A remote monitoring and control system for ecosystem replication experiments

Joao Pinto Ventura, Nuno A. Cruz, Fernando P. Lima
2016 OCEANS 2016 MTS/IEEE Monterey  
O estudo de ecossistemas naturais é uma tarefa complicada, principalmente devido aos seus custos elevados e logística complexa. Assim, de forma a contornar essas dificuldades, diversos investigadores têm vindo a realizar experiências num sistema fechado, de forma a replicar os ecossistemas em condições controladas e facilmente replicadas e repetidas. De forma a replicar os ecossistemas mencionados, tem-se assistido ao uso de aparelhos electrónicos, tais como sensores e actuadores, de forma a
more » ... ores, de forma a controlar os parâmetros ambientais, ao mesmo tempo que é feita a monitorização do seu impacto. Devido à globalização, que facilita a inclusão de membros de todo o mundo em equipas de investigação, existe uma crescente necessidade de controlar e monitorizar os aparelhos utilizados para a replicação das experiências de forma remota. Actualmente, os investigadores do CIBIO têm vindo a desenvolver o seu próprio sistema para replicação de ecossistemas, que faz uso de um microcontrolador, capaz de supervisionar os sensores e actuadores utilizados. No entanto, este sistema é controlado localmente, o que obriga à presença física e portanto, de forma a possibilitar este requisito, é apresentado nesta dissertação o desenvolvimento de um sistema para controlo e monitorização remotos para múltiplas experiências, independentes entre si. Primeiro são apresentados os principais conceitos que servem de base à arquitetura do sistema, de seguida, o design final da arquitectura e, por fim, a sua implementação. A arquitetura de sistema proposta está dividida em três camadas, sendo que a de base é composta pelos modulos de sensorização e atuação já existentes, que irão comunicar, através de um protocolo de comunicação sem fios, com um coordenador, pertencente à camada intermédia, que serve como elo de ligação ao Sistema de Gestão de Base de Dados e à Interface do sistema, que se situam na camada final e cujo acesso é feito através da Internet. De forma a implementar esta arquitetura, é usado o Protocolo IEEE 802.15.4 para Comunicações Sem Fios, uma BeagleBone Black como coordenador do hardware associado às experiências, que é composto por um Arduino Mega, do Sistema de Gestão de Base de Dados PostgreSQL e uma Interface para o Sistema, construída com recurso a PHP e HTML. Por fim, a praticabilidade do sistema é analisada e confirmada, sendo esta feita com recurso a vários testes onde a Interface do Sistema é utilizada para controlar os aparelhos responsáveis pelas experiências. A observação dos resultados obtidos através dos testes é encorajadora, uma vez que o funcionamento do sistema como um todo é validado, no entanto, existe ainda margem para melhorias no mesmo. i ii Abstract The study of natural ecosystems is a hard task, due to its costs. and logistical complexity. So, in order to deal with these difficulties, researchers have been using enclosed experiments, in order to replicate ecosystems in controlled and repeatable conditions. To replicate said ecosystems, researchers have been employing the use of electronic devices, such as sensors, and actuators, in order to control the ambient parameters in the ecosystem, while monitoring its impact. Due to globalization, research teams often include members from all around the world, and to facilitate the data validation, the need for remote monitoring and control of the replication experiments is rising. Currently, researchers at CIBIO have been developing their own system for ecosystem replication, by having a micro controller supervising the sensors and actuators. Yet, this system cannot be controlled remotely, and so, in order to enable said behaviour this dissertation presents the development of a remote monitoring and control for multiple and independent experiments, namely, ecosystem replication experiments. First, the main concepts behind the system architecture are presented, secondly its design, and finally its implementation is presented. The proposed system architecture is divided in three tiers, with the current Sensor and Actuator Nodes on the bottom tier, connected via a Wireless Communications Protocol to a Central Coordinator Node, in the middle tier, which is responsible for establishing the bridge between the Sensor and Actuator Nodes and Top Tier, which is composed by the Relational Database Management System, where the information is stored, and the System Interface, where the user interacts with the experiments. The implementation of said architecture makes use of IEEE 802.15.4 Standard for Wireless Communications, a BeagleBone Black as a coordinator for the experiment devices, an Arduino Mega as the monitoring and control device for each experiment, a PostreSQL Relational Database Management System, and a System Interface built resorting to PHP and HTML. Afterwards, the practicability of the system is analysed and confirmed by resorting to tests where the System Interface is used to effectively control the experiments' devices. The observation of the tests' results is encouraging, since it demonstrates that the system works as planned, although there is still margin for improvements. iii iv Agradecimentos Pese embora a escrita deste documento ser feita em inglês, decidi escrever estes agradecimentos em Português. Assim, gostaria de começar por agradecer ao meu orientador, o Professor Nuno Alexandre Cruz, pela disponibilidade que mostrou ao longo do projecto e pelo facto de me ter proporcionado a oportunidade de atacar este desafio com relativa liberdade de escolha em relação à solução a implementar. Sei que fruto disso irei terminar este percurso com garantias de vir a ser um engenheiro capaz no futuro. De seguida, gostaria de agradecer aos investigadores do CIBIO, Fernando Lima e Rui Seabra, pelo facto de terem proposto este desafio e pelo entusiamo demonstrado. Por outro lado, gostaria também de agradecer à minha família e aos meus amigos mais próximos, por todos os momentos que passamos, saibam que sem vocês isto não era a mesma coisa. João Ventura v vi "Or maybe there are no good people, maybe there are only good decisions" John Reese in Person Of Interest vii viii
doi:10.1109/oceans.2016.7761279 fatcat:zpjc7ggxnvflrl6mfvy7fpclhm