Design, development and performance evaluation of ultra low-power wireless sensor network devices

Abstract

Energy-efficiency in the domain of Internet-of-Things (IoT) dominates the interest of the research community. In most real-world applications, sensors are battery operated, facing the inherent constraint of life duration that is solely dependent on the battery's remaining charge and the node's power profile. A common approach for saving energy in sensor networks is the duty-cycle concept, since overhearing and idle listening are major sources of energy wastage. As a matter of fact, current consumption in idle state is roughly equal to the energy required for receiving a packet through the radio. To this end, sensor nodes are configured to enter a low-power mode, the so-called sleep state, in order to save as much energy as possible during their inactive periods. The sleep state is interrupted by short, burst events, where sensors sense, process and propagate data. It might seem reasonable to neglect energy consumption in the sleep state, since more than three orders of magnitude separate current consumption in sleep and active states. However, given the fact that typical sensor applications operate at quite low duty-cycles ranging from 0.01 % to 1 %, it is expected that both states account for the systems' power budget expenditure. Notably, sleep current is usually in the order of a few μA, which suggests that substantial energy savings can be attained. Apparently, the aforementioned IoT devices feature extreme dynamic range in their power consumption profile, which is rather challenging when it comes to evaluate their behavior, in order to develop energy-efficient schemes and algorithms.A key enabler for studying the behavior of IoT technologies is the creation of a large-scale setup that consist of several individual nodes deployed under realistic conditions, in order to extract as accurate insights as possible. Ideally, the aforementioned setup must be remotely configurable in order to support the execution of different scenarios to aid in the assessment of the under consideration technologies. Over the last years new IoT Low-Power WAN (LPWAN) technologies, such as the LoRa standard have been introduced that promise exceptional communication ranges due to their extremely high sensitivity thresholds.The fundamental questions that we try to answer are the following: 1) Can we apply novel methods in order to drop the power consumption of the state-of-the-art sensors towards extending their life duration on a single charge battery? 2) Can we develop asynchronous networks for awaking specific network's nodes wirelessly in order to surpass the barriers created by the adoption of the duty-cycle concept? 3) Moreover, how is it possible to accurately measure and characterize the power consumption profile of IoT nodes that present wide dynamic range drawing from a few nA when inactive to several mA when being fully activated? and/or to create relevant infrastructure for allowing the power consumption evaluation of relative networking systems? 4) Lastly, how can we evaluate the performance of the recently introduced IoT Low-Power WAN technologies such as the LoRa standard, while also exploit its capabilities so as to aid in the development of application scenarios that require long-range communication standards?Initially, we begin by illustrating a novel power management architecture towards eliminating the power draw of duty-cycled IoT sensing devices during inactive periods. Our principle suggests the employment of an off-chip Real-Time-Clock (RTC) configured to control the power supply of the under consideration mote, by enabling or disabling its power in a power-gating fashion. The selected RTC features an ultra-low power profile and it is the only module that remains powered during sleep, hence the overall mote's consumption is substantially diminished. The proposed principle can be adopted by any commercial or prototyping IoT mote, in order to extend the life expectancy of battery-powered applications, by pushing sleep currents an order of magnitude lower. We remark that the cost of the proposed system is less than 3 euros, while the complexity of the suggested circuitry is trivial. Direct comparison of power draw in sleep state with state-of-the-art sensors illustrates improvements of roughly 98 % - 99.8 }, while we demonstrate that the life expectancy of the same motes can be prolonged from 2.7 years to 19 years under specific duty-cycles.Following this, we focus on asynchronous awakenings in sensor networks towards surpassing the limitations presented in duty-cycled applications. To this end, we propose a new scheme for semi-passive Wake-Up Receiver circuits that attains remarkable sensitivity beyond -70 dBm, while the state-of-the-art receivers illustrate sensitivity of up to -55 dBm. The receiver employs the typical principle of an envelope detector that harvests RF energy from its antenna, while it employs a nano-power operation amplifier to intensify the obtained signal prior to the final decoding that is realized with the aid of a comparator circuit. It operates at the 868 MHz ISM band using OOK signals propagated through LoRa transceivers, while also supporting addressing capabilities in order to awake only the specified network's nodes. The power expenditure of the developed receiver is as low as 580 nA, remaining at the same power consumption levels as the state-of-the-art implementations.As our next step, measuring the power expenditure of sensing devices that illustrate a wide current range. Our meter features an auto-ranging shunt-resistor switch that supports ultra-fast alternations of 10 ns, formed with the aid of high-speed comparators, that can successfully adapt to any sharp transition. Moreover, a high-speed Analog-to-Digital Converter (ADC) with multiple inputs is employed to simultaneously monitor the shunt-resistors, delivering a speed of 150 kSamples/s at 16 bit resolution. The proposed meter can be leveraged for the real-time, as well as the long-term monitoring of IoT devices with its cost being less than 90 euros. Furthermore, the proposed system can actuate or trace state alternations on I/O pins with a maximum delay of 2 μs, in order to provide correlation capabilities with the obtained power measurements. The eProfiler features a wide dynamic range of 1.000.000:1 while also being able to monitor currents of a few nA. The average obtained error of the meter is 0.45 %, with a maximum error of 1.6 %.Next we present a LoRa based city-scale testbed that employs several sensing devices scattered across the urban area to characterize air quality and weather conditions in real-time. The installation is augmented through a custom link quality evaluation framework that continuously monitors the Packet Delivery Ratio versus RSSI relation to characterize the performance of LoRa standard under realistic conditions. Experimental results, collected over a period of 2 months, efficiently analyze LoRa's performance across a wide range of protocol configurations. Finally, we also present in-lab experiments that characterize the efficiency of LoRa modules in terms of power and energy efficiency per bit, along with valuable insights aimed at the development of energy efficient protocol improvements.We follow by presenting the NITOS BikesNet platform, a city-scale mobile sensing infrastructure that relies on bicycles of volunteer users. The BikesNet employs a custom-built embedded node that can be equipped with different types of sensors, and which can be easily mounted on a bicycle in order to opportunistically collect environmental and WiFi measurements in different parts of the city. Experimenters can remotely reserve and control the sensor nodes on bicycles as well as collect/visualize their measurements via the OMF/OML framework, which was extended in order to handle the intermittent connectivity and disconnected operation of the mobile nodes. We also provide a performance analysis of our node prototype in terms of sensing latency, end-to-end data transmission capability and power consumption, and report on a first experiment that was performed using the NITOS BikesNet in the city of Volos, Greece.The next part of our work is focused on the domain of the underwater sensor networks, in which energy efficient operation is of crucial importance. More specifically, we introduce the EVERUN power monitoring framework, consisting of hardware and software components.We integrate the developed system into the Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) of the SUNRISE underwater testbed, towards evaluating their operation in terms of energy efficiency. Through the execution of a wide set of experiments under realistic conditions, we highlighted the limitations of model-based energy evaluation tools and characterized the energy efficiency performance of key protocols and mechanisms. The accuracy of the collected power data, along with the interesting derived findings, verified the applicability of our approach in evaluating the energy efficiency performance of proposed solutions.Finally, we present a novel architecture for enabling on-line communication with marine environment monitoring deployments. To this aim, we rely on a set of communication technologies that range from IoT related low data rate communication standards to the widely adopted WiFi and LTE protocols that are able to support bandwidth demanding applications. To achieve energy-efficient operation we turn off all the power-hungry interfaces and peripherals exploiting the power-gating method, while we retain active a low-power long-range interface (LoRa standard), dedicated to control the rest of the components.

Η ενεργειακή απόδοση στον τομέα του Internet-of-Things (IoT) κυριαρχεί στο ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας. Στις περισσότερες πραγματικές εφαρμογές, οι αισθητήρες λειτουργούν με μπαταρία, αντιμετωπίζοντας τον εγγενή περιορισμό της διάρκειας ζωής που εξαρτάται αποκλειστικά από το υπόλοιπο φορτίο της μπαταρίας και το ενεργειακό προφίλ του κόμβου. Μια κοινή προσέγγιση για εξοικονόμηση ενέργειας στα δίκτυα αισθητήρων είναι η μέθοδος του duty-cycle, καθώς ο μεγάλος βαθμός αδρανούς ακρόαση (idle listening) είναι μια σημαντική πηγή σπατάλης ενέργειας. Στην πραγματικότητα, η κατανάλωση ρεύματος σε κατάσταση αδράνειας είναι περίπου ίση με την ενέργεια που απαιτείται για τη λήψη ενός πακέτου. Για τον λόγο αυτόν, οι κόμβοι αισθητήρων έχουν σχεδιαστεί έτσι, ώστε να εισέρχονται σε λειτουργία χαμηλής κατανάλωσης, την αποκαλούμενη κατάσταση ύπνου (sleep state), προκειμένου να εξοικονομήσουν όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια των ανενεργών περιόδων τους. Η κατάσταση ύπνου διακόπτεται από πολύ σύντομα συμβάντα, όπου οι αισθητήρες αισθάνονται, επεξεργάζονται και μεταδίδουν δεδομένα. Μπορεί να φαίνεται λογικό η κατανάλωση ενέργειας στην κατάσταση ύπνου να θεωρηθεί αμελητέα, εφόσον περισσότερες από δύο με τρείς τάξεις μεγέθους διαχωρίζουν την κατανάλωση ρεύματος στην κατάσταση ύπνου και την ενεργή. Ωστόσο, δεδομένου του γεγονότος ότι οι τυπικές εφαρμογές αισθητήρων λειτουργούν σε αρκετά χαμηλά duty-cycles που κυμαίνονται από 0.01 % έως 1 %, αναμένεται ότι και οι δύο καταστάσεις επιδρούν σημαντικά στη συνολική κατανάλωση ενέργειας του συστήματος. Συγκεκριμένα, το ρεύμα κατά την διάρκεια του ύπνου είναι συνήθως της τάξης μερικών μA, πράγμα που υποδηλώνει ότι μπορεί να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι προαναφερθείσες συσκευές IoT διαθέτουν πολύ μεγάλο δυναμικό εύρος στο προφίλ κατανάλωσης ενέργειάς τους, το οποίο καθιστά αρκετά δύσκολη την αξιολόγηση της συμπεριφοράς τους, προκειμένου να αναπτυχθούν ενεργειακά αποδοτικά σχήματα και αλγόριθμοι. Ένας βασικός παράγοντας για τη μελέτη της συμπεριφοράς των τεχνολογιών IoT είναι η δημιουργία μιας πειραματικής υποδομής μεγάλης κλίμακας που αποτελείται από διάφορους μεμονωμένους κόμβους που έχουν παραταχθεί σε ρεαλιστικές συνθήκες, προκειμένου να εξαχθούν όσο το δυνατόν πιο ακριβείς πληροφορίες. Ιδανικά, η προαναφερθείσα εγκατάσταση πρέπει να μπορεί να ρυθμιστεί εξ’ αποστάσεως προκειμένου να υποστηρίζει την εκτέλεση διαφορετικών σεναρίων, βοηθώντας στην αξιολόγηση των τεχνολογιών που βρίσκονται υπό εξέταση. Τα τελευταία χρόνια έχουν παρουσιαστεί νέες Low-Power WAN (LPWAN) IoT τεχνολογίες, με την τεχνολογία LoRa να ξεχωρίζει, η οποία υπόσχεται εξαιρετική εμβέλεια επικοινωνίας λόγω των υψηλών ορίων ευαισθησίας που υποστηρίζει.Οι θεμελιώδεις ερωτήσεις που προσπαθούμε να απαντήσουμε είναι οι εξής: 1) Μπορούμε να εφαρμόσουμε νέες μεθόδους για να μειώσουμε την κατανάλωση ενέργειας των σύγχρονων αισθητήρων για την παράταση της διάρκειας ζωής τους σε μπαταρία μίας φόρτισης; 2) Μπορούμε να αναπτύξουμε ασύγχρονα δίκτυα για την ασύρματη αφύπνιση συγκεκριμένων κόμβων του δικτύου, προκειμένου να ξεπεράσουμε τα εμπόδια που δημιουργούνται από την υιοθέτηση της μεθόδου λειτουργίας με duty-cycle; 3) Επιπλέον, πώς είναι δυνατόν να μετρήσουμε και να χαρακτηρίσουμε με ακρίβεια το προφίλ κατανάλωσης ενέργειας των κόμβων IoT που παρουσιάζουν μεγάλο δυναμικό εύρος που κυμαίνεται από λίγα nA όταν είναι ανενεργά σε αρκετά mA όταν είναι πλήρως ενεργά; ή/και να δημιουργήσουμε τη σχετική υποδομή που θα επιτρέψει την αξιολόγηση της κατανάλωσης ενέργειας των σχετικών συστημάτων δικτύωσης; 4) Τέλος, μπορούμε να αξιολογήσουμε την απόδοση των πρόσφατων τεχνολογιών IoT Low-Power WAN όπως το πρότυπο LoRa; αξιοποιώντας παράλληλα τις δυνατότητές του, ώστε να βοηθήσουν στην ανάπτυξη σεναρίων εφαρμογών μεγάλης εμβέλειας;Αρχικά, ξεκινάμε παρουσιάζοντας μια καινοτόμα αρχιτεκτονική διαχείρισης ενέργειας προς την εξάλειψη της κατανάλωσης ενέργειας των duty-cycled IoT συσκευών κατά τη διάρκεια των ανενεργών περιόδων. Το σχέδιό μας προτείνει τη χρήση ενός off-chip Real-Time-Clock (RTC) που χρησιμοποιείτε για τον έλεγχο της τροφοδοσίας του υπό εξέταση κόμβου-αισθητήρα, ενεργοποιώντας ή απενεργοποιώντας την παροχή ενέργειας του με τη μέθοδο του power-gating. Το επιλεγμένο RTC διαθέτει εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωση ενέργειας και είναι η μόνη μονάδα που παραμένει ενεργοποιημένη κατά τη διάρκεια του ύπνου, επομένως η συνολική κατανάλωση του κόμβου μειώνεται σημαντικά. Η προτεινόμενη αρχή μπορεί να υιοθετηθεί από οποιονδήποτε εμπορικό ή πρωτότυπο IoT κόμβο, προκειμένου να επεκταθεί το προσδόκιμο ζωής των εφαρμογών που χρειάζονται μπαταρία, ωθώντας τα ρεύματα κατά τον ύπνο μία τάξη μεγέθους χαμηλότερα. Επισημαίνουμε, ότι το κόστος του προτεινόμενου συστήματος είναι μικρότερο από 3 ευρώ, ενώ η πολυπλοκότητα του κυκλώματος είναι ιδιαιτέρως μικρή. Η άμεση σύγκριση της κατανάλωσης ενέργειας σε κατάσταση sleep state με άλλους state-of-the-art αισθητήρες δείχνει βελτιώσεις περίπου κατά 98 % - 99.8 %, ενώ αποδεικνύουμε ότι το προσδόκιμο ζωής των ίδιων κόμβων μπορεί να παραταθεί από 2.7 έτη σε 19 έτη σε συγκεκριμένα duty-cycles.Στη συνέχεια, εστιάζουμε στις ασύγχρονες αφυπνίσεις στα δίκτυα αισθητήρων για την υπέρβαση των περιορισμών που παρουσιάζονται στις duty-cycled εφαρμογές. Για το σκοπό αυτό, προτείνουμε ένα νέο σχήμα για semi-passive Wake-Up Receiver που εμφανίζει αξιοσημείωτη ευαισθησία, κάτω των -70 dBm, ενώ οι σύγχρονοι δέκτες απεικονίζουν ευαισθησία έως και -55 dBm. Ο προτεινόμενος δέκτης χρησιμοποιεί την τυπική αρχή ενός envelope detector που συλλέγει ενέργεια RF από την κεραία του, ενώ χρησιμοποιεί έναν ενισχυτή λειτουργίας νάνο-ισχύος για να εντείνει το ληφθέν σήμα πριν από την τελική αποκωδικοποίηση που πραγματοποιείται με τη βοήθεια ενός κυκλώματος συγκριτή (comparator circuit). Λειτουργεί στη ζώνη 868 MHz ISM χρησιμοποιώντας OOK σήματα που διαδίδονται μέσω των πομποδεκτών τεχνολογίας LoRa, ενώ υποστηρίζει επίσης δυνατότητα αντιστοίχισης διευθύνσεων (address matching) για να ξυπνήσει μόνο καθορισμένους κόμβους του δικτύου. Η κατανάλωση ενέργειας του ανεπτυγμένου δέκτη είναι πολύ χαμηλή, έως και τα 580 nA, παραμένοντας στα ίδια επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας με τις σύγχρονες υλοποιήσεις.Το επόμενο βήμα μας είναι η μέτρηση της κατανάλωσης ενέργειας IoT συσκευών που παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα κατανάλωσης. Για τον λόγο αυτό παρουσιάζουμε τον eProfiler, ένα μετρητή που διαθέτει έναν αυτόματο διακόπτη αντιστάσεων (auto-ranging shunt-resistor switch) που υποστηρίζει εξαιρετικά γρήγορες εναλλαγές των 10 ns, που διαμορφώνονται με τη βοήθεια συγκριτών υψηλής ταχύτητας, που μπορούν να προσαρμοστούν επιτυχώς σε οποιαδήποτε απότομη μετάβαση. Επιπλέον, χρησιμοποιείται ένας Analog-to-Digital Converter (ADC) με πολλαπλές εισόδους για την ταυτόχρονη παρακολούθηση των αντιστάσεων, παρέχοντας ταχύτητα 150 kSamples/s σε ανάλυση 16 bit. Ο προτεινόμενος μετρητής μπορεί να αξιοποιηθεί για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, αλλά και για πειράματα μακράς διάρκειας ενώ το κόστος του δεν ξεπερνά τα 90 ευρώ. Επιπλέον, το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να ενεργοποιήσει ή να εντοπίσει εναλλαγές κατάστασης σε I/O pins με μέγιστη καθυστέρηση 2 μs, προκειμένου συσχετιστούν διάφορα περιστατικά (events) με τις μετρήσεις κατανάλωσης ενέργειας για την εξαγωγή ακριβών συμπερασμάτων. Ο eProfiler διαθέτει ένα ευρύ εύρος μετρήσεων 1.000.000:1, ενώ παράλληλα μπορεί να μετρήσει ρεύματα μερικών nA. Το μέσο σφάλμα του μετρητή είναι 0.45 %, με το μέγιστο σφάλμα να μην ξεπερνά το 1.6 %.Στη συνέχεια παρουσιάζουμε μια πειραματική υποδομή (testbed) σε κλίμακα πόλης, που βασίζεται στην τεχνολογία LoRa και χρησιμοποιεί πολλές συσκευές ανίχνευσης διασκορπισμένες σε όλη την αστική περιοχή για την αξιολόγηση της ποιότητας του αέρα και των καιρικών συνθηκών σε πραγματικό χρόνο. Στο testbed αυτό έχουμε αναπτύξει επιπλέον ένα framework αξιολόγησης της ποιότητας της κάθε σύνδεσης καταγράφοντας το Packet Delivery Ratio (PDR) σε σχέση με το RSSI για να χαρακτηρίσουμε την απόδοση του προτύπου LoRa υπό ρεαλιστικές συνθήκες. Τα πειραματικά αποτελέσματα, που συλλέχθηκαν σε περίοδο 2 μηνών, αναλύουν αποτελεσματικά την απόδοση του LoRa σε ένα ευρύ φάσμα του πρωτοκόλλου. Τέλος, παρουσιάζουμε πειράματα στο εργαστήριο που χαρακτηρίζουν την αποδοτικότητα της τεχνολογίας LoRa όσον αφορά την απόδοση ενέργειας ανά bit (energy efficiency per bit), μαζί με πολύτιμες πληροφορίες που εξήχθησαν από τα πειράματά μας και στοχεύουν στην ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών πρωτοκόλλων.Ακολούθως, παρουσιάζουμε την πλατφόρμα NITOS BikesNet, μια υποδομή για υποστήριξη κινητών πειραμάτων σε κλίμακα πόλης που βασίζεται σε ποδήλατα εθελοντών χρηστών. Το BikesNet χρησιμοποιεί έναν προσαρμοσμένο ενσωματωμένο κόμβο που μπορεί να εξοπλιστεί με διαφορετικού τύπους αισθητήρων και να τοποθετηθεί εύκολα σε ένα ποδήλατο, προκειμένου να συλλέξει ευκαιριακά περιβαλλοντικές και WiFi μετρήσεις σε διάφορα μέρη της πόλης. Οι χρήστες μπορούν απομακρυσμένα να δεσμεύσουν και να παραγοντοποιήσουν τους κόμβους αισθητήρων στα ποδήλατα, καθώς και να συλλέξουν/οπτικοποιήσουν τις μετρήσεις τους μέσω του OMF/OML framework, το οποίο επεκτάθηκε προκειμένου να διαχειριστεί τη διαλείπουσα συνδεσιμότητα των κινητών κόμβων. Παρέχουμε επίσης ανάλυση απόδοσης του πρωτότυπου κόμβου μας όσον αφορά το sensing latency, την ικανότητα μετάδοσης δεδομένων από άκρο σε άκρο και την κατανάλωση ενέργειας, και δείχνουμε ένα πρώτο πείραμα που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το NITOS BikesNet στην πόλη του Βόλου.Το επόμενο μέρος της εργασίας μας επικεντρώνεται στον τομέα των υποβρύχιων δικτύων αισθητήρων, στα οποία η ενεργειακά αποδοτική λειτουργία είναι ζωτικής σημασίας. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε το σύστημα παρακολούθησης ενέργειας EVERUN, που αποτελείται από στοιχεία υλικού και λογισμικού. Ενσωματώνουμε το ανεπτυγμένο σύστημα στα Αυτόνομα Υποβρύχια Οχήματα (AUVs) του υποβρύχιου testbed του SUNRISE, για την αξιολόγηση της λειτουργίας τους όσον αφορά την ενεργειακή απόδοση. Μέσω της εκτέλεσης ενός ευρέος συνόλου πειραμάτων υπό ρεαλιστικές συνθήκες, επισημαίνουμε τους περιορισμούς των εργαλείων αξιολόγησης ενέργειας βάσει μοντέλου και χαρακτηρίζουμε την ενεργειακή απόδοση βασικών πρωτοκόλλων και μηχανισμών. Η ακρίβεια των συλλεγόμενων δεδομένων ενέργειας, μαζί με τα ενδιαφέροντα συμπεράσματα, επιβεβαιώνουν τη δυνατότητα εφαρμογής της προσέγγισής μας στην αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης των προτεινόμενων λύσεων.Τέλος, παρουσιάζουμε μια πρωτότυπη αρχιτεκτονική για τη δυνατότητα on-line επικοινωνίας με εγκαταστάσεις παρακολούθησης θαλάσσιου περιβάλλοντος. Για το σκοπό αυτό, βασιζόμαστε σε ένα σύνολο τεχνολογιών επικοινωνίας που κυμαίνονται από IoT πρότυπα επικοινωνίας χαμηλού ρυθμού δεδομένων έως τα ευρέως υιοθετημένα πρωτόκολλα WiFi και LTE που είναι σε θέση να υποστηρίξουν εφαρμογές με μεγάλες απαιτήσεις. Για να επιτύχουμε ενεργειακά αποδοτική λειτουργία, απενεργοποιούμε όλες τις διεπαφές και τα περιφερειακά που καταναλώνουν ενέργεια εκμεταλλευόμενοι τη μέθοδο του power-gating, ενώ διατηρούμε ενεργή μια διεπαφή μεγάλης εμβέλειας και χαμηλής ισχύος (LoRa standard), αποκλειστικά για τον έλεγχο/αφύπνιση των υπόλοιπων εξαρτημάτων.