Vinio – an open service infrastructure approach to IoT monitoring of vineyard wellness

  • This thesis connects the endeavors of the winemaker’s intention in perfect and profitable wine making with an innovative technological application to use Internet of Things. Thereby the winemaker’s work may be supported and enriched – and enables until recent years still unthinkable optimization of managing and planning of his business, including close state control of different areas of his vineyard, and more than that, not ending up with the single grapevine. It is exemplarily shown in this thesis how to measure, transmit, store and make data available, exemplarily demonstrated with “live” temperature, air and soil humidity values from the vineyard. A modular architecture was designed for the system presented, which allows the use of current sensors, and similar low-voltage sensors, which will be developed in the future. By using IoT devices in the vineyard, the winemaker advances to a new quality of precision of forecasted data, starting from live data of his vineyard. Of more and more importance, the winemaker can start immediate action, when unforeseen heavy weather conditions occur. Immediate use of current data enabled by a Cloud Infrastructure. For this system, an open service infrastructure is employed. In contrast to other published commercial approaches, the described solution is based on open source. As an alone-standing part of this work, a physical prototype for measuring relevant parameters in the vineyard was de-novo designed and developed until fulfilling the set of specifications. The outlined features and requirements for a functioning data collection and autonomously transmitting device was developed, described, and the fulfilment by the prototype device were demonstrated. Through literature research and supportive orientationally live interviews of winemakers, the theory and the practical application were synchronized and qualified. For the development of the prototype the general principles of development of an electronic device were followed, in particular the Design Science Research development rules, and principles of Quality Function Deployment. As a characteristic of the prototype, some principles like re-use of approved construction and material price of the building blocks of the device were taken into consideration as well (e.g. housing; Arduino; PCB). Parts reduction principles, decomplexation and simplified assembly, testing and field service were integrated to the development process by the modular design of the functional vineyard device components, e.g. with partial reference to innovative electrical cabinet construction system Modular-3. The software architectural concept is based on a three-layer architecture inclusive the TTN infrastructure. The front end is realized as a rich web client, using a WordPress plugin. WordPress was chosen due to the wide adoption through the whole internet, enabling fast and easy user familiarization. Relevant quality issues have been tested and discussed in the view of exemplary functionality, extensibility, requirements fulfilment, as usability and durability of the device and the software. The prototype was characterized and tested with success in the laboratory and in field exposition under different conditions, in order to allow a measurement and analysis of the fulfilment of all requirements by the selected and realized electronic construction and layout. The solution presented may serve as a basis for future development and application in this special showcase and within similar technologies. A prognosis of future work and applications concludes this work.
  • Diese Arbeit verbindet die Geschäftstätigkeit von Winzern im Weinbau mit einer innovativen technologischen Anwendung des Internet of Things. Die Arbeit des Winzers kann dadurch unterstützt und bereichert werden – bis hin zu einer bisher nicht möglichen Bewirtschaftungsoptimierung, insbesondere bei einer Überwachung einzelner Lagen bis hin zum einzelnen Rebstock. Exemplarisch werden Temperatur-, Luftfeuchtigkeit- und Bodenfeuchtigkeit-Daten gemessen, übertragen, gespeichert und bereitgestellt. Durch ein modulares Design des Systems können heute verfügbare Sensoren und gleichartige Niedervolt-Sensoren, die künftig entwickelt werden, sofort eingesetzt werden. Durch IoT-Geräte im Weinberg erhält der Winzer eine neue Qualität der Genauigkeit der Vorhersage auf Basis aktueller Zustandsdaten seines Weinbergs. Zusätzlich kann er bei unvorhergesehenen Wetterbedingungen sofort eingreifen. Die sofortige Nutzbarkeit der Daten wird durch eine Cloud Infrastruktur möglich gemacht. Dabei wird eine offene Service-Infrastruktur genutzt. Im Gegensatz zu anderen bisher veröffentlichten kommerziellen Ansätzen ist dabei die beschriebene Lösung quelloffen. Als eigenständiger Bestandteil der Arbeit wurde ein physikalischer Prototyp zur Messung relevanter Parameter im Weinberg neu entworfen und bis zur Erfüllung der gesetzten Spezifikationen entwickelt. Die skizzierten Merkmale und Anforderungen an eine funktionierende Datensammlung und ein autonom übertragendes IoT-Gerät wurden entwickelt, beschrieben und die Erfüllung durch das Prototypgerät demonstriert. Durch Literaturrecherche und unterstützende, orientierende Interviews von Winzern wurden die Theorie und die praktische Anwendung synchronisiert und qualifiziert. Für die Entwicklung des Prototyps wurden die allgemeinen Prinzipien der Entwicklung eines elektronischen Geräts befolgt, insbesondere die Entwicklungsregeln von Design Science Research und die Prinzipien des Quality Function Deployment. Als ein Merkmal des Prototyps wurden einige Prinzipien wie die Wiederverwendung von bewährten Konstruktionen und die Materialpreise der Bausteine des Prototypen wurden ebenfalls in Betracht gezogen (z. B. Gehäuse; Arduino; PCB). Teilezahl-Reduktionsprinzipien, Dekomplexierung und vereinfachte Montage, Prüfung und Vor-Ort-Service wurden in den Entwicklungsprozess durch den modularen Aufbau der funktionellen Weinberg- Gerätekomponenten integriert, wie es der Ansatz des innovativen Schaltschrankbau- System Modular-3 beschreibt. Das Software-Architekturkonzept basiert auf einer dreischichtigen Architektur inklusive der TTN-Infrastruktur. Das Frontend ist als Rich-Web-Client realisiert, als ein WordPress- Plugin. WordPress wurde aufgrund der weiten Verbreitung über das gesamte Internet und der Einfachheit in der Bedienung ausgewählt, was eine schnelle und einfache Benutzereinweisung ermöglicht. Relevante Qualitätsprobleme wurden im Hinblick auf exemplarische Funktionalität, Erweiterbarkeit, Erfüllung von Anforderungen, Verwendbarkeit und Haltbarkeit des Gerätes und der Software getestet und diskutiert. Der Prototyp wurde mit Erfolg im Labor und im Einsatzgebiet unter verschiedenen Bedingungen charakterisiert und getestet, um eine Messung und Analyse der Erfüllung aller Anforderungen durch die geplante und realisierte elektronische Konstruktion und Anordnung des Prototypen, zu ermöglichen. Die entwickelte Lösung kann als Grundlage für eine zukünftige Anwendung und Entwicklung in diesem speziellen Anwendungsfall und ähnlichen Technologien dienen. Ein Ausblick möglicher zukünftiger Arbeiten und Anwendungen schließt diese Arbeit ab.

Download full text files

Export metadata

Metadaten
Author:Philipp Julian Thom
URN:urn:nbn:de:kola-17270
Referee:Susan P. Williams, Patrick Nitschke
Document Type:Bachelor Thesis
Language:English
Date of completion:2018/10/03
Date of publication:2018/10/04
Publishing institution:Universität Koblenz-Landau, Universitätsbibliothek
Granting institution:Universität Koblenz-Landau, Campus Koblenz, Fachbereich 4
Release Date:2018/10/04
Number of pages:VIII, 73, IX
Institutes:Fachbereich 4 / Institut für Wirtschafts- und Verwaltungsinformatik
Licence (German):License LogoEs gilt das deutsche Urheberrecht: § 53 UrhG