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Título: Desenvolvimento de um protocolo eficiente IoT com LoRa para automação predial
Autor(es): Rêgo, Leonardo Nunes Cornelio
Orientador(es): Bauchspiess, Adolfo
Assunto: Automação predial
Microcontroladores
Internet das coisas
Data de apresentação: 2020
Data de publicação: 2-Mai-2022
Referência: RÊGO, Leonardo Nunes Cornelio. Desenvolvimento de um protocolo eficiente IoT com LoRa para automação predial. 2020. 143 f., il. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Mecatrônica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2020.
Resumo: A proposta deste trabalho é desenvolver um protocolo Internet of Things (IoT) eficiente que seja robusto a interferências, energeticamente eficaz, que possa realizar comunicações com bons alcances, para que não seja necessária a utilização de protocolos de roteamento, de fácil utilização e confiável no contexto de automação predial. O ponto de partida deste trabalho é a definição do protocolo de comunicação dos dispositivos. Na segunda parte, é realizado o desenvolvimento do protocolo e a implementação de uma aplicação que utilize o protocolo, no contexto de automação predial. As informações foram dispostas em um sistema supervisório que atua como a central do sistema. Finalmente, a última etapa consiste da validação do sistema: teste da aplicação implementada de modo a se obter o desempenho do protocolo de comunicação em relação à confiabilidade da comunicação, eficiência energética do sistema, distâncias de comunicação, outros sistemas. A tecnologia utilizada para a comunicação do sistema é LoRa, que permite comunicações em longas distâncias com uma boa eficiência energética. Por ser baseado na técnica de modulação por espalhamento espectral, derivada da técnica de espalhamento espectral Chirp Spread Spec-trum (CSS), a energia do sinal transmitido passa a ocupar uma banda muito maior do que a da informação, o que torna as comunicações resistentes a interferências. A arquitetura geral proposta consiste da utilização de microcontroladores alimentados por bateria para atuação e sensoriamento do sistema. Os mesmos, se comunicaram com os gateways, regidos pela estrutura do protocolo. Os gateways são responsáveis por receber as mensagens e encaminhá-las para o sistema supervisório, por meio do protocolo Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). O sistema supervisório é executado em um Raspberry Pi. Testes foram realizados para se averiguar a eficiência da rede. Por meio de testes de 15 dias e de 7 dias, verificou-se o sistema em relação à consumo energético, tempo de latência, alcance e confiabilidade das comunicações. Comunicações de aproximadamente 450 metros de distância foram possíveis utilizando o protocolo, e obteve-se uma confiabilidade das comunicações de 97,6%em um cenário de teste. Além disso, constatou-se o baixo consumo energético dos dispositivos, na ordem de 40,2μA, ao se utilizar o modo de baixo consumo energético, um consumo até 22 vezes menor que outras tecnologias similares.
Abstract: This project proposes the development of an Internet of Things (IoT) power eficient protocolthat may be interference robust and can perform long-range communication avoiding unnecessaryrouting protocols. It may also be easy to get to and reliable to building automation applications.The first step of this project is defining de communication protocol of the devices. Subsequently,the development of the protocol and the implementation of an application that uses the protocolin building automation. The information obtained from the application will be concentrated ina supervisory system that is the midpoint of the structure. Finally, the last step consists of thevalidation of the system. This validation will be made through some set of tests: performancetest, that will validate the eficiency of the protocol in communicating; power eficiency, that willvalidate the power consumption of the devices, and long-range communication distances.The technology used to communicate the devices is LoRa, a technological innovation thatallows long range communications with a good power eficiency. It is based on the spreading factormodulation technique, a derivation of Chirp Spread Spectrum, and for this reason the energy of thetransmitted signal occupies a large bandwidth relative to the data which makes the communicationresistant to interference.The proposed architecture is based in the use of battery-powered microcontrollers to actuateand sense. These microcontrollers will communicate ruled by the developed protocol. Gatewayswill be responsible to receive the messages from microcontrollers and send them to the supervisorysystem using MQTT protocol. The supervisory system will work in a raspberry Pi.Tests were performed to measure the eficiency of the proposed system. Through 15 days and7 days tests, it was possible to stress the system in relation to power eficiency, latency time,communication distance, and reliability in the communication. It was able to achieve 450 meterscommunication and a communication reliability of 97,6%. Besides that, it was measured a powerconsumption of approximately 40.2μAwith the use of the low power mode that is up to 22 timesmore efficient.
Informações adicionais: Trabalho de conclusão de curso (graduação) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Curso de Graduação em Engenharia de Controle e Automação, 2020.
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