WMLab Wireless Mobile Network Lab Energy Harvesting Wireless

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. Energy Harvesting Wireless Sensor Networks 한양대학교 이동 네트워크 연구실 (WMLab) 조인휘 교수

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 1. 네트워크 성능 향상 기술 개발

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. Smart Ack의 전력 소모 개선 기법 • Smart Ack의 기본 동작 테스트 – Learning Mode Test • 센서 노드와 게이트웨이(Controller) 간 Relation을 맺기 위한 Mode • 버튼 동작을 통한 실행 – Smart Ack 수신을 위한 Learn Request 송신 – Operating Mode Test • 센서 노드의 데이터 전송 Mode • Learning Mode이후 주기적인 DATA 및 RECLAIM전송 – 센서 노드의 Smart Ack Signal 수신 - 20 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. Smart Ack의 전력 소모 개선 기법 • Learning Mode Test Smart Ack Learning Mode세부 동작 Flow - 22 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. Smart Ack의 전력 소모 개선 기법 • Operating Mode Test Smart Ack Operating Mode Operating mode 세부 동작 Flow - 24 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. Smart Ack의 전력 소모 개선 기법 • 제안하는 Smart Ack Operating Mode – Learning Mode이후의 고정적인 RECLAIM 전송을 온도 변화에 따른 RECLAIM 전송 유/무 설정 – 온도 변화에 따른 DATA 및 RECLAIM의 주기 제어 • g_sen_temp ≤ 32 ℃ RECLAIM: FALSE / Period: 10 s • 32 ℃ < g_sen_temp ≤ 34 ℃ RECLAIM: TRUE / Period: 6 s • 34 ℃ < g_sen_temp ≤ 36 ℃ RECLAIM: TRUE / Period: 3 s • 36 ℃ < g_sen_temp ≤ 40 ℃ RECLAIM: TRUE / Period: 1 s • g_sen_temp: 센서 노드에 의해 센싱되는 온도의 값을 섭씨(℃)값으로 변환한 값 Payload(4 bytes) • Temperature - • T(Celsius) = (1 – P 1/255) * 40 Sensing 가능 온도 범위 : 0 ~ 40℃ P 0 단위 1에 해당하는 온도 : 0. 156863℃ Voltage - V = (P 2/255) * 3. 6 전압 변화 범위 : 0 ~ 3. 6 V P 2 단위 1에 해당하는 전압 : 0. 014118 V - 25 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. Smart Ack의 전력 소모 개선 기법 • 제안하는 Smart Ack Operating Mode Flow – 측정되는 온도값에 따른 동적인 주기 변경 – Reclaim 메시지의 전송 유/무 제어 ACK Period = 1 s 36℃ ACK Period = 3 s 34℃ ACK Period = 6 s No ACK Period = 10 s 32℃ - 26 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. Smart Ack의 전력 소모 개선 기법 • 제안하는 Smart Ack Operating Test 결과 34 ℃ 32 ℃ 센서 노드 전원 On - 28 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. Smart Ack의 전력 소모 개선 기법 • 제안하는 Smart Ack Operating Test 결과 온도변화(32. 9418℃) 온도변화(34. 98039℃) 온도변화 (33. 88235℃) 온도변화 (34. 5098℃) - 29 - Learning Mode

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 2. 성능 검증용 시뮬레이터 개발

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • 진행 사항 – 시뮬레이션 환경 구축 – Network model 설계 및 구현 – WSP protocol 구현 – Channel model 적용 – Energy harvesting module 분석 및 적용 * WSP: Wireless Short Packet - 31 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • 시뮬레이션 환경 – NS-2 기반 시뮬레이션 환경 개발 – Linux환경에서 NS-2 시뮬레이션을 위한 Library / 컴파일러 / 환경 변수 설정 및 구축 Proposed Algorithm Application En. Ocean Stack NS-2 Simulator C++ Tcl TDMA MAC VNP RTP Component Ubuntu 10. 04. 4 802. 15. 4 PHY • Tcl(Tool Command Language) Component : Simulation parameter, Topology 관리 • C++ Component : Protocol 제어 - 32 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • En. Ocean Stack Structure En. Ocean Stack val(chan) mac-enocean. cc Mac: : send() Mac: : recv( ) val(prop) val(mac) WSP Animation cbr_start( ) val(retx) ms_time() source. /enocean. sc n enocean. scn Tcl Energy Module Initial Parameters val(b_charge) / val(b_loss) cbr_stop() harvesting_enable() set_interval() - 33 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • Network model – 1개의 Controller(ID: 0)와 복수의 End-device(ID: 1 ~ n) – Unslotted ALOHA 채널 접근 알고리즘 – 각 노드마다 CBR mode를 위한 Agent 설정 – WSP 프로토콜 기반 데이터 전송 – Data rate: 125 kbps – Frequency: 315. 0 MHz – Single channel * CBR: Constant Bit Rate - 34 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • WSP(Wireless Short Packet) protocol – Overview • Tx maturity time • Time slot allocation - 35 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • WSP(Wireless Short Packet) protocol – 1개의 controller와 n개의 end-device를 이용하여 unslotted ALOHA 기반의 시뮬레이션 환경 구축 – CBR traffic 주기 제어 • 1개의 노드가 4개의 10 ms 그룹 중 0 ms, 1~9 ms, 21~39 ms 에서 각각 1 번씩, 총 3번 전송 ② 1~9 ms 10 ms ③ 21~39 ms 10 ms ② 1~9 ms 10 ms ① 0 ms - 36 - 10 ms ③ 21~39 ms 10 ms

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • WSP(Wireless Short Packet) protocol - 38 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • Channel model – Free space model – Shadowing model – Two-ray ground model • 시뮬레이션 모델에 적용하기 위해서 Node type 변경 - 39 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • STM 300 C energy harvesting 관련 module Consumption <STM 300 C module의 전력 소모> Transmit period 100 u. C Measurement period 30 u. C Max. Voltage 3. 44 V Threshold voltage 2. 40 V Max transmit count - 40 - (250 m. F*1. 04 V)/130 u. C =2000

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 시뮬레이션 모델 설계 및 개발 • 성공률 – 노드 개수를 10개부터 100개까지 10개씩 증가하며 실험 – <조건> ü 실행시간 : 30초 ü 데이터 전송 주기 : 1초 * Reference paper - J. Ploennigs, “Performance Analysis of the En. Ocean Wireless Sensor Network Protocol”, 2010, IEEE Conference on ETFA - 43 -

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 3. 네트워크 관리 프로그램 개발

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 네트워크 관리 프로그램 시스템 구성 • 시스템 구성도 (NMS) Data Warehouse Buildings NMS Center DB Web Server Control Server FA# BA# Internet FA# Web NMS Client Android NMS App BA# FA Floor Agent (층별 구성 : 층별 수집 정보) BA Building Agent (빌딩별 구성 : 빌딩별 정보 취합) 온도, 조도, Voltage Buildings - 51 - Center

WMLab Wireless & Mobile Network Lab. 네트워크 관리 프로그램 시스템 구현 환경 - [시스템 구현] • 시스템 구현 환경 Data Warehouse 세션관리 (웹, 모바일) 정보 데이터 관리 DB 웹 요청 정보 처리 My-SQL 컨트롤 서버 웹 서버 Java Console PHP 5 JVM Apache BA Java Console JVM Java Console Mobile FA (Controller) 모바일 앱 JVM RS 232 크롬 (모바일) Android Jellybean PC 크롬(웹) VB(맵 제어) Windows 7 En. Ocean Sensors - 55 -