Vestnik of Don State Technical UniversityVestnik of Don State Technical UniversityВестник Донского государственного технического университета1992-5980350910.12737/5700Технические наукиTechnical sciencesТехнические наукиEnergy consumption model of wireless sensor net nodes and its application for increasing network offline operation timeМодель энергопотребления узлов беспроводной сети датчиков для увеличения времени автономной работы сетиМохсенМохаммед Неама MohsenMohammed Neamah Mohammed.naima@gmail.comБогуславскийИгорь ВладимировичBoguslavskiyIgor Владимировичbva_rek@rgups.ru30092014300920141433744https://naukaru.ru/en/nauka/article/3509/view
Предлагаемая новая модель беспроводной сети датчиков может быть применена для оптимизации энергопотребления сети. Этому способствует оптимизация структуры связей между узлами, учитывающая ёмкость источника питания узла, объём собираемой и передаваемой узлом информации, а также энергетическую возможность связи между узлами и её количественную оценку. Использование данной модели позволит оптимизировать структуру энергопотребления в беспроводной сети с целью повышения времени её автономной работы. (Речь идёт о времени до первого отказа узла сети из-за исчерпания ресурса источника питания.) Представленная модель приводится в терминах теории графов. Обосновывается актуальность исследования. Описывается подход к решению поставленной задачи, основанный на решении соответствующей задачи линейного программирования. Рассматривается одна из реализаций решения в виде программы для ЭВМ. Описываются результаты компьютерного моделирования. Приводятся выводы, касающиеся применимости таких технологий на практике.
A proposed new model of the wireless sensor net can be applied for the network optimized energy efficiency. The optimization of the communication structure between nodes taking into account the capacity of the power supply unit, the amount of the information collected and transmitted by the node, as well as the energy connectivity between nodes and its quantitative assessment contributes to this. The application of this model will allow optimizing the structure of energy consumption in a wireless network to increase the time of its offline operation. (It is a case of life to the first node failure due to the power supply exhaustion.) The presented model is given in terms of the graph theory. The research relevance is proved. The approach to the problem solution based on the solution to the corresponding linear programming problem is described. The implementation of solutions in the form of a computer program is considered. The computer simulation results are described. The conclusions regarding the applicability of the technology in practice are provided.
беспроводные сети датчиковбеспроводные сенсорные сети (БСС)оптимизация энергопотребленияэнергетическая балансировка.wireless sensor networks (WSNs)energy optimizationenergy balancing.
Введение.Исследователи во всём мире проявляют активный интерес к беспроводным сетям датчиков, или беспроводным сенсорным сетям (БСС). Это обусловлено их универсальностью и удобством использования. Среди проблем, наиболее остро стоящих в связи с их использованием [1], можно отметить вопросы энергоэффективности и отказоустойчивости.Одним из основных преимуществ БСС и одновременно существенной проблемой является автономное питание, требующее регулярной замены элементов. Отчасти эта проблема решается с помощью подхода EnergyHarvesting, предполагающего преобразование энергии побочных механических, тепловых или электромагнитных воздействий в электрический ток для питания устройства. Широкое применение методов EnergyHarvesting является отличительной чертой устройств, разрабатываемых под товарным знаком EnOcean.В контексте разработки систем для мониторинга промышленных объектов автономное питание узлов сенсорной сети, с одной стороны, является серьёзной проблемой, так как множество специальных датчиков (например, некоторые газоанализаторы) отличаются высоким энергопотреблением. С другой стороны, EnergyHarvesting в производственных условиях потенциально может применяться с большим успехом, учитывая высокий уровень электромагнитных и тепловых шумов, вибраций, производимых промышленным оборудованием. Возможность использования преобразователей вибрации в электрический ток для питания узла сенсорной сети показана, например, в [2]. Стоит отметить, что вопрос энергобезопасности сети требует наблюдения за текущим состоянием питания всех узлов с обязательным учётом их физического расположения (все узлы сети должны быть постоянно доступны) и маршрутов прохождения данных [3, 4].
Dargie, W. Fundamentals of Wireless Sensor Networks. Theory and Practice / W. Dargie, C. Poellabauer. - London ; Chichester : John Wiley & Sons Ltd, 2010. - 311 p.Dargie, W., Poellabauer, C. Fundamentals of Wireless Sensor Networks. Theory and Practice. London, Chichester : John Wiley & Sons Ltd, 2010, 311 p.Уитакер, М. Energy Harvesting. Новый этап в развитии автономных устройств / М. Уитакер, И. Бочарников // Компоненты и технологии. - 2010. - № 8. - С. 146-169.Whitaker, М., Bocharnikov, I. Energy Harvesting. Novyy etap v razvitii avtonomnykh ustroystv. [Energy Harvesting. A new stage in the development of off-line units.] Components & Tech-nologies, 2010, no. 8, pp. 146-169 (in Russian).Мочалов, В. А. Метод синтеза отказоустойчивой структуры сенсорной сети при наличии ограничений по размещению узлов сети в разнородном пространстве / В. А. Мочалов // T-Comm : Телекоммуникации и транспорт. - 2012. - № 10. - С. 71-75.Mochalov, V. А. Metod sinteza otkazoustoychivoy struktury sensornoy seti pri nalichii ogra-nicheniy po razmeshcheniyu uzlov seti v raznorodnom prostranstve. [Method of designing fault-tolerant structure in the presence of sensory network restrictions for placing nodes in heterogeneous space.] T-Comm : Telecommunications and Transport, 2012, no. 10, pp. 71-75 (in Russian).Киреев, А. О. Распределённая система энергетического мониторинга беспроводных сенсорных сетей / А. О. Киреев // Изв. Юж. федер. ун-та. Техн. науки. - 2011. - Т. 118, № 5. - С. 60-65.Kireev, А. О. Raspredelennaya sistema energeticheskogo monitoringa besprovodnykh sen-sornykh setey. [Distributed system of energy monitoring for wireless sensor networks.] SFedU Izvestiya. Engineering Sciences. 2011, vol. 118, no. 5, pp. 60-65 (in Russian).Ishmanov, F. Energy consumption balancing (ECB) issues and mechanisms in wireless sensor networks (WSNs): a comprehensive overview / F. Ishmanov, A.-S. Malik, S.-W. Kim // European Transactions on Telecommunications. - 2011. - Т. 22. - С. 151-167.Ishmanov, F., Malik, A.-S., Kim, S.-W. Energy consumption balancing (ECB) issues and mechanisms in wireless sensor networks (WSNs) : a comprehensive overview. European Transactions on Telecommunications, 2011, vol. 22, pp. 151-167.Восков, Л. С. Метод энергетической балансировки беспроводной стационарной сен-сорной сети с автономными источниками питания / Л. С. Восков, М. М. Комаров // Бизнес-информатика. - 2012. - № 1 (19). - С. 70-75.Voskov, L. S., Komarov, M. M. Metod energeticheskoy balansirovki besprovodnoy statsionarnoy sensornoy seti s avtonomnymi istochnikami pitaniya. [Method of energy balancing of sta-tionary wireless sensor network with independent power sources.] Biznes-informatika, 2012, no. 1 (19), pp. 70-75 (in Russian).Ефремов, С. Г. Задача увеличения времени автономной работы беспроводных сенсорных сетей в системах сбора данных и способ её решения / С. Г. Ефремов, Л. С. Восков // Датчики и системы. - 2013. - № 4. - С. 2-6.Efremov S., Voskov L. Zadacha uvelicheniya vremeni avtonomnoy raboty besprovodnykh sensornykh setey v sistemakh sbora dannykh i sposob yeye resheniya. [A method for increasing lifetime of wireless sensor networks in data acquisition systems.] Sensors & Systems, 2013, no. 4, pp. 2-6 (in Russian).Восков, Л. С. Позиционирование датчиков беспроводной сенсорной сети как способ энергосбережения / Л. С. Восков, М. М. Комаров // Датчики и системы. - 2012. - № 1. - С. 34-38.Voskov, L. S., Komarov, M. M. Pozitsionirovaniye datchikov besprovodnoy sensornoy seti kak sposob energosberezheniya. [Positioning as energy saving method.] Sensors & Systems, 2012, no. 1, pp. 34-38 (in Russian).Bouabdallah, F. On balancing energy consumption in wireless sensor networks / F. Bouabdallah, N. Bouabdallah, R. Boutaba // IEEE Transactions on Vehicular Technology. - 2009. - Vol. 58, № 6. - Pp. 2909-2924.Bouabdallah, F., Bouabdallah, N., Boutaba, R. On balancing energy consumption in wireless sensor networks. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2009, vol. 58, no. 6, pp. 2909-2924.Оптимальное расположение узла-стока в беспроводной сенсорной сети : св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ 2014610877 Рос. Федерация / М. Н. Мохсен, И. В. Богуславский. - № 2013660754 ; заявл. 21.11.2013 ; опубл. 17.01.2014, бюл. № 2 (88), 2014. - 1 с.Mohsen, M. N., Boguslavskiy, I. V. Optimalnoye raspolozheniye uzla-stoka v besprovodnoy sensornoy seti : sv-vo o gosudarstvennoy registratsii programmy dlya EVM 2014610877 Ros. Federatsiya. [Optimal sink node location in the wireless sensor network : RF State Registration Certificate for Computer Program 2014610877.] No. 2013660754, 2014 (in Russian).