Análise do consumo energético de um sistema de transmissão de dados por redes móveis

Abstract

Este trabalho trata da análise do consumo energético de um sistema de transmissão de dados voltado a aplicação em monitoramento remoto, onde as mensagens são enviadas pela rede GPRS. Para atingir este objetivo, desenvolveu-se um protótipo com a capacidade de enviar um dado e identificar o inicio e fim das etapas relacionadas à conexão com a rede móvel (GSM), rede de dados (GPRS) e servidor MQTT, para o qual os dados são enviados. Esta identificação ocorre por meio de um firmware implementado em um microcontrolador, que comanda o funcionamento de um módulo modelo SIM800L, do fabricante SimCom, dedicado a conexão e envio de dados pela rede GPRS. A aquisição dos dados de consumo do módulo em questão é dada pela adição de um resistor shunt em série com a alimentação, onde a medida da queda de tensão sobre este resistor, de valor constante, permite conhecer a corrente consumida pelo módulo. A medida desta tensão é realizada por um circuito integrado INA219, de forma intermitente, salvando os dados em registradores, cujo acesso pode ser realizado por comunicação I2C, que por sua vez é tratada por um segundo microcontrolador. Este microcontrolador adicional ainda assegura uma taxa de amostragem de 10kHz (amostras a cada 100 segundos), enviando os dados adquiridos a um computador, onde posteriormente os dados são tratados, sendo possível isolar as etapas previstas de conexão. A partir dos dados de consumo adquiridos, um modelo matemático é proposto, a fim de estimar o consumo energético do módulo com diferentes taxas de envio de mensagem, estimando, também, a duração de baterias como alimentação do módulo.

This study focuses in the analysis of the energy consumption of a data transmission system aimed at remote monitoring applications, where messages are sent by the GPRS (2G) network. To achieve this objective, a prototype was developed with the ability to send data and identify the beginning and end of the steps related to connection to the mobile network (GSM), data network (GPRS) and MQTT server, to which the data is sent. This identification occurs through a firmware implemented in a microcontroller, which controls the operation of a module model SIM800L, from the manufacturer SimCom, dedicated to the connection and sending of data by the GPRS network. The acquisition of the consumption data of the module in question is given by the addition of a shunt resistor in series with the power supply, where the measurement of the voltage drop on this resistor, of constant value, allows the estimation of the current consumed by the module. The measurement of this voltage is carried out by an INA219 integrated circuit, that saves the data in registers, which can be accessed by I2C communication, handled by a second microcontroller. This additional microcontroller also ensures a sampling rate of 10kHz, sending the acquired data to a computer, where the data is later processed, with the possibility to isolate the foreseen connection steps. From the acquired consumption data, a mathematical model is proposed in order to estimate the energy consumption of the module with different message sending rates, also estimating the battery life as power supply of the module.