Design and Implementation of Energy Efficient Narrowband IoT Sensor Platform

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2020-08-17
Department
Major/Subject
Translational Engineering
Mcode
ELEC3023
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
71
Series
Abstract
The emergence of connected embedded devices in consumer and industrial applications sets new requirements for low-cost and low-power data transmission methods. Many applications require long-range wireless connectivity and need to operate under limited battery capacity. There are many Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) technologies that attempt to provide solutions to this growing market segment. Narrowband Internet of Things (NB-IoT) is an emerging LPWAN technology that provides internet connectivity to resource-constrained devices using existing cellular network infrastructure. It provides a promising alternative for conventional and legacy cellular technologies, which have drawbacks in IoT use. In this thesis, an embedded system is developed that uses the NB-IoT as its radio interface. The system is developed while taking into account all of the details required for actual IoT deployments, such as device management, security, and reliability. Special attention is paid to optimizing the power consumption of the device to achieve longer battery life. Lightweight Machine to Machine (LwM2M) protocol that is suited for large-scale IoT deployments was selected as the communication protocol. It offers a standardized data format and device management functionality. The system is based on the STM32L476 microcontroller and the u-blox SARA-N211 NB-IoT modem. The result of this work is a maintainable and reliable software running on a hardware platform, which can be used as a base for customer applications. The system performance was evaluated in terms of power consumption and communication latency. The power consumption calculation was used to estimate the battery life of the device for a given battery size. The results of the performance measurements are used to evaluate the viability of NB-IoT technology for a given application, comparing it against other LPWAN alternatives.

Yhä useammat laitteet kuluttajien ja teollisuuden saralla voivat hyötyä internet-yhteydestä, joka asettaa uusia vaatimuksia kustannustehokkaille ja matalan virrankulutuksen tiedonsiirtomenetelmille. Monet näistä sovelluksista vaatii pitkän kantaman langatonta radioteknologiaa ja joka toimii rajatun akkukapasiteetin alla. Monet erilaiset Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) teknologiat pyrkivät luomaan ratkaisuja tälle kasvavalle markkinasektorille. Narrowband Internet of Things (NB-IoT) on uusi ja kasvava teknologia, joka tarjoaa internet-yhteyttä resurssirajoitetuille laitteille käyttäen olemassa olevaa matkapuhelinverkkoa. NB-IoT mahdollistaa tavallisten matkapuhelinverkkoteknologioiden korvaamisen paremmin IoT-sovelluksiin optimoidulla radioteknologialla. Tässä työssä on toteutettu NB-IoT radioteknologiaa käyttävä sulautettu järjestelmä. Järjestelmä on toteutettu ottaen huomioon realistiset vaatimukset IoT-järjestelmälle mukaan lukien tietoturva, laitehallinta ja laitteiden toimintavarmuuden takaaminen. Erityishuomiota on kiinnitetty kuitenkin laitteen virrankulutuksen minimointiin, jotta laitteen akunkestosta saataisiin mahdollisimman pitkä. Kommunikaatioprotokollaksi valittiin laajamittaisiin IoT sovelluksiin suunniteltu Lightweight Machine to Machine (LwM2M) protokolla, joka tarjoaa standardoidun tietoformaatin informaation siirtoon ja ominaisuuksia laitehallintaan. Toteutettu laite pohjautuu STM32L476 mikrokontrolleriin ja u-bloxin SARA-N211 NB-IoT modeemiin. Tämän työn tuloksena tehtiin hyvin ylläpidettävä ja luotettava sulautettu ohjelmisto. Tämä ohjelmisto toimii laitealustalla, jota voidaan käyttää pohjana asiakassovelluksissa. Laitteen suorituskyky arvioitiin sen tehonkulutuksen ja kommunikaatiossa ilmentyvän latenssin perusteella. Tehonkulutusmittausta käytettiin arvioimaan laitteen odotettu akunkesto tietyllä kapasiteetilla. Tätä tulosta käytetään arvioimaan NB-IoT:n käyttökelpoisuutta erilaisiin käyttökohteisiin, verraten sitä muihin LPWAN vaihtoehtoihin.
Description
Supervisor
Särkkä, Simo
Thesis advisor
Rosendahl, Toni
Keywords
embedded, microcontroller, IoT, Narrowband
Other note
Citation