A sensor node soC architecture for extremely autonomous wireless sensor networks

Abstract

The Internet of Things (IoT) is revolutionizing the Internet of the future and the way new smart objects and people are being connected into the world. Its pervasive computing and communication technologies connect myriads of smart devices, presented at our everyday things and surrounding objects. Big players in the industry forecast, by 2020, around 50 billion of smart devices connected in a multitude of scenarios and heterogeneous applications, sharing data over a true worldwide network. This will represent a trillion dollar market that everyone wants to take a share. In a world where everything is being connected, device security and device interoperability are a paramount. From the sensor to the cloud, this triggers several technological issues towards connectivity, interoperability and security requirements on IoT devices. However, fulfilling such requirements is not straightforward. While the connectivity exposes the device to the Internet, which also raises several security issues, deploying a standardized communication stack on the endpoint device in the network edge, highly increases the data exchanged over the network. Moreover, handling such ever-growing amount of data on resource-constrained devices, truly affects the performance and the energy consumption. Addressing such issues requires new technological and architectural approaches to help find solutions to leverage an accelerated, secure and energy-aware IoT end-device communication. Throughout this thesis, the developed artifacts triggered the achievement of important findings that demonstrate: (1) how heterogeneous architectures are nowadays a perfect solution to deploy endpoint devices in scenarios where not only (heavy processing) application-specific operations are required, but also network-related capabilities are major concerns; (2) how accelerating network-related tasks result in a more efficient device resources utilization, which combining better performance and increased availability, contributed to an improved overall energy utilization; (3) how device and data security can benefit from modern heterogeneous architectures that rely on secure hardware platforms, which are also able to provide security-related acceleration hardware; (4) how a domain-specific language eases the co-design and customization of a secure and accelerated IoT endpoint device at the network edge.

Internet of Things (IoT) é o conceito que está a revolucionar a Internet do futuro e a forma como coisas, processos e pessoas se conectam e se relacionam numa infraestrutura de rede global que interligará, num futuro próximo, um vasto número de dispositivos inteligentes e de utilização diária. Com uma grande aposta no mercado IoT por parte dos grandes líderes na industria, algumas visões otimistas preveem para 2020 mais de 50 mil milhões de dispositivos ligados na periferia da rede, partilhando grandes volumes de dados importantes através da Internet, representando um mercado multimilionário com imensas oportunidades de negócio. Num mundo interligado de dispositivos, a interoperabilidade e a segurança é uma preocupação crescente. Tal preocupação exige inúmeros esforços na exploração de novas soluções, quer a nível tecnológico quer a nível arquitetural, que visem impulsionar o desenvolvimento de dispositivos embebidos com maiores capacidades de desempenho, segurança e eficiência energética, não só apenas do dispositivo em si, mas também das camadas e protocolos de rede associados. Apesar da integração de pilhas de comunicação e de protocolos standard das camadas de rede solucionar problemas associados à conectividade e a interoperabilidade, adiciona a sobrecarga inerente dos protocolos de comunicação e do crescente volume de dados partilhados entre os dispositivos e a Internet, afetando severamente o desempenho e a disponibilidade do mesmo, refletindo-se num maior consumo energético global. As soluções apresentadas nesta tese permitiram obter resultados que demonstram: (1) a viabilidade de soluções heterogéneas no desenvolvimento de dispositivos IoT, onde não só tarefas inerentes à aplicação podem ser aceleradas, mas também tarefas relacionadas com a comunicação do dispositivo; (2) os benefícios da aceleração de tarefas e protocolos da pilha de rede, que se traduz num melhor desempenho do dispositivo e aumento da disponibilidade do mesmo, contribuindo para uma melhor eficiência energética; (3) que plataformas de hardware modernas oferecem mecanismos de segurança que podem ser utilizados não apenas em prol da segurança do dispositivo, mas também nas capacidades de comunicação do mesmo; (4) que o desenvolvimento de uma linguagem de domínio específico permite de forma mais eficaz e eficiente o desenvolvimento e configuração de dispositivos IoT inteligentes.