Localization of wireless sensor networks for industrial applications

Abstract

ABSTRACT: In new generation manufacturing systems, Wireless Sensor Networks have become an important technology because of the various ameliorations in comparison with common sensors, such as power consumption, connection to base station, data processing and etc. In order to obtain all these capabilities in sensor nodes, some difficulties may be encountered such as power resource, data transmission and localization for each sensor node. The objective of this study is to investigate a localization of the distributed wireless sensor networks in the manufacturing domain with utilizing Trilateration algorithm and received signal strength Indicator (RSSI) as distance based measurement. In experimental part of this study, an Assumption Based Coordinates (ABC) algorithm is proposed to define the location of a node with unknown position through utilizing the Trilateration method. This part is composed of two different methods. Both of these methods are distance based, and Received Signal Strength Indicator (RSSI) is used as a measurement factor. Friss transmission equation is the base of the theoretical part of this study and the results obtained by experimental methods are compared with the theoretical results related to this equation. The first experimental part was done in a simple environment without any manufacturing machines and equipments. Sensors were deployed in that area and RSSI was measured in different distance for several times. Because the simulation of Terilateration method is the aim of this experiment, the graph that shows the relationship between the measured RSSI and distance was obtained to use as data resource to calculating the distance for one hundred random RSSI. Nevill algorithm is a mathematical solution to change this graph to be data recourse for the distances those related to one node to use as input data for Trilateration method. In the second experimental method some unknown nodes are assumed in a coordinate system and their distances to each reference node was calculated. By utilizing the Friis equation the related RSSI for each distance was measured. The theoretical RSSI was changed by adding 40 percent white Gaussian noise (AWGN) and then imported again to the Friis equation to obtain the distances related to each RSSI. Finally, the locations of unknown nodes were obtained with the Trilateration method. The proposed localization methods were considered on two different manufacturing environments as industrial application of WSN. The first one is EMU mechanical engineering workshop which houses different types of machines and manufacturing equipments and the second one in gas distillation columns used in oil and gas refineries. Comparison of the theoretical location of unknown node with the location obtained by experimental methods shows the errors and deviations are depend on many factors. These factors are environmental condition, available machines or equipments in sensor field, computational errors of the written program for Trilateration or Nevill algorithm and etc. Keywords: Wireless sensor network, Manufacturing, Localization, Trilateration, RSSI, Distance.

………………………………………………………………………………………………………………………… ÖZ: Yeni nesil üretim sistemlerinde, kablosuz algılayıcı ağlar sıradan algılayıcılar ile kıyaslandığında güç tüketimi, ana istasyonlarına bağlanabirliliği ve bilgi işlenebirliliği gibi alanlardaki gelişmelerden dolayı teknoloji yönünden önemli bir konumundadır.Algılayıcı devre düğümlerin tüm bu özelliklerin faydalanabilmek için güç kaynağı, veri aktarımı ve her bir algılayıcı devre düğümün “lokalizasyonu” gibi bazı zorluklarlar karşı karşıya gelmek olasıdır. Bu tezin amacı “Trilateration” algoritma ve gelen sinyal gücünü mesafe tabanlı öiçümü kullanarak üretim alanında dağıtılan kablosuz ağların “lokalizasyonunu” araştırmaktır. Bu araştırmanın deney bölümünde, “Trilateration” yöntemi ile bilinmeyen bir devre düğümün konumunu belirlemek için “Assumption Based Coordinates (ABC)” algoritma önerilmektedir.Bu kısım iki farklı yöntemden oluşmaktadır. Her iki yöntem mesafe esaslıdır ve Gelen Sinyal Güç Gösterge ölçüm etmeni olarak kullanılmıştır. Friss aktarım denklemi bu araştırmanın teorik yapısını oluşturmaktadır ve ilgili grafiği RSSI ve mesafe arasındaki bağlantıyı göstermek için kullanılacaktır. Birinci deney, üretim makinaların ve herhangi bir donanımın olmadığı bir ortamda gerçekleştirildi. Bir araba park yerinde algılayıcılar yerleştirildi ve “RSSI” farklı mesafelerde birkaç kez ölçüldü. Ölçülen RSSI ve mesafe arasındaki bağlantıyı gösteren grafik bulundu. Bu grafikle Nevill algoritması kullanılarak, yüz gelişigüzel RRSI in mesafeleri ölçüldü. İkinci deneysel yöntem birincisinden tamamıyla farklı. Bu yöntemde koordinat sistemde varsayılan bilinmeyen birim devresi ve bilinen her bir algılayıcı birim devresine olan mesafeleri hesaplandı. Friis denklemi kullanılarak her bir mesafe için ilgili RSSI hesaplandı. Teorik “RSSI” 40% beyaz Gaussian parazit (AWGN) eklenerek değiştirildi. Ardından tekrar Friis denklemi kullanılarak her bir mesafe için ilgili RSSI hesaplandı. Tasarlanan “lokalizasyon” yöntemleri üretim alanında iki farklı deney alanlarında uygulandı. İlki, DAÜ makina mühendisliği atölyesinde bulunan makinalarda ve donanımlarda ikincisi ise gaz ve yağ arıtma tesislerinde kullanılan gaz damıtma haznelerinde. Bilinmeyen birim devresinin teorik konumu ile deneysel yöntemlerle elde edilen bilinmeyen birim devresinin konumu karşılaştırıldığında RSSI hesaplamaları ve “Trilateration” yöntemi ile elde edilen uzaktan “lokalizasyon” hataların ve sapmaların birçok algılayıcı alanda bulunan makınaların ve donanımların varlığı, hesaplamaya dayalı hatalar gibi birçok çevresel etemenlere bağlıdı olduğunu gösterecektir. Anahtar Kelimereler: Kablosuz algılayıcı ağı, Üretim, “Lokalizasyon”, “Trilateration”, RSSI, Mesafe.