Bataryasız sensörlerin verimli işleyişi için sistem desteği
System support for efficient operation of batteryless sensors
Yazar: EREN YILDIZ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BİROL ÇİLOĞLUGİL ; DOÇ. DR. KASIM SİNAN YILDIRIM
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol = Computer Engineering and Computer Science and Control

Özet:
Enerji hasat teknolojilerinin gelişmesiyle birlikte ağır, hantal, maliyetli, ve çevre dostu olmayan pillerden kurtulan bataryasız sensör sistemleri geliştirilmeye başlanmıştır. Bataryasız sensör cihazları RF, güneş veya termal enerji gibi enerji kaynaklarından dönüştürülen elektrik enerjisini depolayarak çalışmasını sürdüren sistemlerdir. Çevreden toplanan enerji genellikle cihazın sürekli olarak çalışmasına yetecek seviyede olmadığı için bu sistemler sık güç kesintilerine maruz kalarak kesikli olarak çalışırlar. Kesikli çalışma cihazın uçucu durumlarını kaybetmesine neden olduğu için geleneksel programlama yöntemleri bu sistemlerde kullanılamamaktadır. Bu nedenle kesikli çalışmada güç kesintilerine karşı sistemin tutarlılığını ve ilerleyişini sağlayan özel programlama yöntemleri kullanılmaktadır. Ancak mevcut çalışmalara rağmen bataryasız sensör sistemlerinin verimliliğinin arttırılmaya ve uygulama alanlarının geliştirilmeye ihtiyacı bulunmaktadır. 
Bu tez çalışması kapsamında bir bataryasız sensör sisteminde enerjinin sisteme girmesinden başlanarak tüm ana sistem bölümlerinin verimliliğinin arttırılasına odaklanılmıştır. Bir bataryasız sensör sistemi enerji depolama birimi, hesaplama birimi, çevre birimleri ve zaman tutucu birimi olmak üzere dört ana bölümden oluşmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında bu dört ana bölüme odaklanılarak bu bölümlerde tespit edilen problemlere ve verimsizliklere özgün çözümler getirilmiştir. Enerji depolama birimi için merkezi enerji depolama mimarisi ve federe enerji depolama mimarisinin faydalarını birleştiren ve %97'ye kadar enerji transfer verimliliği olan GRANT parçalanmış enerji birleştirici çözümü getirilmiştir.  Hesaplama biriminde, boşa harcanan işi %90'a kadar azaltan ve ilk olay-odaklı kesintili çok iş parçacıklı programlamayı kesikli sistemlere getiren Immortal Threads geliştirilmiştir. Çevre birimlerinin güç kesintilerine karşı verimliliğini arttırmak için ilk yeniden çalışma anlambilimini sunan ve gereksiz yere yeniden yürütülen G/Ç işlemlerini %76'ya kadar azaltan EaseIO çalışma zamanı geliştirilmiştir. Son olarak kapasitör tabanlı ve çevre koşullarına bağımlı olan zaman tutucu devrelerine alternatif olarak yazılım tabanlı 10 kata kadar daha az enerji tüketimine sahip SQUID zaman tutcu çözümü geliştirilmiştir.

Abstract:
Advancements in energy harvesting technologies paved the way for batteryless sensor devices, eliminating the need for heavy, bulky, expensive, and environmentally unfriendly batteries. These devices store electrical energy converted from RF, solar, or thermal energy sources. Generally, energy harvested from the environment is insufficient, making these systems operate intermittently and experience frequent power failures. Traditional programming methods are inadequate for such systems since intermittent operation causes the device to lose its volatile state. Therefore, particular programming methods are employed to ensure the consistency and progress of the system despite power failures during intermittent operation. Nonetheless, despite current research efforts, there is a need to enhance the efficiency of batteryless sensor systems and expand their application areas.
This thesis focuses on improving the efficiency of all main components within a batteryless sensor system, starting from the energy input stage. A batteryless sensor system consists of four primary components: an energy storage unit, a computation unit, peripherals, and a timekeeping unit. In this thesis, unique solutions have been developed for these four main sections to address identified issues and inefficiencies.
For the energy storage unit, the 'GRANT' energy defragmenter solution has been introduced, combining the advantages of both central energy storage architecture and federated energy storage architecture. This solution achieves an energy transfer efficiency of up to 97%.
The computation unit introduces 'Immortal Threads,' which reduces wasted work by up to 90% and introduces event-driven preemptive multi-threaded programming to intermittent systems.
The 'EaseIO' runtime has been developed to increase peripheral efficiency against power failures. It introduces the first re-execution semantics in intermittent systems, reducing unnecessary re-execution I/O by 76%.
Lastly, an alternative to capacitor-based timekeeper circuits, a software-based 'SQUID' timekeeper solution, has been developed. This solution consumes up to 10 times less energy and is not dependent on environmental conditions.
Overall, this thesis proposes novel approaches to enhance the efficiency of batteryless sensor systems across all main components.