Development of a datalogger for agriculture data analysis

This Master Thesis is the result of the work developed at Encore Lab, a Spanish engineering company located in Logroño (Spain). Encore Lab is a small engineering company focused on developing IoT (Internet of the Things) products under request of the clients, as well as develops some products for the company itself. A line of the company’s products is focused on agriculture dataloggers and agriculture-related sensors, i.e. soil moisture sensor, leaf wetness and air temperature, relative humidity and pressure sensor. This line of products was launched in 2015 with the creation of the first version of the datalogger for agriculture, Cesens®. In 2017 a smaller version of the datalogger was developed, named Cesens® Mini. Today there are more than 300 of those dataloggers installed around Spain monitoring the crops, mostly vineyards. A datalogger is a system that records data over the time or the location by means of sensors implemented on the system or connected to the system. Cesens® datalogger is a system that collects the data from external sensors over the time, processes that data properly and stores the results until they can be sent to the Encore Lab cloud server. The final users of the system can check their data on the desktop and mobile apps, monitoring their crops in an intuitive way. The first version of the Cesens® datalogger is a correctly functioning system but it is not optimized. Some of the problems of the datalogger come from the high power consumption of the complete system, due to the two microprocessors, with one them always on, implemented on the system. Other problems come from a bad initial idea of implementing a dedicated connector for each sensor, making it difficult to include new sensors into the system. The objective of this project is to upgrade the Cesens datalogger by proposing new ideas and developing a new version of the datalogger, Cesens® v2. This thesis consists of 3 chapters: In Chapter 1, the state of the art of the datalogger Cesens® is presented, showing the defects detected of the old system. Then, the concept of the Cesens® v2 system is presented, discussing all the innovations proposed. In Chapter 2, the development of the new system is presented. In particular, it is shown the selection of the microcontrollers, the study of the power needs of the system and the choose of the system voltage and of the DC-DC converters. Finally, it’s presented the redesign of the generic sensor connector, the design of the new SDI-12 sensor one and the communications system. In Chapter 3, the integration of the system is discussed. The performance of the DC-DC converters will be shown, as well of the other designed modules. Finally, it is described the work that has to be carried out in the next future to improve the performance of the datalogger before it will be launched into the market by the company.

Questa tesi di master è il risultato del lavoro sviluppato presso Encore Lab, una società di ingegneria spagnola con sede a Logroño (Spagna). Encore Lab è una piccola azienda di ingegneria focalizzata sullo sviluppo di prodotti IoT (Internet of the Things) su richiesta dei clienti, oltre a sviluppare alcuni prodotti per l'azienda stessa. Una linea di prodotti dell'azienda è basata sui datalogger legati all'agricoltura, in grado di raccogliere dati da sensori di umidità del suolo, di umidità delle foglie, di temperatura dell'aria, e di umidità e pressione relativi. Questa linea di prodotti è stata lanciata nel 2015 con la creazione della prima versione del datalogger per l'agricoltura, Cesens®v1. Nel 2017 è stata sviluppata una versione più piccola del datalogger, chiamato Cesens® Mini. Ad oggi ci sono più di 300 di questi datalogger installati intorno alla Spagna che monitorano le colture, per lo più vigneti. Un datalogger è un sistema che registra i dati nel tempo dai sensori implementati sul sistema o da sensori collegati al sistema. Cesens® datalogger è un sistema che raccoglie i dati da sensori esterni, li elabora correttamente e li memorizza fino a quando non sono inviati ad un server cloud. Gli utenti finali del sistema possono controllare i propri dati sulle applicazioni installate su desktop e smartphone, monitorando le loro colture in modo semplice ed intuitivo. La prima versione del Cesens® datalogger è un sistema funzionante ma non è ottimizzato. Alcuni dei problemi del datalogger derivano dall'elevato consumo energetico dell'intero sistema, dovuto ai due microprocessori implementati sul sistema e dei quali uno sempre acceso, implementati sul sistema. Altri problemi derivano da una cattiva idea iniziale di implementare un connettore dedicato per ogni sensore, rendendo difficile l'inclusione di nuovi sensori nel sistema. L'obiettivo di questo progetto è quello di aggiornare il datalogger Cesens proponendo nuove idee e sviluppando una nuova versione, Cesens® v2. Questa tesi è composta da 3 capitoli: Nel Capitolo 1, verrà presentato lo stato dell'arte del datalogger Cesens® che mostra i difetti rilevati nel vecchio sistema. Poi, viene presentato il concetto di Cesens®v2 discutendo tutte le innovazioni proposte. Nel Capitolo 2 viene presentato lo sviluppo del nuovo sistema. In particolare, viene presentato la selezione del microcontrollore, lo studio dei requisiti dell’alimentazione del sistema e la scelta della tensione di sistema e dei convertitori DC-DC necessari. Infine, viene illustrata la progettazione dei connettori per un sensore generico e per il nuovo sensore SDI-12, e del sistema di comunicazione. Nel Capitolo 3 si discute l'integrazione del sistema e vengono presentate le prestazioni dei convertitori DC-DC e degli altri moduli progettati. Infine, vengono illustrati gli sviluppi futuri con le modifiche che devono essere implementate sul sistema per migliorare le prestazioni del datalogger prima che possa essere lanciato nel mercato.