Design, development and performance evaluation of ultra low-power wireless sensor network devices
Authors: Καζδαρίδης Ιωάννης 
Published: November 2021

Η ενεργειακή απόδοση στον τομέα του Internet-of-Things (IoT) κυριαρχεί στο ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας. Στις περισσότερες πραγματικές εφαρμογές, οι αισθητήρες λειτουργούν με μπαταρία, αντιμετωπίζοντας τον εγγενή περιορισμό της διάρκειας ζωής που εξαρτάται αποκλειστικά από το υπόλοιπο φορτίο της μπαταρίας και το ενεργειακό προφίλ του κόμβου. Μια κοινή προσέγγιση για εξοικονόμηση ενέργειας στα δίκτυα αισθητήρων είναι η μέθοδος του duty-cycle, καθώς ο μεγάλος βαθμός αδρανούς ακρόαση (idle listening) είναι μια σημαντική πηγή σπατάλης ενέργειας. Στην πραγματικότητα, η κατανάλωση ρεύματος σε κατάσταση αδράνειας είναι περίπου ίση με την ενέργεια που απαιτείται για τη λήψη ενός πακέτου. Για τον λόγο αυτόν, οι κόμβοι αισθητήρων έχουν σχεδιαστεί έτσι, ώστε να εισέρχονται σε λειτουργία χαμηλής κατανάλωσης, την αποκαλούμενη κατάσταση ύπνου (sleep state), προκειμένου να εξοικονομήσουν όσο το δυνατόν περισσότερη ενέργεια κατά τη διάρκεια των ανενεργών περιόδων τους. Η κατάσταση ύπνου διακόπτεται από πολύ σύντομα συμβάντα, όπου οι αισθητήρες αισθάνονται, επεξεργάζονται και μεταδίδουν δεδομένα. Μπορεί να φαίνεται λογικό η κατανάλωση ενέργειας στην κατάσταση ύπνου να θεωρηθεί αμελητέα, εφόσον περισσότερες από δύο με τρείς τάξεις μεγέθους διαχωρίζουν την κατανάλωση ρεύματος στην κατάσταση ύπνου και την ενεργή. Ωστόσο, δεδομένου του γεγονότος ότι οι τυπικές εφαρμογές αισθητήρων λειτουργούν σε αρκετά χαμηλά duty-cycles που κυμαίνονται από 0.01 % έως 1 %, αναμένεται ότι και οι δύο καταστάσεις επιδρούν σημαντικά στη συνολική κατανάλωση ενέργειας του συστήματος. Συγκεκριμένα, το ρεύμα κατά την διάρκεια του ύπνου είναι συνήθως της τάξης μερικών μA, πράγμα που υποδηλώνει ότι μπορεί να επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι προαναφερθείσες συσκευές IoT διαθέτουν πολύ μεγάλο δυναμικό εύρος στο προφίλ κατανάλωσης ενέργειάς τους, το οποίο καθιστά αρκετά δύσκολη την αξιολόγηση της συμπεριφοράς τους, προκειμένου να αναπτυχθούν ενεργειακά αποδοτικά σχήματα και αλγόριθμοι. Ένας βασικός παράγοντας για τη μελέτη της συμπεριφοράς των τεχνολογιών IoT είναι η δημιουργία μιας πειραματικής υποδομής μεγάλης κλίμακας που αποτελείται από διάφορους μεμονωμένους κόμβους που έχουν παραταχθεί σε ρεαλιστικές συνθήκες, προκειμένου να εξαχθούν όσο το δυνατόν πιο ακριβείς πληροφορίες. Ιδανικά, η προαναφερθείσα εγκατάσταση πρέπει να μπορεί να ρυθμιστεί εξ’ αποστάσεως προκειμένου να υποστηρίζει την εκτέλεση διαφορετικών σεναρίων, βοηθώντας στην αξιολόγηση των τεχνολογιών που βρίσκονται υπό εξέταση. Τα τελευταία χρόνια έχουν παρουσιαστεί νέες Low-Power WAN (LPWAN) IoT τεχνολογίες, με την τεχνολογία LoRa να ξεχωρίζει, η οποία υπόσχεται εξαιρετική εμβέλεια επικοινωνίας λόγω των υψηλών ορίων ευαισθησίας που υποστηρίζει.Οι θεμελιώδεις ερωτήσεις που προσπαθούμε να απαντήσουμε είναι οι εξής: 1) Μπορούμε να εφαρμόσουμε νέες μεθόδους για να μειώσουμε την κατανάλωση ενέργειας των σύγχρονων αισθητήρων για την παράταση της διάρκειας ζωής τους σε μπαταρία μίας φόρτισης; 2) Μπορούμε να αναπτύξουμε ασύγχρονα δίκτυα για την ασύρματη αφύπνιση συγκεκριμένων κόμβων του δικτύου, προκειμένου να ξεπεράσουμε τα εμπόδια που δημιουργούνται από την υιοθέτηση της μεθόδου λειτουργίας με duty-cycle; 3) Επιπλέον, πώς είναι δυνατόν να μετρήσουμε και να χαρακτηρίσουμε με ακρίβεια το προφίλ κατανάλωσης ενέργειας των κόμβων IoT που παρουσιάζουν μεγάλο δυναμικό εύρος που κυμαίνεται από λίγα nA όταν είναι ανενεργά σε αρκετά mA όταν είναι πλήρως ενεργά; ή/και να δημιουργήσουμε τη σχετική υποδομή που θα επιτρέψει την αξιολόγηση της κατανάλωσης ενέργειας των σχετικών συστημάτων δικτύωσης; 4) Τέλος, μπορούμε να αξιολογήσουμε την απόδοση των πρόσφατων τεχνολογιών IoT Low-Power WAN όπως το πρότυπο LoRa; αξιοποιώντας παράλληλα τις δυνατότητές του, ώστε να βοηθήσουν στην ανάπτυξη σεναρίων εφαρμογών μεγάλης εμβέλειας;Αρχικά, ξεκινάμε παρουσιάζοντας μια καινοτόμα αρχιτεκτονική διαχείρισης ενέργειας προς την εξάλειψη της κατανάλωσης ενέργειας των duty-cycled IoT συσκευών κατά τη διάρκεια των ανενεργών περιόδων. Το σχέδιό μας προτείνει τη χρήση ενός off-chip Real-Time-Clock (RTC) που χρησιμοποιείτε για τον έλεγχο της τροφοδοσίας του υπό εξέταση κόμβου-αισθητήρα, ενεργοποιώντας ή απενεργοποιώντας την παροχή ενέργειας του με τη μέθοδο του power-gating. Το επιλεγμένο RTC διαθέτει εξαιρετικά χαμηλής κατανάλωση ενέργειας και είναι η μόνη μονάδα που παραμένει ενεργοποιημένη κατά τη διάρκεια του ύπνου, επομένως η συνολική κατανάλωση του κόμβου μειώνεται σημαντικά. Η προτεινόμενη αρχή μπορεί να υιοθετηθεί από οποιονδήποτε εμπορικό ή πρωτότυπο IoT κόμβο, προκειμένου να επεκταθεί το προσδόκιμο ζωής των εφαρμογών που χρειάζονται μπαταρία, ωθώντας τα ρεύματα κατά τον ύπνο μία τάξη μεγέθους χαμηλότερα. Επισημαίνουμε, ότι το κόστος του προτεινόμενου συστήματος είναι μικρότερο από 3 ευρώ, ενώ η πολυπλοκότητα του κυκλώματος είναι ιδιαιτέρως μικρή. Η άμεση σύγκριση της κατανάλωσης ενέργειας σε κατάσταση sleep state με άλλους state-of-the-art αισθητήρες δείχνει βελτιώσεις περίπου κατά 98 % - 99.8 %, ενώ αποδεικνύουμε ότι το προσδόκιμο ζωής των ίδιων κόμβων μπορεί να παραταθεί από 2.7 έτη σε 19 έτη σε συγκεκριμένα duty-cycles.Στη συνέχεια, εστιάζουμε στις ασύγχρονες αφυπνίσεις στα δίκτυα αισθητήρων για την υπέρβαση των περιορισμών που παρουσιάζονται στις duty-cycled εφαρμογές. Για το σκοπό αυτό, προτείνουμε ένα νέο σχήμα για semi-passive Wake-Up Receiver που εμφανίζει αξιοσημείωτη ευαισθησία, κάτω των -70 dBm, ενώ οι σύγχρονοι δέκτες απεικονίζουν ευαισθησία έως και -55 dBm. Ο προτεινόμενος δέκτης χρησιμοποιεί την τυπική αρχή ενός envelope detector που συλλέγει ενέργεια RF από την κεραία του, ενώ χρησιμοποιεί έναν ενισχυτή λειτουργίας νάνο-ισχύος για να εντείνει το ληφθέν σήμα πριν από την τελική αποκωδικοποίηση που πραγματοποιείται με τη βοήθεια ενός κυκλώματος συγκριτή (comparator circuit). Λειτουργεί στη ζώνη 868 MHz ISM χρησιμοποιώντας OOK σήματα που διαδίδονται μέσω των πομποδεκτών τεχνολογίας LoRa, ενώ υποστηρίζει επίσης δυνατότητα αντιστοίχισης διευθύνσεων (address matching) για να ξυπνήσει μόνο καθορισμένους κόμβους του δικτύου. Η κατανάλωση ενέργειας του ανεπτυγμένου δέκτη είναι πολύ χαμηλή, έως και τα 580 nA, παραμένοντας στα ίδια επίπεδα κατανάλωσης ενέργειας με τις σύγχρονες υλοποιήσεις.Το επόμενο βήμα μας είναι η μέτρηση της κατανάλωσης ενέργειας IoT συσκευών που παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα κατανάλωσης. Για τον λόγο αυτό παρουσιάζουμε τον eProfiler, ένα μετρητή που διαθέτει έναν αυτόματο διακόπτη αντιστάσεων (auto-ranging shunt-resistor switch) που υποστηρίζει εξαιρετικά γρήγορες εναλλαγές των 10 ns, που διαμορφώνονται με τη βοήθεια συγκριτών υψηλής ταχύτητας, που μπορούν να προσαρμοστούν επιτυχώς σε οποιαδήποτε απότομη μετάβαση. Επιπλέον, χρησιμοποιείται ένας Analog-to-Digital Converter (ADC) με πολλαπλές εισόδους για την ταυτόχρονη παρακολούθηση των αντιστάσεων, παρέχοντας ταχύτητα 150 kSamples/s σε ανάλυση 16 bit. Ο προτεινόμενος μετρητής μπορεί να αξιοποιηθεί για την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο, αλλά και για πειράματα μακράς διάρκειας ενώ το κόστος του δεν ξεπερνά τα 90 ευρώ. Επιπλέον, το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να ενεργοποιήσει ή να εντοπίσει εναλλαγές κατάστασης σε I/O pins με μέγιστη καθυστέρηση 2 μs, προκειμένου συσχετιστούν διάφορα περιστατικά (events) με τις μετρήσεις κατανάλωσης ενέργειας για την εξαγωγή ακριβών συμπερασμάτων. Ο eProfiler διαθέτει ένα ευρύ εύρος μετρήσεων 1.000.000:1, ενώ παράλληλα μπορεί να μετρήσει ρεύματα μερικών nA. Το μέσο σφάλμα του μετρητή είναι 0.45 %, με το μέγιστο σφάλμα να μην ξεπερνά το 1.6 %.Στη συνέχεια παρουσιάζουμε μια πειραματική υποδομή (testbed) σε κλίμακα πόλης, που βασίζεται στην τεχνολογία LoRa και χρησιμοποιεί πολλές συσκευές ανίχνευσης διασκορπισμένες σε όλη την αστική περιοχή για την αξιολόγηση της ποιότητας του αέρα και των καιρικών συνθηκών σε πραγματικό χρόνο. Στο testbed αυτό έχουμε αναπτύξει επιπλέον ένα framework αξιολόγησης της ποιότητας της κάθε σύνδεσης καταγράφοντας το Packet Delivery Ratio (PDR) σε σχέση με το RSSI για να χαρακτηρίσουμε την απόδοση του προτύπου LoRa υπό ρεαλιστικές συνθήκες. Τα πειραματικά αποτελέσματα, που συλλέχθηκαν σε περίοδο 2 μηνών, αναλύουν αποτελεσματικά την απόδοση του LoRa σε ένα ευρύ φάσμα του πρωτοκόλλου. Τέλος, παρουσιάζουμε πειράματα στο εργαστήριο που χαρακτηρίζουν την αποδοτικότητα της τεχνολογίας LoRa όσον αφορά την απόδοση ενέργειας ανά bit (energy efficiency per bit), μαζί με πολύτιμες πληροφορίες που εξήχθησαν από τα πειράματά μας και στοχεύουν στην ανάπτυξη ενεργειακά αποδοτικών πρωτοκόλλων.Ακολούθως, παρουσιάζουμε την πλατφόρμα NITOS BikesNet, μια υποδομή για υποστήριξη κινητών πειραμάτων σε κλίμακα πόλης που βασίζεται σε ποδήλατα εθελοντών χρηστών. Το BikesNet χρησιμοποιεί έναν προσαρμοσμένο ενσωματωμένο κόμβο που μπορεί να εξοπλιστεί με διαφορετικού τύπους αισθητήρων και να τοποθετηθεί εύκολα σε ένα ποδήλατο, προκειμένου να συλλέξει ευκαιριακά περιβαλλοντικές και WiFi μετρήσεις σε διάφορα μέρη της πόλης. Οι χρήστες μπορούν απομακρυσμένα να δεσμεύσουν και να παραγοντοποιήσουν τους κόμβους αισθητήρων στα ποδήλατα, καθώς και να συλλέξουν/οπτικοποιήσουν τις μετρήσεις τους μέσω του OMF/OML framework, το οποίο επεκτάθηκε προκειμένου να διαχειριστεί τη διαλείπουσα συνδεσιμότητα των κινητών κόμβων. Παρέχουμε επίσης ανάλυση απόδοσης του πρωτότυπου κόμβου μας όσον αφορά το sensing latency, την ικανότητα μετάδοσης δεδομένων από άκρο σε άκρο και την κατανάλωση ενέργειας, και δείχνουμε ένα πρώτο πείραμα που πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας το NITOS BikesNet στην πόλη του Βόλου.Το επόμενο μέρος της εργασίας μας επικεντρώνεται στον τομέα των υποβρύχιων δικτύων αισθητήρων, στα οποία η ενεργειακά αποδοτική λειτουργία είναι ζωτικής σημασίας. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε το σύστημα παρακολούθησης ενέργειας EVERUN, που αποτελείται από στοιχεία υλικού και λογισμικού. Ενσωματώνουμε το ανεπτυγμένο σύστημα στα Αυτόνομα Υποβρύχια Οχήματα (AUVs) του υποβρύχιου testbed του SUNRISE, για την αξιολόγηση της λειτουργίας τους όσον αφορά την ενεργειακή απόδοση. Μέσω της εκτέλεσης ενός ευρέος συνόλου πειραμάτων υπό ρεαλιστικές συνθήκες, επισημαίνουμε τους περιορισμούς των εργαλείων αξιολόγησης ενέργειας βάσει μοντέλου και χαρακτηρίζουμε την ενεργειακή απόδοση βασικών πρωτοκόλλων και μηχανισμών. Η ακρίβεια των συλλεγόμενων δεδομένων ενέργειας, μαζί με τα ενδιαφέροντα συμπεράσματα, επιβεβαιώνουν τη δυνατότητα εφαρμογής της προσέγγισής μας στην αξιολόγηση της ενεργειακής απόδοσης των προτεινόμενων λύσεων.Τέλος, παρουσιάζουμε μια πρωτότυπη αρχιτεκτονική για τη δυνατότητα on-line επικοινωνίας με εγκαταστάσεις παρακολούθησης θαλάσσιου περιβάλλοντος. Για το σκοπό αυτό, βασιζόμαστε σε ένα σύνολο τεχνολογιών επικοινωνίας που κυμαίνονται από IoT πρότυπα επικοινωνίας χαμηλού ρυθμού δεδομένων έως τα ευρέως υιοθετημένα πρωτόκολλα WiFi και LTE που είναι σε θέση να υποστηρίξουν εφαρμογές με μεγάλες απαιτήσεις. Για να επιτύχουμε ενεργειακά αποδοτική λειτουργία, απενεργοποιούμε όλες τις διεπαφές και τα περιφερειακά που καταναλώνουν ενέργεια εκμεταλλευόμενοι τη μέθοδο του power-gating, ενώ διατηρούμε ενεργή μια διεπαφή μεγάλης εμβέλειας και χαμηλής ισχύος (LoRa standard), αποκλειστικά για τον έλεγχο/αφύπνιση των υπόλοιπων εξαρτημάτων.