Statistical methods and experimental design for agreement and similarity studies between open-source software and hardware devices, and corresponding agriculture technology (agritech) market devices

Abstract

Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο να συνεισφέρει στις μεθοδολογικές προσεγγίσεις που αφορούν την αξιολόγηση της συμφωνίας και ομοιότητας μεταξύ συσκευών ανοιχτού κώδικα και υλικού σε σχέση με αντίστοιχες εμπορικές με τη χρήση στατιστικών μεθόδων και πειραματικού σχεδιασμού. Οι συσκευές ανοιχτού κώδικα και υλικού χρησιμοποιούνται σε μεγάλο αριθμό εφαρμογών σε τομείς υγείας, εκπαίδευσης, γεωπονίας, αθλημάτων, βιολογίας, έρευνας και άλλων. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στους τομείς της γεωπονίας και έρευνας. Το Κεφάλαιο 1 παρουσιάζει μία σύντομη εισαγωγή για τους παράγοντες που έχουν συνεισφέρει στην διάδοση των συσκευών ανοιχτού κώδικα και υλικού. Επιπλέον παραθέτει ορισμούς για τον ανοιχτό κώδικα και το υλικό όπως και την περιγραφή των εφαρμογών τους στη γεωργία ακριβείας, έξυπνη γεωργία και έρευνα. Ακόμα επισημαίνει τη φιλοσοφία του ανοιχτού κώδικα και υλικού όπως και την ελεύθερη διάδοση της γνώσης για κάθε άνθρωπο που επιθυμεί να αντιγράψει, τροποποιήσει ή δημιουργήσει συσκευές της συγκεκριμένης φιλοσοφίας ενώ ταυτόχρονα μοιράζεται τη διαδικασία και όλα τα υλικά και μεθόδους που χρησιμοποίησε. Παρουσιάζονται παραδείγματα δημοσιεύσεων που αφορούν τη συγκεκριμένη φιλοσοφία όπως και τα πλεονεκτήματα χρήσης τους ενώ αναγνωρίζεται η ανάγκη ανάπτυξης πλαισίου για την αξιολόγηση των λειτουργιών και της αξιοπιστίας των μετρήσεων των συγκεκριμένων συσκευών. Συγκεκριμένα, ορίζεται η έννοια των ερευνών συμφωνίας και ομοιότητας και η συνεισφορά τους στην αξιολόγηση και στον θετικό ή αρνητικό προσδιορισμό της χρήσης των δύο συσκευών εναλλακτικά χωρίς να επηρεάζει κάποιο αποτέλεσμα. Το Κεφάλαιο 2 περιγράφει τις μεθοδολογίες που χρησιμοποιήθηκαν για την αξιολόγηση της συμφωνίας και ομοιότητας μεταξύ συσκευών ανοιχτού κώδικα και των αντίστοιχων εμπορικών. Συγκεκριμένα, παρέχει μία εκτεταμένη συζήτηση για τη χρήση διαφορετικών μοντέλων ανάλογα με τα δεδομένα που παράγονται από συσκευές υπό διερεύνηση και την αξιολόγηση δεικτών και γραφημάτων που ερμηνεύονται εύκολα ακόμα και από άτομα χωρίς ιδιαίτερη εμπειρία στη στατιστική. Επιπλέον, σε περίπτωση που το συμπέρασμα της έρευνας καταλήγει σε μη αποδεκτή συμφωνία, πιθανές πηγές ασυμφωνίας μπορούν να εντοπιστούν και μέθοδοι διόρθωσης της συμφωνίας μπορούν να εφαρμοστούν. Ακόμα, αναφέρονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κάθε προσέγγισης για την αξιολόγηση της συμφωνίας και ομοιότητας. Περαιτέρω παρουσιάζεται ο πειραματικός σχεδιασμός και η στατιστική ανάλυση που ακολουθείται ανάλογα με τη φύση της έρευνας καθώς και τα βήματα για τον έγκυρο σχεδιασμό της. Επιπλέον παρουσιάζονται λανθασμένες ή ελλείπεις μέθοδοι αξιολόγηση της συμφωνίας και ομοιότητας μεταξύ δύο συσκευών. Τέλος, αναφέρονται συνοπτικά οι μεθοδολογίες όπως το υλικό και το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό των συσκευών για την ολοκλήρωση της διατριβής. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη ενός ασύρματου μετεωρολογικού σταθμού ανοιχτού κώδικα και υλικού που μετρά τη θερμοκρασία και υγρασία του περιβάλλοντος. Αρχικά, αξιολογείται η λειτουργία του σταθμού παρακολουθώντας τις μετρήσεις μέσω ασύρματης τεχνολογίας Wi-Fi για επτά μέρες. Έπειτα, σχεδιάζεται πείραμα αξιολόγησης συμφωνίας και ομοιότητας του σταθμού με αντίστοιχο εμπορικό με αισθητήρα Thygro και τα αντίστοιχα περιφερειακά από την εταιρεία Symmetron. Αναφέρεται ο πειραματικός σχεδιασμός καθώς και η χρήση μοντέλων μεικτών επιδράσεων μαζί με τη συνεισφορά τους στη σύγκριση των δύο συσκευών. Για το πείραμα κατασκευάστηκαν τριάντα συσκευές ανοιχτού κώδικα και υλικού και χρησιμοποιήθηκαν τρείς αντίστοιχοι εμπορικοί σταθμοί. Για τον λόγο αυτό δημιουργήθηκαν τρείς ομάδες. Κάθε ομάδα περιέχει 10 σταθμούς ανοιχτού κώδικα και υλικού και μία εμπορική. Κάθε πειραματική μονάδα παράγει ένα σύμπλεγμα μετρήσεων σε συνάρτηση του χρόνου. Το πείραμα τερματίστηκε μετά από επτά μέρες συνεχόμενων μετρήσεων. Καθώς οι μετρήσεις ανά πειραματική μονάδα ήταν πάνω από 220 για κάποιες μέρες (αφού υπήρχαν απώλειες δεδομένων λόγω κακής σύνδεσης στο διαδίκτυο) οι μετρήσεις συγχωνεύτηκαν σε χρονικές ζώνες, με τη μέθοδο που χρησιμοποιεί το Εθνικό Αστεροσκοπείο Αθήνας. Μόνο δύο από τις τρείς μεθοδολογίες συμφωνίας και ομοιότητας υλοποιήθηκαν με επιτυχία και εκτιμήθηκε ένας δείκτης συμφωνίας. Η συμφωνία μεταξύ των συσκευών θεωρήθηκε ανεπαρκής και ως πιθανή πηγή ασυμφωνίας θεωρήθηκε η ακρίβεια των αισθητήρων. Περεταίρω έρευνα μπορεί να υλοποιηθεί για να συμπεριληφθούν όλα τα σημεία των μετρήσεων όπως και επιπλέον παράγοντες που πιθανόν να επηρεάζουν τη συμφωνία, όπως η υγρασία του αέρα ή η τοποθεσία κάθε σταθμού. Τέλος, εναλλακτικές μορφές ασύρματης επικοινωνίας όπως η LoRa μπορούν να προστεθούν στο σταθμό όπως και επιπλέον αισθητήρες. Τα πλεονεκτήματα χρήσης της νέας συσκευής στηρίζονται στο χαμηλό κόστος παραγωγής του όπως και στην εύκολη μορφοποίηση και προσθήκη επιπλέον αισθητήρων. Στο Κεφάλαιο 4 παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή ενός ασύρματου καταγραφέα LoRa ανοιχτού κώδικα και υλικού για τη χρήση σε πειράματα ενυδρειοπονίας σε σάκους υποστρώματος περλίτη. Συγκεκριμένα, η νέα συσκευή είναι συμβατή με αισθητήρες περιεκτικότητας νερού, με πρωτόκολλο επικοινωνίας RS-485. Επιπλέον, ο αισθητήρας που χρησιμοποιήθηκε για το συγκεκριμένο πείραμα μετρά τη θερμοκρασία του σάκου υποστρώματος, την ηλεκτρική αγωγιμότητα καθώς και το pH. Μετά τον έλεγχο καλής λειτουργίας του καταγραφέα, σχεδιάστηκε το πείραμα αξιολόγησης συμφωνίας και ομοιότητας της νέας συσκευής με αντίστοιχη εμπορική. Συγκεκριμένα η εμπορική συσκευή που χρησιμοποιήθηκε για το πείραμα είναι η Handheld Meter (HH150) and SM150 Soil Moisture Sensor. Το μέγεθος δείγματος ήταν 100 σάκοι υποστρώματος περλίτη. Επιπλέον, για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκε μοντέλο μέτρησης-σφαλμάτων για την εκτίμηση της διαφοράς στις μετρήσεις σε σχέση με τον καλύτερο γραμμικό αμερόληπτο παράγοντα πρόβλεψης της πραγματικής τιμής της μέτρησης που παράχθηκαν από την εμπορική συσκευή. Τα αποτελέσματα ανέφεραν σημαντική απόκλιση από την εκτίμηση της πραγματικής τιμής των μετρήσεων παραθέτοντας το σταθερό και αναλογικό σφάλμα. Η συμφωνία των δύο οργάνων θεωρήθηκε ικανοποιητική για συγκεκριμένα διαστήματα μετρήσεων. Τα πλεονεκτήματα χρήσης της νέας συσκευής συγκριτικά με της εμπορικής είναι το χαμηλό κόστος παραγωγής και η ευκολία μορφοποίησης της ανάλογα με τις ανάγκες των πειραμάτων. Ο σάκος υποστρώματος περλίτη έχει αρκετή παραλλακτικότητα ως προς την περιεκτικότητα του σε νερό. Επομένως η χρήση πολλαπλών αισθητήρων σε διαφορετικά σημεία του σάκου είναι θεμελιώδης και αποτελεί βασική απαίτηση ως εισροή πληροφορίας σε αλγόριθμους πρόβλεψης περιεκτικότητας νερού στο σάκο. Στο Κεφάλαιο 5 παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή καταγραφέα ανοιχτού κώδικα και υλικού που μετρά pH διαλυμάτων για τη χρήση σε πειράματα Δενδροκομίας. Για τη βαθμονόμηση της συσκευής χρησιμοποιήθηκαν ρυθμιστικά διαλύματα pH τιμών 4,01 και 7,01. Έπειτα αξιολογήθηκε η καλή λειτουργία της συσκευής μετρώντας το pH καρπών εσπεριδοειδών. Στη συσκευή προστέθηκε αδιάβροχος αισθητήρας θερμοκρασίας για την εξισορρόπηση της τιμής pH. Επιπλέον, σχεδιάστηκε μελέτη αξιολόγησης της συμφωνίας και ομοιότητας της νέας συσκευής με αντίστοιχη εμπορική. Συγκεκριμένα, η εμπορική συσκευή που επιλέχθηκε είναι η Hanna HI9024 Waterproof pHMeter. Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα μεικτών επιδράσεων και παράχθηκαν δείκτες και χρήσιμα γραφήματα υλοποιώντας παραπάνω από μία μεθοδολογίες. Έπειτα, αναφέρθηκαν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα κάθε μεθοδολογίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν μη αποδεκτή συμφωνία μεταξύ των δύο οργάνων. Η ανάλυση ομοιότητας ανέφερε σταθερή απόκλιση -0.2215 μονάδων pH. Μετά τη χρήση μεθόδων αναβαθμονόμησης η συμφωνία θεωρείται άριστη. Η συσκευή είναι φορητή και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για “επι τόπου” μετρήσεις στον αγρό ή στο θερμοκήπιο. Τα πλεονεκτήματα χρήσης της συσκευής είναι το χαμηλό κόστος παραγωγής, περίπου 4 φορές μικρότερο συγκριτικά με τη Hanna HI9024. Περαιτέρω έρευνα μπορεί να υλοποιηθεί για τη χρήση της συσκευής για τη μέτρηση pH εδάφους ή θρεπτικών υποστρωμάτων. Τέλος, επιπλέον αισθητήρες μπορούν να τοποθετηθούν εύκολα στη συσκευή για την ταυτόχρονη άντληση περισσότερων πληροφοριών για τα χαρακτηριστικά του δείγματος. Στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται η κατασκευή συσκευής ανοιχτού κώδικα και υλικού για τις ανάγκες πειραμάτων που αφορούν τη μύγα της Μεσογείου (Ceratitis Capitata). Η συσκευή καταγράφει τη θερμοκρασία στην επιφάνεια και τον πυρήνα καρπών όπως και την εξωτερική θερμοκρασία. Επιπλέον, αξιολογήθηκε η λειτουργία της στο εργαστήριο αλλά και στον αγρό. Για τα πειράματα στον αγρό η συσκευή τοποθετήθηκε σε συγκεκριμένα σημεία σε ποικιλία δέντρων. Το σχήμα αλλά και το μέγεθος της συσκευής καθιστά ιδανική την τοποθέτηση του σε οποιοδήποτε σημείο του δέντρου επιθυμεί ο ερευνητής. Η συσκευή είναι φορητή και λειτουργεί με μπαταρία. Η αυτονομία της μπορεί να φτάσει στις 7 έως 30 μέρες ανάλογα με το χρονικό διάστημα καταγραφής. Έπειτα σχεδιάστηκε μελέτη συμφωνίας και ομοιότητας για τη σύγκριση της θερμοκρασίας του πυρήνα και της επιφάνειας του καρπού καθώς ο στόχος του πειράματος ήταν η ποσοτικοποίηση της απόκλισης των θερμοκρασιών των δύο σημείων σε διαφορετικές συνθήκες. Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκαν μοντέλα μέτρησης-σφαλμάτων. Τα αποτελέσματα αναφέρουν σταθερή απόκλιση 0,331℃ καθώς και αναλογική απόκλιση 0,982. Επιπλέον, η σύγκριση ακρίβειας των μετρήσεων στα δύο σημεία υποδηλώνει ότι ο πυρήνας διατηρεί τη θερμοκρασία περισσότερο συγκριτικά με την επιφάνεια σε διαφορετικές συνθήκες. Τέλος, σε μελλοντικές μελέτες, ασύρματη τεχνολογία LoRa μπορεί να προστεθεί στη συσκευή, ηλιακοί συλλέκτες για περισσότερη αυτονομία καθώς και ρολόι ακριβείας για την καλύτερη λειτουργία των κύκλων αδρανοποίησης της συσκευής. Με τις συγκεκριμένες τροποποιήσεις η συσκευή μπορεί να λειτουργεί για μήνες λόγω των λειτουργιών χαμηλής κατανάλωσης. Το κεφάλαιο επτά αποτελεί μία γενική συζήτηση για τα προηγούμενα κεφάλαια καθώς και τα ευρήματα κάθε μελέτης. Τέλος αναφέρονται μελλοντικές έρευνες για την τροποποίηση των συσκευών καθώς και για τη βελτίωση των μεθόδων συμφωνίας και ομοιότητας.Το κεφάλαιο οκτώ συμπεριλαμβάνει τα συμπεράσματα αλλά και τη συνεισφορά και καινοτομία της διατριβής.