Энергоэффективные технические решения для беспроводных сенсорных сетей

Аннотация

Актуальность и цели. Работа посвящена исследованию методов повышения энергоэффективности узлов беспроводного сенсора. Данная проблема является особенно актуальной с учетом ограниченности времени работы сенсоров в беспроводных сетях от встроенных источников питания. Материалы и методы. Основное внимание уделено режимам работы сенсорной сети с пробуждением по таймеру и сетям регистрации событий. В этих режимах сенсор до 99 % времени находится либо в спящем режиме, либо в ожидании события. Проведен анализ профиля энергопотребления для сенсоров с пробуждением по таймеру и регистрации событий. Результаты. Предложены конкретные технические решения для повышения энергоэффективности всех подсистем сенсора, как в режиме ожидания, так и в режиме передачи данных. Выводы. Предложенные решения могут быть использованы при разработке подсистем сенсорных узлов нового поколения с увеличенным сроком службы.

Ключевые слова

Беспроводные сенсорные сети, сенсор, энергоэффективность, радиомодуль, регистрация событий.

Ключевые слова

Время жизни беспроводной сенсорной сети определяется временем жизни ее сенсоров, которое определяется емкостью встроенного источника питания и энергоэффективностью подсистем сенсора. Поэтому повышение энергоэффективности всех подсистем сенсора является важнейшей задачей.

В многоcкачковой беспроводной сенсорной сети с динамической кластеризацией каждый сенсор (узел) может являться либо источником, либо ретранслятором данных для приемника. В каждом из этих режимов различные подсистемы сенсора вносят различный вклад в общую энергоэффективность, что обусловливает необходимость проведения анализа токопотребления независимо для обоих режимов.

Основной функцией каждого сенсорного узла является сбор данных из окружающей среды с помощью одного или нескольких чувствительных элементов. Данные, полученные из окружающей среды, обрабатываются и передаются либо непосредственно в приемник, либо в соседние сенсорные узлы для многоскачковой доставки в приемник данных. Во втором случае все узлы, участвующие в передаче данных, выполняют функцию ретранслятора данных, передаваемых соседними узлами.

В сенсорной сети с пробуждением по таймеру сенсор в зависимости от заданной частоты измерений может до 99,9 % времени находиться в «спящем» состоянии. Через заданный временной интервал сенсор выходит из «спящего» состояния, производит измерения и передает данные в приемник (источник данных). Пробуждение сенсора также может происходить независимо от таймера при появлении пакета данных от соседнего сенсора для ретрансляции (ретранслятор данных) [1].

В сенсорной сети, ориентированной на регистрацию некоторого события, активация радиомодуля сенсора происходит либо при превышении сигнала от чувствительного элемента некоторого порогового значения (источник данных), либо при появлении пакета данных от соседнего сенсора (ретранслятор данных). В таком режиме сенсор до 99 % времени может находиться либо в ожидании события, либо в ожидании пакета данных [2].

Рассмотрим типовой профиль энергопотребления сенсорного узла (рис. 1) [3].

В данном случае потребление носит импульсный характер, максимальный ток потребления в режиме передачи достигает 24,8 мА. При этом в режиме сбора данных он не превышает 2,1 мА. В спящем режиме ток потребления сенсора обычно не превышает сотен наноампер [4].

Как видно из рис. 1, основное потребление энергии приходится на задачи приема и передачи данных. При этом непосредственно на сбор данных приходится около 4 % суммарного энергопотребления сенсорного узла. Наибольшее энергопотребление приходится на передачу данных, при этом в режиме приема потребление также велико. Рассмотрим пути снижения потребления для каждого режима работы сенсора.

Для сенсоров с пробуждением по таймеру наиболее значительный вклад в повышение энергоэффективности оказывает снижение потребления в «спящем» режиме как наиболее длительном. В «спящем» режиме и переходных состояниях при пробуждении узла важнейшую роль в минимизации тока играют специализированные таймеры с наноамперным потреблением [5]. Подобные приборы позволяют значительно снизить энергопотребление за счет деактивации встроенных в линеаризирующий контроллер внутренних таймеров. Внешний таймер может пробуждать контроллер посредством прерываний или инициализировать переход в «спящий» режим.

Блок-схема таймера с нанопотреблением TPL5110 представлена на рис. 2. Таймер управляет подачей тока от источника питания на микроконтроллер с помощью ключей на полевых транзисторах. Временной интервал срабатывания таймера регулируется в диапазоне от 100 мс до 7200 с с помощью внешних резисторов. Контроллер информирует таймер о завершении сбора данных и передачи цифровым сигналом на выводе DONE.

На рис. 3 представлен один из вариантов организации взаимодействия модулей сенсора с использованием таймера с нанопотреблением. Такое решение позволяет увеличить срок службы узла до 10 лет при питании от одной батареи 3В типа CR2032 [6]. Преимуществами батарей такого типа являются низкая цена и практически постоянное выходное напряжение вплоть до окончания срока службы.

Помимо таймера, схема включает в себя коммутатор нагрузки с малыми утечками TS5A3160. Управляемый таймером коммутатор обеспечивает максимальный ток в нагрузке до тех пор, пока контроллер не сообщит о завершении передачи данных.

Введение таймера TPL5110 в схему сенсора снижает энергопотребление по сравнению с потреблением в «спящем» режиме самого контроллера CC2650. Это связано с тем, что таймер потребляет всего 35 нА, по сравнению с типовым потреблением 1 мка микроконтроллера CC2650.

При одном измерении в минуту суммарное потребление тока в автономном режиме для данного варианта построения сенсора в состоянии пробуждения составляет около 4 мА. Это состояние длится примерно 30 мс от инициализации до перехода в спящий режим. В спящем режиме потребление не превышает 183 нА за оставшиеся 59,97 с заданного интервала [7].

Подобная структура организации узла с использованием таймера не оптимальна для случая регистрации событий, поскольку для реакции на событие или передачу данных соседним узлом контроль состоянием ожидания должен осуществляться непосредственно микроконтроллером CC2650.

Для сенсорных сетей регистрации событий распределение энергопотребления сенсора выглядит иначе. В таких сенсорах постоянно активен чувствительный элемент, отслеживающий состояние окружающей среды, и микроконтроллер, а активация радиомодуля происходит либо при превышении порогового значения от чувствительного элемента, либо при появлении пакета данных для приемника. В таком режиме основной вклад в энергоэффективность вносит потребление чувствительного элемента со схемой обработки данных.

Рассмотрим основные причины потерь энергии в чувствительном элементе сенсора и пути их устранения. В качестве объекта исследования выберем чувствительные элементы современных сенсоров давления, выполненных на базе кремниевой технологии [8].

В подобных сенсорах давления тензочувствительный резистивный мост, образованный кремниевыми элементами, как правило, подключается либо непосредственно к источнику питания либо через диод, образованный переходом база-эмиттер транзистора [9].

В подобной конфигурации выходное напряжение моста обычно не превышает 50–80 мВ, а измерительный ток моста обычно составляет 0,5–1мА, что существенно снижает срок службы источника питания.

Более энергоэффективным является решение, при котором ток измерительного моста ограничивается с помощью источника тока. Снижение уровня выходного напряжения моста в этом случае может быть скомпенсировано с помощью rail-to-rail операционного усилителя в дифференциальном включении с полевым входом и наноамперным потреблением.

На рис. 4 представлена схема тензомоста с измерительным током 1мкА и максимальным выходным напряжением после дифференциального усилителя 60 мВ.

Как показано на рис. 1, максимально энергозатратной из всех выполняемых сенсорным узлом функций является передача данных. При этом для связи на короткие дистанции с малой излучаемой мощностью (~0 дБм) затраты на передачу и прием энергии почти одинаковы. Таким образом, значительное количество энергии можно сохранить, переключив приемопередатчик в состояние ожидания, когда он не передает или не принимает какие-либо данные. В этом случае потребление радиомодуля можно снизить с 59,1 мВт до 3 мкВт [10].

Потребление энергии радиомодулем зависит от различных факторов, таких как используемый интерфейс, размер пакета, уровень мощности передачи и расстояние между источником и приемником. Поскольку потребление энергии напрямую зависит от продолжительности работы трансивера, то уменьшение времени передачи является одним из важнейших способов повышения энергоэффективности сенсорного узла. Сокращение времени передачи может быть достигнуто путем отправки нескольких бит на символ, например, с использованием квадратурной модуляции. В этом случае уменьшается эффективный размер пакета данных, что сокращает время передачи и приема данных.

Однако необходимо учитывать, что помимо режимов передачи и приема трансивер может переключаться в спящий режим для экономии энергии в неактивные периоды. Переход между различными режимами приемопередатчика не является мгновенным и потребляет дополнительную энергию. По мере уменьшения размера пакета данных потребление энергии в режиме запуска, длящегося около сотни микросекунд, начинает доминировать. В результате часто включать и выключать трансивер становится неэффективно из-за больших потерь энергии.

В то время как квадратурная модуляция уменьшает длительность передачи, увеличивается сложность кодирования данных и энергопотребление передатчика. Поэтому при использовании более сложных схем модуляции энергия, затрачиваемая на декодирование данных, превышает энергию, затрачиваемую на кодирование, а мощность приема может превысить мощность передачи.

Мощность, расходуемая на передачу, может изменяться в зависимости от расстояния между узлами и других факторов в диапазоне от 52,2 до 33 мВт для выходной мощности радиомодуля от 0 до –10 дБм соответственно [11]. В таком случае, если уровень мощности передатчика установлен на очень низкие значения, тогда мощность приема доминирует в профиле энергопотребления.

Таким образом, оптимальный выбор вида модуляции и мощности передачи является многокритериальной задачей, решаемой исходя из специфики конкретных передаваемых данных и условий приема соседними узлами сети.

В дополнение к энергии, потребляемой за один сеанс связи, общая энергия, расходуемая радиомодулем, также зависит от скорости, на которой используется трансивер. Эта скорость зависит от многих факторов, включая тип приложения, транспортный протокол, протокол маршрутизации, а также уровень MAC.

В сетях с пробуждением сенсоров по таймеру приемопередатчик, как правило, используется чаще по сравнению с сетями регистрации событий, где данные передаются только в случае выполнения определенных условий, а в противном случае сеть простаивает. В этом случае транспортный протокол может снизить скорость, с которой данные должны поступать в сеть, что и определяет частоту включения трансивера. Протоколы маршрутизации, с другой стороны, могут увеличить скорость связи после обнаружения управляющих сообщений от соседних узлов для получения ретранслируемых данных. Следующий скачок, выбранный протоколом маршрутизации, также определяет скорость связи, поскольку может потребоваться несколько повторных передач данных, если выбран узел-ретранслятор с плохими характеристиками канала связи.

Заключение

Предложенные в работе методы повышения энергоэффективности сенсорных узлов ориентированы на снижение потребления в режиме, в котором сенсор находится большую часть времени. Для сенсоров с пробуждением по таймеру это «спящий» режим, а для сенсоров регистрации событий – ожидание события. Эффективность каждого конкретного метода зависит от множества факторов, таких как предполагаемая область применения сенсорного узла, режим его работы, используемый протокол связи и т.д. Представленные методы повышения энергоэффективности подсистем сенсорных узлов могут быть использованы при разработке беспроводных сенсорных сетей нового поколения

Библиографический список

1. Власов, А. И. Анализ методов и средств обработки информации сенсорного кластера / А. И. Власов, М. Н. Юлдашев // Датчики и системы. – 2018. – № 1 (221). – С. 24–30.
2. Адамов, А. П. Методы обеспечения надежности в беспроводных сенсорных сетях по критерию сетевой нагрузки / А. П. Адамов, А. А. Адамова, М. Н. Юлдашев // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. – 2016. – Т. 1. – С. 197–199.
3. Yuldashev, M. N. Energy-efficient algorithm for classification of states of wireless sensor network using machine learning methods / M. N. Yuldashev, A. I. Vlasov, A. N. Novikov // Journal of Physics: Conference Series. – 2018. – Vol. 1015, № 032153.
4. Trio: enabling sustainable and scalable outdoor wireless sensor network deployments / P. Dutta, J. Hui, J. Jeong, S. Kim, C. Sharp, J. Taneja, G. Tolle, K. Whitehouse, D. Culler // Proc. of The Fifth International Conference on Information Processing in Sensor Networks. – 2006. – P. 407–415.
5. Исследование методов синтеза распределенных сенсорных систем по критерию минимизации сетевой нагрузки / А. А. Адамова, А. Н. Алфимцев, А. И. Власов, С. Г. Семенцов, Т. А. Цивинская, М. Н. Юлдашев. – Москва : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2017. – 75 с.
6. Ahuja, R. K. Network Flows: Theory, Algorithms, and Applications / R. K. Ahuja, T. L. Magnanti, J. B. Orlin. – Prentice Hall, 1993.
7. Akyildiz, F. Wireless sensor and actor networks: research challenges / F. Akyildiz, I. H. Kasimoglu // Ad Hoc Networks. – 2004. – Vol. 2 (4). – P. 351–367.
8. Conti, M. Cross-layering in mobile ad hoc network design / M. Conti, S. Giordano, G. Maselli, G. Turi // IEEE Computer. – 2004. – Vol. 37 (2). – P. 48–51.
9. Адамов, А. П. Методологические основы обеспечения технологичности электронных средств / А. П. Адамов, Г. Х. Ирзаев, А. А. Адамова. – Санкт-Петербург : Политехника, 2008. – 312 с.
10. Dressler, F. Self-Organization in Sensor and Actor Networks / F. Dressler. – John Wiley & Sons Ltd, 2007.
11. Vijayaraghavan, K. Active Control Based Energy Harvesting for Battery-Less Wireless Traffic Sensors / K. Vijayaraghavan, R. Rajamani // Proc. of American Control Conference. – 2007. – P. 3106–3111.