开放的物联网平台促进Eco-Sustainable创新在非洲西部:真正的城乡台

文摘

数字革命由物联网(物联网)已经改变一些传统的商业部门。此外,由于其本质,物联网的承诺也减少能源消耗和污染物排放在几个环境场景。同时,需要保持尽可能可持续发展物联网的发展,从而真正实现的愿景绿色物联网。在本文中,我们展示了一个完整的物联网框架可以减轻一些真正的环境问题困扰在非洲西部的国家。我们现在三个真正IoT-based部署当前驻留在两个农村地区塞内加尔、加纳和多哥大都市之一。这些台连接到一个基于云计算的软件平台,故意设计和改造来解决一些非常具体的环境、经济和社会需求的地区。

1。介绍

k·阿什顿于1999年以来货币(1),“物联网”这个词(物联网)吸引了大量的研究和工业利益。如今,物联网范式包含众多的体系结构、协议、标准、服务和应用无处不在的数据采集和大规模数据分析。影响广泛的领域:住房、精准农业、零售、交通、基础设施监测、和个人医疗保健,只提到一些2]。在所有这些领域,自主设备(即。,“the things”) are able to collect data and push them to the Internet. Authoritative sources like Gartner expect that, by 2020, around 26 billion objects will be connected to the Internet (https://www.gartner.com/newsroom/id/2636073) while, according to IDC (https://www.forbes.com/sites/louiscolumbus / 2017/12/10/2017-roundup-of -internet-of-things-forecasts / # 5 a432b8c1480),全球物联网支出预测在2018年达到7725亿美元,因此增加了14.6%在6740亿年预计为2017美元。这些数字表明,物联网数字革命已经发生了:大量的连接对象将部署在各个地区,在几年之内,使我们生活的世界ultraconnected,因此也更聪明。

然而,对于这样一个智能的世界是可持续的,其实现技术应具有一定程度的能源效率(3]。换句话说,这些数十亿配备传感、处理和无线通信能力将需要能量来操作,通常提供的车载电池(4]。出于这个原因,能源效率将成为关键元素的所谓的实现和发展绿色物联网概念(5]。

近年来,非洲西部注册一个非常快速的经济发展,但不幸的是,这种快速发展使环境问题按比例增长,在一个地区剧烈的气候变化和自然灾害已经在农村和城市地区代表着巨大的威胁。然而,这个地区的物联网的采用已经在几个行业的潜在破坏性的(6,7]。为了更好地理解这个含义,认为发生在非洲的电信服务:目前,93%的非洲人能够访问手机、固定电话时手机没有大规模部署在非洲大陆!因此,非洲大陆有可能直接跳入开放的物联网领域,完全跳过任何孤立的业务或行业。然后,它不是巧合Sonatel(橙色在非洲的电信提供商)的子公司已经就职FIWARE (https://www.fiware.org/塞内加尔达喀尔的)中心,而跨国公司如IBM (https://www.ibm.com/blogs/research/2016/10/forecasting-air-quality-south-africa-iot /)、SAP (https://news.sap.com/非洲/ 2016/12/19 / iot-connecting-africa /)和谷歌(http://allafrica.com/stories/201705170571.html)已经建立了脚在欧洲大陆。此外,在非洲,所谓的“技术中心”现象的上涨是一个重要的角色在全球和毛细管的扩散技术(物联网,特别是)。当我们写,例如,AfriLabs (http://www.afrilabs.com/)计划已经由80多个这样的创新中心在27个非洲国家。

一般来说,总结,如图1解决方案是成功的,它应该不仅是经济可行的,还环保和社会综合8]。在这个特定的例子中,社会有效方法本质上是一个坚实的增长联系在一起的非洲中小企业部门(9]。考虑,例如,根据2017年非洲经济前景(共同由非洲开发银行集团的一份报告,经济合作与发展组织和联合国开发计划署),约有80%的非洲人认为创业是一个不错的职业机会,揭示这个大陆上的非常活跃的企业文化10]。

在本文中,我们提出一个完整的物联网框架能够缓解一些独特的环境挑战困扰非洲西部的国家,同时也是社会和经济有效的访问。的目的,是保持传感和执行基础设施的成本,我们采用一个DIY (DIY)方法,结合低功耗和低成本的现成的组件。这个策略,事实上,允许当地合作伙伴和最终用户方便地复制解决方案在一个可持续的和具有成本效益的方式。然而,工程设备的结果很环保,能够运行至少两年的标准节AA电池。在软件方面,基于云计算的基础设施提供了非常特殊的服务能够满足本地区的一些独特的需求。需求的例子有通知通过短信和语音留言,弹性低技术专长的普通用户,对频繁的网络断开连接和鲁棒性。我们部署和测试框架在三台。第一个用例解决水和土壤管理与当地各种各样的番茄作物。它是部署在加斯顿伯格大学实验农场,塞内加尔圣路易。第二个用例,部署在加纳,表明低成本的物联网设备可以帮助改善水质养鱼场。 Finally, the third use case shows how IoT devices can be used to effectively perform waste management in African urban scenarios. It is deployed in Lomé, the capital and largest city of Togo.

本文的其余部分组织如下:部分2回顾了最近相关工作,而部分3描述了当前物联网面临的主要挑战是西部非洲国家。然后,部分4彻底描述了该平台,而真正三台部署在塞内加尔、加纳、多哥彻底部分中描述5。部分6本文总结道。

2。相关的工作

2.1。从绿色环保物联网

根据物联网的模式,每一天更多的设备连接到互联网。此前,在不久的将来,我们周围的一切将ultraconnected。需要产生的大量数字信息从/转移到通过互联网设备本身,因此产生大量的数据流量。此外,这种指数增长数据生产需要很先进的数码技术的应用能够快速过滤器,过程,存储数据从设备流向数据中心(例如,大数据,大流,和数据分析11])。因此,数据和通信系统需要实现,采用电源管理政策来减少二氧化碳排放量,成为真正的可持续发展。这是挑战绿色IT分支集本身。更多的细节,在12]我们找一个正式的定义“绿色”作为一个整体的方法能够造福环境,通过提高能源效率、降低温室气体排放,减少有害物质的使用,并鼓励重用和回收。换句话说,“绿化”流程可以通过代理实现的IT系统本身或使用这样的IT系统。例如,作者的13]分析一些电源管理政策处理和通信子系统(即。,holistically), with the goal of wisely trading-off power consumption and quality of service (QoS) delivered to the users.

参照数据子系统(所以云边的框架),不同的策略来减少能耗目前在文献调查。例如,作者的14后),注意到标准方法过度资源获得权力饥渴,提出一些新奇的、动态虚拟机整合技术。这些技术能够减少能源消耗在不影响任何服务水平协议,因此没有破坏QoS。技术和方法的全面审查最近提议在文献中减少能耗在基于云的环境中沿着整个技术堆栈(即。从服务请求签发用户实际的云服务提供商),我们邀请感兴趣的读者参考(15]。

参照绿色通讯,有几个还在营业的技术挑战(16]。能源效率的概念获得声望,虽然主要是为了缓解经济问题而非生态的。的确,由电信运营商的消耗能源,能源成本,是表现出不断增长的趋势17]。很大部分的研究团体正在努力定义和实现的第五代(5克)无线蜂窝网络技术,以支持用户订阅的严厉要求和数据带宽。也很明显,在这种情况下能耗表示担忧,作为用户的终端仍由电池供电。详细审查的主要挑战5 g绿色通信、读者被称为(18]。然而,这里的假设是,电池可能在需要的时候充电,虽然这不是绝大多数的数十亿的物联网设备预计在不久的将来。在这种背景下,物联网应用程序的标准要求是没有人工干预(即运行。自主)多年。因此,唯一的出路工程师这类应用程序尽可能节能。因此,物联网技术被认为是一把伞,应该是绿色设计。

2.2。在西方国家绿色物联网

在文献([5,19)“绿色物联网”被定义为“节能程序(硬件或软件)通过物联网促进减少温室效应的现有应用程序和服务或降低物联网本身的温室效应的影响。在前面的情况下,物联网的使用将有助于减少温室效应,而在后一种情况下进一步优化温室排放量将物联网。整个生命周期的绿色物联网应该关注绿色设计、绿色生产、绿色利用率,最后绿色处理/回收没有或很少对环境的影响”。思科系统(Cisco Systems inc .)最近,广泛的报告提供了一些宝贵的见解的设想所扮演的角色的一些最现代物联网技术。这个报告还强调了物联网的场景几乎是解决(或者至少减轻)一些世界上最具挑战性的发展和可持续发展问题7]。

根据联合国粮食及农业组织(粮农组织),目前预计76亿年世界人口将达到98亿,2050年几乎所有的人口增长将发生在发展中国家20.]。为了养活这个大人口,粮食产量必须增加至少70%。看着这些数字,很明显,improvin农业生产力,是一个重要的因素在人类的生存。在这个挑战,绿色物联网是设想发挥主导作用,是它的一个主要技术所谓的智能农业,有时也称为精准农业。的作者(21)定义精准农业为“一套基于it工具,允许农民电子监控土壤和作物状况并分析治疗方案”,也强调的重要性,使技术和农民的经验之间的兼容性。最近,作者的22)描述一个IoT-based平台的设计,SmartFarmNet,能够收集环境数据来自字段并将这些数据存储在云的性能分析和建议。同样的,(23)采用OpenIoT中间件基础设施(http://www.openiot.eu)整合Phenonet部署在澳大利亚(https://data61.csiro.au/en/Our-Work/Monitoring-the-环境/ Sensing-the-environment / Phenonet)。具体来说,后者采用最先进的传感器网络技术收集环境数据在更高的分辨率比传统作物品种试验方法。然后,谢谢OpenIoT平台启用的特性,科学家和农民能够可视化过程,提取实时和长期作物获得了传感器测量的性能信息。智能农业应用程序也包括农业车辆跟踪、牲畜监控、温室监控和存储监控、只提到一些例子。牲畜车载传感器物联网设备,例如,电子监控动物的生命体征(24]或动物从一群游荡时通知农场主。土壤传感器可以提醒农民不规则的条件,给农民的时间协调问题和产生更好的作物。是这种情况,例如,对于25),作者使用Zigbee-based执行温度控制在温室无线通信。

最近的一些方法还介绍了另一个架构组件,即物联网网关。物联网网关使用的作者(6,26),他们现在远程农业过程自动化的系统架构。这些作品的特点是传感器和致动器连接到一个无线物联网网关,它是能够执行监视和控制的过程。

回到联合国粮农组织的最新预测,大约66%的世界人口预计,到2050年,生活在城市地区。很明显,城市需要增加运营的效率和使用他们的资源,以满足需求由这样一个戏剧性的城市化。在这种背景下,面临的主要挑战是保持提供基本资源,如充足的淡水、清洁能源、公共交通、安全、和安全。应提供这些资源,同时确保经济、社会和环境可持续性(27]。换句话说,持续改善和提高市民的生活质量将继续是每一个现代城市的主要目标的未来。在这个具有挑战性的领域,绿色物联网将起到至关重要的作用。然而,收集、分析和利用大量数据生成许多异构数据源传遍城市代表非常具有挑战性的问题(28]。

2.3。非洲绿色物联网

物联网的渗透水平在非洲远低于世界其他地区,还强调了在(29日,30.]。量化这种差距,足以看固定宽带互联网订阅率(https://www.statista.com/statistics/370681/fixed-broadband-internet-penetration-region /2017年):1人每100人在非洲,对37.2在欧洲。虽然这个差距正在减少在处理移动宽带互联网订阅率(https://www.statista.com/statistics/370694/mobile-broadband-internet-penetration-region /)(分别为26日和85.2在非洲和欧洲),很明显,这个大陆的网络可用性仍然远远落后世界平均图。因为这个非洲的独特性,m . Masinde倡导创新African-centric对物联网的方法,拒绝的老式方法“北部的设计转移到南方现实”(30.,31日]。更多的细节,通过考虑两个非常具体的用例作为干旱预警系统和资产跟踪系统,他指出,通过创新利用本地和独特的原住民知识等现实,IoT-based业务的成功的机会在这个大陆上增加。的作者(29日]提供了一个全面的调查,由国家承担的物联网在非洲,还隔离的主要挑战,仍然阻碍广泛采用物联网的大陆。

关于物联网技术的好处对于非洲农村的可持续发展环境,作者的32]介绍一些有趣的应用在农业领域(即。,crop farming, weather forecasting, wildlife management, forestry, livestock farming, market identification, and rural financing), focusing on some very specific requirements of rural areas of South Africa and Zambia. This work is similar to our use cases in Senegal and Ghana; see Sections5.1和5.2,分别。一个非常鼓舞人心的工作描述(33),作者建议的开发和实施所谓的“节俭物联网”,作为一个范例来提高小规模农场在非洲的监视和管理。在这种情况下,最终的目标是最小化IoT-related硬件部署,同时最大化的好处的采用这样的硬件,从而使非洲小农户更接近市场,提高整个大陆的粮食安全状况的前景。一个更实际的部署独立的无线传感器网络(WSN)精密灌溉在马拉维提出了(34]。更多的细节,这个部署由ZigBee-based WSN的基站通过GPRS调制解调器连接到互联网。传感器节点是通过太阳能电池板充电电池供电,当他们提供车载传感器能够测量土壤温度和土壤湿度,以及灌溉阀门能够自动化领域浇水过程。

最后,结合物联网技术的好处非洲可持续发展的大都市里,作者的35)确定几个潜在的物联网在交通运输中的应用,可以对南非经济产生影响。我们在多哥的城市用例,看到部分5.3城市发展,也解决了。在[36),作者提出一种智能端到端物联网体系结构能够监视和控制电热水器负责家庭能源消耗超过30%的预算在南非。在[37),作者应用智能城市和智能流动性指标确定的敏捷程度在南非豪登省和公共交通基础设施。最后,作者的38)讨论公共交通的现状在瓦加杜古,布基纳法索。有趣的是,他们还提供和评估初步分布式应用程序根据用户的个人手机、射频识别标签安装在公交车和短消息服务(SMS)的移动蜂窝网络通信,因此解决非洲撒哈拉沙漠以南地区的科技和社会特征。

3所示。物联网在非洲:挑战

任何物联网部署应该解决和解决一组通用的技术挑战,诸如端到端安全、数据隐私和信任,可扩展性和互操作性2]。然而,非洲的场景揭示独特的挑战。特别是在偏远和农村地区,主要的挑战是硬件的高成本,部署的复杂性,以及缺乏技术生态系统和背景(39]。

尽管有这些困难,在非洲有很多物联网的机会。下面只是一些最引人注目的例子:监测水、空气和土壤质量、饮用水管理和优化,对环境威胁预警系统(如干旱、海啸、洪水、地震、火灾),野生动物跟踪设备,和森林砍伐控制系统(30.,40]。

七挑战与物联网在本节中,我们详细部署在非洲,即农村访问,(我)长范围(ii)的硬件成本和服务,(3)依赖私有基础设施,(iv)本地交互模型,(v)低能消耗,(vi)易于部署和操作,对环境危害(七)韧性。

3.1。时间范围为农村访问

传统的移动通信基础设施(如GSM / GPRS和3 g / 4 g)仍然非常昂贵的使用与物联网设备。此外,他们绝对不是节能自动设备必须运行在电池好几个月。短程内部IEEE 802.15.4最终可用于提供服务等技术实现种路由克服有限的传输范围,但这只能设想与节点密度高和容易获得电力智能城市环境等场景。他们很难被视为孤立的或农村环境。

最近的低功耗宽区域网络(LPWAN) Sigfox™或Semtech罗拉™技术,为物联网提供一个更适应连接回答在偏远地区与中央网关或明星拓扑基站可以部署(41]。大部分的远程技术可以达到20公里范围或更高的条件和城市仿真结果(约2公里42]。罗拉技术,私下可以部署在一个给定的区域没有任何操作符有一个明显的优势在发展中国家的环境完全operator-managed Sigfox的报道。

3.2。硬件和服务成本

商业物联网设备绝对是低收入国家太贵了。此外,这些高度集成设备很难修复,并在本地很难找到他们的部分。的可用性低成本、开源硬件平台如Arduino肯定将DIY (DIY)和“现成的”设计方法:Arduino Pro迷你基于ATmega328单片机具有很高的性能/价格权衡,可以用来建立一个低成本的通用传感物联网平台与罗拉远程传输能力小于10欧元。此外,这些董事会也受益于一个全球和活跃的开发者社区的支持和各种各样的软件库。

商业LPWAN网关使用先进的集中器无线电芯片同时监听多个频道和电台参数。集中器的成本就超过一百欧元。在规模较小的农村环境中应用,简单的“单个连接网关可以使用相同的无线组件比终端设备。嵌入式Linux平台,采用“现成的”(例如,覆盆子π板)的成本一个LPWAN网关可以保持低至50美元。

3.3。依赖私有基础设施

随着全球物联网吸收,各种各样的物联网云平台提供了空前的多样性导致限制依赖私有基础设施。这些专用的物联网平台免费帐户提供,尽管一些限制的特性,可以在很大程度上满足大多数农业的需要/微型和小型农场/村的商业模式。为了利用这些基础设施,一个物联网通用网关的设计应该高度解耦低级网关功能的高级数据后处理功能最大化的定制数据管理部分。此外,通过特权高级脚本语言如Python,定制过程可以在几分钟内完成,使用标准REST API接口物联网云。因此,而不是集中在大规模部署场景,容易和简单,廉价的现成的组件集成开放编程库应该在发展中国家物联网平台的主要焦点。

3.4。本地交互模型

不稳定的和昂贵的访问互联网,数据网关应该收到本地存储。此外,通用网关也是一个有趣的特性,可以把网关变成计算机通过附加一个键盘和显示器,在本地使用可视化数据。与标准WiFi和蓝牙等无线技术,它也是有趣的,提供当地与用户交互的智能手机/平板电脑显示捕获数据并通知用户不需要上网的重要事件。图2显示了两个交互模型。

在第一种情况下,提供了访问互联网的网关通过技术,如3 g / 4 g或DSL + WiFi。第二例显示了一个全自动的网关的场景中,没有上网。数据来自传感装置收集并存储在本地网关。本地访问的数据可以使用智能手机或平板电脑连接到网关通过当地WiFi或蓝牙连接。

3.5。低能量消耗

部署物联网设备必须能够使用常规运行至少1年,填充电池。常规AA电池可以购买在世界范围内,即使在偏远的村庄。我们的实验表明,一个物联网应用程序运行在一个仅仅简单的传感器节点由一个Arduino迷你板配备温度和湿度传感器和罗拉通讯收发器可以持续至少两年的标准节AA电池。详细的部分4,一些技术可以用来减少能源消耗,降低抽样和通信等。

3.6。易于部署和操作

系统必须能够开箱即用的工作,或者以最小的配置工作。重要的配置步骤,比如系统升级,必须提供一个用户友好的接口访问,例如,通过低成本的智能手机。远程维护也是一个关键。例如在我们农村台,技术人员要开几个小时的车到达部署网站。此外,在智能农业的情况下,传感器需要定期重新部署。这意味着设备从字段中删除由农民在收割前和最后收获所取代。设备部署,由于这个原因,委托资质不高的人。

3.7。弹性与自然环境危害

耐用性和维护方面显然是一个挑战的DIY物联网战略。使用的董事会可以脆弱,套管,他们将部署必须小心了。例如,在鱼塘的DIY浮标开发和工程试验,盒子里的温度和湿度非常高,由于太阳和水的距离。内部传感器安装在盒子里面显示,每天温度达到50摄氏度,相对湿度测量虽然白天超过90%。这导致损坏电池和董事会。罗拉传输也受到障碍。在我们的农业试验,一旦农作物长大,这个跟踪天线,导致频繁的输电损耗。

4所示。该平台

在本节中,我们描述的解决方案堆栈被开发出来,以满足非洲的独特需求的用例。它包括一个硬件平台,这是低成本、低能耗、远程。它还包括一个云数据和应用平台,能够提供独特的服务来适应非洲的需求专门定制。

4.1。物联网传感和驱动设备

考虑到该平台主要是用于发展中国家的农村环境,我们采取了DIY (DIY)方法对物联网设备的装配,它继承了Arduino哲学的低成本,简单的程序,但效率,硬件平台。事实上,Arduino-compatible生态系统极其广泛和异构,提出几个解决方案,从非常强大的董事会(主要用于开发目的)最小的和节能板(更适合永久设置)。例如,我们使用Arduino的小型董事会任命“Pro迷你”作为我们的通用微型传感物联网设备。这样的董事会有最低的组件来降低成本(例如,没有车载USB或销头,同时由一个ATmega328P微处理器运行在8 mhz)。特色是价格(可以小于2美元,如果直接购买从中国供应商),大小(18 x33mm,小于2克),和低功率需要正常工作(这是一个低压董事会在3.3 v,这保证非常低功耗消费,尤其是在深度睡眠模式(在这种状态下时,寄存器5μA当前的画)。因此,在高效的电源管理策略(例如,抽样和报告时间1小时)这样的装置能够在自治运行多年,与标准节AA电池。同时,为了解决更要求物联网的应用程序的要求,我们也用板属于很小的家庭(如信用证,3.1和3.2)。这样的家庭提供最先进的微控制器与更多的内存和高级电源管理功能对前面的板,但在一个合理的成本(例如,约10美元的LC模型;事实上LC代表“低成本”)。

因此,根据传感任务,我们的通用的物联网设备是由一个董事会,也将软件构件集成到现成的模板的快速和容易的定制(见图3)。

工程阶段后,一种低成本的硬件生产的方法是通过一个简单的和开源结转PCB设计,然后检出1点击订单。图4描述了整个生产过程的传感装置配备车载罗拉集成芯片和天线,以较低的成本,除了提供无缝集成是必要的,例如,当生产偷牛的领子,原因很明显的鲁棒性。

最后,图5描述了一些已经生产的传感装置,目前部署在各种台在非洲(例如,偷牛在塞内加尔,养鱼在加纳)和亚洲(例如,多层次的土壤水分监测站精准农业在巴基斯坦)和连接到该平台。

4.2。通用网关

设计网关是一种单通道罗拉设备,作为网关转发罗拉包网络。这样的设备也可以收到(如果必要)和解密,LoRaWAN包专用通道。如图6急剧,网关体系结构将底层传输功能的高级数据后处理功能,特权高级语言在云身边。通用网关是基于一个覆盆子π板(支持所有模型),允许部署一个负担得起的,然而高效,网关提出许多特性缺乏商业网关。几个版本的网关可以与相同的软件组装分布,根据预算和部署要求和约束,如图7。例如,在图的右边7我们显示一个小版本的门户,基于一个覆盆子π零板,加上Loranga董事会(Loranga WAZIUP欧洲委员会官方支持的项目和Kickstarter平台上推出了自己的群体集资活动)。这个网关,配备2 g / 3 g调制解调器和罗拉无线电收发机,特别适合于部署在偏远地区。

网关能够处理离线场景,或者更一般的,情况下,互联网连接是间歇性的或不可靠的:可以将短信发送如果细胞2 g电子狗,而物联网设备发送的数据可以存储在一个本地NoSQL MongoDB数据库。最终,被提供嵌入式web服务器,网关也可以提供本地存储的数据可以以图形方式显示在用户的智能手机和平板电脑,通过一个无线局域网连接。最终,网关也可以用作通用PC,通过连接键盘和显示。所有这些交互机制可以根据需要有选择地启用。

定制数据管理任务都可以在几分钟内完成的,使用标准工具,可用简单的REST API接口和公共云平台和服务。我们已经提供了现成的模板,支持许多公开的物联网平台如Node-Red、重火力点,ThingSpeak,干舷,GroveStream FIWARE以及常用的MQTT协议。例如,如图8,可以被视为一个Node-Red网关节点被集成到更复杂的流动在Node-Red开发图形化编程框架。

4.3。云平台

为了提供整个软件栈,我们还开发了自己的云平台。它本质上收集、存储、呈现和分析数据来自网关。此外,它允许用户代码和部署临时应用程序,以及管理他们自己的数据和资产。为了适合非洲市场,云平台有一些关键的设计目标:(我)简单的数据处理,存储和可视化(2)支持短信、USSD声音,移动应用程序(3)对间歇性的网络连接的支持(iv)用户应用程序托管(v)高数据安全性

如图9(一个),用户与云平台通过web接口交互,即仪表板。此外,我们提供一个移动应用程序,因为如前所述,在非洲的移动电话,代表主要方式接入互联网。这两个接口允许用户管理物联网(即资产。网关和传感装置)。平台还可视化数据来自传感装置,让用户分析实时和历史数据来自网关(唯一的资产能够直接推动数据云平台)。云平台的核心后端,因为它实现了并提供所有必要的服务管理传入的数据。此外,它提供了访问社交媒体和沟通渠道。

在农村地区,GSM手机和覆盖范围非常广泛。然而,3 g / 4 g覆盖通常不是可用的。出于这个原因,用户采用短信和语音通话交流。这个开车的技术选择我们的用户界面:该平台支持短信,USSD,自动语音信息,Facebook和Twitter。短信和自动语音信息是必不可少的在非洲农村地区。USSD也被广泛使用,因为它允许更好的互动,短信。Facebook是主要的社交网络使用在非洲(http://www.internetworldstats.com/stats1.htm),拥有1.7亿用户。

另一个限制是网络连接:互联网链接可以时断时续的。然而,绝大多数的当前物联网平台非常Cloud-dependent,所有数据源的端点是云。在这种情况下,如果网络连接不可用,则用户无法访问他们的基于云的应用程序。出于这个原因,我们开发了我们所说的“本地云”概念:一个轻量级版本的平台能够运行在本地一个电脑,甚至物联网网关本身。因此,当网络连接不可用,数据存储在本地,直到恢复和数据远程连接可以上传到云的平台。此外,当地的云允许用户在本地访问所有应用程序。

我们还注意到应用程序托管是一个问题对于大多数非洲物联网开发人员。事实上,举办一个物联网应用程序在云中可以对他们来说太贵了。例如,一个“m4。大型“虚拟机实例托管在亚马逊网络服务(AWS) EC2成本约80美元/月,通常不是一个人负担得起的企业家,给非洲的平均工资。此外,它需要大量的操作能力和有一个复杂的维护。出于这个原因,我们提出一个简单的应用程序托管服务基于码头工人容器技术(https://www.docker.com/)。然后,每个用户的应用程序嵌入到一个专用的码头工人容器,直接推到云平台,举办。

最后,数据安全是一个必须为任何物联网平台。我们实现了身份验证和授权安全方案。在访问云平台之前,用户需要进行身份验证。为此,他需要连接到仪表盘上创建一个帐户,用户名/密码对。然后,所有传输数据包加密使用HTTPS协议。一旦登录,用户可以访问各种资源,基于他的角色和属性。例如,在默认情况下,他进入他的身体拥有的资产(网关或传感装置)。社交媒体访问也是可配置的,只允许特定用户访问非免费发短信等渠道。

图9 (b)显示了云后台的实现。有意支持的所有交互定义和开发应用协议接口(API),定义了八个端点,也就是说,(我)传感器:创建、读取、更新和删除传感装置;(2)数据:对存储数据进行复杂的查询;(3)通知:向用户发送消息和警报基于传感器值;(iv)社会:发送私信Twitter或Facebook等社交网络渠道;(v)用户:管理用户特定的应用程序,以及他们的访问权限;(vi)实体:创建额外的资产管理,如农场,字段,等等;(七)事件:定义复杂的实体之间的关系(例如,定义一个复杂事件处理引擎,CEP);(八)应用程序:主机集装箱应用云平台。

所有这些端点保护使用Keycloak (http://www.keycloak.org/)开源身份和访问管理技术。在更抽象的背景下,管理数据平台集成FIWARE猎户座(https://fiware-orion.readthedocs.io/en/master/)上下文代理。通过这种方式,我们的平台可以同时管理简单的数据(即。,a measurement value of 25) and more complex contexts (i.e., measurement units, geo-referenced positions, etc.). Data persistence is ensured by a MongoDB NoSQL DBMS, while such data is also sent to an ElasticSearch (https://www.elastic.co)实例,可以与强大的图形分析和可视化工具,如Kibana (https://www.elastic.co/products/kibana)。FIWARE仙王座(https://github.com/Orange-OpenSource/fiware-cepheus)是用于提供CEP功能。最后,一个特定的组件称为“社交活动”是内部开发的构建和交付通知用户通过各种社交网络。

5。用例

在本节中,我们提出三个用例:茄作物节水在塞内加尔,在鱼塘水监测在加纳,多哥最后废物管理。

5.1。用例1:番茄的节水作物在塞内加尔

在撒哈拉以南非洲地区有充足的机会成为世界的粮仓之一,它经历了世界上最严重的土地退化(43]。土壤和肥料管理最大的挑战之一是撒哈拉沙漠以南的农民面临季节性。有必要阐明土壤施肥的影响产品。在本节中,我们提出一个实验针对自然能力的分析,nonchemical肥料。特别是,我们将研究肥料在土壤水分潴留的影响机制。

实验的目的是双重的。第一个目标是强调保水机制取决于治疗的类型。我们分析四种治疗方法:家禽粪便、牛粪、矿物肥料,和50/50的家禽粪便和牛粪。第二个目标是强调特定的处理对土壤质量的影响,作物的生长。

5.1.1。概述

部署,我们有半公顷的面积,两个品种的西红柿作物播种,即“Kiara”和“蒙古”,如图10。面积分割成几个同样尺寸的补丁,这样每个补丁是一个实验。一片代表了基本空间部分传感器收集的数据和报告给中央网关。每一列的补丁,一种作物播种,Kiara或蒙古。贴片的颜色代表将使用的肥料的类型。

关于水资源管理,部署网站是通过滴水灌溉系统。水下降的比例在每个传感器的检查补丁是一样的。通过这种方式,可以测量参数在相同的基础。

5.1.2中。部署

我们部署了五物联网传感器节点,标注规范S8 S34图10。每个节点包含一组小的传感器能够采集参数如土壤水分、环境温度和相对湿度。这样的部署的目标是能够捕获和分析土壤和环境数据参与作物的发展。

物联网节点连接到本地网关,他们提出,收集数据。从每个节点定期捕获的数据的两个小时,发送到网关通过罗拉沟通(见图11)。

一旦发送到网关,可以推到云平台数据使用部分中描述的api4。上传过程是通过第一个发布点数据后代理并将它们存储在一个灵活的数据库所需的格式。然后,历史api用于未来的分析中提取数据,以及绘图可视化工具。收集和可视化数据图中所示的例子12:我们可以看到数据被传感器和呈现在仪表板中云平台的二维图。下一步将包括在获取足够的数据来评估水潴留在地上,基于每个肥料。

5.1.3。结果和环境影响

实验的初步结果表明,家禽粪便水潴留是最佳人选:湿度测量高呆更长一段时间。然而,需要进一步的实验结果具有统计学意义。我们还确定空气温度和土壤湿度之间的关系。改进是必要的设备校准,部署条件和网关收集数据的稳定性。第二阶段的部署将考虑这些结果并与多个参数进行更多的传感器。

5.2。用例2:水产养殖智能监控在加纳

在过去的几十年里,世界水产养殖成倍地增加,特别是在发展中国家。例如,亚洲发展中国家现在生产全球鱼类总产量的89% (44]。在非洲,鱼从农业生产已经达到全球鱼产量的2.5%,由于许多鱼类养殖开发项目在过去的十年。然而,这是不够的,许多国家仍然需要进口鱼。在加纳,例如,结合年度供应鱼从捕获和水产养殖不满足国家需求的一半。这供应的短缺预计将进一步增加有限的前景增加海洋和内陆渔业。水产养殖已经成为未来发展的关键,但许多农民缺乏信息正确地运行一个养鱼场和接受良好的生产。这导致农民决策基于直觉或经验方法和可能有一个坏的环境影响。事实上,他们可以使用太多的产品或使用太多的水通过改变它在错误的时间。关键是要不断监控水因为最优鱼生产完全依赖于物理、化学和生物特性的水。不幸的是,古典水监控设备太贵了对非洲的农民,因为他们可以成本高达10000欧元(https://in-situ.com/products/aquaculture-management/fish-pond-management aquaculture-pond-buoy /)。

我们部署了一个低成本水监控系统在鱼池在加纳,可以看到在图13。系统测量pH值、温度和溶解氧水平水和能量是自主的太阳能电池板。它将数据在实时的农民可以在任何时候看到池塘里的水的状态。

5.2.1。部署

如图14,我们部署低成本水监控装置在Kumah农场,在库马西,加纳,2017年1月。这个农场有18个不同大小的池塘,从120平方米0.8公顷。他们种植罗非鱼,鲶鱼,6 - 8个月后收获的生命周期。原型的设计和电子零件装配后在法国,原型终于聚集在现场帮助非洲当地合作伙伴和潜在最终用户。低成本的网关是安装在入口的农场3 g USB集线器。从池塘到网关的距离是约200,有许多障碍物(如植被和其它建筑)。数据被ElasticSearch服务器和前端可视化与Kibana云平台。

5.2.2。数据分析

在图15,我们可以看到的pH值的变化,在2017年2月初溶解氧、温度。是第一个引起注意的特征物,在一天内pH值变化是周期性的。pH值落在晚上和早上达到最小。然后白天上升达到其最大的下午。是正常的池塘水这种行为。然而,pH值的变化每天是2.58。这是太多建议pH值不超过0.5在一天内变化。这种变异,它可以使鱼震惊,削弱了,停止进食。我们也可以注意到pH值太高了每天下午,8.5的警告水平上方(橙色),甚至高于9的临界水平(红色)。的强烈波动酸碱结合高水平的白天下午的症状与太多的藻类池塘。 Algae and microorganisms use CO2 and can affect the pH of the water. Algae grow and develop quickly when hardness (the amount of CaCO3) of the water is low. The recommendation in that case [6)是添加白云石石灰(100 - 200公斤/公顷),增加水的硬度和缓冲剂。水也应该改变稳定藻类的生长。

溶解氧水平是水产养殖中最重要的因素之一,因为缺氧会造成鱼类死亡。在图中,我们可以看到池塘溶氧水平的周期性行为。这是一个预期行为:白天,藻类和微生物通过光合作用产生氧气。在夜间,当氧气不再生产了,被鱼迅速减少,直到太阳足够高恢复光合作用。在这个池塘里,我们可以看到,从白天光合作用产生的氧气不足以持续一整夜。每天早上,鱼缺乏氧气。这可以使他们增长缓慢甚至死如果压力持续太长时间。唯一的方法来处理过低氧含量在一个池塘与手动充气水限,铜水,增加氧气水平。在这个池塘配置中,曝气晚上必须完成,以避免在早上的缺氧。

最后,水温也周期性的自然增长,减少在晚上。在这个池塘里,大部分时间温度保持在推荐范围。

5.2.3。结果和环境影响

与第一个部署Kumah农场,我们指出鱼池中的两个主要问题:(我)早上的氧气水平太低。(2)pH值太高,变化太多,因为macroalgae的过度增长。

导致鱼类被强调。在这种情况下,鱼类生长较慢,他们不繁殖,他们最终会死亡。我们的建议来改善水质(即。,aerate water at night and remove algae with dolomite lime) should considerably improve the fish production yield of this farm. Moreover, we consider that the recommendations we gave will lead to smart decisions and actions, based on the real status of the fish pond. This will be the first step for a smart fish farm management with low environmental impact.

5.3。用例3:城市废物管理在多哥

非洲城市拥有世界上最快的城市化速度。例如,金沙萨将在2050年人口的三倍。在非洲城市最重要的挑战是家庭生活条件,改善食品安全,数字化的多个废物管理等行业。在非洲城市,大多数的非正规经济依赖(即。,for snacks everything is prepared for home) or the proximity of the street (i.e., access to shops and workshops front). Furthermore, we see a lack of awareness of resource management and a lack of good citizen reflexes. We see those problems as an opportunity for smart devices to compensate. Finally, the general African context and its sociology are favorable to distributed solutions such as smart grids, peer-to-peer networks, or blockchains. IoT is a key enabler in this context.

城市生活在非洲城市的发展是生产更多的浪费每一天。这种浪费积累是非洲城市的主要挑战和污染的一大来源。这是一个时候有一个适当的废物管理计划和处理系统。为了经济可持续发展,废物收集和回收的基础设施也必须为所有利益相关者提供商业机会的循环链。记住这一目标,在本节中,我们讨论一个废物管理自动化系统通过物联网技术。

5.3.1。概述

提出的解决方案是一个智能垃圾箱满了就可以发送一个通知。这是加上一个废物收集车辆的网络。与其他系统在世界范围内,没有固定的路线和时间安排。相反,我们遵循与小型运输车辆需求的方法。此外,低成本的解决方案需要被部署在不发达国家。它包括节能设备和低速率通信。

5.3.2。原型

智能本图所示16。原型构建和分布由当地创业范围(https://docs.google.com/presentation/d/18o_ZZ6 q089w62syi7w3sopxyrksq_m1bgm9smj7pz8m)。完全由回收材料制成的。本衬垫也从回收塑料袋饮酒,创建在这个地区非常常见。

所开发的传感器节点图所示17。它由Arduino Pro迷你,罗拉无线电模块,和一个天线。它是由一个9 v充电电池。节中详细4,这种设置有自主权的一年或两年以上。传感器节点的成本大约是30欧元。

网关是由一个覆盆子π,罗拉无线模块和天线。它运行的软件堆栈区4。

5.3.3。部署

图18显示了本地化的垃圾箱在洛美,“上面”的社区。部署有两个阶段。在第一阶段,一个低技术含量的本已经部署,没有智能垃圾箱。用户必须发出一个信号本身通过电话,当他们看到塑料垃圾桶是满的。一个简单的智能手机应用程序开发专门为这个目的。到目前为止,47个用户已经配备了这个模型的智能垃圾箱。

在第二阶段,我们现代化,实现传感器节点在每一本。这允许向平台发送通知时自动垃圾桶满了。我们开始试点阶段3用户装备。

罗拉网关已经部署在多哥WoeLab的前提。由于这个试验台的城市性质,罗拉网络实现的范围减少。需要我们的测试表明,该范围限于WoeLab周围1公里,它允许我们达到22个用户。

6。结论

近年来,我们目睹了一个在非洲国家西部经济快速增长。不幸的是,这种尖锐的发展也直接影响环境的影响,在农村和城市的网站。在这方面,物联网被要求减轻这些威胁的影响,因此实现的概念绿色和更多的可持续发展。然而,部署一个有效的物联网平台在西部非洲国家都有自己独特的挑战。其中,最重要的是宽容使用低成本的影响、低带宽和间歇性连接到internet的设备。此外,广泛传播沟通手段,如短信和语音通话,需要适应为服务。在本文中,我们提出了一个开放的物联网平台,不仅考虑了环境因素也是当地经济和社会方面,以便为该地区提供一个真正可持续的解决方案。我们在三台部署我们的解决方案,处理土壤监测在塞内加尔,在鱼塘水质在加纳,和废物管理和收集在多哥的市区。在第一个用例中,我们旨在减少水的用量对肥料的类型。在第二个用例,我们监控关键参数如溶解氧和pH值,这让我们给的建议。我们优化鱼增长和减少浪费在那些渔业。最后在多哥,我们实现了一个网络智能垃圾箱,以减少垃圾扔在环境中,增加回收。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

附加分

的源代码在这项研究中描述的软件平台是公开在下列存储库:https://github.com/Waziup/Platform。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作已经收到了欧盟的资助下地平线2020研究和创新计划资助协议。687607年。

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