ankara üniversitesi fen bilimleri enstitüsü yüksek lisans tezi düşük
advertisement
ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ DÜŞÜK GÜÇ TÜKETİMLİ KABLOSUZ ALGILAYICI DÜĞÜMÜ TASARIMI Volkan AYDIN ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2015 Her hakkı saklıdır TEZ ONAYI Volkan AYDIN tarafından hazırlanan “Düşük Güç Tüketimli Kablosuz Algılayıcı Düğümü Tasarımı” adlı tez çalışması 21/01/2015 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman : Yrd. Doç. Dr. Fikret ARI Ankara Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Jüri Üyeleri: Başkan: Doç. Dr. Ali KARA Atılım Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Üye : Yrd. Doç. Dr. Fikret ARI Ankara Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Üye : Yrd. Doç. Dr. Ahmet AKBULUT Ankara Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı Yukarıdaki sonucu onaylarım. Prof. Dr. İbrahim DEMİR Enstitü Müdürü ETİK Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez içindeki bütün bilgilerin doğru ve tam olduğunu, bilgilerin üretilmesi aĢamasında bilimsel etiğe uygun davrandığımı, yararlandığım bütün kaynakları atıf yaparak belirttiğimi beyan ederim. 21 Ocak 2015 Volkan AYDIN i ÖZET Yüksek Lisans Tezi DÜġÜK GÜÇ TÜKETĠMLĠ KABLOSUZ ALGILAYICI DÜĞÜMÜ TASARIMI Volkan AYDIN Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Yrd. Doç. Dr. Fikret ARI Günümüzde giderek yaygınlaĢan kablosuz algılayıcı ağları, genellikle pil gibi sınırlı enerjiye sahip kaynaklarla çalıĢtırılan kablosuz algılayıcı düğümlerinden oluĢmaktadır. Bu çalıĢmada, düĢük güç tüketimli bir kablosuz algılayıcı düğümünün tasarımı amaçlanmıĢtır. Bu bağlamda, lastik basınç algılayıcısına sahip düğümlerden oluĢan bir sistem tasarlanmıĢtır. Sistem için devre tasarımları yapılmıĢ ve çeĢitli yazılım algoritmaları hazırlanmıĢtır. Lastik birimi olarak adlandırılan düğümler, algılayıcıdan okunan basınç ve sıcaklık bilgileri ile kendi pil seviyesi bilgisini, merkez birim olarak adlandırılan görüntüleme birimine RF (Radio Frequency) iletiĢim kullanarak aktarmaktadırlar. RF haberleĢme ortamına eriĢim tekniklerini değerlendirebilmek üzere Zaman Bölmeli Çoklu EriĢim (TDMA), TaĢıyıcı Algılamalı Çoklu EriĢim (CSMA) ve sadece tek yönlü iletiĢimin sağlandığı farklı yazılım algoritmaları oluĢturulmuĢtur. Donanım üzerinde uygulanan farklı yazılımlar neticesinde, bir kablosuz algılayıcı düğümünün ortalama akım tüketimi değerleri detaylı olarak hesaplanmıĢtır. Ayrıca tek yönlü iletiĢimin kullanıldığı yöntemde iĢlem birimini, yazılımın gecikme komutlarında düĢük güç modu yerine aktif modda tutmak, ilaveten iĢlem biriminin çalıĢma frekansını, RF birimin kablosuz haberleĢme veri hızını ve modülasyonunu değiĢtirmek suretiyle elde edilen sonuçlar incelenmiĢtir. Düğümde ölçülen en yüksek ortalama akım tüketimi değeri sadece tek yönlü iletiĢimin kullanıldığı, en düĢük ortalama akım tüketimi değeri ise TDMA tekniğinin kullanıldığı yöntemle gerçekleĢmiĢtir. Ocak 2015, 47 sayfa Anahtar Kelimeler: Kablosuz algılayıcı ağları, kablosuz algılayıcı düğümü, düĢük güç, lastik basınç izleme sistemi ii ABSTRACT Master Thesis DESIGN OF WIRELESS SENSOR NODE WITH LOW POWER CONSUMPTION Volkan AYDIN Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Electrical and Electronics Engineering Supervisor: Asst. Prof. Dr. Fikret ARI Wireless sensor networks which are getting widespread recently consist of wireless sensor nodes generally powered with a source such as a battery with limited energy. In this study, design of a wireless sensor node with low power consumption is aimed. For this purpose, a system that consists of nodes with tire pressure sensor is designed. For system, circuit designs are done and several software algorithms are arranged. Nodes named as tire unit transmit pressure and temperature data measured from sensor and battery level data of their own to display unit named as center unit by using RF communication. To be able to evaluate access techniques to RF communication medium, different software algorithms that use Time Division Multiple Access, Carrier Sense Multiple Access and only one way communication are generated. On the result of different software codes implemented on the hardware, average current consumption values of a wireless sensor node are calculated in detail. Also, in the method that one way communication is used, results obtained by holding process unit in active mode instead of low power mode in delay commands of the software, by changing operating frequency of process unit, wireless communication data rate and modulation of RF unit are analyzed. The highest measured average current consumption value in the node is occurred with the method that only one way communication is used and the lowest one is occurred with the method that TDMA technique is used. January 2015, 47 pages Key Words: Wireless sensor networks, wireless sensor node, low power, tire pressure monitoring system iii TEŞEKKÜR ÇalıĢmalarımda benden bilgi, öneri ve yönlendirmelerini esirgemeyen danıĢman hocam Sayın Yrd. Doç. Dr. Fikret ARI’ya (Ankara Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı), çalıĢmam sırasında bana destek olan aileme ve özellikle eĢime teĢekkürlerimi sunarım. Volkan AYDIN Ankara, Ocak 2015 iv İÇİNDEKİLER TEZ ONAY SAYFASI ETİK .................................................................................................................................. i ÖZET................................................................................................................................ ii ABSTRACT .................................................................................................................... iii TEŞEKKÜR ................................................................................................................... iv SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ................................................................ vi ŞEKİLLER DİZİNİ ...................................................................................................... vii ÇİZELGELER DİZİNİ .................................................................................................. x 1. GİRİŞ ........................................................................................................................... 1 2. KURAMSAL TEMELLER ........................................................................................ 4 2.1 Kablosuz Algılayıcı Ağları........................................................................................ 4 2.2 Kablosuz Algılayıcı Düğümü .................................................................................... 6 2.3 Lastik Basınç İzleme Sistemleri ............................................................................... 7 2.4 Kablosuz İletişim Teknikleri .................................................................................... 9 2.4.1 TDMA ..................................................................................................................... 9 2.4.2 CSMA .................................................................................................................... 10 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR ................................................................................... 12 3.1 Örnek Araç Hareket Süresi Hesabı ....................................................................... 12 3.2 Tasarlanan Sistem ................................................................................................... 13 3.3 Tasarlanan Kablosuz Algılayıcı Düğümü Donanımı ........................................... 14 3.4 Merkez Birim Donanımı ......................................................................................... 15 3.5 Oluşturulan Yazılımlar ........................................................................................... 16 3.5.1 Tek yönlü iletişim kullanılan yazılım ................................................................. 17 3.5.2 Taşıyıcı algılamalı çoklu erişim kullanılan yazılım ........................................... 27 3.5.3 Zaman bölmeli çoklu erişim kullanılan yazılım ................................................ 35 3.5.4 Tasarlanan sistemin test çalışması ...................................................................... 40 4. SONUÇ ....................................................................................................................... 42 KAYNAKLAR .............................................................................................................. 45 ÖZGEÇMİŞ ................................................................................................................... 47 v SİMGELER DİZİNİ ABS ADC ASK BPSK CCA CDMA CRC CSMA CSMA/CA CSMA/CD DECT FDMA GFSK GSM LCD MAC O-QPSK PAN PDC RF SDMA SPI TDMA Anti-lock Braking System Analog to Digital Converter Amplitude Shift Keying Binary Phase Shift Keying Clear Channel Assessment Code Division Multiple Access Cyclic Redundancy Check Carrier Sense Multiple Access Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Digital Enhanced Cordless Telecommunications Frequency Division Multiple Access Gaussian Frequency Shift Keying Global System for Mobile Communications Liquid Crystal Display Medium Access Control Offset Quadrature Phase Shift Keying Personal Area Network Personal Digital Cellular Radio Frequency Space Division Multiple Access Serial Peripheral Interface Time Division Multiple Access Kısaltmalar B G S TYĠ Basınç Gerilim Sıcaklık Tek Yönlü ĠletiĢim vi ŞEKİLLER DİZİNİ ġekil 2.1 Kablosuz algılayıcı ağlarında kullanılan bazı ağ topolojileri ............................ 5 ġekil 2.2 Kablosuz algılayıcı düğümünün genel yapısını gösteren blok Ģema ................. 6 ġekil 2.3 Zaman bölmeli çoklu eriĢim ............................................................................ 10 ġekil 3.1 Tasarlanan sistem ............................................................................................. 13 ġekil 3.2 Tasarlanan kablosuz algılayıcı düğümüne ait blok Ģema ................................. 14 ġekil 3.3 RF alıcı-vericiye ait veri paket yapısı .............................................................. 15 ġekil 3.4 Merkez birime ait blok Ģema............................................................................ 16 ġekil 3.5 Lastik birimine ait akıĢ Ģeması (Tek Yönlü ĠletiĢim, TYĠ) .............................. 18 ġekil 3.6 Lastik biriminin çalıĢmasının gösterildiği Ģema (TYĠ) .................................... 19 ġekil 3.7 Birinci ve ikinci lastik birimlerinin bir veri paketini gönderme sürelerini gösteren Ģema (TYĠ) ......................................................................................... 19 ġekil 3.8 Merkez birime ait akıĢ Ģeması (TYĠ) ............................................................... 21 ġekil 3.9 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (TYĠ) ............................................................................................... 22 ġekil 3.10 Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (TYĠ) ............................................................................................. 23 ġekil 3.11 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (Bekleme döngüsü) ....................................................................... 24 ġekil 3.12 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (16MHz çalıĢma frekansı) ............................................................. 24 ġekil 3.13 Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (16MHz çalıĢma frekansı) ............................................................. 25 ġekil 3.14 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (100kbaud veri hızı) ...................................................................... 25 ġekil 3.15 Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (100kbaud veri hızı) ...................................................................... 26 vii ġekil 3.16 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (ASK modülasyonu)...................................................................... 26 ġekil 3.17 Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (ASK modülasyonu)...................................................................... 27 ġekil 3.18 Lastik birimine ait akıĢ Ģeması (CSMA) ........................................................ 28 ġekil 3.19 Lastik birimi CCA yöntemini uygularken ortamda RF taĢıyıcı algılandığındaki durumu gösteren Ģema (CSMA).......................................... 29 ġekil 3.20 Lastik biriminin ağ aradığı sıradaki çalıĢmasının gösterildiği Ģema (CSMA) .......................................................................................................... 30 ġekil 3.21 Lastik biriminin ağa girdikten sonraki çalıĢmasının gösterildiği Ģema (CSMA) .......................................................................................................... 30 ġekil 3.22 Lastik biriminin ağa dahil iken veri paketini gönderdikten sonra cevap paketi alamadığındaki duruma ait Ģema (CSMA) .......................................... 31 ġekil 3.23 Lastik birimlerinin ağa dahil iken cevap paketi alamadıklarında veri paketlerini tekrar gönderme sürelerini gösteren Ģema (CSMA) .................... 32 ġekil 3.24 Merkez birime ait akıĢ Ģeması (CSMA)......................................................... 33 ġekil 3.25 Lastik biriminin ağ aradığı andaki osiloskop görüntüsü (CSMA) ................. 33 ġekil 3.26 Lastik biriminin ağa dahil iken verileri okuyup gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (CSMA) ........................................................................ 34 ġekil 3.27 Lastik birimine ait akıĢ Ģeması (TDMA) ....................................................... 35 ġekil 3.28 Lastik biriminin ağ aradığı sıradaki çalıĢmasının gösterildiği Ģema (TDMA) ......................................................................................................... 36 ġekil 3.29 Lastik biriminin ağa girdikten sonraki çalıĢmasının gösterildiği Ģema (TDMA) ......................................................................................................... 36 ġekil 3.30 Lastik biriminin ağa dahil iken veri paketini gönderdikten sonra cevap paketi alamadığındaki duruma ait Ģema (TDMA) ......................................... 37 ġekil 3.31 Lastik birimlerinin zaman dilimleri ............................................................... 37 ġekil 3.32 Merkez birime ait akıĢ Ģeması (TDMA) ........................................................ 38 ġekil 3.33 Lastik biriminin ağ aradığı andaki osiloskop görüntüsü (TDMA) ................ 39 viii ġekil 3.34 Lastik biriminin ağa dahil iken verileri okuyup gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (TDMA) ........................................................................ 39 ġekil 3.35 Araç hareket halindeyken lastik biriminden alınan veriler ............................ 41 ġekil 3.36 Araç park halindeyken lastik biriminden alınan ağ arama paketleri.............. 41 ix ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 4.1 Lastik biriminin ortalama akım tüketimleri ................................................. 42 Çizelge 4.2 Lastik biriminin öngörülen çalıĢma süreleri ve pil bilgileri ........................ 44 x 1. GİRİŞ Kablosuz algılayıcı ağları, genellikle bulundukları yerdeki sıcaklık, basınç, hareket, ışık, ses, titreşim vb. ortam şartlarını algılayacak çeşitli algılayıcı birimlerini bulunduran ve verileri kablosuz olarak bir merkeze aktaran kablosuz algılayıcı düğümlerinden oluşan sistemlerdir. Kablosuz algılayıcı ağları, endüstriyel, askeri, tıbbi, güvenlik, tarım, bilimsel araştırma vb. alanlarda kullanılmaktadırlar. Kablosuz algılayıcı düğümleri, genellikle kullanım amacıyla ilgili olan algılayıcı, işlem birimi, kablosuz alıcı-verici ve güç kaynağı birimlerinden oluşur (Akyildiz vd. 2002). Kablosuz algılayıcı düğümleri genelde ulaşılması kolay olmayan yerlere yerleştirildiği ve enerjilerini sürekli bir kaynak yerine çoğunlukla pil gibi sınırlı enerjiye sahip kaynaklardan aldıkları için, uzun süre kullanılabilmeleri tükettikleri enerji miktarına bağlıdır. Bir kablosuz algılayıcı düğümü ne kadar az enerji tüketirse o kadar uzun süre işlevini gerçekleştirebilir. Bu yüzden kablosuz algılayıcı düğümlerinin tasarımında düşük güç tüketimine yönelik yapılan çalışmalar büyük önem arz etmektedir. Kablosuz algılayıcı ağlarında kullanılan kablosuz iletim ortamı sayesinde algılayıcı düğümleri, birbirleriyle kablo bağlantısına ihtiyaç duymadan iletişim kurabilmekte ve kablolamanın mümkün olmadığı ya da çok zor olduğu yerlere bile algılayıcı düğümleri yerleştirilebilmektedir. Kablosuz algılayıcı ağlarının pek çok uygulama alanı vardır ve uygulama alanına göre kullanılan kablosuz iletişim teknikleri değişiklik gösterebilmektedir. Birçok algılayıcı ağında genellikle RF (Radio Frequency) iletişim tekniği kullanılmaktadır. Ancak su altı uygulamalarında, kullanılan iletişim tekniği değişmektedir. Su altı gibi RF iletişimin verimli olmadığı iletişim ortamlarında akustik iletişim kullanılmaktadır (Bayrakdar ve Kantarcı 2013). Literatürde, kablosuz algılayıcı ağlarıyla ilgili pek çok çalışma mevcuttur. Hassas tarımda kablosuz algılayıcı ağlarının kullanımı da bu çalışmalar arasındadır. Tarım 1 alanındaki sıcaklık, nem vb. fiziksel veriler, kablosuz algılayıcı ağları ile algılanabilir, uygun sulama ve gübreleme gibi işlemler gerçekleştirilip hassas tarıma katkı sağlanabilir (Dilay vd. 2012). Sahota vd. (2010) yayınladıkları çalışmada, hassas tarım uygulamasında kullanılan bir kablosuz algılayıcı ağı için ortam erişim kontrolü (MAC) ve ağ katmanı tasarımları yapmışlardır. Kablosuz algılayıcı ağı, bir tarım alanından periyodik olarak algılayıcı verilerinin toplanması amacıyla kullanılmaktadır. Zhang ve Wang (2009) tarafından yayınlanan çalışmada, çok katlı binalar için kablosuz algılayıcı ağları kullanılan bir otomatik yangın alarm sistemi tasarlanmıştır. Sistem bir adet gözetim merkezi ile her katta bulunan, sıcaklık ya da duman algılayıcısı bulunduran detektörler ile tekrarlayıcı ve yerel merkez birimlerinden oluşmaktadır. Sistem ağaç ağ yapısında olup mesajlar iki atlamaya kadar aktarılabilmektedir. Test için, tek bir katta on bir detektör, üç tekrarlayıcı ve bir gözetim merkezinden oluşan prototip bir sistem kullanılmıştır. Haohao ve Junqiao (2011) tarafından yayınlanan çalışmada, kablosuz algılayıcı ağlarıyla bir doğal gaz alarm sistemi tasarlanmıştır. Sistem doğal gaz yoğunluğunu gerçek zamanlı olarak izlemektedir. Algılayıcı düğümler, doğal gaz yoğunluğu bilgisini kendine bağlı tüm algılayıcı düğümlerini kontrol eden koordinatör düğümüne iletirler. Ardından elde edilen veriler gözlem merkez yönetici düğümüne iletilir. Bu birim gelen tüm verileri kaydeder. Lastik basınç izleme sistemleri ile ilgili yapılan literatür çalışmalarından, Hasan vd. (2011) tarafından yapılan çalışmada önerilen sistem, bir alıcı birim ve araç lastiklerine monte edilen dört adet verici birimden oluşmaktadır. Verici birimlerde RF verici, alıcı birimde ise RF alıcı bulunduğu için yalnızca tek yönde iletişim yapılabilmektedir. Verici birimler lastiğe monte edildiğinde basınç anahtarları aktif olmakta, birimler lastik basıncını ölçüp alıcı birime göndermekte ve 8 saniye uyuduktan sonra aynı işlemleri tekrarlamaktadırlar. Toplam 100 gönderim yapıldıktan sonra ek olarak pil durum verisi de alıcı birime gönderilmektedir. Alınan basınç verisi, kullanıcının belirleyebildiği alt ve üst basınç değerlerinin ya da ani değişim değerinin dışında ise sistem uyarı vermektedir. Li-xia ve Xiao-juan (2010) tarafından gerçekleştirilen çalışmada tasarlanan sistem, bir merkez ve dört lastik basınç izleme modülünden oluşmaktadır. Lastik basınç izleme modülü her 3 saniyede bir uyanıp, lastiğin basınç ve sıcaklık değerlerini okuyarak merkez izleme modülüne göndermektedir. Merkez izleme modülü alınan 2 değerleri LCD ekranında göstermektedir. Basınç ve sıcaklık değerlerindeki anormal durumlarda merkez izleme modülü sürücüye uyarı vermektedir. Bu sistemde de yalnızca tek yönde iletişim yapılabilmektedir. Bu tez çalışmasında, düşük güç tüketimli kablosuz algılayıcı düğümü tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla lastik basınç algılayıcısına sahip dört adet düğümden ve bir adet merkez birimden oluşan bir sistem tasarlanmıştır. Sistemde RF alıcı-verici birimler kullanıldığı için, çift yönlü haberleşme imkanı bulunmaktadır. Farklı erişim tekniklerinin kullanıldığı yazılımlar oluşturulup donanımlar üzerine uygulanmış ve uygulanan her bir yazılım neticesinde, bir kablosuz algılayıcı düğümünün ortalama akım tüketimi detaylı olarak hesaplanmıştır. Tezin ikinci bölümünde, kablosuz algılayıcı ağları, bu ağları oluşturan kablosuz algılayıcı düğümleri, lastik basınç izleme sistemleri ve bazı kablosuz iletişim teknikleri üzerinde durulmuştur. Tezin üçüncü bölümünde, örnek olarak bir aracın farklı senaryolara göre yıl boyunca hareketli kaldığı süre hesaplamaları yapılmış, tasarlanan sistem donanımı ile ilgili bilgiler verilmiştir. Ardından donanımlar için oluşturulan yazılımlar, algoritmaları ile birlikte açıklanmış, donanım üzerinde uygulanan her bir yazılım neticesinde bir kablosuz algılayıcı düğümünün ortalama akım tüketimi hesaplamaları ayrıntılı bir şekilde yapılmıştır. Tasarlanan sistemin gerçek bir ortamda test edilmesi sonucunda elde edilen veriler sunulmuştur. Son olarak, tezin dördüncü bölümde, elde edilen veriler özetlenmiş ve sonuçlarla ilgili değerlendirmeler yapılmıştır. 3 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 Kablosuz Algılayıcı Ağları Kablosuz algılayıcı ağları, kablosuz iletişim yapabilme özelliğine sahip, yerleştirildikleri ortamlardaki fiziksel verileri birbirleri üzerinden ya da doğrudan merkez birime aktarabilen kablosuz algılayıcı düğümlerinden oluşurlar. Sistemden elde edilen veriler, kullanım alanına göre merkez birim tarafından değerlendirilip kullanıcıya sunulur. Kablosuz algılayıcı ağları birkaç düğümden ya da çok daha fazla sayıda düğümden oluşabilir. Ağın düğüm sayısı, kablosuz algılayıcı ağının kullanılmak istendiği alana göre değişmektedir. Örneğin, küçük bir akıllı ev uygulaması için birkaç adet düğüm yeterli olabilecekken, orman yangını tespiti uygulaması için geniş bir ormanlık alanda yüzlerce düğüm gerekli olabilecektir. Kablosuz algılayıcı ağlarının kullanım alanları arasında askeri, endüstriyel, çevresel ve tıbbi uygulamalar başta gelmektedir. Hareket tespiti, hedef saptama, bina güvenlik sistemleri, orman yangını veya deprem gibi doğal felaketlerin tespit edilmesi, bilimsel araştırmalar, hasta sağlık durumu takibi, otomasyon sistemleri gibi uygulamaları kullanım alanları arasında sayabiliriz. İlerleyen teknoloji ile kablosuz algılayıcı düğümlerinin üretim maliyetleri düşmekte, bu da kablosuz algılayıcı ağlarının kullanım alanlarının artmasına neden olmaktadır. Ayrıca daha az güç tüketen ve dolayısıyla daha uzun çalışma sürelerine sahip algılayıcı düğümlerinin gerçeklenmesi, bu ağ yapılarının kullanımının artmasını sağlamaktadır. Kablosuz algılayıcı ağlarında kullanılan bazı standartlar mevcuttur. Bunların arasında IEEE 802.15.4 standardı ve bu standardı temel alan Zigbee standardı sayılabilir 4 (Karasulu vd. 2009). Bu standartlar, düşük veri hızı ve düşük güç tüketimi gibi ölçütleri desteklemektedirler. IEEE 802.15.4 standardında üç adet frekans bandı kullanılabilmektedir. Bunlar 868 MHz, 915 MHz ve 2.4 GHz frekans bandlarıdır. Bu bandlardan 868 MHz bandı 1, 915 MHz bandı 10 ve 2.4 GHz bandı 16 kanala sahip olup, bandların veri hızları sırasıyla 20 kbps, 40 kbps ve 250 kbps’dir. Standardın 868 MHz ve 915 MHz bandlarında BPSK (Binary Phase Shift Keying), 2.4 GHz bandında ise O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) modülasyonu kullanılmaktadır. IEEE 802.15.4 standardında iki cihaz tipi tanımlanmıştır. Bunlar tam fonksiyonlu cihazlar ve azaltılmış fonksiyonlu cihazlardır. Tam fonksiyonlu cihazlar, bir ağın koordinatörü de olabilen ve ağdaki tüm cihazlarla iletişim kurabilen cihazlardır. Azaltılmış fonksiyonlu cihazlar, yalnızca tam fonksiyonlu cihazlarla iletişim kurabilen cihazlardır. Bu standardın kullanıldığı her ağda bir tane PAN (Personal Area Network) koordinatörü bulunmaktadır. Yıldız Eşler arası PAN Koordinatörü Tam fonksiyonlu cihaz Azaltılmış fonksiyonlu cihaz Şekil 2.1 Kablosuz algılayıcı ağlarında kullanılan bazı ağ topolojileri Şekil 2.1’de IEEE 802.15.4 standardında tanımlanmış, kablosuz algılayıcı ağlarında kullanılan bazı ağ topolojileri görülmektedir. Kablosuz algılayıcı ağlarında kullanılan 5 topoloji yapıları, ağın kullanım alanına ve ihtiyaca göre farklılık göstermektedir. Ağ topolojisi, basit bir yıldız topolojisi ya da daha karmaşık bir örgü topolojisi olabilir. 2.2 Kablosuz Algılayıcı Düğümü Kablosuz algılayıcı düğümleri genellikle pil ile çalışan ve bu yüzden sınırlı çalışma süresine sahip, düşük güç tüketiminin esas olduğu, kablosuz iletişim teknolojisi kullanan yapılardır. Bu düğümler genellikle kullanım amacıyla ilgili olan algılayıcı, işlem birimi, kablosuz alıcı-verici ve güç kaynağı birimlerinden oluşur. Algılayıcı İşlem Birimi Kablosuz Alıcı-Verici Güç Kaynağı Şekil 2.2 Kablosuz algılayıcı düğümünün genel yapısını gösteren blok şema Algılayıcılar, fiziksel büyüklükleri ve fiziksel ortam değişikliklerini algılayan cihazlardır. Kablosuz algılayıcı düğümleri sıcaklık, basınç, nem, hareket, ışık, sismik, gürültü, titreşim, hız, yön ve benzeri algılayıcı çeşitlerini içerebilirler. İşlem birimi düğümde yapılması gereken işlemleri gerçekleştiren birimdir. Bu birim, algılayıcıdan veri okunması, verilerin işlenmesi, kablosuz alıcı-verici biriminin kullanılması gibi işlemleri gerçekleştirir. İhtiyaca göre mikroişlemci veya mikrodenetleyici gibi birimler işlem birimi olarak kullanılabilir. Kullanılacak işlemci ya da denetleyici seçiminde, düğümün ihtiyacını karşılayabilecek ve düşük güç tüketimine sahip işlemci birimlerinin tercih edilmesi, düğümün daha uzun süre çalışmasını sürdürebilmesi için önemlidir. 6 Kablosuz alıcı-verici birimi, genellikle radyo frekansı tabanlı iletişimi kullanan birimdir. RF alıcı-verici birimi haberleşen düğümlerin birbirlerinin görüş alanı içerisinde olmalarına gerek kalmadan iletişim kurmalarına olanak sağlamaktadır. Bu da kablosuz algılayıcı düğümlerine avantaj sağlamaktadır. Güç kaynağı birimi çoğunlukla sınırlı enerjiye sahip olan pillerdir. Piller, kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilen birimlerdir. Genel olarak şarj edilebilen ve şarj edilemeyen piller olarak iki gruba ayrılabilirler. Düğümün ihtiyaç duyduğu çalışma gerilimine sahip ve devreye yeterli akımı sağlayabilen piller düğümde kullanılabilir. Düğümde mümkün olan en fazla enerjiye sahip pillerin kullanılması çalışma ömrü bakımından önemlidir. Pilin enerjisi ne kadar yüksek olursa düğümün ve dolayısıyla ağın çalışma süresi o kadar uzun olur. Kablosuz algılayıcı ağlarının kullanım süresi, ağı oluşturan düğümlerin çalışma süreleriyle sınırlıdır. Kablosuz algılayıcı düğümleri genellikle pil gibi kaynaklarla çalıştırıldıkları için düğümlerin tükettikleri güç miktarları oldukça önem kazanmaktadır. Gücün en verimli şekilde kullanılması gerekmekle birlikte, düğümün kullanıldığı uygulama alanına göre harcanan güç değişiklik gösterebilmektedir. Bunun için ağ tasarımcısının düşük güç tüketimine yönelik donanım ve yazılım geliştirme çalışmalarını hassasiyetle gerçekleştirmesi gerekmektedir. 2.3 Lastik Basınç İzleme Sistemleri Lastik basınç izleme sistemleri, bulundukları araçların lastik hava basınçlarını izlemek için kullanılan ve sürücüleri normal olmayan basınç değerlerinde uyaran sistemlerdir. Bu sistemler dolaylı ve doğrudan lastik basınç izleme sistemleri olarak iki gruba ayrılabilirler (Velupillai ve Guvenc 2007, Jiang vd. 2011). Dolaylı lastik basınç izleme sistemi, araçtaki ABS (Anti-lock Braking System) tekerlek hız algılayıcılarından aldığı tekerlek dönme hızlarını karşılaştırarak ölçüm yapar. Havası azalmış olan lastiğin çapı, lastik hava basıncı normal değerde olan lastiğin çapına göre 7 biraz daha küçüktür. Sistem bu farklılığı tekerlek hız algılayıcıları ile belirler ve sürücüyü uyarır. Ancak bu tip sistemler genellikle sorunun hangi lastikte olduğu bilgisini kullanıcıya gösteremez. Sistem basınç algılayıcısı kullanmadığı için lastiklerin tam basınç değerlerini vermez ve sadece araç hareket halindeyken çalışır. Ayrıca bu sistem, yol şartları ve araç hızı vb. etkilere karşı hassastır. Aracın lastiklerinin tümünün basınçlarının aynı miktarda düşmesi durumunda ise sistem sürücüyü uyaramayabilir. Doğrudan lastik basınç izleme sistemi, genellikle aracın her bir lastiğine yerleştirilmiş ve pil ile çalışan lastik basınç izleme birimlerini kullanarak lastiklerin hava basınçlarını gerçek zamanlı olarak ölçer ve araçtaki görüntüleme ve uyarı birimine kablosuz olarak aktarır. Sıcaklık algılayıcısı da bulunduran birimler, lastik içindeki havanın sıcaklık bilgisini de görüntüleme birimine aktarabilir. Lastiklerin her birinde bir lastik basınç izleme birimi bulunduğu için, tüm lastiklerin hava basıncı bilgileri sistem tarafından kullanıcıya sunulur. Hava basıncı belirlenen değer aralığının dışında olan lastikler için sistem kullanıcıya uyarı verir ve kullanıcı hangi lastikte sorun olduğunu anlayabilir. Ancak bunun olabilmesi için hangi lastikte hangi birimin olduğunun sistem tarafından bilinmesi, lastiklerin yerlerinin değiştirilmesi durumunda birimlerin yeni yerlerinin sisteme tanıtılması gerekmektedir. Lastiklerdeki birimler pil gibi sınırlı enerjiye sahip kaynaklarla çalıştırıldıkları için pil ömrü, sistemin çalışma süresini belirleyen en önemli etkenler arasında yer alır. Lastik hava basıncının istenilen değer aralığının dışında olmasından kaynaklanan lastik hasarlarından dolayı trafik kazaları meydana gelebilmekte, bu da can ve mal kaybına sebep olabilmektedir. Sürüş sırasında lastiklerdeki ani veya zamanla oluşan basınç ve sıcaklık değişikliklerinin farkına varılması bu tür trafik kazaların önlenebilmesinde faydalı olacaktır. Lastik havasının çok düşük olması lastiğin gereğinden fazla ısınmasına sebep olabilir. Bunun yanında düşük lastik basıncı, lastiğin kullanım ömrünü etkilemekte ve aracın normalden fazla yakıt tüketmesine de sebep olmaktadır. Bunlardan dolayı sürüş güvenliği ve rahatlığı için lastik basınç izleme sistemlerinin kullanılması oldukça yararlıdır. 8 2.4 Kablosuz İletişim Teknikleri Kablosuz algılayıcı ağlarını oluşturan düğümlerin birbirleriyle olan iletişimleri RF, manyetik indükleme, akustik veya optik iletişim teknikleriyle gerçekleştirilebilir. Bu tekniklerin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları bulunmasına karşın kablosuz algılayıcı ağlarında genellikle RF iletişim tekniği kullanılmaktadır. Aynı kanalı kullanan birden çok düğümün bulunduğu RF iletişim ortamında düğümlerin veri gönderimleri esnasında bir çarpışma meydana gelebilir ve bu da veri kaybına neden olur. Çok sayıda düğümün bulunduğu sistemlerde veri gönderimi sırasında oluşabilecek RF çarpışma ihtimalini azaltmak için çeşitli olasılıksal yaklaşımlar kullanılabilmektedir. Bu çalışmada gerçeklenmiş olan sistem için, RF çarpışma ihtimalini azaltacak yönde, uygulamaya özel protokoller geliştirilmiş olup oluşabilecek zaman kayması gibi durumlara karşı belirlenen sabit bekleme sürelerine toleranslar eklenmiştir. RF iletişim ortamını verimli bir şekilde kullanabilmek için çeşitli çoklu erişim yöntemleri kullanılmaktadır. Çoklu erişim yöntemleri, sınırlı bant genişliğine sahip iletim ortamlarından çok sayıda kullanıcının aynı anda yararlanabilmesine olanak sağlayan teknikler olarak adlandırılabilirler. Çoklu erişim yöntemleri arasında TDMA (Time Division Multiple Access), FDMA (Frequency Division Multiple Access), CDMA (Code Division Multiple Access), SDMA (Space Division Multiple Access), CSMA (Carrier Sense Multiple Access) sayılabilir. 2.4.1 TDMA Zaman bölmeli çoklu erişim (Time Division Multiple Access, TDMA), birçok kullanıcının aynı frekans kanalını farklı zaman dilimlerinde kullanmasını sağlayan, yani ortak bir taşıyıcı frekansının zamanda paylaşıldığı bir çoklu erişim yöntemidir. Her kullanıcı kendine atanan zaman diliminde veri iletişimini gerçekleştirir. Kullanıcılar, birbiri ardına veri gönderirler. Bu yüzden senkronizasyon bu yöntemde önem arz etmektedir (Falconer vd. 1995). 9 Şekil 2.3 Zaman bölmeli çoklu erişim TDMA, GSM (Global System for Mobile Communications), PDC (Personal Digital Cellular) gibi sayısal hücresel sistemler ve DECT (Digital Enhanced Cordless Telecommunications) gibi sayısal iletişim standartlarında kullanılmaktadır. 2.4.2 CSMA Taşıyıcı algılamalı çoklu erişim (Carrier Sense Multiple Access, CSMA) yönteminde, veri gönderecek olan düğüm, ilk önce ortak kullanılan kanalda, başka bir düğümün veri gönderip göndermediğini kontrol eder. Kanal boş ise düğüm veriyi gönderir. Eğer kanal meşgul ise düğüm veri gönderimini daha sonra tekrar dener (Kleinrock ve Tobagi 1975, Kleinrock ve Levy 1990). CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), genellikle kablolu iletim ortamlarında kullanılır. CSMA yöntemindeki gibi, veri gönderecek olan düğüm ilk olarak kanalın boş olup olmadığını kontrol eder. Eğer kanal boş ise düğüm veri göndermeye başlar. Kanal meşgul ise düğüm kanal boş olana kadar bekler ve ardından veri göndermeye başlar. Düğüm veri gönderirken çakışma algılamazsa iletimi tamamlar. Eğer birden fazla düğüm aynı anda kanalın boş olduğunu algılayıp veri göndermeye başlarsa iletim ortamında bir çakışma meydana gelir. Çakışmayı algılayan düğümler veri iletimini durdururlar. 10 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), genellikle kablosuz iletim ortamlarında kullanılır. Bu mekanizmada veri gönderecek olan düğüm, ilk olarak kanalın boş olup olmadığını kontrol eder. Kanal boş ise veri gönderilir. Kanal meşgul ise düğüm rastgele bir süre bekler ve tekrar kanalın boş olup olmadığını kontrol eder. Bekleme süresinin sonunda kanal boş ise veri gönderilir. Eğer kanal meşgul ise işlem tekrar edilir (Bertocco vd. 2008). 11 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Bu çalışmada gerçeklenen sistem yıldız ağ yapısındadır. Yıldız ağ yapısında algılayıcı düğümleri birbirleriyle değil, sadece merkez birim (koordinatör) ile haberleşirler. Sistemde verilerin okunup aktarılma periyodu 10 saniye olarak belirlenmiştir. Lastik birimi verileri okuyup merkez birime aktardıktan sonra, periyodun kalan süresinde uyku durumunda beklemektedir. Bundan dolayı, lastik biriminin harcadığı ortalama gücü ve dolayısıyla çalışma ömrünü belirleyen en önemli etkenlerden biri, birimin uyanıkken harcadığı güçtür. Lastik biriminin uyanıkken yaptığı işlemlerden biri, algılayıcıdan basınç ve sıcaklık verileri ile kendisine enerji sağlayan pilin gerilim değerini okumaktır. Bir diğer işlem, verileri merkez birime kablosuz olarak iletmektir. Bu işlem, genelde lastik biriminin en çok güç harcayan ve birimin çalışma süresini belirleyen kısımdır. 3.1 Örnek Araç Hareket Süresi Hesabı Ulaşımda kullanılan araçların yıllık olarak kat ettikleri yol miktarları sürücüden sürücüye değişiklik göstermektedir. Gidilen yol miktarı arttıkça, aracın hareket halinde olduğu süre de artmaktadır. Ancak aracın hareket halinde olduğu süre, aracın şehir içinde ya da şehir dışında kullanılmasına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Çünkü şehir içi ve dışındaki hız limitleri ve trafik yoğunlukları farklıdır. Bazı araç kullanım senaryolarına göre, bir aracın hareket halinde olduğu süreler hesaplanabilir. Yılda toplam 10.000km yol kat eden bir aracı ele alalım. Aracın kat ettiği yolun yarısını şehir içinde, yarısını şehir dışında gittiğini varsayalım. Şehir içinde ortalama 50km/saat hızla, şehir dışında ise ortalama 100km/saat hızla gidildiğini varsayarsak araç toplam, hareket etmiş olur. Bir yıl, yaklaşık 8766 saat olduğuna göre, bu aracın yılın yaklaşık %1.7’sinde hareket ettiğini, geriye kalan %98.3’ünde ise durduğunu söyleyebiliriz. Yılda toplam 100.000km yol kat eden bir aracı ele alalım. Kat edilen yolun %80’inin şehir içinde, %20’sinin şehir dışında 12 gidildiğini varsayarsak araç toplam, hareket etmiş olur. Yani aracın, yılın yaklaşık %20.5’inde hareket ettiğini, %79.5’inde ise durduğunu söyleyebiliriz. TDMA ve CSMA erişim yöntemlerinin kullanıldığı yazılımların donanım üzerine uygulanması neticesinde, bir kablosuz algılayıcı düğümünün ortalama akım tüketimi hesaplanırken aracın yılın %10’unda hareket ettiği (çalışır durumda olduğu) varsayılmıştır. 3.2 Tasarlanan Sistem Sistem 4 adet lastik birimi ve 1 adet merkez birimden oluşmaktadır. Birimler 868MHz RF frekansında haberleşmektedirler. Kablosuz haberleşme veri hızı 250kbaud, lastik birimlerinin ve merkez birimin RF çıkış güçleri +5dbm olarak ayarlanmıştır. Kablosuz iletişimde, GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) modülasyonu kullanılmıştır. Lastik Birimi Merkez Birim Şekil 3.1 Tasarlanan sistem Lastik birimleri 32 bitlik kimliklere sahiptir. Basınç, sıcaklık ve pil gerilimi verilerinin her biri 8 bit uzunluğundadır. Verilerin okunma ve gönderilme periyodu 10 saniye olarak belirlenmiştir. Merkez birim, enerjisini araçtan alabilecek şekilde tasarlanmıştır. 13 3.3 Tasarlanan Kablosuz Algılayıcı Düğümü Donanımı Sistemde kullanılan kablosuz algılayıcı düğümleri temel olarak algılayıcı, işlem birimi, güç kaynağı ve RF alıcı-verici birimlerinden meydana gelmektedir. Şekil 3.2 Tasarlanan kablosuz algılayıcı düğümüne ait blok şema Algılayıcı olarak Motorola firmasına ait ve lastik basınç izleme sistemleri için tasarlanmış olan MPXY8020A lastik basınç izleme algılayıcısı kullanılmıştır. MPXY8020A modülü basınç algılama birimine, sıcaklık algılama birimine ve bir arayüz devresine sahiptir. Arayüz, SPI (Serial Peripheral Interface) veya benzeri seri iletişim arayüzleriyle kullanılabilmektedir. Algılayıcı 250kPa - 450kPa basınç aralığına uygun olup basınç üst limiti 637.5kPa’dır. Bu modül 2.1V-3.6V besleme gerilimi aralığında çalışabilmektedir. Çektiği akım miktarı sıcaklıkla değişmekle birlikte, 25ºC’de tipik olarak bekleme modunda 0.6µA, okuma modunda 400µA, sıcaklık ölçme modunda 400µA ve basınç ölçme modunda ise 1300µA akım çekmektedir. İşlem birimi olarak Texas Instruments firmasına ait MSP430G2553IPW20 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Mikrodenetleyici 1.8V-3.6V besleme gerilimi aralığında çalışabilmektedir. Tipik olarak, aktif modda 2.2V besleme gerilimi ve 1MHz çalışma frekansında 230µA, bekleme modunda 0.5µA, kapalı modda 0.1µA akım çekmektedir. Uygulama alanları arasında, algılayıcı sistemleri bulunmaktadır. RF birim olarak, uygulama alanları arasında düşük güçlü kablosuz algılayıcı ağları da bulunan, Anaren firmasına ait A1101R08A RF alıcı-verici modülü kullanılmıştır. Modül 1.8V-3.6V besleme gerilimi aralığına, +10dbm’ e kadar RF çıkış gücüne ve 868870 MHz RF frekans aralığına sahiptir. Uyku modu akım tüketimi 200nA’dir. Modül, 14 SPI arayüzüne sahip bir işlem birimi ile kullanılabilmektedir. RF alıcı-vericinin veri paket yapısı, şekil 3.3’de görüldüğü gibidir. Şekil 3.3 RF alıcı-vericiye ait veri paket yapısı RF alıcı-verici birim farklı paket uzunluğu protokollerine sahiptir. Bunlardan biri sabit paket uzunluğu modudur. Bu modda gönderilecek olan verinin boyutu belirli olduğu için paket yapısındaki 8 bitlik Uzunluk alanı kullanılmaz ve veri miktarı başlangıçta yapılan RF saklayıcı ayarlarında belirtilir. Bir diğer mod ise değişken paket uzunluğu modudur. Bu modda Uzunluk alanına yazılan değer, ardından gönderilecek olan veri adedini byte cinsinden belirtir. Değişken paket uzunluğu modunda farklı uzunluklarda veri paketleri gönderilip alınabilir. RF paket yapısındaki Adres alanı isteğe bağlıdır. Bu alan 8 bit uzunluğunda olup adres filtrelemesi aktif edildiğinde kullanılır. Veri alanı, gönderilmek istenen verilerin bulunduğu kısımdır. Paket yapısındaki CRC (Cyclic Redundancy Check) bitleri, gönderilen verilerin alıcı tarafta doğru olarak alınıp alınmadığının anlaşılmasını sağlayan bitlerdir. CRC hesaplaması isteğe bağlıdır. Bu özellik aktif edilirse veri paketinin sonuna 2 byte CRC verisi eklenir. 3.4 Merkez Birim Donanımı Sistemde kullanılan merkez birim, grafik LCD (Liquid Crystal Display) ekran, işlem birimi, RF alıcı-verici, gerilim düzenleyici ve güç kaynağı birimlerinden meydana gelmektedir. 15 Şekil 3.4 Merkez birime ait blok şema Merkez birimde kullanıcıya gerekli bildirimlerin yapılabilmesi için WINSTAR firmasına ait WG12864B grafik LCD ekranı kullanılmıştır. WG12864B, 128x64 nokta çözünürlüğüne sahip, 75x52.7 mm modül boyutuna ve 58.8x31.4 mm görüntü alanına sahip, +5V güç kaynağıyla çalışan bir LCD ekrandır. Merkez birimde işlem birimi olarak Texas Instruments firmasına ait MSP430G2553IPW28 mikrodenetleyicisi kullanılmıştır. Lastik birimlerinde kullanılan mikrodenetleyiciden, sahip olduğu bacak sayısı bakımından farklıdır. RF birim olarak yine Anaren firmasına ait A1101R08A RF alıcı-verici modülü kullanılmıştır. 3.5 Oluşturulan Yazılımlar Hazırlanan bütün yazılımlar, düğümler ile merkez birimin aynı periyotta haberleşmesini sağlayacak şekilde oluşturulmuştur. Bu sayede, algılayıcı bilgilerinin aynı periyotta kullanıcı tarafından alınabildiği farklı yazılımlar, bir düğümün harcadığı ortalama akım bakımından karşılaştırılmıştır. Donanımlara CSMA ve TDMA kullanılan yazılımlar uygulandığında bir lastik biriminin ortalama akım tüketimini hesaplamak için (3.1) eşitliği kullanılmıştır. Iort Taktif Iaktif (Tperiyot Taktif ) Iuyku Tperiyot 16 Burada Taktif, birimin uykuda olmadığı zaman aralığını ve Iaktif, bu süre zarfında tüketilen ortalama akımı; Iuyku, birimin uykuda tükettiği akımı ve Tperiyot, toplam zamanı ifade etmektedir. Donanımlara tek yönlü iletişim kullanılan yazılım uygulandığında bir lastik biriminin ortalama akım tüketimini hesaplamak için (3.2) eşitliği kullanılmıştır. Iort Taktif Iaktif Taktif Iaktif +(Tperiyot Taktif Tperiyot Taktif ) Iuyku Burada Taktif_1, birimin algılayıcıdan verileri okuyup ilk kez gönderdiği zaman aralığını ve Iaktif_1, bu süre zarfında tüketilen ortalama akımı ifade etmektedir. Taktif_2, birimin okunan bir veri paketini aynı periyot içinde tekrar gönderdiği zaman aralığını ve Iaktif_2, bu süre zarfında tüketilen ortalama akımı; Iuyku, birimin uykuda tükettiği akımı ve Tperiyot, toplam zamanı ifade etmektedir. Tek yönlü iletişim kullanılan yazılımda okunan algılayıcı verileri, ilk kez gönderildikten sonra aynı periyot içinde 3 kez daha gönderildiği için eşitlikte Taktif Iaktif ifadesi 3 ile çarpılmıştır. Yazılım geliştirmek ve mikrodenetleyicileri programlamak için Texas Instruments firmasına ait kod limitli Code Composer Studio v5 programı kullanılmıştır. 3.5.1 Tek yönlü iletişim kullanılan yazılım Tek yönlü iletişim kullanılan yazılımda lastik birimi, okuduğu basınç, sıcaklık ve pil gerilimi verilerini periyodik olarak merkez birime gönderir. Bu yazılımın RF haberleşmesinde sabit paket uzunluğu protokolü kullanılmıştır. Gönderilen RF paketi 17 byte uzunluğundadır (4 byte başlangıç biti+4 byte senkron kelimesi+4 byte kimlik+3 byte veri+2 byte CRC). Lastik birimleri birbirlerinden bağımsız olarak çalışmaktadırlar. Ayrıca birimlerde kullanılan kristallerin toleranslarından kaynaklanan bazı zaman kaymaları meydana gelebilmektedir. Bu durumda lastik birimleri, aynı anda verileri kablosuz olarak iletmeye çalışabilirler ve RF sinyaller karışabilir. Sonuç olarak merkez birim, lastik birimlerinden gelen verileri alamayabilir. Oluşabilecek veri kayıplarını azaltmak için 17 veriler, 4 adet lastik birimi bulunan bu sistem için 4 kez belirli aralıklarda gönderilmektedir. Her bir lastik birimi, bu veri gönderimleri arasında güç tasarrufu sağlamak için uyku durumuna girmektedir. Merkez ve lastik birimlerindeki işlemcilerin zamanlayıcıları için 32.768KHz’lik kristaller kullanılmıştır. Bu kristallerin frekans toleransları oldukça düşüktür (±20ppm). Bu yüzden lastik birimlerinin zamanlama hesaplarında, kristal toleransından kaynaklanabilecek süreler ihmal edilmiştir. Bunun yerine sürelere, bu toleranslardan çok daha büyük güvenlik payları eklenmiştir. Şekil 3.5 Lastik birimine ait akış şeması (Tek Yönlü İletişim, TYİ) Bu teknikte lastik birimi gerekli ayarları yaptıktan sonra uyku durumuna girer. Başlatılan zamanlayıcıya ait kesme oluştuğunda, işlem birimi düşük güç modundan çıkar ve algılayıcıdan sıcaklık (S) ve basınç (B) değerleri ile kendisine ait ADC (Analog to Digital Converter) birimi ile pilin gerilim (G) değerini okur ve ikinci zamanlayıcıyı başlatır. Ardından birim, verileri merkez birime kablosuz olarak gönderir. İkinci zamanlayıcının oluşan kesmelerinde veriler, 3 kez daha gönderilir. Sonrasında lastik birimi, ilk başlatılan zamanlayıcı ile belirlenen periyot bitimine kadar uyku durumunda kalır. Lastik birimlerinin zamanlayıcıları, 10 saniyede bir kez verileri okuyup bu verileri merkez birime 4 kez gönderecek şekilde ayarlanmıştır. Yani toplam süre (Tperiyot) 10 saniyedir. 18 Şekil 3.6 Lastik biriminin çalışmasının gösterildiği şema (TYİ) Şekil 3.6’da, bir lastik biriminin çalışma şekli zaman ekseninde sembolik olarak gösterilmiştir. Tilk, lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği sırada geçen süredir. T1, lastik biriminin veri paketini gönderme periyoduna karşılık gelen süredir. T2, lastik biriminin dördüncü kez veri gönderdikten sonra 10 saniyelik periyodun bitimine kadar uykuda kaldığı süredir. Merkez birime uygulanan yazılımda, merkez birimin lastik biriminden gelen veriyi aldıktan sonra verileri grafik LCD ekrana yazıp tekrar alıcı moda girmesi yaklaşık olarak 2.25ms sürmektedir. Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderme periyodu T1, en az bu süre kadar olmalıdır. Bu yüzden birinci lastik biriminin T1 süresi 20ms olarak seçilmiştir. Birinci lastik biriminin T1 süresi T11, ikincisi T21 ve diğerleri de T31 ile T41 olarak adlandırılmıştır. Şekil 3.7 Birinci ve ikinci lastik birimlerinin bir veri paketini gönderme sürelerini gösteren şema (TYİ) 19 Bir lastik biriminin, bir veri paketinin her bir gönderimi arasındaki bekleme süresi, bir diğer birimin 4 kez veri gönderim süresinden büyük olursa merkez birimin verileri alamama ihtimali çok düşük olur. Şekil 3.7’de görüldüğü gibi, ikinci lastik biriminin bekleme süresi, birinci lastik biriminin 4 kez veri gönderimini kapsayacak şekilde belirlenmiştir. Yapılan ölçümlerde lastik biriminin uyanıp bir veri paketini göndermesinin, yaklaşık olarak 1.56ms sürdüğü gözlemlenmiştir. Sadece RF iletişimin yapıldığı sürenin, bu ölçülen süreden daha az olmasına karşın yapılan hesaplamalarda bu süre göz önüne alınmıştır. Merkez birimin lastik biriminden gelen veriyi aldıktan sonra tekrar alıcı moda girmesi için geçen 2.25ms’lik süre de göz önüne alındığında T21 süresi, olarak bulunur. Görüldüğü gibi ikinci lastik biriminin T21 süresi, 67.62ms’nin üzerinde seçilebilir. Bu yüzden T21 süresi 70ms olarak seçilmiştir. Benzer şekilde üçüncü lastik biriminin T31 süresi, ikinci birimin 4 kez veri gönderim süresini kapsayacak şekilde belirlenecek olursa, olarak bulunur. Buradan üçüncü lastik biriminin T31 süresi 220ms olarak seçilmiştir. Dördüncü lastik biriminin T41 süresi, üçüncü birimin 4 kez veri gönderim süresini kapsayacak şekilde belirlenecek olursa, olarak bulunur. Bundan dolayı dördüncü lastik biriminin T41 süresi 670ms olarak seçilmiştir. 20 Şekil 3.8 Merkez birime ait akış şeması (TYİ) Merkez birimin çalışması için gerekli ayarlar yapıldıktan sonra grafik LCD ekran başlatılır ve lastik basınç izleme sistemi için oluşturulmuş olan görüntü ekrana çizdirilir. Ardından lastik birimleriyle olan iletişim bilgisinin ekranda görüntülenmesini sağlamak amacıyla kullanılan zamanlayıcı ayarlanıp başlatılır ve merkez birim alıcı moda girer. Merkez birim sürekli olarak gelen veri olup olmadığını kontrol eder. Aynı frekans, veri hızı ve modülasyonda gelen bir paketin alınıp değerlendirilmesi için gelen paketin senkron kelimelerinin, merkez birimin RF saklayıcı ayarlarında belirlenen senkron kelimeleriyle aynı olması gerekir. Eğer bir veri paketi gelirse merkez birim, hem gelen paketteki lastik birimi kimliğini yazılımda kendisine tanıtılmış olan kimlikler ile karşılaştırır, hem de CRC hesaplaması yapmak suretiyle paketin doğruluğunu kontrol eder. Gelen paket veya paketteki kimlik doğru değilse merkez birim tekrar alıcı moda girer. Eğer gelen paket ve paketteki kimlik doğru ise paketi gönderen lastik birimine ait sembol LCD ekrana çizilir. Bu sembolün anlamı, paketi gönderen lastik birimiyle bağlantıda olunduğunu göstermektir. Ardından paketteki ham haldeki sıcaklık, basınç ve pil gerilimi verileri hesaplamalar yapılarak onluk tabanda anlaşılır değerlere çevrilir 21 ve LCD ekranda ilgili alana yazılırlar. Tekrar aynı lastik biriminden veri geldiğinde, bu birime ait sembol ekranda görünüyorsa tekrar çizme işlemi yapılmaz ve sadece gelen veriler ekrana yazılır. Her lastik biriminden gelen veri paketi için bu işlemler tekrarlanır. Merkez birimde kullanılan zamanlayıcının periyodu 10 saniyeye ayarlanmıştır. Zamanlayıcı kesmesi oluştuğunda, her bir lastik biriminin sembolünün aktif olup olmadığı ve lastik biriminin veri paketi gönderip göndermediği kontrol edilir. Eğer bir lastik biriminin sembolü aktifse ve bu lastik biriminden ardı ardına 4 zamanlayıcı periyodunda veri alınamazsa bu birime ait olan sembol silinir. Bu durum, ortamdaki gürültü nedeniyle veri paketlerinin alınamadığı ya da lastik biriminin pilinin bittiği şeklinde yorumlanabilir. Lastik biriminin harcadığı ortalama akımı hesaplamak ve yapılan işlemlerin sürelerini gözlemleyebilmek için devrenin beslemesinde kullanılan pile seri 5.2Ω’luk direnç bağlanmıştır. Direnç üzerindeki gerilim osiloskopla gözlemlenmiştir. Birimin aktif olduğu süre boyunca harcamış olduğu ortalama akım değerini bulmak için, osiloskoptan elde edilen ortalama gerilim değeri devreye seri bağlı olan direncin değeri olan 5.2Ω’a bölünmüştür. Açıklamalarda kullanılan şekillerde yatay eksen zaman ekseni olup her bir kare 1ms’yi, dikey eksen gerilim ekseni olup her bir kare 50mV’u ifade etmektedir. Algılayıcıdan veri okuma RF birimi uyandırma Verileri gönderme Şekil 3.9 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (TYİ) 22 Lastik biriminin uyandıktan sonra verileri okuyup ilk kez göndermesi yaklaşık olarak 4.4ms sürmektedir. Birimin aktif olduğu süre ile bu süre boyunca harcadığı ortalama akım değerinin çarpımı (Taktif_1xIaktif_1), 23.08µAs olarak bulunur. Şekil 3.10 Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (TYİ) Lastik biriminin uyanıp bir veri paketini tekrar göndermesi yaklaşık olarak 1.56ms sürmektedir. Bu süre zarfındaki (Taktif_2xIaktif_2) değeri, 15.20µAs olarak bulunur. Lastik biriminin, uykuda iken çektiği akım (Iuyku) ampermetre ile yaklaşık olarak 1.5µA olarak ölçülmüştür. Lastik biriminin ikinci, üçüncü ve dördüncü kez verileri gönderirken harcadığı akım miktarları aynı kabul edildiğinde birimin harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.2) kullanılarak olarak bulunur. Buraya kadar yapılan ölçüm ve hesaplamalarda lastik birimindeki algılayıcıdan sıcaklık ve basınç verileri okunurken, hazırlanan yazılım algoritması gereğince algılayıcı sıcaklık moduna alındığında 200µs, basınç moduna alındığında 500µs beklendikten sonra veriler okunmaktadır. Bu bekleme süreleri boyunca mikrodenetleyici güç tasarrufu için düşük güç moduna alınmaktadır. Bunun yerine bu süreler boyunca mikrodenetleyicide bir bekleme döngüsü kullanıldığında elde edilen osiloskop görüntüsü şekil 3.11’de görülmektedir. 23 Bekleme döngüsü uygulama Şekil 3.11 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (Bekleme döngüsü) Bu durumdaki (Taktif_1xIaktif_1) değeri, 24.81µAs olarak bulunur. Lastik biriminin harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.2) kullanılarak 8.54µA olarak bulunur. Lastik biriminde kullanılan mikrodenetleyicinin çalışma frekansı 8MHz olarak ayarlanmıştır. İlk yazılımdan farklı olarak, yalnızca çalışma frekansı 16MHz olarak ayarlandığında, lastik biriminin harcadığı ortalama akımı tekrar hesaplayalım. Şekil 3.12 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (16MHz çalışma frekansı) Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği süre zarfındaki (Taktif_1xIaktif_1) değeri, 29.23µAs olarak bulunur. 24 Şekil 3.13 Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (16MHz çalışma frekansı) Lastik biriminin uyanıp bir veri paketini tekrar gönderdiği sıradaki (Taktif_2xIaktif_2) değeri, 17.66µAs olarak bulunur. Bu durumda lastik biriminin harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.2) kullanılarak 9.72µA olarak bulunur. İlk kullanılan yazılımdan farklı olarak, yalnızca kablosuz haberleşme veri hızının 100kbaud olarak değiştirilmesi durumunda, lastik biriminin harcadığı ortalama akımı tekrar hesaplayalım. Düşük hızda veri gönderme Şekil 3.14 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (100kbaud veri hızı) Kablosuz haberleşme veri hızı düşürüldüğünde, lastik biriminin uyandıktan sonra verileri okuyup ilk kez göndermesi 5.2ms sürmektedir. Bu süre zarfındaki (Taktif_1xIaktif_1) değeri, 40.58µAs olarak bulunur. 25 Şekil 3.15 Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (100kbaud veri hızı) Lastik biriminin, uyanıp bir veri paketini tekrar göndermesi yaklaşık olarak 2.4ms sürmektedir. Bu süre boyunca (Taktif_2xIaktif_2) değeri, 33.27µAs olarak bulunur. Lastik biriminin harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.2) kullanılarak 15.54µA olarak bulunur. İlk kullanılan yazılımdan farklı olarak, yalnızca sistemde kullanılan modülasyon GFSK yerine ASK (Amplitude Shift Keying) olarak değiştirildiğinde, lastik biriminin harcadığı ortalama akımı tekrar hesaplayalım. ASK ile veri gönderme Şekil 3.16 Lastik biriminin verileri okuyup ilk kez gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (ASK modülasyonu) Sistemde kullanılan modülasyon değiştirildiğinde, lastik biriminin verileri okuyup ilk kez göndermesi sırasında elde edilen (Taktif_1xIaktif_1) değeri, 21.35µAs olarak bulunur. 26 Şekil 3.17 Lastik biriminin bir veri paketini tekrar gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (ASK modülasyonu) Sistemde kullanılan modülasyon değiştirildiğinde, lastik biriminin uyanıp bir veri paketini tekrar gönderdiği sıradaki (Taktif_2xIaktif_2) değeri, 13.14µAs olarak bulunur. Bu durumda lastik biriminin harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.2) kullanılarak 7.58µA olarak bulunur. 3.5.2 Taşıyıcı algılamalı çoklu erişim kullanılan yazılım Taşıyıcı algılamalı çoklu erişimde veri göndermeden önce ortamda herhangi bir RF taşıyıcı sinyal olup olmadığına bakıldığı için RF çakışma ihtimali azalmaktadır. Ancak veri göndermek isteyen düğümlerin, birbirlerinin RF taşıyıcı sinyallerini algılayamamalarından kaynaklanacak RF çakışmalar sebebiyle sistemde veri kaybı yaşanabilir. Bu yazılım uygulamasında verilerin merkez birim tarafından alınıp alınmadığının kontrolü yapıldığı için sistem güvenilirliği artmıştır. 27 Şekil 3.18 Lastik birimine ait akış şeması (CSMA) Bu yazılımın RF haberleşmesinde değişken paket uzunluğu protokolü kullanılmıştır. Yazılım, lastik birimleri ağa dahil iken 10 saniyelik periyotta basınç, sıcaklık ve pil gerilimi verilerinin okunup aktarılacağı şekilde oluşturulmuştur. Lastik birimi çalışan bir merkez birimin olup olmadığını algılamak ve varsa merkez birimin ağına dahil olmak için ağ arama paketi gönderir. Ağ arama paketi veri olarak lastik biriminin 4 byte olan kimliğini içerir. Gönderilen RF paketi 15 byte uzunluğundadır (4 byte başlangıç biti + 4 byte senkron kelimesi + 1 byte uzunluk + 4 byte kimlik+2 byte CRC). Lastik birimleri ağa dahil değilken aynı anda kanalı boş olarak algılayıp ağ arama paketi gönderebilirler. Böyle ardı ardına RF çakışması meydana gelme ihtimalini azaltmak için 28 birimlerin TA olarak adlandırılan ağ arama periyotları birbirlerinden farklı yapılmıştır. Birinci birimin ağ arama periyodu 10.1 ve diğerleri sırasıyla 10.2, 10.3 ve 10.4 saniye olarak belirlenmiştir. Zaman bölmeli çoklu erişim kullanılan yazılımda da ağ arama periyotları olarak aynı süreler kullanılmıştır. Lastik birimi bir ağa dahil olmadığında algılayıcıdan veri okuması yapılmaz. Ağ arama paketi gönderilirken CCA (Clear Channel Assessment) yöntemi uygulanır ve kanalda bir RF taşıyıcı sinyal olup olmadığına bakılır. Ortamda bir RF taşıyıcı sinyal var ve sinyal seviyesi belirlenen eşik değerinden yüksek ise lastik birimi tekrar veri göndermeyi denemek için uyku durumuna girer ve bekler. Bu uyku süresi (UCCA) 100ms olarak seçilmiştir. Şekil 3.19 Lastik birimi CCA yöntemini uygularken ortamda RF taşıyıcı algılandığındaki durumu gösteren şema (CSMA) CCA yöntemi ile veri gönderimi 4 kez başarısız olursa lastik birimi ağ arama periyodunun geri kalan süresinde uykuya girer ve daha sonra ağ arama paketi gönderimini tekrar dener. Ortamda RF taşıyıcı yok ya da taşıyıcı sinyalin seviyesi belirlenmiş olan eşik değerden düşükse veri paketi gönderilir. Lastik birimi merkez birimden cevap gelip gelmediğine bakmak için alıcı moda girer. Bir cevap alınmazsa lastik birimi ağ arama periyodunun geriye kalan süresinde uyku durumuna girer. Ardından bu döngüye devam edilir. 29 Şekil 3.20 Lastik biriminin ağ aradığı sıradaki çalışmasının gösterildiği şema (CSMA) Lastik birimi gönderdiği ağ arama paketine karşılık kendi kimliğini içeren cevap paketini alırsa sıcaklık, basınç ve pil gerilimi değerlerini okuyup CCA yöntemini uygulayarak merkez birime gönderir. Bu arada merkez birimin grafik LCD ekranında ilgili birimin ağa dahil olduğunu gösteren bir sembol görünür. Gönderilen RF paketi 18 byte uzunluğundadır (4 byte başlangıç biti + 4 byte senkron kelimesi + 1 byte uzunluk + 4 byte kimlik + 3 byte veri + 2 byte CRC). Paket gönderimi başarısız olursa lastik birimi ağ arama döngüsüne geri döner. Paket gönderimi başarılı olursa verilerin merkez birimden alındığını teyit etmek için lastik birimi alıcı moda girer ve merkez birimden cevap paketini bekler. Merkez birimden cevap paketi alındığında lastik birimi, verinin merkez birim tarafından alındığını teyit etmiş olur. Ardından lastik birimi periyodun geri kalanında uyku moduna girer ve aynı işlemleri 10 saniyelik periyotlarda tekrarlar. Şekil 3.21 Lastik biriminin ağa girdikten sonraki çalışmasının gösterildiği şema (CSMA) 30 Lastik birimi ağa dahil olup veri paketi gönderdikten sonra herhangi bir sebepten dolayı merkez birimden cevap paketi alınamazsa lastik birimi, UCVP süresi kadar uyku durumuna girip çıkar ve aynı veri paketini tekrar gönderir. Toplam 4 gönderimden sonra yine cevap paketi alınamazsa lastik birimi ağ arama döngüsüne geri döner. Şekil 3.22 Lastik biriminin ağa dahil iken veri paketini gönderdikten sonra cevap paketi alamadığındaki duruma ait şema (CSMA) Lastik biriminin cevap paketini alamamasının nedenlerinden biri, birden fazla lastik biriminin aynı anda kanalı boş olarak algılayıp veri göndermeye çalışması olabilir. Bu çakışma sonucundaki veri kaybı ihtimalini azaltmak için her bir lastik biriminin UCVP süresine farklı değer atanmıştır. Birinci lastik birimine ait U1CVP uyku süresi 100ms, ikinci lastik birimine ait U2CVP uyku süresi 125ms, üçüncü lastik birimine ait U3CVP uyku süresi 175ms, dördüncü lastik birimine ait U4CVP uyku süresi 225ms olarak belirlenmiştir. Merkez birimden cevap paketi alınamadığında veri paketini tekrar gönderme ve cevap paketini kontrol etmek yaklaşık olarak 2.8ms sürmektedir. 31 Şekil 3.23 Lastik birimlerinin ağa dahil iken cevap paketi alamadıklarında veri paketlerini tekrar gönderme sürelerini gösteren şema (CSMA) Şekil 3.23’te lastik birimlerinin ağa dahil iken, veri paketini gönderdikten sonra merkez birimden cevap paketini alamadıkları durumda verileri tekrar gönderme süreleri gösterilmektedir. Gönderimlerin herhangi birinde cevap paketi alınırsa aynı paketin tekrar gönderimi yapılmamaktadır. Verilerin CCA ile gönderimi ve cevap paketi için alıcı moda girilmesi tek bir sembolle gösterilmiştir. Birinci lastik biriminin ilk gönderiminde, cevap paketi alınamadığında ikinci kere veri gönderimi 100ms sonra yapılır. Verinin gönderim süresi olan 2.8ms de hesaba katılırsa ikinci veri gönderimi, 100ms ile 102.8ms arasında gerçekleşir. Benzer şekilde üçüncü gönderim, 202.8ms ile 205.6ms arasında gerçekleşir. Son gönderim denemesi, 305.6ms ile 308.4ms arasında gerçekleşir. Diğer lastik birimleri için de benzer hesaplamalar yapılabilir. Sonuç olarak lastik birimlerinin aynı anda kanalı boş olarak algılayıp veri göndermeye çalışmasından kaynaklanabilecek RF çakışma ihtimali azaltılmış olur. Merkez birim yazılımı, daha önce açıklanan tek yönlü iletişim kullanılan merkez birim yazılımıyla benzerdir. Farklı olarak sadece, gelen veri doğru ve lastik birimi kimliği uyuşuyorsa lastik birimine cevap paketi gönderilir. 32 Şekil 3.24 Merkez birime ait akış şeması (CSMA) Hem CSMA hem de TDMA kullanılan yazılımlarla yapılan hesaplamalarda, ağ arama periyodu en küçük olan (10.1s) ve bu nedenle harcadığı ortalama akım miktarı diğerlerine göre daha yüksek olan birinci lastik birimi yazılımı kullanılmıştır. CCA ile ağ arama paketi gönderme Cevap paketi için alıcı modda bekleme Şekil 3.25 Lastik biriminin ağ aradığı andaki osiloskop görüntüsü (CSMA) 33 Lastik biriminin ağ ararken CCA yöntemiyle ağ arama paketi gönderip, gelen cevap paketi olup olmadığına bakması yaklaşık olarak 2.76ms sürmektedir. Bu süre zarfındaki (TaktifxIaktif) değeri, 41.35µAs olarak bulunur. Lastik biriminin, uykuda iken çektiği akım (Iuyku) değeri yaklaşık olarak 1.5µA’dir. Tperiyot süresi 10.1s olan birinci lastik biriminin ağ ararken harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.1) kullanılarak 5.60µA olarak bulunur. Şekil 3.26 Lastik biriminin ağa dahil iken verileri okuyup gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (CSMA) Lastik birimi ağa dahil iken verileri okuyup CCA ile göndermesi ve ardından gelen cevap paketini alması yaklaşık olarak 5.72ms sürmektedir. Bu sıradaki (TaktifxIaktif) değeri, 50µAs olarak bulunur. Ağa dahil olduğundaki Tperiyot süresi 10s olan lastik biriminin harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.1) kullanılarak 6.50µA olarak bulunur. Aracın yılın %10’unda hareketli olduğu varsayıldığında (merkez birim sadece araç çalışırken aktif olduğu için) birinci lastik biriminin ortalama akım tüketimi yaklaşık, olarak hesaplanır. 34 3.5.3 Zaman bölmeli çoklu erişim kullanılan yazılım Zaman bölmeli çoklu erişimde sistemdeki her bir lastik birimine farklı bir zaman dilimi atanmıştır. Böylece ağa dahil olan birimler arasında oluşabilecek RF çakışmaların önüne geçilmiştir. Şekil 3.27 Lastik birimine ait akış şeması (TDMA) Bu yazılımda lastik birimi, çalışan bir merkez birim olup olmadığına bakmak ve varsa ağına dahil olmak için ağ arama paketi gönderir ve ardından alıcı moda girip cevap 35 paketi gelip gelmediğine bakar. Ağ arama periyodu CSMA kullanılan yazılımdaki lastik birimlerinin ağ arama periyotlarıyla aynıdır. Şekil 3.28 Lastik biriminin ağ aradığı sıradaki çalışmasının gösterildiği şema (TDMA) Bu yazılımın RF haberleşmesinde de değişken paket uzunluğu protokolü kullanılmıştır. Lastik birimi bir ağa dahil olmadığında algılayıcıdan veri okuması yapılmaz. Gönderilen RF paketi 15 byte uzunluğundadır (4 byte başlangıç biti + 4 byte senkron kelimesi + 1 byte uzunluk + 4 byte kimlik + 2 byte CRC). Şekil 3.29 Lastik biriminin ağa girdikten sonraki çalışmasının gösterildiği şema (TDMA) Lastik birimi gönderdiği ağ arama paketine karşılık kendi kimliğini içeren cevap paketini alırsa, paket içinde gelen zamanlayıcı bilgisini alıp merkez birimle senkron olur. Bu arada merkez birimin grafik LCD ekranında ilgili lastik biriminin ağa dahil olduğunu gösteren bir sembol görünür. Lastik birimi verileri okuyup kendine ait zaman 36 diliminde merkez birime gönderir. Gönderilen RF paketi 18 byte uzunluğundadır (4 byte başlangıç biti + 4 byte senkron kelimesi + 1 byte uzunluk + 4 byte kimlik + 3 byte veri + 2 byte CRC). Gönderilen verilerin merkez birimden alınıp alınmadığını teyit etmek için lastik birimi alıcı moda girer ve merkez birimden cevap paketini bekler. Merkez birimden gelen cevap paketi alındığında lastik birimi hem verinin alındığını teyit etmiş olur hem de paketteki zamanlayıcı verisiyle kendini merkez birimle senkron tutar. Ardından lastik birimi uyku durumuna girer ve 10 saniyede bir aynı işlemleri tekrarlar. Şekil 3.30 Lastik biriminin ağa dahil iken veri paketini gönderdikten sonra cevap paketi alamadığındaki duruma ait şema (TDMA) Lastik birimi, ağa dahil iken herhangi bir sebepten dolayı merkez birimden cevap paketi alamazsa UCVP süresince, yani 20ms boyunca uyku durumuna girer ve aynı veri paketini tekrar gönderir. Bu uyku süresi tekrar gönderimleri kendine ait zaman diliminde yapabileceği kadar küçüktür. Toplam 4 gönderimden sonra yine cevap paketi alınamadıysa lastik birimi uyku durumuna girer ve ardından tekrar ağ arama döngüsüne geri dönülür. Şekil 3.31 Lastik birimlerinin zaman dilimleri 37 Şekil 3.31’de lastik birimlerine atanan zaman dilimleri gösterilmektedir. Sistem 10 saniyelik aralıklarla periyodik olarak çalışmaktadır. Bu 10 saniyelik aralık, lastik birimlerine şekilde görüldüğü gibi paylaştırılmıştır. Birinci, ikinci, üçüncü ve dördüncü lastik birimleri sırasıyla 2.s, 4.s, 6.s ve 8.s’lere atanmışlardır. Bu zaman dilimlerinde herbir lastik birimine 1’er saniyelik zaman aralığı ayrılmıştır. Ayrıca lastik birimlerine ait zaman dilimleri arasında, senkronizasyon için 1’er saniyelik güvenlik aralığı bırakılmıştır. Lastik biriminin veri iletimi, kendi zaman dilimindeki güvenli alanda ise senkronizasyon ayarı yapılmaz. Veri iletimi güvenlik dilimi alanına kayarsa senkronizasyon ayarı yapılır. Bu dilimin de dışında bir zamanlayıcı bilgisi alınırsa birim ağ arama döngüsüne döner. Şekil 3.32 Merkez birime ait akış şeması (TDMA) Merkez birime ait yazılım, taşıyıcı algılamalı çoklu erişim kullanılan yazılımdaki merkez birime ait yazılımla benzerdir. Farklı olarak bu yazılımda merkez birim, kendisine ait 16 bitlik zamanlayıcı bilgisini de cevap paketinin içinde göndermektedir. 38 Ağ arama paketi gönderme Cevap paketi için alıcı modda bekleme Şekil 3.33 Lastik biriminin ağ aradığı andaki osiloskop görüntüsü (TDMA) Lastik biriminin ağ arama paketi gönderip, merkez birimden gelen cevap paketi olup olmadığına bakması yaklaşık olarak 2.12ms sürmektedir. Bu süre zarfındaki (TaktifxIaktif) değeri, 28.66µAs olarak bulunur. Lastik biriminin, uykuda iken çektiği akım (Iuyku) değeri yaklaşık olarak 1.5µA’dir. Tperiyot süresi 10.1s olan birinci lastik biriminin ağ ararken harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.1) kullanılarak 4.34µA olarak bulunur. Şekil 3.34 Lastik biriminin ağa dahil iken verileri okuyup gönderdiği andaki osiloskop görüntüsü (TDMA) Lastik biriminin verileri okuyup göndermesi ve ardından merkez birimden gelen cevap paketini alması yaklaşık olarak 5.16ms sürmektedir. Bu sırada gözlenen (TaktifxIaktif) değeri, 39.81µAs olarak bulunur. Ağa dahil olduğundaki Tperiyot süresi 10s olan lastik biriminin harcadığı ortalama akım değeri eşitlik (3.1)’den 5.48µA olarak bulunur. Aracın yılın %10’unda hareketli olduğu varsayıldığında (merkez birim sadece araç çalışırken aktif olduğu için) birinci lastik biriminin ortalama akım tüketimi yaklaşık, olarak bulunur. 39 3.5.4 Tasarlanan sistemin test çalışması Tasarlanan sistemi gerçek bir ortamda test edebilmek için lastik birimlerinden bir tanesi bir motosikletin ön tekerleğine yerleştirilmiştir. Bunun için bir plastik kutu içine yerleştirilmiş olan lastik birimi, motosikletin ön tekerleği sökülüp jantın çukur tarafına sarılan bir tel ve yay vasıtası ile jant içine yerleştirilmiştir. Donanıma zaman bölmeli çoklu erişim kullanılan yazılım uygulanmıştır. Merkez birim kendisindeki zamanlayıcı bilgisini, lastik birimlerinden gelen ağ arama paketlerini ve veri paketlerini seri iletişim kullanarak bir bilgisayara gönderecek şekilde programlanmıştır. Bilgisayar üzerinde alınan verilerin kaydedilmesi için seri iletişim arayüzünden veri okuyabilen terminal programı kullanılmıştır. Merkez birim kapalıyken lastik birimlerinden gönderilen ağ arama paketlerini alabilmek için merkez birime ayrıca bir anahtar bağlanmıştır. Bu anahtar kapalı devre konumuna alındığında merkez birim çalışmaya devam etmektedir. Ancak merkez birim lastik birimlerine RF cevap paketi göndermeyip lastik birimlerinden ağ arama paketi geldiğinde bu bilgiyi bilgisayara göndermektedir. Anahtar açık devre konumuna alındığında merkez birim normal çalışmasına devam etmekte ve gelen verileri bilgisayara aktarmaktadır. Merkez birimin araç çalıştığında aktif olacağı varsayıldığı için motosiklet çalıştırıldığında merkez birime eklenen anahtar açık devre konumuna alınır. Motosiklet hareket halindeyken elde edilen kayıtların 15 dakikalık kısmı şekil 3.35’te gösterilmiştir. 40 40 35 30 Değer 25 PSI 20 °C 15 V 10 5 10 50 90 130 170 210 250 290 330 370 410 450 490 530 570 610 650 690 730 770 810 850 890 0 Zaman ekseni (s) Şekil 3.35 Araç hareket halindeyken lastik biriminden alınan veriler Motosiklet park halindeyken merkez birime eklenen anahtar kapalı devre konumuna alındığında elde edilen kayıtların 15 dakikalık kısmı şekil 3.36’da gösterilmiştir. Lastik biriminden ağ arama paketi alındığında bu durum “1”, alınamadığında “0” ile ifade edilmiştir. Paket 1,2 1 0,6 Paket 0,4 0,2 0 20 60 100 140 180 220 260 300 340 380 420 460 500 540 580 620 660 700 740 780 820 860 900 Değer 0,8 Zaman ekseni (s) Şekil 3.36 Araç park halindeyken lastik biriminden alınan ağ arama paketleri 41 4. SONUÇ Bu çalışmada oluşturulan sistem, herhangi bir lastik basınç izleme sistemi altyapısına sahip olmayan dört veya daha az lastiğe sahip bir araçta kullanılabilecek şekilde tasarlanmıştır. Araç hem hareketli hem de park halindeyken merkez birimden lastik basınçları izlenebilmektedir. Çizelge 4.1 Lastik biriminin ortalama akım tüketimleri Kullanılan Erişim Yöntemi Lastik Biriminin Ortalama Akım Tüketimi Tek yönlü iletişim 8.37µA - Tek yönlü iletişim (A Durumu) 8.54µA - Tek yönlü iletişim (B Durumu) 9.72µA - Tek yönlü iletişim (C Durumu) 15.54µA - Tek yönlü iletişim (D Durumu) 7.58µA Taşıyıcı algılamalı çoklu erişim 5.69µA Zaman bölmeli çoklu erişim 4.46µA Düğümün hesaplanan en yüksek ortalama akım tüketimi tek yönlü iletişim kullanılan yazılımla elde edilmiştir. Bu yazılımda veriler RF çakışma ihtimalinden dolayı 4 kez gönderildiği ve merkez birim açık da olsa kapalı da olsa algılayıcıdan veri okuması yapıldığı için enerji sarfiyatı yüksek olmuştur. Gönderilen RF paketin boyutu sabit ve 17 byte uzunluğundadır. Bunun yanında lastik birimlerinde yalnızca RF verici, merkez birimde yalnızca RF alıcının bulunması yeterli olmaktadır ve sistem yazılımı diğerlerine göre daha sadedir. Çizelge 4.1’de tek yönlü iletişim kullanılan yazılımda yapılan değişiklikler sonucunda tekrar hesaplanan akım tüketimi değerleri de gösterilmiştir: 42 A durumunda yalnızca işlem birimi, algılayıcıdan veri okumak için gerekli olan gecikme sürelerinde düşük güç moduna alınmayıp bekleme döngüsü kullanılmıştır. B durumunda sadece işlem biriminin çalışma frekansı, 8MHz yerine 16MHz yapılmıştır. Yapılan her bir değişiklikten sonra harcanan gücün arttığı gözlemlenmiştir. C durumunda yalnızca kablosuz haberleşme veri hızı 250kbps yerine 100kbps’ye düşürülmüştür. Veri hızı düştüğünde veri paketini iletmek için geçen sürenin ve harcanan gücün arttığı görülmüştür. D durumunda ise sadece GFSK modülasyonu yerine ASK modülasyonu kullanılmış, bu durumda daha az enerji harcandığı gözlemlenmiştir. Taşıyıcı algılamalı çoklu erişim yöntemi kullanılan yazılımla elde edilen ortalama akım tüketiminin tek yönlü iletişim kullanılana göre daha düşük olduğu belirlenmiştir. Bu yazılımda lastik birimlerinin merkez birim ile senkron olması gerekmemektedir. Merkez birim kapalı iken lastik birimleri algılayıcılarından veri okumadıkları ve merkez birim açıkken cevap paketi alındığında tekrar veri göndermedikleri için enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Bu yöntem ve zaman bölmeli çoklu erişimin kullanıldığı yazılımın her ikisinde de değişken paket uzunluğu kullanılmış, lastik birimleri ağa dahil değilken 15 byte, ağa dahil iken 18 byte uzunluğunda RF paketleri gönderilmiştir. Bunun yanında sistemdeki birimlerde RF alıcı-verici birimler kullanılması gerekmektedir. Ayrıca düğümlerin birbirlerinin taşıyıcı sinyallerini algılayamamalarından kaynaklanacak RF çakışmalardan dolayı sistemde veri kaybı meydana gelebilir. Düğümün hesaplanan en düşük ortalama akım tüketimi zaman bölmeli çoklu erişim yöntemi kullanılan yazılımla elde edilmiştir. Merkez birim kapalı iken lastik birimleri algılayıcılarından veri okumadıkları ve merkez birim açıkken cevap paketi alındığında tekrar veri göndermedikleri için enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Her düğüm ağa dahil iken kendine ait zaman diliminde veri iletimi yaptığı için RF çakışma yönünden bu yöntemin diğerlerine göre daha avantajlı olduğu söylenebilir. Ancak tüm birimlerde RF alıcı-verici birim kullanılması gerekmektedir ve merkez birim ile lastik birimleri 43 arasında bir senkronizasyon gereksinimi vardır. Bu yazılımda gönderilen cevap paketi, merkez birimdeki 16 bitlik zamanlayıcı bilgisini de içerdiği için, taşıyıcı algılamalı çoklu erişim kullanılan yazılımda gönderilen cevap paketinden daha uzundur. Belirli bir kapasiteye sahip olan piller ile lastik biriminin çalışma süreleri hesaplanabilir. Tasarlanmış olan lastik biriminin çalışma gerilimi ve çektiği akım miktarı göz önüne alınarak belirlenen iki adet pil modelinin özellikleri çizelge 4.2’de tip 1 ve tip 2 olarak verilmiştir. Ayrıca lastik biriminin bu pil modelleriyle hesaplanan yaklaşık çalışma süreleri de çizelge 4.2’de verilmiştir. Çalışma süresini bulmak için pilin kapasite değeri, lastik biriminin hesaplanan ortalama akım tüketimi değerine bölünmüştür. Genellikle bir pilin kapasite değeri, ortam sıcaklığı ve pilden çekilen akım miktarı gibi etkenlerden dolayı değişiklik göstermektedir. Ancak burada yapılan hesaplamalarda pilin nominal kapasite değeri hesaba alınmıştır. Çizelge 4.2 Lastik biriminin öngörülen çalışma süreleri ve pil bilgileri Pil Modeli Tip 1 Tip 2 Pil Gerilimi & Kapasitesi Pil Ağırlığı 3.6V & 0.4Ah 6g 3.6V & 1Ah 19g Pil Çapı & Yüksekliği 22.6mm & 7.5mm 32.9mm & 7.1mm Kullanılan Erişim Yöntemi TYİ Lastik Birimi Çalışma Süresi 5.45 yıl CSMA 8.01 yıl TDMA 10.23 yıl TYİ 13.62 yıl CSMA 20.04 yıl TDMA 25.57 yıl Çizelge 4.2’de görüldüğü gibi pil kapasitesi artınca lastik biriminin çalışma süresi de artmaktadır. Ancak kapasitesi yüksek olan pilin ağırlık ve boyutu diğer pile göre daha fazladır. Bu yüzden pil seçiminde algılayıcı düğümünün kullanım alanı ile ilgili tüm gereksinimler göz önünde bulundurulmalı ve uygun piller seçilmelidir. 44 KAYNAKLAR Akyildiz, I.F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y. and Cayirci, E. 2002. Wireless sensor networks: a survey. Computer Networks, 38(4); 393 - 422. Bayrakdar, Y. ve Kantarcı, A. 2013. Sualtı Kablosuz Algılayıcı Ağları İçin Enerji Etkin Yönlendirme Protokolü. DEÜ Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 15(2); 27 - 38. Bertocco, M., Gamba, G. and Sona, A. 2008. Is CSMA/CA really efficient against interference in a Wireless Control System? An experimental answer. IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation, 2008. ETFA 2008, 885 - 892. Dilay, Y., Soy, H. ve Bayrak, M. 2012. Hassas Tarımda Kablosuz Algılayıcı Ağların Kullanımı ve Uygulama Alanlarının İncelenmesi. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 2(2,Ek:A); 21 - 26. Falconer, D.D., Adachi, F. and Gudmundson, B. 1995. Time Division Multiple Access Methods for Wireless Personal Communications. IEEE Communications Magazine, 33(1); 50 - 57. Haohao, H. and Junqiao, X. 2011. Design of Wireless Sensor Networks for Density of Natural Gas. 2011 International Conference on System Science, Engineering Design and Manufacturing Informatization (ICSEM), 1; 141 143. Hasan, N.N., Arif, A. and Pervez, U. 2011. Tire Pressure Monitoring System with Wireless Communication. 2011 24th Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering (CCECE), 99 – 101. Jiang, Z., Liu, H. and Dai, Q. 2011. A New Intelligent Tire Pressure Monitoring System. 2011 International Conference on Information Technology, Computer Engineering and Management Sciences (ICM), 2; 332 – 335. Karasulu, B., Toker, L. ve Korukoğlu, S. 2009. ZigBee - IEEE 802.15.4 Standartı Temelli Kablosuz Algılayıcı Ağları. XIV. Türkiye'de İnternet Konferansı inet-tr'09, 8 s. Kleinrock, L. and Levy, H. 1990. On the Behavior of a Very Fast Bidirectional Bus Network. IEEE Transactions on Communications, 38(10); 1854 - 1862. Kleinrock, L. and Tobagi, F.A. 1975. Packet Switching in Radio Channels: Part I Carrier Sense Multiple-Access Modes and Their Throughput-Delay Characteristics. IEEE Transactions on Communications, 23(12); 1400 1416. 45 Li-xia, L. and Xiao-juan, Z. 2010. Design of Intelligent Tire Safety Pre-alarm System Based on ARM9. 2010 2nd International Asia Conference on Informatics in Control, Automation and Robotics (CAR), 3; 395 – 398. Sahota, H., Kumar, R., Kamal, A. and Huang, J. 2010. An Energy-efficient Wireless Sensor Network for Precision Agriculture. 2010 IEEE Symposium on Computers and Communications (ISCC), 347 - 350. Velupillai, S. and Guvenc, L. 2007. Tire Pressure Monitoring. IEEE Control Systems, 27(6); 22 - 25. Zhang, L. and Wang, G. 2009. Design and Implementation of Automatic Fire Alarm System based on Wireless Sensor Networks. Proceedings of the 2009 International Symposium on Information Processing (ISIP’09), 410 - 413. 46 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Volkan AYDIN Doğum Yeri : Yenipazar Doğum Tarihi : 27/10/1981 Medeni Hali : Evli Yabancı Dili : İngilizce Eğitim Durumu Lise : Yenipazar Lisesi (1998) Lisans : Kocaeli Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Bölümü (2003) Yüksek Lisans : Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı (Şubat 2015) 47
