Файл: Средства разработки клиентских программ (Аспекты разработки клиентских программ в области систем мониторинга для сельского хозяйства).pdf

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время сельское хозяйство переходит на новый уровень развития. Внедрение информационных технологий в сельскую деятельность оказывает большое влияние на ведение хозяйства, увеличивая его эффективность во много раз. Технологии Интернет вещей и Облачные технологии больше всего находят свое применение в этой сфере. Но большинство таких решений существует в рамках больших ферм и плантаций, не уделяя большое внимание сити-фермерству. В данной работе будет исследоваться методы решения данной проблемы, то есть использования технологий Интернет вещей и облачные технологии в рамках сити-фермерства.

Данная проблема является актуальной, так как городские фермеры находясь постоянно вне дома не имеют возможности постоянно следить за состоянием собственных растений, которые могут требовать постоянный уход. К этому случаю, существующие технологии позволят реализовать эту возможность, а также автоматизировать некоторые действия при уходе.

Как объект исследования в данной работе можно выделить систему мониторинга для сельского хозяйства с использованием технологий свойственных для Интернета вещей.

Предметом данного исследования является система мониторинга для сити-фермерства в рамках концепции Интернета вещей.

В рамках данной работы требуется определить основную цель проекта. Основная цель проекта – разработка системы мониторинга для сити-фермерства, которая сможет предложить городским фермерам без преград получать данные о собственных растительных культурах, а также возможность ухаживать удаленно.

Также, для удобства пользователю может быть предложена возможность одновременно следить и управлять кластером из теплиц, контейнерами, в котором содержатся растения.

Для достижения данной цели требуется выделить основные задачи работы.

1. Для сбора данных с растений, а также их ухода необходимо создать прототип особой теплицу, позволяющая совершать данные действия. Их называют «умными теплицами». Они позволяют с помощью сенсоров собирать данные с растений, такие как температура, влажность и яркость, а также с помощью некоторых механизмов контролировать полив воды и проветривание пространства.
2. Чтобы пользователь мог постоянно иметь контроль к собственной теплицы, все данные должны собираться в одном хранилище. Данным хранилищем будет служить сервер на облачном пространстве. Облачные вычисления происходят на многочисленных в сети серверах, которые предоставляются пользователям сторонними лицами. Облачное хранилище представляет из себя с точки зрения пользователя один большой виртуальный сервер, предоставляющий ему множество сервисов для использования. Облачные платформы очень устойчивы к сбоям, и поэтому они доступны буквально постоянно, что очень важно для постоянной работы с сетью.
3. Пользователь должен получать доступ к данным с устройств, которые есть у большинства. Такими устройствами являются мобильные девайсы и персональные компьютеры. С помощью их пользователь должен просматривать все данные с облачного хранилища, осуществлять управление теплицей и так далее.

Данные задачи являются отдельными этапами разработки системы. Изначально необходимо создать прототип «умной теплицы», затем развернуть хранилище на облачную платформу. Последним шагом будет разработка клиентских приложений для мобильных устройств и ПК.

ГЛАВА 1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ КЛИЕНТСКИХ ПРОГРАММ В ОБЛАСТИ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА ДЛЯ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

Объекты систем мониторинга

Среда для мониторинга. Для того чтобы применять систему мониторинга, ей необходима среда, в которой она будет применяться, и информацию о которой, будет собирать. В качестве данной среды могут использоваться следующие объекты:

• открытая окружающая среда;
• теплицы;
• домашние теплицы.

В связи с тем, что человека интересуют только параметры состояния среды в каком-то определенном месте, то данные объекты можно свести к понятию микроклимата.

Микроклимат. Микроклимат - это состояние среды в каком-то определенном замкнутом пространстве или на открытой местности, с указанием четких границ [1]. Данный термин наиболее подробно описывает состояния небольших теплиц, как домашних, так и теплиц на сельскохозяйственных участках. Основные параметры, которые описывает микроклимат это: температура и влажность воздуха, температура и влажность грунта, освещенность. Также, сами растения могут принимать участие в формировании климата, тогда это уже будет фитоклимат. Из особенностей микроклимата можно выделить одну наиболее важную – это скорость изменения климата, так как, объем наблюдаемой территории ограничен, и зависит не только от внешних условий, но и от активности внутри, это очень сильно сказывается на изменении параметров. В силу объема у микроклимата почти отсутствует инертность. Понятие микроклимата во всю используется в сити-фермерстве, так как объем теплиц сравнительно мал, и в виду нахождения в городских условиях существует множество способов быстрого изменения параметров климата. Именно за такими теплицами должен происходить постоянный мониторинг.

Cити-фермерство. Сити-фермерство это выращивание сельскохозяйственных культур, в городских условиях, используя при этом современные технологии, такие как, интернет вещей. Цели сити-фермерства - это сознать необходимое изобилие продуктов для нуждающихся людей, поддерживая и поощряя создание садов на неиспользуемых землях и в неиспользуемых помещениях в городском массиве, а также на крышах зданий, одновременно увеличивая разнообразие, повышая осведомленность об употребляемых продуктах питания, а также создания здорового образа жизни [2]. Помимо всего этого, сити-фермерство способствует созданию небольших ферм для ведения частного бизнеса.

В виду того, что сельскохозяйственный сектор не является передовым с точки зрения внедрения новых технологий, и уступает по скорости внедрения таким секторам как, например, банковский или медицинский, спрос на новые разработки в сельскохозяйственном секторе не велик. Однако недавно появившиеся сити-фермерство вносит свои корректировки. Впервые вертикальная ферма была построена в Сингапуре в 2012 году. [3] В виду высокой плотности населения 5 млн. жителей на 710 квадратных километров и высоком импорте продуктов 93 процента такое движение при помощи государства получила огромную популярность [4]. В России движение сити-фермерства только зарождается, поэтому создание систем мониторинга именно для домашних теплиц для сити-фермеров очень актуально.

• 1. Средство сбора и отправки

Интернет вещей – это сеть физических устройств, со встроенными технологиями для обмена и сбора данных или для взаимодействия со своими внутренними состояниями или внешней средой [5]. В настоящее время Интернет вещей набирает все большую популярность, особенно для использования различных датчиков и микроконтроллеров.

Для решения проблемы получения данных из окружающей среды и последующей их обработки, необходимо использовать специальное аппаратное решение, обеспечивающие необходимый функционал. В виде такого устройства может выступать микроконтроллер или одноплатный компьютер. Наиболее распространенными решениями являются: микроконтроллер Arduino и микрокомпьютеры Raspberry Pi, Orange Pi и Banana Pi. Данные устройства обладают малыми габаритами при этом позволяют обрабатывать множества данных, получать и вырабатывать сигналы с помощью внешних входов, отправлять по ним множество информации и т.д. Технология Интернета, вещей благодаря данным устройствам, стала доступна большинству людей, что и позволяет реализовать проекты «умных» домов, «умных» теплиц и других разных проектов без проектирования и создания специальной платы. Все выше приведенные устройства могут быть использованы как средство сбора и отправки информации, однако они имеют сильные различия в комплектации. Микроконтроллер Arduino не имеет множества важных для проекта интерфейсов, такие как Ethernet или Wi-Fi, такие интерфейсы могут быть доступны только при приобретении отдельных модулей, цена которых примерно сопоставима с ценой самой платы, что накладывает существенные ограничение на простоту использования устройства. Также, в отличии от одноплатных компьютеров Raspberry Pi, Orange Pi и Banana Pi микроконтроллер Arduino не имеет функции удаленного управления и перепрограммирования, что значительно осложняет пользование этим устройством, так как внести изменения в существующую программу и настроить устройство можно только подключив устройство только при подключении через интерфейс USB к компьютеру. Исходя из данных недостатков, было решено использовать микрокомпьютерные решения от Raspberry Pi, Orange Pi и Banana Pi.

Главным критерием для сравнения Raspberry Pi, Orange Pi и Banana Pi было наличие интерфейса для выхода в Интернет, а именно хотя бы одного из двух: Ethernet или Wi-Fi. Следующим критерием оценки является цена, так как высокая стоимость одноплатного компьютера отобразиться на стоимости всей системы. В более дорогих версия в микрокомпьютер включено не только большее количество интерфейсов, но и сами характеристики кристалла лучше, такие как тактовая частота и оперативная память. Что является хорошим дополнением, так как при лучших показателях частоты и оперативной памяти, увеличится не только скорость работы компьютера, что позволит собирать данные с меньшим периодом ожидания между снятием показаний с датчиков, но и позволит опрашивать большее количество датчиков одним микрокомпьютером. При следовании данным критерия выбор пал на устройство семейства Orang Pi, а именно на Orange Pi 2G-IOT. Что не удивительно, ведь данное устройство специально было разработано для проектов Интернета вещей, и сочетает в себе не плохую частоту, доступ Wi-Fi и небольшую цену. Однако на Российском рынке достать такую плату весьма проблематично. Очень малое количество магазинов предлагают данную линейку плат в виду того что изготавливаются и продаются они преимущественно в КНР. Также минусом является длительное время доставки при покупке через Интернет из Китая. Тоже самое можно сказать и про Banana Pi, данная линейка тоже распространяется преимущественно по Китаю. В результате, выбор пал на серию Raspberry Pi. Raspberry Pi – самая доступная серия микрокомпьютеров на рынке. Компания Raspberry Pi Foundation - первая, кто выпустила в большой тираж компьютер размером с кредитную карту, обладающая возможностями полноценного компьютера, что породило новый тренд на рынке информационных технологий. С момента появления Raspberry Pi образовалось многочисленное сообщество, в котором делятся разными разработками и методами использования данных микрокомпьютеров. Как и было сказано, Raspberry Pi породило новый тренд создания компьютеров размером с кредитную карту, в связи с этим китайскими разработчиками было представлено множество аналогичных решений, в том числе Orange Pi и Banana Pi. Данные серии микрокомпьютеров набирает стремительно популярность благодаря меньшей цене по сравнению с Raspberry Pi, и обладанием лучших характеристик частоты и оперативной памяти. Применяя алгоритм выбора устройства для сбора данных исключительно к линейке Raspberry Pi, был выбран вариант Raspberry Pi 1 B, так как обладает наименьшей ценой из всего семейства. Результаты сравнения приведены в табл. 1. разные семейства устройств для удобства выделены разными цветами, Orange Pi – оранжевым, Raspberry Pi - красным, Arduino - синим, Banana Pi - зеленым.

Таблица 1

Сравнение управляющих устройств

• 1. Средство представления (облачная платформа)

Для осуществления возможности подключения к сети системы существует множество решений. К примеру, возможность подключаться к одноплатному компьютеру с помощью клиентских приложений напрямую. В данном случае все данные будут храниться только на компьютере, что накладывает новые требования на выбор данного компьютера. Другой вариант – развертывание собственного сервера, который будет осуществлять соединение между прототипом умной теплицы и клиентскими приложениями. Сервера могут быть основаны на любом компьютере, но в этом случае придется заниматься анализом сервера и его характеристик. Самым оптимальным вариантом – развертывание сервера на основе облачных вычислений, которые будут предоставлены третьей стороной.

Облачные вычисления - модель предоставления удобного сетевого доступа в режиме «по требованию» к коллективно используемому набору настраиваемых вычислительных ресурсов (например, сетей, серверов, хранилищ данных, приложений и/или сервисов), которые пользователь может оперативно задействовать под свои задачи и высвобождать при сведении к минимуму числа взаимодействий с поставщиком услуги или собственных управленческих усилий[6].