Broker di dati 1NCE: Migliorare la durata della batteria su NB-IoT e LTE-M

La scelta di un protocollo di comunicazione adeguato che utilizzi le comunicazioni mobili NB-IoT e LTE-M (Cat M1) può contribuire in modo significativo a migliorare la durata dei sensori alimentati a batteria. Se configurati in modo ottimale, queste misure possono consentire un ulteriore risparmio energetico rispetto all'utilizzo dei soli intervalli di attività basati sulla rete tramite PSM o eDRX.

Serie di blog "Risparmio energetico in LPWAN cellulare"

Parte 1:

Possibilità e limiti di PSM ed eDRX

Parte 2:

Protocolli snelli per l'IoT: MQTT, CoAP e LwM2M

Parte 3: Broker di dati 1NCE: Migliorare la durata della batteria su NB-IoT e LTE-M

La 1NCE Connectivity Suite, parte integrante del plan IoT 1NCE IoT Lifetime Flat, automatizza molti importanti processi di onboarding e di comunicazione di un dispositivo IoT con il Cloud AWS. L'autenticazione, la configurazione e persino la scelta del protocollo di comunicazione possono essere realizzate senza alcun intervento manuale. Il Data Broker integrato traduce la classica comunicazione MQTT in protocolli più snelli per la comunicazione tra il dispositivo IoT e il cloud senza alcuno sforzo manuale. Ciò contribuisce a migliorare in modo significativo la durata della batteria dei sensori.

CoAP vs. MQTT: comunicare in modo più efficiente con il Data Broker 1NCE

Invece di MQTT, la Connectivity Suite funziona con protocolli più snelli come UDP, CoAP e, in futuro, LwM2M (vedi Parte 2) e funge sempre da intermediario tra il dispositivo e il cloud AWS per una comunicazione efficiente dal punto di vista energetico.

Fig.1 Comunicazione via CoAP anziché MQTT tra il dispositivo IoT e il cloud.

Per ridurre ulteriormente la quantità di dati e quindi il consumo energetico, la comunicazione tra il dispositivo IoT e la Connectivity Suite può essere convertita in dati binari. Questa conversione binaria riduce ulteriormente il carico utile e contribuisce ad aumentare il risparmio energetico.

Fig. 2: Riduzione del carico utile e risparmio energetico. La conversione binaria semplifica ulteriormente la comunicazione tra il dispositivo IoT e il cloud.

Analisi del consumo energetico tra CoAP e MQTT su NB-IoT e LTE-M.

Fin qui la teoria. Per verificarla nella pratica, abbiamo allestito una configurazione di prova per fornire un'analisi accurata del consumo energetico durante la trasmissione di dati con CoAP e MQTT su NB-IoT e LTE-M.

Per il nostro esperimento, utilizziamo un sistema FreeRTOS su un discovery kit STMicroelectronics B-L475E-IOT01A con core Arm Cortex-M4 con 1 MByte di memoria flash e 128 kByte di SRAM. La comunicazione avviene tramite il modulo cellulare Quectel BG-96.

Per la configurazione della demo, è possibile impostare la dimensione del payload, il formato del payload, il numero di messaggi e i ritardi opzionali per distinguere i diversi stati della connessione, come Handshake, Publish o Post, Disconnect.

Poiché FreeRTOS supporta solo il protocollo MQTT, abbiamo aggiunto le necessarie funzionalità CoAP al sistema operativo con l'aiuto di una libreria open-source (Lobaro CoAP).

Dopo aver attivato l'ambiente di test, abbiamo eseguito due scenari, ciascuno con l'onboarding del dispositivo, la creazione della connessione al cloud e l'invio di pacchetti di messaggi di dimensioni diverse, da 128 byte a 4 kByte. Una volta tramite MQTT su una connessione SSL all'AWS IoT Core e una volta tramite CoAP utilizzando il Data Broker 1NCE.

Consumo energetico: CoAP vs. MQTT su NB-IoT

Dopo aver eseguito l'ambiente di test su Narrowband IoT, i risultati sono chiari: il consumo di energia è in gran parte determinato dal tempo di trasmissione. Si nota un aumento significativo per i payload di 500 byte o superiori.

L'utilizzo di CoAP con il Data Broker 1NCE riduce il consumo energetico tra il 13,9 e il 47,6%, a seconda del carico utile. I payload più piccoli possono essere ottimizzati meglio. Questa riduzione è dovuta principalmente all'uso dei trasferimenti UDP, poiché, a differenza del TCP, non è necessario attendere la conferma di ricezione da parte del server.

Tuttavia, il risparmio maggiore, fino al 75,3%, si ottiene solo aggiungendo la traduzione binaria. Si nota che la traduzione binaria è vantaggiosa soprattutto con payload più grandi. Con piccoli payload di 128 byte, il risparmio è "solo" del 48,5%, cioè solo circa lo 0,9% in più rispetto a chi non effettua la conversione binaria. Oltre i 500 byte, il consumo energetico non aumenta in modo significativo.

Consumo energetico: CoAP vs. MQTT su LTE-M (CAT M1)

Il confronto tra CoAP e MQTT su LTE-M (LTE CAT M1) mostra un quadro simile. Anche in questo caso, il consumo energetico è determinato in larga misura dal tempo di trasmissione dei dati.

Questa configurazione mostra anche che l'uso della conversione binaria porta ai maggiori risparmi. Se i dati CoAP vengono trasmessi in formato binario, è possibile risparmiare fino al 47,5% di energia durante la trasmissione dei dati rispetto a MQTT. Questo dimostra anche che l'uso della traduzione binaria può essere utile, soprattutto per i payload più grandi.

Conclusioni

In sintesi, la velocità è fondamentale per ottenere il massimo risparmio energetico nella comunicazione tra i dispositivi IoT e il cloud. Quanto più velocemente possono essere eseguite le singole operazioni, tanto meglio.

L'uso di protocolli snelli riduce significativamente i tempi di trasmissione grazie al minor volume di dati. Questo risparmio diventa ancora più significativo quando si utilizzano set di dati binari. Ciò significa che il risparmio è particolarmente efficace per i pacchetti di dati significativamente più grandi.

Se si combinano tutte le opzioni disponibili, come la modalità di risparmio energetico, il protocollo CoAP e la traduzione binaria, la durata della batteria può essere significativamente prolungata di diversi mesi, a seconda del dispositivo e dell'applicazione. Estrapolando il consumo energetico, la configurazione di prova nella nostra dimostrazione avrebbe ottenuto un'autonomia superiore di quasi otto mesi.

Ma anche singolarmente, è possibile ottenere miglioramenti significativi nel consumo energetico con i metodi di risparmio energetico basati sulla rete e con il Data Broker 1NCE.