تحلیل مصرف انرژی و ارزیابی رمزنگاری سبک در سامانه آبیاری هوشمند مبتنی بر CoAP برای باغ های کیوی استان گیلان

چکیده سابقه و هدف: استان گیلان به عنوان یکی از قطب های اصلی تولید کیوی در کشور، با چالش هایی نظیر مصرف بالای انرژی، مدیریت غیربهینه منابع آبی، و فقدان زیرساخت های فناورانه در سامانه های آبیاری سنتی مواجه است. مطالعات تطبیقی نشان می دهند که بهره وری انرژی در باغات کیوی این استان، به مراتب پایین تر از استان مازندران و حتی استان شانشی در کشور چین گزارش شده است. در این پژوهش، یک سامانه آبیاری هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا برای باغ های کیوی شهرستان تالش در استان گیلان طراحی و شبیه سازی شد. هدف اصلی این پژوهش، ارتقای تصمیم گیری در آبیاری و بررسی تاثیر مصرف انرژی در دو حالت رمزنگاری سبک و بدون رمزنگاری و همچنین تحلیل انرژی ویژه در دو حالت با آبیاری و بدون آبیاری هوشمند است.مواد و روش ها: در این پژوهش، یک سامانه آبیاری هوشمند تحت فشار(قطره ای)، مبتنی بر پروتکل CoAP در بسترContiki ۲.۷ (یک پلتفرم سبک و متن باز برای دستگاه های کم منبع، شامل گره هایی با محدودیت در انرژی، حافظه و توان پردازشی، در حوزه اینترنت اشیاء و شبکه های حسگر بی سیم) طراحی و شبیه سازی شد. در این سامانه، الگوریتم بازگشتی پیش فرض CoAP برای مدیریت ارتباطات استفاده شد و میزان انرژی مصرفی گره های حسگر در دو سناریو مختلف مورد (رمزنگاری و بدون رمزنگاری) سنجش قرار گرفت. هدف اصلی، ارزیابی امکان افزودن رمزنگاری سبک بدون ایجاد سربار قابل توجه در مصرف انرژی بوده است. نتایج این پژوهش می تواند در جهت توسعه سامانه های کشاورزی کم مصرف، ایمن و سازگار با نیازهای اقلیمی مناطق شمالی کشور، به ویژه استان گیلان، مورد استفاده قرار گیرد. در گام نخست، یک شبکه حسگر بی سیم متشکل از گره های سنجش طراحی گردید که وظیفه جمع آوری پارامترهایی نظیر رطوبت خاک، دما و نور محیط را بر عهده داشتند. این گره ها از طریق پروتکل CoAP در قالب شبکه مش ، داده ها را به دروازه هوشمند منتقل کرده و سپس به سرویس دهنده مرکزی ارسال می نمودند. صحت انتقال داده ها در مراحل اولیه راه اندازی سیستم مورد بررسی قرار گرفت تا ارتباط پایدار میان حسگرها و سرویس دهنده برقرار گردد. پروتکل CoAP به طور خاص برای دستگاه های با منابع محدود طراحی شده و با فشرده سازی اندازه بسته ها در لایه UDP، امکان ارتباط موثر را فراهم می سازد. در ساختار پیام CoAP ، سربرگ ۳۲ بیتی شامل فیلدهایی مانند نسخه (V) و طول توکن (TKL) قرار دارد که به کاهش بار ارتباطی کمک می کند. در شبیه سازی آبیاری قطره ای هوشمند یک باغ کیوی ۱۲ساله (۱۶ درخت ودر دو ردیف) به طول جغرافیایی E۹۱۲۹۱/۴۸ و عرض جغرافیاییN ۰۳۹۰۹/۳۸، سامانه ای طراحی شده است که شامل یک شبکه متشکل از هشت حسگر رطوبت خاک (۵ متر به ۵ متر در عمق ۳۰ سانتی متری در شبیه سازی)، یک حسگر اندازه گیری سطح آب چاه و یک روتر (گره دروازه یا مرکزی برای رابط بین حسگرها و سرویس دهنده مرکزی) می باشد. در این شبکه ، هر گره (حسگرهای اینترنت اشیاء) با فاصله ۵ متر از گره مجاور قرار گرفته است تا تعاملات میان حسگرها و روتر به صورت واقع گرایانه تری شبیه سازی شود. برای پیاده سازی پروتکل CoAP در این شبکه، به جای استفاده از Cupper(یک ابزار خط فرمان است که برای آزمایش و ارسال پیام های coap در سامانه های اینترنت اشیا استفاده می شود) ، از node-coap (یک کتابخانه ی برنامه نویسی در محیط Node.js است که برای ساخت سامانه های فرستنده و گیرنده در ارتباطات سبک اینترنت اشیاء) به عنوان متقاضی پروتکل استفاده شده است node-coap .که بر پایه پلتفرم Node.js توسعه یافته، یکی از ابزارهای پرکاربرد در پروژه های اینترنت اشیاء بوده و برای مدیریت ارتباطات CoAP در سامانه های IoT به کار می رود. برای افزایش دقت شبیه سازی، داده های آب وهوایی به صورت بلادرنگ از طریق API سامانه OpenWeather دریافت شد. فرآیند آبیاری به صورت کاملا خودکار و مبتنی بر رویداد اجرا گردید؛ بدین صورت که ابتدا گره سطح آب بررسی می کند که آیا آب کافی در منبع وجود دارد یا خیر. در صورت تایید، داده های رطوبت خاک از تمامی حسگرها جمع آوری می شود. چنانچه میانگین رطوبت خاک کمتر از آستانه تعریف شده باشد، فرمانی جهت باز کردن شیر آبیاری صادر می شود. پس از پایان آبیاری، رطوبت مجددا اندازه گیری شده و در صورت عبور از آستانه، سامانه آبیاری متوقف می شود.یافته ها: . بر اساس خروجی نتایج شبیه سازی آبیاری هوشمند ، توان مصرفی حسگرها در هر نوبت آبیاری ۱۰ دقیقه ای، به ترتیب برابر با ۸۵۹۷۰۹/۴ میلی وات در حالت بدون رمزنگاری و۸۶۳۵۵۵/۴ میلی وات در حالت رمزنگاری شده اندازه گیری شد. و با در نظر گرفتن عملکرد سالانه ۳۵۰۰۰ کیلوگرم در هکتار و آبیاری سالیانه ۲۲۱ نوبت، انرژی ویژه سامانه در هر دو حالت تقریبا برابر با ۹۷۶/۲ مگاژول بر کیلوگرم به دست آمد. تحلیل توزیع توان مصرفی در حالت های مختلف گره های حسگر نشان داد که بیشترین سهم توان مصرفی مربوط به وضعیت دریافت (RX) بوده و پس از آن، حالت ارسال (TX) قرار دارد. افزودن رمزنگاری تنها افزایش اندکی در مصرف پردازنده و ارسال ایجاد کرد، در حالی که مصرف در حالت دریافت تقریبا بدون تغییر باقی ماند. نتیجه گیری: نتایج نشان داد که افزودن رمزنگاری سبک در سامانه های آبیاری هوشمند مبتنی بر CoAP، افزایش معناداری در مصرف انرژی ایجاد نمی کند و این افزایش در حدی نیست که بر عملکرد کلی سامانه تاثیر بگذارد. تفاوت میان توان مصرفی در حالت رمزنگاری و بدون رمزنگاری کمتر از یک درصد بوده و در بازه قابل قبول برای گره های کم منبع قرار دارد. این میزان اختلاف نشان می دهد که سربار محاسباتی ناشی از فرایند رمزنگاری بسیار محدود بوده و تاثیر آن بر چرخه های کاری حسگر ناچیز است. بنابراین، می توان نتیجه گرفت که استفاده از روش های رمزنگاری سبک در شبکه های حسگر بی سیم کشاورزی نه تنها امنیت ارتباطات و محرمانگی داده ها را افزایش می دهد، بلکه بر کارایی انرژی تاثیر منفی نداشته و پایداری عملیاتی سامانه را نیز حفظ می کند.واژه های کلیدی: آبیاری هوشمند،باغ کیوی،CoAP، کشاورزی دقیق، مصرف انرژی

کلیدواژه ها:

: آبیاری هوشمند ، باغ کیوی ، CoAP ، کشاورزی دقیق ، مصرف انرژی