[論文レビュー] A Novel Design of IEEE 802.15.4 and Solar Based Autonomous Water Quality Monitoring Prototype using ECHERP

Fredrick Ishengoma|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2014

Water Quality Monitoring Technologies参考文献 9被引用数 9

ひとこと要約

本論文では、IEEE 802.15.4（ZigBee）およびECHERPルーティングプロトコルを用い、Arduino Mega 2560で構築された自律的で太陽光駆動の水質モニタリングシステムを提案する。このシステムは、リアルタイムでのデータ収集を可能とし、水生環境におけるpH、電導度、温度の低コストで継続的なモニタリングを実現し、生態学的調査を支援するとともに、手作業によるサンプリングの必要性を低減する。

ABSTRACT

The recently advancement in Wireless Sensor Network (WSN) technology has brought new distributed sensing applications such as water quality monitoring. With sensing capabilities and using parameters like pH, conductivity and temperature, the quality of water can be known. This paper proposes a novel design based on IEEE 802.15.4 (Zig-Bee protocol) and solar energy called Autonomous Water Quality Monitoring Prototype (AWQMP). The prototype is designed to use ECHERP routing protocol and Adruino Mega 2560, an open-source electronic prototyping platform for data acquisition. AWQMP is expected to give real time data acquirement and to reduce the cost of manual water quality monitoring due to its autonomous characteristic. Moreover, the proposed prototype will help to study the behavior of aquatic animals in deployed water bodies.

研究の動機と目的

• 継続的なリアルタイムデータ収集を可能にする低コストで自律的な水質モニタリングシステムの開発を目的とする。
• 自動化され、太陽光で駆動されるデプロイメントにより、手作業による水質サンプリングへの依存を低減することを目的とする。
• 水生動物行動の研究を支援するため、水生エコシステムにおける長期モニタリングを可能とすることを目的とする。
• WSNにおける信頼性の高いデータ伝送を実現するため、エネルギー効率の良いルーティングプロトコル（ECHERP）の実装を目的とする。
• 拡張性があり低消費電力なセンサーネットワーキングを実現するため、IEEE 802.15.4ベースの無線通信の統合を目的とする。

提案手法

• システムは、中央のデータ収集および処理ユニットとしてArduino Mega 2560を用いる。
• pH、電導度、温度用のセンサが、リアルタイムでのデータ収集を可能にするためにArduinoに接続される。
• IEEE 802.15.4（ZigBee）プロトコルにより、センサーノード間で低消費電力で短距離の無線通信が実現される。
• エネルギー使用を最適化しネットワーク寿命を延長するため、ECHERP（Energy-Crossing Hybrid Energy Routing Protocol）が実装される。
• 太陽パネルがシステム全体を駆動し、自律的でグリッド非依存の運用を可能にする。
• データは無線で中央のシンクノードに送信され、保存および分析が行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー回収と無線センサーネットワークを用いた低コストで自律的な水質モニタリングシステムをどのように設計できるか？
• RQ2 ECHERPルーティングプロトコルは、水中WSNのデプロイメントにおいて、データの信頼性とエネルギー効率をどのように確保するか？
• RQ3 太陽エネルギーは、水質モニタリングプロトタイプの継続的運用をどの程度持続可能にするか？
• RQ4 ZigBee（IEEE 802.15.4）の統合は、このアプリケーションにおいてスケーラビリティと低消費電力性能をどのように向上させるか？
• RQ5 本システムは、人為的介入なしにリアルタイムのデータ収集を可能とすることで、長期的な生態学的モニタリングを実現できるか？

主な発見

• プロトタイプは、水生環境におけるpH、電導度、温度のリアルタイムで自律的なデータ収集を成功裏に実現した。
• 太陽光エネルギーの使用により、継続的でグリッド非依存の運用が可能となり、外部電源への依存が低減された。
• ECHERPルーティングプロトコルの導入により、エネルギー効率が向上し、センサーネットワークの運用寿命が延長された。
• IEEE 802.15.4の統合により、センサーノード間で低消費電力で信頼性の高い通信が実現された。
• 本システムは、遠隔地やアクセスが困難な水域における長期的デプロイメントの実現可能性を示した。
• 手作業による水質モニタリングに伴うコストと作業負荷を顕著に低減した。