Mobil sensör cihazları kullanılarak ısı ve nem değerlerinin ölçümü ve değerlendirilmesi

Abstract

Son yıllarda kablosuz teknolojiler ve kablosuz iletişim alt yapıları hem akademik hayatta hem de ticari hayatta giderek gelişmekte ve önemini arttırmaktadır. Kablosuz teknolojilerin içinde yer alan kablosuz sensör ağlar ise özellikle son yıllarda en hızlı ve en çok gelişen ve gelecek senelerde yoğun kullanımı olacak bir ağ teknolojisidir. Kablosuz sensör ağlar, askeri uygulamalar, sağlık uygulamaları, tabiat izlemesi, akıllı ev uygulamaları gibi pek çok değişik alanda uygulanmaktadır.Kablosuz sensör ağlar, sensör düğümü olarak adlandırılan küçük fakat akıllı cihazların bir araya gelerek bir ağ oluşturmasından meydana gelmektedir. Sensör düğümleri üç ana modülden oluşmaktadır. Birinci modül sensör düğümün diğer sensör düğümleriyle haberleşmesini sağlayan radyo modülüdür. Kablosuz sensör ağlar haberleşme protokolü olarak IEEE 802.15.4 ZigBee protokolünü kullanmaktadır. ZigBee protokolü kablosuz sensör ağlarının düşük güçte ve düşük maliyette çalışma ilkesi göz önünde bulundurularak geliştirilmiş bir teknolojidir. Sensör düğümlerinin ikinci ana modülü sensör mödülüdür. Sensörler ısı, nem, ışık, ses, hareketlilik, gaz gibi çevresel değerleri ölçüp bunları sayısal yada analog elektriksel sinyallere çevirirler. Üçüncü ana modül ise kontrol modülür. Bu modül mikrodenetleyici, hafıza, güç kaynağı birimlerinden oluşur, sensör düğüm tarafından yapılması istenen fonksiyonlar için sensör düğümün hafızasına yüklenen komutları işler, sensör düğümünün üzerindeki sensörleri ve radyo modülünün çalışmasını denetler. Bu modül kısaca sensör düğümünün kontrolünden sorumludur.Sensör düğümlerin en büyük sorunlarından biri sınırlı güç kaynağına sahip olmasıdır. Sınırlı güç kaynağı çalışma ömrünün de sınırlı olması anlamına gelmektedir ve sensör düğümün sınırlı çalışma ömrünün olması kablosuz sensör ağının da çalışma ömrünü sınırlamaktadır. Kablosuz sensör ağlarının çalışma ömürlerini uzatmak için sensör düğümlerin en düşük enerji tüketimi ilkesiyle çalışması sağlanmalıdır. Bu nedenle kablosuz sensör teknolojilerinde üzerinde en çok çalışma yapılan konuların başında enerji-verimli (energy-efficient) algoritmalar gelmektedir. Sınırlı hafıza ve işlem yükü ise sensör düğümlerinin yeteneklerini kısıtlayan diğer unsurlardır. Kablosuz sensör ağlarının avantajları ise düşük maliyette olmaları, tasarısız ağlar oluşturarak istenilen verilerin ana merkeze ulaşmasını sağlamalarıdır. Bu sayede bir bölge içinde çok sayıda sensör düğüm rastgele serpilerek kablosuz sensör ağı oluşturmak mümkündür.Tezin birinci bölümünde kablosuz sensör ağlarının genel özelliklerine, uygulama alanlarına ve kablosuz sensör ağının oluşturulmasında karşılaşılan zorluklara yer verilmektedir. İkinci bölümde sensör düğümlerin özellikleri, TinyOS işletim sistemi ve NesC programlama dilinin özellikleri anlatılmıştır. Üçüncü bölümde tezde veri toplamak için kullanılan Telosb sensör düğümü ve Cinterion XT65 cihazlarının özellikleri detaylı olarak anlatılmaktadır. Kablosuz sensör ağları kullanılarak mobil araçların üzerinde bulunan sensör düğümlerinin belirli bir bölgede farklı konumlarda ve farklı zamanlarda dolaştırılarak konum, ısı ve nem bilgilerinin toplanıp merkez istasyona gönderilmesi işlemlerini gerçekleyen sistemin mimarisi anlatılmaktadır. Tezin dördüncü bölümünde bilgi çıkarımı ve kümeleme analizi anlatılmaktadır. Sensörlerden gönderilen verilerin merkez istasyonda işlenip ilgili bölgenin ısı ve nem haritalarının çıkarılmasını sağlayan algoritmalar anlatılmaktadır. Sonuç bölümünde ısı ve nem haritalarının oluşturulması kapsamında yapılan çalışmalar ve deneylerden bahsedilmekte, kazanılan başarımlar açıklanmaktadır.

In recent years, wireless technologies and wireless communication infrastructures as well as commercial and academic life, are gradually developing and increasing their importance in life. Wireless technologies in wireless sensor networks especially in recent years, are the fastest and most developing network technology and will have an intensive use in the next few years. Wireless sensor networks, such as military applications, medical applications, habitat monitoring, smart home applications are applied in many different areas.Wireless sensor networks consist of small but smart devices called as sensor node that create a network with coming together. The sensor nodes consist of three main modules. The first module is a radio module that provides the sensor node to communicate with other sensor nodes. Wireless sensor networks as the communication protocol uses IEEE 802.15.4 ZigBee protocol. ZigBee protocol is a technology that has been developed by considering the low-cost and low-power operation principle of wireless sensor network. The main module of sensor nodes is sensor module. Sensors measure environmental values such as heat, humidity, light, sound, movement, gas and convert them to digital or analog electrical signals. Third main module is controling module. This module consists of microcontroller, memory, and power supply units and operates the sensor node's memory installed commands to do the desired functions, supervises the operation of sensors on sensor node and radio module. Briefly this module is responsible of controling the sensor node.One of the challenges of the sensor nodes is having limited power source. Limited power source means that a limited service life and sensor node that have a limited service life limits the service life of wireless sensor network. To prolong the service life of wireless sensor networks, the principle of low energy consumption should be provided for operation of the sensor nodes. Therefore, most work on wireless sensor technologies, energy-efficient algorithms are at the beginning of the issues. Most of the subjects researching on wireless sensor technologies are energy-efficient algorithms. Limited memory and processing load are the other factors that restrict the capabilities of the sensor nodes. The advantages of wireless sensor networks are being low cost, creating ad-hoc networks to transport the desired data to the main server. In this way, wireless sensor network can be built with randomly scattering a large number of sensor node in a region.In the first part of the thesis, general characteristics of wireless sensor networks, the application areas and the encountered difficulties in the creation of wireless sensor network are presented. In the second part features of the sensor nodes, TinyOS operating system and features of NesC programming language are explained. In the third part, feature of Telosb sensor node and Cinterion XT65 device which are used to collect data are described in detail. The architecture of the system that uses wireless sensor network and sensor nodes on vehicles that collects location, temperature and humidity datas in a certain region at different time , in different locations and sends them to the main server is described. The fourth section of the thesis knowledge extraction and clustering analysis are described. The algorithms which provide extraction of temperature and humidity maps of related region with data that are coming from sensor nodes and processed in main server. In the conclusion section, acquired successes, studies and experiments that are part of construction of temperature and humidity maps are explained.