Maatalous- ja ympäristönmittausverkon pilotointi Kangasalla

Transkriptio

1 Maatalous- ja ympäristönmittausverkon pilotointi Kangasalla Pilotissa käytetään TTY:llä kehitettyä uudenlaista automaattista langatonta mittausverkkoa ja verkon erilaisia mittausantureita aidossa ympäristössä Kangasalla. Pilotti aloitettiin syksyllä 2005 ja se on ollut käynnissä lähes keskeytyksettä. Mittausverkkoa on päivitetty pilotin aikana useita kertoja, ja syksyllä 2009 verkko uudistettiin kokonaan. Verkkoteknologia on nyt täysin valmis ja sitä voidaan hyödyntää useissa eri sovelluksissa. Mittausverkon yksi asema on huomaamaton, pienikokoinen laite johon on liitetty mittauksia tekeviä antureita sekä joissakin tapauksissa valokenno energialähteeksi paristojen lisäksi. Mittauslaitteet muodostavat automaattisesti keskenään monen hypyn langattoman sensoriverkon ja välittävät mittausdatan gateway-asemille, jotka lähettävät mittausdatan edelleen TTY:n palvelimelle. Mittausdata tallennetaan tietokantaan ja näytetään web-, mobiili- ja Javasovelluksilla. Pilotin sovellusalueet Ympäristö- ja maaperämittaukset: maaperän kosteus, maan lämpötila ja roudan syvyys, järviveden lämpötila Ilmastomittaukset: valoisuus, ilman suhteellinen kosteus, ilman lämpötila, hiilidioksidi Mittausverkko tarjoaa reaaliaikaisesti maaperä- ja ilmastodataa laajalta alueelta puutarhureille, maanviljelijöille ja asukkaille. Maatalous- ja ympäristönmittausverkon asennus Asennus kattaa n. 6 km 2 laajuisen alueen Kangasalan Ahulinjärven ympäristössä. Alueelle on asennettu 40 langatonta mittauslaitetta sekä kaksi gateway-laitetta alueen eri kulmiin. Verkkoa laajennetaan edelleen ja suunniteltu lopullinen koko on noin 100 langatonta asemaa. Pienen koon ja keveyden johdosta asemat on voitu asentaa olemassa oleviin kohteisiin häiritsemättä alueen normaalia käyttöä kuten peltoviljely. Mittausverkon asentaminen on erittäin yksinkertaista. Ensin kytketään gateway-laitteet esim. ADSLmodeemeihin Ethernet-kaapelilla. Gateway-laitteita voi olla vapaasti valittava määrä yhden verkon alueella ja useamman lisääminen parantaa koko verkon suorituskykyä. 1

2 Gateway-laitteiden jälkeen kiinnitetään mittauslaitteita halutuille paikoille alkaen gateway-laitteiden läheisyydestä ja laajentamalla kauemmaksi. Mittauslaite ilmaisee ledivalolla mikäli asennuspaikka on liian kaukana muista laitteista eikä monen hypyn tiedonsiirtoketju toteudu. Tälläisissä tapauksissa siirretään mittauslaitetta lähemmäksi muita tai asennetaan väliin ylimääräinen laite. Asennuspaikan GPS-koordinaatit otetaan talteen esim. matkapuhelimella. Asennuspaikalle voidaan haluttaessa antaa kuvaava nimi, jota käytetään mittaustietoa esitettäessä. Koordinaatit ja nimi syötetään PC:llä käytettävään hallintaohjelmaan. Mittauslaitteisiin ei tehdä mitään asetuksia. Langattomat mittalaitteet Maatalous- ja ympäristönmittausverkossa käytetty langaton mittalaite on esitetty oheisissa kuvissa, tässä tapauksessa muovisalkoon asennettuna. Mittalaitteen voi asentaa myös olemassa olevaan kohteeseen, kuten aitaseiväs tai puu. Mittauslaitteen väreinä ovat tumman harmaa ja valkoinen. Koko on 230 (280) mm x 40mm x 30mm. Yhdessä asemassa voi olla useita antureita. Useimmissa pilotin asemissa on ilman kosteus ja lämpötila (erillisen johdon päässä, ei kotelon sisällä), valoisuus, sekä maakosteus ja maaperän lämpö jotka mitataan noin 10 cm syvyydestä. Pilottiin lisätään myöhemmin roudansyvyysmittaus, jossa on kuusi lämpötilamittauspistettä cm välein. Verkossa on myös peruslaitteita, joissa ei ole ulkoisia antureita. Näiden lämpötila-arvot mitataan kotelon sisältä. Laitteissa käytetään yleisesti saatavia, standardeja mittausantureita jotka on tehdaskalibroitu. Lämpötila-alue on astetta ja tarkkuus 0,1 astetta. Luksimittaus on suuntaa-antava. Maakosteusanturin virhe tehdaskalibroinnilla on luokkaa 10%, mikä johtuu maalajin vaikutuksesta tulokseen. Maalajikohtainen kalibrointi on mahdollista suorittaa mittaamalla kuivan ja vedellä kyllästetyn näytteen antamat lukemat ja tekemällä korjaus käyttöliittymässä. 2

3 Maatalous- ja ympä-ristönmittausverkon hallinta Mittausverkkoa hallitaan Java-pohjaisella sovelluksella, joka latautuu automaattisesti websivustolta. ControlPanelohjelmassa mittauspisteet sijoitetaan karttapohjalle hiirellä raahaamalla tai syöttämällä GPSkoordinaatit. Asemien nimeämisen lisäksi käyttäjä voi valita mitä mittausarvoja verkko tuottaa ja kuinka usein (mittausväli). Lisäksi käyttäjä voi asettaa tekstiviestihälytyksiä haluttujen mittausehtojen täyttyessä. ControlPanel sisältää reaali-aikaisen näkym än mittaus-pisteisiin sekä erittäin monipuoliset työkalut mittausdatan tulostamiseksi jo kerätystä datasta. Kaikki mittausdata on tallessa palvelimella, josta sovellus tuottaa halutut raportit. 3

4 Mobiili- ja web-käyttöliittymät Mobiilikäyttöliittymällä voidaan tarkastella uusimpia mittausarvoja sekä kuluneen vuorokauden kuvaajia mittalaitekohtaisesti. Käyttöliittymä toimii kaikilla web-selaimen sisältävillä puhelimilla. Tekstiviestihälytykset toimivat kaikilla puhelimilla. Maatalous- ja ympäristönmittausverkossa pilotoidaan myös verkon mittaustietojen julkaisua alueen asukkaille, yritäjille ja muille ympäristöstä kiinnostuneille. Pilotissa TTY omistaa ja sijoittaa mittauslaitteet toivottuihin asennuspaikkoihin. Pilotin jälkeen vastaava julkinen palvelu on mahdollista toteuttaa siten, että mittauslaitteita hankkivat henkilöt ja yhteisöt julkaisevat omistamiensa laitteiden mittaustulokset yhteiseen palveluun. Kangasalan maatalous- ja ympäristönmittausverkon julkiset sivut ovat Mittausverkon ominaisuuksia Mittausverkko perustuu datan siirtämiseen hyppimällä asemalta toiselle ja lopulta gatewaylle. Siksi verkossa ei ole yhtä tukiasemaa vaan asemia voi lisätä, poistaa ja siirtää ilman mitään asetuksia tai muutoksia olemassa oleviin asemiin. Verkkoa voidaan laajentaa helposti: uusi langaton mittauslaite vain asennetaan maastoon, ja se osaa automaattisesti liittyä alueella ennestään löytyvään verkkoon. Viive mittauksen suorittamisesta tiedon näkymiseen käyttöliittymässä on n. 2-5 s jokaista hyppyä kohden, eli maksimissaan 60s kymmenelle hypylle. Asemat lähettävät omat anturitietonsa 5 min välein (säädettävissä 60s 15 min). 4

5 Mittausverkon luotettavuus Oheiset ruudunkaappaukset reaaliaikaisesta käyttöliittymänäkymästä havainnollistavat, kuinka verkko toipuu yhden gateway-laitteen sammuttamisesta. Nuolet kertovat datan suunnan. Tapahtumaketju on seuraava: 1. Verkossa on kaksi gateway-laitetta, GW 239 ja GW 226. Maksimihyppymäärä on 5 GW 226:lle ja 6 GW 339:lle 2. GW 226 sammutetaan klo 12:43. Verkko löytää itse uudet reitit GW 239:lle. 3. Verkko on siirtänyt kaiken liikenteen GW 239:lle klo 12:48. Maksimihyppymäärä on 11 ja maksimiviive ennen kuin reitit muodostuivat uudelleen on 217 sekuntia kauimmaiselle mittalaitteelle. 4. GW 226 käynnistetään uudelleen klo 12: Kumpikin GW osallistuu normaalisti datan keräämiseen klo 13:03 eteenpäin ja reitit jakautuvat suurin piirtein puoliksi kummallekin gateway-laitteelle. 5

6 Toisen Gateway-laitteen sammuttaminen ei keskeyttänyt mittauksia, vaan kaikilta mittalaitteilta saatiin arvot halutulla 5 min mittausvälillä. Verkko teki kaikki tarvittavat reititysmuutokset täysin itsenäisesti, eikä käyttäjän tarvinnut eikä voinut vaikuttaa toimintaan. Mittausverkon luotettavuutta kuvataan oheisella kuvaajalla, jossa pystyakselilla on vastaanotettujen mittausnäytteiden määrä prosentteina ja vaakaakselilla aika, jonka kuluessa tietty määrä näytteitä saadaan vastaanotettua palvelimelle. Kuvaajan tiedot on kerätty h ajalta. Verkossa oli tuolloin 51 langatonta mittalaitetta ja 2 gateway-laitetta. Keskimääräinen hyppymäärä oli 5 ja maksimi 11. Kuvaajasta nähdään, että maatalous- ja ympäristönmittausverkko on 100% luotettava pyydetyllä 5 min mittausvälillä. Pilotin hyödyt ja jatkotoimenpiteet Pilotti on osoittanut, että verkkoteknologia on valmis hyödynnettävissä laajamittausessakin käytössä. Maatalous- ja ympäristönmittauksissa etuina ovat Erittäin nopea ja helppo asennus ilman mitään kentällä tehtäviä asetuksia Pienet ja huomaamattomat laitteet Laitteiden paikaa voi vaihtaa vapaasti esim. peltoviljelyn eri vaiheissa Täysin huoltovaa valokennovirtalähteitä käytettäessä Paristokäyttöisenä (2xAA) yli vuoden toiminta-aika myös reitittäville asemille on jopa kymmenkertainen muihin vastaaviin teknologioihin verrattuna Mittaustieto on aina saatavissa mobiili/web-pohjaisella käyttöliittymällä Tekstiviestihälytykset esim. hallantorjuntaan ja viljelymaan kasteluun Pilotti jatkuu toistaiseksi ja sitä laajennetaan kysynnän mukaan. Pilotin jälkeen julkinen palvelu voidaan rajata niille, jotka hankkivat mittalaitteita jaettavaksi muiden käyttäjien kanssa. Mittausverkko on myös saatavana omaan käyttöön ilman mittaustietojen jakamista muiden käyttäjien kanssa. Prof. Timo D. Hämäläinen, Tampereen teknillinen yliopisto, timo.d.hamalainen@tut.fi Prof. Marko Hännikäinen, Tampereen teknillinen yliopisto, marko.hannikainen@tut.fi TUTWSN tekniikasta lisätietoja on saatavana osoitteessa: 6