Development of a low-power NB-IoT device for remote environment monitorization

Abstract

IoT é um conceito cada vez mais presente nas mais diversas áreas, sendo crescente o seu interesse para diferentes aplicações de monitorização. Por vezes, os ambientes que se pretendem monitorizar são remotos e de difícil acesso, precisando certos de cuidados para que seja exequível a sua monitorização. O projeto Link4S tem como um dos seus objetivos responder a esta necessidade da maneira mais eficiente possível, sendo imprescindível que haja uma boa cobertura de rede e que a duração da bateria seja longa. As LPWAN são uma boa solução para a problemática da cobertura de rede com bom trade-off entre o alcance e o consumo de energia. Mais concretamente, as soluções Narrowband-IoT (NB-IoT) de baixa potência surgem como possível resposta à necessidade de grande durabilidade de bateria. Posto isto, existem diversos modems comerciais que fazem uso da tecnologia NB-IoT e existem também di ferentes MCUs que trarão diferentes vantagens e desvantagens, quer em termos de performance quer em termos de consumos de energia. Estas variantes e o seu impacto no desenvolvimento de um dispositivo IoT de reduzido consumo de energia com recurso a comunicação sem fios NB-IoT para aplicações de monitorização é o que se pretende avaliar nesta dissertação. Para isso é feito o refactoring do código Link4S já existente para funcionar com a nova placa e modem Murata Type1SE, que se diferencia por ter o STM32L462RE (MCU) integrado e também ter a possibilidade de trabalhar com eSIM. Este novo módulo é testado como parte de um Discovery Kit. Ainda no contexto desta dissertação, foi feito o design e de uma nova PCB customizada para acomodar este mesmo módulo, na qual funcionará a mesma aplicação, pois é esperado que o seu consumo de energia seja menor.

Internet of Things(IoT) is a concept that is increasingly present in the most diverse areas, and its interest in different monitoring applications is growing. Sometimes, the environments to be monitored are remote and difficult to access, requiring a series of steps to ensure monitoring is feasible. One of LinK4S’ goals is to respond to this need in the most efficient way possible, since it is essential that there is a good network range and that the battery life is long. LPWANs are the solution to network problems with the best trade-off between range and energy consumption. More specifically, low-power Narrowband-IoT (NB-IoT) solutions emerge as a possible answer to the need for high-energy durability. That said, there are several modems that make use of NB-IoT technology, and there are also different MCUs that will bring different advantages and disadvantages, either in terms of performance or in terms of energy consumption. These variants and their impact on the development of a low-power NB-IoT device for monitoring applications are what we intend to evaluate in this dissertation. Regarding this, the existing Link4S code is refactored to work with the new Murata Type1SE modem, which is different from the previous work as it has the STM32L462RE (MCU) integrated and also has the possibility of working with eSIM. This new module is tested as part of a Discovery Kit. A new and customized PCB is designed to accommodate this same module and run the same application, in the context of this dissertation, as it is expected to be less energy consuming.