АНАЛИЗ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ И ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНЫХ БЕСПРОВОДНЫХ СЕНСОРНЫХ УЗЛОВ

Беспроводная сенсорная сеть (БСС) представляет собой совокупность вычислительных устройств, объединенных в самоорганизующуюся сеть с помощью радиоканала. В настоящее время узлы БСС автономны, то есть энергию для получения, обработки и передачи данных они получают из окружающей среды. Передовые сенсорные узлы снабжены энергохарвестерами, которые преобразуют механическую, тепловую и радиочастотные энергии. Использование новейших энергохарвестеров позволяет накапливать полученную энергию в аккумуляторах, но всѐ-равно в настоящее время одна из самых больших проблем БСС заключается в оптимизации энергопотребления. Оптимизация энергопотребления БСС позволяет существенно продлить срок работы БСС [1]. Энергопотребление БСС зависит от: альтернативных источников энергии, количества узлов, использовании прямой, либо промежуточной передачи данных, предварительной обработки данных, времени включения передачи, воздействий окружающей среды.

Для анализа энергопотребления беспроводного сенсорного узла (БСУ)БСС рассмотрим его структуру (Рисунок 1). Он содержит цифровой газовый датчик микроконтроллер, flash-память, приемопередатчик zigbee, аккумулятор, контроллер управления зарядом аккумуляторов от маломощных источников энергии, RF- энергохарвестер и пьезохарвестер. Из структуры БСУ очевидно, что больше всего энергии потребляет приемопередатчик, из этого следует, что необходимо оптимизировать узел приѐмопередатчика информации. В нашем случае в схеме присутствует газовый электрохимический сенсор, который значительно меньше потребляет, чем микроконтроллер и приемопередатчик.

Энергопотребление БСУ за один энергоциклв основном состоит из энергии, уходящей на прослушивание эфира, на отправку полученной информации, на спящий режим и выход из спящего режима [2].

При анализе энергопотребления БСУ (Рисунок 2) можно выделить следующие состояния:

·   Переход точки 1 показывает «пробуждение» БСУ из режима «сна»;

·   Микроконтроллерс точки 2 начинает работать на внешнем кварцевом резонаторе, а затем частота повышается (точка 3);

·   Когда микроконтроллер входит в рабочий режим, происходит включение приемопередатчика и начинается прослушивание эфира для поиска сигнала координатора БСС (точка 4);

·   В БСС БСУ связывается с координатором, после этогоприемопередатчик переходит в режим передачи информации (точка 5), при передаче пакетов тратится больше всего энергии, после передачи происходит переключение из режима передачи (точка 6) на режим прослушивания эфира (точка 7), далее происходит снова прослушивание эфира с затратой энергии;

· Точки с 8 по 9 показывают процесс окончания прослушивания эфира и установления адреса узла;

· При переходе с точки 9 в точку 10 узел переходит в спящий режим.

Основная часть энергии БСУ тратится на прием, прослушивание и передачу данных, а не на обработку или сохранение данных полученных от сенсора. Выделим основные моменты, которые нуждаются в оптимизации БСС – это энергетическая эффективность сенсорных узлов в сравнении со связностью, а также метод обнаружение соседей. Целесообразно использовать алгоритмы сжатия передаваемой информации[3] иновые алгоритмы инициализации сети. Использование ретрансляции пакетов между БСУ позволяет оптимизировать затраты электроэнергии.

1)   Энергетическая эффективность в сравнении со связностью.

Потребление энергии имеет важно для большинства сенсорных сетей на этапе инсталляции, так как он требует много времени. На данном этапе важно не израсходовать большую часть энергии, поскольку самоконфигурирование значительно увеличивает количество информации и связанные с этим расходы энергии. Потребление энергии и задействование наибольшего числа узлов является компромиссом. Можно потратить много энергии и настойчиво искать соседние узлы, сформировав при этом наиболее полную топологию. Однако, если эти узлы не могут принять участие в инициализации, то такой подход – напрасная трата энергии. С другой стороны, минимизация транзакций для поиска соседей и пониженные уровни передачи уменьшают не только потребление энергии, но и связность.

2)   Обнаружение соседей в БСС.

Можно сократить время обнаружения соседей в своей окрестности, что позволит быстро настроить топологию. Так как в спящем режиме узел не может иметь информацию о своих соседях, то необходим первоначальный обмен информацией, для которого требуется большое количество энергии. Таким образом, обнаружение соседей должно проходить на последнем этапе развертывания, чтобы избежать повторного поиска в окрестности в то время, как некоторые узлы еще только присоединяются. При выходе из режима сна все соседи должны быть доступны. Следовательно, обнаружение происходит после пробуждения всех узлов.

На Рисунке 3 показана последовательность состояний узлов при инициализации сети. При получении управляющего сигнала изменяется соответствующее фактическое состояние.

Работы выполнены при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (Соглашение № 14.577.21.0134, уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57714X0134) с использованием оборудования ЦКП «Функциональный контроль и диагностика микро- и наносистемной техники» на базе НПК «Технологический центр»

Список литературы

1.     Суханов А.В., Прокофьев И.В., Гусев Д.В. Мультиагентная система мониторинга web-датчиков, созданная на основе наносенсорики // Нано- и микросистемная техника. -2014. №6. –С. 42-45.

2.     Власова, В. А. Анализ энергоциклов узлов беспроводных сенсорных сетей / В. А. Власова, А. Н. Зеленин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. – 2012. – Т. 3, № 9 (57). – С. 13–17.

3.     Олифер, В. Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. / В. Г. Олифер, Н. А. Олифер. – СПб.– Питер, 4-е издание, 2010. – 943 с.