Integration eines dynamischen Energiemodells zur Simulation der Energieaufnahme drahtloser Sensornetze unter realen Umgebungsbedingungen

Einleitung

In dieser Arbeit soll eine Simulationsumgebung erweitert werden, sodass Temperatureffekte auf die Energieeffizienz von Sensornetzen ohne weitere Hardware evaluiert werden kann. Der hierfür gewählt Simulator ist COOJA. COOJA ist ein flexibler, javabasierter Simulator, welcher verschiedene WSN mit dem Contiki Operationssystem simulieren kann. Hierzu zählt auch der INGA. Flexibel ist COOJA in Hinsicht auf die Austauschbarkeit bzw. Erweiterbarkeit von zusätzlichen Funktionalitäten (z.B. das Radio, simulierte Hardware, Plugins für simulierten In- und Output). Ein simulierter Knoten in COOJA hat drei Eigenschaften: seinen Datenspeicher, den Knotentyp und die Hardwareperipherie. Bisher ist COOJA jedoch noch nicht in der Lage, eine realitätsnahe Simulation des Verhaltens bei sich verändernden Temperaturbedingungen zu liefern. Außerdem werden hard- warespezifische Varianzen, welche bei jedem Fertigungsprozess eingebracht werden, nicht berücksichtigt. So variiert bei der Verwendung von Undervolting bei jedem INGA die benötigte Minimalspannung.

Das Ziel ist hier, eine möglichst realitätsnahe Simulation der Energieaufnahme von INGAs auch unter sich ändernden Umgebungsbedingungen zu erreichen. Hierbei sollen insbesondere die generellen Effekte der Temperatur, sowie der Einfluss der Versorgungsspannung einbezogen werden.

Aufgabenstellung

Bereits vorhanden sind sowohl COOJA und der dazugehörige Hardwaresimulator Avrora, welcher für die Simulation der INGA Plattform und ihrer hier betrachteten Komponenten, den Prozessor (ATmega1284p) und das Radio (AT86RF233) zuständig ist. Mit Powertrace ist zwar die Möglichkeit gegeben, den Energieverbrauch der INGAs nachzuvollziehen, jedoch kann Powertrace hier nicht ohne weiteres verwendet werden: in die Berechnung fließen bisher weder das dynamische Anpassen der Spannung, noch die Temperatur der Umgebung bzw. der INGAs ein.

Wie zuvor bereits erwähnt verfügt COOJA über das Plugin Powertace, welches eine statische Energiemessung ermöglicht. Zu jeder gemessenen zeit t wird die Energie anhand des momentan eingenommenen Zustandes s berechnet und dann aufsummiert. Diese basieren auf zuvor aufgezeichneten Zuständen und deren gemessenem Energieverbrauch.

Die nachfolgende Grafik beschreibt das Vorhaben:

Auf der linken Seite sieht man die globale Zeit. Diese ist von elementarer Wichtigkeit, da der z.B. der Energieverbrauch sowohl von der Temperatur als auch vom Zustand des INGAs abhängt. Damit der Energieverbrauch berechnet werden kann, müssen natürlich alle Faktoren der gleichen Zeit genutzt werden.

Nachdem die Grundvoraussetzungen für die Simulation implementiert wurden, können weitere Funktionen zur verbesserten Auswertung der Simulation und deren Ergebnisse hin- zugefügt werden. Hierzu könnten folgende Punkte zählen:

• Temperaturregler: Eine grafische und textbasierte Möglichkeit, die Temperaturen während der Simulation zu verändern. Dies eignet sich bevorzugt in Fällen, in denen kein Temperaturverlauf abgespielt wird (soll jedoch nicht ausgeschlossen werden)
• Energieverbrauch: der aktuelle Energieverbrauch jedes einzelnen Knoten soll erkennbar sein. Dies kann z.B. durch einen Eintrag im Übersichtsmenü des jeweiligen Knotens geschehen.
• Datenaufbereitung: Nach dem Abschluss einer Simulation (ob erfolgreich oder nicht) könnten die Daten in Graphen für Temperatur, Energieverbrauch, Zustände etc. aufgezeigt werden. Diese Daten sollen ebenfalls als CSV exportiert werden können. Auch eine Abfrage bestimmter Daten (z.B. „Zeige die verbrauchte Energie dieser 4 Knoten“) zur Laufzeit soll nicht ausgeschlossen werden.
• Effizienz der Spannungsquelle: im Simulator wird natürlich davon ausgegangen, dass die Energiequelle ideal ist. In der Realität ist die natürlich nicht gegeben. So kann durch eine prozentuale Variable λ an der Spannung die Effizienz simuliert werden. Auch diese soll durch ein einfaches Eingabefeld (oder auch durch import) veränderbar sein.

Mit bereits gemessenen Daten zur Temperatur und dem Energieverbrauch des INGA, welche in einer Klimakammer durchgeführt wurden, werden die Modelle im Simulator parametrisiert. Nun können wir diese Klimakammer simulieren, indem wir ähnliche Temperaturstufen wählen und durchlaufen. Wenn das Energiemodell selbst und deren Implementierung korrekt sind, so sollten wir die gleichen Werte wie beim Aufzeichnen in der realen Klimakammer erhalten. Dies würde die Korrektheit der Simulation bestätigen.

Links

• PotatoNet
• INGA
• Undervolting in WSNs
• Cooja Simulator
• Hinweise zur Durchführung von studentischen Arbeiten am IBR