Sincronizzazione temporale di sensori wireless


I nodi delle reti di sensori wireless richiedono la sincronizzazione temporale per assicurarsi che i loro dati siano correlati.

Come i membri di un'orchestra richiedono che un conduttore mantenga il tempo necessario per assicurarsi che le note siano armonizzate tra loro, i nodi delle reti di sensori wireless richiedono la sincronizzazione temporale per assicurarsi che i loro dati siano correlati l'uno con l'altro.

Farzad Asgarian,(1) studente di PhD dell'Università del Michigan, studia come assicurarsi che i sensori wireless rimangano sincronizzati. Egli ha sviluppato un modo per minimizzare l'errore di sincronizzazione riducendo al contempo la potenza richiesta. Questo metodo perfeziona le funzionalità di connessione ad Internet delle applicazioni collegate ai sensori installati nel corpo degli atleti e associati ai sistemi di monitoraggio della salute e dell'utilizzo statistico. Questa tecnologia potrebbe, ad esempio, anche andare bene per monitorare determinate funzionalità di grandi veicoli come elicotteri e treni.

Farzad Asgarian spiega: "Con l'aumento delle prestazioni nella correlazione dei dati tra i sensori, che consente una sincronizzazione temporale precisa, le reti di sensori potrebbero essere applicate in modo più efficace a un atleta, come un vogatore, per aiutare a valutare e migliorare i loro movimenti. Per veicoli come un treno, in cui il costo delle riparazioni è elevato e il funzionamento è fondamentale, una migliore sincronizzazione temporale in queste reti di sensori è necessaria per analizzare le condizioni delle parti al fine di garantire una tempestiva manutenzione quando necessario."

La sincronizzazione dell'ora nelle reti di sensori wireless è in genere basata su timestamps ad alta risoluzione, che richiedono un clock di frequenza più elevato, ad esempio a 16 megahertz. Inoltre, i precedenti metodi di sincronizzazione dell'ora hanno richiesto un nodo di base da sincronizzare con altri nodi ogni pochi secondi per aiutare a mantenere bassi gli errori di temporizzazione.

Tuttavia, in entrambi questi metodi di sincronizzazione il clock di frequenza più elevato e la necessità di trasmettere costantemente messaggi di risincronizzazione richiedono più energia.

Per risparmiare energia, è possibile utilizzare un clock di frequenza più basso, ad esempio 1 megahertz, come nella ricerca di Asgarian. Tuttavia, questo clock di frequenza più basso causa nel tempo un errore di sincronizzazione tra i nodi, maggiore di cinque volte rispetto all'errore del clock di frequenza da 16 megaherz.

Per risolvere questo problema Farzad Asgarian ha interagito nella ricerca con i dottori Khalil Najafi,(2) professore di ingegneria di Schlumberger e Arthur F. Thurnau,(3) professore di ingegneria elettrica e informatica. Il dottor Thurnau è colui che, nella ricerca, ha implementato il ridimensionamento della frequenza.

"Il ridimensionamento della frequenza significa che il processore regola dinamicamente la frequenza di clock in base al carico di lavoro. Ad esempio, quando il processore si interfaccia solo con una periferica a bassa velocità, funziona a una velocità di clock inferiore e, quando deve completare un sacco di attività, funziona a una velocità di clock più elevata", ha spiegato Asgarian. "Alla fine, questo processo riesce a risparmia energia."

Asgarian ha interrotto il compito della sincronizzazione temporale in due fasi. La prima fase sincronizza i nodi del sensore in pochi secondi e funziona con l'orologio di frequenza più elevata di 16 megahertz. La seconda fase è il compito di misurazione, in cui in pochi minuti il sensore riporta i suoi dati a intervalli di tempo calcolati in base ai parametri della prima fase. Questa seconda fase funziona a 1 megahertz e consuma meno energia.

Questo approccio viene implementato insieme al BlueSync, un protocollo di sincronizzazione introdotto da Asgarian per il Bluetooth Low Energy (BLE).

Utilizzando la precisione di 16 megahertz per sincronizzare i sensori e quindi il fabbisogno di potenza inferiore di 1 megahertz per il task in esecuzione, l'errore di sincronizzazione rimane basso mentre si utilizza sette volte meno energia per il timer e due volte meno energia per l'oscillatore. Ciò significa che i sensori possono riportare le misurazioni usando una potenza nettamente inferiore, mentre continuano a riportare i dati con una qualità che si trova nei sistemi più potenti.

Per questo lavoro, descritto nel documento intitolato "Frequenza di scalatura nella sincronizzazione del tempo per reti di sensori wireless", Farzad Asgarian ha ricevuto un premio come miglior poster alla conferenza internazionale IEEE 2018 sull'elaborazione distribuita nei sistemi di sensori (DCOSS).

Riferimenti:

(1) Professor Khalil Najafi's Students

(2) Khalil Najafi

(3) Arthur F. Thurnau

Foto di pixabay.com / Autore: Edoardo Capuano

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