Design of Solar Measurement IoT Node Using LPWAN

Abstract

I denne oppgaven ønsker vi å utvikle en embedded plattform basert på lavenergi nettverksteknologiene LoRa og NB-IoT. Enheten skal være i stand til å rapportere potensiell solenergiproduksjon til en sentral server. Det er også et designmål å begrense utstyrets størrelse og kostnad. En liste med systemkrav foreslås, og et overordnet design blir utviklet. Enhetens funksjonalitet deles inn i moduler, og et utvalg av komponenter samt en generell skjemategning presenteres for to ulike design. Det ene designet er basert på nRF9160 mikrokontrolleren med NB-IoT og LTE-M funksjonalitet. I det andre designet brukes et RN2483 LoRa-modem sammen med en ATtiny817 som styringsenhet. En energihøster krets for sollys med et oppladbart batteri legges frem som en løsning på strømforsyning. Modulen ble verifisert som fungerende, men det kom frem at det valgte solpanelet ikke var stort nok til å kunne skaffe tilstrekkelig energi i vintermørket. Derfor burde et større panel benyttes. For å finne den potensielle solcellepanelproduksjonen ble det laget en sensor for å måle kortslutningsstrømmen og temperaturen til solcellepanelet. Sammen med panelets egenskaper kan sollysets innstrålingstetthet estimeres. Ut fra dette kan man finne den mulige produksjonen til panelet. Sensorer for å bestemme enhetens orientering og posisjon ble lagt til for å gi ytterligere informasjon om den observerte irradiansen. En modell for oppbyggingen av enhetens programvare, kommunikasjonsprotokoll og meldingsstruktur ble foreslått. Det ble gjennomført en test hvor enheten lykkes i å sende og motta meldinger fra serveren med bruk av MQTT. Arbeidet som presenteres i dette prosjektet er ikke en komplett implementasjon, men fungerer som et grunnlag for å ferdigstille sensornoden.

In this project, we want to develop an embedded platform based on the low power wide area network technologies LoRa and NB-IoT, that is capable of reporting the potential solar energy production to a central server. Restricting the size and cost of the equipment is a also a design goal. A set of system requirements is proposed, and a design approach is presented. The required functionality of the device is divided into modules, and a selection of components and a general schematic is presented for two different designs. One design is based on the nRF9160 NB-IoT and LTE-M enabled microcontroller, while the other uses a RN2483 LoRa modem with a ATtiny817 as central unit. A solar harvester circuit with a rechargeable battery is suggested for power management. Although the basic features of the module was functioning, it was discovered that the selected solar panel was not large enough to power the system during the dark winter season, thus, a larger panel should be used. For finding the potential solar panel production, a sensor for measuring the short circuit current and the temperature of the solar panel was made. Together with the characteristics of the panel, the solar irradiance can be estimated, which in turn describes the possible production from the panel. Sensors for the orientation and position of the device was also added to provide additional information about the observed irradiance. A model for the device software, communication protocol, and message structure was proposed, and a test sending and receiving messages from a server using MQTT was successfully performed. The work presented in this project falls short of a full implementation, but it can serve as a basis for finalizing the design of the sensor node.