CERQUEIRA, M.V.B.; COSTA, D.G.

doi:10.5540/tema.2019.020.02.0257

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Sumário

Articles • TEMA (São Carlos) 20 (2) • May-Aug 2019 • https://doi.org/10.5540/tema.2019.020.02.0257 copy

Um Modelo Matemático para Estimativas do Consumo de Energia em Redes de Sensores Visuais sem Fio

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ABSTRACT

Wireless sensor networks have an important role in the current scenario of new communication technologies, focused on Internet of Things and Smart Cities applications. In those networks, energy issues are central, since many wireless sensor networks are developed to operate with battery-operated sensors. In such way, the proper planning of wireless sensor networks is required for good performance and there are some techniques to assess the performance of those networks without requiring deployment of real sensors. This article proposes a new mathematical model to assess energy consumption in camera-enabled sensors, allowing relevant measurements before deployment of physical networks. Besides this innovate mathematical model, a new tool was developed, referred as EnergyWVSN, aimed at the support of practical usage of the proposed model.

Keywords:
wireless visual sensor networks; mathematical modelling; energy consumption; performance assessment

Parâmetros de configuração
Símbolo	Item
cc	Quantidade de energia consumida pela câmera para processar 1 byte (J)
co	Constante que identifica a coloração da imagem
fr	Frequência de captura (capturas/minuto)
r	Resolução da câmera (pixels)
ts	Tempo de simulação (hora)
Saída
Símbolo	Item
Qs	Quantidade de bytes produzidos nesse módulo (será a entrada de dados do módulo seguinte)
Em _(c)	Quantidade de energia consumida pelo processo de captura das informações
Equações
Fórmula	Descrição
$q t d = (t s * 60) * f r$	Quantidade de capturas realizadas em todo processo
$Q s = r * c o$	Quantidade de bytes gerados em 1 captura
$E m_{c} = Q s * c c$	Energia consumida em 1 captura
$E m_{c} = \sum_{i = 1}^{q t d} E m_{c} (i)$	Energia consumida em todo processo de captura

Parâmetros de configuração
Símbolo	Item
ε_add	Energia consumida pelo nó sensor com instrução de adição
ε_mult	Energia consumida pelo nó sensor com instrução de multiplicação
ε_div	Energia consumida pelo nó sensor com instrução de divisão
ε_r	Energia consumida pelo nó sensor com instrução de round
ε_shift	Energia consumida pelo nó sensor com o processo de troca de bits
ε_rmem	Energia consumida para ler 1 byte da memória flash
ε_wmem	Energia consumida para escrever 1 byte na memória flash
Entrada
Símbolo	Item
Qb	Quantidade de bytes gerada no módulo anterior
Saída
Símbolo	Item
Q _s	Quantidade de bytes produzidos nesse módulo (será a entrada de dados do módulo seguinte)
Em _(c)	Quantidade de energia consumida pelo processo de captura das informações
Equações
Fórmula	Descrição
$E_{p} = E_{d c t} + E_{q} + E_{z} + E_{r l e} + E_{h u f}$	Quantidade de energia consumida pela codificação DCT
$E_{d c t} = {(\frac{N}{k})}^{2} 2 k^{2} (k ε_{m u l t} + (k - 1) ε_{a d d})$	Energia consumida com a transformada 2D DCT
$E_{q} = {(\frac{N}{k})}^{2} 2 k^{2} (ε_{d i v} + ε_{r})$	Energia consumida na etapa de Quantização
$E_{z} = {(\frac{N}{k})}^{2} (k^{2} - 1) ε_{s h}$	Energia consumida na etapa de zigzag
$E_{r l e} = \sum_{j = 1}^{{(\frac{N}{k})}^{2}} ε_{r l e_{j}}$	Energia consumida na etapa de RLE
$E_{h u f} = \sum_{j = 1}^{{(\frac{N}{k})}^{2}} ε_{h u f_{j}^{D C}} + ε_{h u f_{j}^{A C}}$	Energia consumida na etapa de Huffman
$E_{d w t} (M, N, T) = M N (10 ε_{s h i f t} + 12 ε_{a d d} + 2 ε_{r m e m} + 2 ε_{w m e m}) \sum_{i = 1}^{T} \frac{1}{4^{i - 1}}$	Energia consumida pela codificação DWT

Parâmetros de configuração
Símbolo	Item
TipoCripto	Indicação de qual criptografia usar
ε_shift	Quantidade de energia consumida por uma instrução shift
ε_and	Quantidade de energia consumida por uma instrução and
ε_or	Quantidade de energia consumida por uma instrução or
n _r	Número de interações por bloco
n _b	Tamanho do bloco utilizado
Entrada
Símbolo	Item
Qb	Quantidade de bytes gerada no módulo anterior
Saída
Símbolo	Item
Qs	Quantidade de bytes produzidos nesse módulo (será a entrada de dados do módulo seguinte)
Em _(c)	Quantidade de energia consumida pelo processo de captura das informações
Equações
Símbolo	Item
$E m_{y} = \{(46 n_{b} n_{r} - 30 n_{b}) ε_{a n d} + [31 n_{b} n_{r} + 12 (n_{r} - 1) - 20 n_{b}] ε_{o r} + [64 n_{b} n_{r} + 96 (n_{r} - 1) - 61 n_{b}] n_{s h i f t}\} n b l$	Energia consumida no processo de criptografia AES-128
$n b l = Q b / 16$	Quantidade de interações

Parâmetros de configuração
Símbolo	Item
o	Reconstrutor da imagem
K	Tamanho total do pacote
z	Cabeçalho do pacote
Entrada
Símbolo	Item
Qb	Quantidade de bytes gerada no módulo anterior
Saída
Símbolo	Item
np	Número total de pacotes gerados
Em _(p)	Quantidade de energia consumida pelo processo de divisão dos dados em pacotes
Equações
Símbolo	Item
$n p = \|\frac{b + o}{K - z}\|$	Quantidade de pacotes necessários para transmitir a imagem
$u p = (\frac{b + o}{K - z} - n p) * K$	Tamanho do último pacote K
$t b = n p * K + u p$	Quantidade total de bytes a ser transmitido
$E m_{(p)} = t b * ε_{w m e m}$	Energia consumida para gravar os pacotes na memória RAM

Módulo	Energia (J)
Captura	2,409
Criptografia	1,016

Ação	Quantidade	Consumo(W)	Tempo(s)	J/byte(µJ)
Escrever flash	104857	0,3307	9,011	28.419
Ler flash	104857	0,266	0,241	0.611

Ação	Quantidade	Consumo (W)	Tempo(s)	J/instrução (µJ)
Multiplicação	1 bilhão	0,244	5,596	0.00136
Adição	1 bilhão	0,290	4,496	0.00130
Divisão	1 bilhão	0,270	20	0.0054
Round	100 milhões	0,275	4,258	0.0117
Troca de bits	1 bilhão	0,318	3,408	0.00108
Or	1 bilhão	0,329	3,377	0.00111
And	1 bilhão	0,316	3,456	0.00109

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[1] *Corresponding author: Marcos Vinícius Bião Cerqueira - E-mail: marcosbiao@yahoo.com.br