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Distributed Node Coordination for Real-Time Energy-Constrained Control in Wireless Sensor and Actuator Networks

Authors :
Lei Mo
Xianghui Cao
Ye-Qiong Song
Angeliki Kritikakou
Energy Efficient Computing ArchItectures with Embedded Reconfigurable Resources (CAIRN)
Inria Rennes – Bretagne Atlantique
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-ARCHITECTURE (IRISA-D3)
Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA)
Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Rennes (UR)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut de Recherche en Informatique et Systèmes Aléatoires (IRISA)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Bretagne Sud (UBS)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-CentraleSupélec-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-IMT Atlantique (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)
School of Automation [Nanjing] (NJUST)
Nanjing University of Science and Technology (NJUST)
SIMulating and Building IOT (SIMBIOT)
Department of Networks, Systems and Services (LORIA - NSS)
Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications (LORIA)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Laboratoire Lorrain de Recherche en Informatique et ses Applications (LORIA)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Université de Lorraine (UL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
ARCHITECTURE (IRISA-D3)
Université de Bretagne Sud (UBS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Rennes (UNIV-RENNES)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-École normale supérieure - Rennes (ENS Rennes)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Rennes 1 (UR1)
Université de Rennes (UNIV-RENNES)-CentraleSupélec-IMT Atlantique Bretagne-Pays de la Loire (IMT Atlantique)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Université de Bretagne Sud (UBS)-Institut National des Sciences Appliquées - Rennes (INSA Rennes)
Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Institut Mines-Télécom [Paris] (IMT)-Inria Rennes – Bretagne Atlantique
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)
Source :
IEEE Internet of Things Journal, IEEE Internet of Things Journal, 2018, pp.1-12. ⟨10.1109/JIOT.2018.2839030⟩, IEEE internet of things journal, IEEE internet of things journal, IEEE, 2018, pp.1-12. ⟨10.1109/JIOT.2018.2839030⟩
Publication Year :
2018
Publisher :
HAL CCSD, 2018.

Abstract

International audience; Wireless Sensor and Actuator Networks (WSANs) are emerging as a new generation of Wireless Sensor Networks (WSNs). Due to the coupling between the sensing areas of the sensors and the action areas of the actuators, the efficient coordination among the nodes is a great challenge. In this paper, we address the problem of distributed node coordination in WSANs aiming at meeting the user's requirements on the states of the Points of Interest (POIs) in a real-time and energy-efficient manner. The node coordination problem is formulated as a non-linear program. To solve it efficiently, the problem is divided into two correlated subproblems: the Sensor-Actuator (S-A) coordination and the Actuator-Actuator (A-A) coordination. In the S-A coordination, a distributed federated Kalman filter-based estimation approach is applied for the actuators to collaborate with their ambient sensors to estimate the states of the POIs. In the A-A coordination, a distributed Lagrange-based control method is designed for the actuators to optimally adjust their outputs, based on the estimated results from the S-A coordination. The convergence of the proposed method is proved rigorously. As the proposed node coordination scheme is distributed, we find the optimal solution while avoiding high computational complexity. The simulation results also show that the proposed distributed approach is an efficient and practically applicable method with reasonable complexity.

Details

Language :
English
ISSN :
23722541 and 23274662
Database :
OpenAIRE
Journal :
IEEE Internet of Things Journal, IEEE Internet of Things Journal, 2018, pp.1-12. ⟨10.1109/JIOT.2018.2839030⟩, IEEE internet of things journal, IEEE internet of things journal, IEEE, 2018, pp.1-12. ⟨10.1109/JIOT.2018.2839030⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....1ff7e901450cbd32393e57ffabcfc4f1
Full Text :
https://doi.org/10.1109/JIOT.2018.2839030⟩