CC BY
20
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив. Серия В. Техника и технологии. Том XVII, ISSN 1311 -9419 (Print); ISSN 2534-9384 (Online), 2019. Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria - Plovdiv. Series C. Technics and Technologies. Vol. XVII., ISSN 1311 -9419 (Print); ISSN 2534-9384 (Online), 2019
LORAWAN БАЗИРАНА КОМПЮТЪРНА СИСТЕМА ЗА КРАЕН ВЪЗЕЛ НА ИНТЕРНЕТ НА ХРАНИТЕ Красимир ЬСолев Университет по храеителеи теенологие-Пловдив
LORAWAN BASED COMPUTER SYSTEM FOR ENDNODE OF THE
INTERNET OF FOOD PUassimirKolev University of Food TechnolOgies - Plovdiv
Abstract: The paper focuses on an approach for using new wireless technologies and rapidly evolving field of Internet of Foods (IoF) for traceability of foods. A variant of using LoraWan technology for implementing network connectivity between objects representing end-nodes providing objective technology information about food is presented. An analysis and comparison is made with existing food traceability systems. The end-node for traceability of foods is synthesized. The synthesed end node is based on a modern 32-bit microcontroller STM32 and LoRa transceiver SX1276. A functional analysis of the given computer system is made.
Keywords: Internet of Food; IoF; LoRa; LoRaWAN; Computer systems.
Ръведение
Проследяването на храните се превърна в нарастваща загриженост на потребителите и учени по целия свят. Проследяването на храни в момента се извършва предимно на административно ниво с използването на средства за документално проследяване на суровини и крайни продукти. Проследяването се превърна в правен инструмент през 2005 г. в Европа, който се прилага към всички хранителни продукти, които са търгуеми, с цел гарантиране на тяхната безопасност на храните съгласно член 18 от Регламент на ЕС 178/2002 (Montet, 2018). При тези обстоятелства стана задължително да се реализират системи за проследяване, за да се сведе до минимум производството и разпространение на опасни или лоши качествени храни. Настоящата публикация дава едно примерно решение за активно проследяване отчитайки съвременни тенденции за мрежова свързаност между обекти.
Материали и методи
С глобализацията традиционните техники за проследяване на база на етикети и книжни документи не са адекватни и напредъкът във внедряване на електронни методи е желателен за ефективна система за проследяване. Радиочестотна идентификация (RFID) е понастоящем наложила се технология за електронно етикиране. RFID технологията използва различни честоти и идентификатори. RFID технология използва различни честоти. Повечето от RFID системите работят в нискочестотен обхват (LF - обикновено 125 kHz) съгласно стандарт ISO/IEC 18000 и високочестотен обхват (HF - обикновено 13.56 MHz) съгласно стандарт ISO/IEC 15693. Дори да се използват нови HF RFID полу-пасивни системи с вградени температурни сензори, те работят на 13.56 MHz, с ниска мощност на
излъчване и обхвата на четене не е по-голям от три сантиметра. Извличането на тази технологичната информация дори в този случай не активна и става след определен жизнен цикъл на храната. Има ли решение да се реализира система за предаване на технологична информация в реално време? Да, това е възможно като се използват нови технологии за комуникация (Yang, 2014) и изгради сензорна мрежа предаваща информация за храните в Интернет. Най-подходяща до момента за реализиране на активна система за проследяемост на храни е LoRa стандарт дефиниран от LoRa Alliance (LoRa, 2017), тъй като поддържа голям брои устройства (максимално 65535 броя), устройствата имат ниска консумация на енергия (няколко микроампера в режим на готовност), подходящи са за батерийно захранване, притежават голям обхват (5-15 km) , имат малка консумация в активен режим ( няколко мили ампера) и възможност за изграждане на разширяеми мрежи звезда-звезда (Pethuru, 2017). На фиг. 1 е показана структурната схема на предложената компютърна система използваща свързаност на Интернет на нещата (IoT) посредством реализиране на крайни възли на база технологията LoRa за активна проследимост на храни. Тя се състои от крайни възли (I) за събиране технологична информация, стандартен LoRa шлюз (II) за връзка към Интернет, облачна инфраструктура на IoT (III) и централен сървър за съхранение на данни (IV).
1Г I
1>НЬ)ЬЙ» sfrvcv (IV)
LoRa Gateway (II) -
Фиг.1 Структурна схема на компютърната система
В приложената структура основен компонент за събиране на данни е крайният възел. Именно за него е представена детайлно описание на структурните компоненти -микроконтролер (1), сензор за температура (2), LoRa приемо-предавател (3), допълнителни сензори (4), входно-изходен интерфейс (5), захранване (6) и антена (7).
Резултати и обсъждане
На база на предложената структурна схема е разработена схемотехническата част на компютърната система на крайният възел на Интернет на храните, като се изхожда от общите принципи за реализация на вградени микропроцесорни системи и избор на съвременни архитектурни решения. На фиг. 2 е показана принципната схема на реализираният краен възел за проследимост на храни. Синтеза на микропроцесорната система е на база на вграден микроконтролер в един чип STM32L053R8 (IC6). STM32L053R8 е бързодействащ ултра ниско консумиращ 32-битов Arm CortexMO RISC базиран микроконтролер с 64KB флаш памет, 2КВ EEPROM, 8KB SRAM, 51 входно-изходни извода, пет модула таймери/броячи с режим за сравнение, вътрешни и външни източници на прекъсване на работата на микропроцесора, два последователно програмируеми USART универсални синхронени и асинхронни приемо-предавателя, един RTC (часовник за реално време), два I2C интерфейсa, четири SPI интерфейса, 16-канален 12-битов АЦП, едноканален 12-битов ЦАП, програмируем стражеви таймер с вътрешен тактов генератор, както и програмно избираеми режими с намалена консумация на
електрическа енергия. Микроконтролерът работи с електрическо напрежение между 1.8 до 3.6 волта (STMicroelectronics, 2017). STM32L053R8 използва свободен софтуер за разработка от фирмата производител и свободната развойна среда на CoIDE и STM32Cube. Предложеният краен възел се програмира чрез ST-LINK/V2 дебугер/програматор.
Бутона RESET е стандартна за този тип микроконтролер и произвежда сигнал за начално установяване на микропроцесорната система. Групата елементи C24, C25 и Q2 е стандартна за реализация на външна честотно задаваща група на тактовия генератор на микропроцесора, а C26, C27 и Q3 за часовника за реално време. Захранването на микропроцесорната система е реализирана посредством батерийно захранване, като е предвидена възможност за зареждане посредством специализирана интегрална схема LTC4054 (IC4) за зареждане на акумулаторни батерии за осигуряване на автономното захранване на проектираният възел за проследимост на храни. Регулаторът IC1 осигурява 3.3V постоянно напрежение за приемо-предавателя и микроконтролера. Lora приемо-предавателя е реализиран на база на специализирана интегрална схема SX1276 (IC2) на фирмата Semtech. SX1276 притежава чувствителност на приемане около -148dBm. Консумацията на приемо-предавателя в спящ режим е 0.2uA, а в готовност 1.6 mA. Изходната мощност на предаване е 13 dBm. SX1276 има вградена 256 байтова RAM за буфер на данни достъпна в режим LoRa [8]. Групата елементи C1, C2 и Q1 е стандартна за
реализация на външна честотно задаваща група на тактовия генератор на SX1276. Приемо-предавателния тракт използва обща антена, поради това за мултиплексиране и демултиплексиране на сигналите към/от антената се използва специализиран аналогов управляван комутатор за високи честоти тип PE4259 (IC3). Антената е сменяема с куплунг SMA/UFL с цел използване на различни антенни системи в зависимост от покритието на шлюза. Сензорът за температура IC4 e типа DS18B20 - цифров еднопроводен на фирмата Maxim. Той измерва температурата в обхват от -55°C до 125°C с точност +/-0.5°C, като използва 12-битово цифрово представяне на данните. Алгоритмичната диаграма на проекгираният краен възел е показана на фиг. 3.
Фиг. 3 Алгоритмична диаграмма на проектираният възел
Програмното осигуряване на компютърната система е разработено на база на адаптиране на IBM LoRaWAN C-библиотеки (LMiC) за контрол на достъпа до преносната среда (MAC). При заявен интерес автора предоставят програмният код за обслужване на системата. Цената на предложената микропроцесорна система без допълнителни елементи по цени за 2018г. е само 10 евро.
Заключение
Представената структура за реализация на система на база на микроконтролера STM32L053R8 и приемо-предавателя SX127, позволява да се контролират основни параметри на хранителните продукти. Предложената система е хардуерно отворена и позволява да се разширява с различни видове сензори. Предложената структура адаптира работещи модели и технологии, поради което ще намери и приложение в хранителната индустрия. Предложеният краен възел е приложим за многократно използване и с възможно най-ниска цена със цел масово използване с опаковки за храни. Публикацията представя първи резултати от научен проект с тема „Изграждане на модерна локална инфраструктура за Интернет на храните" N 08/18H на УХТ - Пловдив.
Библиография
1. LoRa Alliance, LoRaWAN™ 1.1 Specification, LoRa Alliance Inc., 2017.
2. STMicroelectronics, STM32L053R8 - Datasheet DocID025844, STMicroelectronics, 2017.
3. Montet D., R. Ray, Food Traceability and Authenticity, CRC Press, 2018.
4. Yang, S. H., Wireless Sensor Networks: Principles, Design and Applications, Springer, 2014.
5. Pethuru, R., R. Anupama, The Internet of things : enabling technologies, platforms, and use Cases, Taylor & Francis, CRC Press, 2017.
6. Semtech, DATASHEET: SX1276/77/78/79 - 137 MHz to 1020 MHz Low Power Long Range Transceiver, Semtech Corporation, 2016.
