KR101944194B1 - Sensing and compression rate selection with energy-allocation in solar-powered wireless sensor networks, recording medium and device for performing the method - Google Patents

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KR101944194B1 KR1020170148058A KR20170148058A KR101944194B1 KR 101944194 B1 KR101944194 B1 KR 101944194B1 KR 1020170148058 A KR1020170148058 A KR 1020170148058A KR 20170148058 A KR20170148058 A KR 20170148058A KR 101944194 B1 KR101944194 B1 KR 101944194B1
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노동건
윤익준
강민재
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a method for selecting a sensing cycle and a compression algorithm considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network. The method for selecting a sensing cycle and a compression algorithm considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network includes: a step of dividing a predetermined time into multiple slots in a wireless sensor network and allocating an energy amount which can be used in each slot; a step of transmitting data amount to descendant nodes of nodes which are at a distance of 1 hop from a sink node by nodes by calculating the data amount which the node and the descendant nodes of the node can transmit during each slot; a step of determining a motion mode of the node for selecting a data collection amount and a compression algorithm based on the estimated energy amount consumed, the data amount which can be transmitted, and the energy amount which can be used in each slot by each descendant node receiving the data amount which can be transmitted; a step of determining the sensing cycle for collecting the data in accordance with the determined motion mode of the descendant node by each descendant node; and a step of collecting as much data as the data collection amount selected in accordance with the determined motion mode of the descendant node and the sensing cycle by each descendant node and compressing and transmitting the collected data in accordance with the compression algorithm selected. Therefore, the method for selecting a sensing cycle and a compression algorithm considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network can obtain more data and can effectively suppress the generation of an interruptible node by selecting a compression technique and the data collection cycle to be suitable to a situation of each node.

Description

태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{SENSING AND COMPRESSION RATE SELECTION WITH ENERGY-ALLOCATION IN SOLAR-POWERED WIRELESS SENSOR NETWORKS, RECORDING MEDIUM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a sensing period and a compression algorithm selection method considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network, and a recording medium and a device for performing the sensing period and compression algorithm selection method. FOR PERFORMING THE METHOD}

본 발명은 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 효율적인 에너지 관리 문제와 핫스팟 문제를 해결하고 데이터 획득량을 증가시키기 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a sensing period and a compression algorithm selection method considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network, and a recording medium and an apparatus for performing the same. More particularly, the present invention relates to an energy management And to techniques for solving problems and hotspot problems and increasing data acquisition.

무선 센서 네트워크(WSN, Wireless sensor network)에서 사용되는 노드는 일반적으로 배터리로 동작하기 때문에, 유한한 수명을 가지고 있고, 이를 극복하기 위한 연구들이 활발히 진행되어 왔다. 노드의 수명을 극복하기 위한 방법으로, 주 변 환경으로부터 에너지를 모으는 에너지 수집 노드를 이용하는 기법들이 제안되었다. Since a node used in a wireless sensor network (WSN) generally operates as a battery, it has a finite life, and studies for overcoming this have been actively conducted. As a way to overcome the lifetime of the node, techniques have been proposed that use an energy collection node to collect energy from the surrounding environment.

특히, 태양 에너지는 다른 에너지원에 비해 높은 전력 밀도(약 15mW/cm2)로 인해 더욱 각광 받고 있다. 하지만, 이 에너지 수집 노드조차도 수집되는 에너지보다 많은 에너지를 소모할 경우, 에너지가 고갈되어 정전 상태가 될 수 있다. 반면, 수집되는 에너지를 충분히 활용하지 못하면, 보관할 수 있는 양 이상의 에너지가 수집되어 버려질 수 있다. 따라서, 소모 에너지의 양을 수집되는 양에 따라 조절 함으로써 노드가 영원히 사는 범위 내에서 최대한 에너지를 활용하는 기법이 필요하다. In particular, solar energy is becoming more popular due to its higher power density (about 15 mW / cm 2 ) compared to other energy sources. However, even this energy collection node consumes more energy than the energy it collects, it can become depleted and become out of order. On the other hand, if the collected energy is not utilized enough, more energy can be collected and discarded. Therefore, there is a need for a technique that utilizes the maximum amount of energy within the range where the node lives forever by adjusting the amount of consumed energy according to the collected amount.

노드의 에너지 소모를 조절하는 기법 중, 시간에 따라 사용할 수 있는 에너지량을 제한하는 에너지 할당 기법은 에너지 수집량 변화에 관계없이 고르게 활용하는데 효과적이다. 특히, 태양 에너지는 낮에만 수집되고 밤에는 수집되지 않기 때문에 시간에 따른 편차가 크지만, 이 기법들을 이용하면 시간에 관계없이 대체로 일정한 에너지를 사용할 수 있기 때문에, 일정한 주기로 환경을 관찰해야 하는 응용에 유용하다. Among the techniques for controlling the energy consumption of the nodes, the energy allocation technique which limits the amount of energy that can be used over time is effective to use evenly regardless of the change in energy collection amount. In particular, although solar energy is collected only during the day and is not collected at night, it has a large variation with time. However, since these techniques can use a relatively constant energy regardless of time, useful.

한편, WSN에서는 일반적으로 멀티홉으로 데이터를 전송한다. 그 결과, 싱크 노드에 가까운 노드일수록 전송해야하는 데이터량이 증가하는 핫스팟 문제를 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 데이터를 압축하여 전송하는 기법들이 연구되어 왔다. 데이터를 압축해서 전송할 경우, 데이터 압축에 적지 않은 에너지를 소모하지만, 전송해야하는 데이터 크기가 줄어들기 때문에 중계노드가 전달해야하는 데이터량을 감소시켜 에너지 소모를 줄일 수 있다. 반면, 싱크 노드에서 가까운 노드의 경우, 데이터를 압축해도 전달하는 중계 노드의 수가 적기 때문에 비효율적일 수 있다. On the other hand, WSN generally transmits data in multi-hop. As a result, there is a hot spot problem in which the amount of data to be transmitted increases as the node near the sink node increases. To solve this problem, techniques for compressing and transmitting data have been studied. When compressing and transmitting data, it consumes less energy for data compression, but since the data size to be transmitted is reduced, the amount of data that the relay node must transmit is reduced, thereby reducing energy consumption. On the other hand, in the case of a node close to the sink node, compression of data may be inefficient because the number of relay nodes to transmit is small.

다시 말해, 종래기술에는 다음과 같은 문제점들이 있다.In other words, the prior art has the following problems.

싱크 노드에서 가까운 노드들의 에너지가 고갈되어 다른 노드의 데이터를 전달하지 못했기 때문에, 많은 양의 센싱 데이터가 싱크 노드에 도달하지 못하는 핫스팟 문제가 발생한다. 노드의 밀도가 줄어들면 싱크 노드에 도달하는 데이터 수가 적어지는 것을 알 수 있다. 이는 노드의 밀도가 낮을 경우, 노드들의 전송경로가 길어지기 때문에 중계노드가 정전 상태가 됐을 때, 더욱 많은 데이터가 전송 중 소실되기 때문이다.Since the energy of the nodes near the sink node is depleted and the data of the other node can not be transmitted, a hot spot problem occurs in which a large amount of sensing data can not reach the sink node. It can be seen that as the density of the nodes decreases, the number of data arriving at the sink nodes decreases. This is because, when the density of the node is low, the transmission path of the nodes becomes long, so that when the relay node goes to the power failure state, more data is lost during transmission.

태양 에너지가 적을 때 센싱 데이터량은 제안된 기법보다 많게 되지만, 태양 에너지의 양이 적기 때문에 결국 정전 노드가 많이 발생하여, 싱크 노드에 도달하는 데이터의 양은 제안된 기법보다 적어지게 된다.When the amount of solar energy is small, the amount of sensing data is larger than that of the proposed method. However, since the amount of solar energy is small, the number of static nodes is increased and the amount of data arriving at the sink node is smaller than that of the proposed method.

이와 같이, 무선 센서 노드는 초소형의 내장형 시스템으로 구현되어 처리 속도가 느리고, 가용 메모리가 적다. 기존에 사용되던 압축 기법들은 이러한 제한된 환경에 적합하지 않기 때문에 무선 센서 노드에서 사용 가능한 경량 압축 기법이 필요하다. 또한, 데이터 압축은 데이터 수집 노드와 중계 노드의 에너지 효율을 고려하여 적용해야 한다.As described above, the wireless sensor node is implemented as a very small built-in system, so that the processing speed is low and the available memory is small. Since existing compression schemes are not suitable for this limited environment, a lightweight compression technique that can be used in wireless sensor nodes is needed. Also, data compression should be applied considering the energy efficiency of the data acquisition node and the relay node.

KR 10-1735369 B1KR 10-1735369 B1

C. M. Sadler and M. Martonosi, "Data compression algorithms for energy-constrained devices in delay tolerant networks," Proceedings of the 4th international conference on Embedded networked sensor systems. ACM, pp. 265-278, Boulder, Colorado, Oct 31-Nov 3, 2006. C. M. Sadler and M. Martonosi, "Data compression algorithms for energy-constrained devices in delay tolerant networks," Proceedings of the 4th international conference on embedded networked sensor systems. ACM, pp. 265-278, Boulder, Colorado, Oct 31-Nov 3, 2006.

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide a sensing period and a compression algorithm selection method considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network.

본 발명의 다른 목적은 상기 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a recording medium on which a computer program for performing a sensing period and a compression algorithm selection method considering energy allocation in the solar energy collection type wireless sensor network is recorded.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide an apparatus for performing a sensing cycle and a compression algorithm selection method considering energy allocation in the solar energy collection type wireless sensor network.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법은, 상기 무선 센서 네트워크에서 일정 시간을 복수 개의 슬롯으로 나누고, 각 슬롯에서 사용할 수 있는 에너지량을 할당하는 단계; 싱크 노드로부터 1홉(hop) 거리에 있는 노드들은 각 슬롯 동안 자신과 자신의 자손 노드들이 전송할 수 있는 데이터량을 계산하여, 상기 자신의 자손 노드들에 전송하는 단계; 상기 전송할 수 있는 데이터량을 수신한 각 자손 노드는 각 슬롯에서 상기 사용할 수 있는 에너지량, 상기 전송할 수 있는 데이터량 및 소모되는 예상 에너지량을 기초로, 데이터 수집량과 압축 알고리즘을 선택하기 위한 자신의 동작 모드를 결정하는 단계; 각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드에 따라 데이터를 수집하기 위한 센싱 주기를 결정하는 단계; 및 각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 단계를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a sensing period and a compression algorithm selection method for energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network, wherein the sensing period and the compression algorithm selection method divide a predetermined time into a plurality of slots in the wireless sensor network, Allocating an amount of energy available in each slot; The nodes located one hop away from the sink node calculate the amount of data that can be transmitted by itself and its descendant nodes during each slot and transmitting the amount of data to the descendants of the node; Each descendant node receiving the amount of data that can be transmitted can calculate the data collection amount and the compression algorithm based on the amount of available energy, the amount of data that can be transmitted, and the estimated amount of energy consumed in each slot. Determining an operating mode; Each child node determining a sensing period for collecting data according to its determined operation mode; And each child node collects data according to the selected data collection amount according to the determined operation mode and the sensing period, and compresses and transmits the collected data according to the selected compression algorithm.

본 발명의 실시예에서, 상기 자신의 동작 모드를 결정하는 단계는, 각 자손 노드가 해당 슬롯 동안 각 동작 모드에서 상기 소모되는 예상 에너지량을 계산하는 단계; 상기 사용할 수 있는 에너지량과 상기 소모되는 예상 에너지량을 비교하여, 상기 전송할 수 있는 데이터량을 초과하지 않는 범위 내에서 추가 데이터를 수집할지 여부 및 데이터를 압축 전송할지 여부를 결정하는 단계; 및 추가 데이터를 수집할지 여부 및 데이터를 압축 전송할지 여부에 따라, 일반 모드, L 모드 및 H 모드 중 하나의 동작 모드를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of determining the mode of operation of the self comprises calculating the amount of energy consumed to be consumed by each child node in each operation mode during the corresponding slot; Determining whether to collect additional data within a range that does not exceed the amount of data that can be transmitted by comparing the amount of available energy with the amount of consumed estimated energy and determining whether to compress or transfer the data; And selecting an operation mode of one of a normal mode, an L-mode and an H-mode depending on whether to collect additional data and whether to compress and transfer the data.

본 발명의 실시예에서, 상기 각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 단계는, 해당 노드가 일반 모드일 경우, 데이터를 수집하지 않고 상기 전송할 수 있는 데이터량만큼의 데이터를 수집하여 압축하지 않고 전송할 수 있다.In the embodiment of the present invention, each of the child nodes collects data by a selected data collection amount in accordance with the determined operation mode and the sensing period, and compressing and transmitting the collected data according to the selected compression algorithm, In the normal mode, it is possible to collect data as much as the amount of data that can be transmitted without collecting the data, and transmit the data without compression.

본 발명의 실시예에서, 상기 각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 단계는, 해당 노드가 L 모드일 경우, 상기 전송할 수 있는 데이터량 이외에 추가 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 압축하여 전송할 수 있다.In the embodiment of the present invention, each of the child nodes collects data by a selected data collection amount in accordance with the determined operation mode and the sensing period, and compressing and transmitting the collected data according to the selected compression algorithm, In the L mode, additional data may be collected in addition to the amount of data that can be transmitted, and the collected data may be compressed and transmitted.

본 발명의 실시예에서, 상기 각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 단계는, 해당 노드가 H 모드일 경우, 상기 L 모드보다 더 많은 추가 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 상기 L 모드보다 더 높은 압축률로 압축하여 전송할 수 있다.In the embodiment of the present invention, each of the child nodes collects data by a selected data collection amount in accordance with the determined operation mode and the sensing period, and compressing and transmitting the collected data according to the selected compression algorithm, In the H mode, more data may be collected than the L mode, and the collected data may be compressed and transmitted at a higher compression ratio than the L mode.

본 발명의 실시예에서, 상기 각 자손 노드가 해당 슬롯 동안 각 동작 모드에서 소모되는 예상 에너지량을 계산하는 단계는, 해당 슬롯 동안 데이터를 전송하는데 소모되는 에너지, 기본 소모 에너지 및 데이터를 압축하는데 소모되는 에너지를 기초로 계산될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of calculating the expected amount of energy consumed by each of the child nodes in each operation mode during the corresponding slot may include consuming energy, basic energy consumption, and data consumption for transmitting data during the corresponding slot Can be calculated on the basis of the energy that is generated.

본 발명의 실시예에서, 상기 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법은, 상기 싱크 노드로부터 1홉 거리에 있는 노드들은 자신을 일반 모드로 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the sensing period and the compression algorithm selection method considering energy allocation in the solar energy collection type wireless sensor network may include a step of selecting ones of the nodes that are one hop away from the sink node as the normal mode .

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a computer-readable storage medium having a computer program for performing a sensing cycle considering energy allocation in a solar energy collecting wireless sensor network and a compression algorithm selecting method It is recorded.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 장치는, 일정 시간을 복수 개의 슬롯으로 나눈 각 슬롯에서 사용할 수 있는 에너지량 및 각 노드가 전송할 수 있는 데이터량을 수신하는 수신부; 해당 슬롯 동안 각 동작 모드에서 소모되는 예상 에너지량을 계산하는 에너지 계산부; 상기 사용할 수 있는 에너지량, 상기 전송할 수 있는 데이터량 및 상기 소모되는 예상 에너지량을 기초로, 데이터 수집량과 압축 알고리즘을 선택하기 위한 동작 모드를 결정하는 동작 모드 결정부; 결정된 동작 모드에 따라 데이터를 수집하기 위한 센싱 주기를 결정하는 센싱 주기 결정부; 및 결정된 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 전송부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a sensing period and a compression algorithm selecting apparatus considering energy allocation in a solar energy collecting wireless sensor network, A receiving unit receiving an amount of energy and a data amount that each node can transmit; An energy calculation unit for calculating an estimated energy amount consumed in each operation mode during the corresponding slot; An operation mode determination unit that determines an operation mode for selecting a data collection amount and a compression algorithm based on the amount of available energy, the amount of data that can be transferred, and the estimated amount of energy consumed; A sensing period determiner for determining a sensing period for collecting data according to the determined operation mode; And a transmission unit for collecting data for a selected data collection amount according to the determined operation mode and the sensing period, and compressing and transmitting the collected data according to the selected compression algorithm.

본 발명의 실시예에서, 상기 동작 모드 결정부는, 상기 사용할 수 있는 에너지량과 상기 소모되는 예상 에너지량을 비교하여, 상기 전송할 수 있는 데이터량을 초과하지 않는 범위 내에서 추가 데이터를 수집할지 여부 및 데이터를 압축 전송할지 여부에 따라 일반 모드, L 모드 및 H 모드 중 하나의 동작 모드를 선택할 수 있다.In the embodiment of the present invention, the operation mode determination unit may determine whether to collect additional data within a range that does not exceed the amount of data that can be transmitted by comparing the amount of energy that can be used with the amount of energy that is consumed, Depending on whether or not the data is compressed and transmitted, one of the normal mode, the L mode and the H mode can be selected.

이와 같은 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법에 따르면, 싱크 노드로부터 1홉(hop) 거리의 노드는 데이터 전송 한계를 결정하고 이를 다른 노드에 전달함으로써 전송 데이터량을 제한하고, 다른 노드들은 이에 맞는 센싱 주기와 압축 기법을 선택함으로써 정전 노드의 발생을 억제하고, 데이터 수집량을 증가시킨다. 이에 따라, 본 발명은 노드의 상황에 따라 데이터 수집 주기와 압축 기법을 선택함으로써 정전 노드의 발생을 효과적으로 억제하고, 더 많은 양의 데이터를 얻을 수 있으므로, 무선 센서 네트워크의 에너지를 효율적으로 관리할 수 있다.According to the sensing cycle and the compression algorithm selection method considering the energy allocation in the solar energy collecting wireless sensor network, the node of one hop distance from the sink node determines the data transmission limit and transmits it to the other node, And other nodes select the appropriate sensing period and compression scheme to suppress the occurrence of electrostatic nodes and increase the data collection amount. Accordingly, the present invention can effectively suppress the generation of the electrostatic node and obtain a larger amount of data by selecting the data collection period and the compression technique according to the situation of the node, so that the energy of the wireless sensor network can be efficiently managed have.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법을 보여주기 위한 개략도이다.
도 2는 두 슬롯 동안 시간에 따른 노드의 에너지 및 동작을 보여주는 도면이다.
도 3은 노드 동작 모드 및 센싱 주기의 결정을 단계적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명과 종래 기술들의 시간에 따른 정전 노드의 수를 1000 슬롯부터 1168 슬롯까지, 총 7일간 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 싱크 노드로부터의 홉 수별 정전 노드 수를 2000 슬롯에 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명과 종래 기술들에서 시간에 따른 전체 노드의 센싱 데이터의 양과 및 싱크 노드에 도달한 데이터의 수를 측정한 결과를 보여주는 그래프들이다.
도 8 및 도 9는 각각 본 발명과 종래 기술들에서 노드의 밀도 변화에 따른 센싱 데이터의 양과 싱크 노드에 도달한 데이터의 수를 측정한 결과를 보여주는 그래프들이다.
도 10 및 도 11은 각각 본 발명과 종래 기술들에서 태양 에너지에 따라 센싱된 데이터의 수 비교와 추출된 데이터 수를 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 장치의 블록도이다.
1 is a schematic diagram illustrating a sensing period and a selection method of a compression algorithm considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network according to an exemplary embodiment of the present invention.
2 is a diagram showing energy and operation of a node over time during two slots.
FIG. 3 is a diagram showing stepwise determination of the node operation mode and the sensing period. FIG.
FIG. 4 is a graph illustrating the results of measurement of the number of electrostatic nodes according to the present invention and conventional techniques over a total of 7 days from 1000 slots to 1168 slots.
5 is a graph showing a result of measuring the number of electrostatic discharge nodes per hop number from a sink node in 2000 slots.
FIGS. 6 and 7 are graphs showing the results of measuring the amount of sensing data of all the nodes and the number of data arriving at the sink node according to the present invention in the present invention and the prior art, respectively.
8 and 9 are graphs showing the results of measuring the amount of sensing data according to the density change of the node and the number of data arriving at the sink node in the present invention and the related art, respectively.
10 and 11 are graphs comparing the number of sensed data with the number of extracted data according to the solar energy in the present invention and prior art, respectively.
FIG. 12 is a block diagram of a sensing period and a compression algorithm selecting apparatus considering energy allocation in a solar energy collecting wireless sensor network according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.The following detailed description of the invention refers to the accompanying drawings, which illustrate, by way of illustration, specific embodiments in which the invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, certain features, structures, and characteristics described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in connection with an embodiment. It is also to be understood that the position or arrangement of the individual components within each disclosed embodiment may be varied without departing from the spirit and scope of the invention. The following detailed description is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is to be limited only by the appended claims, along with the full scope of equivalents to which such claims are entitled, if properly explained. In the drawings, like reference numerals refer to the same or similar functions throughout the several views.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

본 발명은 태양 에너지를 이용한 에너지 수집형 무선 센서 네트워크(WSN, Wireless sensor network)에서, 수집되는 데이터량을 증가시키기 위한 데이터 수집량 조절과 압축 알고리즘 선택 기법을 제안한다. 본 발명은 주변 환경을 모니터링하기 위해, 주기적으로 센싱 데이터를 싱크 노드에 전달하는 WSN을 기반으로 한다.The present invention proposes a data collection control method and a compression algorithm selection technique for increasing the amount of collected data in an energy-consuming wireless sensor network (WSN) using solar energy. The present invention is based on a WSN that periodically transmits sensing data to a sink node to monitor the surrounding environment.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법을 보여주기 위한 개략도이다.1 is a schematic diagram illustrating a sensing period and a selection method of a compression algorithm considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명에서 각 노드는 수집되는 태양 에너지를 시간에 관계없이 고르게 사용하기 위해, 하루를 N개의 슬롯으로 나누고, 각 슬롯에 사용할 수 있는 에너지를 할당한다. In the present invention, each node divides a day into N slots and allocates energy usable for each slot to uniformly use the collected solar energy regardless of time.

각 슬롯에서 사용할 수 있는 에너지

Figure 112017110837327-pat00001
가 결정되면, 싱크 노드에서 1홉(hop) 거리에 있는 노드들은 현재 슬롯 동안 자신과 자신의 자손 노드들이 전송할 수 있는 데이터량
Figure 112017110837327-pat00002
을 계산한다. 싱크 노드에서 1홉(hop) 거리에 있는 각 노드는 계산된 데이터량
Figure 112017110837327-pat00003
을 자손 노드들에게 전송하고, 이를 받은 노드들은 해당 슬롯 동안, 해당 양 만큼의 데이터만 전송한다. Energy available in each slot
Figure 112017110837327-pat00001
The nodes that are one hop away from the sink node are able to determine the amount of data that they and their child nodes can transmit during the current slot
Figure 112017110837327-pat00002
. Each node that is one hop away from the sink node calculates the amount of data
Figure 112017110837327-pat00003
To the descendant nodes, and the nodes receiving the data transmit only the corresponding amount of data during the corresponding slot.

이때, 각 노드는 각 슬롯에서 사용할 수 있는 에너지

Figure 112017110837327-pat00004
를 고려하여, 자신의 동작 모드를 결정하고, 해당 동작 모드에서 사용하는 압축 알고리즘을 이용하여 데이터를 압축한다. 이때, 압축된 데이터의 크기가 데이터량
Figure 112017110837327-pat00005
가 되도록 데이터 수집량을 조절하여, 제한된 범위 안에서 최대한 많은 데이터를 전송하도록 한다. In this case, each node can use energy
Figure 112017110837327-pat00004
, Determines its own operation mode, and compresses the data using the compression algorithm used in the operation mode. At this time, if the size of the compressed data is the data amount
Figure 112017110837327-pat00005
So as to transmit as much data as possible within a limited range.

노드들은 멀티홉 전송을 하기 때문에 일반적으로 싱크 노드에서 1홉 거리에 있는 노드가 상기 싱크 노드에게 데이터를 전달하는 다른 노드에 비해 데이터 전송량이 많다. 이 때, 바깥쪽 노드가 데이터를 많이 수집하여 전송할 경우, 그로부터 싱크 노드까지의 경로에 있는 모든 노드들은 에너지를 더 소모하게 한다. Since the nodes perform multi-hop transmission, a node that is one hop away from the sink node generally transmits a larger amount of data than other nodes that transmit data to the sink node. In this case, when the outer node collects and transmits a lot of data, all nodes in the path from it to the sink node consume more energy.

따라서, 본 발명에서는 1 홉 거리의 노드가 자신의 가용 데이터량을 계산하고 이를 자신에게 데이터를 전송하는 노드들에게 알려, 노드의 전송량을 제한한다. 이를 위해 먼저 한 노드가 전송할 수 있는 데이터의 양을 예측해야 한다.Therefore, in the present invention, a node of 1-hop distance calculates its own available data amount and informs nodes transmitting data to itself, thereby limiting the amount of the node's transmission. To do this, we first need to predict how much data a node can transmit.

슬롯

Figure 112017110837327-pat00006
에 한 노드가
Figure 112017110837327-pat00007
주기로 한번에
Figure 112017110837327-pat00008
만큼의 데이터를 수집한다고 할 때, 이 슬롯 동안 전송해야 하는 데이터량
Figure 112017110837327-pat00009
은, 아래의 수학식 1에 의해 도출된다.slot
Figure 112017110837327-pat00006
One node in
Figure 112017110837327-pat00007
Once in a cycle
Figure 112017110837327-pat00008
, The amount of data to be transmitted during this slot
Figure 112017110837327-pat00009
Is derived by the following equation (1).

Figure 112017110837327-pat00010
Figure 112017110837327-pat00010

여기서,

Figure 112017110837327-pat00011
은 한 슬롯의 길이다. 이를 전송하기 위해 패킷화 했을 때, 한 번에 전송할 수 있는 최대 데이터 크기는
Figure 112017110837327-pat00012
이고, 패킷에 추가되는 헤더와 푸터의 크기는
Figure 112017110837327-pat00013
라고 하면, 패킷의 크기는 다음의 수학식 2와 같이
Figure 112017110837327-pat00014
에 관한 함수로 나타낼 수 있다.here,
Figure 112017110837327-pat00011
Is the path of one slot. When packetized for transmission, the maximum data size that can be transmitted at one time is
Figure 112017110837327-pat00012
, The size of the header and footer added to the packet is
Figure 112017110837327-pat00013
, The size of the packet is expressed by the following equation (2)
Figure 112017110837327-pat00014
Can be expressed as a function of.

Figure 112017110837327-pat00015
Figure 112017110837327-pat00015

이 노드의 자손 노드가

Figure 112017110837327-pat00016
개 있고, 모든 노드가 공평하게 데이터를 전송할 경우, 이 슬롯 동안 전송해야 하는, 릴레이 데이터를 포함한, 데이터의 총량은 다음의 수학식 3과 같다.The descendant node of this node
Figure 112017110837327-pat00016
And all nodes transmit data fairly, the total amount of data, including relay data, to be transmitted during this slot is given by Equation 3 below.

Figure 112017110837327-pat00017
Figure 112017110837327-pat00017

한편, 슬롯

Figure 112017110837327-pat00018
에 할당된 에너지량이
Figure 112017110837327-pat00019
일 때, 이 슬롯 동안 데이터 전송에 사용할 수 있는 에너지
Figure 112017110837327-pat00020
는 다음의 수학식 4로 나타낼 수 있다.Meanwhile,
Figure 112017110837327-pat00018
The amount of energy allocated to
Figure 112017110837327-pat00019
, The energy available for data transmission during this slot
Figure 112017110837327-pat00020
Can be expressed by the following equation (4).

Figure 112017110837327-pat00021
Figure 112017110837327-pat00021

여기서,

Figure 112017110837327-pat00022
는 이 슬롯 동안의 전송 에너지를 제외한 기본 소모 에너지이다.
Figure 112017110837327-pat00023
로 전송할 수 있는 데이터량을 구하기 위해 다음의 수학식 5와 같은 에너지 모델을 이용한다.here,
Figure 112017110837327-pat00022
Is the basic energy consumed excluding the transmission energy during this slot.
Figure 112017110837327-pat00023
The energy model as shown in Equation (5) is used.

Figure 112017110837327-pat00024
Figure 112017110837327-pat00024

여기서,

Figure 112017110837327-pat00025
는 전송 데이터의 크기,
Figure 112017110837327-pat00026
는 데이터 1바이트를 1m전송하기 위한 단위 에너지,
Figure 112017110837327-pat00027
는 전송거리,
Figure 112017110837327-pat00028
는 경로 손실을 나타낸다. 이를 이용하여 한 슬롯 동안 전송할 수 있는 패킷의 총량
Figure 112017110837327-pat00029
를 계산하면, 다음의 수학식 6과 같다.here,
Figure 112017110837327-pat00025
The size of the transmission data,
Figure 112017110837327-pat00026
Is a unit energy for transferring 1 byte of data 1 m,
Figure 112017110837327-pat00027
The transmission distance,
Figure 112017110837327-pat00028
Represents the path loss. Using this, the total amount of packets that can be transmitted during one slot
Figure 112017110837327-pat00029
The following equation (6) is obtained.

Figure 112017110837327-pat00030
Figure 112017110837327-pat00030

수학식 6에 수학식 3를 대입하여 정리하면, 이 노드와 자손 노드가 슬롯

Figure 112017110837327-pat00031
동안 전송할 수 있는 실제 데이터량
Figure 112017110837327-pat00032
을 구할 수 있다. 이 노드는 이를 슬롯
Figure 112017110837327-pat00033
시작 시, 자손 노드에게 전송하여, 모든 자손 노드가 슬롯
Figure 112017110837327-pat00034
동안 해당 데이터량만큼의 데이터만을 전송할 수 있게 한다.When the equation (3) is substituted into the equation (6)
Figure 112017110837327-pat00031
Amount of data that can be transferred during
Figure 112017110837327-pat00032
Can be obtained. This node
Figure 112017110837327-pat00033
At the start, it is sent to the child nodes,
Figure 112017110837327-pat00034
Only data corresponding to the amount of data can be transmitted.

노드들은

Figure 112017110837327-pat00035
슬롯에서 위에서 결정된 데이터량
Figure 112017110837327-pat00036
만큼만 전송할 수 있기 때문에, 할당된 에너지가 남을 경우, 추가 데이터를 수집하고 이를 압축함으로써,
Figure 112017110837327-pat00037
를 초과하지 않는 범위 내에서 최대한 많은 데이터를 수집할 수 있게 한다. 이때, 다음과 같은 세 가지 모드를 이용하여 데이터 수집량과 압축 기법을 결정할 수 있다.The nodes
Figure 112017110837327-pat00035
The amount of data determined above in the slot
Figure 112017110837327-pat00036
, So that if the allocated energy remains, by collecting additional data and compressing it,
Figure 112017110837327-pat00037
To the maximum extent possible. At this time, data collection and compression techniques can be determined using the following three modes.

일반 모드: 할당된 에너지가 데이터를 추가 수집하여 압축할 만큼 충분하지 않을 때, 노드는 데이터를 압축하지 않고 수집된 데이터를 그대로 전송하는 일반 모드로 동작한다. 일반 모드에서는 데이터를 압축하지 않기 때문에, 슬롯

Figure 112017110837327-pat00038
동안
Figure 112017110837327-pat00039
만큼의 데이터를 수집하여 그대로 전송한다. 한편, 싱크 노드로부터 1홉 거리에 있는 노드들은 에너지 소모가 가장 크고, 데이터를 압축하여 전송하더라도 중계 노드의 에너지를 절약할 수 없기 때문에, 언제나 일반 모드로 동작한다.Normal mode: When the allocated energy is not enough to collect additional data and compress it, the node operates in normal mode, transferring the collected data intact without compressing the data. Since the data is not compressed in the normal mode,
Figure 112017110837327-pat00038
During
Figure 112017110837327-pat00039
And transmits the data as it is. On the other hand, the nodes that are one hop away from the sink node have the highest energy consumption and can not save the energy of the relay node even if the data is compressed and transmitted.

L 모드: 할당된 에너지가 데이터를 압축해서 전달할 만큼 충분할 경우, 노드는 추가 데이터를 수집하고, 이를 압축하여 전송하는 L 모드로 동작한다. 이 모드의 노드는 압축된 데이터의 크기가

Figure 112017110837327-pat00040
가 될 수 있도록 추가 데이터를 수집하고, 이를 압축하여 전송한다. 그 결과, 데이터를 추가로 수집하고 압축하기 위한 에너지가 더 소모된다.L mode: If the allocated energy is sufficient to compress and deliver the data, the node collects the additional data and operates in L mode to compress and transmit it. The node in this mode is the size of the compressed data
Figure 112017110837327-pat00040
, And compresses and transmits the additional data. As a result, more energy is consumed to further collect and compress the data.

H 모드: 할당된 에너지가 데이터를 압축해서 전송하고도 많은 에너지가 남을 경우, 노드는 L 모드보다 더 많은 추가 데이터를 수집하고, 이를 압축률이 좋지만, 에너지를 많이 소모하는 압축 기법을 이용하여 압축한 후 전송하는 H 모드로 동작한다. 이 모드의 노드 역시 압축된 데이터의 크기가

Figure 112017110837327-pat00041
가 될 수 있도록 추가 데이터를 수집하고, 이를 압축률이 더 좋은 알고리즘으로 압축하여 전송한다. 그 결과, L 모드에 비해 데이터를 더 많이 수집하고 압축에 더 많은 에너지를 소모한다. H mode: If the allocated energy is compressed and transmitted, then the node will collect more data than the L mode and compress it using energy-intensive compression techniques And then operates in the H mode for transmission. The node in this mode also has the size of the compressed data
Figure 112017110837327-pat00041
, And compresses and transmits the additional data to an algorithm with a better compression ratio. As a result, it collects more data and consumes more energy for compression than L mode.

노드는 각 슬롯마다 자신의 부모 노드로부터

Figure 112017110837327-pat00042
를 전달받으면, 슬롯에 할당된 에너지
Figure 112017110837327-pat00043
를 초과하지 않는 범위 내에서 최대한 많은 데이터를 전송할 수 있는 모드를 선택해야 한다. 이를 위해, 노드는 슬롯
Figure 112017110837327-pat00044
동안 각 모드에서 소모되는 에너지를 계산해야 한다. 슬롯
Figure 112017110837327-pat00045
동안 노드의 소모 에너지는 다음의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.Each node has its own parent node
Figure 112017110837327-pat00042
, The energy allocated to the slot
Figure 112017110837327-pat00043
To the maximum extent possible, within a range that does not exceed the maximum transmission rate. To this end,
Figure 112017110837327-pat00044
The energy consumed in each mode must be calculated. slot
Figure 112017110837327-pat00045
The consumed energy of the node can be expressed by the following Equation (7).

Figure 112017110837327-pat00046
Figure 112017110837327-pat00046

여기서,

Figure 112017110837327-pat00047
Figure 112017110837327-pat00048
슬롯 동안 데이터를 압축하는데 소모되는 에너지이다. 노드는
Figure 112017110837327-pat00049
슬롯 동안
Figure 112017110837327-pat00050
만큼 데이터를 전송하기 때문에
Figure 112017110837327-pat00051
슬롯 동안 소모되는 전송 에너지
Figure 112017110837327-pat00052
는 식 수학식 3과 수학식 6에 의해 다음의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.here,
Figure 112017110837327-pat00047
The
Figure 112017110837327-pat00048
It is the energy consumed to compress the data during the slot. The node
Figure 112017110837327-pat00049
During the slot
Figure 112017110837327-pat00050
Because it transmits as much data as
Figure 112017110837327-pat00051
Transmission energy consumed during slot
Figure 112017110837327-pat00052
Can be represented by Equation (3) and Equation (6) as follows.

Figure 112017110837327-pat00053
Figure 112017110837327-pat00053

노드가 데이터를 압축해서 전송할 경우, 압축된 데이터의 크기가

Figure 112017110837327-pat00054
이고,
Figure 112017110837327-pat00055
byte를 압축할 때 소모되는 에너지가
Figure 112017110837327-pat00056
일 때, 압축하기 전의 데이터 크기
Figure 112017110837327-pat00057
Figure 112017110837327-pat00058
이기 때문에, 슬롯
Figure 112017110837327-pat00059
동안 노드의 소모 에너지는 다음의 수학식 9와 같다.When a node compresses and transmits data, the size of the compressed data is
Figure 112017110837327-pat00054
ego,
Figure 112017110837327-pat00055
The energy consumed when compressing a byte is
Figure 112017110837327-pat00056
, The data size before compression
Figure 112017110837327-pat00057
The
Figure 112017110837327-pat00058
Therefore,
Figure 112017110837327-pat00059
The consumed energy of the node is given by Equation (9).

Figure 112017110837327-pat00060
Figure 112017110837327-pat00060

여기서,

Figure 112017110837327-pat00061
는 압축률이고,
Figure 112017110837327-pat00062
로 나타낸다. 위의 수학식 9를 이용하여 H 모드의 소모 에너지
Figure 112017110837327-pat00063
와 L 모드에서의 소모 에너지
Figure 112017110837327-pat00064
를 각각 구하면, 다음의 수학식 10 및 수학식 11과 같다.here,
Figure 112017110837327-pat00061
Is a compressibility,
Figure 112017110837327-pat00062
Respectively. Using the above equation (9), the consumption energy of the H mode
Figure 112017110837327-pat00063
And the consumption energy in L mode
Figure 112017110837327-pat00064
Are obtained by the following equations (10) and (11).

Figure 112017110837327-pat00065
Figure 112017110837327-pat00065

Figure 112017110837327-pat00066
Figure 112017110837327-pat00066

여기서,

Figure 112017110837327-pat00067
Figure 112017110837327-pat00068
는 각각 H 모드와 L 모드에서 사용된 압축 기법의 소모 에너지,
Figure 112017110837327-pat00069
Figure 112017110837327-pat00070
는 각각 H 모드와 L 모드에서 사용된 압축 기법의 압축률을 나타낸다. 위의 각 모드에서 소모되는 예상 에너지가 슬롯
Figure 112017110837327-pat00071
에 할당된 에너지보다 적을 경우, 해당 모드로 동작하는데 충분한 에너지가 확보된 것을 의미하기 때문에 노드는 그에 맞는 모드를 선택해야 한다. here,
Figure 112017110837327-pat00067
and
Figure 112017110837327-pat00068
Is the consumption energy of the compression technique used in the H and L modes, respectively,
Figure 112017110837327-pat00069
and
Figure 112017110837327-pat00070
Represents the compression ratio of the compression technique used in the H mode and the L mode, respectively. In each of the above modes,
Figure 112017110837327-pat00071
If the energy is less than the energy allocated to the node, it means that enough energy is available to operate in that mode, so the node must select the mode that corresponds to it.

Figure 112017110837327-pat00072
Figure 112017110837327-pat00072

수학식 12가 만족될 경우, H 모드로 동작하기에 충분한 에너지가 있을 것으로 예상되기 때문에 노드는 H 모드를 선택한다. 만약, H 모드를 선택할 충분한 에너지가 없고, 수학식 13을 만족한다면, H 모드로 동작하기엔 부족하지만 L 모드로 동작하기에 충분한 에너지가 할당된 것을 의미하기 때문에 노드는 L모드를 선택한다.If Equation (12) is satisfied, the node chooses the H mode because it is expected that there will be sufficient energy to operate in the H mode. If there is not enough energy to select the H mode and if Equation (13) is satisfied, the node chooses the L mode because it means that sufficient energy is allocated to operate in the L mode although it is insufficient to operate in the H mode.

Figure 112017110837327-pat00073
Figure 112017110837327-pat00073

위의 수학식 12과 수학식 13를 만족하지 않을 경우, 노드는 압축에 소모할 충분한 에너지가 없기 때문에 일반 모드로 동작한다.If the above equations (12) and (13) are not satisfied, the node operates in the normal mode since there is not enough energy to consume compression.

노드는 모드 결정 후, 그 모드에서

Figure 112017110837327-pat00074
byte의 데이터를 전송하기 위한 적합한 센싱 주기를 결정해야 한다. 1슬롯 동안
Figure 112017110837327-pat00075
byte를 수집하기 위한 센싱 주기
Figure 112017110837327-pat00076
는 아래의 수학식 14와 같은 함수로 나타낼 수 있다.After the node has determined the mode,
Figure 112017110837327-pat00074
it is necessary to determine an appropriate sensing period for transmitting data of a byte. During one slot
Figure 112017110837327-pat00075
Sensing cycle for collecting byte
Figure 112017110837327-pat00076
Can be represented by a function expressed by Equation (14) below.

Figure 112017110837327-pat00077
Figure 112017110837327-pat00077

슬롯

Figure 112017110837327-pat00078
동안 노드의 센싱 데이터가
Figure 112017110837327-pat00079
bytes 만큼 전송되어야 하기 때문에, H와 L 모드일 때의 노드가 수집해야 하는 압축하기 전의 데이터 크기는 각각
Figure 112017110837327-pat00080
,
Figure 112017110837327-pat00081
가 된다. 따라서, H 모드, L 모드, 일반 모드에서의
Figure 112017110837327-pat00082
byte의 데이터를 전송하기 위한 데이터 수집 주기
Figure 112017110837327-pat00083
,
Figure 112017110837327-pat00084
,
Figure 112017110837327-pat00085
는 다음의 수학식 15, 수학식 16 및 수학식 17로 나타낼 수 있다.slot
Figure 112017110837327-pat00078
The sensing data of the node
Figure 112017110837327-pat00079
bytes, the data size before compression that the node should collect in the H and L modes is
Figure 112017110837327-pat00080
,
Figure 112017110837327-pat00081
. Therefore, in the H mode, the L mode, and the normal mode
Figure 112017110837327-pat00082
Data collection period for transmitting data of byte
Figure 112017110837327-pat00083
,
Figure 112017110837327-pat00084
,
Figure 112017110837327-pat00085
Can be expressed by the following equations (15), (16), and (17).

Figure 112017110837327-pat00086
Figure 112017110837327-pat00086

Figure 112017110837327-pat00087
Figure 112017110837327-pat00087

Figure 112017110837327-pat00088
Figure 112017110837327-pat00088

이와 같이, 본 발명에서 제안된 방법에서 각 노드는 1홉 노드로부터 슬롯

Figure 112017110837327-pat00089
동안의 데이터 전송량
Figure 112017110837327-pat00090
을 전달받고, 할당된 에너지 내에서 최대한 효율이 좋은 모드를 선택한다. 그 후
Figure 112017110837327-pat00091
를 만족시키는 양의 데이터를 수집하고 압축하여 전송함으로써, 중계 노드에 전혀 부담을 주지 않으면서 에너지 효율을 높일 수 있다.As described above, in the method proposed by the present invention,
Figure 112017110837327-pat00089
Data throughput during
Figure 112017110837327-pat00090
And selects a mode that is as efficient as possible within the assigned energy. After that
Figure 112017110837327-pat00091
Is collected, compressed, and transmitted, it is possible to increase the energy efficiency without imposing any burden on the relay node.

도 2는 두 슬롯 동안 시간에 따른 노드의 에너지 및 동작을 보여주는 도면이다.2 is a diagram showing energy and operation of a node over time during two slots.

도 2를 참조하면, 해당 노드는 i 슬롯에서 할당된 에너지량보다 H 모드에서 예상되는 소모 에너지보다 작고, L 모드에서 예상되는 소모 에너지보다 클 때 i 슬롯 동안 L 모드를 선택한다. 또한, L 모드에 따른 센싱 주기

Figure 112017110837327-pat00092
를 구하고, 그 센싱 주기에 따라 데이터를 수집한다.Referring to FIG. 2, the node selects the L mode for the i slot when it is smaller than the energy consumption estimated in the H mode than the energy amount allocated in the i slot, and is larger than the energy consumption expected in the L mode. In addition, the sensing period according to the L mode
Figure 112017110837327-pat00092
And collects data according to the sensing period.

이후, 해당 노드는 i+1 슬롯에서 할당된 에너지량이 H 모드에서 예상되는 소모 에너지보다 큰 경우, i+1 슬롯 동안 H 모드를 선택한다. 또한, H 모드에 따른 센싱 주기

Figure 112017110837327-pat00093
를 구하고, 그 센싱 주기에 따라 데이터를 수집한다.Then, the node selects the H mode for the (i + 1) -th slot when the amount of energy allocated in the (i + 1) th slot is larger than the expected energy in the H mode. Further, the sensing period according to the H mode
Figure 112017110837327-pat00093
And collects data according to the sensing period.

도 3은 노드 동작 모드 및 센싱 주기의 결정을 단계적으로 보여주는 도면이다.FIG. 3 is a diagram showing stepwise determination of the node operation mode and the sensing period. FIG.

도 3을 참조하면, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법은 먼저 라우팅과 자손 노드들의 결정 단계를 수행한다.Referring to FIG. 3, a sensing period and a compression algorithm selection method considering energy allocation in a solar energy collecting wireless sensor network first perform routing and determination of child nodes.

싱크 노드는 라우팅 메시지를 발송하고, 이를 받은 nD 개의 자손 노드들에게 답변 메시지를 전달한다.The sink node sends a routing message and sends an answer message to the n D child nodes that received the routing message.

이후, 싱크 노드로부터 1홉(hop) 거리에 있는 노드들은 각 슬롯 동안 자신과 자신의 자손 노드들이 전송할 수 있는 데이터량을 계산하여(수학식 3 내지 수학식 6 이용), 상기 자신의 자손 노드들에 전송한다.Thereafter, the nodes that are one hop away from the sink node calculate the amount of data that can be transmitted by itself and its child nodes during each slot (using Equations 3 to 6) Lt; / RTI >

상기 전송할 수 있는 데이터량을 수신한 각 자손 노드는 수학식 12, 수학식 13, 수학식 15 내지 수학식 17을 이용하여 자신의 동작 모드 및 센싱 주기를 결정한다. 이때, 싱크 노드로부터 1홉 거리에 있는 노드는 자신을 일반 노드로 결정할 수 있다.Each descendant node receiving the amount of data that can be transmitted determines its own operation mode and sensing period using Equations (12), (13), (15), and (17). At this time, a node that is one hop away from the sink node can determine itself as a normal node.

각 노드는 결정된 센싱 주기에 따라 데이터를 센싱하고, 싱크 노드로 각 동작 모드에 따라 데이터를 압축하여 전송한다. 또한, 노드들은 슬롯 마다 상기 단계들을 반복한다.Each node senses data according to a determined sensing period, compresses data according to each operation mode to a sink node, and transmits the sensed data. In addition, the nodes repeat the above steps for each slot.

본 발명에서는 태양 에너지 수집 WSN에서 앞에서 언급된 노드의 효율적인 에너지 관리 문제와 핫스팟 문제를 해결하고, 데이터 획득량을 증가시키기 위한 데이터 수집량과 압축 알고리즘 선택 방법을 제안한다. 본 발명에서 제안된 방법에서, 노드는 수집되는 에너지 사용량을 시간별로 할당하고, 이 할당된 에너지 범위 내에서 전송할 수 있는 데이터의 한계를 결정한다. The present invention proposes a data collection method and a compression algorithm selection method for solving the hot energy problem and the hotspot problem of the node mentioned above in the solar energy collection WSN and increasing the data acquisition amount. In the method proposed in the present invention, a node allocates energy usage to be collected over time, and determines the limit of data that can be transmitted within the allocated energy range.

이 제한된 전송량 내에서 더 많은 데이터를 수집하기 위해서는 제한된 양보다 초과된 데이터를 수집한 후 이를 압축하여 제한된 용량에 맞춰 전송한다. 따라서, 노드는 전송 가능 데이터량 할당된 에너지와 소모되는 에너지를 고려하여 압축 알고리즘을 선택하고, 이를 이용하여 추가로 수집된 데이터의 양을 제한된 전송량에 맞게 압축해서 전송함으로써 싱크 노드가 전달받는 데이터의 양을 증가시킬 수 있다.To collect more data within this limited transmission rate, excess data is collected and compressed to a limited capacity. Accordingly, the node selects a compression algorithm considering the amount of transmittable data and the energy consumed, compresses and transmits the amount of the further collected data according to the limited transmission amount, The amount can be increased.

이하에서는, 본 발명에서 제안된 방법의 성능을 평가하기 위하여 SolarCastalia[J. M. Yi, M. J. Kang, and D. K. Noh, "Solarcastalia: solar energy harvesting wireless sensor network simulator," International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 11, no. 6, pp. 1-10, January 2015.]를 이용하여 시뮬레이션을 수행했다. 성능 비교를 위해 본 발명에서 제안된 방법(Proposed)과 다른 네 가지 기법, 1) 압축하지 않고 전송하는 기본 기법(Naive), 2) S-LZW 압축 알고리즘 만으로 압축해서 전송하는 기법(S-LZW), 3) S-LZW-BWT 압축 알고리즘 만으로 압축해서 전송하는 기법(S-LZW-BWT), 4) 선택적 압축 기법(A-COMP)[I. Yoon, J. M. Yi. S. Jeong, J. Jeon, and D. K. Noh, "Dynamic Sensing-Rate Control Scheme Using a Selective Data-Compression for Energy-Harvesting Wireless Sensor Networks," Journal of Embedded Systems and Applications, vol. 11, no. 2, pp. 79-86, April 2016.]의 총 5 가지 기법의 정전 노드 수, 센싱된 데이터량, 싱크 노드에 도달 한 데이터량을 측정했다. Hereinafter, in order to evaluate the performance of the method proposed in the present invention, SolarCastalia [J. M. Yi, M. J. Kang, and D. K. Noh, "Solarcastalia: solar energy harvesting wireless sensor network simulator," International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 11, no. 6, pp. 1-10, January 2015.]. (S-LZW), which compresses and transmits only the S-LZW compression algorithm, is used for the performance comparison. (S-LZW-BWT), which compresses and transmits only the S-LZW-BWT compression algorithm, and 4) the selective compression technique (A-COMP). Yoon, J. M. Yi. S. Jeong, J. Jeon, and D. K. Noh, "Dynamic Sensing-Rate Control Scheme Using a Selective Data-Compression for Energy-Harvesting Wireless Sensor Networks," Journal of Embedded Systems and Applications, vol. 11, no. 2, pp. 79-86, April 2016.], the amount of sensed data, and the amount of data that reached the sink node.

시뮬레이션을 위해 200개의 에너지 수집 노드를 정해진 밀도에 맞게 무작위로 배치했고, 수집되는 에너지는 [J. M. Yi, M. J. Kang, and D. K. Noh, "Solarcastalia: solar energy harvesting wireless sensor network simulator," International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 11, no. 6, pp. 1-10, January 2015.]에서 측정된 시간에 따른 태양 에너지 변화량을 이용했다. 모든 시뮬레이션은 30번 측정한 결과의 평균을 구했다. 아래의 표 1은 시뮬레이션에 사용된 주요 인자들을 보여준다.For the simulation, 200 energy collection nodes were randomly arranged for a given density, and the energy collected was [J. M. Yi, M. J. Kang, and D. K. Noh, "Solarcastalia: solar energy harvesting wireless sensor network simulator," International Journal of Distributed Sensor Networks, vol. 11, no. 6, pp. 1-10, January 2015.] was used to measure the solar energy change over time. All simulations averaged over 30 measurements. Table 1 below shows the main factors used in the simulation.

ParameterParameter ValueValue Number of nodesNumber of nodes 200200 Node topologyNode topology RandomRandom Routing algorithmRouting algorithm MDTMDT Transmission RangeTransmission Range 10 m10 m Battery capacityBattery capacity 100 J100 J

Figure 112017110837327-pat00094
Figure 112017110837327-pat00094
1 h1 h
Figure 112017110837327-pat00095
Figure 112017110837327-pat00095
10-60 s10-60 s
Figure 112017110837327-pat00096
Figure 112017110837327-pat00096
102 bytes102 bytes
Figure 112017110837327-pat00097
Figure 112017110837327-pat00097
31 bytes31 bytes
Figure 112017110837327-pat00098
Figure 112017110837327-pat00098
61 bytes61 bytes
αalpha 44 βbeta 8-10 J8-10 J

도 4는 각 기법들의 시간에 따른 정전 노드의 수를 1000 슬롯부터 1168슬롯까지, 총 7일간 측정한 결과이다. 본 발명에서 제안된 방법 외의 다른 기법들은 태양 에너지 수집량의 변화에 따라 정전 노드의 수가 변하고 있지만, 이에 비해 본 발명에서 제안된 방법은 정전 노드가 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 데이터 전송량을 제한함으로써 중계 노드의 부담이 줄었기 때문인 것으로 판단된다. FIG. 4 shows the results of measurement of the number of electrostatic nodes according to the time of each technique from 1000 slots to 1168 slots for a total of 7 days. In other techniques than the method proposed in the present invention, the number of electrostatic nodes is changed according to the variation of the solar energy collection amount. However, it can be confirmed that the method proposed in the present invention hardly generates electrostatic nodes. This is because the burden on the relay node is reduced by limiting the data transmission amount.

도 5는 싱크 노드로부터의 홉 수별 정전 노드 수를 2000 슬롯에 측정한 결과를 보여준다. 종래 기법들에서는 핫스팟 문제로 인해 싱크 노드로부터 1홉 거리의 노드들이 정전되는 수가 가장 많은 것을 알 수 있다. 반면, 본 발명에서 제안된 방법은 도 4에서와 같이 정전 노드가 거의 발생하지 않는 것을 알 수 있다. FIG. 5 shows a result of measuring the number of electrostatic discharge nodes per hop number from a sink node in 2000 slots. In the conventional techniques, it can be seen that the number of power failure of the one-hop distance from the sink node is greatest due to the hot spot problem. On the other hand, the method proposed by the present invention shows that almost no static nodes occur as shown in FIG.

도 6과 도 7은 각각 시간에 따른 전체 노드의 센싱 데이터량과 이 데이터가 싱크 노드에 도달한 수를 측정한 결과를 보여준다. 도 6을 참조하면, 센싱된 데이터의 양은 본 발명에서 제안된 방법과 A-COMP 기법이 다른 기법에 비해 높은 것을 알 수 있다. 한편, A-COMP기법은 도 4에서와 같이, 수집되는 에너지량에 따라 정전 노드가 발생하기 때문에, 이에 따라 센싱된 데이터의 양이 변화하는 것을 알 수 있다. FIGS. 6 and 7 show the results of measuring the amount of sensing data of all the nodes over time and the number of times the data reaches the sink node. Referring to FIG. 6, it can be seen that the amount of sensed data is higher than that of the method proposed in the present invention and that of the A-COMP technique. Meanwhile, as shown in FIG. 4, since the electrostatic node is generated according to the amount of energy collected, the A-COMP technique shows that the amount of sensed data changes accordingly.

반면, 본 발명에서 제안된 방법은 할당된 에너지에 따라 동적으로 수집되는 양을 결정하기 때문에 센싱된 데이터의 양이 대체로 일정한 것을 알 수 있다. On the other hand, since the method proposed in the present invention determines the amount of dynamically collected according to the allocated energy, the amount of sensed data is substantially constant.

도 7을 참조하면, 수집된 데이터들이 싱크 노드에 얼마나 도달하는지를 보여주는데, 다른 기법들은 도 5에서와 같이 싱크 노드에서 가까운 노드들의 에너지가 고갈되어 다른 노드의 데이터를 전달하지 못했기 때문에, 많은 양의 센싱 데이터가 싱크 노드에 도달하지 못한 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 7, it is shown how much the collected data reaches the sink node. As shown in FIG. 5, since the energy of nodes close to the sink node is exhausted and data of another node can not be transmitted, It can be seen that the data did not reach the sink node.

반면, 본 발명에서 제안된 방법은 정전 노드가 거의 발생하지 않았기 때문에 센싱된 데이터가 대부분 싱크 노드에 도달했다. On the other hand, in the method proposed in the present invention, most of the sensed data has arrived at the sink node since almost no static nodes are generated.

도 8과 도 9는 각각 노드의 밀도 변화에 따른 센싱 데이터의 양과 싱크 노드에 도달한 데이터의 수를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 본 발명에서 제안된 방법을 제외한 다른 기법들은 언제나 정해진 양의 데이터를 수집하기 때문에, 밀도의 변화에 관계없이 비슷한 데이터량을 수집하는 것을 알 수 있다. 8 and 9 show the amount of sensing data according to the density change of the node and the number of data arriving at the sink node, respectively. Referring to FIG. 8, it can be seen that other techniques except for the method proposed in the present invention collect a predetermined amount of data at all times, so that a similar amount of data is collected regardless of the density change.

하지만, 도 9에서 노드의 밀도가 줄어들면 싱크 노드에 도달하는 데이터 수가 적어지는 것을 알 수 있다. 이는 노드의 밀도가 낮을 경우, 노드들의 전송 경로가 길어지기 때문에 중계 노드가 정전 상태가 됐을 때, 더욱 많은 데이터가 전송 중 소실되기 때문이다. However, in FIG. 9, it can be seen that as the density of the node decreases, the number of data reaching the sink node decreases. This is because, when the density of the node is low, the transmission path of the nodes becomes long, so that when the relay node goes to the power failure state, more data is lost during transmission.

반면, 본 발명에서 제안된 방법은 1홉 노드에서

Figure 112017110837327-pat00099
에 따라 데이터 전송량을 결정하기 때문에 밀도가 낮아 전송 경로가 길어질 경우, 데이터를 적게 수집하고, 밀도가 높아서 전송 경로가 짧아질 경우 데이터를 많이 수집하는 것을 알 수 있다. 또한, 전송 데이터량을 조절하여 정전 노드의 발생을 억제했기 때문에, 수집된 데이터가 대부분 싱크 노드에 도달한 것을 알 수 있다. On the other hand, the method proposed by the present invention is applied to a 1-hop node
Figure 112017110837327-pat00099
It is understood that when the transmission path is long due to the low density, data is collected in a small amount, and when the transmission path is short due to high density, a lot of data is collected. In addition, since the generation of the electrostatic node is suppressed by adjusting the amount of data to be transmitted, it can be seen that most of the collected data reaches the sink node.

도 10과 도 11은 각각 태양 에너지의 변화에 따른 센싱 데이터의 양과 싱크 노드에 도달한 데이터의 수를 나타낸다. 태양 에너지가 적을수록 센싱 데이터량은 줄어들게 된다. 이는 할당된 에너지가 태양 에너지의 양에 따라 변화하기 때문이다. 이 때, 다른 종래 기법들의 센싱 데이터량은 본 발명에서 제안된 방법보다 많게 되지만, 태양 에너지의 양이 적기 때문에 정전 노드가 많이 발생하여, 싱크 노드에 도달하는 데이터의 양은 본 발명에서 제안된 방법보다 적어지게 된다. 10 and 11 show the amount of sensing data according to the change of the solar energy and the number of data arriving at the sink node, respectively. The smaller the amount of solar energy, the smaller the amount of sensing data. This is because the allocated energy varies with the amount of solar energy. At this time, the amount of sensing data of other conventional techniques is larger than that of the method proposed in the present invention. However, since the amount of solar energy is small, a large number of electrostatic nodes are generated, .

태양 에너지가 많을 때, 본 발명에서 제안된 방법은 할당된 에너지가 많아지고, 이에 맞게 센싱 주기를 조절하기 때문에 센싱 되는 데이터량과 싱크 노드에 도달하는 데이터량이 다른 기법에 비해 커지게 된다.When the amount of solar energy is large, the method proposed by the present invention increases the allocated energy and adjusts the sensing period accordingly, so that the amount of data to be sensed and the amount of data to reach the sink node become larger than those of other techniques.

본 발명에서는 태양 에너지를 수집하는 WSN를 이용하여 주기적으로 데이터를 수집할 때, 센싱 주기와 압축 기법을 선택함으로써 데이터의 수집량을 증가시킨다. 본 발명에 따른 방법에서 싱크 노드로부터 1홉 거리의 노드는 데이터 전송 한계를 결정하고 이를 다른 노드에 전달함으로써 전송 데이터량을 제한하고, 다른 노드들은 이에 맞는 센싱 주기와 압축 기법을 선택함으로써 정전 노드의 발생을 억제하고, 데이터 수집량을 증가시킨다. In the present invention, when collecting data periodically using a WSN for collecting solar energy, the collection amount of data is increased by selecting a sensing period and a compression technique. In the method according to the present invention, a node 1-hop distance from a sink node determines a data transmission limit and transmits it to another node to limit the amount of data to be transmitted. Other nodes select a sensing period and a compression scheme corresponding thereto, Suppresses the occurrence, and increases the data collection amount.

시뮬레이션 결과, 본 발명에서 제안된 방법은 상황에 따라 데이터 수집 주기와 압축 기법을 선택함으로써 다른 기법에 비해 정전 노드의 발생을 효과적으로 억제하고, 더 많은 양의 데이터를 얻을 수 있는 것을 알 수 있었다. As a result of the simulation, it was found that the method proposed by the present invention effectively suppresses generation of electrostatic nodes and obtains a larger amount of data than other techniques by selecting a data collection period and a compression method depending on the situation.

이와 같은, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법은, 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. In such a solar energy-collecting wireless sensor network, the sensing period and the compression algorithm selection method considering energy allocation are implemented in the form of program instructions that can be implemented in an application or through various computer components, Lt; / RTI > The computer-readable recording medium may include program commands, data files, data structures, and the like, alone or in combination.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. The program instructions recorded on the computer-readable recording medium may be ones that are specially designed and configured for the present invention and are known and available to those skilled in the art of computer software.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include machine language code such as those generated by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules for performing the processing according to the present invention, and vice versa.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 장치의 블록도이다.FIG. 12 is a block diagram of a sensing period and a compression algorithm selecting apparatus considering energy allocation in a solar energy collecting wireless sensor network according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

본 발명에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 장치(10, 이하 장치)는, 주기적으로 센싱 데이터를 싱크 노드에 전달하는 WSN을 기반으로 수집되는 데이터량을 증가시키기 위한 데이터 수집량 조절과 압축 알고리즘 선택 기법을 제안한다. In the solar energy collecting wireless sensor network according to the present invention, a sensing period and a compression algorithm selecting apparatus (hereinafter referred to as a device) 10 that considers energy allocation periodically calculate the amount of data collected based on a WSN that periodically transmits sensing data to a sink node We propose a data collection algorithm and a compression algorithm selection method.

도 12를 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 수신부(110), 에너지 계산부(130), 동작 모드 결정부(150), 센싱 주기 결정부(170) 및 전송부(190)를 포함한다.12, the apparatus 10 according to the present invention includes a receiving unit 110, an energy calculating unit 130, an operation mode determining unit 150, a sensing period determining unit 170, and a transmitting unit 190 do.

본 발명의 상기 장치(10)는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택을 수행하기 위한 소프트웨어(어플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 수신부(110), 상기 에너지 계산부(130), 상기 동작 모드 결정부(150), 상기 센싱 주기 결정부(170) 및 상기 전송부(190)의 구성은 상기 장치(10)에서 실행되는 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택을 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다. The apparatus 10 of the present invention may be implemented with a sensing period in consideration of energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network and software (application) for performing a compression algorithm selection. The receiving unit 110, The configuration of the calculation unit 130, the operation mode determination unit 150, the sensing period determination unit 170 and the transmission unit 190 may be configured such that the energy of the energy in the solar energy collection type wireless sensor network Can be controlled by the software for performing the sensing period considering the allocation and the compression algorithm selection.

상기 장치(10)는WSN의 각 노드에 설치되는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 수신부(110), 상기 에너지 계산부(130), 상기 동작 모드 결정부(150), 상기 센싱 주기 결정부(170) 및 상기 전송부(190)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.The device 10 may be a separate terminal installed at each node of the WSN or some module of the terminal. The configuration of the reception unit 110, the energy calculation unit 130, the operation mode determination unit 150, the sensing period determination unit 170, and the transmission unit 190 may be formed as an integrated module, Or more. However, conversely, each configuration may be a separate module.

상기 장치(10)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 상기 장치(10)는, 단자(socket), 서버(server) 또는 엔진(engine) 형태일 수 있으며, 단말(terminal), 디바이스(device), 기구(apparatus), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. The device 10 may be mobile or stationary. The device 10 may be in the form of a socket, a server or an engine and may be a terminal, a device, an apparatus, a user equipment (UE), a mobile station station, a wireless device, a handheld device, and the like.

상기 장치(10)는 운영체제(Operation System; OS), 즉 시스템을 기반으로 다양한 소프트웨어를 실행하거나 제작할 수 있다. 상기 운영체제는 소프트웨어가 장치의 하드웨어를 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템 프로그램으로서, 안드로이드 OS, iOS, 윈도우 모바일 OS, 바다 OS, 심비안 OS, 블랙베리 OS 등 모바일 컴퓨터 운영체제 및 윈도우 계열, 리눅스 계열, 유닉스 계열, MAC, AIX, HP-UX 등 컴퓨터 운영체제를 모두 포함할 수 있다.The device 10 may execute or produce various software based on an operating system (OS), i.e., a system. The operating system is a system program for allowing software to use the hardware of a device. The operating system includes a mobile computer operating system such as Android OS, iOS, Windows Mobile OS, Sea OS, Symbian OS, Blackberry OS, MAC, AIX, and HP-UX.

상기 수신부(110)는 일정 시간을 복수 개의 슬롯으로 나눈 각 슬롯에서 사용할 수 있는 에너지량 및 각 노드가 전송할 수 있는 데이터량을 수신한다. The receiving unit 110 receives an amount of energy that can be used in each slot divided into a plurality of slots and an amount of data that each node can transmit.

상기 에너지 계산부(130)는 해당 슬롯 동안 각 동작 모드에서 소모되는 예상 에너지량을 계산한다. 상기 모드에서 소모되는 예상 에너지량은, 해당 슬롯 동안 데이터를 전송하는데 소모되는 에너지, 기본 소모 에너지 및 데이터를 압축하는데 소모되는 에너지의 합으로 계산될 수 있다.The energy calculation unit 130 calculates an estimated energy amount consumed in each operation mode during the corresponding slot. The expected amount of energy consumed in the mode may be calculated as the sum of the energy consumed in transmitting the data during the slot, the basic consumed energy, and the energy consumed in compressing the data.

상기 동작 모드 결정부(150)는 상기 사용할 수 있는 에너지량, 상기 전송할 수 있는 데이터량 및 상기 소모되는 예상 에너지량을 기초로, 데이터 수집량과 압축 알고리즘을 선택하기 위한 동작 모드를 결정한다. 이때, 상기 싱크 노드로부터 1홉 거리에 있는 노드들은 자신을 일반 모드로 선택한다.The operation mode determination unit 150 determines an operation mode for selecting a data collection amount and a compression algorithm based on the amount of available energy, the amount of data that can be transmitted, and the amount of energy consumed to be consumed. At this time, the nodes located one hop away from the sink node select themselves as the normal mode.

상기 동작 모드 결정부(150)는 상기 사용할 수 있는 에너지량과 상기 소모되는 예상 에너지량을 비교하여, 상기 전송할 수 있는 데이터량을 초과하지 않는 범위 내에서 추가 데이터를 수집할지 여부 및 데이터를 압축 전송할지 여부에 따라 일반 모드, L 모드 및 H 모드 중 하나의 동작 모드를 선택한다.The operation mode determination unit 150 compares the amount of energy that can be used with the amount of energy that is consumed and determines whether to collect additional data within a range that does not exceed the amount of data that can be transmitted, The operation mode of one of the normal mode, the L mode and the H mode is selected.

해당 노드가 일반 모드일 경우, 데이터를 수집하지 않고 상기 전송할 수 있는 데이터량만큼의 데이터를 수집하여 압축하지 않고 전송한다. 해당 노드가 L 모드일 경우, 상기 전송할 수 있는 데이터량 이외에 추가 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 압축하여 전송한다. 해당 노드가 H 모드일 경우, 상기 L 모드보다 더 많은 추가 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 상기 L 모드보다 더 높은 압축률로 압축하여 전송한다.When the corresponding node is in the normal mode, it collects data corresponding to the amount of data that can be transmitted without collecting the data, and transmits the collected data without compression. When the node is in the L mode, additional data is collected in addition to the amount of data that can be transmitted, and the collected data is compressed and transmitted. When the node is in the H mode, it collects more additional data than the L mode, compresses the collected data to a higher compression ratio than the L mode, and transmits the compressed data.

상기 센싱 주기 결정부(170)는 결정된 동작 모드에 따라 데이터를 수집하기 위한 센싱 주기를 결정한다.The sensing period determiner 170 determines a sensing period for collecting data according to the determined operation mode.

상기 전송부(190)는 결정된 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송한다.The transmission unit 190 collects data according to the selected data collection amount according to the determined operation mode and the sensing period, and compresses and transmits the collected data according to the selected compression algorithm.

이에 따라, 노드는 전송 가능 데이터량, 할당된 에너지와 소모되는 에너지를 고려하여 압축 알고리즘을 선택하고, 이를 이용하여 추가로 수집된 데이터의 양을 제한된 전송량에 맞게 압축해서 전송함으로써 싱크 노드가 전달받는 데이터의 양을 증가시킬 수 있다.Accordingly, the node selects a compression algorithm in consideration of the amount of transmittable data, the energy allocated and the energy consumed, compresses and transmits the amount of data collected further using the limited amount of data using the compressed algorithm, The amount of data can be increased.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. You will understand.

본 발명은 태양 에너지 수집 WSN에서 노드의 효율적인 에너지 관리 문제와 핫스팟 문제를 해결하고, 데이터 획득량을 증가시키기 위한 데이터 수집량과 압축 알고리즘 선택 기법을 제안하므로, 태양 에너지 기반 무선 센서 네트워크 분야에서 유용하게 활용될 수 있다.The present invention proposes a data collection and compression algorithm selection technique for solving the problem of efficient energy management and hot spot of a node in the solar energy collection WSN and increasing the amount of data acquisition and thus is useful in the field of solar energy based wireless sensor network .

10: 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 장치
110: 수신부
130: 에너지 계산부
150: 동작 모드 결정부
170: 센싱 주기 결정부
190: 전송부
10: Selection of sensing period and compression algorithm considering energy allocation
110:
130: Energy calculation unit
150: Operation mode determination unit
170: sensing period determination unit
190:

Claims (10)

태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법에 있어서,
상기 무선 센서 네트워크에서 일정 시간을 복수 개의 슬롯으로 나누고, 각 슬롯에서 사용할 수 있는 에너지량을 할당하는 단계;
싱크 노드로부터 1홉(hop) 거리에 있는 노드들은 노드의 전송량을 제한하기 위해 각 슬롯 동안 자신과 자신의 자손 노드들이 전송할 수 있는 데이터량을 계산하여, 상기 자신의 자손 노드들에 전송하는 단계;
상기 전송할 수 있는 데이터량을 수신한 각 자손 노드는 각 슬롯에서 상기 사용할 수 있는 에너지량, 상기 전송할 수 있는 데이터량 및 소모되는 예상 에너지량을 기초로, 데이터 수집량과 압축 알고리즘을 선택하기 위한 자신의 동작 모드를 결정하는 단계;
각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드에 따라 데이터를 수집하기 위한 센싱 주기를 결정하는 단계; 및
각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 단계를 포함하되,
상기 데이터량은,
상기 복수 개로 나누어진 슬롯 중 하나의 슬롯의 길이 및 하나의 센서가 한 번에 수집하는 데이터의 양에 비례하고, 하나의 노드가 데이터를 수집하는 주기와는 반비례한 기초 총 데이터 양을 계산하는 단계;
상기 기초 총 데이터 량, 한 번에 전송할 수 있는 최대 데이터 크기 및 데이터 전송에 필요한 헤더(header)와 푸터(footer)의 크기 고려하여 하나의 노드가 전송하기 위해 필요한 패킷의 크기를 계산하는 단계; 및
상기 패킷의 크기에 자신과 자신의 자손 노드의 수에 비례한 값으로부터 하나의 슬롯동안 전송해야 하는 실제 총 데이터 양을 계산하는 단계;를 거쳐 구하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법.
In a sensing cycle and a compression algorithm selection method considering energy allocation in a solar energy collecting wireless sensor network,
Dividing a predetermined time into a plurality of slots in the wireless sensor network and allocating an amount of energy usable in each slot;
The nodes located one hop away from the sink node calculate the amount of data that can be transmitted by itself and its child nodes during each slot to limit the amount of transmission of the node and transmit the amount of data to the child nodes of the node itself;
Each descendant node receiving the amount of data that can be transmitted can calculate the data collection amount and the compression algorithm based on the amount of available energy, the amount of data that can be transmitted, and the estimated amount of energy consumed in each slot. Determining an operating mode;
Each child node determining a sensing period for collecting data according to its determined operation mode; And
Each child node collects data for a selected data collection amount according to its determined operation mode and sensing period, compresses and transmits the collected data according to the selected compression algorithm,
The amount of data,
Calculating a base total amount of data in proportion to the length of one of the plurality of slots and the amount of data collected by one sensor at a time and inversely proportional to a cycle in which one node collects data ;
Calculating a size of a packet necessary for one node to transmit in consideration of the basic total data amount, the maximum data size that can be transmitted at one time, and the size of a header and a footer necessary for data transmission; And
Calculating an actual total amount of data to be transmitted during one slot from a value proportional to the number of the self and its child node to the size of the packet; Sensing Cycle and Compression Algorithm Selection Method.
제1항에 있어서, 상기 자신의 동작 모드를 결정하는 단계는,
각 자손 노드가 해당 슬롯 동안 각 동작 모드에서 상기 소모되는 예상 에너지량을 계산하는 단계;
상기 사용할 수 있는 에너지량과 상기 소모되는 예상 에너지량을 비교하여, 상기 전송할 수 있는 데이터량을 초과하지 않는 범위 내에서 추가 데이터를 수집할지 여부 및 데이터를 압축 전송할지 여부를 결정하는 단계; 및
추가 데이터를 수집할지 여부 및 데이터를 압축 전송할지 여부에 따라, 일반 모드, L 모드 및 H 모드 중 하나의 동작 모드를 선택하는 단계를 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법.
The method of claim 1, wherein the determining of the mode of operation comprises:
Each child node calculating the consumed estimated energy amount in each operation mode during the corresponding slot;
Determining whether to collect additional data within a range that does not exceed the amount of data that can be transmitted by comparing the amount of available energy with the amount of consumed estimated energy and determining whether to compress or transfer the data; And
Selecting an operation mode of one of a normal mode, an L-mode and an H-mode depending on whether to collect additional data and whether to compress and transmit the data. How to choose the cycle and compression algorithm.
제2항에 있어서, 상기 각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 단계는,
해당 노드가 일반 모드일 경우, 데이터를 수집하지 않고 상기 전송할 수 있는 데이터량만큼의 데이터를 수집하여 압축하지 않고 전송하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법.
3. The method of claim 2, wherein each of the child nodes collects data by a selected data collection amount according to the determined operation mode and the sensing period, compresses and transmits the collected data according to the selected compression algorithm,
When the node is in the normal mode, it collects data of the amount of data that can be transmitted without collecting the data, and transmits the data without compressing it. In the solar energy collecting wireless sensor network, .
제2항에 있어서, 상기 각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 단계는,
해당 노드가 L 모드일 경우, 상기 전송할 수 있는 데이터량 이외에 추가 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 압축하여 전송하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법.
3. The method of claim 2, wherein each of the child nodes collects data by a selected data collection amount according to the determined operation mode and the sensing period, compresses and transmits the collected data according to the selected compression algorithm,
Wherein the sensor node collects additional data in addition to the amount of data that can be transmitted when the node is in the L mode, and compresses and transmits the collected data.
제2항에 있어서, 상기 각 자손 노드는 결정된 자신의 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 단계는,
해당 노드가 H 모드일 경우, 상기 L 모드보다 더 많은 추가 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 상기 L 모드보다 더 높은 압축률로 압축하여 전송하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법.
3. The method of claim 2, wherein each of the child nodes collects data by a selected data collection amount according to the determined operation mode and the sensing period, compresses and transmits the collected data according to the selected compression algorithm,
Wherein the node is in the H mode and collects more data than the L mode and compresses the collected data to a higher compression ratio than the L mode and transmits the compressed data. How to choose the cycle and compression algorithm.
제2항에 있어서, 상기 각 자손 노드가 해당 슬롯 동안 각 동작 모드에서 소모되는 예상 에너지량을 계산하는 단계는,
해당 슬롯 동안 데이터를 전송하는데 소모되는 에너지, 기본 소모 에너지 및 데이터를 압축하는데 소모되는 에너지를 기초로 계산되는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법.
3. The method of claim 2, wherein calculating the estimated energy amount consumed by each child node in each operation mode during the corresponding slot comprises:
A sensing cycle and a compression algorithm selection method in consideration of energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network, wherein the energy consumption is calculated on the basis of energy consumed in transmitting data during the corresponding slot, basic consumption energy and energy consumed in compressing data.
제2항에 있어서,
상기 싱크 노드로부터 1홉 거리에 있는 노드들은 자신을 일반 모드로 선택하는 단계를 더 포함하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법.
3. The method of claim 2,
Further comprising selecting ones of the nodes that are one hop away from the sink node to be in the normal mode.
제1항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 방법을 수행하기 위한, 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
A computer-readable recording medium having recorded thereon a computer program for performing a sensing cycle and a compression algorithm selection method considering energy allocation in a solar energy collection type wireless sensor network according to any one of claims 1 to 7.
태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 장치에 있어서,
일정 시간을 복수 개의 슬롯으로 나눈 각 슬롯에서 사용할 수 있는 에너지량 및 각 노드가 전송할 수 있는 데이터량을 수신하는 수신부;
해당 슬롯 동안 각 동작 모드에서 소모되는 예상 에너지량을 계산하는 에너지 계산부;
상기 사용할 수 있는 에너지량, 상기 전송할 수 있는 데이터량 및 상기 소모되는 예상 에너지량을 기초로, 데이터 수집량과 압축 알고리즘을 선택하기 위한 동작 모드를 결정하는 동작 모드 결정부;
결정된 동작 모드에 따라 데이터를 수집하기 위한 센싱 주기를 결정하는 센싱 주기 결정부; 및
결정된 동작 모드 및 센싱 주기에 따라 선택된 데이터 수집량만큼 데이터를 수집하고, 선택된 압축 알고리즘에 따라 수집된 데이터를 압축하여 전송하는 전송부를 포함하되,
상기 데이터량은,
싱크 노드와 1홉 거리에 있는 노드가 상기 복수 개로 나누어진 슬롯 중 하나의 슬롯의 길이 및 하나의 센서가 한 번에 수집하는 데이터의 양에 비례하고, 하나의 노드가 데이터를 수집하는 주기와는 반비례한 기초 총 데이터양을 계산하고, 상기 기초 총 데이터양, 한 번에 전송할 수 있는 최대 데이터 크기 및 데이터 전송에 필요한 헤더(header)와 푸터(footer)의 크기를 고려하여 하나의 노드가 전송하기 위해 필요한 패킷의 크기를 계산하며, 상기 패킷의 크기에 자신과 자신의 자손 노드의 수에 비례한 값으로부터 하나의 슬롯동안 전송해야 하는 실제 총 데이터량을 계산하여 전송한 값인, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 장치.
A sensing period and a compression algorithm selecting apparatus considering energy allocation in a solar energy collecting wireless sensor network,
A receiving unit for receiving an amount of energy that can be used in each slot in which a predetermined time is divided into a plurality of slots and an amount of data that each node can transmit;
An energy calculation unit for calculating an estimated energy amount consumed in each operation mode during the corresponding slot;
An operation mode determination unit that determines an operation mode for selecting a data collection amount and a compression algorithm based on the amount of available energy, the amount of data that can be transferred, and the estimated amount of energy consumed;
A sensing period determiner for determining a sensing period for collecting data according to the determined operation mode; And
Collecting data for a selected data collection amount according to the determined operation mode and the sensing period, and compressing and transmitting the collected data according to the selected compression algorithm,
The amount of data,
A node that is one hop away from the sink node is proportional to the length of one of the plurality of slots and the amount of data collected by one sensor at a time, The amount of basic total data in inverse proportion is calculated, and a single node transmits the basic total data amount, the maximum data size that can be transmitted at one time, and the size of a header and a footer necessary for data transmission, Which is a value obtained by calculating an actual total amount of data to be transmitted during one slot from a value proportional to the number of itself and its child nodes in the size of the packet, Sensing Cycle and Compression Algorithm Considering Energy Allocation in Sensor Networks.
제9항에 있어서, 상기 동작 모드 결정부는,
상기 사용할 수 있는 에너지량과 상기 소모되는 예상 에너지량을 비교하여, 상기 전송할 수 있는 데이터량을 초과하지 않는 범위 내에서 추가 데이터를 수집할지 여부 및 데이터를 압축 전송할지 여부에 따라 일반 모드, L 모드 및 H 모드 중 하나의 동작 모드를 선택하는, 태양 에너지 수집형 무선 센서 네트워크에서 에너지 할당을 고려한 센싱 주기와 압축 알고리즘 선택 장치.
10. The apparatus according to claim 9,
The energy amount that can be used is compared with the estimated energy amount consumed to determine whether to collect additional data within a range that does not exceed the amount of data that can be transmitted, And an H mode, wherein the sensing cycle and the compression algorithm selection unit considers energy allocation in a solar energy collection wireless sensor network.
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