A LoRaWAN-Based Monitoring System for a Smart Campus

Abstract

The proliferation of Internet of Things in recent years has created new opportunities for the development of smart environments that are capable of performing continuous monitoring, supporting data-driven decision-making, and optimising the use of physical resources across a wide range of application domains. University campuses represent a compelling context for the deployment of such systems, given the diversity of buildings and spaces that must be managed, the institutional interest in sustainability and efficiency, and the availability of technical expertise. This dissertation presents the design, implementation, and evaluation of a LoRaWAN-based IoT monitoring system intended for smart campus environments, with a particular emphasis on creating a platform that is scalable, modular, and built entirely upon open-source technologies in order to avoid the recurring costs and vendor dependencies that are associated with commercial IoT platforms. The proposed system architecture addresses several of the key challenges that arise in large-scale IoT deployments, including the heterogeneity of sensor devices, the need to integrate data from multiple sources into a coherent processing pipeline, the requirement for horizontal scalability as the number of deployed devices grows, and the expectation of near-real-time data availability for monitoring and alerting purposes. LoRaWAN was selected as the communication technology, employing ChirpStack as the network server, a custom protocol bridge implemented in Rust for data transformation and routing, and ClickHouse as the analytical database, with each component was selected to address the specific operational constraints and performance requirements of the campus deployment context; - Resumo: Um Sistema de Monitorização Baseado em LoRaWAN para um Campus Inteligente A proliferação da Internet das Coisas nos últimos anos tem criado novas oportunidades para o desenvolvimento de ambientes inteligentes capazes de realizar uma monitorização contínua, apoiar a tomada de decisões baseada em dados e otimizar a utilização de recursos físicos numa vasta gama de domínios de aplicação. Os campus universitários representam um contexto ideal para a implementação deste tipo de sistemas, dada a diversidade de edifícios e espaços que necessitam de ser geridos, o interesse institucional na sustentabilidade e eficiência, e a disponibilidade de conhecimentos técnicos. Esta dissertação apresenta a conceção, implementação e avaliação de um sistema de monitorização IoT baseado em LoRaWAN, destinado a ambientes de campus inteligentes. É dado um ênfase particular à criação de uma plataforma que seja escalável, modular e construída inteiramente com base em tecnologias de código aberto, com o intuito de evitar os custos recorrentes e as dependências de fornecedores associadas às plataformas comerciais de IoT. A arquitetura de sistema proposta aborda vários dos principais desafios que surgem em implementações IoT de grande escala, incluindo a heterogeneidade dos dispositivos sensores, a necessidade de integrar dados de múltiplas fontes num fluxo de processamento coerente, o requisito de escalabilidade horizontal à medida que o número de dispositivos instalados cresce, e a expectativa de disponibilidade de dados quase em tempo real para fins de monitorização e alerta. LoRaWAN foi a tecnologia de comunicação selecionada, utilizando o ChirpStack como servidor de rede, uma ponte de protocolos (protocol bridge) desenvolvida à medida em Rust para a transformação e encaminhamento de dados, e o ClickHouse como base de dados analítica. Cada um destes componentes foi selecionado com o intuito de responder às restrições operacionais específicas e aos requisitos de desempenho do contexto de implementação no campus.