Μελετη Και Αναπτυξη Πλατφορμας Επεξεργαστη Ανοικτου Λογισμικου Για Την Υλοποιηση Μετεωρολογικου Δικτυου

Abstract

Τα τελευταία χρόνια έχει εκδηλωθεί τεράστιο ενδιαφέρον για τα αυτοματοποιημένα συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων. Το ενδιαφέρον αυτό εκφράζεται τόσο από την ακαδημαϊκή κοινότητα σε ερευνητικό επίπεδο, όσο και από τους εν δυνάμει χρήστες της τεχνολογίας. Συλλογή δεδομένων καλείται η μέθοδος μέσω της οποίας μεγέθη όπως η τάση , το ρεύμα η θερμοκρασία , κ . α ., συλλέγονται, απεικονίζονται, και καταγράφονται μέσω κάποιας υπολογιστικής μονάδας . Για το σκοπό αυτό ένα σύστημα συλλογής δεδομένων (data acquisition system) μετατρέπει το εισερχόμενο σήμα σε ψηφιακό δεδομένο. Υπεύθυνο για την επεξεργασία των αποκτημένων πληροφοριών είναι το λογισμικό που φέρει το σύστημα DAQ μέσω του οποίου εκτελούνται λειτουργίες όπως : μετρήσεις ηλεκτρικών μεγεθών, ανάλυση σήματος στο πεδίο της συχνότητας / χρόνου , στατιστική ανάλυση σήματος, και πλήθος άλλων επεξεργασιών . Με τη χρησιμοποίηση μονάδων υψηλής τεχνολογίας και λογισμικών επεξεργασίας σημάτων, μπορεί να επιτευχθεί υψηλή ακρίβεια μέτρησης και ελέγχου της πληροφορίας του σήματος για την αξιοποίησή του τόσο σε εργαστηριακή, όσο και σε βιομηχανική εφαρμογή .Η παρούσα διπλωματική έχει διπλό στόχο. Αφενός μεν να αποτελέσει μια εισαγωγή στα αυτοματοποιημένα συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων μέσω αισθητηρίων με την χρήση μικροελεγκτών (arduino) και μικροϋπολογιστών (raspberry pi) και αφετέρου να παρουσιάσει αναλυτικά την υλοποίηση ενός συγκεκριμένου συστήματος λήψης και αποθήκευσης δεδομένων καθώς και την απομακρυσμένη πρόσβαση σε αυτά μέσω του διαδικτύου. Με αυτόν τον τρόπο επομένως μπορεί να καλυφθεί ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών. Πιο συγκεκριμένα στο κεφάλαιο 1 πραγματοποιείται μια εισαγωγή στον μικροελεγκτή Arduino, στα διαθέσιμα αισθητήρια που μπορεί να υποστηρίξει για τις διάφορες εφαρμογές καθώς και τα διαθέσιμα shields/προεκτάσεις για την υλοποίηση σύνθετων εφαρμογών.Στην συνέχεια στο κεφάλαιο 2 παρουσιάζεται η διαδικασία ανάπτυξης και υλοποίησης προγραμμάτων σε γλώσσα wiring μέσω του προγραμματιστικού περιβάλλοντος IDE.Ύστερα, στο κεφάλαιο 3 πραγματοποιείται μια εισαγωγή στις βασικές δομές, στη θεωρία λειτουργίας και στις εφαρμογές των υπολογιστικών συστημάτων raspberry pi και την συμβολή τους στο internet of things. Στο κεφάλαιο 4 περιγράφεται συνολικά το υλικό που χρησιμοποιήθηκε για την υλοποίηση του αυτοματοποιημένου συστήματος συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων και ειδικότερα ενός αυτόνομου μετεωρολογικού σταθμού που θα συλλέγει δεδομένα όπως η θερμοκρασία η υγρασία και η ατμοσφαιρική πίεση. Επιπροσθέτως γίνεται αναλυτική περιγραφή του τρόπου διασύνδεσης των επιμέρους συστημάτων που έχουν χρησιμοποιηθεί, παρουσιάζονται οι αισθητήρες που χρησιμοποιήθηκαν, τα κριτήρια επιλογής τους, ο τρόπος συνδεσμολογίας καθώς και οι βιβλιοθήκες που αξιοποιήθηκαν για την διεπαφή τους με την πλακέτα Arduino. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται μια εισαγωγή στον αυτόνομο μετεωρολογικό σταθμό, η ανάλυση των μετεωρολογικών φαινομένων και παρουσιάζεται η μεθοδολογία καταγραφής τους. Κατόπιν πραγματοποιείται η παρουσίαση του μετεωρολογικού μοντέλου Ζαμπρέτι (Zambretti) βάσει του οποίου πραγματοποιούνται οι προγνώσεις καιρού και επομένως η αξιοποίηση των δεδομένων που έχουν συλλεχθεί και αποθηκευτεί.Επιπρόσθετα στο κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η διαδικασία παραμετροποίησης του hardware πριν την υλοποίηση της εφαρμογής.Εν τω μεταξύ στο κεφάλαιο 7 περιγράφεται και σχολιάζεται αναλυτικά η διαδικασία κατασκευής του συστήματος DAQ - ΑΜΣ, καθώς και η δομή του κώδικα που απαιτείται για να υλοποιήσει το συγκεκριμένο αυτοματοποιημένο συστήματα συλλογής και επεξεργασίας δεδομένων της πλατφόρμας του Arduino και του raspberry pi με σκοπό την αξιοποίηση τους ως αυτόνομο μετεωρολογικό σταθμό, με δυνατότητες καταγραφής, επεξεργασίας και αποθήκευσης των μετεωρολογικών δεδομένων καθώς και την απομακρυσμένη πρόσβαση σε αυτά για την περεταίρω αξιοποίησή τους . Τέλος στο κεφάλαιο 8 παρουσιάζεται μια μελλοντική προέκταση της διπλωματικής και αξιοποίησής της σε ένα ευρύτερο φάσμα εφαρμογών.