End-to-End IoT platform concentrating in data and device diversity in Agriculture 4.0.

Abstract

Smart farming can be defined as the application of supplementary technologies to help minimize waste and boost productivity. Agriculture sector involves a huge number of heterogeneous devices that are used for collecting, transferring, exchanging and processing data. Integration into a common infrastructure of diverse data from such devices is challenging due to compatibility issues. Data fusion, data transmission protocols, and serialization formats are essential components of agriculture IoT-based solutions as they enable seamless communication, data exchange, and interoperability. Despite the fact that IoT technologies are promptly evolving, some issues concerning the interoperability and the semantic annotation of heterogeneous data have to be handled within rural deployments that necessitate meeting certain requirements such as long range and coverage in areas with challenging terrains, where radio communications are difficult or not available. We have developed a platform that can deal with data and device diversity while supporting edge processing and dynamic context-based operation profiles for end nodes, by leveraging low energy consumption communication protocols and ultra simple end-to end deployment. On the edge there is an ARM-based single-board computer (SBC) Hybrid IoT node that is able to be adapted in any deployment. It’s RTOS is based on a distributed middleware that supports heterogeneity and offers flexibility on working both as an extreme edge dummy node, as edge computing node with processing capabilities, or as a Fog gateway able to communicate with subnetworks. Data transaction between the end nodes and the cloud is agnostic and is feasible through an application-level zero-copy binary serialization approach. For the data transfer LoRaWAN offers us flexibility due to its support for multiple spreading factors (SFs) and device classes. On the cloud core application, all IoT devices are distributed to virtual subnets that are handled by functionally independent resource managers. End devices can start working automatically once they are registered according to the operating scenario and system wide preferences. Decision making is done through adaptable computational models that could be fused, depending on the use case with third-party data in order to enrich the application context and improve the decision efficiency.

Η έξυπνη γεωργία μπορεί να οριστεί ως η εφαρμογή συμπληρωματικών τεχνολογιών που συμβάλλουν στην ελαχιστοποίηση της πλεονεκτικής χρήσης πόρων και στην αύξηση της παραγωγικότητας. Ο τομέας της γεωργίας περιλαμβάνει έναν τεράστιο αριθμό ετερογενών συσκευών που χρησιμοποιούνται για τη συλλογή, τη μεταφορά, την ανταλλαγή και την επεξεργασία δεδομένων. Η ενσωμάτωση σε μια κοινή υποδομή διαφορετικών δεδομένων από τέτοιες συσκευές είναι δύσκολη λόγω προβλημάτων συμβατότητας. Η σύντηξη δεδομένων, τα πρωτόκολλα μετάδοσης δεδομένων και οι μορφές σειριοποίησης είναι βασικά συστατικά των λύσεων που βασίζονται σε IoT εντός στο κλάδο της γεωργίας, καθώς επιτρέπουν την απρόσκοπτη επικοινωνία, την ανταλλαγή δεδομένων και τη διαλειτουργικότητα. Παρά το γεγονός ότι οι τεχνολογίες IoT εξελίσσονται γρήγορα, ορισμένα ζητήματα σχετικά με τη διαλειτουργικότητα και τον σημασιολογικό σχολιασμό ετερογενών δεδομένων πρέπει να αντιμετωπιστούν που απαιτούν την εκπλήρωση ορισμένων απαιτήσεων, όπως μεγάλη εμβέλεια και κάλυψη σε περιοχές με δύσκολα εδάφη, όπου οι ραδιοεπικοινωνίες είναι δύσκολες ή μη διαθέσιμες. Έχουμε αναπτύξει μια πλατφόρμα που μπορεί να αντιμετωπίσει την ποικιλομορφία δεδομένων και συσκευών ενώ υποστηρίζει την επεξεργασία αιχμής (edge processing) και δυναμικά προφίλ λειτουργίας, αξιοποιώντας πρωτόκολλα επικοινωνίας χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και εξαιρετικά απλή ανάπτυξη από άκρο σε άκρο. Στην άκρη υπάρχει ένας υβριδικός κόμβος IoT υπολογιστή μονής πλακέτας (SBC) που βασίζεται σε ARM επεξεργαστή που μπορεί να προσαρμοστεί σε οποιαδήποτε ανάπτυξη. Το RTOS του βασίζεται σε ένα κατανεμημένο ενδιάμεσο λογισμικό που υποστηρίζει την ετερογένεια και προσφέρει ευελιξία στη λειτουργία τόσο ως ομοιόμορφος κόμβος ακραίων άκρων (extreme edge), ως κόμβος υπολογιστών ακμών (edge computing node) με δυνατότητες επεξεργασίας ή ως πύλη ομίχλης (fog gateway) ικανή να επικοινωνεί με υποδίκτυα. Η συναλλαγή δεδομένων μεταξύ των τερματικών κόμβων και του νέφους είναι αγνωστική (agnostic) και είναι εφικτή μέσω μιας προσέγγισης δυαδικής σειριοποίησης μηδενικού αντιγράφου σε επίπεδο εφαρμογής. Για τη μεταφορά δεδομένων, το LoRaWAN μας προσφέρει ευελιξία λόγω της υποστήριξής του για πολλαπλούς παράγοντες διασποράς (SF) και κατηγορίες συσκευών. Στην εφαρμογή πυρήνα cloud, όλες οι συσκευές IoT διανέμονται σε εικονικά υποδίκτυα που διαχειρίζονται λειτουργικά ανεξάρτητοι διαχειριστές πόρων. Οι τελικές συσκευές μπορούν να αρχίσουν να λειτουργούν αυτόματα μόλις καταχωρηθούν σύμφωνα με το σενάριο λειτουργίας και τις προτιμήσεις σε όλο το σύστημα. Η λήψη αποφάσεων γίνεται μέσω προσαρμόσιμων υπολογιστικών μοντέλων που θα μπορούσαν να συγχωνευθούν, ανάλογα με την περίπτωση χρήσης με δεδομένα τρίτων, προκειμένου να εμπλουτιστεί το πλαίσιο εφαρμογής και να βελτιωθεί η αποτελεσματικότητα της απόφασης που λαμβάνεται.