senzorické sítě
DESCRIPTION
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 - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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, … )
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 2
Úvod
Senzory (čidla) Teplota Napájecí napětí Vlhkost Tlak Osvětlení Hluková čidla, záznam zvuku Otřesy Zrychlení Detektory pohybu (infra) Čidla zrychlení GPS
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 3
Úvod
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 4
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 5
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, …
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 6
Úvod
Topologie Dvoubodová Stromová Hierarchická Obecná (síťka, mřížka)
Architektura Koordinátor Router Koncové zařízení
Zařízení Úplná (plně funkční), redukovaná (omezená funkčnost)
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 7
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)
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 8
Úvod
Napojení na rozlehlé sítě
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 9
IP backbone
ServerRouter
Gateways
Furth
er
network
s
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 10
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)
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 11
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 12
Úvod Řešení problematiky WSN zahrnuje (SW)
Bezpečnost Pasivní napadení (odposlech) Aktivní napadení
Zahlcení sítě (radio) Vydávání se za pravý uzel
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 13
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 14
Interakce s okolím
Detekce událostí z okolí, záznam, klasifikace Periodické měření Aproximace naměřených veličin Detekce hran (detekce hranice) Sledování trasy nebo pozice
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 15
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 16
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 17
Architektura uzlu
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 18
Paměť
KontrolerSenzory/Akční prvkyKomunikační 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 802.15.4 2.4 GHz, DSSS modem 250 kbps Odběr 30/30mA SoC Procesor 8051
Chipcon CC2480 ZigBee Předprogramovaný
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 19
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 20
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 21
TinyOS měření spotřeby
Component Rate Startup time Current consumption
CPU Active 4 MHz N/A 4.6 mA
CPU Idle 4 MHz 1 us 2.4 mA
CPU Suspend 32 kHz 4 ms 10 uA
Radio Transmit 40 kHz 30 ms 12 mA
Radio Receive 40 kHz 30 ms 3.6 mA
Photo 2000 Hz 10 ms 1.235 mA
I2C Temp 2 Hz 500 ms 0.150 mA
Pressure 10 Hz 500 ms 0.010 mA
Press Temp 10 Hz 500 ms 0.010 mA
Humidity 500 Hz 500 ms 0.775 mA
Thermopile 2000 Hz 200 ms 0.170 mA
Thermistor 2000 Hz 10 ms 0.126 mA
Přístupové metody
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 22
Přístupové metody
centralizované distribuované
neplánované
plánované
Pevné přiděleníPřidělení podle požadavku
neplánovanéplánované
Pevné přidělení
Přidělení dle požadavku
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 23
IEEE 802.15.4
Hvězdicová síť Koordinátor- kořen stromu Beacon režim Normální režim
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 24
Active period Inactive period
Contention access period
Guaranteed time slots (GTS)
Beacon
Coordinator Device
Beacon
Data request
Acknowledgement
Data
Acknowledgement
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)
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 25
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 26
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 27
Směrovací protokoly
Směrování podle pravidla pravé ruky Trajectory-based forwarding (TBF)
Určíme trajektorii a snažíme se poslat zprávu podle ní
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 28
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 …
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 29
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
31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 30