Bakó, Károly István

Acta Agraria Debreceniensis

University of Debrecen Electronic Archive

AGrárTuDOMáNyI KöZLEMÉNyEK,­2012/47.
15
ZigBee technológia alkalmazása a
precíziós mezőgazdaságban
Bakó Károly István
Debreceni­Egyetem­Agrár-­és­Gazdálkodástudományok­Centruma,
Mezőgazdaság-,­Élelmiszertudományi­és­Környezetgazdálkodási­Kar,
Földhasznosítási,­Műszaki­és­Területfejlesztési­Intézet,­Debrecen
bakok@agr.unideb.hu
ÖSSZEFOGLALÁS
A ZigBee technológia a precíziós mezőgazdaság által támasztott
kö vetelményeket igyekszik maradéktalanul kielégíteni, mert pontos és
rend szeres adatgyűjtést tesz lehetővé. Egy modul költsége igen ked-
ve ző a mostani helyzetben is, így a meghibásodott eszközöket köny-
nyen gyorsan lehet cserélni. A moduláris felépítésnek köszönhetően
a rendszer könnyen tovább fejleszthető. Egy új egység beléptetése a
há lózatba nagyon gyorsan elvégezhető különösebb fennakadás
nélkül.
Kulcsszavak: Zigbee, precíziós mezőgazdaság, vezeték nélküli
hálózatok
SUMMARY
ZigBee technology aims to completely satisfy the requirements
set by precision agriculture, since this system makes it possible to
collect data in an accurate and regular way. The cost of one module
is rather favourable; therefore, damaged parts can be replaced
quickly. Due to the modular structure, the system can be further
developed easily. New units can be quickly incorporated into the
network without any difficulty.
Keywords: Zigbee, precision agriculture, wireless networks
BEVEZETÉS
Napjainkban­a­számítógépes­hálózatok­már­szinte
tel­jes­mértékben­behálózzák­életünk­minden­területét.
Le­gyen­az­közigazgatási­terület­vagy­az­otthonunk,­de
meg­találhatjuk­őket­a­termelés­bármely­részén­is.­A
szá­mí­tó­gépes­hálózatokat,­a­kommunikációs­közegeket
figye­lembe­véve­két­alapvető­csoportra­oszthatjuk:­az
el­ső­a­vezetékes,­ahol­az­adatok­továbbjuttatása­veze­té­-
­keken­történik,­míg­a­második­a­rádiókommunikáci­ós,
ahol­a­jelátvitel­különböző­eljárásokkal­modulált­rá­-
dió­frekvenciás­vivőhullámokkal­történik.­Napja­ink­ban
a­közepes­és­nagysebességű­adatátvitelhez­több­ve­ze­-
ték­ nélküli­ kommunikációs­ szabvány­ áll­ ren­d­elke-
zésre.­Cikkemben­a­ZigBee­kommunikációs­protokollt
elemzem.
Mára­már­számos­megoldást­fejlesztettek­ki­ZigBee
eszközökre,­de­ezeket­a­megoldásokat­még­tö­kéle­tesí­-
te­ni­kell.­A­potenciális­felhasználási­terület­a­ház-auto­-
­matizálástól­a­precíziós­mezőgazdaságon­keresztül­az
ön­tözésvezérlésen­át­(O'Shaughnessy­és­Evett,­2010)
az­ipari­szenzor­hálózatokig­terjed.­Emellett­a­techno­-
ló­gia­igyekszik­nyitni­a­kognitív­hálózatok­felé­is­(Jin
és­Shimamoto,­2011).­A­ZigBee­szabvány,­és­az­általa
el­érhető­szolgáltatások,­lehetőségek­egyik­kézenfekvő
fel­használási­ területe­ a­mezőgazdasági­ adatgyűjtés,
vagy­ különböző­ folyamatvezérlési,­ automatizálási
prob­lémák­megoldása,­így­például­inteligens­öntözési
rend­szerek­megvalósítása.­Egy­ilyen­rendszer­hasz­ná­-
la­tával­a­gazdálkodó­mindig­precíz­és­naprakész­infor-
má­cióval­rendelkezhet­a­megfigyelés­alá­vont­te­rü­let-
ről.­A­pontos­adatok,­és­azok­szakszerű­feldolgozása
elő­segítheti­a­rossz­döntések­meghozatalának­elke­rü­lé­-
sét,­továbbá­hozzájárul­a­költséghatékony­termeléshez.
PROBLÉMA FELVETÉSE
Az­Észak-alföldi­régióban­a­mezőgazdasági­szektor
je­lentősége­meghaladja­az­országos­átlagot.­A­mező­-
gaz­daság­más­ágazatokhoz­képest­jobban­kitett­az­idő­-
járás­viszontagságainak,­mivel­a­termelés­helyszíne­a
me­zőgazdasági­tábla.­Hazánkban­a­2000-es­évek­elejé­-
től­kezdte­térhódítását­a­precíziós­mezőgazdaság,­mely
amerikai­mintákon­alapult.­Ezeket­ültették­át­a­hazai
ter­melésbe,­de­ezzel­párhuzamosan­megkezdődött­a
ha­zai­rendszerek­fejlesztése­is.­Ennél­a­gazdálkodási
for­mánál­fontos­a­termőhely­specifikus­gazdálkodás.
Ez­a­szemlélet­már­figyelembe­veszi­azt­is,­hogy­egy
me­zőgazdasági­táblán­belül­milyen­eltérések­lehetnek.
A­precíziós­mezőgazdaság­pozitív­hozadékának­tekint­-
he­tő,­hogy­csökken­a­környezet­terhelése,­illetve­nö­-
vek­szik­a­gazdálkodás­hatékonysága.­Negatívumaként
szok­ták­említeni,­hogy­a­beruházás­igen­jelentős­költ-
ség­tétel,­illetve­azt­is,­hogy­nagy­a­tanulási­igény.­Az
adat­bázisnak­mindig­naprakésznek­kell­lennie.­A­pre­-
cí­ziós­mezőgazdaság­rendszerét­csak­meghatározott
mé­rethatár­felett­érdemes­bevezetni,­mert­megtérülése
hosszabb­ időt­ vesz­ igénybe,­ és­ a­ gazdálkodó­ így­ a
rend­szer­nyújtotta­előnyöket­csak­részben­érzékeli.­A
rend­szeres­frissítésekben­nagy­segítséget­nyújthat­egy
auto­matikus­mérőrendszer,­amely­bizonyos­idő­kö­zön­-
ként­ellenőrzi­a­szenzorain­keresztül­a­környezet­válto­-
zá­sát,­illetve­folyamatosan­frissíti­az­adatbázist,­fe­les-
leges­kábelezés­nélkül,­ezáltal­a­gazdálkodó­mindig
pon­tos­adatbázis­segítségével­tudja­meghozni­döntését.
Ez­a­tény,­valamint­a­mikro­áramkörök­gyártóinak­fo­-
lya­matos­fejlesztése­eredményezte­a­ZigBee­Alliance
lét­rejöttét,­ amely­ először­ definiálta­ a­ ZigBee/IEEE
802.15.4­szabványt.­A­ZigBee­a­Bluetooth­és­a­Wifi
há­lózat­előnyeit­próbálja­egyesíteni.­­
A ZIGBEE TECHNOLÓGIA FONTOSABB JEL -
LEMZŐI
Mint­egyéb­vezeték­nélküli­rendszereknél­is,­az­alap
szabványt­az­IEEE­(Institute­of­Electrical­and­Electronics
Engineers­– Villamos-­és­Elektromérnökök­Intézete)
ha­tározta­meg.­Az­IEEE­802.15.4-es­csoport­cél­ja­kis
adat­rátájú,­több­hónapos­vagy­éves­telep­élet­tar­talmú
pro­tokoll­kifejlesztése.­Egy­elemmel­akár­több­száz
vagy­ezer­napig­is­képes­működni­a­készülék­(1. táb -
BakóK:Layout 1  7/18/12  11:59 AM  Page 1
 lázat).­Sok­feltételtől­függ­azonban,­hogy­az­eszköz
med­dig­képes­működni­egy­teleppel.­A­napi­adatkom-
mu­nikáció­gyakorisága­alapvetően­befolyásolja­a­telep
élettartamát.­Az­élettartam­meghosszabbítását­részben
kis­komplexitású­nem­bonyolult­hálózat­struktúrával
old­ják­meg,­másrészről­kis­adatcsomagokkal­is­meg-
­valósítható.­
A­technológia­alkalmazási­területe­főként­olyan­ese­t­-
ben­nagy­ jelentőségű,­ ahol­ egy­adott­hálózatba­ sok
ügy­fél­(több­száz­vagy­akár­több­ezer­is­egyszerre)­tud
be­kapcsolódni­ (1. táblázat).­Nagy­ előnye­ a­ZigBee
tech­nológiát­alkalmazó­hálózatnak,­hogy­úgynevezett
Ad-hoc­alkalmi­kapcsolatot­létesít.­Így­a­kliens­és­a­ve­-
zér­lő­egység­szerepköre­és­kapcsolódási­sorrendje­nin­-
csen­determinálva,­ezáltal­sokkal­gyorsabban­lehet­há-
­lózatot­szervezni.­Felvetődhet­azonban­az­a­problé­ma,
hogy­mi­történik­akkor,­ha­két­kliens­egyszerre­akar
kap­csolódni­ugyanazon­vezérlő­egységhez.­A­szabvány
meg­határozza­azokat­a­szabályokat,­melyekkel­el­lehet
ke­rülni­az­ilyen­eseteket.­A­hálózati­méretet­tekintve­a
Wifi­ és­ Bluetooth­ szabványok­ nem­ teszik­ lehetővé
nagy­méretű,­több­klienst­magába­foglaló­hálózat­ki­ala­-
kí­tását.­Ezért­alkalmatlanok­például­a­precíziós­me­ző­-
gaz­daság­által­támasztott­feltételek­kielégítésére.­Ezzel
szem­ben­a­ZigBee­technológia­a­maga­a­264-en­cím­zé­-
si­tartományával­lehetővé­teszi­a­majdnem­korlátlan
kli­ens­beléptetést­egy­adott­hálózatba.­Egy­GSM­há­ló­-
zat­nál­fontos­szempont­az,­hogy­több­kilométer­távol-
ság­ra­jusson­el­az­adat­vagy­hang.­Ezen­hálózatok­ki-
­építésének­költsége­jelentős,­emellett­az­ilyen­hálóza-
tok­ létesítésénél­ az­ illetékes­ hatóságnak­ frekvencia
hasz­nálati­díjat­is­fizetni­kell,­ami­még­tovább­növeli­a
lé­tesítés­költségeit.­A­ZigBee-s­eszközök­úgynevezett
ISM­sávon­kommunikálnak,­amiért­nem­kell­sáv­hasz­-
ná­lati­díjat­fizetni.­Az­ilyen­eszközök­gyártási­költsége
kisebb,­mint­a­GSM­eszközöké,­így­az­ilyen­hálózatok
létesítése­olcsóbb,­hatótávolságuk­azonban­kilométer
alatti.
AGrárTuDOMáNyI KöZLEMÉNyEK,­2012/47.
Az­IEEE­csoport­a­kommunikációs­protokoll­két
al­só­rétegének­meghatározására­koncentrált­(1. ábra)
[physical­ layer­ (PHy)­ és­ media­ access­ controller
(MAC)].­
A­ZigBee­Alliance­pedig­a­fölötte­elhelyezkedő­2+1
ré­tegre.­A­MAC­alréteg­színezése­megosztott,­mert­az
IEEE­a­szabvány­megalkotása­közben­együttműködött
a­ZigBee­Alliance-szal.­A­felette­elhelyezkedő­két­réteg
a­Hálózati­és­Biztonsági­szint­valamint­az­Alkalmazási
ke­retrendszer­szint.­A­plusz­egy­szint­az­alkalmazási
pro­fil­melyet­kialakíthat­ a­ felhasználó­vagy­gyártó,
vagy­a­ZigBee-is.­A­legfelső­alkalmazási­réteget­már
tel­jesen­a­felhasználó­vagy­gyártó­hozza­létre.
A­ZigBee­elhelyezkedését­a­vezeték­nélküli­hálóza-
tok­között­a­kis­kiterjedésű­és­adatátviteli­kapacitással
ren­delkező­Wpan­és­Wlan­hálózatokhoz­soroljuk.­A
szab­vány­elhelyezkedését­a­többi­vezeték­nélküli­szab­-
ványhoz­képest­a­2. ábra szemlélteti.
1. ábra: Az IEEE 802.15.4 és ZigBee stack modell
Forrás:­Ballagi,­2007
Figure 1: The IEEE 802.15.4 and ZigBee stack model
16
1. táblázat
A ZigBee és más vezeték nélküli szabványok 
Forrás:­Lu,­2011
Table 1: ZigBee and other wierless standard 
Standards(1),­Application­focus(2),­Success­metrics(3),­Battery­life­(days)­(4),­Network­size(5),­Bandwidth­(kb/s)(6),­Transmission­range
(meters)(7),­Monitoring­and­control(8),­Web,­Email,­Video(9),­Cable­replacement(10),­Wide­area­voice­and­data(11),­­reliability,­power,
cost(12),­Speed,­flexibility(13),­Cost,­convenience(14),­reach,­quality(15),­unlimited(16)
Szabványok(1) 
ZigBee 
(802.15.4)/(Helicomm) 
WI-Fi (802.11b) Bluetooth (802.15.1) GSM/GPRS 
Alkalmazási célterület(2) Mérés és vezérlés(8) Web, Email, Videó(9) 
Vezetékek 
helyettesítése(10) 
Hang és 
Adattovábbítás nagy 
távolságra(11) 
Értékmérk(3) 
Megbízhatóság, 
Teljesítmény, Költség(12) 
Gyors, Rugalmas(13) Költség, kényelem(14) Elérés, Minség(15) 
Elem élettartam (nap)(4) 100–1000+ 0,5–5  1–7 1–7 
Hálózati méret(5) Korlátlan (26+)(16) 32 7 1 
Sávszél (KB/s)(6) 20–250 11,000+  720 64–128+ 
Átviteli távolság 
(méter)(7) 
1–100+ 1–100 1–10+ 1000+ 
 
 
BakóK:Layout 1  7/18/12  11:59 AM  Page 2
AGrárTuDOMáNyI KöZLEMÉNyEK,­2012/47.
17
2. ábra: A ZigBee pozíciója
Forrás:­Ballagi,­2007
Figure 2: The position of Zigbee
A­kis­kiterjedés­egy­adott­eszközre­értendő,­nem­az
egész­hálózatra.­Az­eszközök­rövid­ideig­tartják­fent
egy­mással­a­kapcsolatot,­és­a­kapcsolat­ideje­alatt­kis
adat­csomagokat­küldenek­és­fogadnak.­Ezáltal­ener­gi­-
át­tudnak­megspórolni.­A­technológia­hasonlóságot­mu­-
tat­a­Bluetooth­valamint­a­802.15.3-as­(WPAN)­szab-
­ványokkal.­Az­eltérés­egyik­fő­szempontja­a­Bluetooth
szab­vánnyal­szemben­az­egy­hálózatba­bevonható­kli­-
en­sek­száma,­míg­a­802.15.3-as­szabványoktól­az­adat­-
átviteli­sebesség­különbözteti­meg­a­ZigBee­tech­no­ló-
­giát.­Míg­a­802.15.3-as­szabványoknál­az­adatátviteli
se­besség­megabitekben­mérhető,­addig­a­ZigBee­tech-
no­lógiával­kommunikáló­eszközök­adatátviteli­se­bes­-
sé­ge­kilobites­sebességű.­De­ennél­a­kommunikációs
for­mánál­nem­az­dominál,­hogy­adott­idő­alatt­minél
na­gyobb­adattömeget­jutassanak­el­egyik­helyről­a­má­-
sik­ra,­hanem­a­kapcsolat­gyakorisága,­tehát­sokszor­kis
adat­csomagokat­küldenek.
A­802.20-as­szabvány­(Mobile­Broadband­Wireless
Access,­MBWA)­főbb­jellemzői­a­hatótáv,­mely­2500­km,
működési­frekvenciája­3.5­Ghz,­adatátviteli­sebessége
1­Mbps.­Az­ábrán­található­továbbá­a­802.22-es­szab-
vány,­amely­a­Wireless­regional­Area­Networks­nevet
vi­seli.­A­hatótávolsága­100­km,­átviteli­sebessége­11–
22­Mbps­ és­ a­ televíziók­ által­ használt­ frekvenciát
hasz­nálja.
AZ ÖNTÖZÉS AUTOMATIZÁLÁSÁNAK LEHE -
TŐ SÉGE A KISÉRLETI TERÜLETEN
Kutatási­ témám­keretében­a­Debreceni­Egyetem
Agrár-­és­Gazdálkodástudományok­Centruma­Lá­tó­-
képi­Kísérleti­Telepén­(3. ábra) alkalmazott­Valmont
li­neár­ öntözőtelepének­ automatizálási­ lehetőségeit
vizs­gálom.­A­telepen­található­öntözőberendezésre­egy
mik­rokontrollert­telepítünk,­ami­jelen­elképzelés­sze­-
rint­egy­státusz­vizsgálatot­hajt­végre.­Ez­a­vizsgálat
ar­ra­terjed­ki,­hogy­az­öntözőberendezés­üzemel,­vagy
sem,­és­ha­igen­akkor,­mikor­történt­az­indítás.­Ez­a
mik­rokontroller­a­tábla­szélén­található­épületre­továb-
bít­ja­a­jeleit,­itt­az­adatok­naplózásra­kerülnek,­majd
ha­az­öntözés­sikeresen­lefutott,­akkor­az­egész­nap­ló­-
fájl­kerül­továbbküldésre­a­DE­AGTC­MÉK­Földhasz­-
no­sítási,­Műszaki­és­Területfejlesztési­ Intézethez.­A
fel­hasz­nálói­ interakció­ a­ táb­la­ szélén­ elhelyezkedő
egy­ségnél­lehetséges,­ami­a­különböző­hibabejelenté­-
sek­re­korlátozódik,­tehát­a­telepi­dolgozó­a­tanszéknek
je­lezni­tudja­a­meghibásodás­okát.­
3. ábra: A vizsgált kísérlet terület elhelyezkedése
Forrás:­Nagy,­2007
Figure 3: The position of the examined research area
The­center­of­the­research­station(1)
  
 
 
 
 
 
 
Kísérleti telep központja 
(1) 
IRODALOM
Ballagi­á.­(2007):­Zigbee:­vezeték­nélküli­komplex­szenzorhálóza-
tok­gyorsan,­olcsón,­hatékonyan.­Proceeding­of­the­XII.­DSC
Ta­lálkozó.­Miskolc.­1–4.
Jin,­Q.–Shimamoto,­S.­(2011):­A­cognitive­mobile­sensor­network
for­environment­observation.­Telematics­and­Informatics­Tokyo.
Japan.­29.­1:­26–32.
Lu,­K.y.­(2011):­A­plug-and-play­data­gathering­system­using­ZigBee-
based­sensor­network­sensor­network.­Computers­in­Industry
Taiwan.­721.
Nagy­J.­(2007):­Kukoricatermesztés.­Akadémia­Kiadó.­Budapest.
O'Shaughnessy,­S.A.–Evett,­S.r.­(2010):­Developing­Wireless­Sensor
Networks­ for­Monitoring­Crop­Canopy­Temperature­using­a
Moving­Sprinkler­System­as­a­Platform.­Applied­engineering­in
agriculture.­uSDA.­ArS.­26.­2:­332–340.
Data­rate­(Mbps)
r
an
ge
BakóK:Layout 1  7/18/12  11:59 AM  Page 3
BakóK:Layout 1  7/18/12  11:59 AM  Page 4


ZigBee technológia alkalmazása a precíziós mezőgazdaságban

https://dea.lib.unideb.hu/dea/bitstream/handle/2437/132379/file_up_Bako%3fK.pdf?sequence=1&isAllowed=y

ZigBee technológia alkalmazása a precíziós mezőgazdaságban

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

University of Debrecen Electronic Archive