☰
Faza 1: Cerințele Ecosistemului
Termen de încheiere a fazei:
08.12.2023
Această fază a proiectului, detaliază un
demers amplu de identificare și monitorizare a degradării și poluării solului
în România, vizând dezvoltarea unui sistem multisenzorial (IoT-SOL),
structurată pe următoarele activități principale:
Activitatea 1.1: Identificarea zonelor de
degradare și poluare din România
Această activitate a implicat un studiu
documentar complex care s-a realizat sub forma unui studiu benchmarking al politicilor și
strategiilor privind poluarea solului, atât la nivel național, cât și internațional.
A avut loc o cartografiere a nevoilor legate de sănătatea ecosistemului,
prin studierea monitoringului ecologic/integrat și stabilirea obiectivelor de
monitorizare a mediului în contextul climatic (calitatea aerului și a solului).
A fost analizată starea de degradare în zonele cu risc de poluare a
solului din România existentă la acest moment, incluzând temperaturile medii
anuale, scenariile de schimbări climatice, legătura dintre defrișări și
poluarea solului, sursele de poluare și efectele acestora. De asemenea, s-au
analizat metodele de remediere a poluării solului prin definirea
obiectivelor, strategiilor și proiectarea principalelor tehnologii. O
componentă importantă a fost evaluarea sănătății ecosistemului prin
evaluarea calității solului, aerului și apei din sol.
Activitatea 1.2:
Stabilirea indicatorilor pentru analiza solului
În această activitate, au
fost definiți indicatorii cheie necesari pentru analiza solului, apei și
aerului. Pentru calitatea aerului, au fost analizați parametrii
reglementați de Directiva UE 2008/50/CE (SO2, NOx, PM2,5, PM10, benzen, CO, Pb,
Cd, As, Ni), iar în ceea ce privește calitatea apei din sol, s-au
studiat diverși indicatori utilizați în irigații, subliniind problema toxicității
unor constituenți (Cl-, SO42-, Na+, bor, nitrați) și provocarea asigurării unei
aprovizionări suficiente cu apă de calitate. Pentru calitatea solului,
au fost identificați și analizați indicatori chimici, fizici și biologici, esențiali
pentru evaluarea funcționalității solului.
Activitatea 1.3: Evaluare
și stabilire parametri senzori
Această activitate a fost
importantă pentru proiectarea sistemului multisenzorial IoT-SOL, deoarece au
fost selectați și analizați senzorii potriviți pentru monitorizarea
parametrilor apei (pH, amoniu, nitrați, cloruri etc.), aerului (temperatură,
umiditate, CO, CO2, NH3, NOx, PM2,5, PM10 etc.) și solului (analizor de respirație,
calcimetru, conductometru, higrometru, pH-metru, senzor de temperatură,
tensiometre, senzor de salinitate EC etc.). Pe baza acestei analize, s-au
elaborat specificații tehnice detaliate pentru achiziția senzorilor,
microcontrolerelor pentru nodurile multisenzoriale IoT/WSN și a platformei de
integrare a datelor. Aceste specificații includ caracteristici precum tipul
senzorilor, tehnologia, tensiunea de operare, consumul de putere, interfețele
de comunicare, temperaturile de operare și gradul de protecție (minim IP67).
S-a detaliat, de asemenea, funcționalitatea platformei de integrare a datelor,
care va asigura preluarea, stocarea, procesarea, vizualizarea și analiza
datelor, cu posibilitatea de a seta alarme și de a accesa datele de pe diverse
dispozitive. Datele
vor fi transmise la un server central cu o frecvență de 2-4 ori pe zi.
Activitatea 1.4: Diseminarea
rezultatelor
Diseminarea pe scară largă a
proiectului a fost realizată în această fază prin participarea cu lucrarea
"Monitoring of Soil Desertification – Quality Parameters",
în cadrul Conferinței Internaționale Procedings of the International Conference
on Reliable Systems Engineering (ICoRSE) – 2023, Book: International Conference
on Reliable Systems Engineering (ICoRSE) – 2023, pp. 56–65, 2023, Lecture Notes
in Networks and Systems (LNNS), Print ISBN: 978-3-031-40627-0, ISBN:
978-3-031-40628-7 (eBook), https://doi.org/10.1007/978-3-031-40628-7. Această participare a
contribuit la răspândirea cunoștințelor și concluziilor studiului în
comunitatea științifică.
Faza 2: Arhitectura IoT si Dispozitiv Multisenzorial
Termen de încheiere a fazei:
09.12.2024
Faza a doua a proiectului a avut ca obiectiv
principal dezvoltarea Modelului Experimental (ME) al stației pilot
IoT-SOL și a arhitecturii sale integrate, concretizată prin mai multe activități
cheie: elaborarea documentației de execuție, realizarea modulelor
multisenzoriale și implementarea sistemului IoT de monitorizare, astfel:
Activitatea 2.1: Documentația de Execuție (DE)
pentru Dispozitivul Multisenzorial și Arhitectura IoT
Activitatea a demarat cu elaborarea Documentației
de Execuție (DE) cu numărul de identificare CEFIN 389 – 0.0 – „Stație
Pilot IoT-SOL”. Aceasta a cuprins detaliile necesare pentru realizarea
Modelului Experimental, incluzând ansamblul general, subansamblele și reperele
de execuție, atât pentru componentele electronice, cât și pentru cele mecanice.
Activitatea 2.2: Execuție Module/Subansambluri
Dispozitive Multisenzoriale și montarea mcestora (ME)
Această activitate a implicat realizarea
fizică a componentelor stației pilot compusă din:
-
Un bloc de captare a energiei solare cu fotocelule și un modul de
încărcare pentru un acumulator de mare capacitate.
-
Un bloc de monitorizare și furnizare de tensiuni, cu
procesor și microcontrolere dedicate colectării datelor de la senzori și
comunicării cu serverul IoT.
-
Un domeniu Cloud care cuprinde un gateway WaveSHARE,
serverul propriu, o bază de date și platforma informatizată pentru utilizator.
Gateway-ul WaveSHARE facilitează transferul datelor colectate de la dispozitive
către baza de date, utilizând protocolul MQTT, optimizat pentru aplicațiile
IoT.
Sistemul senzorial aer-apă: Include o serie de senzori
specializați:
Activitatea 2.3: Sistem IoT de
Monitorizare/Evaluare a Stării Solului (ME)
Această activitate a
vizat implementarea propriu-zisă a sistemului de monitorizare, bazat pe
realizarea unei arhitecturi IoT robustă formată din:
Protocolul Modbus RTU: Placa Waveshare acționează ca
master al rețelei RS485, iar senzorii inteligenți "8 în 1" sunt
nodurile slave. Acest protocol definește structura mesajelor și mecanismele de
detectare a erorilor.
Figura 1. Senzorii folosiți de echipamentul pentru achiziția datelor
Cei nouă senzori sunt conectați la o magistrală RS485, al cărei master este microcontrolerul ESP32-S3. Senzorii funcționează la o tensiune de alimentare de 12V DC și parametrii de comunicație de 9600 bauds 8N1. Protocolul software de comunicație utilizat este MODBUS RTU. Senzorii pot primi trei tipuri de comenzi de la master: citire adresă, scriere adresă (folosită pentru a seta adrese unice) și citire date (cu un număr variabil de octeți specific fiecărui senzor).
Răspunsul primit de la fiecare senzor are un format predefinit cu o lungime variabilă. Lucrarea oferă un exemplu detaliat de comunicare cu senzorii de sol, arătând formatul comenzilor și al răspunsurilor, precum și modul de interpretare a datelor brute (e.g., temperatura, umiditatea, conductivitatea, pH-ul, N, P, K, salinitatea).
În cadrul activității a fost dezvoltată o organigramă simplificată a programului firmware implementat în modulul MASTER pentru a asigura funcționalitatea echipamentului.
Figura 2. Organigrama simplificată implementată în firmware
Activitatea 3.2: Bază de Date și Interfață
Grafică pentru Prelucrarea Datelor
Această activitate a
vizat implementarea unei arhitecturi de rețea pentru colectarea datelor și
dezvoltarea unei baze de date centralizate cu interfețe grafice, realizate din:
Sistemul de colectare a datelor utilizează protocolul
MQTT pentru publicare/abonare. Datele sunt stocate într-o bază de date
centralizată MySQL 8.0.40, rulând pe un server dedicat cu sistem de operare
LINUX. Achiziția datelor de la stația pilot (incluzând instalarea senzorilor de
sol la diverse adâncimi) este urmată de stocarea acestora pentru a sprijini
deciziile viitoare privind sănătatea solului.
Figura 3. Configurația serverului de aplicație GLASSFISH
Interogarea și gestionarea datelor de senzori, recepționate prin protocolul TCP/IP, sunt realizate cu ajutorul unui server de aplicație JAVA/JEE GLASSFISH. GlassFish este o implementare Eclipse a Jakarta EE, oferind suport pentru diverse tehnologii (Jakarta REST, CDI, Security, Persistence, Transactions, Servlet, Faces, Messaging etc.), facilitând dezvoltarea de aplicații scalabile și portabile. Baza de date a fost normalizată pentru a optimiza stocarea și a reduce redundanța, cu relații ONE TO ONE sau ONE TO MANY între tabele.
Figura 4. Reprezentare grafică a relațiilor dintre tabelele de date din baza de date STATIESOL
Baza de date "STATIESOL" ce include tabele pentru gestionarea datelor de la senzori, cu o reprezentare grafică a relațiilor dintre acestea:
În cadrul activității au fost dezvoltate două interfețe de utilizator:
·
O interfață web (http://statiesol.incdmtm.ro) pentru vizualizarea
datelor, care permite utilizatorului să selecteze stația de măsurare și apoi
tipul de senzor (Sol, Aer, Multipli) pentru a vizualiza valorile culese
Figura 5. Ecran de pornire site de vizualizare date măsurate
Activitatea 3.3: Diseminarea informațiilor
Un rezultat suplimentar
al acestei faze 3, a fost diseminarea cunoștințelor și concluziilor proiectului
prin scrierea a doua articole WoS:
