IoTsystem with frequency converters of physical quantities on FPGA

• Autorzy: Osadchuk Oleksandr V. , Osadchuk Iaroslav O. , Skoshchuk Valentyn

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.7076

Warianty tytułu

PL

System IoTz przekształtnikami częstotliwościwielkości fizycznych na FPGA

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents an IoT system that ensures efficient collection, processing, and transmission of measurements from multichannel radio engineering systems based on FPGA. The developed system is designed for use in remote and hard-to-reach locations, where precision, reliability,and energy efficiency are critical. The implementation integrates the LilyGo LoRa32 module, which supports modern wireless communication protocols such as LoRa, WiFi, and Bluetooth. The core of data transmission is the compact CBOR format, which minimizes the volume of transmitted dataand delays. The system includes a LoRa hub capable of receiving data from numerous collection devices, consolidatingthem into a centralized point,and transmitting them to a server via a WiFi connection. On the server side, a REST API has been developed based on the FastAPI framework, allowing the receipt of data in CBOR format, processing it, and storing it in an SQLite database. The use of the HTTPS protocol ensures the security of transmitted data, including confidentiality, authenticity, and integrity. The server also provides clients with access to data through multiple API interfaces, facilitating easy integrationwith other systems. A mobile application was separately developed using Kotlin and Android Studio, providing convenient accessto the collected measurements. The application supports real-time dynamic data updates, allowing users to monitor connection status, select hubsand collection devices, as well as analyze and visualize the received results. The developed IoT system demonstrates high performance and versatility, making it suitable for a wide range of applications, including industrial automation, environmental monitoring, agriculture, and other IoT scenarios. Further development of this system includes improving data processing algorithms, increasing the hub's throughput capacity, and expanding functionality for real-time monitoring. This paves the way for the creation of innovative IoT solutions capable of meeting the demands of modern technologies in various fields.

PL

Artykuł przedstawia system IoT, który zapewnia wydajne gromadzenie, przetwarzanie i transmisję pomiarów z wielokanałowych systemów radiotechnicznych opartych na FPGA. Opracowany system jest przeznaczony do stosowania w odległych i trudno dostępnych lokalizacjach, gdzie kluczowe znaczenie mają precyzja, niezawodność i efektywność energetyczna. Implementacja integruje moduł LilyGo LoRa32, któryobsługuje nowoczesne protokoły komunikacji bezprzewodowej, takie jak LoRa, WiFi i Bluetooth. Podstawą transmisji danych jest kompaktowy format CBOR, który minimalizuje objętość przesyłanych danych i opóźnienia. System zawiera koncentrator LoRa zdolny do odbierania danych z wielu urządzeń zbierających, konsolidowania ich w scentralizowanym punkcie i przesyłania do serwera za pośrednictwem połączenia WiFi. Po stronie serwera opracowano interfejs API REST oparty na frameworku FastAPI, umożliwiający odbiór danych w formacie CBOR, przetwarzanie ich i przechowywanie w bazie danych SQLite. Zastosowanie protokołu HTTPS zapewnia bezpieczeństwo przesyłanych danych, w tym poufność, autentyczność i integralność. Serwer zapewnia również klientom dostęp do danych poprzez wiele interfejsów API, ułatwiając integrację z innymi systemami. Oddzielnie opracowano aplikację mobilną przy użyciu Kotlin i Android Studio, zapewniającą wygodny dostęp do zebranych pomiarów. Aplikacja obsługuje dynamiczne aktualizacje danych w czasie rzeczywistym, umożliwiając użytkownikom monitorowanie stanu połączenia, wybór hubów i urządzeń zbierających dane, a także analizę i wizualizację otrzymanych wyników. Opracowany system IoT charakteryzuje się wysoką wydajnością i wszechstronnością, dzięki czemu nadaje siędo szerokiego zakresu zastosowań, w tym automatyki przemysłowej, monitorowania środowiska, rolnictwa i innych scenariuszy IoT. Dalszy rozwój tego systemu obejmuje ulepszenie algorytmów przetwarzania danych, zwiększenie przepustowości koncentratora oraz rozszerzenie funkcjonalności monitorowania w czasie rzeczywistym. Otwiera to drogę do tworzenia innowacyjnych rozwiązań IoT, które są w stanie sprostać wymaganiom nowoczesnych technologii w różnych dziedzinach.

Słowa kluczowe

EN

FPGA; multichannel frequency meter; sensors with frequency output; IoT; LilyGo LoRa32; Nios II

PL

FPGA; wielokanałowy miernik częstotliwości; czujniki z wyjściem częstotliwościowym; IoT; LilyGo LoRa32; Nios II

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2025
• Tom: T. 15, nr 3
• Strony: 59--66
• Opis fizyczny: Bibliogr, 17 poz., wykr.

Twórcy

autor

Osadchuk Oleksandr V.

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0001-6662-9141+

autor

Osadchuk Iaroslav O.

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0000-0002-5472-0797+

autor

Skoshchuk Valentyn

• Vinnytsia National Technical University, Vinnytsia, Ukraine

• https://orcid.org/0009-0008-9762-2397

Bibliografia

• [1] Agronholm A.: cbor2: Python CBOR (de)serializer with extensive tag support. GitHub Repository, 2024 [https://github.com/agronholm/cbor2].
• [2] Amazon Web Services: Overview of Amazon Web Services. AWS Whitepaper, 2023 [https://docs.aws.amazon.com].
• [3] Barry R.: Mastering the FreeRTOS Real Time Kernel – A Hands-On Tutorial Guide. Real Time Engineers Ltd., 2016.
• [4] Bray T.: The JavaScript Object Notation (JSON) Data Interchange Format. RFC 8259, December 2017.
• [5] Corbet J., Rubini A., Kroah-Hartman G.: Linux Device Drivers. 3rd ed., O’Reilly Media, 2005.
• [6] Fielding R.: Architectural Styles and the Design of Network-Based Software Architectures (Chapter 5). Ph.D. dissertation. University of California, Irvine 2000 [https://ics.uci.edu/~fielding/pubs/dissertation/rest_arch_style.htm].
• [7] Fielding R., Reschke J.: Hypertext Transfer Protocol (HTTP/1.1): Semantics and Content. RFC 7231, June 2014.
• [8] IEEE Standard for Information Technology: Telecommunications and Information Exchange between Systems – Local and Metropolitan Area Networks – Specific Requirements – Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications [https://web.archive.org/web/20220206191751/https://standards.ieee.org/ieee/80 2.11/7028/].
• [9] JetBrains: Kotlin Programming Language. 2024 [https://kotlinlang.org/].
• [10] Osadchuk O. V., Osadchuk Y. O., Skoshchuk V. K.: Improvement of a Multichannel Radio Engineering System on FPGA for Frequency Converters of Physical Quantities with Support for Digital Sensors. Measurement and Computing Equipment in Technological Processes No. 2, 2023, 72–82 [https://doi.org/10.31891/2219-9365-2023-74-10].
• [11] Osadchuk O., Skoshchuk V.: Wireless FPGA-Based Data Acquisition System for Frequency Converters of Physical Quantities Using LoRa. Herald of Khmelnytskyi National University. Technical Sciences 347(1), 2025, 375–386 [https://doi.org/10.31891/2307-5732-2025-347-51].
• [12] Owens M.: The Definitive Guide to SQLite. Apress, 2010.
• [13] Ramírez S.: FastAPI: Modern, Fast (High-Performance) Web Framework for Building APIs with Python 3.6+. 2018 [https://fastapi.tiangolo.com/].
• [14] Rescorla E.: HTTP Over TLS. RFC 2818, May 2000 [https://www.rfceditor.org/rfc/rfc2818].
• [15] Rescorla E., Korver B.: Guidelines for Writing RFC Text on Security Considerations. RFC 3552, July 2003.
• [16] Uvicorn Documentation: An ASGI Web Server for Python. 2023 [https://www.uvicorn.org/].
• [17] Van Rossum G., Drake F. L.: Python Tutorial. Python Software Foundation, 2001.