Senzorické sítě Projektování distribuovaných systémů 2009 Ing. Jiří Ledvina, CSc.

Prezentace na téma: "Senzorické sítě Projektování distribuovaných systémů 2009 Ing. Jiří Ledvina, CSc."— Transkript prezentace:

1 Senzorické sítě Projektování distribuovaných systémů 2009 Ing. Jiří Ledvina, CSc.

2 Úvod Senzorické sítě Uzly senzorické sítě (mote) Mikrokontrolery ATMEL Atmega (8bit, až 128KB Flash, 4KB RAM) TI MSP430 (16bit, až 256KB Flash, 8KB RAM) ARM (16bit, 32bit) Omezený výpočetní výkon Omezená kapacita Bezdrátová komunikace Vazba na analogové a číslicové vstupy Rozvíjí se i aplikace s akčními prvky (roboti) Napájení z vlastních zdrojů (baterie, sluneční světlo, … ) 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů2

3 Úvod Senzory (čidla) Teplota Napájecí napětí Vlhkost Tlak Osvětlení Hluková čidla, záznam zvuku Otřesy Zrychlení Detektory pohybu (infra) Čidla zrychlení GPS 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů3

4 Úvod 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů4

5 Úvod Komunikace Pásmo ISM (Industrial, Scientific, Medical) 800MHz, 900MHz, 2, 4GHz Standard IEEE 802.15 – WPAN (Wireless Personal Area Networks) Komunikace na krátké vzdálenosti IEEE 802.15.1 – Bluetooth IEEE 802.15.2 – koexistence WLAN a WPAN IEEE 802.15.3 – vysokorychlostní WPAN (11, 22, 33, 44, 55Mb/s), QoS, P2P, multimédia IEEE 802.15.4 – nízkorychlostní WPAN (20, 40, 250kb/s), malá spotřeba, CSMA/CA. IEEE 802.15.5 – WPAN a obecné (mesh) sítě 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů5

6 Úvod Komunikační procesory Pásmo 800MHz, 2, 4GHz Přijímač + vysílač Výkon několik mW Možnost řízení výkonu Možnost zjištění intenzity signálu (RSSI – Received Signal Strength Indication) Možnost zjištění kvality signálu (LQI – Link Quality Indicator) Šifrování komunikace (AES 128bit) Typy procesorů Modemy (komunikace SPI, vstupní/výstupní fronty, registry) SoC (Systém on Chip), obsahují procesor (8051, MSP430), paměť Flash, RAM, registry, seriová komunikace, … 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů6

7 Úvod Topologie Dvoubodová Stromová Hierarchická Obecná (síťka, mřížka) Architektura Koordinátor Router Koncové zařízení Zařízení Úplná (plně funkční), redukovaná (omezená funkčnost) 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů7

8 Úvod Nadstavbové protokoly (síť, transport, aplikace) Nestandardizované protokoly ZigBee BACnet - A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks WirelessHART - Highway Addressable Remote Transducer 6lowpan - IPv6 over Low power WPAN (IETF) Různé „fieldbus“ – aplikační sběrnicové systémy pro automatizaci výroby Pracují v reálném čase Jsou uspořádané (mají adresy) Není jich moc (na rozdíl od uzlů WSN) 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů8

9 Úvod Napojení na rozlehlé sítě 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů9 IP backbone Server Router Gateways Further networks

10 Úvod Řešení problematiky WSN zahrnuje (HW) Snímače neelektrických veličin Nové přístupy k akčním členům Bezdrátové komunikace Rádiové spoje, optické spoje, infračervené spoje, ultrazvukové spoje, … Miniturizace čipů a snižování jejich spotřeby Vývoj nových napájecích zdrojů 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů10

11 Úvod Řešení problematiky WSN zahrnuje (SW) Operační systémy pro embedded zařízení Řízené událostmi Přepínání vláken (mikrovlákna) Prostředky pro vývoj a ladění aplikací (jednotlivé aplikace, síťové aplikace) Prostředky pro zavádění programového vybavení (bezdrátové) Prostředky pro nové metody zpracování zaměřených dat (databáze) 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů11

12 Úvod Řešení problematiky WSN zahrnuje (SW) Časová synchronizace Směrování v náhodně vzniklých sítích Lokalizace uzlů (náhodné rozmístění) Transportní protokoly (agregace dat) Speciální algoritmy pro řízení spotřeby Spotřeba procesoru malá (mA) Spotřeba přijímače a vysílače velká (desítky mA) Požadavek na dobu života baterií cca měsíce až roky (3roky) Protokoly pro efektivní síťování  Přenos přes sousední uzly  Řešení kolizí při komunikace  Hodnocení kapacity zdrojů 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů12

13 Úvod Řešení problematiky WSN zahrnuje (SW) Bezpečnost Pasivní napadení (odposlech) Aktivní napadení  Zahlcení sítě (radio)  Vydávání se za pravý uzel 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů13

14 Úvod Aplikace Monitorování Prostředí (živá příroda, ekologie, meteorologie, detekce požárů, … ) Zemědělství (optimální doba sklizně, závlahy, škůdci – postřiky, … ) Budov, staveb (chytré domy, sledování stavu staveb, …) Dopravy (sledování dopravy, mobilní komunikace, parkování, …) Zdravotnictví (monitoring pacientů, pooperační péče, dlouhodobá péče … ) Chemický průmysl (měření, ochrana proti únikům, …) Ve vojenství (pohyb nepřítele, detekce ostřelovačů, … ) Ovládání Inteligentní roboti 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů14

15 Interakce s okolím Detekce událostí z okolí, záznam, klasifikace Periodické měření Aproximace naměřených veličin Detekce hran (detekce hranice) Sledování trasy nebo pozice 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů15

16 Požadavky na uzly WSN Škálovatelnost Podpora velkého počtu uzlů Velký rozsah hustoty rozmístění Při výpadku velkého počtu uzlů zůstává síť funkční Programovatelnost na dálku Možnost přeprogramovat uzly podle aktuálních potřeb (změna aplikace) Vlastní udržovatelnost (samostatnost) Přizpůsobení se podmínkám (nízká teplota, málo energie) Přizpůsobení se přidaným/ubraným uzlům 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů16

17 Požadavky na uzly WSN Bezdrátová komunikace přes mezilehlé uzly Energeticky efektivní operace Platí pro komunikace, výpočty, snímání veličin z okolí, akce Autokonfigurace Manuální konfigurace je prakticky nemožná Náhodné umístění v síti, neznámí sousedé, … Spolupráci v síti při zpracování dat Spolupráce se společným cílem Předzpracování dat Data centric networking Zaměřeno na data, ne na identitu uzlů 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů17

18 Architektura uzlu 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů18 Paměť Kontroler Senzory/ Akční prvky Komunikační zařízení Napájecí zdroj

19 Příklady vysílačů Modulace FSK (frekvenční) Rozprostřené pásmo DSSS – Direct Spread Spectrum Modulation FHSS – Frequency Hopping Stread Spectrum Chipcon CC1000 Pásmo 300 až 1000 MHz, programovatelné po 250 Hz krocích FSK modulace, DSSS Zajišťuje RSSI Chipcon CC 2430/31 Implementace 802.15.4 2.4 GHz, DSSS modem 250 kbps Odběr 30/30mA SoC Procesor 8051 Chipcon CC2480 ZigBee Předprogramovaný 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů19

20 Operační systém TinyOS + NesC (nes-see) Událostmi řízený operační systém pro embedded zařízení nesC je prostředek pro programování aplikací pod TinyOS Založeno na komponentách Okolí komponent je specifikováno rozhraním Komponenty jsou staticky vzájemně propojeny Univerzální prostředek, nezávislý na prostředí Contiki OS Řízený událostmi Multivláknový, TCP/IP stack (včetně IPv6) Několik kB kódu, stovky B v RAM 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů20

21 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů21 TinyOS měření spotřeby ComponentRateStartup timeCurrent consumption CPU Active4 MHzN/A4.6 mA CPU Idle4 MHz1 us2.4 mA CPU Suspend32 kHz4 ms10 uA Radio Transmit40 kHz30 ms12 mA Radio Receive40 kHz30 ms3.6 mA Photo2000 Hz10 ms1.235 mA I2C Temp2 Hz500 ms0.150 mA Pressure10 Hz500 ms0.010 mA Press Temp10 Hz500 ms0.010 mA Humidity500 Hz500 ms0.775 mA Thermopile2000 Hz200 ms0.170 mA Thermistor2000 Hz10 ms0.126 mA

22 Přístupové metody 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů22 Přístupové metody centralizovanédistribuované neplánované plánované Pevné přidělení Přidělení podle požadavku neplánované plánované Pevné přidělení Přidělení dle požadavku

23 IEEE 802.15.4 IEEE standard pro low-rate WPAN aplikace Cíle: malé přenosové rychlosti, malá spotřeba energie, bez přísného zaručení splnění požadavku na vysílání Fyzická úroveň 20 kbps over 1 channel @ 868-868.6 MHz 40 kbps over 10 channels @ 905 – 928 MHz 250 kbps over 16 channels @ 2.4 GHz MAC protokol Vysílání jedním kanálem v čase Kombinuje schémata kolizní a plánovaná Asymetrické uspořádání – uzly mohou plnit různé role 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů23

24 IEEE 802.15.4 Hvězdicová síť Koordinátor- kořen stromu Beacon režim Normální režim 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů24

25 Další aspekty Linková úroveň Start/stop, go-back-N ARQ, FEC Jména a adresy Adresování (16bit, 64bit) Bezadresní – podle obsahu Lokalizace Absolutní, relativní souřadnice Podle síly signálu (RSSI) Podle RTT Různé rychlosti šíření (rádio, ultrazvuk) Podle úhlů Triletrace (GPS) 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů25

26 Směrovací protokoly Unicast směrování Problém směrování a forwardování Směrování – obtížné vytváření tabulek Řešení – záplavové směrování Nové protokoly Tabulkami řízené, proactive, na přání Destination Sequence Distance Vector (DSDV) Založen na Bellman-Ford algoritmu Posílá celé cesty (detekce smyček) Optimized Link State Routing (OLSR) Doplněna informace pro optimalizaci záplavového směrování Doplněna informace pro směrování na druhé úrovni 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů26

27 Směrovací protokoly Nové protokoly DSR – Dynamic Source Routing Krátké pakety pro nalezení cesty (request/reply) Záplavování + odpověď po nalezené cestě Broadcast protokoly Využívají stromy (source based tree) Geografické směrování Využívá znalost o pozici uzlu Posílá zprávu nejbližšímu Různé strategie, nemusí být optimální Důraz se klade na energetickou spotřebu 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů27

28 Směrovací protokoly Směrování podle pravidla pravé ruky Trajectory-based forwarding (TBF) Určíme trajektorii a snažíme se poslat zprávu podle ní 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů28

29 Data-centric model Data-centric routing Směrování podle umístění dat Záplavové směrování Agregace dat Přesnost – rozdíl mezi aktuálními daty a získanými daty Kompletnost – procento dat přítomných v agregovaných datech Zpoždění (latence přístupu) Režie přenosu Přístup pře select … from … where … 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů29

30 Časová synchronizace RTC v uzlu Nutnost nastavit přesný čas Externí a interní synchronizace NTP GPS TPSN (Timing-Sync Protocol for Sensor Nets) Rozesílání času podle hran stromu Rozlišuje úroveň vnoření 31.3.2008Projektování distribuovaných systémů30