Enerji verimli kablosuz algılayıcı ağ tasarımı ve gerçekleştirilmesi
Design and implementation of energy efficient wireless sensor network
Yazar: MEHMET ERKAN YÜKSEL
Danışman: PROF. DR. ABDÜL HALİM ZAİM
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Bilgisayar ağları = Computer networks ; Dağıtık bilgisayar sistemi = Distributed computer system ; Kablosuz ağlar = Wireless networks ; Mikrobilgisayarlar = Microcomputers

Özet:
Kablosuz algılayıcı ağlar (KAA), çok sayıda algılayıcı devrenin belirli bir coğrafi bölgeye rastgele dağıtılmasıyla ya da sabit bir şekilde konuşlandırılmasıyla oluşan tasarsız (ad-hoc) ağlardır. Algılayıcı devreler; çevresindeki fiziksel olayları algılayan, algıladığı verileri işleyen, çözümleyen, depolayan, kendi aralarında haberleşerek ve işbirliği yaparak çalışan, düşük güç tüketimli, küçük boyutlu, çok işlevli, kablosuz otonom cihazlardır. KAA'lar, bulundukları ortamla sürekli etkileşim halindedirler. Gerçek zamanlı bilgilere anında ve her yerden kolayca erişilmesine imkan sağlayan özelliktedirler. Konuşlandırıldıkları bölgede herhangi bir altyapıya ihtiyaç duymamaları, organize çalışabilmeleri, herhangi bir bakım, onarım veya düzenleme gerektirmemeleri ve çok çeşitli uygulama alanlarına sahip olmaları nedeniyle, KAA'ların kullanım alanları gün geçtikçe daha da yaygınlaşmaktadır.

Bir KAA'ın yapısı (topolojisi); algılayıcı devrelerin uygulama alanlarına, donanım ve yazılım özelliklerine, konuşlandırıldıkları bölgedeki konumlarına (hareketli/hareketsiz), iletişim mesafelerine, kablosuz bağlantı karakteristiklerine, güç yönetim aktivitelerine, işbirlikçi çalışma yapılarına (kümeleme, yönlendirme), veri aktarım yöntemlerine (tek ya da çok sekmeli iletim) ve çevresel şartlara bağlı olmak üzere dinamik olarak değişir. Dolayısıyla, böyle bir dinamik KAA ortamında, algılayıcı devrelerin enerji tüketimini minimize ederken ağın bağlantısını sürekli sağlamak büyük önem taşır.

Çalışmamız, KAA'ların yapısal özelliklerinde bulunan sınırlamaları ve uygulama alanlarında ortaya çıkan zorlukları, problemleri dikkate alarak; belirli bir bölgeye konuşlandırılmış KAA'da kullanılmak üzere ideal algılama, hatasız veri toplama, işleme ve çözümleme işlemlerini yapan, organize çalışan, yenilenebilir enerji kaynağı güneşten enerji sağlayan, kendi güç yönetim modlarını dinamik bir şekilde düzenleyerek enerjilerini mümkün olduğunca az harcayan, çevresel koşullara göre senkronizasyon yapan, küçük boyutlu, uzun ömürlü, düşük güçlü kablosuz algılayıcı düğümlerin gerçekleştirilmesini; bu algılayıcı düğümler ve mevcut koordinatörler (ağ geçidi, veri toplama merkezi) kullanılarak enerji verimli bir KAA'ın oluşturulmasını; KAA'daki koordinatörler için güç tasarrufu sağlayacak donanım sistemlerinin tasarlanmasını; gerçek zamanlı iletilmesi gereken bilgileri etkin servis kalitesi sunarak KAA içerisindeki veri toplama merkezlerine ve İnternetteki sunucu cihazlara aktaracak ara katman yazılımlarının geliştirilmesini amaçlamaktadır.

Çalışmamızda; hem veri işleyici hem de yönlendirici olarak görev yapabilen, üzerinde güneş paneli bulunan, işbirlikçi çalışmayı destekleyen, dinamik güç yönetim özelliğine sahip, enerji verimli, uzun menzilli, küçük boyutlu, kablosuz algılayıcı düğümler gerçekleştirdik. Algılayıcı düğümlerimizi ve literatür taraması sonucunda seçtiğimiz ağ geçitlerini/koordinatörleri (Raspberry Pi marka tek kartlı bilgisayarlar) kullanarak mesh (örgü) ve point-to-multipoint (noktadan-çoklu noktaya) topolojilerini içeren bir KAA oluşturduk. Ağ geçitlerine güneş panelleri entegre ederek ve bunlar için güç yönetim devreleri geliştirerek bu cihazların KAA'da enerji tasarruflu çalışmalarını sağladık. Daha sonra, tasarladığımız KAA için hava koşullarına dayalı, bulanık mantık tabanlı bir senkronizasyon protokolü ve algılayıcı düğümler tarafından toplanan verileri merkezi birimlere gerçek zamanlı aktaran ara katman yazılımları geliştirdik. Ayrıca, algılayıcı düğümlerde ve ağ geçitlerinde güç optimizasyonu, bu cihazlarda çalışan yazılımlarda kod optimizasyonu yaptık. Sonuç olarak; çalışmamızda gerçekleştirdiğimiz kablosuz algılayıcı düğümlerimiz, bu algılayıcı düğümlerimiz için geliştirdiğimiz güç bilinçli metodoloji, donanım yapılarını iyileştirdiğimiz güç tasarruflu ağ geçitleri, kullandığımız senkronizasyon protokolü sayesinde, tasarladığımız KAA'ın enerji verimli ve optimum çalışmasını sağladık.

Abstract:
Wireless Sensor Networks (WSN) are ad-hoc networks consisting of many sensor nodes that have either fixed position or randomly distributed across a specific geographic area. Sensor nodes are small-sized autonomous devices that have low power consumption; sense physical events around them; process, analyze and store sensed data; communicate with each other and work collaboratively. WSNs continuously interact with the environment they are in. They have ability to work in an organized manner, access real time data instantly, anywhere. WSNs can work smoothly without needing any infrastructure, maintenance or repair, therefore making their application area spread to many fields.

WSN topology changes dynamically in accordance with the environmental conditions, data transmission procedures (single-hop or multi-hop communication), communication range, signal processing techniques, collaborative working behaviors (clustering, routing), location where they are placed (mobile, fixed), hardware and software specifications of wireless sensor nodes. Therefore, it is important to keep the network connection alive while minimizing the energy consumption of sensor nodes in such dynamic WSN environment.

Our study aims to develop sensor nodes that are to be used in the WSNs deployed in a specific region and capable of ideal sensing, correct data collection, data processing and analysis operations; operates in an organized manner, uses the sun as a renewable energy source, consumes energy as low as possible by adjusting its power management, synchronizes itself according to the weather conditions, small-sized, durable, low power by considering the limitations of WSNs' structural characteristics and the difficulties in the application areas; design a energy efficient WSN by utilizing these sensor nodes and existing coordinators (gateways, data collection center); design hardware systems that will provide power saving for the coordinators in the WSN; develop middleware that will transmit data in real time to the data collection centers and servers in Internet by guaranteeing quality-of-service (QoS.

In our study, we implemented small-sized, energy efficient, long-range wireless sensor nodes that can serve as both data processors and gateways, have sun panels on them, support collaborative working, and have dynamic power management capabilities. We created a WSN that combines the mesh and the point-to-multipoint topologies; utilizes our developed sensor nodes and the network gateways/coordinators (Raspberry Pi computers with single card slots) chosen through literature review. We ensured that network gateways were also energy efficient by developing power management circuits and integrating sun panels on them. Subsequently, we developed a synchronization protocol that is energy efficient, weather forecast and fuzzy-logic based; a middleware that collects data from sensor nodes and transmits them to related central units in real time. Furthermore, we performed power optimization in the sensor nodes, the network gateways and code optimization in the middleware that runs on these devices. As a result, we ensured that the designed WSN was energy efficient and worked optimal by utilizing the sensor nodes that we developed in our study, the low power network gateways of which their hardware was optimized, the synchronization protocol and the power-aware methodology that was developed for sensor nodes.