Events in Logistics - Efficient Detection and Transmission with Wireless Sensor Network Technology

Sebastian Zöller

Wednesday November 26, 2014

English abstract:

Information availability is essential to effectively manage logistics processes. The early detection of events, for example critical situations during a transport like the violation of temperature thresholds, and the corresponding notification of stakeholders would significantly enhance this information availability. Wireless sensor network technology enables such an early event detection directly at the place of an event’s occurrence and allows for an immediate stakeholder notification. However, means for an energy-efficient and cost-efficient wireless sensor network operation are necessary for the efficient application of wireless sensor network technology for the detection and transmission of events in logistics. The primary reasons for this are the limited energy budget of wireless sensor nodes and the high cost pressure prevailing in the logistics domain. Further, in order to account for providing stakeholder satisfaction, corresponding stakeholder demands have to be explicitly considered.
Local data filtering constitutes an appropriate means to enhance energy efficiency in wireless sensor networks. The corresponding reduction of data transmissions enhances cost efficiency as well, considering that for the data transmission between a wireless sensor network and remote backend systems usually long-range communication technologies liable to fees are necessary. Finally, local data filtering allows to enhance stakeholder satisfaction by incorporating stakeholders’ demands in the filtering decision and thus avoiding unnecessary transmissions.
We introduce the concept of transmission-relevant events to realize such a stakeholderoriented filtering on wireless sensor nodes. This concept provides the basis for a local data filtering which explicitly accounts for stakeholders’ information demands and an energy-efficient and cost-efficient network operation by comparing the information value of an event to its transmission costs.
For the realization of this concept, we present a two-stage filtering approach. Within our approach, we transfer the concept of scoring models to wireless sensor networks and apply it to determine the transmission relevance of an event.
Considering that locally detected events have to be transmitted by multi-hop communication through the network and that events exhibit spatial and temporal correlations, additional filtering on forwarding nodes is possible based on our concept of transmission-relevant events. Using the concept of discounting, we provide a means to make use of these correlations by computing discounted information values on forwarding nodes.
Finally, solutions are required for the long-range event transmission from a wireless sensor network to remote backend systems. We hence consider possibilities to interconnect wireless sensor nodes and smartphones to enable the usage of smartphones as a corresponding energy-efficient and cost-efficient gateway solution for these longrange event transmissions. Particularly, we compare approaches using IEEE 802.15.4-based communication technology and Bluetooth-based communication technology.
We investigate the applicability and benefits of our approaches in real-world experiments and simulations. In particular, we analyze the achieved energy and cost efficiency gains.

German abstract:

Die Verfügbarkeit relevanter Informationen bildet die Grundlage für ein effektives Management von Logistikprozessen. Die frühzeitige Erkennung von Events, z.B. kritischer Situationen während eines Transportes wie die Überschreitung von Temperaturgrenzwerten, und die entsprechende Benachrichtigung von Stakeholdern tragen entscheidend zur Verbesserung der Informationsverfügbarkeit bei. Drahtlose Sensornetzwerk-Technologie ermöglicht solch eine frühzeitige Event-Erkennung direkt am Ort des Auftretens eines Events sowie eine umgehende Benachrichtigung von Stakeholdern. Für die effiziente Anwendung drahtloser Sensornetzwerk-Technologie zur Erkennung und Übertragung von Events in der Logistik werden jedoch Mittel zum energieeffizienten und kosteneffizienten Betrieb drahtloser Sensornetzwerke benötigt. Die Hauptgründe hierfür sind der beschränkte Energievorrat auf drahtlosen Sensorknoten und der hohe Kostendruck in der Logistikdomäne. Weiterhin werden Lösungen benötigt, die explizit die individuellen Erfordernisse von Stakeholdern berücksichtigen, um eine entsprechende Zufriedenheit der Stakeholder zu gewährleisten.
In drahtlosen Sensornetzwerken kann mittels lokaler Datenfilterung die Energieeffizienz verbessert werden. Eine entsprechende Verringerung von Datenübertragungen trägt allerdings auch zur Verbesserung der Kosteneffizienz bei, da zur Datenübertragung zwischen drahtlosen Sensornetzwerken und entfernten Systemen üblicherweise kostenpflichtige Kommunikationstechnologien verwendet werden müssen. Darüber hinaus trägt die lokale Datenfilterung auch zur Verbesserung der Zufriedenheit auf Stakeholder-Seite bei, da sie es ermöglicht Stakeholder-spezifische Anforderungen in der Filterungsentscheidung zu berücksichtigen. Somit können aus Stakeholder-Sicht unnötige Datenübertragungen vermieden werden.
Das Konzept der übertragungsrelevanten Events wird in dieser Arbeit eingeführt, um eine solche Stakeholder-bezogene Datenfilterung auf einem drahtlosen Sensorknoten zu ermöglichen. Dieses Konzept stellt die Grundlage für eine lokale Datenfilterung dar, die durch den Vergleich des Informationswertes eines Events und der entsprechenden Übertragungskosten sowohl die Informationsbedürfnisse von Stakeholdern explizit einbezieht als auch die Notwendigkeit des energie- und kosteneffizienten Betriebes eines drahtlosen Sensornetzwerkes explizit berücksichtigt.
Zur Realisierung des Konzeptes wird ein zweistufiger Filterungsansatz eingeführt. Im Rahmen dieses Ansatzes wird das Konzept der Scoring Modelle in die Domäne der drahtlosen Sensornetzwerke übertragen und zur Bestimmung der Übertragunsrelevanz eines Events verwendet.
Vor dem Hintergrund, dass erkannte Events gewöhnlich per Multi-Hop Kommunikation innerhalb eines Sensornetzwerkes übertragen werden müssen und dass Events räumliche und zeitliche Korrelationen aufweisen, wird eine weitere Datenfilterung auf den weiterleitenden Sensorknoten auf Basis des Konzeptes der übertragungsrelevanten Events möglich. Hierfür wird ein Ansatz entwickelt, der auf dem Konzept der Diskontierung basierend die bestehenden Korrelationen nutzt, um diskontierte Informationswerte auf den weiterleitenden Sensorknoten zu bestimmen.
Letztendlich werden noch Lösungen zur Langstreckenübertragung von Events von einem drahtlosen Sensornetzwerk zu entfernten Backend-Systemen benötigt. Entsprechend werden Möglichkeiten untersucht, um drahtlose Sensorknoten und Smartphones zu verbinden, um so die Nutzung von Smartphones als energieeffiziente und kosteneffiziente Gateway-Lösung für solche Langstreckenübertragungen von Events zu ermöglichen. Hierbei werden insbesondere Ansätze verglichen, die IEEE 802.15.4-basierte Kommunikationstechnologie nutzen und Ansätze, die Bluetooth-basierte Kommunikationstechnologie nutzen.
Die Anwendbarkeit und der Nutzen der entwickelten Ansätze wird anhand von Echtwelt-Versuchen und Simulationen untersucht. Im Besonderen werden dabei die erzielten Gewinne hinsichtlich der Energieeffizienz sowie der Kosteneffizienz analysiert.

PhD Theses