Enerji verimli akıllı binalar için ZigBee ve LoRa tabanlı haberleşme
ZigBee and LoRa based communication for energy efficient smart buildings
Yazar: AYANLE IBRAAHIM ALI
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SİBEL ZORLU PARTAL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Makinaları ve Güç Elektroniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz iletişim sistemleri, günümüz teknolojisinde akıllı ev ve enerji yönetimi amaçlı çeşitli Nesnelerin Interneti (IoT) uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle enerji verimliliği için sensörlerle izleme, veri toplama ve kontrol mesajlarını iletmede, Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth ve LoRa gibi kablosuz haberleşme teknolojileri sıklıkla tercih edilir. Kablosuz haberleşme protokolleri güç tüketimi, bit hızı, menzil, çalışma frekansı, bant genişliği, güvenlik, maliyet vb. açılardan farklılık gösterirler. Örneğin, Wi-Fi teknolojisi her yerde yaygın olarak kullanılırken, yüksek bant genişliği ve yüksek güç tüketimi, bu teknolojiyi enerji tasarruflu olmayan bir protokol haline getirir. Bluetooth teknolojisi enerji tasarruflu bir protokol olmasına rağmen, bu teknolojide de sinyal ve menzil sınırlaması vardır. ZigBee teknolojisi ise Wi-Fi teknolojisinin tersine düşük güç tüketimi, geniş ağ boyutu ve düşük bant genişliği özelliklerinden dolayı IoT tabanlı akıllı ev enerji yönetimi ve Kablosuz Sensör Ağı (WSN) uygulamalarında oldukça iyi sonuçlar vermektedir. Ancak, ZigBee teknolojisinde menzil sınırlaması nedeniyle dış mekan kablosuz uygulama sistemlerinde yaygın olarak kullanılmamaktadır. Yeni bir kablosuz iletişim teknolojisi olan LoRa ise uzun menzil, düşük güç tüketimi ve genişletilmiş kapsama alanı özellikleri ile ön plana çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, günümüz kablosuz haberleşme teknolojisinde yaygın olarak kullanılan ZigBee ve LoRa iletişim protokollerinin birlikte kullanıldığı bir iletişim sistemi tasarlanmış, sistem deneysel olarak gerçekleştirilmiş ve saha testleri yapılmıştır. Tasarlanan bu sistem, bir kablosuz uç cihazı, bir merkezi alıcı olarak kullanılan çok protokollü ağ geçidi ve bir de Merkezi Veri Toplayıcı (MVT) olmak üzere üç ana bölümden oluşmaktadır. Uç cihaz, düşük güçlü sensörleri kullanarak sıcaklık, nem ve ışık şiddeti verilerini toplayıp, bu verileri LoRa kablosuz teknolojisi aracılığıyla ağ geçidine göndermektedir. Ağ geçidi, sensör verilerini uç cihazdan LoRa aracılığıyla alıp, ZigBee kablosuz teknolojisi ile MVT'ye göndermektedir. Sensör verileri, MVT'da, açık kaynaklı IoT yazılım platformu kullanılarak izlenmiştir. Hem çok protokollü ağ geçidi, hem de uç cihazın Mikrodenetleyici Ünitesinde (MCU), STM32 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. ZigBee ve LoRa kablosuz alıcı-verici modülleri için, menzil ve ağ çıktısı ölçüm testleri yapılmış, sonuçlar karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Ağ geçidi ve kablosuz uç cihazının Baskılı Devre Kartlarının (PCB) tasarımı, bilgisayar destekli  DipTrace CAD yazılımı ile yapılmıştır.

Abstract:
Wireless communication systems are widely used in today's technology in various Internet of Things (IoT) applications for smart home and energy management. Wireless communication technologies such as Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth and LoRa are often preferred, especially in the transmission of monitoring, data acquisition and control messages with sensors for energy efficiency. These protocols are different in terms of power consumption, bit rate, communication range, operating frequency, bandwidth, security, cost, etc. For Instance, Wi-Fi is ubiquitous commonly used wireless technology, but the high bandwidth and the high-power consumption makes it a non-energy-efficient protocol. Although Bluetooth is an energy-efficient protocol, it has also a signal and range limitation. In contrast to Wi-Fi technology, ZigBee technology offers very good results in IoT-based smart home energy management and Wireless Sensor Network (WSN) applications due to its low-power consumption, network size and low bandwidth characteristics. However, ZigBee technology is also not widely used in outdoor wireless application systems due to it's range limitation. LoRa, which is a new low-power long-range wireless technology, stands out with its long-range, low-power consumption and extended coverage features. In this thesis, a communication system which employs ZigBee and LoRa communication protocols which are commonly used in today's wireless communication technology was designed, the system was experimentally performed, and field tests were conducted. The designed system consists of three main parts: a wireless end device, a multi-protocol gateway used as a central receiver, and a Central Data Collector (MVT). The end device collects the temperature, humidity and light intensity data by using low-power sensors and sends the sensor data to the gateway via LoRa wireless technology. The gateway receives the sensor data from the end device via LoRa and sends it to MVT with ZigBee wireless technology. The sensor data is monitored in the CDC unit by using an open source IoT software platform. STM32 Microcontroller was used in the Microcontroller Unit (MCU) of both multi-protocol gateway and the end-device. A communication range and throughput measurement tests were conducted for both ZigBee and LoRa wireless transceiver modules and the results are presented comparatively. Printed Circuit Board (PCB) designs of the gateway and the wireless end device were done by using DipTrace CAD software.