EHWSN-AET'de düğüm dağıtımına ve yönlendirmeye dayalı ortak optimizasyon algoritması
0 Önsöz
Kablosuz Sensör Ağı (Kablosuz Sensör Ağı, WSN), işletim ortamını izlemek için ideal bir seçimdir. Genel olarak, sensör düğümleri çevresel bilgileri izlemekten ve verileri bir veya daha fazla ağ geçidine kablosuz olarak iletmekten sorumludur. Bu nedenle WSN, yapısal sağlık izleme (Yapısal Sağlık İzleme, SHM) senaryoları için çok uygundur. Basit kurulumu ve düşük bakım maliyeti nedeniyle, kablosuz sensör ağlarını kullanan yapısal sağlık izleme sistemleri artan ilgi gördü.
Bununla birlikte, yapısal sağlık izlemede geleneksel pille çalışan kablosuz sensör ağlarının kullanılması, büyük miktarda toplanan veri, sık pil değişimi ve düğümler arasında yüksek hassasiyetli zaman senkronizasyonu gibi birçok zorlukla karşılaşacaktır. Düğümde bir enerji hasadı modülü varsa, bu sorunlar büyük ölçüde çözülebilir. Enerji toplama modülü, çevredeki ortamdan (güneş ve rüzgar enerjisi gibi) enerji toplayabilir ve bu enerjiyi sensör düğümlerini çalışmaya yönlendirmek için kullanabilir.Makul kullanım temelinde, kablosuz düğümler "kalıcı olarak" çalışabilir. Bununla birlikte, enerji hasadı sürecinin rastlantısallığı nedeniyle, hasat edilen enerji istikrarlı ve kesintisiz olarak teslim edilemez. Bu nedenle, kendi kendine çalışan kablosuz sensör ağı (Energy Harvesting Wireless Sensor Network, EHWSN) sistemleri için doğru enerji dağıtım algoritmaları son derece önemlidir.
Son yıllarda, düğüm dağıtımının ortak optimizasyonu ve EHWSN'nin yönlendirilmesi geniş çapta incelenmiştir. ZHI A E ve diğerleri, EHWSN için en uygun yönlendirme ve röle düğümü yerleştirme şemasını arayarak ağ performansını optimize eder. SKULIC J ve diğerleri, doğrusal ağ topolojisi için sensör düğümlerinin en uygun dağıtım yöntemini önermiştir. HALDER S ve diğerleri, ağ ömrü üzerinde önemli etkisi olan bir parametre olarak düğüm yoğunluğunu incelemiş ve gerekli denge enerji tüketimi parametre değerini türetmiştir. YANG CL ve diğerleri, konuşlandırılan düğümlerin tüm hedefleri kapsayabilmesi ve optimum yakınsama yoluna sahip olabilmesi için algılama ve röle için en az sayıda düğüm içeren konumu belirledi.
Yukarıda bahsedilen çalışmalar bir miktar ilerleme kaydetmiş olsalar da, genellikle sadece tek bir enerji toplama oranını dikkate alırlar, bu nedenle pratikte iyi bir şekilde uygulanamazlar. Bu makale, tüm sensör düğümlerinin ortak bir enerji hasadı modülünü (güç depolama ünitesi dahil) paylaştığı ve enerji hasadı modülünün enerji hasadı oranının X J / s olduğu yeni bir EHWSN sistemini ele almaktadır. Düğüm, enerji çıkarma talebini genel modüle gönderdikten sonra, genel modülün enerjisi koordine edilecek ve dağıtılacak ve radyo frekansı (RF) aracılığıyla tüm düğümlere iletilecektir. Yukarıdaki işlemlere bağlı olarak, tüm kablosuz düğümler veri örnekleme, işleme ve iletim işlemlerini başlatabilir. Toplanan bilginin kalitesini en üst düzeye çıkarmak ve toplanan enerjinin kısıtlamaları altında iletim gücü tüketimini en aza indirmek için, bu makale verimli ve güvenilir bir enerji dağıtım stratejisini ve buna karşılık gelen düğüm dağıtım algoritmasını ve yönlendirme protokolünü inceler ve tasarlar.
1 Sistem modeli
1.1 Enerji dinamiği özellikleri
Bu belgede tasarlanan EHWSN yapısal sağlık izleme sistemi Şekil 1'de gösterilmektedir. Yapısal sağlığı izlemek için toplam N düğümü kurulmuştur. Tüm düğümler, enerji hasat hızı X J / s olan bir enerji hasadı modülünü paylaşır. Her T, modül, toplanan enerjiyi enerji yönetimi stratejisine göre bu N düğümlerine dağıtacaktır. Enerji toplama hızı X, tekdüze bir dağılıma uyan negatif olmayan sürekli rastgele bir değişkendir: X U.
Her döngüde, düğüm i, hedef alıcı düğüm j'ye veri gönderir, aralarındaki mesafe dij'dir ve iletim süresi Ti'dir, burada TiT ve Ti, zamanla değişen bir parametredir. Aynı zamanda, tüm kablosuz düğümlerin maksimum enerji tüketimi iletim modunda çalıştığı, yani depolanan enerjinin her veri iletim döngüsünün sonunda tükendiği düşünülmektedir.
1.2 Düğüm dağıtımı ve bilgi kalitesi
Sistemin etkin bir şekilde çalışmasını sağlamak için, düğümlerin konuşlandırılmasının, yüksek enerji verimliliği ve yüksek bilgi kalitesi endeks gereksinimlerini karşılaması gerekir. Etkili bağımsızlık modeline dayalı sensör düğümlerinin yerleştirme yöntemi, Fisher Information Matrix (FIM) sonuçlarına göre sensör konumunun yerleştirme algoritmasını seçmektir: ana fikir, tüm olası dağıtım konumlarında yerel bir arama yapmaktır ve işletim parametreleri yapısal titreşimi içerir Mod, aday izleme konumları kümesi (M), konuşlandırılacak düğüm sayısı (N) ve ağ yönlendirmesi, güç ve topoloji ile ilgili kısıtlamalar. Kısacası, sensör düğümlerinin yerleştirme stratejisi, belirli M potansiyel izleme konumlarından N adet gerçek dağıtım konumunun seçilmesi sürecidir.
Bu nedenle, bu makalede tasarlanan düğüm yerleştirme planı, si'nin ikili bir gösterge olduğu S = {s1, s2, ..., sM} konum gösterge kümesi ile ifade edilebilir. Düğümlerin yerleştirilmesi için konum i'nin seçildiğini varsayarsak, si 1'e eşittir ve bunun tersi de geçerlidir. Ayrıca s0, tüm veri akışlarının yakınsama düğümünü temsil eder - ağ geçidi. Öte yandan, bilgi kalitesi, farklı modal şekil göstergelerinin farklı izlenen nesnelerle ilişkilendirildiği, izlenen modal şekil parametrelerinin birleşik işlevidir. Toplam modal matris şöyle olmalıdır:
2 Sorun bildirimi
Bu yazıda incelenen ortak optimizasyon probleminin amacı, hedef yapıyı olabildiğince sürekli izlemek ve sensörler tarafından toplanan bilgilerin kalitesini en üst düzeye çıkarmak için, düğümlerin enerjisini sağlarken, dağıtılması gereken düğüm sayısını ve karşılık gelen konumlarını mümkün olduğunca az belirlemek. "tarafsız". Etotal (S), aşağıda gösterildiği gibi tüm düğümlerin toplam enerji tüketimini temsil etsin:
Aşağıdaki kısıtlamalara uyulacaktır: Denklem (10), algoritma tarafından seçilen düğüm sayısının N ile aynı olmasını gerektirir; Denklem (11), gerçek tahsis edilen enerjinin önceki döngüde genel modül tarafından toplanan enerjiye eşit olduğunu belirtir; Denklem (12) her düğümün talep etmesini sağlar Enerji toplamı, gerçekte toplanan ve depolanan enerjinin toplamını aşmaz; formül (13), dij mesafesini sınırlandırarak ağın bağlanabilirliğini garanti eder, yani sıralı olarak bağlanmış herhangi iki düğüm arasındaki mesafe düğümün maksimum iletişim aralığını aşamaz. Rmax; Denklem (14), i düğümü ile lavabo düğümü dj arasındaki mesafenin bir sonraki atlama düğümünün j mesafesinden dj mesafesinden daha büyük olması gerektiğini zorlar.
3 Ortak optimizasyon algoritması
Düğüm dağıtım stratejisi ikili değişkenlerle temsil edildiğinden, algoritmanın yürütülmesini ve çalışmasını optimize etmek için çok uygundur. Bu makale, düğümleri yerleştirmek ve toplanan bilgilerin kalitesini en üst düzeye çıkarmak için yolları keşfetmek ve toplam enerji tüketimini kamusal enerji hasadı modülü tarafından elde edilen enerjiden daha küçük ancak ona en yakın hale getirmek için verimli bir kapsamlı olmayan arama yöntemi kullanır.
Optimizasyon probleminin çözümüne burada kromozom deniyor. Gen adı verilen değişkenlerin listesinden oluşur. Temel olarak iki kısma ayrılır: ilk kısım düğüm yerleştirme kısmıdır, M genleri soldan sırayla düzenlenir, gen değeri 1 ise, düğüm karşılık gelen pozisyonda konuşlandırılır ve gen değeri 0 ise, düğüm konuşlandırılmaz; ikinci kısım Yönlendirme kısmı için, N genleri soldan sırayla düzenlenir En soldaki birinci gen, ağ geçidinden en uzaktaki sensör düğümünü temsil eder ve karşılık gelen değeri, bir sonraki sıçrama hedef düğümünü temsil eder. En sağdaki son gen, ağ geçidi s0'dır ve bir sonraki sıçrama değeri kendisine ayarlanır. Şekil 2'de gösterildiği gibi, kromozomun uzunluğu olası yerleştirme konumlarının toplam sayısı artı olası yönlendirme yollarının toplam sayısına eşit olmalıdır.
4 Deneysel sonuçlar
Bu bölüm, bu makalede tasarlanan ortak optimizasyon algoritmasının performans göstergelerini simüle eder ve analiz eder ve bunu evrensel bir algoritma (rastgele bir düğüm dağıtım şeması, en kısa yol yönlendirme modeli ve ortalama bir enerji dağıtım stratejisi ile karakterize edilen bir mekanizma) ile birleştirir. Karşılaştırmak. Kullanılan performans göstergeleri toplam enerji tüketimi Etotal (S), normalleştirilmiş bilgi kalitesi O ve bilgi kalitesinin toplam enerji tüketimine oranıdır . Bazı simülasyon parametreleri Tablo 1'de gösterilmektedir.
Simülasyon sahnesi, 3 m yüksekliğinde 10 katlı ahşap bir kuledir. Evye düğümünün konumunun (0, 0) olduğu varsayıldığında, yapısal sağlık izleme gereksinimlerine göre her kata 28 düğüm yerleştirilir. Bu nedenle, her bir düğümden ağ geçidine olan mesafe di ve düğümler arasındaki karşılıklı mesafe dij hesaplanabilir.
İlk olarak, Şekil 4'te gösterildiği gibi bilgi kalitesi O ve düğüm sayısı N arasındaki ilişkiyi test etti. Açıktır ki, sabit bir enerji toplama hızı altında, bilgi kalitesi O temelde aynıdır, yani optimizasyon algoritması en iyi yerleştirme konumunu etkin bir şekilde hesaplayabilir ve tüm düğümlerin enerjisini "nötr" tutabilir.
Daha sonra, ortak optimizasyon algoritmasının toplam enerji tüketimi Etotal (S) ile farklı düğüm numaraları kullanıldığında rastgele yerleştirme stratejisinin karşılaştırılmasıyla sonuç Şekil 5'te gösterilmektedir.
Yine, bilgi kalitesi O ile farklı düğüm sayılarında toplam enerji tüketimi Etotal (S) arasındaki oran , Şekil 6'da gösterildiği gibi test edilir. Bu bölümde benimsenen rastgele yerleştirme stratejisi, en kısa yol bileşenini ve ortalama enerji dağıtım mekanizmasını, yani Ei = E / N'yi içerir.Doğrultulacak düğüm sayısı belirlendikten sonra, bunlar rastgele konuşlandırılacak, rotayı sırayla güncelleyecek ve tahsis edilen enerjiyi iletecektir. Ei. Ancak, toplam enerji tüketimi talebi genel toplama modülü tarafından toplanan enerjiyi aşarsa, sistemin anormal olacağını ve ağ kesintisine neden olacağını unutmayın. Rastgele yerleştirme stratejisi altında, düğüm sayısı 22'yi aştığında, ağın kesildiği ve parametresinin elde edilemediği şekilde görülebilir. Aksine, ortak optimizasyon algoritması kararlı çalışmayı sürdürebilir.
Son olarak, ortak optimizasyon algoritmasının performansı, enerji hasadı oranı değiştiğinde değerlendirilir. Enerji toplama oranı artarsa, toplanan enerji artacak, dolayısıyla desteklenebilecek düğüm sayısı da artacak ve böylece toplanan bilginin kalitesi artacaktır. Şekil 7, enerji hasadı oranındaki değişimde O ve Etotal (S) 'nin evrimini göstermektedir.
5. Sonuç
Bu makale, yapısal sağlık izlemede kullanılan EHWSN için uygun olan yeni bir ortak düğüm dağıtımı, yönlendirme ve enerji dağıtımı yöntemi önermektedir. Amaç, hedef yapıyı olabildiğince sürekli izlemek için mümkün olduğunca az düğüm dağıtmak ve aynı zamanda sensör tarafından toplanan bilgilerin kalitesini büyük ölçüde iyileştirmektir. 10 katlı ahşap bir kulenin simülasyon analizi ile tasarlanan algoritmanın toplanan bilginin kalitesi, toplam enerji tüketimi ve normalizasyon oranı gibi parametreleri karşılaştırılmış ve değerlendirilmiştir. Deneysel sonuçlar, ortak optimizasyon algoritmasının verimli olduğunu ve ağ bağlantı oranını ve enerji kullanımını etkili bir şekilde iyileştirdiğini göstermektedir.
Referanslar
LYNCH J P, FARRAR CR, MICHAELS J E. Yapısal sağlık izleme: pratik uygulamalara yönelik teknolojik gelişmeler.IEEE, 2016, 104 (8): 1508-1512.
SABATO A, NIEZRECKI C, FORTINO G.Yapısal titreşim izleme için kablosuz MEMS tabanlı ivmeölçer sensör kartları: bir inceleme. IEEE Sensors Journal, 2017, PP (99): 1.
DIGIAMPAOLO E, DICARLOFELICE A, GREGORI A. Statik ve dinamik yapısal izleme için RFID özellikli kablosuz gerilim ölçer sensörü IEEE Sensors Journal, 2016, 17 (2): 286-294.
JAYAWARDANA D, KHARKOVSKY S, LIYANAPATHI-RANA R, ve diğerleri.Altyapı durumunun izlenmesi için ivmeölçer entegre RFID etiketli ölçüm sistemi. Enstrümantasyon ve Ölçümde IEEE İşlemleri, 2016, 65 (5): 1163-1171.
PENTARIS FP, STONHAM J, MAKRIS J P. Kablosuz SHM sistemlerinin son teknoloji ürünü bir incelemesi ve iyileştirilmiş bir tasarıma yönelik deneysel bir kurulum Eurocon.IEEE, 2013: 275-282.
TESTA D D, MICHELUSI N, ZORZI M. Sınırlı şarj durumu bilgisine sahip iki kullanıcılı enerji toplama cihazı ağları için optimum iletim politikaları Kablosuz İletişim IEEE İşlemleri, 2016, 15 (2): 1393-1405.
ONGARO F, SAGGINI S, MATTAVELLI P.Li-Ion pil-süper kapasitörlü hibrit depolama sistemi, uzun ömür için, fotovoltaik tabanlı kablosuz sensör ağı IEEE Trans-actions on Power Electronics, 2012, 27 (9): 3944-3952.
LEE S, KWON B, LEE S, ve diğerleri BUCKET: çapraz katman optimizasyonu yoluyla güneş enerjisiyle çalışan sensör ağlarının programlanması IEEE Sensors Journal, 2015, 15 (3): 1489-1503.
SHIN M, JOE I. Nesnelerin İnterneti için güneş enerjili enerji toplama kablosuz sensör düğümü için enerji yönetimi algoritması. IET Communications, 2016, 10 (12): 1508-1521.
ZHI A E, TAN H P, SEAH W K G. Ortam enerjisi hasadı tarafından desteklenen kablosuz sensör ağları için MAC şemalarının tasarımı ve performans analizi. Elsevier Science Publishers B.V., 2011.
SKULIC J, GKELIAS A, LEUNG K K. Doğrusal kablosuz sensör ağlarında düğüm yerleştirme Sinyal İşleme Konferansı IEEE, 2013: 1-5.
HALDER S, DASBIT S.Kablosuz sensör ağlarında enerji verimli düğüm dağıtımını hedefleyen bir olasılık yoğunluğu fonksiyonunun tasarımı.Ağ ve Hizmet Yönetimi Üzerine IEEE İşlemleri, 2014, 11 (2): 204-219.
YANG C L, CHIN K W. Kapsama ve bağlantı için enerji hasadı kablosuz sensör ağlarına düğüm yerleştirme.Endüstriyel Bilişimde IEEE İşlemleri, 2017, PP (99): 1.
LI B, WANG D, WANG F, et al. SHM sistemleri için yüksek kaliteli sensör yerleşimi: uygulama taleplerine yeniden odaklanma Bilgi İletişimi Konferansı IEEE Press, 2010: 650-658.
HEINZELMAN W R, CHANDRAKASAN A, BALAKRISH-NAN H. Kablosuz mikro sensör ağları için enerji verimli iletişim protokolü. Hawaii Uluslararası Sistem Bilimleri Konferansı, IEEE, 2002: 8020.
yazar bilgileri:
Yang Kun, Wu Yin
(Bilgi Bilimi ve Teknolojisi Okulu, Nanjing Ormancılık Üniversitesi, Nanjing 210037, Jiangsu)
