Дослідження затухання радіосигналів і реалізація практик «IoT» у моніторингу режиму мікрокліматичних показників повітря у фондосховищах НБУВ

Тези доповіді

Власюк Тарас Іванович,
ORCID https://orcid.org/ 0009-0009-1818-9239,
кандидат технічних наук,
науковий співробітник,
відділ наукових технологій і збереження фондів,
Національна бібліотека України імені В. І. Вернадського,
Київ, Україна
e-mail: taras518@gmail.com

Дослідження затухання радіосигналів і реалізація практик «IoT» у моніторингу режиму мікрокліматичних показників повітря у фондосховищах Національної бібліотеки України імені В. І. Вернадського

Розглянуто питання реалізації проєкту системи моніторингу показників мікроклімату у фондосховищах Національної бібліотеки України імені В. І. Вернадського. Встановлені значення затухання сигналу зв’язку IoT-пристроїв в умовах реалій діяльності бібліотеки.
Ключові слова: IoT-пристрої, пристрої Tapo, затухання сигналу, якість сигналу зв’язку, моніторинг температури, вологості, Національна бібліотека України імені В. І. Вернадського.

З метою впровадження у діяльність Національної бібліотеки України імені В. І. Вернадського сучасних передових технологій Інтернет речей (Internet of Things) або IoT проведено дослідження і пілотна реалізація проєкту системи моніторингу показників температурно-вологісного режиму у фондосховищах корпусу НБУВ по вул. Володимирській, 62. Першочергово обрана будівля восьмиярусного фондосховища: Відділ формування та використання газетних фондів – 3-й поверх; Відділ образотворчих мистецтв та відділ музичних фондів – 5-й поверх; Відділ бібліотечних зібрань та історичних колекцій – 4-й, 6-й, 7-й, 8-й поверхи; Відділ обмінно-резервних фондів – 0-й, 1-й поверхи. Зазначимо, що сховища цих відділів надалі ідентифікуються літерою «к». У другу чергу натурні дослідження проводились у об’ємному чотириповерховому корпусі НБУВ, в якому, крім фондосховищ: Відділу стародруків і рідкісних видань – 1-й поверх; Інституту рукописів – 0-й, 2-й поверхи; Інституту архівознавства та відділу юдаїки – 4-й поверх, значну частину просторового об’єму займають читальні зали, вестибюль і сходи.

Реалізація практик IoT відбулась на основі розробленого проєкту, де враховані конструкційні особливості будівлі бібліотеки, наявність ліній Ethernet, точки доступу (Wi-Fi), розміщення електрощитових, інженерного обладнання, нормативні вимоги до бібліотечних приміщень. Разом з цим проведено моніторинг наявних на ринку пристроїв систем контролю мікроклімату середовища, запропоновано ряд варіантів планів розміщення центральних IoT-контролерів і технологічну схему розташування датчиків, відповідно створеного технічного завдання і технічних вимог до таких пристроїв та робочої частоти сигналу зв’язку. Вагомим аргументом у виборі протоколу функціонування IoT-пристроїв був стан фінансового забезпечення проєкту через проблеми з фінансуванням. За критеріями балансування між проникністю, енергозбереженням, простотою налаштування та ціновою пропозицією, а також з метою зменшення дії шумів на робочу частоту пристроїв, вибрано один із варіантів – пропрієтарний протокол для IoT-рішень у межах будівлі на базі центрального контролеру (шлюзу) розумного будинку TP-Link Tapo H200, що взаємодіє через Ethernet з WiFi роутером для постійного зв’язку з хмарними сервісами та датчиків Tapo T315.

У мережі зв’язку для збирання і обробки даних у поточному часі від розподілених у просторі датчиків температури і відносної вологості, вказані пристрої TP-Link Tapo використовують радіочастотний діапазон 868 МГц, який не потребує ліцензування, а випромінювана потужність сигналу обмежується регуляторними нормами до 25 мВт. Проте, у бездротових мережах, стандартом для оцінки рівня потужності прийнятого сигналу (RSSI – Received Signal Strength Indicator) є значення величини децибел-міліват (дБм). Для перерахунку потужності передавача у міліватах (мВт) у абсолютну величину дБм застосована формула:

PдБм=10 × log10(PмВт) (1);
де: PмВт – потужність сигналу, мВт.
тоді: 1 мВт = 0 дБм; 25 мВт = 13,98 дБм.

Сигнал RSSI, що досяг приймача, переважно має від'ємне значення, яке відображає потужність сигналу менше 1 мВт. Наприклад, на основі RSSIс оцінюється сигнал за рівнем якості: якщо його значення ближче до нуля, наприклад, -50 дБм, то такий сигнал вважається сильним, а нижче -100 дБм свідчить про слабкий сигнал для пристроїв IoT. Рівень потужності шуму (дія негативних факторів: поглинання, відбиття, відхилення, розсіювання сигналу тощо) в навколишньому середовищі під час радіопередачі – RSSIп , розглядається як перешкода сигналу, що впливає на якість зв'язку. Дослідження потужності сигналу під час обміну даними від передавача і рівнем втрат від різного типу перешкод проводилися з використанням програмного застосунку від виробника засобів IoT TP-Link Tapo. Вимірювання сигналів проведено в умовах реалій діяльності НБУВ, що є підгрунтям емпіричності результатів. Результати практичних спостережень потужностей радіосигналів від передавача і рівнями втрат від перешкод у частотному діапазоні 868 МГц у фондосховищах НБУВ стали підґрунтям для оцінки затухання сигналу. Варто зауважити, що під час досліджень спостерігались флуктуції рівнів потужностей сигналів, як від передавача, так і від перешкод, значення яких становили 1 – 7 дБм. Різницю між потужністю сигналу від передавача і рівнем втрат від різного типу перешкод можна оцінити як затухання сигналу (SNR − Signal-to-Noise Ratio), що вимірюється у децибелах (дБ) і відобразити у вигляді:

SNR = RSSIс − RSSIп , (2);
За рівнем впливу на якість радіозв’язку застосована наступна класифікація сигналів затухання SNR: SNR > 20 дБ − сигнал дуже якісний; SNR = 10 – 20 дБ − прийнятний сигнал для зв'язку; SNR < 10 дБ − можливі проблеми зі зв'язком. Результати практичних досліджень затухання радіосигналів у частотному діапазоні 868 МГц у фондосховищах НБУВ представлені діаграмами затухання радіосигналів на рис. 1 та на рис. 2. З діаграми видно, що якість радіосигналу для обміну даними між шлюзом і розподіленими у фондосховищах датчиками є дуже якісний або прийнятний для зв'язку.


Рисунок 1. Діаграма затухання радіосигналів у приміщеннях будівлі восьмиярусного фондосховища НБУВ. Рисунок 2. Діаграма затухання радіосигналів у фондосховищах чотириповерхового корпусу НБУВ.

Таким чином експериментально встановлені значення затухання сигналу зв’язку, а отримані результати підтверджують здатність якісного функціонування пристроїв IoT TP-Link Tapo, що діють на основі однойменного протоколу, у фондосховищах будівлі НБУВ і можуть бути корисною інформацією для розгляду і реалізації в інших бібліотечних установах.

Taras Vlasiuk,
ORCID https://orcid.org/ 0009-0009-1818-9239,
Candidate of Technical Sciences,
Research Associate,
Department of Scientific Technologies for Preservation of Funds,
V. I. Vernadskyi National Library of Ukraine,
Kyiv, Ukraine
e-mail: taras518@gmail.com

Research on radio signal attenuation and implementation of IoT
practices in monitoring the microclimatic parameters of air
in the storage facilities of the V. I. Vernadskyi National Library of Ukraine

The issue of implementing a project for a system for monitoring microclimate indicators in the VNLU stock storage facilities was considered. The values of the attenuation of the communication signal of IoT devices in the realities of the VNLU activities were established.
Keywords: IoT devices, Tapo devices, signal attenuation, communication signal quality, temperature and humidity monitoring, V. I. Vernadskyi National Library of Ukraine.