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ORCID:  http://orcid.org/0009-0004-8655-0907
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Criando gêmeos digitais no Renode: um estudo de caso com microcontrolador STM32L4 e rádio Zigbee AT86RF233
Alternate title (s): Creating Digital Twins in Renode: A Case Study with the STM32L4 Microcontroller and the AT86RF233 Zigbee Radio
Author: Presti, Felipe Narimatsu
First Advisor: Cunha, Márcio José da
First coorientator: Almeida, Marcelo Barros de
First member of the Committee: Almeida, Marcelo Barros de
Second member of the Committee: Carvalho, Daniel Pereira de
Third member of the Committee: Almeida, Rodrigo Maximiano Antunes de
Summary: 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.
Keywords: Gêmeos digitais
Digital twins
Renode
STM32L496
AT86RF233
Firmware simulation
Simulação de firmware
Energy consumption estimation
Estimativa de consumo energético
Area (s) of CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA
Subject: Engenharia elétrica
Energia elétrica - Consumo
Framework (Arquivo de computador)
Microcontroladores
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica
Quote: 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.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.263
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/48815
Date of defense: 6-Mar-2026
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 9. Indústria, Inovação e infraestrutura - Construir infraestrutura resiliente, promover a industrialização inclusiva e sustentável, e fomentar a inovação.
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