making management decisions. The qualification master's thesis contains: a list of abbreviations, introduction, four chapters, conclusion, list of references and four appendices. The first section analyzes the existing monitoring methods and their integration into the agricultural sector, and justifies the choice of LoRaWAN technology as an optimal solution. The second section contains the technical and mathematical aspects of the functioning of LoRa signals, the developed model of data transmission in a distributed system, and the parameters that affect the network efficiency. In the third section, the electronic circuits of the nodes are designed, printed circuit boards are developed, and technical components for the system implementation are selected. The process of integrating hardware and software modules is described. The fourth chapter is devoted to the presentation of the results of the system prototype assembly, description of the procedure for testing its performance in real conditions. The data obtained are analyzed and the efficiency of the developed system is evaluated. The qualifying master's thesis contains 65 pages (without appendices), 42 figures, 6 tables, 30 references, and 7 appendices.