Successful Deployment of a Wireless Sensor Network for Precision - - PowerPoint PPT Presentation

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Successful Deployment of a Wireless Sensor Network for Precision - - PowerPoint PPT Presentation

Sep 08, 2022 273 likes •552 views

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

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Successful Deployment of a Wireless Sensor Network for Precision Agriculture in Malawi

  • M. Mafuta, M. Zennaro, A. Bagula, G. Ault, H. Gombachika, T. Chadza

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The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡ Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡Applica-on ¡ ¡ (NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡

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The ¡3rd ¡IEEE ¡Interna-onal ¡Conference ¡on ¡Networked ¡Embedded ¡Systems ¡for ¡Every ¡ Applica-on ¡(NESEA ¡2012), ¡Liverpool, ¡UK ¡

Outline

  • Introduction
  • Irrigation System
  • Performance Evaluation
  • Challenges
  • Conclusions & Future Work

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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.

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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

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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

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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.

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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

  • saving time and money

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Irrigation System (Architecture)

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Irrigation System (Remote Station System Architecture)

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Irrigation System (Remote Station System components)

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Irrigation System (Remote Station System configuration)

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  • 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.

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Irrigation System (Remote Station System configuration)

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  • 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

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Irrigation System (Remote Station System configuration)

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  • 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.

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Pictorial view of a remote station

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Irrigation System (Monitoring Station System Architecture)

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Performance Evaluation (Experimental Results)

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  • 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.

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Performance Evaluation (Experimental Results)

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  • 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.

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Performance Evaluation (Experimental Results)

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  • 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
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Performance Evaluation (Experimental Results)

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  • 3. RSSI Vs Battery Level
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Performance Evaluation (Experimental Results)

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  • 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.

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Challenges and Experiences Gained

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  • 1. Conflict between ZigBee and GPRS modules
  • One module for coordinator failed when both were

powered

– Total network failure when ZigBee module failed. – SMS sending failure when GPRS module failed.

  • Turning ON/OFF ZigBee module for the coordinator

node proved futile as it was losing connection with children nodes.

  • It was possible to turn ON/OFF the ZigBee module
  • f End device without losing connection with its

coordinator

– Therefore, we used one of the in-field End nodes as a gateway for sending SMSs rather than the coordinator.

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Challenges and Experiences Gained

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  • 2. Powering requirements
  • The resilience of WSN deployment hinged on battery

capacity and solar panel sizes.

  • Good programming practices must be followed in
  • rder to save battery power

– Sleeping/hibernate mode must be used – Data sampling rate must be as small as possible

  • e.g. once every 2 minutes when irrigating and once

every 30 minutes when idle

  • For course soils, more samples may be needed.
  • Distances between nodes must be optimized.

– The longer the distance the more the battery usage

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Challenges and Experiences Gained

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  • 3. Remote monitoring
  • This is a very crucial part of WSN deployment regardless of

the application.

  • Network failure is at times un avoidable and never predictable.

– Personnel has to physically visit the site often for inspection

  • Remote monitoring system notifies the user when there is a

fault

– System running cost is reduced – Time is saved

  • Remote monitoring can effectively be implemented using a

cellular network

– broadly available even in rural areas of developing countries.

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Conclusion

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  • WSN was successfully implemented in PA
  • System performance was evaluated and enhanced

accordingly

  • Sensor battery lifetime has serious repercussions on

the robustness of WSN deployment

  • Good programming practices must be followed
  • Resilience of the system can be improved by
  • ptimising sensor placement in the field
  • Remote monitoring must be implemented in practical

WSN deployments

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Future work

  • Large scale deployment (> 50 nodes)
  • Can the coordinator node handle all queries from the in-

field nodes in a star topology? We may need to explore Cluster Tree topology.

  • Measure more parameters
  • E.g. board temperature, humidity, water tank level, etc
  • GSM communication feature allows easy system

replication to other remote irrigation fields.

  • focus on the water application efficiency in order to:
  • conserve irrigation water; and
  • reduce energy used in irrigation water pumping.

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Thank you

mmafuta@poly.ac.mw bagula@cs.uct.ac.za

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