Кіберфізична система визначення вмісту вуглецю в ґрунтах в умовах антропогенного навантаження
Вантажиться...
Дата
2026
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
Хмельницький національний університет
Анотація
Стаття присвячена актуальній проблемі розроблення кіберфізичної системи для високоточного моніторингу вмісту органічного вуглецю в ґрунтах в умовах інтенсивного антропогенного навантаження. У роботі обґрунтовано, що декарбонізація земель, спричинена інтенсивним землеробством, промисловим забрудненням та військовою агресією, є критичною загрозою екологічній та продовольчій безпеці України. Встановлено, що традиційні лабораторні методи аналізу ґрунту є занадто інертними та вартісними для оперативного управління ресурсами, що створює потребу в переході до автоматизованих рішень на базі
концепції Інтернету речей. Авторами проведено детальний порівняльний аналіз існуючих методів та мобільних сенсорних рішень, що дозволило ідентифікувати ключові недоліки поодинокого використання оптичних датчиків, зокрема, їхню високу чутливість до вологості. Запропоновано інноваційну апаратну конфігурацію, що базується на синергії мультиспектрального сенсора AS7265x та електромагнітного датчика LDC1612 під управлінням мікроконтролера ESP32-S3. Такий мультисенсорний підхід дозволяє реалізувати інтелектуальну обробку даних на рівні Edge Computing, де результати електромагнітного зондування
використовуються для автоматичної компенсації «ефекту вологості», що суттєво підвищує достовірність вимірювань безпосередньо в польових умовах. У статті детально описано спроєктовану трирівневу ієрархічну архітектуру та алгоритм функціонування КФС, які охоплюють сенсорний рівень збору первинних параметрів, середній рівень інтелектуального шлюзу та верхній рівень хмарної аналітики й прийняття рішень. Гібридна комунікаційна схема, що поєднує LoRaWAN для дистанційної передачі та Bluetooth LE для локального налаштування, забезпечує високу автономність та енергонезалежність системи, роблячи її придатною для використання на великих площах сільськогосподарських угідь, що відкриває нові перспективи для реалізації
стратегій кліматично нейтрального розвитку аграрного сектору та сприяє цифровій трансформації екологічного моніторингу в Україні.
The article is devoted to the topical problem of developing a cyber-physical system for high-precision monitoring of organic carbon content in soils under conditions of intense anthropogenic load. The paper argues that land decarbonization caused by intensive agriculture, industrial pollution, and military aggression is a critical threat to Ukraine's environmental and food security. It has been established that traditional laboratory methods of soil analysis are too slow and costly for operational resource management, which creates a need to transition to automated solutions based on the Internet of Things concept. The authors conducted a detailed comparative analysis of existing methods and mobile sensor solutions, which allowed them to identify the key shortcomings of the isolated use of optical sensors, in particular their high sensitivity to humidity. An innovative hardware configuration is proposed, based on the synergy of the AS7265x multispectral sensor and the LDC1612 electromagnetic sensor controlled by the ESP32-S3 microcontroller. This multi-sensor approach allows for intelligent data processing at the Edge Computing level, where the results of electromagnetic sensing are used to automatically compensate for the “humidity effect,” which significantly increases the reliability of measurements directly in the field. The article describes in detail the designed three-level hierarchical architecture of the KFS, which covers the sensor level of collecting primary parameters, the middle level of the intelligent gateway, and the upper level of cloud analytics and decision-making. Particular attention is paid to the development of the system's operating algorithm, which is divided into four phases: initialization, local noise filtering, data transmission via the energy-efficient LoRaWAN protocol, and final soil condition classification based on a knowledge base. A hybrid communication scheme combining LoRaWAN for remote transmission and Bluetooth LE for local configuration ensures high autonomy and energy independence of the system, making it suitable for use on large areas of agricultural land, which opens up new prospects for the implementation of climate-neutral development strategies in the agricultural sector and contributes to the digital transformation of environmental monitoring in Ukraine.
The article is devoted to the topical problem of developing a cyber-physical system for high-precision monitoring of organic carbon content in soils under conditions of intense anthropogenic load. The paper argues that land decarbonization caused by intensive agriculture, industrial pollution, and military aggression is a critical threat to Ukraine's environmental and food security. It has been established that traditional laboratory methods of soil analysis are too slow and costly for operational resource management, which creates a need to transition to automated solutions based on the Internet of Things concept. The authors conducted a detailed comparative analysis of existing methods and mobile sensor solutions, which allowed them to identify the key shortcomings of the isolated use of optical sensors, in particular their high sensitivity to humidity. An innovative hardware configuration is proposed, based on the synergy of the AS7265x multispectral sensor and the LDC1612 electromagnetic sensor controlled by the ESP32-S3 microcontroller. This multi-sensor approach allows for intelligent data processing at the Edge Computing level, where the results of electromagnetic sensing are used to automatically compensate for the “humidity effect,” which significantly increases the reliability of measurements directly in the field. The article describes in detail the designed three-level hierarchical architecture of the KFS, which covers the sensor level of collecting primary parameters, the middle level of the intelligent gateway, and the upper level of cloud analytics and decision-making. Particular attention is paid to the development of the system's operating algorithm, which is divided into four phases: initialization, local noise filtering, data transmission via the energy-efficient LoRaWAN protocol, and final soil condition classification based on a knowledge base. A hybrid communication scheme combining LoRaWAN for remote transmission and Bluetooth LE for local configuration ensures high autonomy and energy independence of the system, making it suitable for use on large areas of agricultural land, which opens up new prospects for the implementation of climate-neutral development strategies in the agricultural sector and contributes to the digital transformation of environmental monitoring in Ukraine.
Опис
Ключові слова
кіберфізична система, органічний вуглець ґрунту, декарбонізація, мультисенсорний підхід, датчик AS7265x, датчик LDC1612, контролер ESP32-S3, LoRaWAN, Bluetooth LE, edge computing, хмарна аналітика, cyber-physical system, soil organic carbon, decarbonization, multi-sensory approach, AS7265x sensor, LDC1612 sensor, ESP32-S3 controller, LoRaWAN, Bluetooth LE, edge computing, cloud analytics
Бібліографічний опис
Войчур Ю., Медзатий Д., Криштофор О., Бачук В. Кіберфізична система визначення вмісту вуглецю в ґрунтах в умовах антропогенного навантаження // Herald of Khmelnytskyi National University. Technical Sciences. 2026. Vol. 363, No. 2. P. 677-689.