Abstract

Multimedia Internet of Things (MIoT) refers to IP-enabled Wireless Multimedia Sensor Networks (WMSN) which are used to retrieve, not only scalar data, but also video and audio streams, and still images from the physical environment. Despite the prominent growth in demand of MIoT, several technical challenges still arise when dealing with practical deployments of WMSN. Most technical challenges in MIoT-and IoT in general-are, one way or another, related to the constrained nature of devices.

This thesis provides novel contributions towards optimizing the most precious resource of wireless multimedia sensor nodeꟷthe energy. First, the dissertation proposes sleepyCAM power management model, which uses hierarchy in sensor-node architecture to minimize the idle power consumption of a camera node. Second, a prototype is developed to realize the energy saving potential of sleepyCAM in an event driven live video streaming application. Third, a heterogeneous multi-tier WMSN is developed to improve idle power consumption of camera nodes in large scale deployment. It applies hierarchy in sensor-network design, where low-power sensor nodes wake up more energy-consuming multimedia sensor nodes only when needed. A simple power consumption model is also formulated and applied to estimate the battery-life of MIoT devices. Finally, this thesis offers solutions to enhance manageability and service orchestration of WMSN software using container based virtualization, and study their energy implications.

The measurement results show that both hierarchy in sensor-node and multi-tier network architecture significantly reduce the idle power consumption of WMSNs. Moreover, the empirical results also indicate that containers add fixed overhead during the boot-up and shutdown phase of the cameras, but nevertheless, have negligible impact during the video streaming session.

Tiivistelmä

Multimediakyvykkäällä esineiden internetillä (Multimedia IoT, MIoT) viitataan IP-pohjaisiin langattomiin sensoriverkkoihin, jotka kykenevät perinteisen skalaarisen sensoridatan lisäksi tallentamaan ympäristöstään myös video- ja ääni- ja kuvadataa. Vaikka multimediakyvykkään esineiden internetin tarve kasvaa jatkuvasti useilla alueilla, teknologian kannattavan hyödyntämisen tiellä on vielä useita haasteita. Suurin osa näistä haasteista liittyy tavalla tai toisella esineiden internetin laitteiden rajoitettuun laitteisto- ja energiakapasiteettiin.

Tämä väitöskirja esittelee uusia tapoja multimediakyvykkään esineiden internetin energiatehokkuuden parantamiseen, sillä esineiden internetin laitteiden käytettävissä oleva energiakapasiteetti on tyypillisesti erittäin rajallinen. Työn ensimmäisessä vaiheessa kehitettiin hierarkkinen sensorilaitearkkitehtuuri, sleepyCAM, joka tähtää kameralaitteen valmiustilan energiankulutuksen minimointiin herättämällä laitteen enemmän energiaa kuluttavat multimediasensoritoiminnot vain tarvittaessa. Työn seuraavassa vaiheessa sleepyCAM-mallista kehitettiin prototyyppi, jolla tutkittiin mallin energiansäästöpotentiaalia todellisen maailman videovalvontasovelluksessa. Kolmannessa vaiheessa kehitettiin hierarkkinen sensoriverkkoarkkitehtuuri, jossa matalamman energiatason sensorilaitteet herättävät enemmän energiaa kuluttavia multimediasensorilaitteita vain tarvittaessa, mikä parantaa valmiustilan energiatehokkuutta laajemmissa multimediasensoriverkoissa. Työssä kehitettiin myös yksinkertainen energiankulutusmalli multimediakyvykkäiden esineiden internetin laitteiden akunkeston arviointiin. Lopuksi väitöskirjassa tutkittiin multimediasensoriverkon palveluiden hallittavuuden parantamista konttipohjaisella orkestroidulla virtualisoinnilla sekä tutkittiin ratkaisun vaikutuksia energiankulutukseen.

Prototyypeillä tehdyt todellisen maailman mittaukset osoittavat, että sekä sleepyCAM että hierarkkinen verkkoarkkitehtuuri vähentävät huomattavasti multimediasensorijärjestelmän kokonaisenergiankulutusta. Tulokset osoittavat myös, että virtualisoinnin käyttö lisää energiankulutusta videosensorilaitteen käynnistyksen ja sammutuksen yhteydessä, mutta videonsiirron aikana konttipohjaisen virtualisoinnin vaikutus energiankulutukseen on olematon.

Osajulkaisut / Original papers

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon / Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Mekonnen, T., Harjula, E., Koskela, T., & Ylianttila, M. (2017). sleepyCAM: Power management mechanism for wireless video-surveillance cameras. In Communications Workshops (ICC Workshops), 2017 IEEE International Conference on (pp. 91–96). IEEE. https://doi.org/10.1109/ICCW.2017.7962639

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

2. Mekonnen, T., Harjula, E., Heikkinen, A., Koskela, T., & Ylianttila, M. (2017). Energy Efficient Event Driven Video Streaming Surveillance Using SleepyCAM. In IEEE International Conference on Computer and Information Technology (CIT), 2017 (pp. 107–113). IEEE. https://doi.org/10.1109/CIT.2017.10

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

3. Mekonnen, T., Porambage, P., Harjula, E., & Ylianttila, M. (2017). Energy Consumption Analysis of High Quality Multi-Tier Wireless Multimedia Sensor Network. IEEE Access, 5, 15848–15858. https://doi.org/10.1109/access.2017.2737078

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

4. Mekonnen, T., Komu, M., Morabito, R., Kauppinen, T., Harjula, E., Koskela, T., & Ylianttila, M. (2018). Energy Consumption Analysis of Edge Orchestrated Virtualized Wireless Multimedia Sensor Networks. IEEE Access, 6, 5090–5100. https://doi.org/10.1109/access.2017.2783447

   Rinnakkaistallennettu versio / Self-archived version

5. Mekonnen, T., Ben Hadj Said, S., Uitto, M., Komu, M., Plymoth, A., Pilarska, K., … Harjula, E. (2019). End-to-End Energy Efficient Video Surveillance Networks. Manuscript in preparation.