Optimization of LoRaWAN Buoy Controller for Marine Monitoring

Abstract

Studering av fenomen i sjøen og havet er vanskeleg og krev avansert teknologi. Likevel er det nødvendig for å overvake akvakultur og optimalisere fiskeoppdrett. Akustisk telemetri er ein teknologi som realiserer datainnsamling frå object under vatn. Dette gjer det mogleg å observere liv i havet. Teknologien består av sendarar som er implantert i fisk, og overflatemottakarar. For å optimalisere nytteverdien av telemetri dataen og distribuere den til brukargrensesnitt, må den vere tilgjengeleg i sanntid. Denne avhandlinga utgreier det vidare arbeidet med ei vidarasendingstenesta kalla Internet of Fish (IoF) (Fisk på internett). Det er eit system som består av bøyer som samlar inn fisketelemetri-data med akustiske mottakarar under vassoverflata og sender den vidare til ein landstasjon trådlaust gjennom lufta med radio kommunikasjon. Landstasjonen sender dataen vidare til ei skyteneste som kan lagre og presentere den.

Tidlegare IoF arbeid har lagt til rette for posisjonering av fisk i oppdrettsmerder ved å tidssynkronisere fleire akustiske mottakar og slå saman dataane deira. Denne avhandlinga endrar fokuset mot eit anna bruksområde der enkle bøyer skal kunne overvake fisk i naturlig fauna, herunder optimalisering av kvaliteten og batterilevetida til tenesta ved å minimalisere funksjonaliteten og fjerne unødvendig tidssynkronisering. Kvalitet blir målt på grad av vellukka vidaresendingar. Dette er realisert ved å gjenbruka eksisterande maskinvare, men redesign av programvare. Bøyene vil blir plassert på strategiske lokasjonar i sjøen der merka fisk passerer eller oppheld seg, for å observere dei.

Vidaresendingstenesta er realisert med ein synkronisering- og grensesnittsmodul som er kalla SLIM. Denne består av eit kretskort inni ein vasstett boks med eksterne koblingmoglegheiter. Med skreddarsydd programvare og energieffektiv langdistanse radio kommunikasjon oppnår SLIMen ei kvalitetsgrad på 100 % med ei batterilevetid på omtrent 7 månadar. I løpet av dette prosjektet har tenesta blitt verifisert funksjonell med ein distanse mellom bøye og landstasjon på opp til 3.2 km, men lovande resultat viser at rekkevidda ikkje er ei begrensing i sannsynlege bruksområde, viss ein er fleksibel på lokasjon til landstasjon.

Observing marine phenomena is complex and require advanced technology, but is crucial to monitor marine life and to optimize aquaculture industry. Acoustic telemetry is a technology used to acquire data from subsea to surface, enabling observation of marine life. It consists of transmitting tags implanted in to fish and surface receivers. To optimize the value of telemetry data and distribute it to the user, it should be accessible in real-time. This thesis elaborates the continued work on a telemetry data relaying service called Internet of Fish (IoF). It is a system that consists of surface buoys acquiring acoustic telemetry data from fish below the surface and relaying it to a shore-based station over radio communication above the surface. The station further relays the telemetry data to a cloud service that can store and present it.

Previous IoF studies have enabled fish positioning in aquaculture farm cages using data from multiple acoustic receivers and accurate time synchronization. This thesis pivots the use-case towards single buoys monitoring wild fish in their natural fauna, including optimization of quality of service (QoS) and battery life by minimizing functionality and removing vigorous time synchronization. Here, QoS is a measure of successfully relayed data. This is realized with software redesign, while reusing existing hardware. Moreover, the buoy will be deployed in strategic marine areas where tagged fish are staying or passing, to observe their behavior.

The buoy relaying system is realized with a Synchronization and LoRa Interface Module (SLIM) that consist of a printed circuit board (PCB) inside a waterproof box with external connectors and antennas. With tailored embedded software and low-power long-range radio communication the SLIM provides a QoS of 100 % with a battery life of around 7 months. In this project the system has been deployed with a distance up to 3.2 km between the buoy and the station, but promising results shows that the communication range is not a limit in likely deployment scenarios, if flexible in gateway placement.