Техніка та енергетика

Дослідження нових архітектурних елементів і концепцій проєктування для бездротових сенсорних вузлів: приклад з практики

Саурабх Мехта, Рія Моді, Павло Герасименко, Сергій Усенко
Завантажити статтю
Анотація

Бездротові сенсорні мережі відіграють важливу роль у сучасних системах зв’язку, забезпечуючи ефективне збирання та передавання даних у різних сферах. Такі мережі є ключовими для застосувань, пов’язаних із моніторингом довкілля, промисловою автоматизацією, розумними містами та системами охорони здоров’я, де критично важливими є точні й оперативні дані. Метою цього дослідження було розробити та перевірити нову архітектуру бездротового сенсорного вузла для задач газової детекції з акцентом на підвищення енергоефективності, надійності зв’язку, модульності та адаптивності до різноманітних умов експлуатації. Запропонована конструкція поєднує використання декількох радіочіпів, архітектури на основі стеку та спрямованих антен для підвищення стійкості до зовнішніх впливів і адаптивності мережі. Для запобігання насиченню сенсора було введено схему струмового драйвера, що забезпечує точність вимірювання концентрації газів. Архітектура на основі стеку покращує модульність і масштабованість, спрощуючи оновлення та забезпечуючи сумісність із новітніми технологіями. Крім того, спрямовані антени та спеціалізований протокол доступу до середовища підвищують ефективність зв’язку та точність локалізації. Експериментальна перевірка, проведена в сучасних наукових лабораторіях, підтвердила ефективність запропонованої конструкції в умовах різноманітного середовища. Представлений підхід до розробки апаратної частини базується на використанні недорогих, масово доступних компонентів, інтегрованих таким чином, щоб забезпечити високу функціональність без збільшення складності або вартості. Модульна конструкція також дає змогу легко та економно додавати додаткові сенсорні функції, наприклад, вимірювання температури, вологості або концентрації частинок. Результати показали суттєве покращення надійності передавання даних, оптимізацію енергоспоживання та збільшення довговічності сенсорів. Система досягла оптимального балансу між продуктивністю та доступністю, що робить її придатною для масштабованого розгортання в умовах обмежених ресурсів. Це дослідження робить внесок у розвиток газового моніторингу на основі бездротової сенсорної мережі шляхом вирішення ключових викликів у виборі апаратного забезпечення, ефективності зв’язку та адаптивної роботи сенсорів. Запропонована архітектура є перспективним рішенням для розгортання в динамічних та суворих умовах, де традиційні системи можуть виявитися неефективними

Ключові слова

апаратні платформи, конструкція вузлів, спрямована патч-антена, приймально-передавальний пристрій, мікроконтролер, бездротова сенсорна мережа

ЦИТУВАТИ
Mehta, S., Modi, R., Herasymenko, P., & Usenko, S. (2025). Exploring novel architectural elements and design concepts for wireless sensor nodes: A case study. Machinery & Energetics, 16(2), 108-116. https://doi.org/10.31548/machinery/2.2025.108
Використані джерела
  1. Aghaei, B. (2011). Using wireless sensor networks in water, electricity, and gas industries. In Proceedings of the 3rd international conference on electronics computer technology (pp. 14-17). Kanyakumari: IEEE. doi: 10.1109/ICECTECH.2011.5941646.
  2. Amjad, M., Sharif, M., Afzal, M.K., & Kim, S.W. (2016). TinyOS – new trends, comparative views, and supported sensing applications: A review. IEEE Sensors Journal, 16(9), 2865-2889. doi: 10.1109/JSEN.2016.2519924.
  3. Bekal, P., Kumar, P., Mane, P., & Prabhu, G. (2024). A comprehensive review of energy-efficient routing protocols for query-driven wireless sensor networks. F1000Research, 12, article number 644. doi: 10.12688/f1000research.133874.3.
  4. Bhat, A.W., & Passi, A. (2022). Wireless sensor network motes: A comparative study. In Proceedings of the 9th international conference on computing for sustainable global development (INDIACom) (pp. 141-144). New Delhi: IEEE. doi: 10.23919/INDIACom54597.2022.9763269.
  5. Busacca, F., Galluccio, L., Palazzo, S., Panebianco, A., & Scarvaglieri, A. (2024). Balancing optimization for underwater network cost effectiveness (BOUNCE): A multi-armed bandit solution. In 2024 IEEE international conference on communications workshops (ICC Workshops) (pp. 1340-1345). Denver: IEEE. doi: 10.1109/ICCWorkshops59551.2024.10615825.
  6. Divyansh, T., Yugal, K., Arvind, K., & Pradeep, K.S. (2019). Applicability of wireless sensor networks in precision agriculture: A review. Wireless Personal Communications, 107, 471-512. doi: 10.1007/s11277-019-06285-2.
  7. Ezeigweneme, C., Nwasike, C., Adekoya, O., Biu, P., & Gidiagba, J. (2024). Wireless communication in electro-mechanical systems: Investigating the rise and implications of cordless interfaces for system enhancement. Engineering Science & Technology Journal, 5, 21-42. doi: 10.51594/estj.v5i1.720.
  8. Gong, L., Sharma, A., Henry, J., & Youssef, M. (2021). A novel solar harvesting modular wireless sensor mote for greenhouse applications: Design & implementation. In Proceedings of the IEEE energy conversion congress and exposition (ECCE) (pp. 802-807). Vancouver: IEEE. doi: 10.1109/ECCE47101.2021.9595744.
  9. Johnson, M., et al. (2009). A comparative review of wireless sensor network mote technologies. In Proceedings of IEEE SENSORS conference (pp. 1439-1442). Christchurch: IEEE. doi: 10.1109/ICSENS.2009.5398442.
  10. Kaddi, M., Omari, M., & Alnatoor, M. (2024). EECLP: A wireless sensor networks energy-efficient cross-layer protocol. Computers, Materials & Continua, 80, 1-10. doi: 10.32604/cmc.2024.052048.
  11. Kasar, S.P., Shekhar, A.K., Shah, M., & Mehta, S. (2013). An overview of localization techniques and algorithms for wireless sensor networks. In Proceedings of TEL-NET conference (pp. 261-265). Abu Dhabi: IEEE. doi: 10.1109/INNOVATIONS.2011.5893810.
  12. Luo, Y., Yang, Y., Hong, H., & Dai, Z. (2024). A simultaneous wireless power and data transfer system with full-duplex mode for underwater wireless sensor networks. IEEE Sensors Journal, 24(8), 12570-12583. doi: 10.1109/JSEN.2024.3373789.
  13. Maia, G., Guidoni, D.L., Aquino, A.L.L., & Loureiro, A.A.F. (2009). Improving an over-the-air programming protocol for wireless sensor networks based on small-world concepts. In Proceedings of the 12th MSWiM conference (pp. 261-267). New York: Association for Computing Machinery. doi: 10.1145/1641804.1641848.
  14. Mazin, М., & Onykiienko, Yu. (2023). Peculiarities of using Huffman and RLE methods for image compression in microcontroller systems. Technologies and Engineering, 24(6), 21-30. doi: 10.30857/2786-5371.2023.6.2.
  15. Mekonnen, T., Porambage, P., Harjula, E., & Ylianttila, M. (2017). Energy consumption analysis of high-quality multi-tier wireless multimedia sensor networks. IEEE Access, 5, 15848-15858. doi: 10.1109/ACCESS.2017.2737078.
  16. Petersen, S., Doyle, P., Vatland, S., Aasland, C.S., Andersen, T.M., & Sjong, D. (2007). Requirements, drivers, and analysis of wireless sensor network solutions for the oil & gas industry. Proceedings of the IEEE conference on emerging technologies and factory automation (EFTA 2007) (pp. 219-226). Patras: IEEE. doi: 10.1109/EFTA.2007.4416773.
  17. Qi, R., & Li, R. (2022). Network multimedia table tennis teaching design based on embedded microprocessor. Wireless Communications and Mobile Computing, 2022, article number 019857. doi: 10.1155/2022/2019857.
  18. Ricciardella, F., Vollebregt, S., Polichetti, T., Alfano, B., Massera, E., & Sarro, P.M. (2017). An innovative approach to overcome saturation and recovery issues of CVD graphene-based gas sensors. In Proceedings of IEEE SENSORS conference (pp. 1-3). Glasgow: IEEE. doi: 10.1109/ICSENS.2017.8234284.
  19. Shah, M., & Mehta, S. (2013). A discussion on hardware platforms for wireless sensor networks. In Proceedings of TEL-NET conference (pp. 253-260). Noida: Amity University.
  20. Singh, Y., & Walingo, T. (2024). Smart water quality monitoring with IoT wireless sensor networks. Sensors, 24(9), article number 2871. doi: 10.3390/s24092871.
  21. Thakkar, A., Chaudhari, K., & Shah, M. (2020). A comprehensive survey on energy-efficient power management techniques. Procedia Computer Science, 167, 1189-1199. doi: 10.1016/j.procs.2020.03.432.
  22. Yokoyama, T., Narieda, S., & Naruse, H. (2024). Optimization of sensor node placement for CO2 concentration monitoring based on wireless sensor networks in an indoor environment. IEEE Sensors Letters, 8(4), 1-4. doi: 10.1109/LSENS.2024.3373369.