Sensor networks with multiple technologies: short and long range

Abstract

Low-Power Wide Area Networks (LPWANs) are one set of technologies that are growing in the eld of the Internet of Things (IoT). Due to the long range capabilities and low energy consumption, Low-Power Wide Area Networks (LPWANs) are the ideal technologies to send small data occasionally. With their unique characteristics, LPWANs can be used in many applications and in di erent environments such as urban, rural and even indoor. The work developed in this dissertation presents a study on the LPWAN LoRa technology, by testing and evaluate its range, signal quality properties and its performance in delivering data. For this, three distinct scenarios are proposed and tested. The inclusion of LoRa in a multi-technology data gathering platform is the key objective of this dissertation. For this it is proposed: (1) an organization based in clusters of sensor nodes; (2) a Media Access Control (MAC) protocol to provide e cient communications through the LoRa technology; and nally, (3) a Connection Manager that is capable of managing the di erent available technologies in the sensor nodes and that is able to adapt its actions according to the acquired data type is proposed. The performed tests aim to perceive which type of parameters can in uence the performance of the overall proposed solution, as well as the advantages of a multi-technology approach in a data gathering platform.

Low-Power Wide Area Networks (LPWANs) são um conjunto de tecnologias em crescimento na área da Internet of Things (IoT). Devido ás suas capacidades de comunicar a longo alcance e de baixo consumo energético, as LPWANs apresentam-se como a tecnologia ideal para o envio ocasional de pequenas porções de dados. Ao possuírem características únicas, as LPWANs podem ser usadas em diversas aplicações e em diferentes ambientes, sejam eles urbanos, rurais ou interiores. O trabalho desenvolvido nesta dissertação apresenta um estudo acerca da tecnologia Long Range (LoRa), uma LPWAN, testando e avaliando o seu alcance, a qualidade do sinal e o desempenho na entrega de dados. Para isso, três cenários distintos são propostos e testados. A inclusão de LoRa numa plataforma de aquisição de dados com múltiplas tecnologias e um dos objectivos chave desta dissertação. Para isso, são propostas: (1) uma organização baseada em clusters de sensores; (2) um protocolo de controlo de acesso ao meio (MAC) para permitir que as comunicações através de LoRa sejam eficientes; e finalmente, (3) um gestor de conectividade com capacidade de gerir as diferentes tecnologias disponíveis nos sensores e que seja capaz de agir consoante o tipo de dados adquiridos. Os testes efectuados tem como objectivo perceber que tipo de parâmetros podem influenciar o desempenho global da soluçao proposta, bem como as vantagens de usar uma abordagem baseada em múltiplas tecnologias numa plataforma de aquisição de dados.