Modeling and power optimization of a wireless sensor node

Abstract

Funksensorknoten umfassen einen breiten Anwendungsbereich, angefangen vom einzelnen Knoten bis hin zu Sensornetzwerken mit mehreren tausend Sensoren. Deren Einsatzgebiete variieren von Sensoren in Reifen von Fahrzeugen bis hin zu den Schweizer Alpen mit teilweise widrigen Bedingungen in schwer erreichbaren Gebieten. Die meisten dieser Anwendungsbereiche stellen jedoch dieselben allgemeinen Anforderungen an einen Sensorknoten welche oft auch eine nahezu endlose Lebensdauer verlangen. Um in der heutigen Zeit die Anforderungen der Kunden bestmöglich abzudecken und das Bestehen am Markt gegenüber der Konkurrenz gewährleisten zu können, streben Unternehmen nach kürzeren Entwicklungszeiten für neue Produkte. Zusätzlich steigt jedoch die Komplexität mit den Anforderungen der Konsumenten, was dazu führt, dass Unternehmen stets nach neuen Prozessen suchen um den Aufwand von Zeit und Geld für die Entwicklung ihrer Produkte zu verringern. In dieser Arbeit wird ein abstrakter Ansatz für eine zyklengenaue Simulation von Funksensorknoten vorgestellt. Dieser soll die Anwendung von flexiblen Stromprofilen einzelner Komponenten eines Sensorknoten ermöglichen um die Aufzeichnung des Verbrauchs für eine mögliche Analyse zu gewährleisten. Weiters wird die Möglichkeit geboten jede einzelne Hardwarekomponente in verschiedenen Detailgraden zu simulieren wobei stets die gleiche Basis einer Komponente verwendet werden kann.<br />Zusätzlich wird die Erzeugung von Stromprofilen der simulierten Hardware - in einer sehr detaillierten Simulation - zur Verfügung gestellt. Dies gibt die Möglichkeit zur Analyse und Optimierung der verwendeten Firmware um infolge dessen das Verhalten eines Sensorknoten zu verbessern und vor allem die Lebensdauer in einem Funksensornetz zu erhöhen. Eine Implementierung eines Sensorknoten und die Simulation eines Funksensornetzwerks Mithilfe von SuSi - ein SystemC basierendes von Infineon entwickeltes Framework - und die Integration in das SNOPS Framework vom Institut für Computertechnik an der technischen Universität Wien zeigt eine reale Umsetzung des vorgestellten Ansatzes.<br />

Wireless Sensors have a wide range of applications started from the usage of a single sensor up to wireless sensor networks with thousands of nodes. Their operation area varies from the automotive to the Swiss Alps with partly difficult conditions at unreachable places.<br />All these fields of application have the common demand of a nearly endless lifetime of a single sensor. To meet the customers' requirements and keep the challenge for market shares companies have to reduce their schedule for development of new product generations and with this the time for design cycles has to be decreased. Nevertheless the complexity of new products increases with customer needs which leads the industry to search for new ways to reduce their effort of money and time for new products. This diploma thesis represents a generic approach for a cycle accurate simulation of wireless sensor nodes with the usage of configurable power profiles for components of a sensor and the possibility of power tracing of the simulated components. Furthermore it offers the ability to simulate a hardware component in different level of detail still using the same base functionality of the component and generates - in a very detailed simulation - a power profile of a simulated hardware component which allows further analysis and optimization of the used firmware to improve the behavior and especially lifetime of a sensor within a wireless sensor network. An implementation of a sensor node and the simulation with SuSi - a SystemC based framework from Infineon - and the integration into the SNOPS framework (developed at the Institute of Computer Technology at Vienna University of Technology) give a proof of concept of the presented approach.