Smart and Efficient IoT-Based Irrigation System Design: Utilizing a Hybrid Agent-Based and System Dynamics Approach

要約

降水量の減少や人口の増加などの問題に関して、水資源不足は現代社会で最も重要な問題の1つになりました。その結果、乾燥国や半乾燥国での灌漑のために利用可能な水資源が不足しています。
一方、最新の技術を利用して灌漑を制御し、水分損失を減らすことができます。
これらのテクノロジーの1つは、モノのインターネット（IoT）です。
灌漑制御システムでIoTを使用する可能性にもかかわらず、そのようなシステムの設計には複雑さがあります。
この問題を考慮して、IoTベースのシステムなどの複雑なサイバー物理システムを設計するために、エージェント指向ソフトウェアエンジニアリング（AOSE）方法論を使用することができます。
この研究では、適切な間隔で土壌水分を維持することにより水分損失を減らすために、プロメテウスの告発方法論に基づいてスマート灌漑システムが設計されています。
設計されたシステムは、センサー、中央エージェント、および灌漑ノードで構成されています。
これらのエージェントは、定義済みのルールに従って、土壌水分を協力的に希望するレベルで維持します。
システムシミュレーションのために、ハイブリッドエージェントベースとシステムダイナミクスモデルが設計されました。
このハイブリッドモデルでは、System Dynamicsアプローチに基づいて土壌水分ダイナミクスがモデル化されました。
提案されたモデルは、Anylogic Computerシミュレーションソフトウェアに実装されました。
シミュレーションモデルを利用して、灌漑ルールを調べました。
自動灌漑モードでのシステムの機能は、256ランの分数要因設計に基づいてテストされ、総灌漑水と総操作時間に対する土壌特性などの重要な要因の影響を分析しました。
テストに基づいて、システムはすべてのテストでほぼ最適な水量を一貫して灌漑しました。
さらに、結果は、システムの運用時間を短縮することにより、システムのエネルギー消費を最小限に抑えるためにも使用されました。

要約(オリジナル)

Regarding problems like reduced precipitation and an increase in population, water resource scarcity has become one of the most critical problems in modern-day societies, as a consequence, there is a shortage of available water resources for irrigation in arid and semi-arid countries. On the other hand, it is possible to utilize modern technologies to control irrigation and reduce water loss. One of these technologies is the Internet of Things (IoT). Despite the possibility of using the IoT in irrigation control systems, there are complexities in designing such systems. Considering this issue, it is possible to use agent-oriented software engineering (AOSE) methodologies to design complex cyber-physical systems such as IoT-based systems. In this research, a smart irrigation system is designed based on Prometheus AOSE methodology, to reduce water loss by maintaining soil moisture in a suitable interval. The designed system comprises sensors, a central agent, and irrigation nodes. These agents follow defined rules to maintain soil moisture at a desired level cooperatively. For system simulation, a hybrid agent-based and system dynamics model was designed. In this hybrid model, soil moisture dynamics were modeled based on the system dynamics approach. The proposed model, was implemented in AnyLogic computer simulation software. Utilizing the simulation model, irrigation rules were examined. The system’s functionality in automatic irrigation mode was tested based on a 256-run, fractional factorial design, and the effects of important factors such as soil properties on total irrigated water and total operation time were analyzed. Based on the tests, the system consistently irrigated nearly optimal water amounts in all tests. Moreover, the results were also used to minimize the system’s energy consumption by reducing the system’s operational time.

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