Design and Implementation of a Modular Thread-Based Sensor Platform with Cloud Integration
Rautiainen, Marko; Littow, Tuovi (2025)
2025
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2025060621166
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2025060621166
Tiivistelmä
Opinnäytetyön tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa sensorialusta, joka käyttää Thread-verkkoa paikallisessa viestinnässä ja yhdistyy sitten internettiin tiedonsiirtoa varten. Järjestelmä koostuu kolmesta keskeisestä osasta: sensorialustasta, Thread-reunareitittimestä ja verkkosovelluksesta.
Työ alkoi perehtymällä Thread-protokollan ominaisuuksiin ja vertailemalla sitä muihin älykotijärjestelmissä yleisesti käytettyihin langattomiin viestintäteknologioihin, jotta saataisiin syvällisempi ymmärrys aiheesta. Toisessa vaiheessa suunniteltiin ja toteutettiin sensorialusta mittaamaan ympäristöolosuhteita. Samalla kehitettiin verkkosovellus, jolla voidaan hallita sensorialustoja ja visualisoida niiden keräämää dataa. Sensorialustat yhdistettiin Thread-verkon kautta, ja Thread-reunareititintä käytettiin mahdollistamaan viestintä paikallisen Thread-verkon ja pilvipalvelimella olevan verkkosovelluksen välillä.
Lopuksi järjestelmää testattiin työssä ennalta määriteltyjen vaatimusten perusteella sen toiminnallisuuden ja suorituskyvyn arvioimiseksi. Lisäksi tehtiin erillisiä testejä Thread-verkon käyttäytymisen selvittämiseksi. Viimeiseksi järjestelmää testattiin käytännön sovelluksessa, jossa sitä käytettiin taimikasvatuksen olosuhteiden valvontaan.
Tulosten perusteella järjestelmä täytti kaikki pakolliset vaatimukset. Sensorialusta, Thread-reunareititin ja verkkosovellus toimivat yhdessä suunnitellusti, mahdollistaen luotettavan tiedonsiirron sensoreilta pilveen. Thread-verkon testaus osoitti sen itseorganisoituvat ja itsekorjautuvat ominaisuudet, jotka ylittivät odotukset. Vaikka joitakin valinnaisia ominaisuuksia, kuten langattomia ohjelmistopäivityksiä ja hälytysilmoituksia, ei ehditty toteuttaa täysimääräisesti, tarjoaa järjestelmä vahvan pohjan tulevaa kehitystyötä varten. The goal of this thesis was to design and implement a sensor platform that utilizes a Thread network for communication within a local network and then connects to the internet to transmit its data. The overall system consists of three core components: the sensor platform, the Thread Border Router, and the web application.
In order to gain a deeper understanding of the topic the work on this thesis began by studying the Thread protocol and comparing it to other wireless communication technologies commonly used in smart home systems. In the second phase, a sensor platform was designed and implemented to collect environmental data. A web application was also developed to display and manage the sensor platforms and the data they collect. The sensor platforms were connected through a Thread mesh network, with a Thread Border Router used to enable communication between the local Thread network and the cloud-hosted web application.
Finally, the system was tested against the defined requirements to evaluate its functionality and performance. Additional tests were also conducted to test the behaviour of the Thread network. In the end, the system was also deployed and tested in a real-life use case scenario as a houseplant monitoring system.
As a result, the system met all the mandatory requirements. The sensor platform, Thread Border Router (TBR), and web application worked together as intended, enabling reliable data transmission from the sensors to the cloud. Testing of the Thread network also demonstrated its self-organizing and self-healing capabilities, exceeding expectations. Although some optional features, such as Over-the-Air updates and alert notifications, were not fully implemented, the system provides a good foundation for future development.
Työ alkoi perehtymällä Thread-protokollan ominaisuuksiin ja vertailemalla sitä muihin älykotijärjestelmissä yleisesti käytettyihin langattomiin viestintäteknologioihin, jotta saataisiin syvällisempi ymmärrys aiheesta. Toisessa vaiheessa suunniteltiin ja toteutettiin sensorialusta mittaamaan ympäristöolosuhteita. Samalla kehitettiin verkkosovellus, jolla voidaan hallita sensorialustoja ja visualisoida niiden keräämää dataa. Sensorialustat yhdistettiin Thread-verkon kautta, ja Thread-reunareititintä käytettiin mahdollistamaan viestintä paikallisen Thread-verkon ja pilvipalvelimella olevan verkkosovelluksen välillä.
Lopuksi järjestelmää testattiin työssä ennalta määriteltyjen vaatimusten perusteella sen toiminnallisuuden ja suorituskyvyn arvioimiseksi. Lisäksi tehtiin erillisiä testejä Thread-verkon käyttäytymisen selvittämiseksi. Viimeiseksi järjestelmää testattiin käytännön sovelluksessa, jossa sitä käytettiin taimikasvatuksen olosuhteiden valvontaan.
Tulosten perusteella järjestelmä täytti kaikki pakolliset vaatimukset. Sensorialusta, Thread-reunareititin ja verkkosovellus toimivat yhdessä suunnitellusti, mahdollistaen luotettavan tiedonsiirron sensoreilta pilveen. Thread-verkon testaus osoitti sen itseorganisoituvat ja itsekorjautuvat ominaisuudet, jotka ylittivät odotukset. Vaikka joitakin valinnaisia ominaisuuksia, kuten langattomia ohjelmistopäivityksiä ja hälytysilmoituksia, ei ehditty toteuttaa täysimääräisesti, tarjoaa järjestelmä vahvan pohjan tulevaa kehitystyötä varten.
In order to gain a deeper understanding of the topic the work on this thesis began by studying the Thread protocol and comparing it to other wireless communication technologies commonly used in smart home systems. In the second phase, a sensor platform was designed and implemented to collect environmental data. A web application was also developed to display and manage the sensor platforms and the data they collect. The sensor platforms were connected through a Thread mesh network, with a Thread Border Router used to enable communication between the local Thread network and the cloud-hosted web application.
Finally, the system was tested against the defined requirements to evaluate its functionality and performance. Additional tests were also conducted to test the behaviour of the Thread network. In the end, the system was also deployed and tested in a real-life use case scenario as a houseplant monitoring system.
As a result, the system met all the mandatory requirements. The sensor platform, Thread Border Router (TBR), and web application worked together as intended, enabling reliable data transmission from the sensors to the cloud. Testing of the Thread network also demonstrated its self-organizing and self-healing capabilities, exceeding expectations. Although some optional features, such as Over-the-Air updates and alert notifications, were not fully implemented, the system provides a good foundation for future development.