Sisteme de monitorizare SMART în agricultura de precizie dezvoltate de studenți în cadrul proiectului HEIBus

11 OCTOMBRIE 2019

Dinamica globală în inginerie pune presiune asupra programelor de învățământ universitare care sunt nevoite să se adapteze continuu și să aplice noi tehnici de învățare pentru a ține pasul cu aceste schimbări. Aceste programe trebuie să ofere viitorilor ingineri posibilitatea de a-și dezvolta aptitudini de gândire critică și creativă într-o viziune aplicativă ce se concentrează pe rezolvarea unor probleme inginerești din „lumea reală”. În același timp, studenții trebuie să fie implicați în activități care să le îmbunătățească competențele de comunicare orală și scrisă, toate acestea într-un mediu internațional cu puternic accent pe lucrul în echipă.

O direcție pentru a răspunde acestor nevoi este utilizarea metodei de învățare bazată pe proiecte (project-based learning) în strânsă colaborare cu mediul industrial. Acest articol prezintă rezultatele obținute în urma implementării unui asemenea proiect. Proiectul a vizat implicarea a trei echipe internaționale de studenți și cadre didactice în rezolvarea unei probleme reale propuse de un partener industrial. Proiectul Multidisciplinary Real Life Problem Solving (RLPS) este dezvoltat ca parte a Proiectului Erasmus + cu titlul Smart HEI-Business collaboration for skills and competitiveness (HEIBus) ( www.heibus.eu). Proiectul HEIBus urmărește dezvoltarea unor noi modele de colaborare care să faciliteze implicarea companiilor în procesul educațional și, în același timp, creează cadrul ce permite un mai bun transfer de cunoaștere între parteneri prin implicarea studenților și cadrelor didactice în proiecte internaționale de cercetare, dezvoltare și inovare propuse de companii.

Model – Multidisciplinary Real Life Problem Solving

Modelul Multidisciplinary Real Life Problem are în vedere crearea unui cadru care să permită studenților, cadrelor didactice și personalului din companii să lucreze împreună. Astfel, studenți de la diferite specializări și de diferite naționalități sunt aduși împreună pentru a forma grupuri mixte care să rezolve probleme reale propuse de companii.

Pe durata implementării unui proiect RLPS, trei grupuri de studenți (Group A, Group B și Group C) sunt în competiție pentru a rezolva pe durata unui semestru universitar tema propusă de o companie (Company X). Munca acestora este supervizată de cadre didactice din universitățile participante și de reprezentanți din companie. Activitățile din cadrul proiectului prevăd organizarea unei săptămâni intensive la instituția organizatoare (HEI X) și muncă la distanță prin intermediul întâlnirilor virtuale. La finalul proiectului are loc prezentarea finală a rezultatelor celor trei grupuri de studenți, unde cadrele didactice și reprezentanții din companie notează activitatea și decid echipa câștigătoare.

Pe parcursul celor 3 ani de implementare a proiectului HEIBus sunt organizate două runde a câte trei proiecte de tip RLPS. În a doua rundă de proiecte, unul din cele trei proiecte a fost dezvoltat în colaborare cu firma ISR din Spania. În acest proiect Universitatea din Jaén (Spania) a fost coordonatorul, iar Universitatea de Științe Aplicate JAMK (Finlanda) și Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca (România) au fost parteneri. În total, în acest proiect au participat 18 studenți de la specializările de: inginerie mecanică, calculatoare și mecatronică și 6 cadre didactice coordonatoare de la cele trei universități.

Componente sistem dezvoltat

Tema proiectului ISR RLPS a vizat dezvoltarea unui sistem de monitorizare multisenzori pentru achiziționarea de informații agroclimatice ale măslinilor sau altor tipuri de culturi agricole. La dezvoltarea sistemului, studenților li s-a impus utilizarea plăcii de dezvoltare Raspberry Pi Zero W, o cameră video, un set de senzori specifici (temperatură și umiditate aer, umiditate sol, tensiune și curent de alimentare), un sistem de alimentare pe bază de energie solară (panou solar, acumulator și circuit de încărcare) și un afișaj de tip e-ink. Sistemul astfel dezvoltat trebuie să fie capabil să transmită și să stocheze date la distanță prin intermediul unui serviciu de tip cloud. Deoarece sistemul se vrea a fi utilizat în câmp, un aspect important urmărit este gestionarea corespunzătoare a consumului energetic.

Proiectul a debutat cu o săptămână intensivă ce a avut loc în perioada 1-5 octombrie 2018, eveniment organizat de Universitatea din Jaén. Pe parcursul acestei săptămâni a fost planificată o combinație de activități de predare, lucru pe proiect, vizite de lucru, evaluare și activități culturale. Studenții au avut ocazia să viziteze compania PICUALIA una dintre cele mai mari producătoare de ulei de măsline la nivel mondial. Cu această ocazie au putut vedea în acțiune aceste sisteme de monitorizare şi au discutat cu experții companiilor ISR și PICUALIA diferite aspecte privind structura și funcționarea lor. Pornind de la aceste date, studenții au analizat soluțiile existente deja pe piață, rezultatele obținute fiind ulterior utilizate pentru a defini structura sistemelor dezvoltate de fiecare echipă. Un aspect important avut în vedere a fost și integrarea unor noi concepte și funcționalități în noile produse dezvoltate pentru acest tip de sisteme.

Vizită de lucru la compania PICUALIA

După săptămâna intensivă, studenții au lucrat independent sub supravegherea profesorilor celor trei universități. Comunicarea dintre membrii echipei a fost realizată folosind e-mailuri și conferințe video. La intervale de două săptămâni echipele au pregătit un raport cu evoluția proiectului în acel moment. Prezentările finale pentru proiectul ISR s-au desfășurat în data de 13 decembrie 2018. După prezentarea finală, rezultatele proiectului din toate cele trei grupuri au fost analizate și evaluate de către cadrele didactice coordonatoare și reprezentantul companiei. În urma acestei analize a fost desemnată echipa câștigătoare.

Vizită la laboratoarele UJA

Toate cele trei echipe au dat dovadă de ingeniozitate, reușind pe parcursul proiectului să dezvolte soluții ingenioase pentru diferite subansamble ale sistemului realizat. În raportul final, studenții au prezentat aspecte ce au vizat: rezultatele obținute în urma proiectării circuitului electronic pentru achiziționarea și prelucrarea semnalelor de la senzori și proiectarea circuitului de alimentare; aplicația software ce rulează pe placa Raspberry Zero W; rezultatele obținute în urma utilizării funcțiilor din biblioteca OpenCv pentru procesarea video; aplicația dezvoltată pentru stocarea și accesarea parametrilor agroclimatici prin intermediul unei platforme cloud; incintă proiectată ce integrează toate componentele electronice.

În continuare, se prezintă o parte din rezultatele obținute de studenți. Una din principalele provocări ale proiectului a fost utilizarea camerei video pentru a analiza cultura monitorizată. Imaginile preluate de camera video sunt utilizate pentru identificarea unei anumite regiuni dintr-un ciorchine de boabe de măsline cu scopul de a estima maturitatea boabelor în funcție de culoare. Camera video utilizată a fost Raspberry Pi Camera ce integrează un senzor de 5Mp și comunică cu placa Raspberry Zero pe o interfață CSI dedicată.

Pași efectuați pentru determinarea culorii măslinelor

Imaginile obținute de la cameră sunt prelucrate utilizând funcții din biblioteca OpenCv. Pentru a determina culoarea măslinelor în procesul de prelucrare a imaginilor, sunt efectuați patru pași. Algoritmul dezvoltat transformă imaginea preluată în nuanțe de gri și aplică asupra acesteia un filtru blur urmând ca imaginea să fie binarizată cu un prag de 50. Imaginea astfel obținută este utilizată ca mască pentru imaginea inițială astfel eliminându-se perturbațiile prezente. Pentru noua imagine obținută se aplică funcțiile cv2.findContoursse și cv2.HoughCircles, astfel se determină toate zonele ce conțin fructele de interes. Noua imagine obținută se fixează ca mască pentru imaginea inițială astfel rezultând imaginea de la pasul 4 care este utilizată pentru determinarea culorii măslinelor prin intermediul funcției cv2.calcHist. Pentru exemplul dat, valorile rgb obținute au fost: 13, 35, 26.

Afișare valori măsurate pe platforma TinhSpeack

Platforma cloud utilizată pentru stocarea și afișarea datelor măsurate de sistemul de monitorizare proiectat a fost ThingSpeak. Pentru a dezvolta aplicații, studenții au creat pe platforma cloud un workspace și au definit canalul de date utilizat pentru comunicare cu platforma Raspberry Zero W. Datele primite sunt stocate și pot fi vizualizate de utilizator utilizând un PC în mod grafic după cum se poate observa și în imaginile alăturate.

Deși principalele funcții ale sistemului dezvoltat sunt îndeplinite de componente electronice și software, proiectarea incintei mecanice pentru protejarea acestora a reprezentat o altă provocare pentru studenții participanți. În contextul în care sistemul proiectat trebuie să funcționeze în câmp deschis și este supus intemperiilor, în procesul de proiectare studenții au trebuit să țină cont de tipul materialului utilizat, dispunerea componentelor astfel încât acestea să nu fie influențate în timpul funcționării de intemperiile din mediul înconjurător și integrarea în structură a panoului solar cu sistemul de alimentare și acumulatori.

Proiectare incintă componente electronice

Materialele analizate pentru confecționarea incintei au fost aluminiul, plastic ABS și fibră de sticlă. Un aspect important urmărit a fost influența temperaturii din mediul de lucru asupra acestor materiale astfel încât temperatura din interiorul incintei să se încadreze în limitele admise de componentele electronice utilizate. Materialul ales pentru realizarea incintei a fost aluminiul, incinta realizată având o dimensiune de 260 × 160 × 90 [mm] și are o clasificare IP66. În figură, se poate observa forma finală a incintei împreună cu toate componentele electronice. Pentru senzorul de temperatură și umiditate a fost realizată o zonă separată în incintă astfel încât acesta să nu fie influențat de temperatura și umiditatea din interiorul incintei.

În proiectul ISR RLPS, în cadrul Universității Tehnice din Cluj-Napoca, coordonarea științifică a revenit profesorilor dr. ing. Călin RUSU și dr. ing. Ciprian-Radu RAD. Studenții participanți au fost: Horațiu HAR, Alin-Patrich POP, Samuel UNGUREANU, Adrian MUREȘANU, Akos SZEGEDY și Rareș LEMNARIU, de la specializarea de Mecatronică.

Ș.l.dr.ing. Ciprian Lăpușan & Ș.l.dr.ing. Ciprian Rad

What is HEIBUS?

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre