Rozšíření funkcionality měřicích stanic pro monitorování environmentálních dat

Bc. Vít KOLÁŘ

Diplomová práce

Extending the functionality of measuring stations for monitoring environmental data

Anotace:

Tato diplomová práce se zaměřuje na rozšíření funkcionality cenově dostupných měřicích stanic pro environmentální monitoring. Práce analyzuje stávající síť měřicích stanic vyvinutou na Ostravské univerzitě, identifikuje její omezení (paměťová kapacita, synchronizace času, napájení, odolnost vůči povětrnostním vlivům, prezentace dat a další), poté se podrobně zaměřuje na vybraná omezení, pro která navrhuje a implementuje vhodná řešení. V úvodu je prostřednictvím rešerše a analýzy detailně popsána problematika senzorických sítí a proveden rozbor současného stavu, dále je definován a následně nasazen metodický postup systematické identifikace slabých míst senzorové sítě. Pro překonání paměťových omezení práce nejprve optimalizuje stávající firmware, poté navrhuje teoretickou náhradu řídicí desky, a nakonec vyvíjí zcela nový firmware. Nový firmware řeší také zásadní problém se vzdálenou konfigurací stanic. Pro synchronizaci času měření jednotlivých stanic je implementováno řízení reálného času, s možností přidání RTC modulu a vzdálená synchronizace v LoRaWAN síti. Tyto úpravy zajišťují přesnou časovou synchronizaci měření v senzorické síti, umožňují automatickou resynchronizaci a zároveň zachovávají synchronizaci i při výpadku napájení. Práce problematiku synchronizace podrobně zkoumá, uvádí alternativní metody a způsoby zpracování asynchronních dat. Implementovaná řešení byla ověřena v reálném provozu, jejich účinnost je demonstrována experimentálním nasazením stanic a porovnáním provozu s využitím přidaného RTC modulu a bez něj. Závěrem práce jsou shrnuta hodnocení navržených vylepšení, formulována doporučení pro jejich nasazení a představeny možnosti dalšího rozvoje senzorických stanic v nekontrolovaných prostředích.

Abstract:

This diploma thesis focuses on extending the functionality of cost-effective measurement stations for environmental monitoring. The study analyzes the existing network of measurement stations developed at the University of Ostrava, identifies its limitations (memory capacity, time synchronization, power supply, resistance to weather exposure, data presentation, etc.), and then examines selected constraints in detail, proposing and implementing appropriate solutions. In the introduction, a literature review and analysis provide a detailed overview of sensor-network issues and assess the current state of deployment; thereafter, a methodological procedure for the systematic identification of network weaknesses is defined and deployed. To overcome memory limitations, the thesis first optimizes the existing firmware, then designs a theoretical replacement for the control board, and finally develops an entirely new firmware. This new firmware also addresses the critical issue of remote station configuration. For time synchronization of individual station measurements, real-time control is implemented with the option of an external RTC module and remote synchronization via a LoRaWAN network. These modifications ensure precise time alignment of measurements within the sensor network, enable automatic resynchronization, and maintain synchronization even during power failures. The thesis examines synchronization issues in depth, presenting alternative methods and approaches for processing asynchronous data. The implemented solutions were validated in real-world operation, their effectiveness is demonstrated through experimental deployment of the stations and by comparing performance with and without the added RTC module. In conclusion, the assessments of the proposed improvements are summarized, recommendations for their deployment are formulated, and possibilities for further development of sensor stations in uncontrolled environments are presented.

Klíčová slova

senzorická síť, LoRaWAN, měřicí stanice, synchronizace času, optimalizace firmware, kalibrace senzorů, environmentální monitoring

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 5. 2025

Zveřejnit od: 31. 12. 2999

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 11. 6. 2025
• Vedoucí: RNDr. Michal Janošek, Ph.D.

OSTRAVSKÁ UNIVERZITA

Přírodovědecká fakulta

Magisterský studijní program / obor:
Aplikovaná informatika / Informační systémy