Power management in wireless network of high resolution cameras for periodic monitoring of environment

Opremanje osjetilnih čvorova kamerama visoke razlučivosti rezultira novim mogućnostima primjene bežičnih mreža osjetila u nadzoru okoliša. Ograničenja energetskih resursa baterijski napajanih čvorova, računalnih resursa, te propusnosti bežične komunikacije rezultiraju potrebom za prilagođavanjem arhitekture čvorova i bežične mreže, kao i upravljanjem potrošnjom kako bi se mogla ostvariti tražena funkcionalnost uz zadovoljavajući životni vijek. Na osnovu provedenih mjerenja propusnosti i potrošnje energije predstavnika ZigBee (CC2530) i Wi-Fi (CC3000) komunikacijskih modula, podešeni su parametri korištenog modela čvora kako bi ponašanje modela čvora odgovaralo ponašanju komunikacijskih modula. Simulacijama u različitim scenarijima ustanovljeno je prilikom prijenosa manje količine podataka (do 64~kB) ZigBee čvor ostvaruje nižu potrošnju energije od Wi-Fi čvora. Analiza energetske učinkovitosti bežične komunikacije napravljena je korištenjem modela osjetilnog čvora. Model osjetilnog čvora implementiran je u simulatoru diskretnih događaja OMNET++, a izveden je automatima stanja. Obradom slike na čvoru i izdvajanjem bitnih promjena može se smanjiti količina podataka koju čvorovi trebaju slati, a time i smanjiti energija potrebna za prijenos prikupljenih podataka. Za potrebe analize uspješnosti i primjenjivosti algoritama za detekciju promjena prikupljeno je nekoliko sljedova slika, na kojima je testirana uspješnost izabranih algoritama za detekciju promjena. Dobiveni rezultati su pokazali kako uspješnost pojedinih algoritama ovisi o uvjetima prikupljanja slika, pri čemu korištenje umjetnog osvjetljenja rezultira pouzdanijom detekcijom promjena. Eksperimentalna provjera potrošnje energije potrebne za izvođenje izabranih algoritama pokazala je kako algoritmi koji zahtijevaju veći broj računskih operacija za izvođenje imaju i veću potrošnju energije, pri čemu kompleksnija analiza slike (poput uzimanja u obzir okolice pojedinih piksela, što zahtijeva veći broj operacija) rezultira pouzdanijom detekcijom promjena. Na osnovu napravljenih analiza energetske učinkovitosti predloženo je korištenje zvjezdaste topologije, pri čemu upravljački čvor ima mogućnost pristupa sustavu mobilne telefonije. Najniža ukupna potrošnja čvora ostvaruje se kada čvor prikuplja sliku pod umjetnim osvjetljenjem, detektira bitne promjene i šalje ih na daljnju obradu. U slučaju ZigBee čvora, niža potrošnja energije ostvaruje se kompleksnijom obradom slike koja rezultira manjom količinom podataka, dok Wi-Fi čvor nižu potrošnju energije ostvaruje kada se ne izvode koraci dilatacije i označavanja povezanih područja. Za promatrani izbor težinskih faktora ocjena predložene arhitekture ZigBee i Wi-Fi čvorova razlikuje se za približno 5 %.Wireless nodes with high-resolution cameras are enabling wide range of new applications for wireless sensor networks, while a special design approach is required in order to save energy and prolong lifetime of a battery-powered wireless sensor nodes. To be able to assess an energy efficiency of data-intensive wireless transmission, a measurement-based model of the wireless sensor node is introduced. The node model implementation represents a typical architecture of the sensor node, where finite state machines are used to describe behaviour of each unit, making it possible to tune behaviour of the node model to different scenarios. A discrete event simulator OMNET++ was used for the node model implementation. In simulations, the node model was set to reflect behaviour of commercially available ZigBee (CC2530) and Wi-Fi (CC3000) modules. Our results show that in scenarios when the node sends up to 64~kB of data, the ZigBee node provides longer lifetime, while for higher data amount Wi-Fi provide longer lifetime. As energy consumption of the wireless transfer is proportional to the amount of data the node has to sent, the primary aim of an employed image processing is to reduce the amount of data. Analysis of suitable change detection algorithms, that includes performance and energy efficiency analysis, was conducted on several image sequences, that were acquired in different illumination conditions. Results indicate that a change of illumination conditions can have significant effect on algorithms performance and that usage of an artificial scene illumination provides results with higher change detection efficacy. Energy consumption measurements of algorithms execution have revealed that more complex algorithms, providing higher change detection performance, but taking more operations to execute, requires significantly more energy than simple algorithms. In all cases the change detection algorithms were able to significantly reduce amount of data the nodes have to send. A comparison of an overall energy consumption of the node sending the high resolution image and the energy consumption required for the image processing reveals that the image processing is required to achieve long lifetime. The lowest energy consumption is achieved when the artificial scene illumination and simple change detection algorithms are employed. In case of ZigBee node, the more complex image processing, that provides the lowest data amount the node has to sent, results with lower overall energy consumption, while in case of Wi-Fi node overall lower energy consumption is achieved if image dilatation and connected components labelling are not executed. For a proposed node architecture, the lifetime of ZigBee node and Wi-Fi node differ only for approximately 5%