Розроблення ІоТ хабу моніторингу та передачі даних

Abstract

У кваліфікаційній роботі розроблено та програмно реалізовано IoT-хаб для моніторингу стану зерна. Метою було створення функціонального хаба, що забезпечує надійний збір, попередню обробку та безперебійну передачу даних від бездротових сенсорів GrainSection до хмарної платформи [1]. Хаб є центральним елементом системи промислового Інтернету речей, вирішуючи проблему ефективного та своєчасного контролю стану зерна у сховищах, що є критично важливим для запобігання псуванню та економічним втратам. Проведено аналітичний огляд існуючих IoT-архітектур, бездротових технологій (зокрема LoRa) та хмарних платформ, ідентифіковано оптимальні рішення для агропромислового сектору. Вибір LoRa обґрунтовано її енергоефективністю, далекодією та здатністю долати перешкоди у сільськогосподарських середовищах [2]. Визначено проблемну ситуацію та сформульовано вимоги до апаратно-програмної реалізації хаба. Обґрунтовано вибір Raspberry Pi 4B як апаратної основи, що забезпечує гнучкість, та LoRa для зв'язку із сенсорами. Обрано та обґрунтовано методи розробки програмного забезпечення, включаючи архітектурні принципи та алгоритми обробки даних на периферії. Розроблено власний протокол зв'язку для взаємодії з LoRa-модулем, оптимізовано передачу даних та енергоспоживання кінцевих пристроїв [3]. Реалізовано ефективні алгоритми попередньої обробки даних на хабі (агрегація, фільтрація, кешування), що зменшує обсяг трафіку до хмарної платформи. 4

Інтеграцію з хмарним сервісом AWS S3 забезпечено для надійного та масштабованого зберігання зібраної інформації [4]. Практична реалізація IoT-хабу охоплює розробку модулів LoRa-комунікації, управління життєвим циклом сенсорів, обробки вхідних пакетів, механізмів локального зберігання даних та інтерфейсів для безпечного завантаження агрегованих даних до S3. Для верифікації системи проведено комплексне імітаційне тестування на експериментальному стенді, використовуючи плати STM32L051 для симуляції сенсорів. Результати підтвердили високу надійність LoRa-передачі з нульовим відсотком втрат пакетів, що є ключовим для моніторингових систем. Досягнуто 100% успішності завантаження оброблених даних до хмари. Виміряна середня наскрізна затримка (End-to-End Latency) склала 7.545 секунд, що відповідає вимогам систем моніторингу, де критичний реальний час не є головним пріоритетом [5]. Отримані метрики демонструють стабільність, ефективність та надійність функціонування хаба у змодельованих умовах. Розроблений IoT-хаб є функціональним та надійним програмно-апаратним рішенням для збору та передачі даних, що сприяє підвищенню ефективності та безпеки зберігання зерна, надаючи агропромисловим підприємствам інструмент для своєчасного реагування на потенційні проблеми та запобігання втратам.

This Bachelor's thesis presents the development and software implementation of an IoT hub for grain condition monitoring. The objective was to create a functional hub ensuring reliable data collection, preliminary processing, and uninterrupted transmission from wireless sensors to a cloud platform [1]. The hub is a central component of an industrial Internet of Things system, addressing the critical need for effective and timely grain condition control in storage facilities to prevent spoilage and economic losses. An analytical review of existing IoT architectures, wireless technologies (specifically LoRa), and cloud platforms was conducted, identifying optimal solutions for the agricultural sector. LoRa's selection was justified by its energy efficiency, extended range, and ability to overcome obstacles in agricultural environments [2]. The problem statement was defined, and detailed requirements for the hub's hardware and software implementation were formulated. Raspberry Pi 4B was chosen as the flexible hardware basis, and LoRa for sensor communication. Software development methods were selected and justified, including architectural principles and edge data processing algorithms. A proprietary communication protocol for interaction with the LoRa module was developed, optimizing data transmission and end-device power consumption [3]. Effective preliminary data processing algorithms (aggregation, filtering, caching) were implemented on the hub, reducing cloud traffic. Integration with the AWS S3 cloud service ensures reliable and scalable storage of collected information [4].

7

The practical implementation of the IoT hub encompassed the development of modules for LoRa communication, sensor lifecycle management, incoming packet processing, local data storage mechanisms, and interfaces for secure aggregated data uploads to S3. To verify system functionality, comprehensive simulated testing was performed on an experimental stand, utilizing STM32L051 boards to emulate sensors. Results confirmed high reliability of LoRa transmission with zero packet loss, which is crucial for monitoring systems. A 100% success rate in uploading processed data to the cloud was achieved. The measured average End-to-End Latency was 7.545 seconds, which meets monitoring system requirements where real-time criticality is not the primary concern [5]. The obtained metrics demonstrate the hub's stability, effectiveness, and reliability under simulated conditions. The developed IoT hub represents a functional and reliable hardware-software solution for data collection and transmission. It contributes to improving grain storage efficiency and safety by providing agricultural enterprises with a tool for timely response to potential issues and loss prevention.