Development of an IoT end-device with LEO satellite communication support

Abstract

As the demand for environmental data grows, monitoring remote areas, such as oceans and forests, presents significant challenges due to the absence of traditional communication infrastructure. To overcome these limitations, this work, developed in collaboration with dstelecom and Lacuna Space, focuses on the development of a Long Range (LoRa) based Internet of Things (IoT) device capable of direct communication with Low Earth Orbit (LEO) satellites. This approach enables data transmission without reliance on terrestrial gateways, thereby facilitating reliable environmental data collection in geographically isolated locations, while maintaining the low energy consumption essential for long-term deployments. Moreover, this research aligns with the emerging paradigm of the Internet of Remote Things (IoRT), which extends traditional IoT concepts to autonomous devices operating in isolated regions. To validate this concept, a prototype featuring sensors and a transceiver was engineered, managed by a predictive firmware. Using the Lacuna Soft Modem (LSM) library and an onboard almanac, the device autonomously predicts satellite passes, waking up only when a satellite is visible, thereby saving energy. Additionally, the firmware employs a hybrid logic with two modes, a buffer mode for storing data collected asynchronously and an immediate mode for real-time updates. Experimental results confirmed the system’s operational viability. The device established communication with the Lacuna Space constellation, validating the physical layer and link budget. It successfully transmitted encrypted payloads while complying with regulatory duty cycle limits. Although the energy harvesting subsystem faced implementation challenges, the core objectives of communication, sensing, and scheduling were fully met, proving that predictive Direct-to-Satellite IoT is a feasible solution for global remote monitoring.

O aumento da procura por dados ambientais torna a monitorização de áreas remotas, como oceanos e florestas, um desafio significativo devido à ausência de infraestruturas de comunicação tradicionais. Neste contexto, esta dissertação, realizada em colaboração com a dstelecom e a Lacuna Space, aborda o desenvolvimento de um dispositivo IoT baseado na tecnologia LoRa, capaz de estabelecer comunicação direta com satélites de órbita terrestre baixa, possibilitando a transmissão de dados sem dependência de gateways terrestres. Adicionalmente, este trabalho insere-se no paradigma emergente da IoRT, que amplia os conceitos tradicionais de IoT para dispositivos autónomos destinados a operar em ambientes isolados e de difícil acesso. Para a validação da proposta, foi desenvolvido um protótipo que integra sensores e um transceptor, controlados por um firmware de caráter preditivo. Recorrendo à biblioteca LSM e a um almanaque interno, o dispositivo é capaz de prever autonomamente as passagens dos satélites, ativando-se apenas durante as janelas de visibilidade, de modo a otimizar o consumo energético. Para além disso, o firmware implementa dois modos de funcionamento, um modo buffer, para o armazenamento de dados recolhidos de forma assíncrona, e um modo imediato, orientado para a transmissão de atualizações em tempo real. Os resultados experimentais confirmaram a viabilidade operacional do sistema. O dispositivo comunicou com sucesso com a constelação da Lacuna Space, validando a implementação e o link budget, mantendo a conformidade com os limites regulamentares de duty cycle. Embora o subsistema de energia tenha apresentado desafios de implementação, os objetivos principais de comunicação e sensorização foram atingidos, demonstrando que a comunicação direta para satélite é uma solução viável para a monitorização remota global.