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

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, … ) Projektování distribuovaných systémů2

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

Úvod Projektování distribuovaných systémů4

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

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, … Projektování distribuovaných systémů6

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

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) Projektování distribuovaných systémů8

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

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 Projektování distribuovaných systémů10

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) Projektování distribuovaných systémů11

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 Projektování distribuovaných systémů12

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

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 Projektování distribuovaných systémů14

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

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 Projektování distribuovaných systémů16

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 Projektování distribuovaných systémů17

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

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 GHz, DSSS modem 250 kbps Odběr 30/30mA SoC Procesor 8051 Chipcon CC2480 ZigBee Předprogramovaný Projektování distribuovaných systémů19

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 Projektování distribuovaných systémů20

Projektování 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

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

IEEE 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 MHz 40 kbps over – 928 MHz 250 kbps over GHz MAC protokol Vysílání jedním kanálem v čase Kombinuje schémata kolizní a plánovaná Asymetrické uspořádání – uzly mohou plnit různé role Projektování distribuovaných systémů23

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

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) Projektování distribuovaných systémů25

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 Projektování distribuovaných systémů26

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 Projektování distribuovaných systémů27

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

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 … Projektování distribuovaných systémů29

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 Projektování distribuovaných systémů30