Integració de LoRa en els dispositius IoT CAPTOR

Abstract

En aquest projecte es valora la viabilitat d'integrar LoRa en les comunicacions del node CAPTOR com a forma de reduir-ne el consum energètic. S'avaluen diferents possibles arquitectures, es dissenya el nou model, es desenvolupa un prototip, i s'analitza la viabilitat del model dissenyat a partir del prototip. LoRa és un protocol de comunicació inalàmbrica i una tecnologia de comunicació de llarg abast (Long Range) i de baix consum (Low Power), propietat de Semtech. El node CAPTOR és un dispositiu de monitoratge de la pol·lució de l'aire, mitjançant sensors low-cost d'ozó (O3), monòxid i diòxid de nitrogen (NO i NO2), material particulat (PM), temperatura i humitat relativa. El problema que resol el projecte té el seu origen en la necessitat de proveir de més autonomia al node CAPTOR: aquest funciona amb bateries, que amb el disseny anterior duren un mes i mig entre recàrregues. Es vol reduir el consum per augmentar la duració de les bateries. S'aconsegueix una reducció significativa del consum energètic desacoblant la Raspberry Pi del node, l'element del node que té un consum més elevat, i traspassant-la en el que passa a ser el gateway CAPTOR, el qual estarà endollat al corrent, no pas alimentat amb bateries. Aquesta redistribució estratègica dels elements porta a un nou paradigma que planteja diversos reptes que cal resoldre. El principal és la comunicació entre el node i el gateway, que es resol amb comunicacions utilitzant la tecnologia LoRa. Aquesta arquitectura node-gateway, a més, permet una topologia d'estrella entre un gateway i diferents nodes. Els resultats mostren la viabilitat d'aquesta integració, així com la millora no només energètica sinó també econòmica que aquest nou model CAPTOR comporta.

This project assesses the feasibility of integrating LoRa into the communications of the CAPTOR node as a way of reducing its energy consumption. Different architectures are evaluated, from there, a new model is designed, a prototype for this model is developed, and finally its feasibility is settled based on the prototype analysis. LoRa is a wireless communication protocol and also a Long Range and Low Power communication technology, property of Semtech. The CAPTOR node is an air pollution monitoring device, using low-cost sensors for ozone (O3), nitrogen monoxide and dioxide (NO and NO2), particulate material (PM), temperature, and relative moisture. The problem that solves this project arises from the need to provide more autonomy to the CAPTOR node: it is powered by batteries, which with the previous design last one and a half months between recharges. Consumption is to be reduced to increase battery life. A significant reduction in energy consumption is achieved by decoupling from the node the Raspberry Pi, the element of the node that has the highest consumption. The Raspberry Pi is transferred in what becomes the CAPTOR gateway, which will be plugged into the current, instead of being powered by batteries. This strategic redistribution of elements leads to a new paradigm that poses several challenges to be resolved. The main one is communication between the node and gateway, which is resolved with communications using LoRa technology. This node-gateway architecture also allows a star topology between a gateway and different nodes. The results show the viability of this new CAPTOR model, as well as the improvement, not only energetic but also economical.