Abstract

Wireless sensors play a bigger and bigger role in our everyday life and they have become a part of our life in homes, vehicles, traffic, food production and healthcare, monitoring and controlling our activities. Low-cost and resource-efficient solutions are an essential part of this development.

The aim of the study was to develop solutions, which improve the energy efficiency of wireless sensor networks yet still fulfil the requirements of monitoring applications.

In the study, five new solutions were developed to save energy in wireless sensor networks and all the solutions were studied and verified with test bed implementations. The developed solutions are:

1. Energy-efficient medium access control (MAC), namely revive MAC (R-MAC) for duty-cycling networks with a long sampling interval (many minutes)

2. Wake-up radio solution for on-demand sampling networks, which uses the main radio as the wake-up transmitter

3. Energy-efficient internet of things (IoT) routing solution for wake-up routing with a routing protocol for low-Power and lossy networks (RPL)

4. Energy-efficient IoT compression solution: robust header compression (ROHC) compression with constrained application protocol (CoAP)

5. Data analysis solution based on an energy-efficient sensor node, where filter clogging is forecast from analysis of the vibration data at the node.

All the developed solutions were promising and can be utilized in many domain areas. The solutions can be considered as proofs of concept, which need to be developed further for use in final products.

Tiivistelmä

Langattomat sensoreilla on yhä suurempi osuus jokapäiväisessä arjessa, jossa langattomat sensorit ovat tulleet osaksi kodin, autojen, ruuantuotannon sekä terveyden valvonta- ja seurantajärjestelmiä. Oleellisena osana tätä kehitystä ovat sekä edulliset että energia- ja resurssitehokkaat ratkaisut.

Työn päämääränä oli kehittää ratkaisuja, jotka parantavat langattoman sensoriverkon energia tehokkuutta niin, että edelleen täytetään monitorointi sovellutusten asettamat vaatimukset. Työssä kehitettiin viisi uutta ratkaisua säästää energiaa langattomissa sensoriverkoissa ja kaikki ratkaisut tutkittiin ja varmennetiin työssä tehdyillä testi alustoilla. Kehitetyt ratkaisut ovat:

1. Energiatehokas alempi siirtoyhteyskerroksen protokolla (medium access control, MAC), nimittäin heräävä MAC (Revive MAC, R-MAC) jaksoittain toimiville (duty-cycling) verkoille, joissa on pitkät mittausvälit (useita minuutteja).

2. Heräteradioratkaisu (wake-up) pyynnöstä toimiville (on-demand) verkoille, joissa pääradiota käytetään heräte signaalin lähettämiseen.

3. Energiatehokas esineiden internetin (Internet of Things, IoT) reititysratkaisu herätereititykseen käyttäen matalatehoisille ja häviöllisille verkoille suunniteltua reititysprotokollaa (Routing protocol for low-Power and Lossy networks, RPL).

4. Energiatehokas IoT-pakkausratkaisu: varmatoiminen otsakkeen pakkausprotokolla (Robust Header Compression, ROHC) yhdessä rajoitettujen sovellusten protokollan (Constrained Application Protocol, CoAP) kanssa.

5. Energiatehokas sensorilaite perusteinen data prosessointi ratkaisu suodattimen tukkeutumisen ennustamiseen värähtelymittauksia käyttäen.

Kaikki kehitetyt ratkaisut olivat lupaavia ja niitä voidaan käyttää useilla sovellutusalueilla. Ratkaisut ovat soveltuvuusselvityksiä (proof of concept), joita pitää kehittää edelleen loppu tuotteiden käyttöön.