radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2021-24-3-98-108radioelectronics-525Research ArticleПРИБОРЫ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ, КОНТРОЛЯ СРЕДЫ, ВЕЩЕСТВ, МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙMEDICAL DEVICES, ENVIRONMENT, SUBSTANCES, MATERIAL AND PRODUCTРазработка макета распределенной сенсорной системы экологического мониторингаA Prototype Unit of a Distributed Sensor System for Ecological Monitoringhttps://orcid.org/0000-0002-5522-7427СеврюковаЕ. А.SevryukovaE. A.

Севрюкова Елена Александровна – доктор технических наук (2017), профессор, зам. директора Института перспективных материалов и технологий. Автор более 60 научных публикаций. Сфера научных интересов – экология, системы мониторинга окружающей среды.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498

Elena A. Sevryukova, Dr. Sci. (Eng.) (2017), professor, deputy director of Institute of Advanced Materials and Technologies. The author of more than 60 scientific publications. Area of interest: ecology, monitoring.

Bld. 1 Shokin Square, Zelenograd, Moscow 124498

melaly@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5647-2582ВолковаЕ. А.VolkovaE. A.

Волкова Елена Анатольевна – магистр техники и технологии по направлению "Электроника и наноэлектроника" (2019), преподаватель. Автор более 15 научных работ. Сфера научных интересов экология, системы мониторинга окружающей среды.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498

Elena A. Volkova, Master of Engineering (2019), teacher. The author of 15 scientific publications. Area of interest: ecology, monitoring.

Bld. 1 Shokin Square, Zelenograd, Moscow 124498

eavolkova2015@mail.ruДорошенкоВ. А.DoroshenkoV. A.

Дорошенко Владислав Александрович – магистр техники и технологии по направлению "Телекоммуникации" (2020), инженер-программист. Автор двух научных публикаций. Сфера научных интересов – ПЛИС, цифровая обработка сигналов.

Георгиевский пр., д. 5, Зеленоград, Москва, 124498

Vladislav A. Doroshenko, Master of Engineering (2020), software engineer. The author of 2 scientific publications. Areas of interest: FPGA, digital signal processing.

5 Georgievskiy Pr., Zelenograd, Moscow 124498

doroshenko.v@milandr.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8663-372XСолодковА. В.SolodkovA. V.

Солодков Алексей Викторович – магистр техники и технологии по направлению "Телекоммуникации" (2012), преподаватель. Автор более 30 научных публикаций. Сфера научных интересов – ПЛИС, цифровая обработка сигналов.

пл. Шокина, д. 1, Зеленоград, Москва, 124498

Alexey V. Solodkov, Master of Engineering (2012), teacher. The author of more than 30 scientific publications. Area of interest: FPGA, digital signal processing.

Bld. 1 Shokin Square, Zelenograd, Moscow 124498

solodkov_aw@mail.ruНациональный исследовательский университет "МИЭТ"РоссияNational Research University of Electronic TechnologyRussian FederationАО "ПКК Миландр"РоссияMILANDR GROUPRussian Federation20212306202124398108Copyright © Севрюкова Е.А., Волкова Е.А., Дорошенко В.А., Солодков А.В., 20212021Севрюкова Е.А., Волкова Е.А., Дорошенко В.А., Солодков А.В.Sevryukova E.A., Volkova E.A., Doroshenko V.A., Solodkov A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/525

Введение. Рассмотрены основные принципы осуществления экологического мониторинга; проанализированы возможности построения сенсорных систем для осуществления этой задачи. В качестве протокола беспроводной связи создаваемой системы экомониторинга предложено использование телекоммуникационного стандарта с низким энергопотреблением NB-IoT, обеспечивающего эффективное сетевое взаимодействие устройств сети. Проведено моделирование системы и макетирование алгоритмов приема и передачи сигналов.Цель работы. Построить макет приемопередатчика по стандарту NB-IoT и провести его имитационное моделирование. Использовать маршрут создания системы с формированием ее цифрового двойника в MatLab.Материалы и методы. Прототип построен c использованием отладочной платы Xilinx Zedboard и приемопередатчика на основе микросхемы AD9361, а имитационная модель – при помощи пакета программ MatLab 2010.Результаты. Получены результаты имитационного моделирования в канале с аддитивным белым гауссовским шумом, определена мощность обнаруживаемых сигналов синхронизации стандарта NB-IoT. Приемник и передатчик стандарта NB-IoT реализованы на плате Xilinx Zedboard. Временны́е диаграммы, полученные в ходе тестирования макета, демонстрируют, что разработанная система готова к тестированию в реальной среде. Определены энергетические и ресурсные затраты разработанного макета узла беспроводной сенсорной сети.Заключение. Полученные результаты моделирования показывают, что разработанная модель системы связи функционирует корректно и формируемый сигнал передатчика соответствует требованиям стандарта NB-IoT. Результаты разработки можно использовать для создания отечественной микросхемы узла сбора и передачи данных мониторинга окружающей среды.

Introduction. In this article, the basic principles of ecological monitoring were considered, and the possibilities of constructing sensor systems were analysed. It was proposed to use the NB-IoT low-energy telecommunication standard as a basic wireless protocol for ecological system development, which ensures effective communication of network devices. A prototype of the system was constructed, and algorithms for receiving and transmitting signals were simulated.Aim. To construct a prototype of a transceiver based on the NB-IoT standard and perform its simulation. To utilize digital twin in MatLab to create the proposed system.Materials and methods. The prototype was constructed using the Xilinx Zedboard evaluation board and transceiver on AD9361 chip, and the simulation was performed using the MatLab 2010 software package.Results. The results of the simulation in the channel with the additive white Gaussian noise (AWGN) were obtained, and the level of the detected synchronization signals of the NB-IoT standard was determined. The receiver and transmitter of the NB-IoT standard were implemented on the Xilinx Zedboard evaluation board. The timing simulation results show that the designed system can be tested in a real environment. The power consumption and resource utilization of the constructed wireless sensor network prototype unit were determined. Conclusion. The results obtained via the simulation process show that the designed prototype of the communication system works correctly, and the produced signal meets all the requirements of the NB-IoT standard. The results can be used for creating a domestic manufactured, specialized integrated chip for data units of ecological monitoring systems.

системы мониторинга окружающей средысенсорные сетибыстрое прототипированиеПЛИСинтернет вещейNB-IoTecological monitoring systemsensor networksrapid prototyping FPGAIoTNB-IoTРабота выполнена при финансовой поддержке центра НТИ "Сенсорика" в НОЦ РЦСС НИУ МИЭТ в рамках проекта "Создание автоматизированной системы мониторинга окружающей среды (АСМОС) для сбора, обработки, хранения и передачи метеорологической и экологической информации", рег. № НИОКТР: АААА-А20-1200130090100-3.The research was carried out with the financial support of the Center for Scientific and Technical Information "Sensorika" NIU MIET NOTS RTSSS within the project "Creation of an automated environmental monitoring system (ASMOS) for the collection, processing, storage and transmission of meteorological and environmental information", Project No. АААА-А20-1200130090100-3.ReferencesA Study on Design Principles of Automatic System for Environment Monitoring / E. A. Sevryukova, E. A. Volkova,N. V. Gubanova, A. V. Solodkov, A. V. Gorelik // 2020 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St Petersburg and Moscow, 27–30 Jan. 2020. Piscataway: IEEE, 2020. P. 2545–2548. doi: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039522A Study on Design Principles of Automatic System for Environment Monitoring / E. A. Sevryukova, E. A. Volkova,N. V. Gubanova, A. V. Solodkov, A. V. Gorelik // 2020 IEEE Conf. of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). St Petersburg and Moscow, 27–30 Jan. 2020. Piscataway: IEEE, 2020. P. 2545–2548. doi: 10.1109/EIConRus49466.2020.9039522Environmental Monitoring Systems: Review and Future Development / I. Šećerov, D. Dolinaj, D. Pavić, D. Milošević, S. Savić, S. Popov, Ž. Živanov // Wireless Engineering and Technology. 2018. Vol. 10, № 1. P. 1–18. doi: 10.4236/wet.2019.101001Environmental Monitoring Systems: Review and Future Development / I. Šećerov, D. Dolinaj, D. Pavić, D. Milošević, S. Savić, S. Popov, Ž. Živanov // Wireless Engineering and Technology. 2018. Vol. 10, № 1. P. 1–18. doi: 10.4236/wet.2019.101001Othman M. F., Shazali K. Wireless sensor network Applications: A study in environment monitoring System // Procedia Engineering. 2012. Vol. 41. P. 1204–1210. doi: 10.1016/j.proeng.2012.07.302Othman M. F., Shazali K. Wireless sensor network Applications: A study in environment monitoring System // Procedia Engineering. 2012. Vol. 41. P. 1204–1210. doi: 10.1016/j.proeng.2012.07.302Shiravale S., Sriram P., Bhagat S. M. Flood Alert System by using Weather Forecasting Data and Wireless Sensor Network // Intern. J. of Computer Applications. 2015. Vol. 124, № 10. P. 14–16. doi: 10.5120/ijca2015905608Shiravale S., Sriram P., Bhagat S. M. Flood Alert System by using Weather Forecasting Data and Wireless Sensor Network // Intern. J. of Computer Applications. 2015. Vol. 124, № 10. P. 14–16. doi: 10.5120/ijca2015905608Wiston M., Mphale K. M. Weather Forecasting: From the Early Weather Wizards to Modern-day Weather Predictions // J. of Climatology & Weather Forecasting. 2018. Vol. 6, № 2. P. 1−9. doi: 10.4172/2332-2594.1000229Wiston M., Mphale K. M. Weather Forecasting: From the Early Weather Wizards to Modern-day Weather Predictions // J. of Climatology & Weather Forecasting. 2018. Vol. 6, № 2. P. 1−9. doi: 10.4172/2332-2594.1000229Ayele T. W., Mehta R. Air Pollution Monitoring and prediction Using IoT // 2018 Second Intern. Conf. on Inventive Communication and Computational Technologies (ICICCT). Coimbatore, India, 20–21 April 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 1741–1745. doi: 10.1109/ICICCT.2018.8473272Ayele T. W., Mehta R. Air Pollution Monitoring and prediction Using IoT // 2018 Second Intern. Conf. on Inventive Communication and Computational Technologies (ICICCT). Coimbatore, India, 20–21 April 2018. Piscataway: IEEE, 2018. P. 1741–1745. doi: 10.1109/ICICCT.2018.8473272A Review of Urban Air Pollution Monitoring and Exposure Assessment Methods / X. Xie, I. Semanjski, S. Gautama, E. Tsiligiann, N. Deligiannis, R. T. Rajan, F. Pasveer, W. Philips // ISPRS Intern. J. of Geo-Information. 2017. Vol. 6, № 12. P. 1−21. doi: 10.3390/ijgi6120389A Review of Urban Air Pollution Monitoring and Exposure Assessment Methods / X. Xie, I. Semanjski, S. Gautama, E. Tsiligiann, N. Deligiannis, R. T. Rajan, F. Pasveer, W. Philips // ISPRS Intern. J. of Geo-Information. 2017. Vol. 6, № 12. P. 1−21. doi: 10.3390/ijgi6120389A Review of Wireless Sensors and Networks' applications in Agriculture / A. Rehman, A. Z. Abbasi, N. Islam, Z. A. Shaikh // Computer Standards & Interfaces. 2014. Vol. 36, № 2. P. 263–270. doi: 10.1016/j.csi.2011.03.004A Review of Wireless Sensors and Networks' applications in Agriculture / A. Rehman, A. Z. Abbasi, N. Islam, Z. A. Shaikh // Computer Standards & Interfaces. 2014. Vol. 36, № 2. P. 263–270. doi: 10.1016/j.csi.2011.03.004Agricultural Management through wireless Sensors and Internet of Things / S. Navulur, A. S. C. S. Sastry, M. N. Giri Prasad // Intern. J. of Electrical and Computer Engineering. 2017. Vol. 7, № 6. P. 3492–3499. doi: 10.11591/ijece.v7i6.pp3492-3499Agricultural Management through wireless Sensors and Internet of Things / S. Navulur, A. S. C. S. Sastry, M. N. Giri Prasad // Intern. J. of Electrical and Computer Engineering. 2017. Vol. 7, № 6. P. 3492–3499. doi: 10.11591/ijece.v7i6.pp3492-3499Saiz-Rubio V., Rovira-Más F. From Smart Farming towards Agriculture 5.0: a Review on Crop Data Management // Agronomy. 2020. Vol. 10, № 2. P. 1−21. doi: 10.3390/agronomy10020207Saiz-Rubio V., Rovira-Más F. From Smart Farming towards Agriculture 5.0: a Review on Crop Data Management // Agronomy. 2020. Vol. 10, № 2. P. 1−21. doi: 10.3390/agronomy10020207Mieyeville F., Galos M., Navarro D. Dynamic Reconfiguration for Software and Hardware Heterogeneous Real-time WSN // SENSORCOMM 2012: The Sixth Intern. Conf. on Sensor Technologies and Applications. Rome, Italy, IARIA, 19–24 Aug. 2012. P. 95–100.Mieyeville F., Galos M., Navarro D. Dynamic Reconfiguration for Software and Hardware Heterogeneous Real-time WSN // SENSORCOMM 2012: The Sixth Intern. Conf. on Sensor Technologies and Applications. Rome, Italy, IARIA, 19–24 Aug. 2012. P. 95–100.Имитационное моделирование системы мониторинга окружающей среды / Е. А. Севрюкова, Е. А. Волкова, А. В. Угроватов, М. Д. Копылова // Изв. вузов. Электроника. 2019. Т. 25, № 5. С. 521–529. doi: 10.24151/1561-5405-2019-24-5-521–529.Sevryukova E. A., Volkova E. A., Ugrovatov A. V., Kopylova M. D. Imitation simulation of environment monitoring system. Proc. Univ. Electronics. 2019, vol. 24, no. 5, pp. 521–529. doi: 10.24151/1561-5405-2019-24-5-521-529. (In Russ.)Node Energy Consumption Analysis in Wireless Sensor Networks / F. Luo, C. Jiang, H. Zhang, X. Wang, L. Zhang, Y. Ren // IEEE 80 th Vehicular Technology Conf. (VTC2014-Fall). Vancouver, Canada, 14−17 Sept. 2014. P. 1−5. doi: 10.1109/VTCFall.2014.6966071Node Energy Consumption Analysis in Wireless Sensor Networks / F. Luo, C. Jiang, H. Zhang, X. Wang, L. Zhang, Y. Ren // IEEE 80 th Vehicular Technology Conf. (VTC2014-Fall). Vancouver, Canada, 14−17 Sept. 2014. P. 1−5. doi: 10.1109/VTCFall.2014.6966071Smart City Pilot Projects Using LoRa and IEEE802.15.4 Technologies / G. Pasolini, C. Buratti, L. Feltrin, F. Zabini, C. De Castro, R. Verdone, O. Andrisano // Sensors. 2018. Vol. 18, iss. 4. P. 1118–1134. https://doi.org/10.3390/s18041118Smart City Pilot Projects Using LoRa and IEEE802.15.4 Technologies / G. Pasolini, C. Buratti, L. Feltrin, F. Zabini, C. De Castro, R. Verdone, O. Andrisano // Sensors. 2018. Vol. 18, iss. 4. P. 1118–1134. https://doi.org/10.3390/s18041118Fattah H. 5G LTE Narrowband Internet of Things (NB-IoT). Boca Raton: CRC Press, 2019. 262 p. https://doi.org/10.1201/9780429455056Fattah H. 5G LTE Narrowband Internet of Things (NB-IoT). Boca Raton: CRC Press, 2019. 262 p. https://doi.org/10.1201/9780429455056Paving the path to Narrowband 5G with LTE Internet of Things (IoT) // White Paper, Qualcomm. 2016. 36 p. URL: https://www.qualcomm.cn/media/documents/files/paving-the-path-to-narrowband-5g-withlte-iot.pdf (дата обращения 25.02.2021)Paving the path to Narrowband 5G with LTE Internet of Things (IoT) // White Paper, Qualcomm. 2016. 36 p. URL: https://www.qualcomm.cn/media/documents/files/paving-the-path-to-narrowband-5g-withlte-iot.pdf (дата обращения 25.02.2021)A Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things / Y.-P. E. Wang, X. Lin, A. Adhikary, A. Grovlen, Y. Sui, Y. Blankenship, J. Bergman, H. S. Razaghi // IEEE Communications Magazine. 2017. Vol. 55, № 3. P. 117–123. doi: 10.1109/MCOM.2017.1600510CMA Primer on 3GPP Narrowband Internet of Things / Y.-P. E. Wang, X. Lin, A. Adhikary, A. Grovlen, Y. Sui, Y. Blankenship, J. Bergman, H. S. Razaghi // IEEE Communications Magazine. 2017. Vol. 55, № 3. P. 117–123. doi: 10.1109/MCOM.2017.1600510CMDahlman E., Parkvall S., Skold J. 4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G. London: Academic Press, 2016. 616 p.Dahlman E., Parkvall S., Skold J. 4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G. London: Academic Press, 2016. 616 p.Cellular Internet of things: technologies, standards, and performance / O. Liberg, M. Sundberg, E. Wang, J. Bergman, J. Sachs. London: Academic Press, 2017. 382 p. https://doi.org/10.1016/C2016-0-01868-5Cellular Internet of things: technologies, standards, and performance / O. Liberg, M. Sundberg, E. Wang, J. Bergman, J. Sachs. London: Academic Press, 2017. 382 p. https://doi.org/10.1016/C2016-0-01868-5Тарасов И. Е. ПЛИС Xilinx. Языки описания аппаратуры VHDL и Verilog, САПР, приемы проектирования. М.: Горячая линия–Телеком, 2020. 538 с.Tarasov I. E. PLIS Xilinx. Yazyki opisaniya apparatury VHDL i Verilog, SAPR, priemy proektirovaniya. [Hardware Description Languages VHDL and Verilog, CAD, Design Techniques]. Moscow, Goryachaya liniya –Telekom, 2020, 538 р. (In Russ.)The Zynq Book: Embedded Processing with the ARM Cortex-A9 on the Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC / R. A. Elliot, M. A. Enderwitz, C. H. Louise, R. W. Stewart. Glasgow: Strathclyde Academic Media, 2014. 484 p.The Zynq Book: Embedded Processing with the ARM Cortex-A9 on the Xilinx Zynq-7000 All Programmable SoC / R. A. Elliot, M. A. Enderwitz, C. H. Louise, R. W. Stewart. Glasgow: Strathclyde Academic Media, 2014. 484 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.