Μελέτη Ενεργειακής Κατανάλωσης Σε Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων

Abstract

Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη της ενεργειακής κατανάλωσης σε ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, προτείνοντας μεθόδους μέτρησης ή εκτίμησης αυτής μέσω διατάξεων υλικού ή λογισμικού, καθώς και η μελέτη της απόδοσης διαφόρων μεθόδολογιών για την αύξηση του χρόνου ζωής των κόμβων ενός δικτύου.Αρχικά, έγινε μια εισαγωγική παρουσίαση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, των αρχών σχεδιασμού που τα διέπουν, καθώς και αναφορές σε εφαρμογές αυτών στη σύγχρονη εποχή. Παράλληλα, παρουσιάσθηκαν τα αποτελέσματα διαφόρων μελέτων πάνω στο πρόβλημα της ενεργειακής κατανάλωσης και του υπολογισμού της.Έπειτα, έγινε μια σύντομη αναφορά στο υλικό που χρησιμοποιείται σήμερα για τη σχεδίαση ενός δικτύου αισθητήρων και στα τεχνικά χαρακτηριστικά των πλατφόρμων και των προτοκόλλων επικοινωνίας. Εκτενέστερα παρουσιάσθηκε η πλατφόρμα Tmote Sky της Moteiv, την οποία και χρησιμοποιήσαμε. Αντίστοιχα, παρουσιάσθηκε το λογισμικό στο οποίο στηρίζεται η πλατφόρμα αυτή, το οποίο περιλαμβάνει το λειτουργικό σύστημα TinyOS και τη γλώσσα προγραμματισμού NesC. Ύστερα, αναφερθήκαμε και στον εξομοιωτή του TinyOS, τον TOSSIM, αλλά και στον εξομοιωτή ενέργειας PowerTOSSIM.Στη συνέχεια, αναλύθηκαν οι μέθοδοι μέτρησης ή εκτίμησης της ενεργειακής κατανάλωσης που χρησιμοποιήθηκαν. Αυτές περιλαμβάνουν τη μέθοδο μέτρησης μέσω υλικού, όπου σχεδιάσθηκε ηλεκτρονικό κύκλωμα (ενισχυτής οργάνων) για τη μέτρηση της κατανάλωσης του mote σε πραγματικό χρόνο, την εκτιμητική μέθοδο μέσω λογισμικού με τη χρήση του PowerTOSSIM, ενός μοντέλου κατανάλωσης για το υλικό με βάση το φύλλο δεδομένων του και προγραμμάτων Matlab, και τη θεωρητική μέθοδο, όπου χρησιμοποιούνται δεδομένα από τις άλλες δύο μεθόδους για το θεωρητικό υπολογισμό της κατανάλωσης. Επίσης, αναφέρονται οι εφαρμογές που αναλύθηκαν με τις παραπάνω μεθόδους. Εκτός από τις ήδη υπάρχουσες TinyOS εφαρμογές Blink, CntToLedsAndRFm, Oscilloscope και OscilloscopeRF, χρησιμοποιήθηκαν συνολικά τρεις τροποποιήσεις αυτών. Οι δύο από αυτές, CntToLedsAndRfm με διαχείριση RF και OscilloCustom, είναι τροποποιήσεις των CntToLedsAndRFm και OscilloscopeRF, αντίστοιχα, ώστε να επιτευχθεί διαχείριση του RF τμήματος του mote, δηλαδή να ανοίγει μόνο όταν είναι έτοιμο να στείλει ή να λάβει δεδομένα. Η τρίτη τροποποίηση έγινε στην εφαρμογή OscilloCustom με σκοπό την δημιουργία μιας εφαρμογής, της OscilloFusion, στην οποία τα δεδομένα να υποβάλλονται σε επεξεργασία πάνω στο mote πριν αποσταλλούν. Η διαδικασία αυτή είναι μια εκδοχή του φαινομένου της συγχώνευσης των δεδομένων (data fusion).Τέλος, έγινε αναλυτική παρουσίαση των αποτελεσμάτων, όπου εξετάζεται η σύγκλιση των τριών μεθόδων για κάθε εφαρμογή ή υποεφαρμογή που χρησιμοποιείται και, έπειτα, γίνονται επιμέρους συγκρίσεις των αποτελεσμάτων για τις δύο εκδοχές της CntToLedsAndRfm και τις τέσσερις της Oscilloscope. Έτσι, παρατηρήθηκαν οι διαφορές ανάμεσα στις τιμές των καταναλώσεων του φύλλου δεδομένων του Tmote Sky και στις πραγματικές, στο χρονισμό του PowerTOSSIM σε σχέση με τον πραγματικό, καθώς και η μεταβολή στην ενεργειακή κατανάλωση του mote ύστερα από τη χρήση των διαδικασιών της διαχείρισης του RF και της onboard επεξεργασίας των δεδομένων.