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On-Device Federated Learning for Energy-Efficient Smart Irrigation

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作者
Zohra Dakhia,Alessia Lazzaro,Mohamed Riad Sebti,Mariateresa Russo,Massimo Merenda
出处
期刊:Electronics [Multidisciplinary Digital Publishing Institute]
卷期号:14 (21): 4311-4311
标识
DOI:10.3390/electronics14214311
摘要

This study presents a novel federated learning (FL) methodology implemented directly on STM32-based microcontrollers (MCUs) for energy-efficient smart irrigation. To the best of our knowledge, this is the first work to demonstrate end-to-end FL training and aggregation on real STM32 MCU clients (STM32F722ZE), under realistic energy and memory constraints. Unlike most prior studies that rely on simulated clients or high-power edge devices, our framework deploys lightweight neural networks trained locally on MCUs and synchronized via message queuing telemetry transport (MQTT) communication. Using a smart agriculture (SA) dataset partitioned by soil type, 7 clients collaboratively trained a model over 3 federated rounds. Experimental results show that MCU clients achieved competitive accuracy (70–82%) compared to PC clients (80–85%) while consuming orders of magnitude less energy. Specifically, MCU inference required only 0.95 mJ per sample versus 60–70 mJ on PCs, and training consumed ∼70 mJ per epoch versus nearly 20 J. Latency remained modest, with MCU inference averaging 3.2 ms per sample compared to sub-millisecond execution on PCs, a negligible overhead in irrigation scenarios. The evaluation also considers the payoff between accuracy, energy consumption, and latency through the Energy Latency Accuracy Index (ELAI). This integrated perspective highlights the trade-offs inherent in deploying FL on heterogeneous devices and demonstrates the efficiency advantages of MCU-based training in energy-constrained smart irrigation settings.
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