Спосіб оптимізації енергоживлення IoT-системи моніторингу кліматичних показників на основі адаптивних алгоритмів

Анотація

Актуальність. Стрімке зростання кількості пристроїв Інтернету речей (IoT), яке за прогнозами сягне 29 мільярдів до 2030 року, ставить перед розробниками нові виклики. Значна частина таких пристроїв — це автономні сенсорні вузли, що використовуються в агросекторі, екології та інфраструктурі «розумних міст». Розміщення у важкодоступних місцях робить їх залежними від автономних джерел живлення. Проблема полягає в тому, що традиційні алгоритми роботи, які базуються на фіксованих інтервалах передачі даних, є енергетично неефективними: вони витрачають ресурс батареї на передачу надлишкових даних у стабільних умовах або не забезпечують достатньої дискретизації при різких змінах параметрів середовища.

Мета. Розробка способу оптимізації енергоживлення IoT-системи моніторингу кліматичних показників на основі адаптивних алгоритмів та проведення порівняльного аналізу енергоефективності різних комунікаційних архітектур (Wi-Fi, BLE, LoRaWAN) для виявлення оптимальних рішень.

Методи дослідження. Для досягнення мети використано експериментально-аналітичний підхід. В якості апаратної платформи обрано мікроконтролер ESP32 (модуль ESP-WROOM-32), який поєднує високу продуктивність, наявність бездротових інтерфейсів та розвинені режими енергозбереження (Deep Sleep, ULP). Збір кліматичних даних здійснюється сенсором Bosch BME680. Хмарна інфраструктура реалізована на базі Amazon Web Services (AWS) з використанням безсерверної архітектури (AWS Lambda, DynamoDB, Redis). Для оцінки енергоефективності розроблено чотири еволюційні версії програмного забезпечення: від базової (активний режим) до адаптивних (локальна та хмарна адаптація). Ключовою метрикою ефективності обрано середній струм споживання за повний робочий цикл.

Результати. Розроблено гібридну модель керування енергоспоживанням, реалізовану у двох парадигмах: локальна адаптація (на пристрої) та хмарна адаптація (на сервері). Проведено серію натурних вимірювань для протоколів HTTP, MQTT, CoAP, BLE та LoRaWAN. Встановлено, що перехід на протокол CoAP з адаптивним алгоритмом у мережі Wi-Fi дозволяє знизити середнє споживання струму з 60.46 мА (базовий режим) до 12.47 мА (економія ~79%). Для архітектури LoRaWAN досягнуто зниження з 96.78 мА до 12.63 мА (економія 87%). Виявлено неефективність хмарної адаптації для протоколу MQTT через затримки зв'язку.

Висновки. Інтеграція адаптивних алгоритмів, що динамічно керують тривалістю фази сну, дозволяє знизити енергоспоживання на 70-87% порівняно з базовими режимами. Для систем з інфраструктурою Wi-Fi найбільш енергоефективним є протокол CoAP. Для задач, що вимагають максимальної автономності та радіусу дії, оптимальним вибором є LoRaWAN з локальним адаптивним алгоритмом.