Investigating a LoRaWAN Communication Infrastructure For Cloud-Based Home Energy Management

Abstract

Økt søkelys på bærekraftig energiforbruk og produksjon har fremmet veksten av Home Energy Management Systems (HEMS) i boliger. Et HEMS er i stand til å overvåke og kontrollere energiforbruket og produksjonen i et hjem, basert på signaler fra enten huseieren eller en elektrisk nettoperatør. Kommunikasjonsinfrastrukturen i store klynger av HEMS krever en kommunikasjonsprotokoll med lang rekkevidde og lav forsinkelse. Denne oppgaven undersøker om LoRaWAN er en passende kommunikasjonsprotokoll for å drive toveiskommunikasjon i klynger av HEMS. Det foreslåtte forskningsspørsmålet er besvart gjennom design, implementering og validering av en skybasert LoRaWAN-kommunikasjonsinfrastruktur. Omfattende forskning på LoRa, LoRaWAN og skytjenester ble utført for å kunne designe og gjennomføre en test-bed løsning. Dekning og forsinkelse ble deretter undersøkt ved å utføre både innendørs og utendørs overføringseksperimenter. Ytterligere beregninger på time on air og måleoppløsninger ble også utført. Resultatene fra den teoretiske og eksperimentelle analysen viser at et LoRaWAN-drevet HEMS kan oppnå stort dekningsområde samtidig som den fortsatt holder relativt lav ventetid. Det ble videre observert at konfigurasjon av endenoder og best mulig plassering av mottakspunkter var avgjørende for å muliggjøre kommunikasjon med lav forsinkelse. Funnene i denne oppgaven avslører at LoRaWAN er en passende kommunikasjonsprotokoll for klynger av HEMS, men det avhenger av den implementerte løsningen. Ytterligere studier om forsinkelse og dekning i store systemer er nødvendig for å bedre definere begrensningene til LoRaWAN.

Increased focus on sustainable energy consumption and production has seen the rise of Home Energy Management Systems (HEMS) in residential homes. A HEMS is capable of monitoring and controlling the energy consumption and production in a home, based on signals from either the homeowner or a utility operator. To facilitate the communication infrastructure in large clusters of HEMS, it is necessary to use a long-range, low-latency communication protocol. This thesis aims to determine if LoRaWAN is a suitable communication protocol for powering bi-directional communication in clusters of HEMS. The stated research question is addressed through the design, implementation, and validation of cloud-based LoRaWAN communication in a HEMS communication infrastructure. Extensive research on LoRa, LoRaWAN, and cloud computing was performed to design and implement a test bed solution. Coverage and latency capabilities were then investigated by performing both indoor and outdoor transmission experiments. Additional calculations regarding airtime and metering resolutions were also performed. Results from the theoretical and experimental analysis show that a LoRaWAN-powered HEMS can achieve a large coverage area while still maintaining fairly low latency. It was further observed that end-node configuration and gateway deployment played a key part in enabling low-latency communication. The findings in this thesis reveal that LoRaWAN is a suitable communication protocol for clusters of HEMS, however, it highly depends on the deployed solution. Further studies and experiments on latency and coverage in large-scale deployments are needed to better define the limitations of LoRaWAN.