I nte rna t io na l J o urna l o f   E lect rica l a nd   Co m p ute E ng in ee ring   ( I J E CE )   Vo l.   10 ,   No .   4 A u g u s t   2020 ,   p p .   3 6 2 3 ~ 3 6 3 4   I SS N:  2 0 8 8 - 8708 DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j ec e . v 1 0 i 4 . p p 3 6 2 3 - 3 6 3 4          3623       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ec e. ia esco r e. co m/in d ex . p h p /I JE C E   A data  esti m a tion for failing  nodes   using  f u zz y  log ic  w ith  integra ted  m i croc o ntroller in w ireless  senso r net w o rk s       Sa a d Al - Azz a m 1 ,   A h m a d Sh a rieh 2 ,   Sa leh  Al - Sh a ra eh 3 N eda a   Azz a m 4   1 , 2, 3 Co m p u ter  S c ien c e   De p a rtm e n t,   T h e   Un iv e rsity   o f   Jo rd a n ,   Jo rd a n   4 De p a rtme n o f   Co m p u ter S c ien c e ,   Im a m   A d b d u l r a h m a n   Bin   F a isa Un iv e rsity S a u d A ra b ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   A p r   1 8 ,   2 0 1 9   R ev i s ed   Dec   2 9 ,   2 0 1 9   A cc ep ted   J an   11 ,   2 0 2 0     Co n ti n u o u d a ta  tran sm issio n   in   w irele ss   s e n so n e tw o rk s   ( W S Ns is  o n e   o th e   m o st  i m p o rtan c h a ra c teristics   w h ich   m a k e se n so rs  p ro n e   to   f a il u re .     b a c k u p   stra te g y   n e e d to   c o - e x ist  w it h   th e   in f ra stru c tu re   o th e   n e tw o rk   to   a ss u re   th a n o   d a ta  is  m issin g .   T h e   p ro p o se d   sy ste m   re li e o n   a   b a c k u p   stra teg y   o f   b u il d i n g   a   h isto ry   f il e   th a sto re a ll   c o ll e c ted   d a ta  f ro m   th e se   n o d e s.  T h is  f il e   is  u se d   late o n   b y   f u z z y   lo g ic  to   e sti m a te  m is sin g   d a ta  in   c a se   o f   fa il u re .   A n   e a sil y   p ro g ra m m a b le  m icro c o n tro ll e u n it   is  e q u i p p e d   w it h   a   d a ta  sto ra g e   m e c h a n ism   u se d   a c o st  w o rth y   sto ra g e   m e d ia  f o th e se   d a ta.  A n   e rro in   e sti m a ti o n   is  c a lcu late d   c o n sta n tl y   a n d   u se d   f o u p d a ti n g     a   re f e re n c e   o p ti m a l   tab le”   th a is  u se d   in   th e   e stim a ti o n   o f   m is sin g   d a ta.    T h e   e rro v a lu e a lso   a ss u re   th a t   th e   sy ste m   d o e sn ’t  g o   i n to   a n   i n c re m e n tal  e rro sta te.  T h is  p a p e p re se n ts  a   s y ste m   in teg r a ted   o f   o p ti m a d a ta  tab le,   m icro c o n tro ll e r,   a n d   f u z z y   lo g ic  to   e stim a te  m issin g   d a ta  o f   f a il in g   se n so rs.  T h e   a d a p ted   a p p r o a c h   is  g u id e d   b y   th e   m in i m u m   e rro c a lcu late d   f ro m   p re v io u sly   c o ll e c ted   d a ta.   Ex p e rim e n tal  f in d in g sh o w   th a th e   sy ste m   h a s   g re a p o ten ti a ls  o f   c o n ti n u i n g   to   f u n c ti o n   w it h   a   f a il in g   n o d e ,   w it h   v e r y   lo p ro c e ss in g   c a p a b il it ies   a n d   st o ra g e   re q u irem e n ts.   K ey w o r d s :   Failin g   s e n s o r   Fu zz y   lo g ic   Mic r o co n tr o ller   No d r ep lace m en t   W ir eless   s en s o r   n et w o r k s   Co p y rig h ©   2 0 2 0   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Saad   A l - A zz a m ,     C o m p u ter   Scien ce   Dep ar t m en t,   T h Un iv er s i t y   o f   J o r d an ,   Qu ee n   R a n ia  Stre et,   Am m a n ,   J o r d an .   E m ail:  s a3 d _ al3 za m @ h o t m ail . co m       1.   I NT RO D UCT I O N   W ir eless   s e n s o r   n et w o r k s   ( W SNs )   h av b ec o m an   ess e n ti al  p ar o f   d ail y   li f e,   as  s o u r ce   o f   d ata   an d   w a y   o f   co n tr o lli n g   d is p er s co n n ec ted   s m ar d ev ice s   [ 1 ] .   So m ap p licatio n s   th at  ar b ased   o n   W SNs   co u ld   n o to ler ate  m a lf u n ctio n   in   it s   n o d es.  Dea l in g   w it h   m i s s i n g   d ata  t h at  r es u lt  f r o m   s u c h   f a ilu r i s   o f   g r ea t   i m p o r tan ce ,   an d   a n   ef f ec ti v d ata  r esto r atio n   s tr ateg y   m u s b i n teg r ated   w it h   t h W SN’ s   s tr u ct u r to   en s u r th at  t h s y s te m   k ee p s   w o r k in g   w it h   r eq u ir ed   ef f icie n c y ,   w h il k ee p in g   co s t to   its   m in i m u m .   No d es in   W SN   w o r k   in   h ar m o n y   a n d   co o p er ate  to   d eliv er   th e   s y s te m   w it h   n ee d ed   d ata,   an d   s u b m it   th e m   as   r eq u ir ed   to   b a s e   s t atio n   ( o r   an o t h er   n o d i n   t h e   s a m n et w o r k   o r   a n o th er   n e t w o r k )   [ 2 ] .   Du to   ce r tain   is s u es,  n o d es  m ig h b ec o m u n ab le  to   co llect  o r   s e n d   d ata.     Failin g   n o d es  co u ld   ca u s s o m cr itica l   d ata  to   g et  lo s t.  Fo r   ex a m p le,   as  i n   s y s te m s   e m p lo y   s et s   o f   s er v er s   t h at  h o s d ir ec tl y   att ac h ed   s to r ag a n d   ex ec u te  u s er   ap p licatio n   tas k s   in   Had o o p   Dis tr ib u ted   Fil Sy s te m   [ 3 ] .   A   m o r co s ef f ec t iv s o lu tio n   w o u ld   b to   ac tiv ate  s tr ateg y   to   esti m ate  t h d ata  it  co llects  s o   th a th p er f o r m a n ce   o f   t h n et wo r k   is   n o af f e cted .   I n   s o m i n d u s tr ial  s y s te m s   t h a t r el y   o n   s e n s o r s   to   co llect  d ata  an d   in it iate  p r o ce s s ,   h a v i n g   f aili n g   n o d co u ld   lead   to   s h u tti n g   d o w n   p ar o f   th s y s te m   ( o r   s o m eti m es   th e   en tire   s y s te m )   u n til  t h f aili n g   n o d es  ar f ix ed   o r   r ep lace d .   So ,   em p lo y i n g   a n   a p p r o p r iate  d ata  esti m atio n   o r   r ep lace m e n tec h n iq u co u ld   h elp   th ese  s y s te m s   av o id   lo s in g   cr itical  d ata,   o r   h av in g   co r r u p ted   p r o d u cts.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   4 A u g u s t 2 0 2 0   :   3 6 2 3   -   3634   3624   Dif f er en t   d ata  p r ed ictio n   an d   r ep lace m e n s tr ateg ies  h a v b ee n   p r o p o s ed   in   r ec en li ter atu r e.   So m e   d ep en d   o n   u s in g   t h e   h i s to r y   o f   co llected   d ata  f r o m   th e   f ai lin g   n o d e,   lik t h o s i n   [ 4 ] ,   o r   m o v in g   n ei g h b o r in g   n o d to   d o   th w o r k   o f   t h i s   f ailin g   n o d [ 5 ] ,   o r   ch an g i n g   t h r o u te  tr an s m itted   m e s s a g e s   u s in g   li f ti m e   a w ar r o u ti n g   p r o to co ls   [ 6 ] .   Oth er   tech n iq u e s   in v o lv a s s ig n i n g   b ac k u p   n o d f o r   th o s n o d es  th at  ar u n d er   t h th r ea t   o f   f ail in g   [ 7 ] .   T h is   p r o ce d u r e,   alth o u g h   v e r y   e f f icien t,   w o u ld   b v er y   e x p en s iv e.   So m e   o f     th p r o p o s ed   n o d r ep lace m e n t stra te g ies i n   liter atu r co u ld   l ea d   to   h av i n g   t h n et w o r k s   e n er g y   co n s u m p tio n   h ig h er   th a n   it  i s   s u p p o s ed   to   b [ 8 ] ,   esp ec iall y   i n   d an g er o u s   s it u atio n s ,   w h er r ep lace m en i s   n o ea s il y   d o ab le.   No d r ep lace m e n m i g h n o al w a y s   b t h m o s ap p licab le  s o lu tio n s   to   t h ese  f aili n g   n o d es.    T h ese  n o d es  co u ld   b ex p en s i v t y p es  o f   s en s o r s ,   p lace d   in   h ar d - to - r ea ch   ar ea ,   tak to o   m u c h   ti m to   r ea ch   an d   r ep lace ,   o r   r eq u ir c er tain   lev el  o f   ex p er ien ce   f r o m   w o r k er s   w h o   m ig h n o b av ailab le  b y     th ti m o f   t h f ai lu r e.   T h m o s i m p o r tan f ea t u r in   u s i n g   h i s to r ical  s tati s tics   o f   n o d es’   r ea d in g s   is   t h at  est i m a ti o n   er r o r s   ca n   b m i n i m ized   alo n g   t h ti m r ea d in g s   s u b m itted   b y   t h ese  n o d es.  I n   ca s o f   n o d ( o r   co n n ec tiv it y )   f ail u r e,   esti m atio n   o f   t h at  n o d e’ s   d ata  ca n   b u s ed   u s in g   weig h ted   p r ed ictio n   m ec h a n is m   f r o m   th h is to r y   o f   p r ev io u s l y   r e g is ter ed   d ata.   T h u s o f   m icr o co n tr o ller   to   g o v er n   th s to r ag a n d   m a n ag h is to r ical  d ata  p r esen ts   m o r r eliab le  an d   c o s ef f ec ti v tech n iq u f o r   s u c h   d ata  m a n ag e m e n t.  I also   p r o v id es  an   e f f icien t   f ac ilit y   to   ca lc u late  er r o r s   b et w ee n   s u cc es s i v h is to r y   f i les   en tr ies.  T h ese  ca n   b ea s i l y   ac ce s s ed   an d   ad o p ted   in   an   ar ti f icial  i n tel lig e n ce   m o d u le  to   h elp   in   es ti m atin g   m is s in g   d ata  i n   W SN.   So m s y s te m s   w it h   n o d es   h a v r an g o f   v al u e s   t h at  t h e y   c o llect  d ata  al w a y s   f all   w it h i n ,   lik s tea m   s ter ilizer   s y s te m s .   T h ese  t y p es   o f   s y s te m   f ac ilit a te  u s a n   i n t ellig e n tec h n iq u e,   lik e   f u zz y   l o g ic,   ef f icie n t   an d   w o r th y   f r o m   d if f er en asp ec ts f i n an cia l,  o p er atio n al,   an d   en er g y   s a v i n g .   F u zz y   lo g ic  tech n iq u e s   ar e   b ec o m i n g   w id el y   u s ed   in   d e cisi o n   m ak in g   ap p l icatio n   es p ec iall y   th o s r elate d   to   W S b ased   s y s te m s .     T h ey   p r o v id th ab ilit y   o f   d ea lin g   w ith   r ea l - w o r ld   u n ce r t ain t y   p r o b le m s   t h at  ar n o b ased   o n   s tatis tica l   m ea s u r es  [ 9 ] .   th is   tec h n iq u is   co n s id er ed   less   ex te n s i v an d   m o r r eliab le  th an   au to m atic  co n tr o o f   w ir ele s s   d ata  m a n ag e m e n an d   co m m u n ica tio n .   F u zz y   lo g ic  d ea ls   w it h   m is s in g   in p u o r   u n clea r   in p u in   lo g ical  m an n er   t h at  r ese m b les  h o w   h u m a n   m a k e s   d ec is io n s .   T h o b v io u s   ad v an tag o f   u s i n g   f u zz y   lo g ic  i s     th s p ee d   o f   p r o ce s s in g   o f   f u zz y   i n p u t   a n d   p r o d u cin g   d ec is io n s .   F u zz y   lo g ic  r elies  o n   h av in g   lear n i n g     r u les  [ 1 0 ] ,   ac co r d in g   to   w h ich   an   in f er en ce   e n g i n m a k es  d e cisi o n s   r eg ar d in g   th p r o b le m   at  h an d .   T h in p u t   to   th ese  f u zz y   s e ts   is   i n   n a tu r al  lan g u ag ( n o d is cr ete  v alu e s ) .   T h o u tp u ca n   ei th er   b c r is p   o r   in     n atu r al  la n g u a g [ 11 ] ,   alo n g   w it h   co n f id e n ce   lev el s   o f   h o w   ap p r o p r iate”   th p r o d u ce d   o u tp u is   to     th s y s te m s   ap p licatio n .   T h p r o p o s ed   s y s te m   i n   t h i s   s t u d y   w o r k s   o v er   t w o   m a in   s tag e s .   T h f ir s s tag is   b u ild in g     h is to r ical  d ata  ar ch i v t h at  s to r es  ev er y   n o d e’ s   r ea d in g s   o v er   s ev er al  t i m s tep s   ( T S)  an d   th ti m s ta m p   o f   th at  r ea d in g .   T h s ter ilizer   w o r k s   o n   tr ea t m e n o f   m ater ial  b y   ac ti v ati n g   t h tr ea t m e n d ev ice  w h e n   tr ea t m e n t   is   r eq u ir ed   o n   ti m el y   b a s is .   E ac h   o f   t h ese   tr ea t m en t   p h a s es   is   ca lled   a   u n i t’ s   tr ea t m e n r u n .   T h s ec o n d   s tag e   in v o l v es  p r ed ictio n   o f   lo s d at w h en   n o d f ail s .   I esti m at es  lo s d ata  b ased   o n   th o u tp u o f   t h f u zz y   lo g ic   in f er en ce   e n g in th at   is   f ed   with   t h h is to r ical  d ata  an d   t h e   f u zz y   r u les   to   b u ild   t h e s ti m atio n .   d ed icate d   m icr o co n tr o ller   w ill  b i n   c h ar g o f   m o n ito r in g   t h n o d es  an d   d etec ti n g   f ai lin g   n o d es,  an d   t h en   ac tiv a te s     th d ata  r esto r atio n   b y   p r ed i ctio n   tec h n iq u e.   T h m icr o co n tr o ller   is   al s o   r esp o n s ib le   f o r   ar ch i v i n g   an d   lab elin g   h is to r y   d ata  f ile s .   I w o u ld   f ac ilit ate  f etch in g   th c o r r ec f ile  alo n g   w i th   ca lc u lati n g   est i m a tio n   er r o r   to   h elp   t h s y s te m   u s t h a p p r o p r iate  r u le  b ase  f o r   th e   f u zz y   lo g ic  s y s te m   to   g e n er ate  th e   esti m atio n .     T h is   w o u ld   m ak th s y s te m   m o r e f f icie n i n   ter m s   o f   p r o ce s s i n g   a n d   est i m a tio n   s p ee d ,   f u n ct io n alit y ,   a n d   ad ap tab ilit y   w it h   d ea li n g   w it h   v ar io u s   f ai lin g   n o d es sce n ar io s ,   an d   o f   co u r s h a v in g   a   co s ef f ec tiv e   tech n iq u f o r   n o d es r ep lace m en t a n d   d ata  r ec o v er y .   T h r est  o f   th p ap er   w ill  p r esen b r ief   r ev ie w   o f   p r ev io u s   s tu d ie s   r elate d   to   r esto r in g   d ata  f r o m   f aili n g   n o d es  i n   W SNs ,   i n   Se ctio n   2 .   I n   Sectio n   3 ,   an   e x p l an atio n   o f   th p r o p o s ed   alg o r ith m   f o r   r esto r in g   m is s i n g   d ata  f r o m   f ai lin g   f r o m   h i s to r ical  d ata  u s i n g   f u zz y   lo g ic  is   p r esen ted .     Sectio n   4   illu s tr a tes  d if f er e n r u n   s ce n ar io s   w it h   v ar io u s   n o d es’   r ea d in g s ,   an d   s h o w s   a n   a n al y s i s   o f   th e   r es u lts   to   p r o v th e f f icie n c y   a n d   ap p licab ilit y   o f   t h p r o p o s ed   tech n iq u e,   e s p ec iall y   i n   s tea m   s ter ilizer s .   Sectio n   5   p r ese n ts   co n cl u s io n s   an d   f u tu r asp ec ts   o f   th s y s te m .       2.   P RE VIOU S WO RK   His to r ical  d ata  ar u s ed   to   f in d   p atter n   o f   co llected   d ata   th at  ca n   b f ed   to   a   m ac h in lear n in g   s y s te m   to   p r o v id p r ed ictio n   to   f u tu r d ata,   w h ic h   is   v er y   h elp f u i n   ca s es  o f   n o d f ail u r e.   C o m p lex   p atter n s   ar r ec o g n ized   a n d   f ed   i n to   a   m ac h i n lear n in g   cla s s i f ier   i n   t h w o r k   o f   [ 1 2 ]   to   s e n s o r   d ata  o f   p h o n e - b ased   ac ce ler o m eter   f o r   ac tiv it y   r e co g n itio n   o f   m o b ile  p h o n u s er s .   A   p r ed ictiv m o d el  is   b u ilt  to   r ec o g n ize   ac tiv itie s   o f   u s er s   a n d   b u ild s   a   p r ed ictiv m o d el  o f   th e s ac ti v itie s   af ter w ar d s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   d a ta   esti ma tio n   fo r   fa ilin g   n o d es u s in g   fu z z lo g ic  w ith   in t eg r a ted   micro co n tr o ller   in …  ( S a a d   A l - A z z a m )   3625   Usi n g   p r o b ab ilis tic  co m p u tati o n   th at   d ep en d s   o n   h i s to r ical  d ata  o f   n o d es  w a s   ad o p ted   in   th w o r k     o f   [ 1 3 ] .   T h is   u s ed   Ma r k o v   Dec is io n   P r o ce s s es   ( MD P )   to   d ev elo p   p r o b a b ilis tic  ap p r o ac h   to   s p ec if y     th n o d es  t h at  ar i n   n ee d   to   b r ep lace d ,   an d   co llect  s tatis tical  d ata  b ased   o n   p as b eh a v io r   o f   t h n o d es  i n     th n et w o r k .   T h en ,   th e s d ata  ar u s ed   to   d eter m i n s u itab le  p o lic y   f o r   n o d r ep la ce m en b y   f i n d in g     an   est i m ate   o f   t h lo n g   r u n   co s t o f   r ep laci n g   th n o d ( o r   th en er g y   s o u r ce ) .   T h is   m e t h o d   co u ld   b in e f f icien t   to   r ea ch   n o d e,   an d   t h co m p u tatio n s   ar d o n r ep ea ted ly   w h ich   co u ld   w a s te  co m p u tatio n al  r eso u r ce s .     I n   th w o r k   o f   [ 1 4 ] ,   in tr u s io n   d etec tio n   m o d el  i n   W SN  h as  b ee n   d ev elo p ed   b ased   o n   Ma r k o v ia n   I n tr u s io n   Dete ctio n   S y s te m   ( M - I DS)   t h at  p r ed icts   w h at  n o d es  ar p r o n to   attac k s ,   an d   p r ed ict  a n o m a l y   an d   m is u s e   b eh av io r   o f   n o d es  b y   in te g r at in g   g a m th eo r y   a n d   MD P .   T h is   w ill  h elp   in   d ec id in g   wh at  th b est  d ef e n s e   s tr ateg y   to   ap p l y .   An o d f ai l u r av o id an ce   s tr ate g y   r eq u ir es  co n s tan m o n ito r in g ,   a n d   co u ld   m ea n   lar g a m o u n t o f   s to r ed   d ata  to   b e   k ep t f o r   v er y   lo n g   p er io d s   o f   ti m e.   Fu zz y   lo g ic   w as  u s ed   to   p r e d ict  w h ic h   n o d is   t h m o s t   s u i tab le  n o d to   b clu s t er   h ea d   in     W SN  [ 1 5 ,   1 6 ] .   His to r ical  d ata  o f   all   n o d es  i n cl u d in g   r ate   o f   r ec u r r en co m m u n icatio n ,   r esi d u al  p o w er ,   d eg r ee   o f   n ei g h b o r in g   n o d es,  a n d   d is t an ce   to   b ase  s tatio n   ar tr ac k e d   an d   in p u i n to   t h f u zz y   lo g i d ec is io n   s y s te m .   T h d ec is io n   s y s te m   ca lc u lat es  th p r o b ab ilit y   o f   n o d to   b clu s ter   h ea d ,   b ased   o n   th h is to r y   o f   co m m u n icatio n   b et w ee n   th n o d an d   th b ase  s tatio n .   Yet  th d ata  th at  is   co llecte d   f r o m   t h ese  n o d es    ( clu s ter   h ea d s   a n d   o th er   n o d es)  ar n o p u in to   f o cu s .   T h d ata  its elf   co u ld   b lo s d u r in g   t h clu s ter   h ea d   ass i g n in g   p r o ce s s a n d   n o   b a ck u p   o f   th e   d ata  its el f   i s   p r esen ted . T h u s o f   f u zz y   lo g i in   es ti m atio n   o f   m is s i n g   d ata  b ased   o n   h is to r ic al  d ata  h as   b ee n   tac k led   a n d   p r o v en   to   b e f f ic ien t   [ 1 7 1 8 ] .   T h h is to r ical  d ata   th at  w a s   co llected   w h e n   t h e   s y s te m   w a s   w o r k in g   w i th   p er f ec o p er atio n   w o r k   i s   t h f u zz y   i n p u to     th i n f er en ce   e n g in e.   T h ese  d ata  ar w ei g h ed   a n d   p r o ce s s ed   u s i n g   t h r u les  i n   t h r u le  b ase  to   p r o d u ce   m u ltip le  esti m atio n s ,   w it h   co n f id en ce   le v els o f   h o w   e f f icien t   th ese  d ata  w ill b to   m a k th e   s y s te m   w o r k .   Ver y   li m ited   n u m b er   o f   r ec en r esear ch   w as  f o u n d   th at   e m p lo y s   A r tific ial  I n te lli g e n ce   ( A I )   in   esti m atio n   o f   d ata  in   f aili n g   n o d e.   Ho w e v er p r ed ictin g   f ac to r s   an d   lev el s   o f   s o m e   n atu r al  ele m en ts ,     lik t h w o r k   o f   [ 1 9 ]   w a s   i m p le m en ted .   I n   t h eir   r esear ch ,   th h is to r y   o f   w ea th er   d ata  a n d   r e m o te   s e n s i n g   i m a g es  w a s   f ed   in to   a n   e n s e m b le  est i m at io n   s y s te m   to   p r ed ict  th o cc u r r e n ce   o f   f o r est   f ir es.  T h e y   d id   n o t   m en tio n   a   r ec o v er y   s tr ateg y   f o r   f aili n g   d ata  co llec tio n   m et h o d s ,   w h ich   is   v er y   li k el y   to   h ap p en   i n   ca s o f   f o r est  f ir es.   E n er g y   i s   co n c er n   i n   s y s te m s   t h at  e m p lo y   W SN  w it h in   it s   s tr u ct u r e.   T h is   m ad p r eser v i n g   n o d es’  en er g y   a n d   m in i m izin g   it s   co n s u m p t io n   in   d ev elo p i n g   d ata  e s ti m atio n   s tr ate g ie s   t h s u b j ec o f   m a n y   r esear ch es  [ 2 0 ] .   Mo s o f   th af o r e m e n tio n ed   s t u d ies  f o cu s   o n   o n asp ec o f   d ata  esti m atio n   in   f aili n g   n o d es.   So m eti m es  t h d ata  its elf   w a s   n o o f   i m p o r tan ce   to   s o m s t u d ies.  T h h is to r ical  f ile s   ar n o p r esen ted   w it h   an   ea s y   to   r etr iev a n d   r e - u s s tr u ct u r in   m o s o f   t h r esear ch es.  E n er g y   a n d   co s ef f ec tiv p r o ce d u r es  w er e   o n l y   ta k en   f r o m   t h f aili n g   n o d e’ s   asp ec t o n l y ,   n o t t h en t ir n et w o r k s   p er f o r m a n ce .   Mo s o f   th e   r esear ch e s   m e n tio n ed   ab o v m ad atte m p ts   to   s o lv t h n o d f ai lu r p r o b le m   f r o m   o n e   asp ec t;  eit h er   b y   p r ed ictin g   d a ta  f r o m   lo s n o d ( lik t h w o r k   in   [ 6 ]   )   o r   f in d i n g     th e   m o s s u itab le  n o d e”   to   r ep lace   th f aili n g   n o d ( as  in   th w o r k   in   [ 2 1 ]   ).   T h w o r k   o f   [ 2 2 ]   f o cu s ed   o n   h a n d lin g   n o d es  in   W SN  th a t   is   o p ted   f o r   w ea t h er   f o r ec ast.  T h ey   p r o p o s ed   g r ee d y   al g o r i th m   to   co n s tr u ct  b ar r ier   in   h eter o g en eo u s   W SN  w h er m o b ile  n o d es a r u s ed   t o   co n s tr u ct  a   b ar r ier   w h en   th w ea t h er   c h an g es I n   t h is   w o r k ,   b o th   s o lu tio n s   ar e   co n s id er ed to   m a k t h alg o r it h m   ad ab tab le  b y   al m o s all  ap p licatio n s   o f   W SN s . T h is   is   tr u f o r   r ea l - ti m d ata   h ar v e s tin g   an d   m o n ito r i n g   ( as   in   tr af f ic  co n t r o l)   an d   f o r   d at b ased   W SNs   ( as  in   ap p licat io n s   o f   m o n ito r in g   cli m ate  c h an g e s   in   s o m ar ea ) .       3.   E S T I M AT I N G   M I SS I N G   D AT O F   F AIL E S E N SO R S   T h tech n iq u p r ese n ted   i n   th is   r esear c h   i s   b ased   o n   g etti n g   r ea d in g s   f r o m   s ets   o f   s e n s o r s   th a ar e   d is tr ib u ted   i n   s tea m   s ter iliz i n g   u n it.  T h co llected   d ata  ar s en t   w ir eles s l y   to   t h b ase  s tatio n   ( t h co n tr o s tatio n ) ,   m a n a g ed   an d   s to r ed   th r o u g h   d ed i ca ted   m icr o co n tr o ller .   A   h is to r ical  d ata  f ile  i s   b u ilt  an d   lab elled   ea ch   ti m th u n it  r u n s   f o r   tr ea t m en p r o ce s s .   T h d ata  ar s en o v er   s e v er al  ti m s tep s   p er   r u n ,     w it h   m i n u te s   p er io d ,   s u ch   as  5   m in u te s ,   f o r   ea ch   ti m s t ep .   A   f u zz y   lo g ic  m o d u le  i s   a ctiv ated   in   ca s o n e     ( o r   m o r e)   s e n s o r   n o d f aile d   to   esti m a te  t h m is s in g   d ata.   r ep r esen tatio n   o f   s y s t e m s   s tr u ct u r a n d   co m p o n e n t s   ar s h o w n   in   Fig u r 1 .     I n   Fig u r 1 ,   th er ar f o u r   m ai n   t y p es  o f   s e n s o r s   t h at  r ea d   d a ta  ar o u n d   s ter ilizin g   u n it  o v e r   s ev er al   ti m e   s tep s .   T h ese  ar r ea d   te m p er atu r e,   h u m id it y ,   lu m i n o u s   ( L UX) ,   a n d   v o ltag e   v a lu e s .   T h ese  v alu e s   ar s en to   th b ase  s tatio n   ( co n tr o r o o m )   w h er t h e y   ar m o n ito r ed   an d   tu n ed   as  n ee d ed   b y   t h m icr o co n tr o ller .   W h en   a   n o d f ail s ,   t h f u zz y   lo g ic   m o d u le   is   ac ti v ated .   I t   r ea d s   th e   late s o p ti m al  tab le s   en tr ie s   s to r ed   in     th m e m o r y   u n i o f   t h m i cr o co n tr o ller   to   b eg in   t h e s ti m atio n   p r o ce s s ,   a n d   co n ti n u w o r k i n g   w it h     th esti m ated   v alu e s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   4 A u g u s t 2 0 2 0   :   3 6 2 3   -   3634   3626       Fig u r e   1 His to r ical - f u zz y   d ata   esti m a tio n   s y s te m s   s t r u c tu r w it h   m ai n   co m p o n e n ts       Vo ltag s e n s o r s   ar u s ed   to   m o n ito r   s y s te m   p o w er   co n s u m p tio n   to   ca lc u late  tr ea t m e n co s in   ter m s   o f   en er g y   an d   co m p u ted   lo ca ll y   in   t h b ase  s tat io n   u s i n g   ( 1 ) .     p o w er _ co n s u m p tio n   v o ltag e   *   cu r r en t   ( 1 )     On ce   t h s ter ilizi n g   u n it  s tar ts   f u n ct io n i n g   in   th e   f ir s r u n ,   p r im ar y   f ile  w i th   th e   f ir s r u n s   r ea d in g   is   i n itiated .   T h m icr o co n tr o ller   r eg is ter s   th e s d ata  an d   “m e ta  d ata”   in   f o ld er   lab eled   w it h   t h r u n s   n u m b er   o f   th at  r ea d i n g .   Fo r   ea ch   o f   t h s e n s o r s ,   t h is   tab le  is   ca lle d   th o p ti m al  tab le”  s in ce   th er ar n o   p r ev io u s   d ata  to   b c o m p ar ed   to .   T h is   p r o ce s s   is   s u m m ar ized   in   t h te x t b o x   in   Fig u r 2 .           Fig u r e   2 A l g o r ith m   f o r   th f ir s t tr ea t m e n t r u n       On   t h f o llo w i n g   tr ea t m e n t   r u n s ,   t h r ec ei v ed   d ata  f r o m   t h n o d es  ar ac cu m u lated   i n   th tab les .   T h ese  v alu e s   ar co m p ar ed   w ith   t h o s i n   t h o p ti m al  tab le.   T h d ata  er r o r   b etw ee n   t h d ata  in   th o p ti m al   tab le  an d   th n e w   tab le  is   ca lcu lated   ac co r d in g   to   th eq u at io n =   1 ,   w h er   is   th d ata  w ei g h o f   th v a lu e s   i n   th o p ti m al  tab le   an d   R   is   th r u n s   n u m b er .   T h d ata  in   t h o p ti m a tab le  ar u p d ated   af ter   ea ch   r u n   to   g et  n e w   w ei g h ts .   T h n e w   d ata    is   ca lcu lated   u s in g   ( 2 ) .     = ( 1 + ( × ) ) × ( (   ×   ) + ( ×   ) )   ( 2 )     W h er p   is   p ar a m eter   s e b y   u s er ,   r an g i n g   [ 0 . 0   -   1 . 0 ] ,   an d   s   is   s i g n al   p ar a m eter   t h at  h a s   b in ar y   v alu o f   1   o r   - 1 ,   d ep en d in g   o n   u s er   p r ef er en ce . is   th ac t u al  d ata  r ea d   f r o m   t h s e n s o r   at  r u n   r .     is   th o ld   d ata  an d   is   t h w ei g h r ea d   f r o m   th o p ti m al  tab le.   T h v alu o f   s   i s   s et  to   +1   if   t h a cq u ir ed   v alu e   i s   g r ea ter   th a n   th e   o n i n   th o p ti m al   tab le  a n d   s et  to   - 1   i f   it  less .   T h is   p ar a m eter   e n s u r es  t h at  t h e s ti m atio n   s y s te m   d o es n k ee p   in cr e m e n ti n g   co n s ta n tl y .   T h v alu o f   p   is   s et  b y   t h h u m a n   c o n tr o ller   to   en s u r e   s m o o th n e s s   o f   t h alter atio n   o f   esti m ated   v al u es.    I n   o th er   w o r d s ,   it  in d icate s   h o w   f a s th tr an s itio n   d o es   f r o m   o n v al u to   t h o th er   c h an g es.  T h v alu o f   p   co u ld   b alter ed   later   o n   to   u s a n   A I   m e ch a n i s m   f o r   Input: Sensors Readings   Output: Optimal Table with Estimated Values   Begin   1. store sensors’ data in history file   2.  build meta - data file and add run’s readings   3. build optimal table using first run’s data   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   d a ta   esti ma tio n   fo r   fa ilin g   n o d es u s in g   fu z z lo g ic  w ith   in t eg r a ted   micro co n tr o ller   in …  ( S a a d   A l - A z z a m )   3627   au to m at ic  s etti n g .   T h p   v alu is   b alan ce d   b ased   o n   t h s u b m it ted   v al u ( g r ea ter   t h an   o r   eq u al  to   0 . 5   o r     less   t h an   0 . 5 ) .   T h ch o ice  o f   th e   p   v al u p r o v id es  an   in d icat io n   o f   h o w   m u c h   c h an g d o es  t h u s er   w a n in     th e s ti m ated   d ata.   I f   p   v al u is   h i g h   ( lik e   0 . 8 ) ,   th s y s te m   w il r esp o n d   to   ch a n g es   f a s ter   th a n   if   p   v alu e   i s   s m al ( lik 0 . 2 ) .   C h o o s i n g   p   v alu d ep en d s   o n   ap p licatio n   ch an g e.   I f   t h r ea d   s ig n al  i s   s tab le  b u n o is y ,     p   v alu m u s t b s m a ll,  o r   o th er w i s e;  th s y s te m   w ill b u n s t ab le  a s   it  w i ll r esp o n d   to   n o is e .   T h d ata   in   th o p ti m al  tab le  is   u p d ated   af ter   ev er y   r u n   ac co r d in g   to   ( 2 ) .   T h is   i m p lies   th at     th esti m at io n   er r o r   w ill  b r ed u ce d   w h en   m o r d ata  is   ac q u ir ed   f r o m   t h s y s te m .   T h f ir s r u n   p r o b ab ly   h a s   th h i g h est  er r o r   s in ce   th er is   n o   p r ev io u s   d ata  to   co m p ar it  to .   T h is   er r o r   v alu is   s to r ed   s ep ar ately ,   an d   ad d ed   to   th m e ta - d ata  f ile.   Y et,   it  is   v er y   u n li k el y   f o r   n o d to   f ail  o n   t h f ir s r u n   o f   th s y s te m   ( t h i s   m ea n s     th s y s te m   is   v er y   u n r eliab le ! ) .   Fig u r 3   s h o w s   d esi g n ated   s tep s   o f   th al g o r ith m   to   co m p u te  th av er a g ed   er r o r s   af ter   th f ir s t r u n .           Fig u r e   3 A l g o r ith m   f o r   co m p u ti n g   a v er eg ed   er r o r s   an d   u p d atin g   o p ti m al  tab le       A   s eg m e n o f   t h o p ti m al   tab le  is   s h o w n   i n   T ab le  1 .   I p r e s en t s   t w o   s e n s o r s o n f o r   te m p er at u r e   ( T em p _ s en s o r _ 1 )   an d   an o th er   f o r   h u m id it y   ( H u m _ s e n s o r _ 1 ) ,   ea ch   w it h   th co llected   d ata  o v er   3   ti m s tep s   in   o n o f   th tr ea t m e n r u n s .   O n c th tab le  is   b u ilt  an d   ac cu m u latio n   o f   d ata  is   u s ed   to   u p d ate  it  af ter   ev er y   r u n ,   it  is   s to r ed   o n   t h m icr o co n tr o ller s   m e m o r y   ca r d   to   b u s ed   f o r   esti m atio n   i n   ca s o f   n o d f ail u r e.   T h ese  d ata  ar r etr iev ed   f r o m   t h m e m o r y   w h e n   a   n o d f ails .   T h ap p r o p r iate  d ata  f ile  is   f etc h ed   f r o m   t h m e m o r y   b y   s ca n n i n g   th e   m eta - d ata  f ile   a n d   g et   d ir ec tl y   to   th f o ld er   w h er t h s e n s o r s   d ata  a n d   r u n s   d ata  ar s to r ed .   T h is   m ak e s   th f etc h in g   p r o ce s s   f a s ter   an d   m o r ef f icie n t,   an d   cu t - o u th ti m n ee d ed   b y   t h f u zz y   lo g ic  m o d u le  i n   p r ed ictin g   m i s s i n g   d ata.       T ab le  1 P ar t o f   r eg is ter ed   d at   f r o m   th o p ti m al  tab le  co n s t r u cted   f o r     s ter ilizin g   r u n   o v er   d if f er e n ti m s tep s   ( T S)   T i me   S t e p s/ S e n so r s   T S 0   T S 1   T S 2   T S 3   T e mp _ se n so r _ 1   ( i n   C e l si u s   D e g r e e s)   5 0   ° C   5 0 . 2 ° C   5 0 . 3 ° C   5 0 . 6 ° C   H u m_ se n so r _ 1   ( i n   p e r c e n t a g e )   4 2 . 2 %   4 2 . 1 %   4 2 . 0 %   4 1 . 6 %       T h d esig n ated   d ata  ar u n if ied   th r o u g h   m e m b er s h ip   f u n ct io n .   T h is   is   to   d ef in h o w   ea c h   o f     th m e m b er s   v al u e s   in   t h i n p u ca n   b m ap p ed   to   d eg r ee   o f   m e m b er s h ip .   T h m e m b er s h ip   p u t s   th e s e   v alu e s   i n   th e   i n ter v al   [ 0 , 1 ]   in   t h f u zz if icatio n   p r o ce s s   b ef o r u s in g   th e m   b y   t h i n f er en ce   en g i n e.   T h ea s iest   an d   m o s d ir ec n o r m aliza tio n   p r o ce s s   is   to   ass u m t h at  th l o w est  v al u in   th o p ti m a tab le  ( p er   s en s o r )   is   0 ,   an d   th h i g h e s is   1 ,   an d   m ap   ea ch   o f   th r e m ai n i n g   v alu e s   to   th s ca le  b et w ee n   t h e m .   E q u ati o n   ( 3 )   is   u s ed   in   th n o r m aliza tio n   p r o ce s s .     =   ( ) × 1 ( ma x   min   )   ( 3 )     W h er is   th n e w   n o r m al ized   v alu an d   x   is   th v alu to   b e   n o r m alize d ,   m a x   an d   m i n   ar e     th m a x i m u m   an d   m i n i m u m   v al u es   in   t h tab le,   r esp ec ti v el y .   T h r esu lti n g   v al u e s   ar p lace d   in   a   n e w   te m p o r ar y   tab le.   T h ese  v a lu e s   ar th e n   f ed   i n to   t h i n f er en c en g in to   p r o d u ce   p r ed icted   d ata  f o r   th f ail in g   n o d e.   T h d ata  in   th o p ti m a tab le  an d   th d ata  f r o m   t h e   last   r u n   ( o r   an y   r u n   d eter m i n ed   b y   t h h u m a n   co n tr o ller ,   s in ce   s o m r u n s   h av s i m ilar   co n d itio n s   t h at   o th er   tr ea t m en r u n s   d o n t)   ar u s ed   to   p r o d u ce     th esti m at io n .   T h d ata  esti m atio n   p r o ce s s   o f   f ai lin g   n o d esis   s u m m ar ized   in   t h Fi g u r 4 .   Input: Sensors Readings, Optimal Tabl e   Output: Updated Optimal Table, Averaged Error   Condition:  r > 1   1. add sensors’ data of run  R   to history file   2. update meta - data file and add all sensor’s readings   3. update optimal table using (3)   4. Compute Error value for every sensor    between R ̥ and   R r   5. average errors from all sensors’ data in run r   6. store averaged error in meta - data file   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   4 A u g u s t 2 0 2 0   :   3 6 2 3   -   3634   3628       Fig u r 4 Data   esti m a tio n   p r o ce s s   o f   f aili n g   n o d es       I is   w o r t h   m en tio n i n g   a g ain   th at  t h e s ti m atio n   er r o r   w a s   r ed u ce d   in   t h o p ti m al  tab le s   b u ild i n g   p r o ce s s .   T h is   er r o r   is   f u r t h er   r ed u ce d   th r o u g h   t h r u les  u s e d   b y   t h r u le  b ase  u s ed   b y   t h in f er en ce   e n g in e.   T h h ig h e s er r o r   w ill  ex i s i f   th n o d f ails   at  t h f ir s r u n   ( w h ic h   is ,   as  m en tio n ed   b ef o r e,   v er y   u n l ik el y ) ,   s in ce   t h d ata  in   th o p ti m al   tab le  is   th s a m as  th d at in   th cu r r en tr ea t m en r u n .   Fig u r 5   s h o w s     th er r o r   v alu es  i n   t h f ir s r u n   f o r   o n o f   t h te m p er at u r s en s o r s ,   an d   Fig u r 6   s h o w s   t h er r o r   af ter   f o u r   r u n s   f o r   th s a m s en s o r .             Fig u r 5 .   E r r o r   v alu es i n   te m p er atu r in   1 s tr u n     Fig u r e   6 .   E r r o r   v alu es i n   te m p er atu r in   4 th r u n       Fig u r 5   s h o w s   th a th esti m ated   er r o r   is   0   b ef o r m i n u te  5   ( b ef o r th f ailu r e) ,   b ec au s th er is   n o   d if f er e n ce   b et w ee n   r ea d   d ata  an d   d ata  i n   t h o p ti m al  tab le.   T h o p tim a tab le  i s   b ei n g   f i ll ed   w h ile  th e   s y s te m   is   r u n n i n g   f o r   th f ir s ti m i n   th i s   tr ea t m en t.  W h e n   f ail u r h ap p en ed   at  m i n u te  5 ,   th e   e r r o r   v alu s p ik ed   to   ar o u n d   4 5 °C ,   s i n ce   t h r ea d   v alu e   i n   la s r ea d i n g   f r o m   t h at  s e n s o r   w a s   4 5 °C   an d   th er e’ s   n o   n e w   d ata   to   u p d ate  th o p ti m al  tab le  f r o m .   T h er r o r   co n tin u es   to   r is a s   th e   s y s te m   co n ti n u e s   r u n n i n g   w it h o u n e w   d ata   co m in g   f r o m   t h at  n o d to   u p d ate  th e   o p ti m al   tab le  p r o p er l y .   T h er r o r   d r o p p ed   ag ain   a f te r   m i n u te  2 5 ,   s i n ce   th te m p er at u r v al u d r o p p ed   w it h i n   th is   tr ea t m en t.   T h d ata  r e p r esen ted   in   Fi g u r 6   s h o w s   th a th er r o r   v alu e s   ar al m o s s tead y .   Si n ce   th s y s te m   h a s   s to r ed   d ata  ab o u t   p r ev io u s   tr e at m e n r u n s ,   t h h is to r ical  esti m atio n   p r o d u ce s   an   er r o r   v al u o f   0   f o r   th f ir s m i n u te   o f   tr ea t m e n t.  Si n ce   d ata  w a s   co llected   f r o m   p r ev i o u s   r u n s ,   t h ca lc u lated   e s ti m ated   er r o r   r an g es   b et w ee n   - 4 ° C   an d   +5 °C ,   w h ic h   is   v er y   g o o d   r an g e.   Failu r h ap p en ed   at  m i n u te  5   o f   th e   r u n ,   y et  t h er r o r   v alu e s   r e m ai n ed   s tab le,   an d   t h s y s te m s   p er f o r m an ce   w a s   n o t a f f ec ted .   Af ter   esti m ated   er r o r s   ar ca l cu lated ,   th e y   ar f ed   to   th in f er en ce   en g i n i n   th f u zz y   lo g ic  m o d u le  to   b u s ed   as   w ei g h to   t h o p tim a tab le   v alu e s .   An   es t i m ate  o f   t h ac t u al  v al u t h a co u ld   h a v b ee n   co llected   f r o m   t h at  f ailed   s e n s o r   i s   p r o d u ce d .   T h r u le   e v alu a tio n   p r o ce d u r in   th e   f u zz y   lo g ic   m o d u le    Input: optimal table, average of errors   Output: error, new - error   1. Generate an estimation using Fuzzy Logic      1.1. input optimal table & average of errors      1.2. normalize each data in the optimal table, add error as a weight  for each value      1.3. compu te estimated value for failing node.   2. compute error between optimal table and estimated value:   3.If (error <error_threshold)       Continue treatment with estimated value      Else       Compute new error between estimated and previous runs of the failing  node, get least error value.   3.1. if (new_error<error_threshold)          Continue treatment with data from history file        Else         Shutdown system and discard treated material   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   d a ta   esti ma tio n   fo r   fa ilin g   n o d es u s in g   fu z z lo g ic  w ith   in t eg r a ted   micro co n tr o ller   in …  ( S a a d   A l - A z z a m )   3629   ( f o r   b o th   r u les   a n tece d en t s   an d   co n s eq u en t)   i s   u s ed   b y   th f u zz y   lo g ic s   i n f er en c en g i n to   p r o d u ce     th o u tp u t.  T h o u tp u t   r ep r esen t s   t h n o r m al ized   v al u es   ( n o ac tu a l)   o f   th e   s e n s o r s   ex p ec ted   r ea d in g s .     T h ese  n o r m al ized   v al u es   ar m ai n l y   u s ed   to   te s t h r e s u l ts   o f   t h s y s te m   b e f o r th d e - f u zz i f icatio n   p r o ce s s .   A   s i m p li f icat io n   o f   t h g e n er al   s tr u ct u r o f   th f u zz y   lo g ic  te ch n iq u is   s h o w n   in   Fig u r 7 .           Fig u r 7 .   Fu zz y   lo g ic  m o d u le  b asic o p er atio n s       T h f u zz if ica tio n   p r o ce s s   b eg i n s   w it h   ta k i n g   t h n u m er ic   v a lu es   f r o m   t h o p ti m al  tab le,   wh er ea c h   n o d s en d s   it s   d ata  ite m   x   t h at   is   in   t h u n i v er s o f   d is co u r s d esig n ated   f o r   th at  n o d ( te m p er atu r v alu e s   f o r   ex a m p le  s h o u ld   b in   th r an g [ 1 0 °C     90° C ] ) .   A   s a m p le  o f   in p u r ec eiv ed   f r o m   s o m o f   th ese  n o d es  is   illu s tr ated   in   T ab le  2.       T ab le   2 Sam p le  r ea l - t i m d at r ea d   b y   th s e n s o r s   f o r   n i n t i m es   T e mp _ 1   T e mp _ 2   T e mp _ 3   H u m_ 1   H u m_ 2   H u m_ 3   L u x _ 1   L u x _ 2   L u x _ 3   2 1 . 1 6 5   2 1 . 1 6 5   2 1 . 1 6 5   0 . 2 1 2   0 . 2 1 2   0 . 2 1 2   2 . 6 4 7   2 . 6 4 7   2 . 6 4 7   2 0 . 6 5 7   2 0 . 6 5 7   2 0 . 6 5 7   0 . 2 0 6   0 . 2 0 6   0 . 2 0 6   2 . 6 8 6   2 . 6 8 6   2 . 6 8 6   2 0 . 1 3 5   2 0 . 1 3 5   2 0 . 1 3 5   0 . 2 0 1   0 . 2 0 1   0 . 2 0 1   2 . 7 0 6   2 . 7 0 6   2 . 7 0 6   2 0 . 4 4 2   2 0 . 4 4 2   2 0 . 4 4 2   0 . 2 0 4   0 . 2 0 4   0 . 2 0 4   3 . 8 9 7   3 . 8 9 7   3 . 8 9 7   1 9 . 4 2 3   1 9 . 4 2 3   1 9 . 4 2 3   0 . 1 9 3   0 . 1 9 3   0 . 1 9 3   3 . 2 1 5   3 . 2 1 5   3 . 2 1 5   2 1 . 8 4 6   2 1 . 8 4 6   2 1 . 8 4 6   0 . 2 1 7   0 . 2 1 7   0 . 2 1 7   7 . 3 9 9   7 . 3 9 9   7 . 3 9 9   2 0 . 2 3 9   2 0 . 2 3 9   2 0 . 2 3 9   0 . 2 0 1   0 . 2 0 1   0 . 2 0 1   6 . 0 8 4   6 . 0 8 4   6 . 0 8 4   2 2 . 0 0 7   2 2 . 0 0 7   2 2 . 0 0 7   0 . 2 1 9   0 . 2 1 9   0 . 2 1 9   9 . 5 4 1   9 . 5 4 1   9 . 5 4 1   2 0 . 5 0 4   2 0 . 5 0 4   2 0 . 5 0 4   0 . 2 0 3   0 . 2 0 3   0 . 2 0 3   8 . 3 7 3   8 . 3 7 3   8 . 3 7 3       T h r u le  b ase  i n   t h is   f u zz y   lo g ic  f u n c tio n s   is   b ased   o n   S u g e n o ”  m et h o d   [ 2 3 ] .   A   s i n g le  s p ik o f   d ata,   ca lled   s i n g leto n ”,   is   u s ed   a s   th m e m b er s h ip   f u n ctio n   o f   th r u le  co n s eq u e n t.  Op p o s ed   to   th is   m et h o d   is   Ma m d an i”   m e th o d   w h ic h   i n teg r ates  ac r o s s   co n ti n u o u s l y   v ar y i n g   f u n ctio n   to   f i n d   ce n tr o id   o f   t w o - d i m en s io n al   s h ap [ 2 4 ,   2 5 ] .   Fo r   ex a m p le,   f o r   f u zz y   v ar iab l es  x ,   y   an d   z   t h at  ar p ar ts   o f   f u zz y   s ets   A   a n d   B   th at  b elo n g   to   th e   u n i v er s e   o f   d is co u r s X   an d   r esp ec ti v el y ,   r u le  e v al u atio n   co m es   i n   t h f o r m   p r ese n ted   in   f o r m u la  ( 4 )   [ 2 3 ] .   T h ( . )   is   m at h e m a tical  f u n ctio n .   I n   ze r o - o r d er   Su g en o   f u zz y   m o d el,   th f u n c tio n   is   ev al u ated   to   co n s ta n t k   w h o s v alu d eter m in e s   t h v al u e   o f   th s i n g leto n   r es u lti n g   f r o m   th i n f er en ce .                                ( . )   ( 4 )     Fo r   th r ee   s e n s o r s   i n   F ig u r 1 ,   f o r   ex a m p le,   th er ar n i n r u les  u s ed   b y   t h f u zz y   lo g ic  m o d u le,   o n e   f o r   ea ch   s en s o r   ( E x ce p Vo ltag s en s o r s ) .   T h ese  r u les  h av b ee n   ev alu ated   to   co n f id e n ce   lev els  b ased   o n     th er r o r   ca lcu lated   w h e n   b u il d in g   t h e   o p ti m al  tab le.   A   s a m p le  o f   th r u le s   w it h   as s o ciate d   co n f id en ce   le v el s   ar illu s tr ated   i n   T ab le  3 .   I n f e r en ce   o f   o u tp u u s i n g   t h r u le  b ase  ad o p ts   th “Su g e n o ”  in f e r en ce   m et h o d   [ 2 3 ] .   T h r u le  ev alu at io n   p r o ce s s   is   illu s tr ated   in   Fi g u r 8 .       T ab le  3 .   Fu zz y   r u les  m ap p ed   to   h is to r ical  d ata  r etr iev ed   f r o m   o p ti m al  tab le,     w h er L   f o r   L o w ,   f o r   Me d i u m ,   a n d   f o r   Hig h   R u l e #   1   2   3   4   5   6   7   8   9   H i st o r i c a l   C o n f i d e n c e   L   M   H   L   M   H   L   M   H       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   4 A u g u s t 2 0 2 0   :   3 6 2 3   -   3634   3630       Fig u r 8 .   Su g e n o   r u le s   ev al u at io n   p r o ce s s       On o f   t h m o s tl y   u s ed   d e - f u z zif icatio n   f u n ctio n s   u s ed   w it h   Su g en o   m et h o d   is   th ce n ter   o f   g r a v it y   f o r   s in g leto n ”  as s h o w n   i n   ( 5 ) .       =   [ ] = 1 [ ] = 1   ( 4 )     W h er is   th cr is p   o u tp u t,  u   is   t h o u tp u v ar iab le,   µ  is   t h m e m b er s h ip   f u n c tio n   ( i n v e r s o f   th o n u s ed   f o r   f u zz i f icatio n )   u s ed   a f ter   ac cu m u lat io n   o f   v al u es.  T h d e - f u zz if ica tio n   p r o ce s s   is   d o n i n   s i m ilar   m a n n er   s h o w n   i n   Fi g u r 9 ,   th at  is   ad ap ted   f r o m   t h w o r k   i n   [ 1 0 ] ,   f o r   te m p er at u r v a lu e s   u s ed   in   t h n o d e’ s   d ata   p r ed ictio n   f o r   ex a m p le.   T h r esu lt in g   cr is p   o u tp u f r o m   th e   d e - f u zz i f icatio n   p r o ce s s   i s   s e n to   th co n tr o ller s   to   h elp   t h e m   m ak e   d ec i s io n   r e g ar d in g   t h tr ea t m en u n it s   f u n ctio n al it y   an d   t h m ater ial  b ei n g   tr ea ted   v alid it y .           Fig u r 9 .   D e - f u zz i f icatio n   p r o ce s s   ( A d ap ted   f r o m   th w o r k   i n   [ 1 0 ] )       4.   I M P L E M E NT AT I O A ND  T E ST I N G   T h s y s te m   w as  test ed   i n   s t ea m   s ter ilizer   i n   f ac to r y .   T h s en s o r   n o d es  ar p u i n   r o u g h   w o r k   en v ir o n m e n t,  w h er s tea m   an d   h ig h   a n d   f l u ctu at in g   te m p er atu r h as  d ir ec ef f ec o n   t h e s s en s o r s   li f eti m e.   T h is   m a k es  m o s o f   th w o r k i n g   n o d es  p r o n to   f aili n g ,   an d   r ep lacin g   t h e m   m ig h n o b an   ea s y   tas k   s in ce   s to p p in g   t h s ter ilizer   in   t h e   m id d le  o f   tr ea tm e n p r o ce s s   w o u ld   m ea n   eit h er   lo s in g   th m ater ial  b ein g   tr ea ted   o r   lo s in g   ti m e.   I n   b o t h   ca s es,  it  m ea n s   m o n e y   f o r   th f ac to r y   an d   b u s i n ess   o w n er .   E v alu a tio n   o f   t h v alid it y   an d   ap p licab ilit y   o f   t h p r o p o s ed   p r o ce d u r w as   test ed   in   s i m u latio n   o f     s tea m   s ter il izatio n   u n it  s i m il ar   to   th o s u s ed   in   f o o d   p r o ce s s i n g   e s tab lis h m en t s .   A ll  s e n s o r s   in   th tr ea t m en t   u n i ar co n n ec ted   to   a   b ase  s tatio n   w h er a   h u m a n   u s er   m o n ito r s   th e   en tire   s y s te m   co n s ta n tl y ,   a n d   m ak e s   d ec is io n s   r e g ar d in g   t h u n it   ( o r   th tr ea ted   m ater ial)   if   a n y th in g   w e n w r o n g .   E ac h   g r o u p   o f   s en s o r s   w a s   co n n ec ted   w ir ele s s l y   to   d e d icate d   m icr o co n tr o ller .   T h m icr o co n tr o ller   s to r es  r ec ei v ed   d ata  f r o m   ea c h   s en s o r   o v er   p r e - d eter m i n ed   tim s tep s .   I cr ea tes  an d   u p d ates  th o p ti m al  tab le  to   b u s ed   in   ca s o n o f     th n o d es  f ails   a n d   s to p s   s e n d i n g   d ata.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   E lec  &   C o m p   E n g     I SS N:  2 0 8 8 - 8708       A   d a ta   esti ma tio n   fo r   fa ilin g   n o d es u s in g   fu z z lo g ic  w ith   in t eg r a ted   micro co n tr o ller   in …  ( S a a d   A l - A z z a m )   3631   T h u s o f   m icr o co n tr o ller s   i n   t h is   k i n d   o f   s y s te m s   h a s   s e v er al  b en e f it s   s u ch   as  m icr o c o n tr o ller s   p r o v id h i g h   p er f o r m a n ce   a n d   lo w   p r o ce s s i n g   ti m e.   T h e y   p r o v id g o o d   s o lu tio n   w i th   lo w   co s t.  O n   av er a g e,   m icr o co n tr o ller   co s t s   1 . 3 $   o n   E b a y   a n d   s en s o r s   co s t   ar o u n d   8 $ .   T h e y   a ls o   h av e   t h e   ab ilit y   to   co n n ec t     th s y s te m   to   t h in ter n et  a n d   p r o v id r eliab le  r ea ti m r ea d in g s .   I n   ad d itio n   to   th e   af o r e m en tio n ed   b en e f i ts ,   m icr o co n tr o ller s   h av t h ab il it y   to   tr an s f er   d ata  b et w ee n   m u ltip le  co n tr o ller s   o n   t h i n teg r ated   m e m o r y   ca r d .   T h is   m ea n s   th at   s y s te m   c an   lear n   f r o m   an o t h er   s y s te m ,   as s u m i n g   an o t h er   s ter i liz in g   u n it  h a s   b etter   p er f o r m a n ce   t h an   th o n at  h an d .   T h en ,   th i s   m o r ef f icie n u n i t’ s   d ata  ca n   b ea s il y   co p ie d   f r o m   its   m e m o r y   ca r d   to   th m e m o r y   ca r d   o f   th u n it  at  h an d .   Faili n g   at  th e   f i r s r u n   h as  t h h i g h e s er r o r   in   esti m at in g   m is s in g   d ata.   So ,   th is   s ce n ar io   w a s   t ak en   i n to   co n s id er atio n   w h e n   test i n g   t h s y s te m .   An o th e r   s ce n ar io   in v o lv e s   m ea s u r in g   t h er r o r   in   esti m at in g   a n d   co m p ar in g   t h is   es ti m a ted   v alu w it h   t h ac tu a v al u e   r ea d   b y   th s e n s o r   if   it  h a s n f ailed .     U s in g   Ma t l ab   p ac k ag allo w s   p ea k i n g ”  at  ac tu al  d ata  t h at  ar h id d en   f r o m   th f u zz y   lo g ic   esti m atio n   m o d u le.   F ig u r 1 0   s h o w s   h o w   t h er r o r   w as  h i g h   in   t h f ir s r u n s   o f   t h s ter iliz in g   u n it  a n d   h o w   it   d r o p p ed   to   alm o s t z e r o   b y   t h en d   o f   th 2 5 th   r u n ,   w h en   n o d f ailed .   T h f ir s t   r u n   o f   t h s y s te m   i s   co n s id er ed   t h m ai n   b u ild in g   b lo ck   i n   e s tab lis h i n g   t h o p ti m al  tab le.   A cc o r d in g   to   th i s   r u n ,   th e   er r o r s   ar u p d ated   a n d   est i m a tio n s   ar p r o d u ce d .   T h n o d f ail s   at  th e   f ir s t   r u n   h a s   s er io u s   i n d icatio n s   t h at  t h s y s te m   i n   g en er al  is   at  h i g h   r is k   o f   f aili n g   s o o n .   R is k   a v o id an ce   p r o ce d u r es sh o u ld   tak t h is   p o s s ib ilit y   i n to   co n s id er atio n .   T h esti m atio n   s h o u ld   ta k s u ch   ca s in to   co n s id er atio n   to   h elp   m ak e   th e   s y s te m   r u n n i n g   ev e n   if   n o d f ai ls   at  f ir s r u n .   T h o p ti m al  tab le  i s   b u il f r o m   a v ailab le  r ea d in g s   o f   o th er   s en s o r s ,   o r   r ea d in g s   f r o m   p er v io u s   d ata  u n d er   s i m i lar   co n d itio n s     d eter m i n ed   b y   t h h u m an   co n tr o ller .   T h ca lcu lated   er r o r   f o r   th at   f ailed   n o d is   e x p ec ted   to   b h ig h ;   y et,   it  ca n   b co r r ec ted   th r o u g h   u p co m i n g   s y s te m   r u n s .   Fi g u r es  1 1   a n d   1 2   s h o w   er r o r   v al u e s   co m p u t ed   f o r   t w o   d i f f er en t   s e n s o r s   th at  f ai led   af ter   5   m i n u te s   i n   th f ir s t r u n .   T h er r o r s   w er m a n ag ed   as ti m s te p s   w e n t o n .           Fig u r 1 0 .   E r r o r   v alu es  co m p u ted   b y   t h p r o p o s ed   tech n iq u v er s u s   t h n u m b er   o f   r u n s   b ef o r f ailu r e             Fig u r 1 1 .   E r r o r   in   te m p er atu r esti m a tio n     af ter   n o d f ail u r in   1 s t r u n     Fig u r e   1 2 .   E r r o r   in   h u m ed it y   e s ti m atio n     af ter   n o d f ail u r in   1 st   r u n       T h er r o r   ( c o n f id en ce   l ev e l)   b eg in s   at  0 th s y s te m   i s   i n   th p r o ce s s   o f   b u i ld in g   t h h i s to r y   f ile.   W h en   f ail u r h ap p en ed   a f ter   5   m i n u tes   o f   th e   r u n ,   t h e r r o r   s p ik ed   b ec au s th er e s   n o   p r ev io u s   d ata  to   co m p ar to   an d   ca lcu late  th er r o r .   T h er r o r   v alu es  n o ted   in   b o th   f ig u r es  ar clo s to   0 ,   b ec au s th ac t u al   d ata  th at  w o u ld   h a v b ee n   co llected   in   ca s th n o d d id n f ail  is   v er y   clo s to   th esti m ated   d ata.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8708   I n t J   E lec  &   C o m p   E n g ,   Vo l.  10 ,   No .   4 A u g u s t 2 0 2 0   :   3 6 2 3   -   3634   3632   Fo r   ex a m p le,   t h ac t u al  te m p er atu r v a lu e   is   al m o s 4 0 °  C   a n d   t h ac t u al  h u m id it y   v a lu i s   ar o u n d   2 8 %.     T h ac tu al  v alu e s   w er u s ed   j u s to   s h o w   h o w   th er r o r   is   p r o d u ce d   in   ca s an o th er   m ea s u r ( lik p r ed ictin g   r elatio n s h ip s   b et w ee n   co n n ec t ed   n o d es,  w h ic h   i s   r ea ll y   t h c ase  in   t h is   s y s te m ) .   T h m icr o co n tr o ller   ac tiv ated   th f u zz y   lo g ic  m o d u le  to   p r o d u ce   esti m a tes,  w h i c h   w er v er y   clo s to   th r ea v alu e s .   T h er r o r   v alu es  ar clo s to   ze r o   s in ce   th esti m at ed   v alu es a r v er y   clo s to   th e   r ea l v alu es ; si n ce     E r r o r   = A ctu a l v a lu E s tima ted   va lu e.     I n   th i s   ex a m p le,   th er r o r   w o u ld   b e:  4 0     4 5   - 5 ° C .   Af ter   s e v er al  r u n s ,   t h s y s te m   s tab ilized ,   an d   co n ti n u ed   o p er atin g   w it h   th e   f ai lin g   n o d es,  b u u s in g   esti m ated   v alu e s .   T h er r o r ,   i n   ca s o f   te m p er at u r b y   t h en d   o f   th tr ea t m e n ti m d r o p p ed   t o   - 2 5   ( s in ce     th u n it  s tar ts   lo w er i n g   t h te m p er at u r v al u es   a f ter   2 5   m i n u te s   o f   t h tr ea t m en t) .   A ls o ,   th h u m id it y   er r o r   d r o p p ed   to   2 0 ( s in ce   th t e m p er atu r d r o p p e d ) .   I t’ s   w o r th   m e n tio n i n g   th at  t h er ar s o m e s tab lis h ed   r elatio n s h ip s   b et w ee n   t h n o d es  in   th s ter ilizer .   Fo r   ex a m p l e,   as  th te m p er at u r in cr ea s e s ,   th h u m id it y   al s o   in cr ea s es   an d   t h e n er g y   c o n s u m p tio n   i n cr ea s es.  T h is   p iece   o f   in f o r m a tio n   ca n   b u s ed   i n   b u ild in g     th o p ti m al  tab le   if   n o d f ai l s   at  t h e   f ir s r u n ,   a n d   ca n   h elp   th f u zz y   lo g ic   esti m at io n   m o d u le  p r ed ict  v al u e s   th at  ar clo s to   th r ea l v al u e s .   R u n s   t h at  f o llo w   f ir s “su cc ess f u l”  r u n   w ill  h av m o r d ata  to   w o r k   w i th   an d   ca lc u late   s m a ller   er r o r   v alu e .   T h is   w o u ld   u lti m atel y   p r o d u ce   clo s er   esti m ated   v alu e s   to   r ea d ata.   A t   th f o u r th   r u n   o f     th s y s te m ,   f o r   e x a m p le,   t h o p tim a tab le   w il h a v r ea d ata  th at  t h m icr o co n tr o ller   w il u s i n   f i n d in g     th er r o r   m ar g i n   b e f o r u s i n g   th f u zz y   lo g ic  e s ti m atio n   m o d u le.   T h ese  d ata  w ill  b clo s er   to   r ea co llected   d ata  if   t h n o d d id   n o f ail.   T h s y s te m   w ill   h a v lo w er   r is k   o f   o v er all   f a ilu r e,   a n d   t h n ee d   f o r   u n i s h u td o w n   ca n   b av o id ed   alt o g eth er   a n d   n o d r ep lace m e n co u ld   b p o s tp o n ed   w it h o u t   cr itical  d a n g er   o n     th s y s te m .   Fig u r es  1 3 ,   1 4 ,   an d   1 5   s h o w   t h es ti m ated   v al u e s   p r o d u ce d   b y   t h s y s te m   ag ai n s t h r ea v al u es   th at  w er ac tu a ll y   r ea d   b y   t h e   s en s o r s .   M A T L A B   allo w s   d e v elo p er s   p ea k ”  a r ea l - d ata,   a n d   h id th e m   f r o m   th f u zz y   lo g ic’ s   m o d u le.   T h d ata  p r esen ted   in   t h g r ap h s   ar f o r   th s a m s en s o r s   at  d if f er en ti m e   s tep s   i n   th f o u r th   r u n   o f   th s ter ilizi n g   u n it.             Fig u r 13.   A ctu a l te m p er at u r ( b lu e)   v s .   esti m ated   te m p er atu r ( r ed )   in   4 th r u n     Fig u r 1 4 .   A ctu a l h u m id it y   ( b l u e)   v s .   es ti m ated   h u m id it y ( r ed )   in   4 th r u n           Fig u r 1 5 .   A ctu a l lu x   ( r ed )   v s .   esti m a ted   lu x   ( y ello w )   in   4 t h r u n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.