Page Header

Home > Vol 34, No 3 (2024) > Kanadee

การประยุกต์ใช้ระบบเครือข่าย LoRaWAN สำหรับการตรวจสอบพลังงานไฟฟ้าและการจัดเก็บข้อมูลในอาคารอัจฉริยะ
Application of LoRaWAN-based System for Electric Energy Monitoring and Data Acquisition in a Smart Building

Thanat Kanadee, Sarawuth Chaimool

Abstract


เทคโนโลยีอินเทอร์เน็ตทุกสรรพสิ่งบนพื้นฐานเครือข่ายบริเวณกว้าง LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) ที่ใช้พลังงานต่ำเหมาะกับการใช้งานสำหรับเครื่องมือวัดและระบบการตรวจวัดพลังงานไฟฟ้าจากมาตรวัดแบบดั้งเดิมพัฒนาไปเป็นมาตรวัดแบบอัจฉริยะสำหรับระบบการตรวจวัดพลังงานของหม้อแปลงไฟฟ้าในระบบจำหน่าย โรงงานและอาคารอัจฉริยะ โดยเครือข่าย LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) เป็นหนึ่งในเทคโนโลยี LPWAN ที่มีบทบาทสำคัญและเหมาะสำหรับใช้ในการเชื่อมต่อเครือข่าย IoT ในการตรวจวัดพลังงานไฟฟ้าอัจฉริยะเพราะสามารถสื่อสารได้ในระยะทางไกล ใช้ความถี่ที่ไม่มีใบอนุญาต และราคาต้นทุนต่ำ ดังนั้นงานวิจัยนี้จึงนำเสนอการประยุกต์ใช้ระบบเครือข่าย LoRaWAN สำหรับการตรวจสอบพลังงานไฟฟ้าและการจัดเก็บข้อมูลในอาคารอัจฉริยะ เพื่อตรวจสอบและจัดการการใช้พลังงานในอาคารอัจฉริยะ โดยใช้โนดเซ็นเซอร์ (มาตรไฟฟ้าแบบดิจิตอลรวมกับโมดูลสื่อสาร LoRa) วางไว้ในแต่ละชั้นของอาคารและใช้เกตเวย์ LoRaWAN แบบหลายช่องสัญญาณ โดยในการประเมินประสิทธิภาพของระบบที่นำเสนอได้ทำการวัดและคำนวณตัวบ่งชี้ 3 ตัวคือ ความแรงของสัญญาณที่ได้รับ (RSSI) อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) และอัตราการส่งข้อมูลสำเร็จ (PDR) โดยผลการวัดทดสอบพบว่าค่า RSSI ในแต่ละชั้นจากชั้นที่ไกลที่สุดจนถึงชั้นเดียวกับเกตเวย์มีค่าเฉลี่ย -110 ถึง -33 เดซิเบลมิลลิวัตต์ ขณะที่ SNR สูงสุดคือ 12.08 เดซิเบล และ SNR ต่ำสุดคือ -5.28 เดซิเบล ซึ่งผลการทดสอบแสดงให้เห็นว่าเกตเวย์ 8 ช่องสัญญาณเพียงตัวเดียวสามารถครอบคลุมอาคาร 8 ชั้น โดยที่มีอัตราการส่งข้อมูลสำเร็จมีค่ามากกว่า 80% ประสิทธิภาพและสามารถครอบคลุมของสถานที่ทดสอบทั้งหมด จากการวิเคราะห์ผลผ่านพารามิเตอร์ RSSI SNR และ PDR ที่เป็นตัวชี้วัดประสิทธิภาพเครือข่าย LoRaWAN พบว่าการประยุกต์ใช้เครือข่าย LoRaWAN สำหรับการตรวจสอบพลังงานไฟฟ้าและการจัดเก็บข้อมูลในอาคารอัจฉริยะสามารถเพิ่มความเชื่อมั่นและความน่าเชื่อถือของระบบการตรวจสอบพลังงานไฟฟ้าอัจฉริยะ

The Internet of Things (IoT) sensors based on low-power wide-area network technologies have been emerged suitable for the implementation of instruments and measurement systems on a conventional electric meter to develop additional smart meters for distribution transformers, smart factories, and smart buildings. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) can be one of the key promising LPWAN technology as a suitable IoT network connectivity for smart electric metering that offer long-range connectivity, unlicensed frequency, and low cost of deployment. This work presents a smart energy meter based on LoRaWAN to monitor and manage the energy consumption in a smart building. It was conducted by using several LoRa sensor nodes (Energy meter with LoRa module) placed in different floors with a single multichannel LoRaWAN gateway. To evaluate the performance of the proposed system, received signal strength indicator (RSSI), signal-to-noise ratio (SNR) and packet delivery ratio (PDR) were measured and calculated. An average RSSI levels of –110 to –33 decibel-milliwatts were obtained from the same floor and the farthest floor of the sensor node with respect to the gateway, meanwhile the highest SNR is 12.08 decibel and the lowest SNR is –5.28 decibel. The measured results show that a single 8-Ch gateway can cover the 8-floor building with more 80% packet delivery ratio. Actual performance and network coverage using LoRaWAN exceeds expectation for all test locations. It is through the analysis of the RSSI, SNR and PDR for LoRaWAN network performance metrics, therefore, applying monitors and manages that increase the robustness and reliability of the smart energy monitoring system.


Keywords



[1] Y. Xu and A. Helal, “Scalable cloud–sensor architecture for the Internet of Things,” IEEE Internet of Things Journal, vol. 3, no. 3, pp. 285–298, 2016.

[2] K. Mekki, E. Bajic, F. Chaxel, and F. Meyer, “Overview of cellular LPWAN technologies for IoT deployment: Sigfox, LoRaWAN, and NB-IoT,” in Proceedings IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops (PerCom Workshops), 2018, pp. 197–202.

[3] R. Sinha, Y. Wei, and S. Hwang, “A survey on LPWA technology: LoRa and NB-IoT,” ICT Express, vol. 3, no. 1, pp. 14–21, 2017.

[4] P. Masek, M. Stusek, K. Zeman, R. Drapela, A. Ometov, and J. Hosek, “Implementation of 3GPP LTE Cat-M1 technology in NS-3: System simulation and performance,” in Proceedings 11th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT), Dublin, Ireland, 2019, pp. 1–7.

[5] NBTC. (2017, November). Technical standards of telecommunication equipment and for radiocommunication equipment Non-RFID, which uses the frequency band 920-925 MHz NBTC TS 1033-2560. [Online]. Available: http://www.ratchakitcha.soc.go.th/DATA/ PDF/2560/E/289/51.PDF

[6] CAT Telecom PCL. (2019, May). Internet of things long range IoT. [Online]. Available: https://loraiot.cattelecom.com/site/home

[7] S. Sadowski and P. Spachos, “RSSI-based indoor localization with the internet of things,” IEEE Access, vol. 6, pp. 30149–30161, 2018.

[8] S. Chaimool and K. Boonlom, “Evaluation of IoT LoRaWAN for smart cities: Environment monitoring use-case,” in Proceedings 41th Electrical Engineering Conference, 2018 (in Thai).

[9] U. Raza, P. Kulkarni, and M. Sooriyabandara, “Low power wide area networks: An overview,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 19, no. 2, pp. 855–873, 2017.

[10] F. Adelantado, X. Vilajosana, P.T. Peiro, B. Martinez, J.M. Segui, and T. Watteyne, “Understanding the limits of LoRaWAN,” IEEE Communications Magazine, vol. 55, no. 9, pp. 34–40, 2017.

[11] P. Boonyopakom and T. Thongna, “Environment monitoring system through LoRaWAN for smart agriculture,” in Proceedings 5th International Conference on Information Technology (InCIT), Chon Buri, Thailand, 2020, pp. 12–16 (in Thai).

[12] M. M. Erbati, G. Schiele, and G. Batke, “Analysis of LoRaWAN technology in an outdoor and an indoor scenario in Duisburg-Germany,” in Proceedings 3rd International Conference on Computer and Communication Systems (ICCCS), Nagoya, Japan, 2018, pp. 273–277.

[13] L. Maziero, T.B. Marchesan, C.H. Barriquello, D.P. Bernardon, F. G. Carloto, F. G. Reck, W. D. Vizzotto, and F. V. Garcia, “Monitoring of electric parameters in the federal university of Santa Maria using LoRaWAN technology,” in Proceedings IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference - Latin America (ISGT Latin America), Gramado, Brazil, 2019, pp. 1–6.

[14] M. A. Ertürk, M. A. Aydın, M. T. Büyükakkaşlar, and H. A. Evirgen, “Survey on LoRaWAN architecture, protocol and technologies,” Future Internet, vol. 11, no. 10, 2019.

[15] P. Gotthard and T. Jankech, “Low-cost car park localization using RSSI in supervised lora mesh networks,” in Proceedings 15th Workshop on Positioning, Navigation and Communications (WPNC), Bremen, Germany, 2018, pp. 1–6.

[16] S. Hosseinzadeh, H. Larijani, K. Curtis, A. Wixted, and A. Amini, “Empirical propagation performance evaluation of LoRa for indoor environment,” in Proceedings IEEE 15th International Conference on Industrial Informatics (INDIN), Emden, Germany, 2017, pp. 26–31.

[17] B. Islam, M. T. Islam, J. Kaur, and S. Nirjon, “LoRaIn: Making a case for LoRa in indoor localization,” in Proceedings IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops (PerCom Workshops), Kyoto, Japan, 2019, pp. 423–426.

[18] M. J. Faber, K. M. van der Zwaag, W. G. V. dos Santos, H. R. d. O. Rocha, M. E. V. Segatto, and J. A. L. Silva, “A theoretical and experimental evaluation on the performance of LoRa technology,” IEEE Sensors Journal, vol. 20, no. 16, pp. 9480–9489, 2020.

[19] H. Mroue, A. Nasser, B. Parrein, S. Hamrioui, E. Mona-Cruz, and G. Rouyer, “Analytical and simulation study for LoRa modulation,” in Proceedings 25th International Conference on Telecommunications (ICT), Saint Malo, France, 2018, pp. 655–659.

[20] Nectec. (2020, May). Industrial communication with modbus protocol. [Online]. Available: https://www.nectec.or.th/news/news-publicdocument/ modbus-protocol.html

[21] Semtech. (2017, December). Semtech SX1276 LoRa core. [Online]. Available: https://www. semtech.com/products/wireless-rf/lora-core/ sx1276

[22] Semtech. (2019, January). Semtech SX1301 LoRa core. [Online]. Available: https://www. semtech.com/products/wireless-rf/lora-core/ sx1301

[23] O. Brocaar. (2015, January). The chirpStack open-source LoRaWAN network server. [Online]. Available: https://www.chirpstack.io

[24] B. Mishra and A. Kertesz, “The use of MQTT in M2M and IoT systems: A survey,” IEEE Access, vol. 8, pp. 201071–201086, 2020.

[25] Grafana Labs. (2014, August). Grafana the open observability platform. [Online]. Available: https://grafana.com/oss/grafana

[26] Influxdata. (2015, February). Build on influxDB. [Online]. Available: https://www.influxdata. com/products/influxdb

[27] M. Skooijman. (2016, February). Arduino LMIC library LoRaWAN. [Online]. Available: https:// github.com/matthijskooijman/lmic

[28] O. Brocaar. (2020, July). ChirpStack network server. [Online]. Available: https://github.com/ brocaar/chirpstack-network-server

[29] Cayenne Docs. (2016, February). Cayenne low power payload. [Online]. Available: https:// mydevices.com/cayenne/docs/lora

[30] M. Bor and U. Roedig, “LoRa transmission parameter selection,” in Proceedings 13th International Conference on Distributed Computing in Sensor Systems (DCOSS), Ottawa, Canada, 2017, pp. 27–34.

[31] K. Lin and T. Hao, “Experimental link quality analysis for LoRa-based wireless underground sensor networks,” IEEE Internet of Things Journal, vol. 8, no. 8, pp. 6565–6577, 2021.

[32] N. Jovalekic, V. Drndarevic, I. Darby, M. Zennaro, E. Pietrosemoli, and F. Ricciato, “LoRa transceiver with improved characteristics,” IEEE Wireless Communications Letters, vol. 7, no. 6, pp. 1058– 1061, 2018.

[33] W. Xu, J. Y. Kim, W. Huang, S. S. Kanhere, S. K. Jha, and W. Hu, “Measurement, characterization, and modeling of LoRa technology in multifloor buildings,” IEEE Internet of Things Journal, vol. 7, no. 1, pp. 298–310, 2020.

[34] I. Bobkov, A. Rolich, M. Denisova, and L. Voskov, “Study of LoRa performance at 433 MHz and 868 MHz bands inside a multistory building,” in Proceedings Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT), Moscow, Russia, 2020, pp. 1–6.

Full Text: PDF

DOI: 10.14416/j.kmutnb.2022.05.005

ISSN: 2985-2145