Performance analysis of Bluetooth Low Energy Networks for Wireless Sensors

Nowadays rail transport is gradually gaining more and more relevance in freight and passenger transport thanks to its low environmental impact. However one of its major drawback is that even though railway transport cover 18% of total freight traffic in the European Union, it is not as technologically advanced as passenger transport [3]. This type of transport is two to four times more efficient than conventional trucks and its use avoids delays caused by traffic jams and accidents, it is experiencing a growing trend and foreseeing no sign of regression. So we decided to further improve and optimize them. This is why a real-time monitoring system able to perform condition-based maintenance was studied. To also eliminate cables encumbrance for an easier integration a solarpowered wireless sensor node board was developed. However In days where faster response and wider data variety are continuously pursued, the need for a fast, reliable and low power consumption wireless protocol is extremely important. This master thesis work aims to analyzes the performances of the BLE communication protocol while transmitting with two placed sensor nodes. We will also discuss its architecture and functionality with the aim of improving its performance, reliability and power consumption. The proposed system is composed of two nRF-52840 transceivers, with them simulating transmission and reception: transmission’s job is to continuously collect pressure values and send them; on the other hand the receiver is in charge of requesting data and storing it to perform condition analysis. BLE protocol has been tested using Power Profile Kit II, nRF52840 BLE Sniffer and Wireshark with 1 m distance between devices to measure power consumption, throughput and compare them with theoretical ones. A study of devices’ positioning and BLE wave propagations has also been carried out to understand the best feasible positions.

Al giorno d’oggi il trasporto ferroviario sta gradualmente assumendo sempre più importanza nel trasporto merci e passeggeri grazie al suo basso impatto ambientale. Tuttavia, uno dei suoi principali svantaggi è che, sebbene copra il 18% del traffico merci totale nell’Unione Europea, non è tecnologicamente avanzato come il trasporto passeggeri [3]. Questo tipo di trasporto è da due a quattro volte più efficiente dei camion convenzionali e il suo utilizzo evita i ritardi causati da ingorghi e incidenti, sta vivendo una tendenza in crescita e non prevede alcun segno di regressione. Abbiamo quindi deciso di proporre un modo per migliorarlo e ottimizzarlo ulteriormente. Per questo motivo è stato studiato un sistema di monitoraggio in tempo reale in grado di eseguire una manutenzione basata sulle condizioni. Per eliminare l’ingombro dei cavi e facilitare l’integrazione, è stata sviluppata una scheda wireless alimentata a energia solare. Tuttavia, in un’epoca in cui si cerca di ottenere risposte più rapide e una maggiore varietà di dati, la necessità di un protocollo veloce, affidabile e a basso consumo energetico è prioritaria. Questo lavoro di tesi si propone di analizzare le prestazioni del protocollo di comunicazione BLE durante la trasmissione tra due nodi. Discuteremo anche l’architettura e le funzionalità del protocollo con l’obiettivo di migliorarne le prestazioni, l’affidabilità e il consumo energetico. Il sistema proposto è composto da due ricetrasmettitori nRF-52840, che simulano la trasmissione e la ricezione: il compito della trasmissione è quello di raccogliere continuamente i valori di pressione e inviarli; il ricevitore, invece, ha il compito di richiedere i dati e memorizzarli per eseguire l’analisi delle condizioni. Il protocollo BLE è stato testato utilizzando Power Profile Kit II, nRF52840 BLE Sniffer e Wireshark con una distanza di 1 m tra i dispositivi per misurare il consumo energetico e il data-rate e confrontarli con quelli teorici. È stato inoltre effettuato uno studio del posizionamento dei dispositivi e della propagazione delle onde BLE per capire quali siano le migliori soluzioni possibili.