IoT Integrator da 1NCE OS: o protocolo IoT aumenta a duração da bateria em NB-IoT e LTE-M
A escolha de um protocolo de comunicação adequado por meio de comunicações móveis NB-IoT e LTE-M (Cat M1) pode contribuir significativamente para melhorar a vida útil dos sensores alimentados por bateria. Configuradas de forma otimizada, essas medidas podem gerar economias de energia adicionais relativamente ao uso apenas de intervalos de atividade baseados em rede via PSM ou eDRX.
Série de artigos sobre a "Economia de energia em LPWAN celular"
Parte 3: Integrador de IoT do sistema operacional 1NCE: Aumentando a vida útil da bateria em NB-IoT e LTE-M
O 1NCE Connectivity Suite, uma parte integrada do 1NCE IoT Lifetime Flat, automatiza muitos processos de integração e comunicação de um dispositivo IoT com a nuvem da AWS. A autenticação, a configuração e até mesmo a escolha do protocolo de comunicação podem ser realizadas sem muita intervenção manual. O Integrador de IoT traduz a comunicação MQTT clássica em protocolos mais simples para a comunicação entre o dispositivo de IoT e a nuvem, também sem muito esforço manual. Isso ajuda a aumentar significativamente a vida útil da bateria dos sensores.
CoAP vs. MQTT: comunique-se de forma mais eficiente com o IoT Integrator da 1NCE OS
Em vez de MQTT, o Connectivity Suite funciona com protocolos mais simples, como UDP, CoAP e, futuramente, LwM2M (consulte a Parte 2), e está sempre atuando como intermediário entre o dispositivo e a nuvem da AWS para uma comunicação com eficiência energética.
Para reduzir ainda mais a quantidade de dados e, portanto, o consumo de energia, a comunicação entre o dispositivo IoT e o Connectivity Suite pode ser convertida em dados binários. Essa conversão binária reduz ainda mais a carga útil e contribui para aumentar a economia de energia.
Análise do consumo de energia entre CoAP e MQTT em NB-IoT e LTE-M.
Até aqui, é teoria. Para verificar isso, na prática, montamos uma configuração de teste para fornecer uma análise precisa do consumo de energia ao transmitir dados usando CoAP e MQTT em NB-IoT e LTE-M.
No teste, usamos um sistema FreeRTOS em um kit de descoberta STMicroelectronics B-L475E-IOT01A com núcleo Arm Cortex-M4 com 1 MByte de memória flash e 128 kBytes de SRAM. A comunicação é feita pelo módulo celular Quectel BG-96.
Para a configuração da demonstração, o tamanho da carga útil, o formato da carga útil, o número de mensagens e os atrasos opcionais podem ser definidos para distinguir entre diferentes estados de conexão, como Handshake, Publish ou Post, Disconnect.
Como o FreeRTOS é compatível apenas com o protocolo MQTT IoT, adicionamos a funcionalidade CoAP IoT necessária ao sistema operacional com a ajuda de uma biblioteca de código aberto (Lobaro CoAP).
Depois de ativar o ambiente de teste, executamos dois cenários, cada um com a integração do dispositivo, a criação de conexão com a nuvem e o envio de pacotes de mensagens de diferentes tamanhos, de 128 bytes a 4 kBytes. Uma vez via MQTT em uma conexão SSL com o AWS IoT Core e outra via CoAP usando o IoT Integrator da 1NCE OS.
Consumo de energia: CoAP vs. MQTT na NB-IoT
Depois de executar o ambiente de teste na IoT de banda estreita, os resultados ficaram claros: o consumo de energia é amplamente determinado pelo tempo de transmissão. Um aumento significativo pode ser observado em cargas úteis de 500 bytes ou mais.
O uso do CoAP com o IoT Integrator de 1NCE OS reduz o consumo de energia entre 13,9 e 47,6%, dependendo da carga útil. As cargas úteis menores podem ser mais bem otimizadas. Essa redução se deve principalmente ao uso de transferências UDP, pois, diferentemente do TCP, não há necessidade de esperar por uma confirmação de recebimento do servidor.
No entanto, a maior economia, de até 75,3%, só pode ser obtida com a adição da tradução binária. É perceptível que a tradução binária é compensada especialmente com cargas úteis maiores. Com cargas pequenas de 128 bytes, a economia é de "apenas" 48,5%, ou seja, apenas cerca de 0,9% melhor do que sem a conversão binária. Acima de 500 bytes, não há praticamente nenhum aumento significativo no consumo de energia.
Consumo de energia: CoAP vs. MQTT em LTE-M (CAT M1)
Uma comparação entre CoAP e MQTT em LTE-M (LTE CAT M1) mostra um quadro semelhante. Aqui, também, o consumo de energia é amplamente determinado pelo tempo de transmissão dos dados.
A maior diferença entre a NB-IoT e a LTE-M está nas larguras de banda máximas possíveis. Para o NB-IoT, é de 128 kbit/s, enquanto para o LTE-M com 1NCE é de até 1 Mbit/s. A LTE-M também é capaz de transmitir conexões entre diferentes células de rádio sem interrupção e sem a necessidade de restabelecer a conexão. O LTE-M consome um pouco mais de energia, mas é particularmente adequado para a implantação de soluções de IoT móvel, como o rastreamento de ativos.
Em comparação com o MQTT, conseguimos uma economia de energia entre 13,3 e 27,6% em nosso ambiente de teste com CoAP. Também nesse caso, o respectivo tamanho da carga útil é decisivo para o grau de economia. Quanto menor a carga útil, maior a economia.
Essa configuração também mostra que o uso da conversão binária leva à maior economia. Se os dados CoAP forem transmitidos em binário, é possível economizar até 47,5% de energia durante a transmissão de dados em comparação com o MQTT. Isso também mostra que o uso da conversão binária pode valer a pena, especialmente para cargas úteis maiores.
Conclusão
Em resumo, a velocidade é fundamental para a economia máxima de energia na comunicação entre os dispositivos de IoT e a nuvem. Quanto mais rápido as operações individuais puderem ser realizadas, melhor.
O uso de protocolos enxutos reduz significativamente os tempos de transmissão devido ao menor volume de dados. Essa economia é ainda mais significativa quando são usados conjuntos de dados binários. Isso significa que a economia é particularmente eficaz para pacotes de dados significativamente maiores.
Se todas as opções disponíveis, como o modo de economia de energia, o protocolo CoAP e a tradução binária, forem combinadas, a vida útil da bateria poderá ser estendida significativamente por vários meses, dependendo do dispositivo e do aplicativo. Extrapolando o consumo de energia, a configuração de teste na nossa demonstração teria alcançado até quase oito meses a mais de tempo de execução.
Mas, mesmo individualmente, é possível obter melhorias significativas no consumo de energia com os métodos de economia de energia baseados em rede, bem como com o Integrator de 1NCE OS.
Leia também: Design de dispositivos IoT: como obter o máximo desempenho.