Successful Deployment of a Wireless Sensor Network for Precision Agriculture in Malawi M. Mafuta, M. Zennaro, A. Bagula , G. Ault, H. Gombachika, T. Chadza The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡ Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡Applica-on ¡ ¡ (NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡ 1
Outline • Introduction • Irrigation System • Performance Evaluation • Challenges • Conclusions & Future Work The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 2 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Introduction (motivation) • Economic Gain. It is widely known that Precision Agriculture (PA) results in economic gain: – Water preservation: water is usually a scarce resource that needs preservation. – Farming efficiency: better crop resulting from the use of irrigation • Irrigation Requirements. In Precision Agriculture (PA), monitored parameters vary dramatically from region/field to region/field – Therefore, irrigation system controllers must be adaptive enough to meet the field constraints . – However, the irrigation system controllers can be adaptive enough to meet the constraints only if they are advanced. – The off-the-shelf controllers found on the market are usually too basic to meet these constraints. • Economic Limitations: Advanced irrigation system controllers are very expensive for developing countries (DCs) such as Malawi. The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 3 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Introduction (WSNs) • An irrigation controller based on Wireless Sensor Networks (WSNs) is considered to be – a cheaper solution for PA – flexible enough to adapt to any environment • reprogramming based on open-source software – Accommodative on powering options • can be powered by battery/solar – good for remote deployment ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡WSN ¡node ¡with ¡agriculture ¡board ¡ Solar panel The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 4 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Introduction (WSNs) • However, WSNs are still under developmental stage; as such, they are at times – unreliable, – fragile, – power hungry and – can easily lose communication especially when deployed in a harsh environment like agricultural field. • Unlike laboratory based simulations, practical deployments have to handle such challenges The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 5 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Introduction (Paper’s goal) • The goal was to revisit the problem of the field readiness of WSNs to assess their relevance in practical PA deployments. The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 6 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Irrigation System (Key benefits) • The system allowed remote monitoring of an agricultural field (a maize field) through: – access status of irrigation valves in real-time – access the level of batteries for the solar powered sensor nodes – monitor soil moisture profile in the field – Identify faults in real time • Reduced field visits by the management personnel – visiting the field only when necessary o saving time and money The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 7 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Irrigation System (Architecture) The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 8 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Irrigation System (Remote Station System Architecture) The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 9 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Irrigation System (Remote Station System components) The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 10 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Irrigation System (Remote Station System configuration) • A basic in-field sensor node was used to capture soil moisture and temperature data via libelium’s agriculture board. • Data were processed using libelium’s Waspmote sensor board. • ZigBee module was used in a star network topology to send data to a coordinator node. The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 11 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Irrigation System (Remote Station System configuration) • In addition to the basic in-field node features, a gateway node was equipped with a GPRS module – transfer data to a monitoring station – real-time system diagnosis was possible The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 12 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Irrigation System (Remote Station System configuration) • The coordinator and actuator node: – receive and aggregate data from the four in-field sensor nodes; – relay data to a gateway node for forwarding to a remote server; and – make irrigation decisions and actuate valves accordingly. The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 13 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Pictorial view of a remote station The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 14 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Irrigation System (Monitoring Station System Architecture) The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 15 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Performance Evaluation (Experimental Results) • The WSN field readiness in PA was tested through three means: – Evaluating link performance through measurement of Received Signal Strength Indicator (RSSI) at different distances of the WSN nodes – Analysing sensor node battery performance – Evaluating the impact of battery life on link performance. The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 16 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Performance Evaluation (Experimental Results) 1. RSSI over Distance • Communication links were bound to fail at 23 m distance – the RSSI was at around -90 dBm – very close to the receiver sensitivity of -96 dBm • Communication links were more robust at 7 m distance – RSSI was at around -58 dBm. The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 17 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Performance Evaluation (Experimental Results) 2. Battery Level • The gateway and coordinator batteries were a major concern • The personnel was called upon on several occasions • Eventually batteries were changed (1150 mAh to 2450 mAh) • Increasing sampling time (from 5 to 30 minutes) improved resilience The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 18 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Performance Evaluation (Experimental Results) 3. RSSI Vs Battery Level The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 19 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
Performance Evaluation (Experimental Results) 3. RSSI Vs Battery Level • The above graphs show a correlation of RSSI and battery level. – Both battery level and RSSI peak at around 3:00 PM, and – slump dramatically at around 4:00 AM. – They start to peak again at around 7:00 AM when the sun rises and starts to charge batteries. • To maintain RSSI at a desired level, battery power must be high. • At 7 m distance we see that battery level may be discharged by 20 % or more without impacting RSSI much. – However, for longer distances keep battery level as high as possible to counter act the attenuation. The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ 20 Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡
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