LoRaWAN is one of the most adopted low-power wide-area networks, which use theproprietary LoRa modulation developed by Semtech to provide high sensitivity at lowdata rates for long ranges. LoRaWAN providing coverage using single-hop gatewaysto thousands of end-devices (sensors) running on batteries. Each gateway requires aconnection to the internet or a private network (Ethernet, 3G/4G, Wifi) to communicatewith the network server. In obstructed areas, with mountains, foliage, or simplyvast areas, multiple gateways are required to provide coverage for the end-devices.Internet/mobile coverage might be missing in some areas. Which quickly brings upthe cost of internet connection in these areas, unless a solution is developed that routesmessages between the gateways using the existing LoRa radio communication standard.Thus reducing required internet connections while providing coverage. This solutionwas developed and evaluated, with a focus on supporting LoRaWAN deviceswith bidirectional capabilities, following the regional regulations, and providing arouting protocol that minimizes the extra data that comes with routing messages overa network. Experiments of three gateways showed that the solution provides a functioningrouting protocol, with as low as 3 extra bytes for routing. While fast enough toprovide bidirectional communication support for end-devices located farthest awayfrom the gateway with the server connection.

The thesis examines hardware IoT platforms, surveys existing platforms and designs modular IoT platform consisting of printed-circuit boards interconnected with M2.COM standard. LoRaWAN modem is used for wireless data transfer. External sensors are connected to the device using connector mikroBUS and QWIIC. Whole system is tested by counting pulses from selected water flow-meter.

Edge intelligence can reduce power dissipation to enable power-hungry long-range wireless applications. This work applies edge intelligence to quantify the reduction in power dissipation. We designed a wireless sensor node with a LoRa radio and implemented a decision tree classifier, in situ, to classify behaviors of cattle. We estimate that employing edge intelligence on our wireless sensor node reduces its average power dissipation by up to a factor of 50, from 20.10 mW to 0.41 mW. We also observe that edge intelligence increases the link budget without significantly affecting average power dissipation. / Master of Science / Battery powered sensor nodes have access to a limited amount of energy. However, many applications of sensor nodes such as animal monitoring require energy intensive, long range data transmissions. In this work, we used machine learning to process motion data within our sensor node to classify cattle behaviors. We estimate that transmitting processed data dissipates up to 50 times less power when compared to transmitting raw data. Due to the properties of our transmission protocol, we also observe that transmitting processed data increases the range of transmissions without impacting power dissipation.

The process of finding a parking space can be a tedious task that drivers spent too much time on today. With the rising threat from global warming, reducing the time spent driving is vital. The purpose of this thesis is to evaluate the use of LoRaWAN for urban IoT applications by developing a sensor system for parking space monitoring to make this process easier. The main component of the developed prototype of the sensor system consists of a The Things UNO, which is a modified version of the Arduino Leonardo with an integrated RN2483 LoRaWAN transceiver module. Two types of sensors, an ultrasonic distance sensor and a magnetometer, were tested for car detecting abilities in the sensor system. The distance sensor was proven to be the more reliable sensor for detecting cars, but a combination of both a distance sensor and a magnetometer can be used to improve the power usage of the system. LoRaWAN has a high potential to work great in a parking space monitoring system and other urban IoT applications, but its coverage and reliability in different conditions requires more testing. / Att hitta en parkeringsplats kan vara en omständing uppgift, och är något som bilister idag spenderar för mycket tid på. Med den ökade risken från global uppvärmning är det viktigt att försöka reducera körtid. Syftet med den här rapporten är att utvärdera användandet av LoRaWAN för urbana IoT-applikationer genom att utveckla ett sensorsystem för att bevaka parkeringsplatser för att göra det enklare att hitta lediga parkeringsplatser. Huvudkomponenten i den utvecklade prototypen av sensorsystemet är en TheThings UNO, vilket är en modifierad version av en Arduino Leonardo med en inbyggd RN2483 LoRaWAN-modul. Två sorters sensorer, en avståndssensor och en magnetometer, testades i sensorsystemet. Avståndssensorn visade sig vara den mer pålitliga sensorn för att detektera bilar. En kombination av en avståndssensor och en magnetometer kan poteniellt användas tillsammans för att minska strömanvändningen. LoRaWANhar stor potential att fungera i ett parkeringbevakningssystem samt andra urbana IoT-applikationer, men dess täcking och pålitlighet i olika miljöer borde undersökas mer.

Nowadays, Internet of Things (IoT) applications are gaining more importance in people’s everyday life. Depending of their usage (for long or short distance communications, using low or high power devices, etc.), several standards exist. In this study, the focus is on Low Power Wide Area Networks (LPWAN) and particularly a protocol which is raising in popularity for long-range low-power communications in IoT: LoRaWAN. LoRaWAN is still at an early stage and has been mainly used in use cases where the network server was managing the keys ensuring confidentiality and integrity of the data. Gemalto has raised the issue of interest conflicts in the case where the network operator and the application provider are two distinct entities: if the end-device and the application server are exchanging sensitive data, the network server should not be able to read them. In order to solve this problem, an architecture using a trusted third party to generate and manage the keys has been implemented during this project. The following research aims at finding security threats and weaknesses on the confidentiality and integrity of the data and devices’ authentication in this study case. The LoRaWAN protocol and key management in general were studied first before describing the studied system and finding the possible attacks exploring its vulnerabilities on the mentioned points via an attack tree. These attacks were simulated in order to define their consequences on the system and according to them, security improvements on the architecture was proposed based on previous work on the topic and exploration on potential countermeasures. / Idag blir Internet av saker (IoT) applikationer allt viktigare i människors vardag. Beroende på användningen (för långeller kortdistanskommunikation, med låga eller höga effektenheter etc.) finns flera standarder. I denna studie ligger fokus på Low Power Wide Area Networks (LPWAN) och i synnerhet ett protokoll som ökar i popularitet för långsiktig lågkapacitetskommunikation i IoT: LoRaWAN. LoRaWAN är fortfarande på ett tidigt stadium och har i huvudsak använts i användarfall där nätverksservern hanterade nycklarna som säkerställer konfidentialitet och integritet av data. Gemalto har tagit upp frågan om intressekonflikter i det fall nätverksoperatören och programleverantören är två separata enheter: Om slutanordningen och applikationsservern utbyter känslig data, ska nätverksservern inte kunna läsa dem. För att lösa detta problem har en arkitektur som använder en betrodd tredje part för att generera och hantera nycklarna implementerats under det här projektet. Följande forskning syftar till att hitta säkerhetshot och svagheter om konfidentialiteten och integriteten hos data och enheternas autentisering i detta studiefall. LoRaWAN-protokollet och nyckelhanteringen i allmänhet kommer att studeras först innan författaren beskriver det studerade systemet och upptäcker de eventuella attacker som undersöker sårbarheten på de nämnda punkterna via ett angreppsträd. Dessa attacker kommer att simuleras för att definiera deras konsekvenser på systemet och enligt dem kommer säkerhetsförbättringar på arkitekturen att föreslås utifrån tidigare arbete med ämnet och undersökning av potentiella motåtgärder

På Kalmar Länssjukhus har det varit problematiskt att lokalisera rullstolar på sjukhusets område. För att underlätta den dagliga verksamheten kring dessa rullstolar har sensorer uppkopplade till LoRaWAN varit en möjlig lösning. Detta projekt har därför undersökt om LoRaWAN tillsammans med ett positioneringssystem uppfyller kriterierna för att vara en lämplig lösning.  De parametrar som undersökts var noggrannheten för geografisk positionsbestämning av en sensor, signalstyrkan och väntetiden för signalöverföringen. För att mäta de önskade parametrarna användes sensorer kopplade till spårningssystemet Traxmate. Sensorns geografiska position beräknades i Traxmate genom trilateration där MAC – adresser hos närliggande Wi – Fi accesspunkter utnyttjades. Spårningssystemet kunde därmed hämta rådata från sensorerna som därefter sammanställdes i MATLAB. Resultatet visade att LoRaWAN i sig kan vara lämpligt i en sjukhusmiljö. Däremot finns det brister i positioneringssystemet som bör vidareutvecklas för att kunna rekommenderas till ett sjukhus. / Kalmar Länssjukhus has been experiencing difficulties with localization of wheelchairs in the hospital area. In order to facilitate the work of the staff who are searching for the wheelchairs, sensors connected to the LoRaWAN wireless network can be used. Thus, this project has evaluated LoRaWAN together with a positioning system to determine whether the solution is suitable for a hospital environment.  The evaluated parameters where the accuracy of geographical position determination of a sensor, the received signal strength indicator, and the delayed time for the transmission of a signal. Sensors connected to the Traxmate tracking system were used to measure the desired parameters. The sensor’s geographical position was calculated in Traxmate by trilateration where MAC – addresses of nearby Wi – Fi access points were used. The tracking system was thus able to retrieve raw data from the sensors which were then compiled in MATLAB. The results showed that the wireless network structure LoRaWAN satisfied the criteria for usage in a hospital environment. However, the positioning system showed some flaws and thus it should be further investigated in order to be recommended for usage in a hospital environment.

Det här projektet syftar till att undersöka den energiförbrukning som krävs för att driva en krets som använder LoRa till trådlös kommunikation. Energiåtgången beräknas med hänsyn till de oberoende variablerna datamängd vid överföring samt antalet överföringar per dygn. Studien syftar till att undersöka vilken av de parametrarna som påverkar energiförbrukningen mest och vad det energieffektivaste förhållandet mellan dem är.   En mätutrustning togs fram genom kodning och inkapsling av ett utvecklingskort (NUCLEO-L037RZ) med ett tillhörande expansionskort för kommunikation över LoRa-nätverket (SX1272MB2DAS LoRa RF). Ett kodbibliotek laddades ner till kortet och modifierades för genomförandet av studien. I studien utfördes ett experiment för att ta fram tidsåtgången vid olika fall av dataöverföring. De beräknade värdena användes sedan för beräkning av energiåtgången i de olika fallen, genom teoretiska formler.   Resultatet visar att energiförbrukningen ökar mer med antal överföringar per dygn än en ökad datamängd per överföring. Resultatet av den här studien skulle kunna användas som kompletterande vägledning vid beslutsfattande av hur data ska överföras då LoRa används som kommunikationsmedel.   Studien undersökte enbart energiförbrukningen på utvecklingskortet NUCLEO-L037RZ med expansionskortet SX1272MB2DAS LoRa RF. Trots det borde resultatet vara applicerbart för andra LoRa-produkter. / This project aims to research the energy consumption required to run a circuit using LoRa for wireless communication. The energy consumption is calculated by taking the independent variables for the data set, and the number of transmissions per day into account. The study aims to research which one of these parameters affects the energy consumption the most and what the most energy efficient ratio between them are.   A measuring device was developed by programming a development board and installing it in a chassis. The development board (NUCLEO-L037R) has an attachable expansion board for LoRa-communication (SX1272MB2DAS LoRa RF). A code library was downloaded in order to run the board and then modified to suit the research. In the study, one experiment was performed in order to obtain the time required for a transmission, depending on the size of the data sets. The calculated time intervals were then used in a physical formula, to calculate the theoretical energy consumption for each case.   The results show that increasing the number of transmissions per day requires more energy than increasing the size of the data set. The results of this study could be used as a complementary guide for making decisions regarding how data is going to be transmitted using LoRa as a means of communication.   The study only investigated the energy consumption on the development board NUCLEO-L037RZ including the expansion board SX1272MB2DAS LoRa RF. Even so, the result should be applicable on other LoRa products as well.

Low-Power Wide-Area Networks, LPWANs, achieve long communication ranges with a low energy consumption by communicating at low bit rates. Most LPWAN devices are battery powered and are required to operate for an extended period of time, which stresses the requirements for energy efficiency. This thesis investigates the energy consumption of LPWAN devices operating in the Industrial, Scientific and Medical, ISM, band and how use cases affect the consumption. Specifically, LoRa/LoRaWAN and Sigfox are examined. Their key characteristics are described and energy consumption is modelled. The models are verified by comparing the model outputs with measured power consumption of LoRa and Sigfox devices. Through the models, design parameters are investigated with regards to consumption, and product lifetime are estimated. The influence of use cases on energy consumption is explored by measuring the Package Delivery Ratio, PDR, at different ranges using various bit transmission rates.The results showed that the bitrate, data redundancy and protocol overhead were among parameters which could be used to optimise energy efficiency. It was also shown, that the device lifetimes could be significantly increased by increasing the transmission interval and removing message acknowledgements. Realistically, LoRa devices can have a lifetime of more than 10 years and Sigfox 3 years, using a 2800 mWh battery. The use case tests showed that a 100 % PDR should not be expected at any bitrate, but lower bitrates and messaging redundancy increase the likelihood of a successful package delivery. Hence, there is a tradeoff between low energy consumption and range/reliability. Additionally, it was found that a low node to gateway distance and a high gateway density increase the probability of a successful transaction. Thus, the power consumption is tightly coupled to the network configuration. / Low-Power Wide-Area Networks, LPWANs, uppnår långa kommunikationsräckvidder med låg energiförbrukning genom att kommunicera med låga bithastigheter. De flesta enheter är batteridrivna och måste operera över längre tid, vilket ökar kraven för energieffektivitet. Denna avhandling undersöker energiförbrukningen för LPWAN enheter i det industriella, vetenskapliga och medicinska ISM bandet och hur olika användningsfall påverkar förbrukningen. Specifikt undersöks LoRa/LoRaWAN och Sigfox. Deras viktigaste egenskaper beskrivs och deras energiförbrukning modelleras. Modellerna verifieras genom att jämföra resultaten från modellerna med uppmätt effektförbrukning av LoRa och Sigfox-enheter. Genom modellerna undersöks även designparametrar med avseende på strömkonsumtion och produktens livslängd uppskattas. Påverkan användningsfall har på energiförbrukning undersöks genom att mäta Package Delivery Ratio, PDR, vid olika avstånd och bitöverföringshastigheter.Resultaten visade att bitraten, dataredundansen och protokollstorleken var bland parametrar som kunde användas för att optimera energieffektiviteten. Det visades också att enhetens livslängd kunde ökas signifikant genom att öka överföringsintervallet och ta bort meddelandebekräftelser. Realistiskt kan LoRaenheter ha en livslängd på mer än 10 år och Sigfox 3 år, med ett batteri på 2800 mWh. Resultatet av olika test visade att en 100 % PDR inte bör förväntas vid någon bitrate, men lägre bitrater och redundans för meddelanden ökar sannolikheten för en paketleverans. Det finns därför en avvägning mellan låg energiförbrukning och räckvidd och sannolikheten för en lyckad packetleverans. Dessutom konstaterades att en låg nod till gateway-avstånd och en hög gateway-densitet ökar sannolikheten för att transaktioner lyckas. Således är energiförbrukningen tätt kopplad till nätverkskonfigurationen.

Many conventional forms of communication technology, such as Wi-Fi, 3G/4G or cable, require a lot of power. For battery powered devices that need to last a long time on a single charge, one alternative is the low-power, long range technology LoRaWAN. This thesis tries to answer the question how well do the properties of LoRaWAN meet the requirements for a battery powered security solution? Two identical prototype remote motion detectors were implemented for this purpose. The results show that while the prototypes do not meet the requirements for energy efficiency, LoRaWAN as a technology easily does. The results shows that if a solution to the reliability issues can be found, LoRaWAN would be well suited for battery powered security solutions. / Många vanliga teknologier som används för kommunikation, så som Wi-Fi, 3G/4G eller fiber, kan vara väldigt strömkrävande. Ett alternativ för batteridrivna enheter som behöver kunna klara sig på en laddning under lång tid, är att använda en lågenergiteknologi med lång räckvidd LoRaWAN. Den här rapporten försöker att besvara frågan om hur väl LoRaWANs egenskaper tillgodoser de krav som ställs på batteridrivna säkerhetslösningar. För detta ändamål utvecklades två identiska prototyper av en batteridriven rörelsesensor. Resultaten visar på att även om prototyperna inte möter energikonsumptionskraven, så gör själva LoRaWAN-tekniken detta. Resultaten visar att om man kan hitta lösningar på problemen med pålitligheten hos LoRaWAN, så kan LoRaWAN mycket väl vara lämpligt för batteridrivna säkerhetslösningar.

В работе поднимается проблема отсутствия необходимых методов и технологий тестирования устройств Интернета вещей в автоматическом режиме. В качестве решения проблемы предложена методология тестирования встроенного программного обеспечения «умных» устройств. Методология была реализована в сервисе «ядро тестирования». Апробация работы сервиса проводились на примере проведения испытаний счетчика электрической энергии Милур 307 с интерфейсным модулем Карат-941LW. Автоматизация позволила значительно сократить время испытаний по сравнению с ручным тестированием. / The thesis raises the problem of the lack of necessary methods and technologies for testing IoT devices in automatic mode. As a solution to the problem, a methodology for testing the embedded software of “smart” devices is proposed. The methodology was implemented in the testing core service. The approbation of the service was carried out on the example of testing the Milur 307 electric energy meter with the Karat-941LW interface module. Automation has significantly reduced test time compared to manual testing.