1NCE Data Broker: Mejora de la duración de la batería en NB-IoT y LTE-M

La elección de un protocolo de comunicación adecuado mediante comunicaciones móviles NB-IoT y LTE-M (Cat M1) puede contribuir significativamente a mejorar la vida útil de los sensores alimentados por batería. Configuradas de forma óptima, estas medidas pueden lograr un ahorro de energía adicional al utilizar únicamente intervalos de actividad basados en la red a través de PSM o eDRX.

Serie de blogs "Ahorro de energía en LPWAN móvil"

Parte 1:Posibilidades y limitaciones de PSM y eDRX
Parte 2:Protocolos ligeros para el IoT: MQTT, CoAP y LwM2M
Parte 3: 1NCE Data Broker: Mejora de la duración de la batería en NB-IoT y LTE-M

1NCE Connectivity Suite, una parte integrada de 1NCE IoT Lifetime Flat, automatiza muchos procesos importantes de incorporación y comunicación de un dispositivo IoT a la nube de AWS. La autenticación, la configuración e incluso la elección del protocolo de comunicación pueden realizarse sin mucha intervención manual. El intermediario de datos integrado traduce la comunicación MQTT clásica a protocolos más sencillos para la comunicación entre el dispositivo IoT y la nube sin necesidad de mucho esfuerzo manual. Esto ayuda a mejorar significativamente la duración de la batería de los sensores.
CoAP frente a MQTT: Comuníquese de forma más eficiente con el Data Broker de 1NCE

En lugar de MQTT, Connectivity Suite trabaja con protocolos más sencillos como UDP, CoAP y, en el futuro, LwM2M (véase la parte 2) y actúa siempre como intermediario entre el dispositivo y la nube de AWS para una comunicación eficiente desde el punto de vista energético.

Fig.1 Comunicación mediante CoAP en lugar de MQTT entre el dispositivo IoT y la nube.

Para reducir aún más la cantidad de datos y, por tanto, el consumo de energía, la comunicación entre el dispositivo IoT y Connectivity Suite puede convertirse en datos binarios. Esta conversión binaria reduce aún más la carga útil y contribuye a un mayor ahorro de energía.

Fig. 2: Reducción de la carga útil y ahorro de energía. La conversión binaria agiliza aún más la comunicación entre el dispositivo IoT y la nube.

Análisis del consumo de energía entre CoAP y MQTT en NB-IoT y LTE-M.

Hasta aquí la teoría. Para verificarlo en la práctica, hemos creado una configuración de prueba para proporcionar un análisis preciso del consumo de energía cuando se transmiten datos utilizando CoAP y MQTT sobre NB-IoT y LTE-M.

Para nuestro experimento, utilizamos un sistema FreeRTOS en un kit de descubrimiento STMicroelectronics B-L475E-IOT01A con núcleo Arm Cortex-M4 con 1 MByte de memoria flash y 128 kBytes de SRAM. La comunicación se realiza mediante el módulo celular Quectel BG-96.

Dado que FreeRTOS sólo soporta el protocolo MQTT, hemos añadido la funcionalidad CoAP necesaria al sistema operativo con la ayuda de una biblioteca de código abierto (Lobaro CoAP ).

Después de activar el entorno de pruebas, ejecutamos dos escenarios cada uno con el dispositivo onboarding, la creación de la conexión a la nube y el envío de paquetes de mensajes de diferentes tamaños desde 128 bytes hasta 4 kBytes. Una vez vía MQTT sobre una conexión SSL al AWS IoT Core y otra vía CoAP utilizando el 1NCE Data Broker.

Consumo de energía: CoAP frente a MQTT en NB-IoT

Después de ejecutar el entorno de prueba en Narrowband IoT, los siguientes resultados son claros: El consumo de energía está determinado en gran medida por el tiempo de transmisión. Se observa un aumento significativo para cargas útiles de 500 bytes o más.

El uso de CoAP con 1NCE Data Broker reduce el consumo de energía entre un 13,9 y un 47,6%, dependiendo de la carga útil. Las cargas útiles más pequeñas pueden optimizarse mejor. Esta reducción se debe principalmente al uso de transferencias UDP, ya que, a diferencia de TCP, no es necesario esperar un acuse de recibo del servidor.

Sin embargo, el mayor ahorro, de hasta el 75,3%, sólo puede lograrse añadiendo la traducción binaria. Aquí se aprecia que la traducción binaria resulta especialmente rentable con cargas útiles mayores. Con cargas útiles pequeñas de 128 bytes, el ahorro es de "sólo" el 48,5%, es decir, sólo un 0,9% mejor que sin conversión binaria. Por encima de 500 bytes, apenas hay un aumento significativo del consumo de energía.

Consumo de energía: CoAP frente a MQTT en LTE-M (CAT M1)

Una comparación de CoAP y MQTT en LTE-M (LTE CAT M1) muestra una imagen similar. También en este caso el consumo de energía viene determinado en gran medida por el tiempo de transmisión de los datos.

La mayor diferencia entre NB-IoT y LTE-M radica en los anchos de banda máximos posibles. Para NB-IoT es de 128 kbit/s mientras que para LTE-M con 1NCE hasta 1 Mbit/s. LTE-M también es capaz de pasar conexiones entre diferentes células de radio sin interrupción y sin tener que restablecer la conexión. LTE-M consume algo más de energía, pero es especialmente adecuado para el despliegue de soluciones IoT móviles, como el seguimiento de activos.

En comparación con MQTT, conseguimos un ahorro de energía de entre el 13,3 y el 27,6% en nuestro entorno de pruebas con CoAP. También en este caso, el tamaño de la carga útil es decisivo para el grado de ahorro. Cuanto menor es la carga útil, mayor es el ahorro.

Esta configuración también muestra que el uso de la conversión binaria supone el mayor ahorro. Si los datos CoAP se transmiten en binario, se puede ahorrar hasta un 47,5% de energía durante la transmisión de datos en comparación con MQTT. Esto también demuestra que el uso de la conversión binaria puede merecer la pena, especialmente para cargas útiles más grandes.

Conclusión

En resumen, la velocidad es crucial para conseguir el máximo ahorro de energía en la comunicación entre los dispositivos IoT y la nube. Cuanto más rápidas sean las operaciones individuales, mejor.

El uso de protocolos "lean" acorta significativamente los tiempos de transmisión debido al menor volumen de datos. Este ahorro se hace aún más significativo cuando se utilizan conjuntos de datos binarios. Esto significa que el ahorro es especialmente efectivo en el caso de paquetes de datos considerablemente grandes.

Si se combinan todas las opciones disponibles, como el modo de ahorro de energía, el protocolo CoAP y la traducción binaria, la duración de la batería puede prolongarse significativamente varios meses, dependiendo del dispositivo y la aplicación. Extrapolando el consumo de energía, la configuración de prueba de nuestra demostración habría logrado hasta casi ocho meses más de autonomía.

Pero incluso individualmente, se pueden conseguir mejoras significativas en el consumo de energía con los métodos de ahorro de energía basados en la red, así como con el 1NCE Data Broker.

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