Medidor de consumo energético para nós sensores que utilizam LoRa

Abstract

Nós sensores são dispositivos construídos para realizar o sensoriamento, coleta e transmissão de dados e operarem de forma autônoma, não necessitando de uma infraestrutura preexistente de energia elétrica e/ou conectividade com a internet. Quando projetado, espera-se que um nó sensor opere pelo maior tempo possível sem a necessidade de intervenção para manutenção. Porém, a maior limitação de um nó sensor se encontra na capacidade limitada da bateria usada. A fim de contornar esta limitação, utiliza-se no projeto de um nó sensor componentes de baixo consumo, como rádios baseados no padrão Long Range (LoRa®) para a transmissão de dados, e funcionar em diferentes modos de operação, como entrar em modo ocioso para poupar energia, e ficar ativo apenas em curto espaço de tempo para coletar e realizar o envio das medições sendo a análise energética imprescindível durante a etapa de projeto de um nó sensor. Este projeto visa o desenvolvimento de um protótipo de medidor de consumo energético para caracterizar a autonomia de dispositivos nós sensores que operam utilizando o padrão LoRa®. Em sua construção foram utilizadas tecnologias acessíveis tanto de hardwares, como um Raspberry Pi e o sensor de corrente INA219, quanto softwares de projetos de código aberto. Sua interface foi desenvolvida com tecnologias web permitindo que qualquer dispositivo com acesso a um navegador web pudesse utilizar o sistema final. O seu desempenho foi analisado utilizando como referência um osciloscópio, realizando-se medições de um nó sensor comercial. O protótipo conseguiu captar o perfil de corrente do nó sensor comercial, sendo possível observar os diferentes níveis de corrente durante as diferentes operações realizadas, como o processamento e o envio e recebimento dos dados. Porém ao utilizar os valores medidos para estimar a autonomia do nó sensor, obteve-se um resultado que divergiu em 65,58% a mais do valor especificado pelo fabricante e apenas uma diferença de 8,21% entre o osciloscópio e o protótipo de medidor.

Sensor nodes are devices built to perform sensing, data collection and transmission and operate autonomously, not requiring a pre-existing infrastructure of electrical power and/or internet connectivity. When designed, a sensor node is expected to operate for as long as possible without the need for maintenance intervention. However, the biggest limitation of a sensor node is the limited capacity of the battery used. In order to overcome this limitation, low consumption components are used in the design of a sensor node, such as radios based on the Long Range (LoRa®) standard for data transmission, and operate in different modes of operation, such as entering idle mode to save energy, and being active only in a short time to collect and send measurements, being the energy analysis essential during the design stage of a sensor node. This project aims to develop a prototype of an energy consumption meter to characterize the autonomy of sensor node devices operating using the LoRa® standard. In its construction was used accessible technologies of both hardware, such as a Raspberry Pi and the INA219 current sensor, and open source project software. Its interface was developed with web technologies allowing any device with access to a browser to use the final system. Its performance was analyzed using an oscilloscope as a reference, taking measurements from a commercial sensor node. The prototype was able to capture the current profile of the commercial sensor node, making it possible to observe the different current levels during the different operations it performs, such as processing, sending and receiving data. However, when using the measured values to estimate the autonomy of the sensor node, a result was obtained that differed by 65.58% more than the value specified by the manufacturer and only a difference of 8.21% between the oscilloscope and the prototype meter.