Intelligent indoor nitrogen dioxide sensors network based FSO communication
Loading...
Date
2021
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Aksaray Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Access Rights
info:eu-repo/semantics/openAccess
Abstract
The Intelligent Wireless Sensor Network (IWSN) is one of the widely used applications in present time, whereas it is utilized for: 1) sensing of the natural phenomenon or environmental conditions that occur in our world, 2) processing the incoming data from their sensors, 3) presenting a appropriate decision according to the entered data. In this work, an Intelligent Wireless Sensor Network has been designed and implemented, which can be used for applications of carbon monoxide gas sensing, it involves three main parts, the intelligent system, the sensor interface unit, and the wireless communication system. The proposed intelligent system has been utilized to processing the incoming data from carbon monoxide sensors, then presenting the average value of these data. The sensor interface unit has been used for converting the incoming analog signals from the nitrogen dioxide sensors to binary data that should be driven to the intelligent system, where the last one should be saved in FPGA (Field Programmable Gate Array). The wireless communication system has been implemented for transferring the digital data between the sensor node and the intelligent system for remote distances. A Back-Propagation neural network has been utilized as an intelligent system for this work, three layers had been designed in this network, input, single hidden, and output layers. This network has been trained by several training functions, and has used two linear activation functions, the SATLINS function for the hidden layer, and the SATLIN for the output layer. Using TRAINPSO (Particle Swarm Optimization) training function, an optimal result has been also presented, but with reaching the MSE to zero value in 46 iteration using of only three neurons in the hidden layer. A laser FSO(Free-Space-Optical) system has been designed and implemented as a wireless communication unit for the proposed system, cause this technique possesses low power consumption and high bandwidth, directivity, immunity than other techniques for same range of transmission. The ON/OFF keying modulation has been used in this technique for modulating the digital data of the sensor units with an infra-red laser light carrier, which is a powerful widely used modulation technique in the laser communication systems.
Akıllı Kablosuz Sensor Ağı (AKSA) günümüzde yaygın olarak kullanılan uygulamalardan biri olup, şu alanlarda kullanılmaktadır: 1) Dünyamızda meydana gelen doğal olgu ya da çevresel koşulların algılanmasında; 2) sensorlarından gelen verilerin işlenmesinde; 3) girilen verilere dayanarak uygun bir kararın sunulmasında. Bu çalışmada karbonmonoksit gaz algılama uygulamalarında kullanılabilecek bir Akıllı Kablosuz Sensor Ağı tasarlanıp uygulanmıştır. Bu sistem ana parçadan oluşmaktadır: akıllı sistem, sensor arayüz birimi ve kablosuz iletişim sistemi. Önerilen akıllı sistem karbonmonoksit sensorlardan gelen verileri işlemek ve ardından bu verilerin bir ortalama değerini sunmak için kullanılmıştır. Sensor arayüz birimi de nitrojendioksit sensorlarından gelen analog sinyalleri akıllı sisteme aktarılması gereken ve bunlarının sonuncusunun Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi'nde(APKD) saklanması gerektiği ikili verilere dönüştürmekte kullanılmıştır. Kablosuz iletişim sistemi uzak mesafelerde sensor düğümü ile akıllı sistem arasında dijital verilerin aktarılması amacıyla uygulanmıştır. Bu çalışma için akıllı sistem olarak bir Geri Yayılımlı sinir ağı kullanılmış ve bu ağda 'girdi', 'tekli gizli' ve 'çıktı' katmanları şeklinde üç tabaka tasarlanmıştır. Bu ağ çeşitli eğitim işlevleri tarafından eğitilmiş olup, gizli katman için SATLINS işlevi ve çıktı katmanı için SATLIN işlevi olmak üzere iki doğrusal aktivasyon işlevi kullanmıştır. TRAINPSO (Parçacık Sürü Optimizasyonu) eğitim işlevi kullanılarak optimal bir sonuç da sunulmuş, ancak sıfır Ortalama Hata Karesi'ne yalnızca gizli katmandaki üç nöron kullanılarak 46 tekrarlamada ulaşılmıştır. Bu çalışmada, önerilen sistem için kablosuz iletişim birimi olarak bir lazerli Serbest Uzay İletişim(SUI) Sistemi tasarlanmış ve uygulanmıştır, çünkü bu teknik aynı iletim aralığına yönelik diğer tekniklerden daha düşük enerji tüketimine ve daha yüksek bant genişliğine, yönelme yeteneğine ve bağışıklığa sahiptir. Bu teknikte sensor birimlerinin dijital verilerinin bir kızılötesi lazer ışık taşıyıcısıyla modüle edilmesi için, güçlü ve lazer iletişim sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir teknik olan AÇIK/KAPALI anahtarlama modülasyonu kullanılmıştır.
Akıllı Kablosuz Sensor Ağı (AKSA) günümüzde yaygın olarak kullanılan uygulamalardan biri olup, şu alanlarda kullanılmaktadır: 1) Dünyamızda meydana gelen doğal olgu ya da çevresel koşulların algılanmasında; 2) sensorlarından gelen verilerin işlenmesinde; 3) girilen verilere dayanarak uygun bir kararın sunulmasında. Bu çalışmada karbonmonoksit gaz algılama uygulamalarında kullanılabilecek bir Akıllı Kablosuz Sensor Ağı tasarlanıp uygulanmıştır. Bu sistem ana parçadan oluşmaktadır: akıllı sistem, sensor arayüz birimi ve kablosuz iletişim sistemi. Önerilen akıllı sistem karbonmonoksit sensorlardan gelen verileri işlemek ve ardından bu verilerin bir ortalama değerini sunmak için kullanılmıştır. Sensor arayüz birimi de nitrojendioksit sensorlarından gelen analog sinyalleri akıllı sisteme aktarılması gereken ve bunlarının sonuncusunun Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi'nde(APKD) saklanması gerektiği ikili verilere dönüştürmekte kullanılmıştır. Kablosuz iletişim sistemi uzak mesafelerde sensor düğümü ile akıllı sistem arasında dijital verilerin aktarılması amacıyla uygulanmıştır. Bu çalışma için akıllı sistem olarak bir Geri Yayılımlı sinir ağı kullanılmış ve bu ağda 'girdi', 'tekli gizli' ve 'çıktı' katmanları şeklinde üç tabaka tasarlanmıştır. Bu ağ çeşitli eğitim işlevleri tarafından eğitilmiş olup, gizli katman için SATLINS işlevi ve çıktı katmanı için SATLIN işlevi olmak üzere iki doğrusal aktivasyon işlevi kullanmıştır. TRAINPSO (Parçacık Sürü Optimizasyonu) eğitim işlevi kullanılarak optimal bir sonuç da sunulmuş, ancak sıfır Ortalama Hata Karesi'ne yalnızca gizli katmandaki üç nöron kullanılarak 46 tekrarlamada ulaşılmıştır. Bu çalışmada, önerilen sistem için kablosuz iletişim birimi olarak bir lazerli Serbest Uzay İletişim(SUI) Sistemi tasarlanmış ve uygulanmıştır, çünkü bu teknik aynı iletim aralığına yönelik diğer tekniklerden daha düşük enerji tüketimine ve daha yüksek bant genişliğine, yönelme yeteneğine ve bağışıklığa sahiptir. Bu teknikte sensor birimlerinin dijital verilerinin bir kızılötesi lazer ışık taşıyıcısıyla modüle edilmesi için, güçlü ve lazer iletişim sistemlerinde yaygın olarak kullanılan bir teknik olan AÇIK/KAPALI anahtarlama modülasyonu kullanılmıştır.
Description
Keywords
IWSN (Intelligent Wireless Sensor Network), FPGA (Field Programmable Gate Array), TRAINPSO (Particle Swarm Optimization), FSO (FreeSpace-Optical), AKSA (Akıllı Kablosuz Sensor Ağı), APKD (Alanda Programlanabilir Kapı Dizisi’nde), TRAINPSO (Parçacık Sürü Optimizasyonu), SUI (Serbest Uzay İletişim)
