LPWAN connectivity and embedded solutions for smart ocean monitoring buoys

Abstract

Denne oppgaven fortsetter arbeidet med Internet of Fish (IoF) prosjektet ved NTNU, med mål om å realisere overvåkning og posisjonering av fisk i nær sanntid. Dette gir verdifull innsikt i fiskeatferd og bevegelsesmønstre. Løsningen baserer seg på utplassering av stasjonære havbøyer med synkroniserte akustiske sensorer, hvor en kontrollenhet på havbøyen videresender deteksjoner til fastlandet ved hjelp av lavenergi og strømgjerrig nettverksteknologi (LPWAN).

Prosjektet har mange aspekter, med hovedfokus på kontrolleren i havbøyene og kommunikasjon med fastlandet.

En prototype for bøye-kontrolleren har blitt designet, satt sammen og testet, med lovende resultater. Prototypen oppfyller mange av kravene satt i starten av prosjektet. Videre arbeid gjenstår før en fullverdig løsning er på plass.

Et viktig aspekt ved IoF prosjektet er enkel utplassering og vedlikehold av havbøyene. Her er batterilevetid viktig for å øke vedlikeholdsintervallet og redusere kostnader. Prosjektet presenterer, undersøker og diskuterer fordeler og ulemper ved to LPWAN teknologier; NB-IoT og LoRaWAN. Ulike aspekter har blitt utforsket med hovedfokus på energieffektivitet og egnethet for IoF. Begge nettverksteknologiene viser styrker og svakheter, avhengig av bruksområde, antallet fisk og område systemet opererer i. Testing i reelle miljøer anbefales før videre konklusjoner trekkes.

Oppgaven utforsker også nytten av en presis sanntidsklokke (RTC) i bøyekontrolleren. Målet er å øke batterilevetiden ved å redusere behovet for energikrevende satellittoppdateringer. Oppdateringene brukes for å synkronisere tiden til havbøye-kontrolleren. Tester viser lovende resultater, med lavere drift enn forventede 1.5 PPM. Ved bruk av frekvensestimering har driften av lokal tid blitt målt til 306 us etter 9.8 timer i stabile omgivelsestemperaturer. Videre testing trengs for å evaluere bruksnytten i områder med varierende temperatur.

En løsning for å videresende IoF data til DUNE: Unified Navigation Environment er utviklet. Dette gir ubemannede overflatefartøy adgang til bøye-observasjoner, som delvis tillater fartøyene å samarbeide i IoF prosjektet.

This project continues the work on the Internet of Fish (IoF) project at NTNU. IoF aims at realising near real-time monitoring and bio-telemetry of fish for migration and behavioral research. The solution is based on synchronized stationary acoustic telemetry receiver buoys forwarding detections using Low Power Wide Area Network (LPWAN) technology in near-real-time.

This project has multiple aspects, focusing on the buoy controller at sea and communication with the mainland.

A buoy controller prototype has successfully been designed, built and tested. The prototype shows promising results and is fulfilling many of its requirements. Work remains before a commercially deployable solution is finalized.

Battery lifetime and ease of deployment are of major concern in the IoF project. The thesis explores the appliance of two standard LPWAN technologies: LoRaWAN and NB-IoT. Different aspects of the technologies are described, measured, and discussed, focusing on energy efficiency and suitability for the IoF project. Both LPWAN technologies have shown strengths and weaknesses concerning the IoF project, dependent on the use case, number of marked fish and deployment area. Sea trials are advised until further conclusions are made.

Effects of including a precise Real-Time Clock (RTC) to the buoy controller has been explored to increase the period between energy-demanding Global Navigation Satellite System (GNSS) time synchronization procedures, further increasing battery life. Test results show the RTC performing well within its stated drift of 1.5ppm. Using RTC frequency estimation, a local time drift down to 306us in 9.8 hours has been measured in stationary temperature environments. Further testing is required for evaluating the performance in changing temperature areas.

A DUNE: Unified Navigation Environment bridge is made to allow unmanned surface vehicles access to buoy observations, partly enabling USVs to cooperate in the IoF project.