Συλλογή, επεξεργασία, ανάλυση και διαχείριση δεδομένων από συστήματα IoT σε γεωργικές και απομακρυσμένες αγροτικές περιοχές

Σπανός, Χαράλαμπος

Collection, processing, analysis and management of data from IoT systems in agricultural and remote rural regions

Διπλωματική εργασία

Author

Σπανός, Χαράλαμπος

Date

2023-10

Advisor

Pallis, Evangelos

Spanos_71444597.pdf (4.514Mb)

Keywords

LoRaWAN ; Internet of things ; IoT ; Διαδίκτυο πραγμάτων ; Cloud computing ; Flood prediction ; Notification mechanisms ; Πλημμύρες ; Πρόβλεψη καιρικών συνθηκών

Abstract

Η παραγωγή χαμηλού κόστους αλλά με βελτιωμένες δυνατότητες συσκευών του Διαδικτύου των Αντικειμένων (Internet of Things – IoT) έχει αυξηθεί εκθετικά τα τελευταία χρόνια, ανοίγοντας το δρόμο προς τη μεγάλης κλίμακας ανάπτυξη έξυπνων περιβαλλόντων, τα οποία μεταμορφώνουν τον τρόπο με τον οποίο οι άνθρωποι ζουν, εργάζονται, εμπορεύονται, επικοινωνούν και κοινωνικοποιούνται. Τα έξυπνα σπίτια, οι ευφυείς πόλεις, η εξ’ αποστάσεως υγειονομική περίθαλψη, η έξυπνη βιομηχανία, η γεωργία ακριβείας και οι ευφυείς μεταφορές είναι μόνο μερικά ενδεικτικά πεδία εφαρμογών όπου οι προσιτές (προς το κόστος) συσκευές IoT μπορούν να χρησιμοποιηθούν σήμερα, όχι μόνο για τη συλλογή, την επεξεργασία και τη αποθήκευση πληροφοριών, αλλά και για την κοινή χρήση τους σε αποστάσεις που κυμαίνονται από τις εγκαταστάσεις του χρήστη έως τις αγροτικές και αστικές περιοχές. Για να γίνει αυτό, τα σύγχρονα IoT χρησιμοποιούν τεχνικές ραδιομετάδοσης που διευρύνουν το εύρος της επικοινωνίας από εκατοντάδες μέτρα έως μερικά χιλιόμετρα, και εκμεταλλεύονται πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας τα οποία μειώνουν δραματικά την κατανάλωση ενέργειας, επεκτείνοντας με αυτόν τον τρόπο τον κύκλο ζωής, ειδικά όταν οι συσκευές ΙοΤ τροφοδοτούνται με μπαταρίες. Ένα τέτοιο πρωτόκολλο είναι το δίκτυο μεγάλης εμβέλειας ευρείας περιοχής (LoRaWAN), το οποίο μπορεί να φιλοξενήσει ασύρματη επικοινωνία συσκευών IoT με το δίκτυο οπίσθιας ζεύξης (backhaul) σε αποστάσεις πολλών χιλιομέτρων. Στα πλαίσια αυτής της πτυχιακής εργασίας γίνεται μελέτη και ανάπτυξη μιας δικτυακής υποδομής (infrastructure) η οποία κάνει χρήση της τεχνολογίας LoRaWAN για τη μεταφορά περιβαλλοντικών δεδομένων (όπως θερμοκρασία, υγρασία, ηλιακή ακτινοβολία, κ.α.) από απομακρυσμένες αγροτικές περιοχές προς μια πλατφόρμα υπολογιστικού νέφους (cloud computing platform), για την αποθήκευση, ανάλυση και περεταίρω επεξεργασία τους. Παράλληλα, εστιάζεται στην υλοποίηση μιας πρότυπης εφαρμογής (application) για την πρόβλεψη πλημμυρικών φαινομένων, καθώς και στην υλοποίηση ενός μηχανισμού έγκαιρης ειδοποίησης (μέσω κοινωνικών δικτύων) των ενδιαφερόμενων χρηστών και των κατοίκων στις εν’ λόγω απομακρυσμένες αγροτικές περιοχές. Στα πλαίσια μελετά κατάλληλους αλγορίθμους επεξεργασίας και ανάλυσης των δεδομένων που έχουν συλλεχθεί/αποθηκευτεί στην νεφοϋπολογιστική υποδομή, και εστιάζεται στην υλοποίηση εκείνων που προσφέρουν γρήγορη και έγκυρη πρόβλεψη πλημμυρικών φαινομένων με όσο το δυνατόν μικρότερη δαπάνη επεξεργαστικών πόρων. Η επικύρωση άρτιας λειτουργίας της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής γίνεται μέσα από μια σειρά πειραμάτων σε πραγματικό περιβάλλον, με δεδομένα που έχουν συλλεγεί υπό ελεγχόμενες συνθήκες λειτουργίας και ελέγχου (emulation).

Abstract

The need of low-cost in production with enhanced capabilities of Internet devices of Objects (Internet of Things – IoT) has grown exponentially in recent years, paving the way to the large-scale development of smart environments, which transform the way people live, work, trade, communicate and socialize. Smart homes, smart cities, the remote healthcare, smart industry, precision agriculture and the intelligent transports are only a few indicative fields of application where affordable (cost wise) IoT devices can be used today, not only to collect, the processing and storing information, but also for sharing it in distances ranging from user premises to rural and urban regions. For achieving this, modern IoTs use radio transmission techniques that extend the range of communication from hundreds of meters to a few kilometers, and exploit wireless communication protocols that dramatically reduce energy consumption, thus extending the life cycle, especially when the IoT devices are powered by batteries. One such protocol is the large network wide area network (LoRaWAN), which can host wireless communication of IoT devices with the backhaul network over long distances kilometers. In the framework of this Diploma thesis a network infrastructure is studied and developed, which uses LoRaWAN technology for the transfer of environmental data (such as temperature, humidity, solar radiation, etc.) from remote rural areas to a cloud computing platform (cloud computing platform), for storage, analysis and further processing. At the same time, the Diploma thesis focuses on the implementation of a prototype application for the prediction of flood phenomena, as well as on the implementation of an early notification mechanism (via social networks) targeting all interested users and inhabitants in the given remote rural areas. In the context, it studies appropriate algorithms for processing and analysing data stored in the cloud computing infrastructure and focuses on the implementation of those that offer fast prediction with minimum IT resource exploitation. Finally, the thesis verifies the validity of the proposed architecture via a series of experiments in a real/actual environment, with data collected under controlled conditions (emulation).