Robust software services for IoT embedded systems

Abstract

O aumento do número de dispositivos conetados e o aparecimento de novas tecnologias LPWAN, como o NB-IoT, permite que a nova geração de dispositivos IoT apresente tempo de vida superior a 10 anos, com recurso a uma bateria de dimensões AA convencionais. Contudo, durante este tempo, os dispositivos IoT designados de end-devices, devem conseguir manter o devido funcionamento do sistema, economizando o máximo de energia possível. Neste tipo de dispositivos o uso de reprogramação Over The-Air (OTA) também é necessário, pois, este permite mudar o comportamento do dispositivo caso o paradigrama da aplicação mude ou software bugs sejam encontrados. Os end-device são normalmente controlados por uma “entidade” superior chamada de cloud que com eles interage. O objetivo desta dissertação é dar continuidade ao trabalho realizado no laboratório do ESRG, nomeada mente na dissertação de mestrado [1] que se focou no desenho de um dispositivo com um tempo de vida superior a 10 anos. A solução final foi um dispositivo com um software bare-metal e com uma estima tiva de 17 anos de tempo operacional. Esta foi analisada e foram encontradas possíveis melhorias na pilha de software. Assim sendo, este foi redesenhado para o uso de um sistema operativo Azure RTOS ThreadX. Neste redesenho vários módulos foram otimizados e adicionados como encriptação, OTA, e co mandos. Estes novos módulos permitem a alteração de parámetros do dispositivo, tais como, o tempo de amostragem dos sensores, o tempo de envio e atualizações incrementais do software. Para realizar as atu alizações (OTA) foi desenvolvido o algoritmo diferencial DeltaGen. Em todo o desenvolvimento foram feitos testes unitários e usados analisadores estáticos para prevenir erros antes da colocação dos dispositivos no terreno. Foi desenvolvida a cloud que recebe a informação dos dispositivos e os controla utilizando uma ar quitetura baseada em microserviços que aumenta a flexibilidade e agilidade do sistema. Em condições normais o dispostivo tem um tempo de operação estimado de 23 anos, sendo que em condições ideais esta aumentaria para 30 anos. A aplicação possui comunicações encriptadas utilizando os algoritmos de encriptação RSA e AES, atualizações OTA e reconfiguração a partir de comandos enviados da cloud.

Following the rising of connected IoT devices, the usage of LPWAN technologies, such as NB-IoT, allow end-devices to achieve ultra-low-power consumption, reaching increasingly higher lifetimes powered by a battery cell of standard dimensions AA. Their long lifetime requires these devices to operate properly while saving energy. Since the application paradigm can change in the extended device lifespan or software bugs can be found, there is a need to make these devices autonomous and connected to the cloud, allowing for reconfiguration without physical maintenance. The cloud controls the end-devices and receives the transmitted end-devices data. This dissertation aims to continue the work accomplished by the ESRG laboratory, in the master’s thesis [1], which developed and further analysed both power consumption and performance of NB-IoT monitoring end-device, targeting its optimisations through a software/hardware co-design to achieve ten years of operation with a single battery cell. It resulted in a bare-metal software device with 17 years of estimated operational time. This work aimed to improve further the work done at ESRG by implementing new features to make this device more autonomous. The application was re-designed with the operating system Azure RTOS ThreadX. In the re-design, several modules architecture were optimised, encrypted communications were added, and the ability to change the run-time device settings as the sensors sampling time, transmission interval, and update to new firmware through incremental OTA updates. To perform these updates was developed the differing algorithm DeltaGen. In the development phase, unit tests and static analysers were completed. The cloud using a microservice architecture was implemented, being responsible for controlling the devices and receiving the collected data. In normal conditions, the final solution estimated lifetime is 23 years, and it can reach 30 years without battery leakage. It contains end-to-end secure communications using the RSA and AES encryption algorithms, OTA updates, and can be reconfigure through the cloud’s commands in run-time.