Kablosuz Alglayc Dü§üm Donanm Bile³enleri

Bir KAA sistemi da§tk durumdaki birçok alglayc dü§ümden olu³ur. Burada her bir alglayc dü§üm birbirinden ba§msz olarak çe³itli alglama ve veri i³leme gibi görevleri yerine getirebilecek donanma sahiptir. Ayrca, alglayc dü§ümler gerekti§inde birbirleriyle ileti³ime geçerek alglayclarndan elde edilen bilgileri payla³abilir ve verilerin tek bir merkezde toplanmas sa§lanabilir. “ekil 3.2'de yaygn olarak kullanlan alglayc dü§üm platformlarndan Crossbow [39] rmas tarafndan geli³tirilmi³ olan Mica2 Mote donanm gösterilmektedir.

Bir alglayc dü§üm, genellikle merkezi i³lem birimi, haberle³me birimi, bir yada daha fazla sayda alglaycdan olu³an alglama birimi ve enerji birimi olmak üzere dört ana bile³enden olu³maktadr. Bu bile³enlerden enerji birimi kendi içerisinde enerji da§tmn sa§layan da§tm birimi ve bir enerji kayna§ndan olu³abilir. Ek olarak gezgin dü§ümlerde hareket edebilme kabiliyetini sa§layan be³inci bir

“ekil 3.2: Crossbow Firmas tarafndan geli³tirilmi³ olan Mica2 Mote KAA dü- §ümü.

birim olarak hareket birimi de bulunabilmektedir. Ayrca hareket biriminin düz- gün çal³abilmesi için konum tespitini sa§layan bir konumlandrma biriminin de bulunmas gereklidir. Konumlandrma birimi olarak genellikle küresel yer bulma sistemi (ngilizce: Global Positioning System - GPS) kullanlmaktadr. Bir KAA dü§ümünde bulunan bu bile³enlerin örnek gösterimi “ekil 3.3'de verilmi³tir.

3.1.2.1 Merkezi ³lem Birimi

Merkezi i³lem birimi (MB), alglayc dü§üm üzerinde alglayclar tarafndan toplanan yerel verilerin i³lenmesi ve di§er dü§ümlerle olan veri al³veri³inin ger- çekle³tirilmesi gibi görevleri yerine getiren kontrol birimidir. MB, verileri i³leyen gömülü i³lemciler, kaynaklar kontrol eden mikro denetleyiciler ve verilerin sak- land§ depolama alanlarndan olu³abilir. Bir alglayc dü§ümde, merkezi i³lem biriminin görevleri arasnda kaynaklarn yönetilmesi, görevlerin zamanlanmas, verilerin i³lenmesi, çevresel birimlerin kontrol edilmesi ve uygulamalarn çal³t- rlmas olabilir. Ayrca di§er dü§ümler ile yaplan ileti³im ve bu ileti³im srasnda meydana gelen veri transferi de MB tarafndan yönetilmektedir. Ek olarak MB alglayc dü§üm üzerindeki veri depolama kaynaklarn yöneterek gerekli verilerin kalc olarak saklanmasn da sa§layabilir.

Alglayc dü§ümlerde kullanlabilen MB gömülü i³lemci olarak Mikrodenetleyici, Dijital Sinyal ³lemcisi (ngilizce: Dijital Signal Processor - DSP), Alanda Prog-

“ekil 3.3: Kablosuz alglayc dü§üm bile³enleri.

ramlanabilir Kap Dizileri (ngilizce: (Field Programmable Gate Array - FPGA) veya Uygulamaya Özel Tümle³ik Devre (ngilizce: Application Specic Integrated Circuit - ASIC) içerebilir. Bütün bu alternatier arasnda, mikrodenetleyiciler di- §er i³lemcilere nazaran daha ucuz yat ve çevresel aygtlara olan eri³imdeki esnek- lik avantajlar sayesinde alglayc dü§ümlerde en çok tercih edilen gömülü i³lemci olmu³tur. Örnek olarak sk kullanlan, popüler alglayc dü§ümlerden Mica2 Mote platformu Atmel rmasnn geli³tirmi³ oldu§u ATMega128L mikrodenetleyicisini kullanmaktadr.

Öncelikli olarak ekonomik nedenler ve güç tüketimi limitlerinden dolay, alg- layc dü§ümlerde kullanlan merkezi i³lem birimleri genellikle hesaplama gücü açsndan oldukça snrl olarak (dü³ük saat hzlarnda) seçilirler. Bu hesaplama gücü kstlamas nedeniyle, cihazlar genellikle TinyOS [47] benzeri özel bile³en tabanl gömülü i³letim sistemleri çal³trmak zorundadrlar. Bu i³letim sistemleri enerji tasarrufu sa§lamak için özel uyku modlar ve dinamik voltaj ölçekleme gibi geli³mi³ dü³ük güç tüketim teknikleri kullanmaktadr [31].

3.1.2.2 Alglama Birimi

Alglama birimi, scaklk, basnç, nem gibi ziksel durumlardaki de§i³iklikleri öl- çülebilen ve bu de§i³iklikleri saysal olarak ifade edebilen donanm birimidir. Bu görevi gerçekle³tirebilmek için alglama birimi üzerinde çe³itli ziksel büyüklük- leri ölçen alglayclar ve alglayclardan gelen analog veriyi mikrodenetleyicinin anlayabilece§i saysal veriye çeviren Analog/Saysal çeviriciler (ngilizce: Analog to Digital Converter - ADC) bulunmaktadr. Günümüzde alglayclar tarafndan çok çe³itli büyüklükler ölçülebilmektedir. Ölçülebilen ba³lca büyüklükler verilen- lerle snrl olmamak kaydyla a³a§da sralanm³tr [11]:

• Scaklk • Nem • Basnç • Aydnlk • Elektromanyetik alan • Hzdaki de§i³im • Yönelimdeki de§i³im • Titre³im • Kirlilik seviyesi • Kimyasal bile³im • Ph de§eri • Gürültü seviyesi • Fiziksel aktivite • Kandaki O2 miktar

Bütün KAA tasarmlarnn merkezinde kullanlan alglayclar yatmaktadr çünkü bir KAA sisteminin görevi ve kullanm amac sahip olunan alglayclar tarafn- dan belirlenmektedir. Geçti§imiz on ylda birçok alglama teknolojisinde önemli geli³meler kaydedilmi³tir. Bu geli³meler a³a§daki ³ekilde snandrlabilir:

• Mikroelektromekanik sistemlerde (MEMS): Jiroskoplar, ivmeölçerler, man- yetometreler, basnç ölçerler, piroelektrik etki alglayclar ve akustik alg- layclar

• CMOS tabanl alglayclarda: Scaklk, nem, kapasitif yaknlk, kimyasal bile³im

• LED alglayclarda: Ortam aydnlatmas alglama, yaknlk alglama, biyo- lojik de§erlerin ölçülmesi

Alglayc dü§ümler genellikle snrl güç kayna§ ile çal³an mikro-elektronik ci- hazlar oldu§undan, üzerinde bulunan alglayclarn da küçük boyutlu olmas ve son derece dü³ük enerji tüketmesi gereklidir. Bu sebeple KAA dü§ümlerinde ge- nellikle dü³ük örnekleme hzlarnda çal³an dü³ük enerji tüketimli alglayclar kullanlmaktadr. Ayrca bir çok uygulamada, çok boyutlu alglama gereksinim- leri nedeniyle birden fazla alglayc kullanlabilir. Burada alglayclardan gelen verilerin ne ³ekilde kullanlaca§ uygulama tabanl olarak belirlenmektedir.

3.1.2.3 Haberle³me Birimi

Haberle³me birimi, genellikle kablosuz ileti³imi gerçekle³tirebilen bir alc/verici devre ile antenden meydana gelmektedir. Bu birim verilerin yüksek frekansl radyo dalgalar üzerinden genellikle ISM band (ngilizce: Industrial Scientic Medical band) kullanlarak ta³nabilmesine olanak sa§lar.

Kablosuz haberle³mede veri iletimi için radyo frekans (RF) veya optik haberle³me (lazer veya kzlötesi) kullanlabilir. Lazer daha az enerji ile daha uzun mesafelere veri iletebilir fakat ileti³im için do§rusal bir görü³ gereklidir ve atmosferik ko³ul- lara kar³ oldukça duyarldr. Kzlötesi lazer gibidir ancak daha az do§rusaldr ve kstl bir yaym kapasitesine sahiptir.

Radyo frekans tabanl ileti³im ço§u KAA uygulamas için en uygun olan ve en çok tercih edilen ileti³im ³eklidir. KAA'larda genellikle 433 MHz ve 2.4 GHz arasndaki ileti³im frekanslar kullanlmaktadr.

KAA cihazlarnda genellikle ksa mesafelerde (<100m) ve dü³ük bant geni³li§inde (10-100 kbps) bir kablosuz haberle³me kurulmas yeterlidir. Günümüzde alglayc dü§ümlerde kullanlan haberle³me birimlerinin oldukça kstl özelliklere sahip ol-

malarna ra§men zamanla arka plan gürültüsüne kar³ daha dayankl ve spektral verimlili§i daha yüksek sistemlerin geli³tirilmesi olasdr.

Kablosuz haberle³me genellikle KAA cihazlarnda en çok gücün harcand§ i³lem- dir. Bu sebeple enerji verimlili§ini artracak etkin haberle³me protokolleri ve yük- sek verimli uyku kipleri gibi teknolojiler geli³tirilmektedir. Örnek olarak bir ha- berle³me biriminde letim (Transmit), Alm (Receive), Bo³ (Idle) ve Uyku (Sleep) gibi i³lemsel durumlar/kipler bulunabilir. Bo³ durumda bulunan radyolarn güç tüketimi neredeyse alm durumundaki enerji tüketimine e³ittir. Bu yüzden alm veya iletim i³lemi yapmayan radyolar bo³ duruma almak yerine kapatmak daha verimli bir çözümdür.

3.1.2.4 Enerji Birimi

Enerji Birimi bir enerji kayna§ ile enerjinin verimli bir ³ekilde di§er birimlere da§tlmasn sa§layan Enerji Da§tm Biriminden olu³maktadr. KAA dü§ümle- rinde enerji kayna§ olarak genellikle snrl kapasiteye sahip yerle³ik bataryalar ya da kapasitörler kullanlmaktadr. Bu sebeple birçok uygulamada enerji kayna§ en kritik kaynak olarak öne çkmaktadr. Ancak günümüzdeki KAA dü§ümleri ye- nilenebilir enerji kaynaklarn da (güne³ enerjisi, s enerjisi, titre³im enerjisi vb.) kullanabilecek ³ekilde geli³tirilmektedir.

Alglayc dü§ümlerdeki enerji tüketimi alglama, ileti³im ve veri i³leme benzeri i³lemler nedeniyle olmaktadr. Fakat genellikle alglayc dü§ümde veri ileti³imi için harcanan enerji di§er i³lemlerde harcanan enerjiden daha fazladr. Alglama ve veri i³leme için enerji tüketimi genellikle daha azdr. Örnek olarak, 1 Kb veriyi 100 metre mesafedeki bir noktaya iletmek için gereken enerji, mikrodenetleyici üzerinde milyonlarca komut çal³trmak için gereken enerjiye e³ittir.

Alglayc dü§ümlerde farkl yaplarda ³arj edilebilir veya ³arj edilemez tipte batar- yalar kullanlabilmektedir. Bu amaçla kullanlabilecek bataryalar içerisinde kul- lanlan kimyasal malzemeye göre snandrlm³lardr (NiCd - Nikel Kadmiyum, NiZn - Nikel Çinko, Nimh - Nikel Metal hidrid, Li-ion - Lityum-yon).

Kablosuz alglayclarda enerji verimlili§ini artrmak amacyla kullanlagelen en önemli iki güç koruma politikas Dinamik Güç Yönetimi (ngilizce: Dynamic Po- wer Management - DPM) ve Dinamik Voltaj Ölçeklendirme (ngilizce: Dynamic

Voltage Scaling - DVS)'dir. DPM dü§üm üzerinde o anda kullanlmayan veya etkin olmayan birimleri kapatarak enerjiyi koruma görevini gerçekle³tirir. DVS yakla³m ise anlk i³ yüküne ba§l olarak i³lemci güç seviyeleri arasnda geçi³ler yaparak çal³r. Bu ³ekilde güç tüketiminde önemli kazançlar sa§lamak mümkün- dür.

3.1.2.5 Hareket Birimi

Sadece baz dü§ümlerde yer alan bu birim konum tespit birimiyle birlikte kul- lanlarak dü§ümlere hareket edebilme kabiliyeti kazandrmaktadr. Özellikle baz uygulamalarda gezici dü§ümlere olan gereksinim nedeniyle bu birime ihtiyaç du- yulmaktadr.

Hareketi sa§layan itki karasal sistemlerde tekerlekli, paletli mekanizmalar ve elekt- rik motorlar ile sa§lanabilece§i gibi [87] havai sistemlerde ise hava balonlar veya kanatl platformlar ve elektrik gücüyle çevrilen pervaneli itki mekanizmalar ile de sa§lanabilir [8].

KAA tarafndan toplanan verinin do§ru analiz edilebilmesi için verinin hangi ko- numdan topland§nn bilinmesi gereklidir. Sabit konumlu alglayc dü§ümlerde konum de§i³medi§i için konum bilgisinin sürekli elde edilmesine ihtiyaç duyul- mazken gezgin sistemlerde sürekli de§i³en bu bilgi hayati önem ta³r. Bu amaçla dü§ümlerde anlk konum bilgisinin tespiti için genellikle bir küresel yer bulma sis- temi (ngilizce: Global Positioning System - GPS) modülü bulunur. GPS modülü sayesinde d³ mekan uygulamalarnda gerçek zamanl olarak hassas konum tespiti yaplabilmektedir [51].