ПОБУДОВА ІНФОРМАЦІЙНОЇ СИСТЕМИ МОНІТОРИНГУ ФІЗИЧНИХ ПОКАЗНИКІВ НА ОСНОВІ ТЕХНОЛОГІЇ «ІНТЕРНЕТ РЕЧЕЙ»

Дмитро  Гончаренко; Віталій  Мокін; Дмитро  Проценко

doi:10.31649/1999-9941-2023-57-2-99-108

Автор(и)

Дмитро Гончаренко Вінницький національний технічний університет, Вінниця
Віталій Мокін Вінницький національний технічний університет, Вінниця
Дмитро Проценко Вінницький національний технічний університет, Вінниця

DOI:

https://doi.org/10.31649/1999-9941-2023-57-2-99-108

Ключові слова:

система моніторингу, Інтернет речей, датчики, мережеві технології, інформаційна система, LPWAN, Sigfox, LoRaWAN, NB-IoT, Python

Анотація

Анотація. У даній статті проаналізовано та охарактеризовано різні аспекти побудови інформаційної системи моніторингу фізичних показників на основі технології «Інтернет речей». Детально розглянуто ключові складові такого класу систем, включаючи особливості використання датчиків, вибір мережевих технологій, спеціалізованих ІоТ-платформ. Проведено аналіз сучасних мережевих технологій LPWAN, таких як LoRaWAN, Sigfox та NB-IoT. Охарактеризовано їх основні характеристики та особливості, у т.ч. швидкість передавання даних, дальність поширення мережі та рівень споживання енергії. Проаналізовано структуру та компоненти цих видів мереж. Розроблено схематичне подання для кожного виду мереж, яке розкриває його основні відмінності. Також, здійснено аналіз доступних IoT-платформ, які забезпечують збирання, оброблення та аналіз даних від датчиків. Проаналізовано функціональні та інтеграційні можливості таких платформ з мережевими технологіями LPWAN. Проведено експертне оцінювання критеріїв, які є важливими для порівняння та вибору оптимальних технологій, протоколів, платформ. Результат систематизовано у вигляді середньозваженого загального критерію оптимальності та таблиць з експертними оцінками для кожного виду мережевих технологій LPWAN Проблему визначення оптимальної технології формалізовано як задачу лінійного програмування. Автоматизовано розв’язання цієї задачі на Python з використанням бібліотеки PuLP. Наведено приклади розв’язання задачі і вибору технологій для побудови інформаційної системи моніторингу фізичних показників на основі технології «Інтернет речей» за різних умов. Надано опис результатів практичної реалізації системи моніторингу температури у приміщенні науково-дослідної лабораторії, розробленої з використанням результатів цієї статті. Основним науковим результатом проведеного дослідження є удосконалений метод багатокритеріального вибору оптимальних мережевих технологій та ІоТ-платформ для побудови інформаційної системи моніторингу фізичних показників на основі технології Інтернету речей. Практична цінність отриманих результатів полягає в можливості побудови ефективної інформаційної системи моніторингу, оптимальної за багатьма критеріями. Отримані результати дозволяють здійснити обґрунтований вибір мережевої технології LPWAN та IoT-платформи для конкретних вимог і потреб системи. Розроблене рішення у формі програмного коду на Python надає практичний інструмент для вирішення задачі оптимізації вибору технології.

Біографії авторів

Дмитро Гончаренко , Вінницький національний технічний університет, Вінниця

аспірант кафедри системного аналізу та інформаційних технологій

Віталій Мокін , Вінницький національний технічний університет, Вінниця

доктор технічних наук, проф., завідувач кафедри системного аналізу та інформаційних технологій

Дмитро Проценко , Вінницький національний технічний університет, Вінниця

кандидат технічних наук, доцент кафедри системного аналізу та інформаційних технологій

Посилання

Koohang, C. S. Sargent, J. H. Nord, and J. Paliszkiewicz, “Internet of things (IOT): From Awareness to continued use,” International Journal of Information Management, вип. 62, с. 102442, 2022. [Елект-ронний ресурс]. Режим доступу:doi:10.1016/j.ijinfomgt.2021.102442. Дата звернення: 13 черв. 2023.

Paolone, G., Iachetti, D., Paesani, R., Pilotti, F., Marinelli, M.Di Felice, P. A holistic overview of the internet of things ecosystem. IoT, 3(4), с. 398–434, 2022. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.3390/iot3040022. Дата звернення: 13 черв. 2023.

В. Б. Мокін, Б. Ю. Собко, М. В. Дратований, Є. М. Крижановський, і Г. В. Горячев, «Створення інформаційної системи моніторингу забруднення атмосферного повітря міста на основі техно-логії 'Інтернет речей'», Вісник Вінницького політехнічного інституту, вип. 3, с. 49–58, Верес. 2017.

Almuhaya, M. A., Jabbar, W. A., Sulaiman, N.Abdulmalek, S. A survey on Lorawan technology: Recent trends, opportunities, simulation tools and future directions. Electronics, 11(1), с. 164–170, 2022. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.3390/electronics11010164. Дата звернення: 13 черв. 2023.

Sisinni, E., Ferrari, P., Fernandes Carvalho, D., Rinaldi, S., Marco, P., Flammini, A.Depari, A. Lorawan Range Extender for industrial IOT. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16(8), с. 5607–5616, 2020. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.1109/tii.2019.2958620. Дата звер-нення: 13 черв. 2023.

Muteba, K. F., Djouani, K.Olwal, T. 5G Nb-IOT: Design, Considerations, Solutions and challenges. Procedia Computer Science, 198, с. 86–93, 2022. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.procs.2021.12.214. Дата звернення: 13 черв. 2023.

Milarokostas, C., Tsolkas, D., Passas, N.Merakos, L. A comprehensive study on Lpwans with a focus on the potential of Lora/Lorawan Systems. IEEE Communications Surveys; Tutorials, 25(1), с. 825–867, 2023. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.1109/comst.2022.3229846. Дата звернення: 13 черв. 2023.

Jouhari, M., Saeed, N., Alouini, M.-S.Amhoud, E. M. A survey on Scalable Lorawan for massive IOT: Recent advances, potentials, and challenges. IEEE Communications Surveys; Tutorials, c. 18–29, 2023. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.1109/comst.2023.3274934. Дата звернення: 13 черв. 2023.

Alqurashi, H., Bouabdallah, F.Khairullah, E. SCAP SigFox: A scalable communication protocol for low-power wide-area IOT Networks. Sensors, 23(7), с. 3732, 2023. [Електронний ресурс]. Режим досту-пу: https://doi.org/10.3390/s23073732. Дата звернення: 13 черв. 2023.

Wang, Y., Fu, H., Wang, D.Jiang, Y. Design of illumination data acquisition system based on Nb-IOT. Lecture Notes in Electrical Engineering, с. 104–111, 2023. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.1007/978-981-99-0416-7_10. Дата звернення: 13 черв. 2023.

О. О. Семенова і А. О. Семенов, «Застосування нейронних мереж для визначення місцеположення мобільної станції», Вісник Вінницького політехнічного інституту, вип. 4, с. 66–70, Серп. 2019. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.31649/1997-9266-2019-145-4-66-70. Дата звернення: 13 черв. 2023.

Domínguez-Bolaño, T., Campos, O., Barral, V., Escudero, C. J.García-Naya, J. A. An overview of IOT architectures, technologies, and existing open-source projects. Internet of Things, 20, с. 100626–100648, 2022. [Електронний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.1016/j.iot.2022.100626. Дата звернення: 13 черв. 2023.

Bagwari, S., Roy, A., Gehlot, A., Singh, R., Priyadarshi, N.Khan, B. Lora based metrics evaluation for real-time landslide monitoring on IOT platform. IEEE Access, 10, с. 46392–46407, 2022. [Електрон-ний ресурс]. Режим доступу: https://doi.org/10.1109/access.2022.3169797. Дата звернення: 13 черв. 2023.

В. Б. Мокін, Л. М. Скорина, Є. М. Крижановський, і М. А. Гораш, «Побудова гіс-інтегрованої сис-теми даних та моделей на основі xml-формалізації для моделювання процесів у річках», Науко-ві праці Вінницького національного технічного університету, вип. 2, Чер 2018. [Електронний ре-сурс]. Режим доступу: http://ir.lib.vntu.edu.ua//handle/123456789/23413 . Дата звернення: 13 черв. 2023.

Koohang, C. S. Sargent, J. H. Nord, and J. Paliszkiewicz, “Internet of things (IOT): From Awareness to continued use,” International Journal of Information Management, vol. 62, p. 102442, 2022. [Online]. Available: doi:10.1016/j.ijinfomgt.2021.102442. Accessed on: 13.06.23.

Paolone, G., Iachetti, D., Paesani, R., Pilotti, F., Marinelli, M.Di Felice, P. A holistic overview of the inter-net of things ecosystem. IoT, 3(4), p. 398–434, 2022. [Online]. Available: https://doi.org/10.3390/iot3040022. Accessed on: 13.06.23.

V. B. Mokin, B. Yu. Sobko, M. V. Dratovanyi, Ye. M. Kryzhanovskyi, and H. V. Horiachev, "Creation of an information system for monitoring air pollution in the city based on Internet of Things technolo-gy," Bulletin of Vinnytsia Polytechnic Institute, vol. 3, p. 49-58, Sep. 2017. [in Ukrainian].

Almuhaya, M. A., Jabbar, W. A., Sulaiman, N.Abdulmalek, S. A survey on Lorawan technology: Re-cent trends, opportunities, simulation tools and future directions. Electronics, 11(1), p. 164–170, 2022. [Online]. Available:https://doi.org/10.3390/electronics11010164. Accessed on: 13.06.23.

Sisinni, E., Ferrari, P., Fernandes Carvalho, D., Rinaldi, S., Marco, P., Flammini, A.Depari, A. Lorawan Range Extender for industrial IOT. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 16(8), p. 5607–5616, 2020. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/tii.2019.2958620. Accessed on: 13.06.23.

Muteba, K. F., Djouani, K.Olwal, T. 5G Nb-IOT: Design, Considerations, Solutions and challenges. Pro-cedia Computer Science, 198, p. 86–93, 2022. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.procs.2021.12.214. Accessed on: 13.06.23.

Milarokostas, C., Tsolkas, D., Passas, N.Merakos, L. A comprehensive study on Lpwans with a focus on the potential of Lora/Lorawan Systems. IEEE Communications Surveys; Tutorials, 25(1), p. 825–867, 2023. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/comst.2022.3229846. Accessed on: 13.06.23.

Jouhari, M., Saeed, N., Alouini, M.-S.Amhoud, E. M. A survey on Scalable Lorawan for massive IOT: Recent advances, potentials, and challenges. IEEE Communications Surveys; Tutorials, p. 18–29, 2023. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/comst.2023.3274934. Accessed on: 13.06.23.

Alqurashi, H., Bouabdallah, F.Khairullah, E. SCAP SigFox: A scalable communication protocol for low-power wide-area IOT Networks. Sensors, 23(7), p. 3732, 2023[Online]. Available: https://doi.org/10.3390/s23073732. Accessed on: 13.06.23.

Wang, Y., Fu, H., Wang, D.Jiang, Y. Design of illumination data acquisition system based on Nb-IOT. Lecture Notes in Electrical Engineering, p. 104–111, 2023. [Online]. Available: https://doi.org/10.1007/978-981-99-0416-7_10. Accessed on: 13.06.23.

O. O. Semenova and A. O. Semenov, "Application of neural networks for determining the location of a mobile station," Bulletin of Vinnytsia Polytechnic Institute, vol. 4, p. 66-70, Aug. 2019. [Online]. Available: https://doi.org/10.31649/1997-9266-2019-145-4-66-70. Accessed on: 13.06.23. [in Ukrainian].

Domínguez-Bolaño, T., Campos, O., Barral, V., Escudero, C. J.García-Naya, J. A. An overview of IOT architectures, technologies, and existing open-source projects. Internet of Things, 20, p. 100626–100648, 2022. [Online]. Available: https://doi.org/10.1016/j.iot.2022.100626. Accessed on: 13.06.23.

Bagwari, S., Roy, A., Gehlot, A., Singh, R., Priyadarshi, N.Khan, B. Lora based metrics evaluation for real-time landslide monitoring on IOT platform. IEEE Access, 10, p. 46392–46407, 2022. [Online]. Available: https://doi.org/10.1109/access.2022.3169797.

V. B. Mokin, L. M. Skorina, Ye. M. Kryzhanovskyi, and M. A. Gorash, "Construction of a GIS-integrated data and model system based on XML formalization for modeling processes in rivers," Sci-entific Works of Vinnytsia National Technical University, vol. 2, Jun. 2018. [Online]. Available: http://ir.lib.vntu.edu.ua//handle/123456789/23413 . Accessed on: 13.06.23. [in Ukrainian].