Τεχνικες Και Μεθοδοι Παρακολουθησης Ενεργειακης Καταναλωσης Και Μοντελοποιηση Αλγοριθμων Επεξεργασιας Βιοιατρικων Σηματων Σε Ασυρματα Δικτυα Αισθητηρων

Abstract

Η ταχύτατη εξέλιξη στον τομέα της μικροηλεκτρονικής, της βιομηχανίας αισθητήρων και των ασύρματων επικοινωνιών επέτρεψε την ανάπτυξη και διάθεση ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών διατάξεων που ενσωματώνουν δυνατότητες μικροελεγκτών, αισθητήρια κυκλώματα, ασύρματες διεπαφές, τυπωμένες κεραίες και βοηθητικές μονάδες όπως μονάδες παροχής ενέργειας. Η σμίκρυνση των διαστάσεων οδήγησε στην ανάπτυξη μιας σχετικά νέας επιστημονικής περιοχής που γρήγορα γνώρισε την άνθηση με χιλιάδες δημοσιεύσεις σε όλες τις πτυχές του θέματος των ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Μέσα σε λίγα χρόνια, πολλές ερευνητικές ομάδες από όλο τον κόσμο έχουν δημοσιεύσει σε συνέδρια και περιοδικά πολλές προτάσεις και υλοποιήσεις για όλα τα επιστημονικά ζητήματα που σχετίζονται με τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και ειδικότερα για τις εφαρμογές τους στον τομέα της βιοϊατρικής τεχνολογίας.Ένα από τα μεγάλα ερευνητικά ζητήματα αφορά και την ενεργειακή κατανάλωση των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, αφού η διάρκεια ζωής των κόμβων αισθητήρων καθορίζει σε σημαντικό βαθμό τη λειτουργικότητα, τη δυνατότητα απόκρισης του δικτύου σε ασύγχρονα γεγονότα, τη συνδεσιμότητα των κόμβων και τελικά το χρόνο ζωής του δικτύου. Στον τομέα αυτό η έρευνα έχει επικεντρωθεί κυρίως σε δύο βασικές κατευθύνσεις, τη βελτιστοποίηση παραμέτρων των πρωτοκόλλων που εφαρμόζονται στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και την ανάπτυξη χαμηλής κατανάλωσης ηλεκτρονικών διατάξεων. Η αποτελεσματικότητα των προτεινόμενων λύσεων σπάνια διερευνάται σε επίπεδο δημοσιεύσεων ενώ πολλές από τις προτάσεις είναι ανεφάρμοστες ή αποτελούν μια δίκαιη εξισορρόπηση ανάμεσα στη διάρκεια χρόνου ζωής και των δικτυακών παραμέτρων.Στην ερευνητική προσπάθεια που αναπτύσσεται στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής αναλύεται ένα μεθοδολογικό πλαίσιο για την θεωρητική εκτίμηση της ενεργειακής κατανάλωσης εφαρμογών ασύρματων δικτύων αισθητήρων, προτείνονται λύσεις για την προσομοίωση της λειτουργίας και την πρόβλεψη της συνολικής και των επιμέρους ενεργειακών καταναλώσεων των διαφόρων υποσυστημάτων του κόμβου αισθητήρων και παρουσιάζονται τρεις πρότυπες ηλεκτρονικές διατάξεις χαμηλής κατανάλωσης που μπορούν να χρησιμοποιηθούν αρθρωτά με κόμβους αισθητήρων προκειμένου να παρέχουν πειραματικές ενδείξεις της πραγματικής ενεργειακής κατανάλωσης.Η μελέτη του θέματος της ενεργειακής κατανάλωσης εφαρμογών που εκτελούνται σε κόμβους αισθητήρων αποκαλύπτει ότι κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις το πιο ενεργοβόρο υποσύστημα αποτελεί αυτό της ασύρματης επικοινωνίας. Μέσα από την επιστημονική προσέγγιση που αναλύεται στη διδακτορική διατριβή προτείνονται τεχνικές μείωσης της κατανάλωσης μέσω της μείωσης των δεδομένων προς αποστολή και λήψη από την επεξεργασία τους στο μικροελεγκτή του κόμβου αισθητήρων. Επιπλέον, η εισαγωγή ελέγχου της ασύρματης διεπαφής μέσω παρατεταμένων διαστημάτων κατάστασης ύπνωσης του υποσυστήματος ραδιομετάδοσης αποδεικνύεται με θεωρητικό τρόπο, εργαλεία προσομοίωσης αλλά και πειραματικές μετρήσεις ως ο πιο αποτελεσματικός τρόπος ελαχιστοποίησης της ενεργειακής κατανάλωσης.Η επεξεργασία των δεδομένων που συλλέγονται από τα αισθητήρια υποσυστήματα προϋποθέτει τη μελέτη και υλοποίηση κατάλληλων μεθόδων επεξεργασίας σημάτων σε επίπεδο κόμβου αισθητήρων. Επικεντρώνοντας την ερευνητική δραστηριότητα σε βιοϊατρικά σήματα, αναλύονται οι υπάρχουσες μέθοδοι επεξεργασίας σημάτων με έμφαση στην εμπειρική μέθοδο αποσύνθεσης. Το θεωρητικό υπόβαθρο για τη συγκεκριμένη μέθοδο είναι σχετικά ισχνό επομένως η μελέτη της γίνεται κυρίως με αριθμητικές προσομοιώσεις.Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής αναπτύσσεται μοντέλο πρόβλεψης των σημάτων ενδογενών τρόπων ταλάντωσης (Intrinsic Mode Functions, IMF) το οποίο βασίζεται στα στατιστικά χαρακτηριστικά της χρονοσειράς του βιοϊατρικού σήματος. Το αποτέλεσμα που εξάγεται από το μοντέλο προκύπτει με τη μορφή κλειστού διαστήματος πρόβλεψης και η εφαρμογή του σε χρονοσειράς βιοϊατρικών σημάτων αποκαλύπτει ποσοστά επιτυχών προβλέψεων της τάξης του 98%. Επιπλέον στη διδακτορική διατριβή προτείνεται μεθοδολογία διαχωρισμού των IMFs βάση του επιπέδου λευκού θορύβου που εμπεριέχουν μέσω της στατιστικής τους σημαντικότητας για τη μερική ανακατασκευή της χρονοσειράς. Η διατριβή ολοκληρώνεται με τη μελέτη του θέματος της πολυπλοκότητας εκτέλεσης της μεθόδου με την ανάπτυξη μοντέλου εκτίμησης υπολογιστικού χρόνου το οποίο λαμβάνει υπόψη στατιστικά χαρακτηριστικά της χρονοσειράς.