Могильный С. Б., Голощапова К. А. Сенсорна мережа на основі технології LoRa для екологічного моніторингу // Міжнародний науковий журнал "Інтернаука". — 2018. — №18.
Технічні науки
УДК 004.735
Могильний Сергій Борисович
кандидат технічних наук, доцент,
доцент кафедри радіотехнічних пристроїв і систем
Національний технічний університет України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Могильный Сергей Борисович
кандидат технических наук, доцент,
доцент кафедры радиотехнических устройств и систем
Национальный технически университет Украины
«Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
Mogilniy Sergey
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor,
Associate Professor of the Department of Radioengineering Devices and Systems
National Technical University of Ukraine
“Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”
Голощапова Кристина Андріївна
студентка
Інституту телекомунікаційних систем
Національного технічного університету України
«Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського»
Голощапова Кристина Андреевна
студентка
Института телекоммуникационных систем
Национального технического университета Украины
«Киевский политехнический институт имени Игоря Сикорского»
Goloschapova Kristina
Student of the
Institute of Telecommunication Systems of
National Technical University of Ukraine
"Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
СЕНСОРНА МЕРЕЖА НА ОСНОВІ ТЕХНОЛОГІЇ LORA ДЛЯ ЕКОЛОГІЧНОГО МОНІТОРИНГУ
СЕНСОРНАЯ СЕТЬ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ LORA ДЛЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА
SENSOR NETWORK BASED ON LORA TECHNOLOGY FOR ENVIRONMENTAL MONITORING
Анотаці. Побудова та дослідження сенсорної мережі на основі технології LoRa для екологічного моніторингу.
Ключові слова: сенсорна мережа, технологія LoRa, моніторинг, мережеве планування.
Аннотация. Построение и исследование сенсорной сети на основе технологии LoRa для экологического мониторинга.
Ключевые слова: сенсорная сеть, технология LoRa, мониторинг, сетевое планирование.
Summary. Construction and research of sensor network based on LoRa technology for environmental monitoring.
Key words: sensor network, LoRa technology, monitoring, network planning.
За останнє сторіччя населення світу збільшилося в чотири рази за рахунок значного переселення із сільської місцевості до міських районів. Сьогодні в містах мешкає 50% населення, і ця чисельність досягне 70% до 2050 року [1, с. 1392]. Тому попит на високу якість життя в міських районах породжує необхідність створення екологічно чистих міст.
Бездротова сенсорна мережа, яка надаватиме дані про вплив людської діяльності на навколишнє середовище, може стати вирішенням багатьох питань в області екології. Такі мережі можуть збирати дані з інтелектуальних пристроїв і датчиків, вбудованих в дорожне покриття, електричні мережі та будівлі. Комунікація по всій мережі вузлів дозволяє використовувати нові можливості, такі як статистична вибірка, агрегація даних, а також моніторинг.
Сенсорні мережі забезпечують дуже низьку вартість розгортання, обслуговування та енергоспоживання. Великий діапазон вузлів дозволяє здійснювати розгортання в віддалених місцях, що є перевагою в використанні таких мереж для екологічного моніторингу.
Для охоплення сенсорами великої території, необхідний бездротовий протокол відповідної дальності. Для цього доцільно використовувати малопотужну широкосмугову мережу LPWAN, яка призначена для підтримки передачі даних з низькою швидкістю підключених пристроїв, таких як датчики, що працюють автономно. Основні технічні параметри таких мереж наведені в табл. 1 [3, с. 408].
Таблиця 1
Основні параметри розповсюджених сенсорних мереж
LoRa – це, перш за все, технологія модуляції, яка забезпечує значну дальність зв'язку, у порівнянні з існуючими конкурентами. Зона покриття залежить від середовища або перешкод на місцевості. Модуляція в даному методі заснована на технології розширення спектру Spread Spectrum Modulation (SSM) і варіації лінійної частотної модуляції Chirp Spread Spectrum (CSS) з інтегрованою прямою корекцією помилок Forward Error Correction (FEC). Така технологія дозволяє шлюзу або базовій станції покривати цілі міста або сотні квадратних кілометрів [3, с. 408].
LoRa дозволила демодулювати сигнали на рівні 20 дБ нижче рівня шумів, у той час як більшість систем з частотної маніпуляцією FSK працюють тільки з рівнем сигналів не нижче 8-10 дБ рівня шумів.
На території, показаній на рис. 1, необхідно встановити набір периферійних вузлів (їх кількість вказана на рис. 1), які збирають інформацію про умови навколишнього середовища. Ці вимірювання передаються на пристрої базових станцій з використанням бездротового протоколу LoRa. Варто зазначити, що технологія LoRa дозволяє підключити до одного шлюзу до 20 тис. пристроїв. В зв’язку з чим постає наступна задача: визначити кількість шлюзів та місця їх розміщення для повної та якісної зони покриття території КПІ мережею LoRa.
Рис. 1. Очікувана область охоплення території сенсорної навчальної мережі LoRa НТУУ «КПІ»
Теоретично LoRaWAN в межах міста може передавати сигнал на відстань від 2-ох до 5-ти кілометрів. Експериментально ж було отримано, що максимальна дальність передачі сигналу в забудові, тобто в місті близько 400 метрів. Це означає, що для якісного покриття території КПІ, необхідно встановити не менше 3-ох або 4-ох базових станцій. Адже територія Київського політехнічного інституту охоплює 2 км2 (рис. 2).
Рис. 2. Граф відстаней корпусів НТУУ «КПІ»
Для більшої наглядності показана матриця суміжності (табл. 2) графа, який наведений на рис. 2. Числа, які вказані в першому рядку та стовбці, це номера корпусів НТУУ «КПІ». Числа, які знаходяться на перетині рядків та стовбців, це відстані між корпусами в метрах.
Таблиця 2
Матриця суміжності графа відстаней корпусів НТУУ «КПІ»
Для візуалізації результатів використовувалася програма Atoll, яка призначена для планування бездротових мереж. Інтерфейс програми показаний на рис. 3. Він стандартний для програм цього класу: зліва знаходяться об'єкти проектованої мережі, в центрі - карта з накладеними на неї шарами. При створенні базової станції можлива зміна її параметрів, включаючи кількість секторів, висоту і діаграму спрямованості антени, частоту тощо.
Рис. 3. Програмне забезпечення Atoll для радіопланування
В рамках проекту для підтримки профілів користувачів створений сервісний сайт iot.kpi.ua. Реалізована апаратна частина мережі і основне програмне забезпечення, які підтвердили очікувані параметри. Попереду планування та дослідження мережі на території НТУУ «КПІ» для якісного та повного покриття LoRa на частотах, які не вимагають ліцензування.
Однією із переваг проекту є те, що вся інформація про стан довкілля матиме геопросторову прив’язку. Це дозволить використовувати численні методи обробки геопросторової інформації при візуалізації та аналізі отриманих даних. А відносна низька вартість моніторингових пристроїв та тривалий час автономної роботи дозволить їх масове використання, що сприятиме розвитку щільної моніторингової мережі.
Література