Publicação: Criando gêmeos digitais no Renode: um estudo de caso com microcontrolador STM32L4 e rádio Zigbee AT86RF233
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
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Coorientador
Almeida, Marcelo Barros de
Resumo
A consolidação de sistemas ciberfı́sicos e aplicações de Internet of Things
(IoT) tem ampliado a demanda por métodos de verificação e validação que reduzam
custo, risco e tempo de desenvolvimento em dispositivos com recursos restritos.
Embora digital twins sejam frequentemente empregados em camadas de alto nı́vel
(por exemplo, integração em nuvem, visualização e análises), a reprodução fiel do
comportamento de baixo nı́vel do hardware permanece um gargalo para a validação
de firmware em microcontroladores, especialmente em famı́lias de baixo consumo de
energia ainda pouco atendidas por plataformas de simulação.
Neste contexto, este trabalho apresenta uma extensão do simulador Renode,
um framework de desenvolvimento de código aberto projetado para acelerar o de-
senvolvimento de sistemas embarcados e de IoT ao permitir a emulação de hardware
fı́sico, por meio da implementação de um novo gêmeo digital em nı́vel de firmware
para a famı́lia STM32L4. A plataforma proposta é instanciada e validada no micro-
controlador STM32L496 e simulada com o transceptor IEEE 802.15.4 AT86RF233.
A abordagem segue um desenvolvimento incremental orientado a testes, construindo
uma nova plataforma completa a partir de descrições .repl, modelos de periféricos
em C# e scripts de automação .resc, contemplando a integração funcional en-
tre subsistemas. Adicionalmente, este trabalho introduz um estimador de consumo
energético desenvolvido especificamente para a plataforma, que acumula estatı́sticas
de energia ao longo do tempo virtual de simulação, selecionando perfis tı́picos de
corrente conforme frequência, tensão e modos run/sleep, com base em métricas do
datasheet do dispositivo.
Os resultados demonstram a execução, sem modificações, do binário (.elf)
de uma aplicação em produção, cuja máquina de estados exercita simultaneamente
inicialização, aquisição via ADC com transferências por DMA, temporização por
timers, comunicação via rádio, janelas de recepção/espera por confirmação e tran-
sições para baixo consumo. A instrumentação por packet hook viabilizou a inter-
ceptação e o encaminhamento de quadros via UDP para decodificação externa de
telemetria, aumentando a observabilidade do protocolo e apoiando a validação dos
fluxos de RX/TX no meio simulado. Por escopo, a estimativa de consumo foi apli-
cada apenas ao microcontrolador STM32L496 e não abrangeu o consumo do módulo
de rádio, caracterizando uma prova de conceito para análises reprodutı́veis de energia
durante a simulação.
Abstract
The consolidation of cyber-physical systems and Internet of Things (IoT)
applications has increased the demand for verification and validation methods that
reduce cost, risk, and development time in resource-constrained devices. Although
digital twins are often employed at higher abstraction layers (e.g., cloud integration,
visualization, and system-level analytics), faithfully reproducing low-level hardware
behavior remains a bottleneck for firmware validation on microcontrollers, especially
for low-power families that are still underrepresented in simulation platforms.
In this context, this work presents an extension of the Renode simulator, an
open-source development framework designed to accelerate embedded system and
IoT development by enabling emulation of physical hardware, by implementing a
new firmware-level digital twin for the STM32L4 family. The proposed platform is
instantiated and validated on the STM32L496 microcontroller and simulated with
the IEEE 802.15.4 AT86RF233 transceiver. The proposed approach follows incre-
mental, test-oriented development, building a complete new platform through .repl
descriptions, C# peripheral models, and .resc automation scripts, covering func-
tional integration across subsystems. In addition, this work introduces a newly
developed power consumption estimator that accumulates energy statistics over the
simulation virtual time, selecting typical current profiles according to frequency, vol-
tage, and run/sleep operating modes based on device datasheet metrics.
Experimental results demonstrate the execution, without modifications, of
a production firmware binary (.elf), whose state machine simultaneously exerci-
ses initialization, ADC acquisition with DMA transfers, timer-based timing, radio
communication, RX/TX windows and acknowledgment handling, and transitions to
low-power operation. Instrumentation via a packet hook enabled frame interception
and UDP forwarding for external decoding of telemetry, increasing protocol obser-
vability and supporting the validation of RX/TX flows in the simulated medium.
Within the defined scope, the power estimation was applied only to the STM32L496
microcontroller and did not include the radio module consumption, serving as a
proof of concept for reproducible energy analyses during simulation.
Palavras-chave
Gêmeos digitais, Digital twins, Renode, STM32L496, AT86RF233, Firmware simulation, Simulação de firmware, Energy consumption estimation, Estimativa de consumo energético
Citação
PRESTI, Felipe Narimatsu. Criando gêmeos digitais no Renode: um estudo de caso com microcontrolador STM32L4 e rádio Zigbee AT86RF233. 2026. 120 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.263.