Design of a Wireless Underground Sensor Network for Precision Agriculture
Conception d'un réseau de capteurs souterrains sans fil pour l'agriculture de précision
Résumé
During the past few years, Wireless Underground Sensor Networks (WUSNs) become widely used due to their large amount of applications. These applications are classified into mine detection, landslide activities, ecology monitoring, or precision agriculture. in this latter, the buried nodes
have to check the good growth of plants by verifying the water content, the temperature, and the presence of nutriment. Thus, the user is able to decide to water or to add fertilizers in a particular area, therefore, efficient use of the resources is performed. However, since the ground which is denser than the air is the communication channel, the electromagnetic (EM) waves used for wireless communications are widely attenuated due to soil properties that may change over time. Thus, a sensor node must waste its energy by sending its sensed data to a destination node without being received by this latter due to signal loss in soil. A WUSN requires beforehand to allow reliable communication between buried sensor nodes.
This thesis aims at allowing reliable and energy-efficient communication in WUSN for real-time application of precision agriculture. To achieve it, we proposed the Wireless Underground Sensor Network Path Loss Model called WUSN-PLM for the prediction of the signal loss in precision agriculture. In order to validate the proposed WUSN-PLM, intensive measurements have been conducted in a real agricultural field of onions culture at the Botanic Garden of the University Cheikh Anta Diop of Dakar. Over the 140 measurements, WUSN-PLM outperforms the existing models with 87:13% precision. Furthermore, for a real-time prediction of the packet loss, we proposed a link channel optimization for reliable communications in WUSNs based on the Sugeno Fuzzy Inference System (FIS). The proposed FIS consists of 04 inputs, one output, and 36 rules. The inputs give information related to the buried depth of transmitter and receiver nodes, the average value of the soil moisture proportion, and the linear distance between nodes. The output of the FIS gives the reception probability of a packet sent by the source node according to the previous parameters. The evaluation of the proposed approach obtains a higher accuracy and precision than WUSN-PLM (91:429% and 87:129% respectively) The Fuzzy Logic-based approach has been integrated within real sensor nodes made up of ARDUINO boards for practical use.
Au cours des dernières années, les réseaux sans fil avec capteurs enfouis sous terre (WUSNs) sont devenus largement utilisés en raison de leur grand nombre d’applications. Ces applications sont classées en détection de mines, détection de glissement de terrain, surveillance écologique ou agriculture de précision. Dans ce dernier, les noeuds enterrés vérifient la bonne croissance des plantes en contrôlant la teneur en eau, la température et la présence de nutriments. Ainsi, l’utilisateur du WUSN peut décider d’arroser ou d’ajouter des engrais dans une zone particulière, ce qui permet une utilisation efficace des ressources. Cependant, comme le sol qui est plus dense que l’air, est le canal de communication pour les ondes électromagnétiques utilisées pour les communications sans fil sont largement atténuées en raison des propriétés du sol qui peuvent changer au fil du temps. Ainsi, un noeud capteur va gaspiller son énergie en envoyant ses données collectées à un autre noeud sans être reçu par ce dernier du fait de l’atténuation du signal dans le sol. Cette thèse vise à permettre une communication fiable et énergie efficiente pour une application en temps réel en agriculture de précision. Pour y parvenir, nous proposons le modèle de perte de signaux dans les WUSNs en agriculture de précision appelé WUSN-PLM. Afin de valider cette approche, plusieurs mesures ont été effectuées dans un champ agricole dédié à a culture d’oignons à l’aide de capteurs réels au sein du jardin botanique de l’université Cheikh Anta Diop de Dakar. Sur les 140 mesures, WUSN-PLM surpasse les modèles existants avec une précision de 87; 13%. En outre, pour une prédiction en temps réel de la perte de paquets, nous proposons une optimisation des communications dans les WUSNs à l’aide du Moteur d’Inférence Floue (MIF) Sugeno. Le MIF proposé se compose de 04 entrées, une sortie et 36 règles. Les entrées donnent des informations relatives à la profondeur d’enfouissement des noeuds d’émission et de réception, la valeur moyenne de la contenance en eau dans le sol et la distance entre les noeuds. La sortie du MIF donne la probabilité de réception d’un paquet envoyé par un noeud source selon les paramètres précédents. L’évaluation de l’approche proposée permet d’obtenir une exactitude et une précision supérieures à celles du WUSN-PLM (91; 429% et 87; 129% respectivement). L’approche basée sur la logique floue a été intégrée dans des noeuds capteurs réels constitués de cartes ARDUINO pour une utilisation pratique.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)