ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ТА ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ВИМІРЮВАННЯ СИГНАЛІВ ЧАСТОТНИХ СЕНСОРІВ У ВУЗЛАХ БЕЗПРОВІДНИХ МЕРЕЖ

Анотація

У статті розглянуто та запропоновано підхід до вирішення задачі підвищення точності вимірювання та зниження енергоспоживання у вузлах безпровідних сенсорних мереж (БСМ), що використовують первинні перетворювачі з частотним вихідним сигналом. Традиційні підходи до інтеграції БСМ із хмарними платформами (Sensor-Cloud) стикаються з проблемою обмеженого енергетичного бюджету автономних вузлів. Використання частотних сенсорів дозволяє виключити з тракту обробки енергоємні аналого-цифрові перетворювачі, однак висуває специфічні вимоги до алгоритмів вимірювання частоти на стороні мікроконтролера. Встановлено, що класичний метод безпосереднього рахунку частоти є неефективним для низькочастотних сигналів, оскільки вимагає тривалого часу активності процесора, що призводить до пропорційного (лінійного) зростання енергоспоживання та вносить недопустимі затримки у передачу даних. Для вирішення цієї проблеми обґрунтовано доцільність застосування методу вимірювання періоду (зворотного рахунку) у поєднанні з алгоритмами периферійних обчислень (Edge Computing). Запропоновано використання простої лінійної регресії (методу найменших квадратів) для обробки масиву часових міток фронтів сигналу безпосередньо на мікроконтролері. Це дозволяє суттєво знизити вплив фазового джитеру та апаратних шумів компаратора на загальну похибку квантування без необхідності збільшення часу вимірювання. Проведено математичне та імітаційне моделювання запропонованих алгоритмів у середовищі Python. Показано, що регресійна оцінка частоти зменшує дисперсію похибки обернено пропорційно кореню квадратному з кількості вибірок, забезпечуючи стабільну роздільну здатність у широкому діапазоні частот. Додатково проаналізовано вплив обраного методу вимірювання на загальний енергетичний баланс вузла при використанні легких прикладних протоколів передачі даних (MQTT-SN та CoAP). Встановлено, що перенесення обчислювального навантаження на сенсорний вузол (агрегація даних) та використання подієво-орієнтованої моделі відправки повідомлень дозволяє багаторазово зменшити обсяг переданого радіотрафіку. Результати дослідження можуть бути використані при проектуванні автономних інформаційно-вимірювальних систем тривалого функціонування.