Разработка макета распределенной сенсорной системы экологического мониторинга

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.

1. A 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/EIConRus49466.2020.9039522

2. Environmental 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.2019.101001

3. Othman 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.2012.07.302

4. Shiravale 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/ijca2015905608

5. Wiston 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: 10.4172/2332-2594.1000229

6. Ayele 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.2018.8473272

7. A 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/ijgi6120389

8. A 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.2011.03.004

9. Agricultural 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.pp3492-3499

10. Saiz-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/agronomy10020207

11. 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.

12. 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.

13. 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.2014.6966071

14. Smart 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/s18041118

15. Fattah H. 5G LTE Narrowband Internet of Things (NB-IoT). Boca Raton: CRC Press, 2019. 262 p. https://doi.org/10.1201/9780429455056

16. 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)

17. 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.2017.1600510CM

18. Dahlman E., Parkvall S., Skold J. 4G, LTE-Advanced Pro and The Road to 5G. London: Academic Press, 2016. 616 p.

19. 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/C2016-0-01868-5

20. Тарасов И. Е. ПЛИС Xilinx. Языки описания аппаратуры VHDL и Verilog, САПР, приемы проектирования. М.: Горячая линия–Телеком, 2020. 538 с.

21. 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.