تحلیل مصرف انرژی و ارزیابی رمزنگاری سبک در سامانه آبیاری هوشمند مبتنی بر CoAP برای باغ‌های کیوی استان گیلان

نوع مقاله : گزارش کوتاه علمی

نویسندگان

1 دانش‌آموخته کارشناسی‌ارشد مهندسی کامپیوتر گرایش نرم افزار، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران، تهران، ایران.

2 نویسنده مسئول، دانشیار گروه مهندسی کامپیوتر، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد علوم و تحقیقات تهران، تهران، ایران.

چکیده

چکیده
سابقه و هدف: استان گیلان به‌عنوان یکی از قطب‌های اصلی تولید کیوی در کشور، با چالش‌هایی نظیر مصرف بالای انرژی، مدیریت غیربهینه منابع آبی، و فقدان زیرساخت‌های فناورانه در سامانه‌های آبیاری سنتی مواجه است. مطالعات تطبیقی نشان می‌دهند که بهره‌وری انرژی در باغات کیوی این استان، به‌مراتب پایین‌تر از استان مازندران و حتی استان شانشی در کشور چین گزارش شده است. در این پژوهش، یک سامانه آبیاری هوشمند مبتنی بر اینترنت اشیا برای باغ‌های کیوی شهرستان تالش در استان گیلان طراحی و شبیه‌سازی شد. هدف اصلی این پژوهش، ارتقای تصمیم‌گیری در آبیاری و بررسی تأثیر مصرف انرژی در دو حالت رمزنگاری سبک و بدون رمزنگاری و همچنین تحلیل انرژی ویژه در دو حالت با آبیاری و بدون آبیاری هوشمند است.
مواد و روش‌ها: در این پژوهش، یک سامانه آبیاری هوشمند تحت فشار(قطره ای)، مبتنی بر پروتکل CoAP در بسترContiki 2.7 (یک پلتفرم سبک و متن‌باز برای دستگاه‌های کم‌منبع، شامل گره‌هایی با محدودیت در انرژی، حافظه و توان پردازشی، در حوزه اینترنت اشیاء و شبکه‌های حسگر بی‌سیم) طراحی و شبیه‌سازی شد. در این سامانه، الگوریتم بازگشتی پیش‌فرض CoAP برای مدیریت ارتباطات استفاده شد و میزان انرژی مصرفی گره‌های حسگر در دو سناریو مختلف مورد (رمزنگاری و بدون رمزنگاری) سنجش قرار گرفت. هدف اصلی، ارزیابی امکان افزودن رمزنگاری سبک بدون ایجاد سربار قابل‌توجه در مصرف انرژی بوده است. نتایج این پژوهش می‌تواند در جهت توسعه سامانه‌های کشاورزی کم‌مصرف، ایمن و سازگار با نیازهای اقلیمی مناطق شمالی کشور، به‌ویژه استان گیلان، مورد استفاده قرار گیرد. در گام نخست، یک شبکه حسگر بی‌سیم متشکل از گره‌های سنجش طراحی گردید که وظیفه جمع‌آوری پارامترهایی نظیر رطوبت خاک، دما و نور محیط را بر عهده داشتند. این گره‌ها از طریق پروتکل CoAP در قالب شبکه مش ، داده‌ها را به دروازه هوشمند منتقل کرده و سپس به سرویس دهنده مرکزی ارسال می‌نمودند. صحت انتقال داده‌ها در مراحل اولیه راه‌اندازی سیستم مورد بررسی قرار گرفت تا ارتباط پایدار میان حسگرها و سرویس دهنده برقرار گردد. پروتکل CoAP به‌طور خاص برای دستگاه‌های با منابع محدود طراحی شده و با فشرده‌سازی اندازه بسته‌ها در لایه UDP، امکان ارتباط مؤثر را فراهم می‌سازد. در ساختار پیام CoAP ، سربرگ ۳۲ بیتی شامل فیلدهایی مانند نسخه (V) و طول توکن (TKL) قرار دارد که به کاهش بار ارتباطی کمک می‌کند. در شبیه‌سازی آبیاری قطره ای هوشمند یک باغ کیوی 12ساله (16 درخت ودر دو ردیف) به طول جغرافیایی E91291/48 و عرض جغرافیاییN 03909/38، سامانه ای طراحی شده است که شامل یک شبکه متشکل از هشت حسگر رطوبت خاک (5 متر به 5 متر در عمق 30 سانتی متری در شبیه سازی)، یک حسگر اندازه‌گیری سطح آب چاه و یک روتر (گره دروازه یا مرکزی برای رابط بین حسگرها و سرویس دهنده مرکزی) می‌باشد. در این شبکه ، هر گره (حسگرهای اینترنت اشیاء) با فاصله ۵ متر از گره مجاور قرار گرفته است تا تعاملات میان حسگرها و روتر به‌صورت واقع‌گرایانه‌تری شبیه‌سازی شود. برای پیاده‌سازی پروتکل CoAP در این شبکه، به‌جای استفاده از Cupper(یک ابزار خط فرمان است که برای آزمایش و ارسال پیام‌های coap در سامانه‌های اینترنت اشیا استفاده می‌شود) ، از node-coap (یک کتابخانه‌ی برنامه‌نویسی در محیط Node.js است که برای ساخت سامانه‌های فرستنده و گیرنده در ارتباطات سبک اینترنت اشیاء) به‌عنوان متقاضی پروتکل استفاده شده است node-coap .که بر پایه پلتفرم Node.js توسعه یافته، یکی از ابزارهای پرکاربرد در پروژه‌های اینترنت اشیاء بوده و برای مدیریت ارتباطات CoAP در سامانه‌های IoT به کار می‌رود. برای افزایش دقت شبیه‌سازی، داده‌های آب‌وهوایی به‌صورت بلادرنگ از طریق API سامانه OpenWeather دریافت شد. فرآیند آبیاری به‌صورت کاملاً خودکار و مبتنی بر رویداد اجرا گردید؛ بدین‌صورت که ابتدا گره سطح آب بررسی می‌کند که آیا آب کافی در منبع وجود دارد یا خیر. در صورت تأیید، داده‌های رطوبت خاک از تمامی حسگرها جمع‌آوری می‌شود. چنانچه میانگین رطوبت خاک کمتر از آستانه تعریف‌شده باشد، فرمانی جهت باز کردن شیر آبیاری صادر می‌شود. پس از پایان آبیاری، رطوبت مجدداً اندازه‌گیری شده و در صورت عبور از آستانه، سامانه آبیاری متوقف می‌شود.
یافته‌ها: . بر اساس خروجی نتایج شبیه سازی آبیاری هوشمند ، توان مصرفی حسگرها در هر نوبت آبیاری ۱۰ دقیقه‌ای، به‌ترتیب برابر با 859709/4 میلی‌وات‌ در حالت بدون رمزنگاری و863555/4 میلی‌وات‌ در حالت رمزنگاری‌شده اندازه‌گیری شد. و با در نظر گرفتن عملکرد سالانه ۳۵۰۰۰ کیلوگرم در هکتار و آبیاری سالیانه 221 نوبت، انرژی ویژه سامانه در هر دو حالت تقریباً برابر با 976/2 مگاژول بر کیلوگرم به‌دست آمد. تحلیل توزیع توان مصرفی در حالت‌های مختلف گره‌های حسگر نشان داد که بیشترین سهم توان مصرفی مربوط به وضعیت دریافت (RX) بوده و پس از آن، حالت ارسال (TX) قرار دارد. افزودن رمزنگاری تنها افزایش اندکی در مصرف پردازنده و ارسال ایجاد کرد، در حالی که مصرف در حالت دریافت تقریباً بدون تغییر باقی ماند.
نتیجه گیری: نتایج نشان داد که افزودن رمزنگاری سبک در سامانه‌های آبیاری هوشمند مبتنی بر CoAP، افزایش معناداری در مصرف انرژی ایجاد نمی‌کند و این افزایش در حدی نیست که بر عملکرد کلی سامانه تأثیر بگذارد. تفاوت میان توان مصرفی در حالت رمزنگاری و بدون رمزنگاری کمتر از یک درصد بوده و در بازه قابل‌قبول برای گره‌های کم‌منبع قرار دارد. این میزان اختلاف نشان می‌دهد که سربار محاسباتی ناشی از فرایند رمزنگاری بسیار محدود بوده و تأثیر آن بر چرخه‌های کاری حسگر ناچیز است. بنابراین، می‌توان نتیجه گرفت که استفاده از روش‌های رمزنگاری سبک در شبکه‌های حسگر بی‌سیم کشاورزی نه‌تنها امنیت ارتباطات و محرمانگی داده‌ها را افزایش می‌دهد، بلکه بر کارایی انرژی تأثیر منفی نداشته و پایداری عملیاتی سامانه را نیز حفظ می‌کند.
واژه‌های کلیدی: آبیاری هوشمند،باغ کیوی،CoAP، کشاورزی دقیق، مصرف انرژی

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Energy Consumption Analysis and Lightweight Encryption Evaluation in a CoAP-Based Smart Irrigation System for Kiwifruit Orchards in Gilan ProvinceAli

نویسندگان [English]

  • Amirhossein Hoseini Khotbeh-Sara 1
  • Mehdi Sadeghzadeh 2
1 M.Sc. Graduate in Computer Engineering, Software Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
2 Corresponding Author, Associate Prof., Dept. of Computer Engineering, Science and Research Branch, Islamic Azad University, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Background and objectives: Gilan Province, recognized as one of the main hubs of kiwifruit production in Iran, faces several challenges such as high energy consumption, inefficient water resource management, and a lack of technological infrastructure in traditional irrigation systems. Comparative studies indicate that the energy efficiency of kiwifruit orchards in Gilan is considerably lower than in Mazandaran Province and even Shanxi Province in China. In this study, an IoT-based smart irrigation system was designed and simulated for kiwifruit orchards in Talesh County, Gilan Province. The main objective was to enhance decision-making in irrigation scheduling and to investigate the effect of energy consumption in two scenarios: with and without lightweight encryption. Furthermore, the study aimed to analyze the specific energy consumption under both smart and conventional irrigation conditions.
Materials and methods: A pressure-based drip irrigation system was designed and simulated using the CoAP (Constrained Application Protocol) on the Contiki 2.7 platform, an open-source and lightweight operating system specifically developed for resource-constrained IoT and wireless sensor network (WSN) devices. These devices typically have limitations in energy, memory, and computational capability.The default recursive CoAP algorithm was utilized to manage communication processes, and the energy consumption of sensor nodes was measured in two scenarios (encrypted and non-encrypted). The main goal was to evaluate the feasibility of adding lightweight encryption without causing a significant increase in energy usage. The results of this study can be used to develop low-power, secure, and climate-adaptive agricultural systems suitable for northern Iran, particularly Gilan Province.Initially, a wireless sensor network consisting of several sensing nodes was designed to collect parameters such as soil moisture, temperature, and light intensity. These nodes communicated via CoAP in a mesh topology, transmitting the collected data to a smart gateway and then to a central server. The accuracy of data transmission was verified during the initial deployment to ensure stable connectivity between the sensors and the server.The CoAP protocol, designed specifically for constrained devices, enables efficient communication by reducing packet size at the UDP layer. Each CoAP message contains a 32-bit header with fields such as Version (V) and Token Length (TKL) that help minimize communication overhead.For the smart irrigation simulation, a 12-year-old kiwifruit orchard with 16 trees in two rows, located at E 48°91′291″ and N 38°09′039″, was modeled. The system included eight soil-moisture sensors (spaced 5 × 5 m at a depth of 30 cm), one water-level sensor for monitoring the well, and one router node (acting as a gateway between the sensors and the central server). Each sensor node was placed 5 m apart from its neighbor to ensure realistic interactions between nodes and the router.

For CoAP implementation, instead of using Cupper (a command-line tool for testing CoAP messages in IoT systems), the node-coap library—developed in the Node.js environment—was employed as the client agent. Node-coap is one of the widely used tools in IoT projects for managing CoAP communications efficiently.To improve the simulation accuracy, real-time meteorological data were fetched using the OpenWeather API. The irrigation process was fully automated and event-driven: first, the water-level node verified the availability of water in the source. If sufficient water was present, soil-moisture data from all sensors were collected. When the average soil moisture dropped below a predefined threshold, a command was issued to open the irrigation valve. After irrigation, soil moisture was re-measured, and when the average exceeded the threshold, the irrigation system was automatically stopped.
Results: : Based on the simulation output, the average power consumption of the sensor nodes during each 10-minute irrigation event was 4.859709 mW in the non-encrypted mode and 4.863555 mW in the encrypted mode. Considering an annual yield of 35,000 kg per hectare and 221 irrigation cycles per year, the specific energy consumption in both modes was approximately 2.976 MJ kg⁻¹.Analysis of energy distribution among the sensor states revealed that the receive (RX) state accounted for the largest portion of total energy consumption, followed by the transmit (TX) state. Adding encryption caused only a minor increase in processor and transmission energy consumption, while the RX energy remained almost unchanged. This demonstrates that the lightweight encryption algorithm introduced negligible energy overhead and can therefore be used safely in constrained sensor networks.
Conclusion: The results demonstrated that the incorporation of lightweight encryption mechanisms into CoAP-based smart irrigation systems does not lead to any statistically or practically significant increase in overall energy consumption. The marginal increase observed is not substantial enough to influence the general system performance, operational continuity, or long-term functional stability of the deployed network infrastructure. Specifically, the measured difference in power consumption between the encrypted and non-encrypted operational modes was found to be less than one percent, which clearly falls within an acceptable and tolerable range for resource-constrained sensor nodes typically utilized in agricultural wireless sensor networks.This minimal variation indicates that the computational overhead introduced by the encryption process is highly limited and efficiently managed within the processing capabilities of the sensor hardware. Furthermore, the additional operations required for encryption and secure data handling exert only a negligible influence on the duty cycles of the sensing nodes. In practical terms, this means that the frequency of activation, transmission intervals, and reception durations remain largely unaffected by the integration of the security layer.Therefore, it can be conclusively inferred that the deployment of lightweight cryptographic techniques in agricultural wireless sensor networks not only enhances communication security, strengthens data confidentiality, and preserves data integrity, but also maintains energy efficiency without imposing any meaningful degradation in system performance. Moreover, the operational sustainability, reliability, and stability of the smart irrigation framework remain fully preserved under encrypted communication conditions.

Keywords: Precision Agriculture, CoAP, Energy Consumption, Kiwifruit Orchard, Smart Irrigation

کلیدواژه‌ها [English]

  • Precision Agriculture
  • CoAP
  • Energy Consumption
  • Kiwifruit Orchard
  • Smart Irrigation
1.Francia, M., Giovanelli, J., & Golfarelli, M. (2022). Multi-sensor profiling for precision soil-moisture monitoring. Computers and Electronics in Agriculture, 197, 106924.‏
2.Zhang, Y., Sun, H., Ge, M., Zhao, H., Hu, Y., Cui, C., & Wu, Z. (2023). Difference in energy input and output in agricultural production under surface irrigation and water-saving irrigation: a case study of Kiwi Fruit in Shaanxi. Sustainability, 15(4), 3114.‏
3.Soltanali, H., Nikkhah, A., & Rohani, A. (2017). Energy audit of Iranian kiwifruit production using intelligent systems. Energy, 139, 646-654.‏
4.Khelifa, B., Amel, D., Amel, B., Mohamed, C., & Tarek, B. (2015, July). Smart irrigation using internet of things. In 2015 Fourth International Conference on future generation communication technology (FGCT) (pp. 1-6). IEEE.‏
5.Askarifard, A., Amiri, A., & Lashtneshai, S. A. (2021). Analysis and forecasting of groundwater level time series using the autoregressive stochastic process (Case study: Talesh region). Lahijan: Department of Water Engineering, Islamic Azad University, Lahijan Branch. [Translated in Persian]
6.Swarna, M., & Godhavari, T. (2021). Enhancement of CoAP based congestion control in IoT network-a novel approach. Materials Today: Proceedings, 37, 775-784.‏
7.Yascaribay, G., Huerta, M., Silva, M., & Clotet, R. (2022). Performance evaluation of communication systems used for internet of things in agriculture. Agriculture, 12(6), 786.‏
8.Jain, R. K. (2023). Experimental performance of smart IoT-enabled drip irrigation system using and controlled through web-based applications. Smart Agricultural Technology, 4, 100215.‏
9.Alyahya, S., Khan, W. U., Ahmed, S., Marwat, S. N. K., & Habib, S. (2022). Cyber secure framework for smart agriculture: Robust and tamper-resistant authentication scheme for IoT devices. Electronics, 11(6), 963.‏