Software - hardware co-design for NB-IoT low-power applications: consumption and performance analysis

Abstract

As the number of connected ”things” increases at a very fast pace, the Internet of Things (IoT) ecosystem expands and nowadays covers a vast number of application domains, providing a broad portfolio of solutions that are based on an evolving system, from the physical sensors (end devices) to the cloud. When designing battery-powered end devices, previous research has identified several challenges such as wireless connectivity, battery lifetime, embedded intelligence, security and privacy concerns, and costs (development, maintenance, modem, among others). The use of software/hardware co-design is put to the test throughout this dissertation to conceive a low-power end device that can achieve an autonomy of up to 10 years with a single battery charge. For low-power communications, NarrowBand Internet of Things (NB-IoT) is the novel communication technology that uses the existent cellular infrastructure to bring connectivity to IoT-focused devices. Its great coverage brings implementation flexibility and supports many battery-powered requirement scenarios, such as remote utility metering. Careful hardware selection and thoughtful software implementation complement each other to achieve the desired power consumption. A consumption and performance analysis is made in a comparative perspective within the different stages of implementation accomplished. There are six different implementation stages in this dissertation: three concerning the hardware and the other three concerning the software implementation. Regarding the hardware, a benchmark was taken from an existing development board, setting the first stage. After, two other custom boards were designed using an iterative process. As for the software, two similar applications were developed, and two coding approaches were tested. With the first stage application, both baremetal and freeRTOS versions were developed, marking implementation stages one and two in this scope. The third stage was the second, more complex application, which was only developed with a bare-metal approach. Based on the results obtained, it was possible to pinpoint some key factors in accomplishing a lowpower device. Additionally, further investigation paths are proposed to better understand the power consumption profiles observed and improve the overall system from a consumption and longevity perspectives.

Com o número de ”coisas” conectadas a aumentar a um ritmo acelerante, o ecossistema da Internet das Coisas (IoT em inglês) expande e já cobre um vasto número de domínios de aplicação, fornecendo um amplo portefólio de soluções baseadas num sistema em contínua evolução, desde os sensores físicos (end devices) até à cloud. Quando se projeta end devices alimentados a bateria, estudos têm identificado vários desafios como a conectividade wireless, o tempo de vida da bateria, inteligência embebida, preocupações de segurança e privacidade e, claro, custos (desenvolvimento, manutenção, modem, entre outros). O uso de software/hardware co-design é posto à prova nesta dissertação para se conceber um end device de baixo consumo que atinja uma autonomia de 10 anos com uma única bateria. Para comunicação de baixo consumo, o NarrowBand Internet of Things (NB-IoT) é a mais recente tecnologia que utiliza a infraestrutura da rede móvel para trazer conectividade a dispositivos IoT. A sua extensa cobertura traz flexibilidade de implementação e suporta vários cenários que requerem dispositivos alimentados a bateria, como é o caso do metering de utilidade. Uma seleção cuidada do hardware e uma implementação pensada do software complementam-se para alcançar o consumo energético desejado. Uma análise ao consumo e desempenho do dispositivo é feita numa perspetiva comparativa dentro dos diferentes estágios de implementação. Existem seis destes estágios nesta dissertação: três relativos ao hardware e os outros três relativos ao software. No que diz respeito ao hardware, foi feita uma benchmark a partir de uma placa de desenvolvimento existente como primeiro estágio. Depois, duas placas customizadas foram desenvolvidas num processo iterativo. Quanto ao software, duas aplicações foram desenvolvidas e duas versões do código foram testadas. A primeira aplicação foi desenvolvida em baremetal e com freeRTOS, representando o primeiro e segundo estágio de implementação neste âmbito. O terceiro estágio foi o desenvolvimento da segunda aplicação, mais complexa, apenas em bare-metal. Com base nos resultados obtidos foi possível determinar alguns fatores chave para alcançar um dispositivo de baixo consumo. Adicionalmente, mais caminhos de investigação são propostos para que se consiga perceber melhor os perfis de consumo energético observados e melhorar o sistema no geral, tanto em termos de consumos como de longevidade.