Efektivní systém řízení energie pro zlepšení kvality služeb v bezdrátových sensorových sítích
Efficient energy management system for enhancing quality of service in wireless sensor networks
Typ dokumentu
disertační prácedoctoral thesis
Autor
Akeel Othman
Vedoucí práce
Maga Dušan
Oponent práce
Vozňák Miroslav
Studijní obor
Telekomunikační technikaStudijní program
Elektrotechnika a informatikaInstituce přidělující hodnost
katedra telekomunikační technikyPráva
A university thesis is a work protected by the Copyright Act. Extracts, copies and transcripts of the thesis are allowed for personal use only and at one?s own expense. The use of thesis should be in compliance with the Copyright Act http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf and the citation ethics http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.htmlVysokoškolská závěrečná práce je dílo chráněné autorským zákonem. Je možné pořizovat z něj na své náklady a pro svoji osobní potřebu výpisy, opisy a rozmnoženiny. Jeho využití musí být v souladu s autorským zákonem http://www.mkcr.cz/assets/autorske-pravo/01-3982006.pdf a citační etikou http://knihovny.cvut.cz/vychova/vskp.html
Metadata
Zobrazit celý záznamAbstrakt
Bezdrátová senzorová síť (Wireless Sensor Network – WSN) je důležitou technologií pro monitorování, sběr dat a měření fyzikálních signálů v přírodních i umělých prostředích. WSN se skládá z mnoha distribuovaných senzorů, strategicky umístěných na různých místech. Tyto senzory společně pracují na sběru dat ze svého okolí a sdílení těchto informací prostřednictvím bezdrátových komunikačních prostředků. Sběr dat je poté využíván pro rozhodovací procesy nebo pro nepřetržitý monitoring. WSN nacházejí uplatnění v řadě scénářů, od kompaktních systémových implementací po rozsáhlý environmentální monitoring. Správa energie v bezdrátových senzorových sítích (WSN) je klíčová, vzhledem k tomu, že komunikující uzly jsou typicky napájeny bateriemi s omezenou kapacitou. Hlavním cílem systémů pro správu energie WSN je prodloužit operační životnost sítě při zachování její funkčnosti na přijatelné úrovni. Toho je dosaženo optimalizací spotřeby energie s využitím různých strategií. Klíčové metody zahrnují prodloužení doby spánku v přístupu duty cycling, který střídá aktivní a neaktivní stavy za účelem šetření energie. Agregace dat z více senzorů je použita k snížení frekvence přenosů, čímž se šetří energie. Dále implementace energeticky účinných směrovacích protokolů, jako je (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy– LEACH), přispívá k minimalizaci energetických výdajů během přenosu dat. Dalším klíčovým aspektem je využití technologií pro sběr energie, buď pro dobíjení baterií, nebo pro usnadnění provozu senzorů bez baterií, čímž se významně zvyšuje udržitelnost a výdrž sítě. V této disertační práci je prezentován nový přístup k systému pro správu energie v bezdrátových senzorových sítích (WSN). Tento systém inovativním způsobem integruje dvě metody sběru energie: fotovoltaickou (PV) a z mechanických vibrací, konkrétně s využitím piezoelektrických materiálů PZT, v kombinaci s konvenční baterií. Tato integrace má za cíl výrazně prodloužit životnost baterie a zvýšit celkovou efektivitu sítě. Využíváním energie ze dvou odlišných obnovitelných zdrojů navrhovaný systém vhodně řeší problém nespolehlivosti spojený s jednotlivými obnovitelnými zdroji, jelikož sběrače energie spoléhají na různé, vzájemně se doplňující, druhy obnovitelné energie. Jádrem tohoto systému je inteligentní mechanismus pro volbu zdroje energie napájející každý uzel sítě. Volba je založena na reálných datech o stavu fotovoltaického sběrače, piezoelektrického sběrače a stavu nabití baterie (SoC). Pro fotovoltaický sběrač disertace navíc představuje inovativní hybridní algoritmus pro predikci dostupného výkonu. Wireless Sensor Network (WSN) is an important technology in the field of telecommunication offering a wide range of applications across various sectors. It is used for monitoring, data collection, and measuring physical signals in both natural and artificial environments. A WSN consists of numerous distributed sensors, strategically placed in various locations. These sensors work in unison to gather data from their surroundings and share this information via wireless connections. The collective data is then utilized for decision-making processes or continuous monitoring purposes. WSNs find their application in a range of scenarios, from compact system implementations to extensive environmental monitoring. Energy management in Wireless Sensor Networks (WSN) is crucial, given that the nodes are typically powered by batteries with limited energy capacity. The primary goal of WSN energy management systems is to extend the network's operational lifespan while maintaining its communication efficiency at acceptable levels. This is achieved by optimizing energy consumption through various strategies. Key methods include extending the sleep periods in the duty cycling approach, which alternates between active and inactive states to conserve power. Data aggregation from multiple sensors is employed to reduce the frequency of transmissions, thereby saving energy. Additionally, the implementation of energy-efficient routing protocols, such as LEACH (Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy), further contributes to minimizing energy expenditure during data transmission. Another pivotal aspect is the use of energy harvesting technologies, either to recharge the batteries or to facilitate battery-less operation of sensors, thus significantly enhancing the sustainability and endurance of the network. In this dissertation, a novel approach for an energy management system in Wireless Sensor Networks (WSN) is presented. This system uniquely integrates two energy harvesting methods: photovoltaic (PV) and mechanical vibration, specifically using piezoelectric PZT materials, alongside a conventional battery. This integration aims to significantly extend the battery's lifespan and enhance the communication efficiency of the network. By harnessing energy from two distinct renewable sources, the system effectively mitigates the issue of unreliability associated with individual renewable sources, as the energy harvesters rely on different types of renewable energy. The core of this system lies in its intelligent selection mechanism for the energy source powering each node. This selection is based on real-time data regarding the status of the PV harvester, the piezoelectric harvester, and the battery's state of charge (SoC). For the PV harvester, the dissertation introduces an innovative hybrid solar energy prediction algorithm. This algorithm combines statistical methods and deep learning techniques to forecast the availability of solar energy for the upcoming hour. This forecast is then compared with the energy data from the PZT harvester, derived from a lookup table based on vibration resources, alongside the current SoC of the battery. To optimize the Quality of Service (QoS) of the network, a novel algorithm is proposed. This algorithm dynamically adjusts the transmission power level, data rate, and duty cycle based on the available energy resources. It aims to maintain the minimum QoS requirements while simultaneously addressing a multi-objective optimization problem. This problem focuses on maximizing QoS and prolonging the battery's lifespan. The proposed system thus presents a holistic approach to energy management in WSNs, leveraging the synergy of multiple energy sources and advanced algorithmic strategies to achieve superior network performance and sustainability.
Zobrazit/ otevřít
Kolekce
- Disertační práce - 13000 [697]
Související záznamy
Zobrazují se záznamy příbuzné na základě názvu, autora a předmětu.
-
Studie využitelnosti obnovitelných zdrojů energie v ČR
Autor: Kapras Tomáš; Vedoucí práce: Boháč Jindřich; Oponent práce: Bašta Jiří
(České vysoké učení technické v Praze. Vypočetní a informační centrum.Czech Technical University in Prague. Computing and Information Centre., 2016-06-20)Tato bakalářská práce je zaměřena na obnovitelné zdroje energie a to na energii sluneční, větrnou, vodní, geotermální, na energii prostředí a na energii biomasy. V práci je uveden původ jejich vzniku, způsoby jejich využití ... -
Návrh a optimalizace energetického střediska pomocí simulačních nástrojů
Autor: Olga Aralkina; Vedoucí práce: Garlík Bohumír; Oponent práce: Šmejkal Ladislav
(České vysoké učení technické v Praze. Vypočetní a informační centrum.Czech Technical University in Prague. Computing and Information Centre., 2021-06-23)Cílem této práce je představení možností použití integrovaných energetických centrů jako alternativy centrálně řízeným systémům. Tato diplomová práce je věnovaná modelování takového energetického střediska pro určenou ... -
Obnovitelné zdroje a příklad jejich využití
Autor: Mádle Kamil; Vedoucí práce: Bouček Stanislav; Oponent práce: Straka Libor
(České vysoké učení technické v Praze. Vypočetní a informační centrum.Czech Technical University in Prague. Computing and Information Centre., 2018-08-30)Tato bakalářská práce se zabývá tématem obnovitelných zdrojů energie. V první části je uvedeno, proč je nutné využívat obnovitelné zdroje. Dále jsou podrobně popsány jednotlivé obnovitelné zdroje s jejich základními ...