Design of a power-saving strategy for a collaborative wireless sensor network of multi-core embedded systems

Abstract

Structural Health Monitoring (SHM) es un campo de ingeniería que enfrenta el hecho de que los sensores tienden a ser difíciles de acceder e instalar, lo que hace que los nodos de bajo consumo de energía en una red de sensores inalámbricos ayuden a facilitar su implementación, instalación y mantenimiento. Este trabajo presenta una propuesta de diseño para una estrategia de ahorro de energía para una red colaborativa utilizada en SHM para aumentar la duración de la batería de los nodos y permitir futuros despliegues con energía solar. Esta estrategia incluye; recomendaciones de perfilado de código, mediciones de carga de procesador y de voltaje-corriente para un enfoque de optimización de nivel de instrucción, implementación de manejo dinámico de potencia (DPM por sus siglas en inglés Dynamic Power Management), escalamiento dinámico de tensión y frecuencia (DFVS por sus siglas en inglés Dynamic Voltage and Frequency Scaling), mejoras en el protocolo de comunicación de la red colaborativa y evaluación tecnológica de redes de gran área de baja potencia (LPWAN por sus siglas en inglés Low Power Wide Area Network) en forma de comunicaciones LoRa (del inglés Long Range o largo alcance en español). Esta estrategia aumenta la autonomía de la batería de los nodos de la red hasta un 574,74 %, considerando tres horas y 31 minutos como línea base, alcanzando hasta veintitrés horas y 45 minutos; además, puede reducir la utilización de energía media en un 26% en los dispositivos maestros que para este trabajo se denominan dispositivos primarios y en un 28,58% para los dispositivos esclavos, tratados como secundarios. También redujo la cantidad de datos a transmitir hasta un 80% de 11,72 KB a 2,34 KB por hora por nodo. Además, se presentan algunos resultados significativos para las mejoras en utilización de la CPU y la reducción del consumo de energía, también se identifican algunas áreas de interés para futuras mejoras.

Structural Health Monitoring (SHM) is an engineering field that faces the fact that sensors tend to be arduous to access and install, making nodes of low power consumption in a wireless sensor network aids in facilitating its deployability, installability, and maintain ability. This work presents a design proposal for a power-saving strategy for a collaborative network used in SHM to increase the nodes’ battery life and allow future solar power deployments. This strategy includes code profiling recommendations, CPU Load measurements and voltage-current measurements for an instruction-level optimization approach, implementation of Dynamic Power Management (DPM), Dynamic Voltage and Frequency Scaling (DFVS), collaborative network communication protocol improvements, and evaluation of Low-Power Wide Area Network (LPWAN) technology in the form of LoRa (Long Range) communications. This strategy increases the battery autonomy of the network nodes up to 574.74 %, considering three hours and 31 minutes as a baseline, achieving up to twenty-three hours and 45 minutes; moreover, it can reduce the mean power utilization by 26% in masters devices which for this work are called primary devices and 28.58% for slaves devices, treated as the secondary ones. It also reduced the amount of the data to be transmitted to up 80% from 11.72 KB to 2.34 KB per hour per node. Furthermore, some significant results for CPU utilization and power consumption reduction are presented, as well as identifying some areas of interest for future improvements.