Global power management system for self-powered autonomous wireless sensor node

par Trong Nhan Le

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Olivier Sentieys et de Olivier Berder.

  • Titre traduit

    Système de gestion globale de l’énergie pour objets communicants autonomes en réseau


  • Résumé

    La quantité d'énergie disponible dans les batteries et le nombre limité de cycles de recharge compliquent singulièrement la conception de réseaux de capteurs sans fil (WSN) autonomes. La récupération d'énergie dans l'environnement direct des nœuds et un stockage d'énergie à base de supercondensateurs sont aujourd'hui considérés comme solutions potentielles pour atteindre une durée de vie du réseau théoriquement infinie. Un gestionnaire d'énergie (PM pour ''Power Manager'') est embarqué dans chaque nœud afin de permettre un fonctionnement en neutralité énergétique (ENO), ce qui veut dire que les énergies récupérées et consommées par un nœud sont équivalentes sur le long terme. Dans cette thèse, nous proposons de nouveaux PMs qui adaptent dynamiquement l'intervalle de réveil des nœuds en fonction de l'énergie récupérée. La faible complexité de nos PMs, leur indépendance vis-à-vis du type de source d'énergie récupérée et leur faible empreinte mémoire facilitent leur implantation sur une plate-forme réelle de réseaux de capteurs sans fil. Par ailleurs, lorsque l'on considère un réseau multi-sauts, une variation trop fréquente de l'intervalle de réveil peut s'avérer pénalisante pour l'établissement de rendez-vous entre les nœuds et risque de fortement dégrader la qualité de services globale. Nous proposons donc un gestionnaire d'énergie (WVR-PM) qui limite autant que possible ces variations et qui permet d'améliorer le débit de près de 60% par rapport aux PMs de l'état de l'art tout en diminuant de 45% l'énergie consommée par une communication réussie.


  • Résumé

    The limited energy and recharge cycles of batteries are crippling the design of autonomous Wireless Sensor Networks (WSNs). To overcome this issue, everlasting harvested energy and supercapacitor-based energy storage are considered as potential solutions to achieve a theoretically infinite lifetime. A Power Manager (PM) is embedded in each WSN node to respect the Energy Neutral Operation condition (ENO), which means harvested energy is equal to consumed energy for a long period. In this thesis, a set of PMs are proposed for energy harvesting WSN nodes to adapt their average consumed energy by changing the wake-up interval according to the available harvested energy. Our PMs are low complexity, independent of energy sources, small memory footprint and therefore, can be easily implemented on a real EH-WSN node. Another issue addressed in this thesis when considering a multi-hop EH-WSN is the effect of wake-up interval variations to the global QoS. Due to its low harvested energy, a relay node is impractical to synchronize with a transmitter if its wake-up interval regularly changes, therefore degrading the global QoS. A new power manager, named Wake-up Variation Reduction power manager (WVR-PM) is proposed to reduce the variations of the wake-up interval. By using WVR-PM, the throughput of a multi-hop EH-WSN can be improved up to 59% compare to state-of-the-art PMs while the average consumed energy for one successful communication is reduced by 45%.


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