Efficient Operation of Highly Energy-Constrained Wireless Sensor Networks
Networks of energy-constrained wireless devices equipped with sensors, so-called Wireless Sensor Networks (WSNs), have various applications, from automation in factories to precision farming and smart homes. These networks are extensively studied in the literature, and advanced approaches to many challenges, like delay, throughput, and energy consumption, exist. Since the energy supply is a major limiting factor for the performance of WSNs, many advances have been made to reduce energy consumption. Energy harvesting is an approach commonly found in WSNs and allows prolonging the lifetime by collecting energy from the surroundings of a sensor node. Since this energy supply is often very volatile, over-provisioning the energy source and the battery can aid in ensuring high availability. However, increased cost and environmental impact are major challenges, especially for larger networks. In this work, the impact of minimizing the energy source and storage of a sensor node is evaluated, and the feasibility of forming networks of these nodes is assessed. Ambient temperature gradients found between the upper soil layers and the air are studied
for their potential to offer novel WSN application scenarios based on limited energy sources. Simulations and real-world implementations are used to characterize this energy source over the span of many months. Based on the results obtained, the implications on a node and network level are studied in simulations and emulation-based lab experiments. The contribution of this work includes a mechanical and electrical prototype design and an evaluation of a real-world energy harvester for ambient temperature gradients. Additionally, a framework for the emulation of temperature gradients in a lab is implemented. Adaptations to the operating system of a sensor node with constrained energy source and storage are studied. Finally, the feasibility of forming a multi-hop network of highly energy-constrained sensor nodes powered by ambient temperature gradients is shown in simulations.
Netzwerke, welche aus energiebeschränkten, mit Sensoren ausgestatteten Geräten bestehen, so genannte WSNs, können vielfältig eingesetzt werden, beispielsweise in der modernen Landwirtschaft oder Smart-Home-Anwendungen. Die umfassende Literatur zu diesen Netzen enthält Ansätze zu vielen Herausforderungen, wie beispielsweise Latenz, Durchsatz und Energieverbrauch. Da die Stromversorgung einen maßgeblichen limitierenden Faktor für WSNs darstellt, wurden viele Fortschritte in der Reduzierung des Energieverbrauchs gemacht. Die Energiegewinnung aus der Umgebung eines Sensorknotens, das sogenannte ''energy harvesting'', ist ein verbreiteter Ansatz in WSNs und erlaubt es, die Lebenszeit des Netzes zu verlängern. Da diese Art der Energieversorgung oft sehr unbeständig ist, kann die Verfügbarkeit durch die Überprovisionierung der Energiequelle und des Akkus gesteigert werden. Allerdings entstehen durch die Überprovisionierung gerade bei größeren Netzen höhere Kosten und mehr Umweltbeeinträchtigungen. In dieser Arbeit wird analysiert, wie sich das Minimieren der Energiequelle und des Akkus auf einen Sensorknoten auswirkt und wie Netze mit derartigen Knoten gebildet werden können. Der Temperaturgradient zwischen den oberen Erdschichten und der Luft wird hinsichtlich der Eignung als Energiequelle für neuartige WSN-Anwendungszenarien mit limitierter Energie untersucht. Simulationen sowie reale Implementierungen werden verwendet, um diese Energiequelle über mehrere Monate zu charakterisieren. Basierend auf den so erzielten Ergebnissen werden Implikationen sowohl auf der Knoten, als auch auf der Netzwerkebene mittels Simulationen und Emulationen im Labor untersucht. Teil dieser Arbeit ist ein mechanischer und elektrischer Design-Prototyp und die Evaluation eines realen Ernergieharvesters für Umgebungstemperaturdifferenzen. Zusätzlich wird ein Emulator für das Erzeugen von Temperaturgradienten unter Laborbedingungen implementiert. Zudem werden anpassungen am Betriebssystem eines Sensorknotens für die Verwendung von eingeschränkten Energiequellen und Batteriekapazitäten untersucht. Schlussendlich wird die Machbarkeit eines multi-hop Netzwerks bestehend aus energiebeschränkten Sensorknoten, welche mit Umgebungstemperaturdifferenzen betrieben werden, in Simulationen gezeigt.
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