Mobilkommunikation: Drahtlose LANs Drahtlose LANs (3. Teil) 7.0.2 Bluetooth.
Großflächige drahtlose Sensor-Netzwerke zur Überwachung ...
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Universität Rostock
Fakultät für Informatik und Elektrotechnik
Institut für Angewandte Mirkoelektronik und Datentechnik
GroGroßßflfläächige drahtlose Sensornetzwerke chige drahtlose Sensornetzwerke zur zur ÜÜberwachung der Meeresumweltberwachung der Meeresumwelt
Frank Reichenbach, Prof. Dirk Timmermann
5. April 2005
Leibniz-Institut für Ostseeforschung WarnemündeSeminar: Physikalische Ozeanographie
2Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Agenda
Drahtlose Sensornetzwerke (DSN)Unterschiede zwischen terrestrischen und ozeanischen SensornetzwerkenProjekte in der OzeanographieZusammenfassungLiteraturangaben
3Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Drahtlose SensornetzwerkeDrahtlose Sensornetzwerke
4Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Definition
Philosophie:Ein einziger Sensor ist nutzlos. Erst das Zusammenwirken von hunderten oder tausenden von Sensoren bringt verwertbare Ergebnisse.
Verbund von (extrem kleinen) „Sensorknoten“Drahtlose KommunikationPlatzierung nahe oder in einem Phänomen von InteresseMessung von relevanten physikalischen Parametern
5Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Komponenten eines Sensorknotens
Prozessor (8051)
Übertragungseinheit
Sensor (Temperatur)
Energie
Speicher Zusätzliche Komponenten:OrtungssystemEnergieerzeugungAktor"Mobilizer"
6Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Eigenschaften
Zufällig verteiltSelbstorganisierend (Konfiguration, Heilung)KooperativVorverarbeitung von Messdatenevtl. Mobilität
7Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Design Kriterien
Leistungsverbrauch LebenszeitFehlertolerantSkalierbarLatenz und GenauigkeitProduktionskostenHardwarebeschränkungenUmgebungÜbertragungsmedium
8Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Topologie von DSN
1. Ausbringungsphase:Abwerfen vom Flugzeug Manuelles Platzieren(Fabrik, Haus)
2. Einsatzphase:Topologieveränderungen durchVeränderungen der:
PositionErreichbarkeitEnergieniveau
9Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Low-Power
Neben der Größe ist ein geringer Energieverbrauch die bedeutendste Herausforderung bei der Entwicklung von drahtlosen Sensornetzwerken
1080Wiederaufladbare Lithium-Ionen
Energiedichte [J/cm3]
Batterie-/Akkutyp
8900Brennstoffzelle (Methanol)
1190Nickeleisen
864Nickel-Metall-Hydrid
2880Nichtwiederaufladbare Lithium-Ionen
Sol Jacobs, "Battery Power for Remote Wireless Sensors“, www.sensormag.com, 2003
Energie[mJ]
Aktivität
0,0018Rechenoperation(1000 Operationen)
0,032
0,001
Kommunikation (Bluetooth)(64 Bit werden gesendet)
Temperaturmessung(1 Messung)
Der Energievorrat einer 0,05 g LiIon-Polymer-Batterie beträgt 27 JBei einer Periode von 1 s für alle 3 Aktivitäten~ 9 Tage Laufzeit!
10Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Low-Power
Low-Power-AnsatzIdealfall: Sensorknoten erzeugen sich benötigte Energie selbst
Zum Vergleich: Nominale Sendeleistung eines Klasse-2-Bluetooth-Gerätes: 1 mW
Solar (Außen, Mittagszeit) Leistungsdichte 15 mW/cm2
Vibration (Umgebung mit Vibrationen bei 28 Hz und 0,1 g)Leistungsdichte 0,124 mW/cm3
11Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Produktionskosten
Kosten / Sensorknoten müssen sehr niedrig seinStand der Technik
Bluetooth10 $ in großen Stückzahlen70 $ für Endverbraucher
PicoRadio1 $ (angestrebter Preis)
Kosten der Teilkomponenten
PicoRadio, Berkeley Wireless Research Center
12Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Hardware
EmberCrossbowBT-NodeScatterWebMica MotesEnOceanPicoRadio
13Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Hardware am Institut MD
Chipcon CC1010 – Entwicklungs-Kit8051-kompatibler MikrocontrollerGeringe Leistungsaufnahme (9,1 mA in RX) ISM 868 MHzHoch sensitive Antenne One-Chip-Lösung (keine externe Komponenten)Signalempfangsstärkemessung möglich (RSSI)Temperatursensor
14Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Kommunikation
RF-Kommunikation meist im ISM-Band (Industry-Science-Medicine)Chipcon Übertragungsmodul – 433 MHz, 868 MHz, 2.4 GHzZigBee, Bluetooth, Wi-Fi – 2.4 GHz
1000+ 1-100 1-10+ 1-75+ Reichweite [m]
64-128 11,000+ 720 20-250 Bandbreite [KBps]
1-1000 30 7 255/65,000+ Knoten pro Netzwerk
1-7 0.1-5 1-7 100-1,000+ Batterielebenszeit [Tage]
16 MB+ 1 MB ±250 KB+ 4-32 KB Systemressourcen
GPRS/GSMWi-Fi802.11b
Bluetooth802.15.1
ZigBee802.15.4
15Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Anwendungen - Umwelt
Waldbranderkennung / -bekämpfungÜberwachung natürlicheroder künstlicher Lebensräume"Präzisions-Landwirtschaft"Hochwasserbekämpfung und-prävention
16Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Anwendungen - Gesundheitswesen
Überwachung von physiologischen DatenLokalisierung von Personal und Patientenin einem Krankenhaus"Smart Pill"
http://www.personenfinden.com
17Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Anwendungen - Militär
Überwachung der eigenen Truppen, desMaterials, der MunitionÜberwachung von KampfplätzenErkundung des Gegners und fremdenTerrains"Intelligente Munition"Früherkennung von ABC-Angriffen
18Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Weitere Anwendungen
Das intelligente HausSupermarktMaterialüberwachungen
19Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Unterschiede zwischen Unterschiede zwischen terrestrischenterrestrischen und und ozeanischenozeanischen SensornetzwerkenSensornetzwerken
20Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Unterschiede
PlatzierungFeinkörnig ↔ Grobkörnig
Miniaturisierung der KnotenMobilität (Verankerung)Energie
ÜbertragungsmoduleEntfernungen
SpeicherRäumliche Beziehung
Ähnlichkeit der Sensordaten (Entfernungen)
KostenSichere Hardware gegen Feuchtigkeit und DruckTeurere akustische Übertragungsmodule „Precision farming“
Hitachi
21Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Messpunkte
Auf der WasseroberflächePosition: 2-dimensionalDynamik: HochKommunikation: RFFunktion: Messung, globale Weiterleitung
Zwischen Wasseroberfläche und MeeresbodenPosition: 3-dimensionalDynamik: HochKommunikation: AkustischFunktion: Messung, lokale Weiterleitung
Auf dem MeeresbodenPosition: 2(3)-dimensionalDynamik: EinstellbarKommunikation: Kabel, AkustischFunktion: Messung, Ankerpunkt
22Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Kommunikation
Radio nur an Oberfläche geeignetUnter der Wasseroberfläche: AkustikProbleme:
kHz-Bereich (hohe Latenz)DämpfungAusbreitungscharakterRauschen Mehrwegausbreitung
http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/UWASN/work.html#ARCHhttp://www.neptunecanada.ca/about/index.html
Modem zur Kommunikation unter Wasser
23Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Anwendungen
Abtastung des MeeresBeobachtung und Schätzung des Charakters der ozeanischen Umwelt
Überwachung der UmweltÜberwachung von Verschmutzung (chemisch, biologisch, etc.), Strömungen und WindVerbesserte Wettervorhersagen, Detektion von KlimaveränderungenVerständnis und Schätzung von Effekten, verursacht durch Menschen und Marine
Disaster PräventionMessung von seismischen Aktivitäten Tsunami-Warnungen
Unterstützte NavigationLokalisierung von Felsen oder Untiefen in seichten Gewässern
24Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
„Probleme“ klassischer Methoden
EchtzeitDaten erst nach dem Upload vor Ort verfügbarPeriode: bis zu einigen Monaten
Keine Interaktion zwischen Kontrollsystemen an Land und im Wasser
AdaptivitätUmkonfigurierung
Gerätefehler, Ausfälle, Konfigurationsfehler späterkennbarStark limitierte Datenmenge durch Sensorik aufnehmbar
25Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Projekte in der OzeanographieProjekte in der Ozeanographie
26Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Wide-Area, in-situ, real-time monitoring of drinking water reservoirs
ProjekteProjekte
Entwicklungsstatus: Im Forschungseinsatz
27Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Wide-Area, in-situ, real-time monitoring of drinking water reservoirs
Firma: SenTech (http://www.sentechbiomed.com/)Prüfung der chemischen Zusammensetzung in feuchten UmgebungenZiel: Verschmutzungen findenKnoten mit 2 Übertragungsmodulen –akustisch, RadioMagnetoelastisches Sensorarray auf jedem Knoten misst pH-Werte
Xiping Yang, „Design of a Wireless Sensor Network for Long-term, In-Situ Monitoring of an Aqueous environment“
28Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Marine Monitoring
ProjekteProjekte
Entwicklungsstatus: Im Forschungseinsatz
29Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Marine Monitoring
Auftraggeber: Ume°aMarine Sciences CentreOrt: Nördliche OstseeZiel: Messung von Salzgehalt und WassertemperaturWassertiefe: ~20m
Dunkels, A., Voigt, T., Alonso, J., Ritter,H., and Schiller, J. Connecting Wireless Sensornets with TCP/IP Networks, InProceedings of the Second International Conference on Wired/Wireless Internet Communications (WWIC2004) (Frankfurt (Oder), Germany, Feb. 2004)
30Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Marine Monitoring - Hardware
http://www.scatterweb.net
31Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs)
ProjekteProjekte
Entwicklungsstatus: In Planung
32Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs)
2-DimensionalVertikaler Link
DatenabgabeSteuerung
Horizontaler LinkKommando-DatenKonfiguration-DatenSensor-Daten
http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/UWASN/work.html#ARCH
33Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs)
http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/UWASN/work.html#ARCH
3-DimensionalMobilitätAbdeckung
PhänomenNetzwerk
34Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
ArgoEin GODAE- (Global Ocean Data Assimilation Experiment) Pilot Projekt
ProjekteProjekte
Entwicklungsstatus: Seit 2000 im Aufbau
35Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Argo - Überblick
http://www.argo.ucsd.edu/
Zielstellung:Erstellung eines globalen Netzwerkes aus Sensoren mit Updates in „Echtzeit“Monitoring des oberen OzeansLangzeitliche Untersuchung des Klimas
36Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Argo - Zyklus3.000 frei driftende KnotenMessung: Temperatur, Salingehalt, StrömungsgeschwindigkeitBis 2000 m TiefeUpdates mit wenigen Stunden Latenz
37Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Argo - Details
Projektstart: 2000Mitte 2004 40% abgeschlossen150 Durchläufe~4 Jahre Laufzeit200 AtmosphärenTemperaturschwankung 30° CZiel 2006: Globale Abdeckung 3°× 3°
Profilschwimmer•Eisfrei2000 m42000 (Mai 2004)
100.000 (2006) Argo
•Schiffsrouten•Winter
750 m25000 Fähren und Handelsschiffe
•i.a. Linien•Winter
100% 5000Forschungsschiff
GeografischeEinschränkungen
MaximaleTiefe
Anzahl von Beobachtungen
Beobachtungs-art
38Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Das LOOKING-Projekt
ProjekteProjekte
Entwicklungsstatus: Planung und partielle Errichtung
39Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Das LOOKING-Projekt
Institution: Universität Washington, versch. Meeres-Observatorien
Ziel:Errichtung einer kombinierten Infrastruktur – Land und Ozean
Ozean:Monitoring durch SensornetzeOrte: Westküste USA, Kanada, Mexiko
Land: Steuerung der Netze und Auswertung der Daten
Nutzen: Globale, küstennahe, regionale Beobachtung des Ozeans
http://www.uwnews.org/article.asp?articleID=5691
40Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Das LOOKING-Projekt
41Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Zusammenfassung
Drahtlose Sensornetzwerke können die Qualität der Meeresbeobachtung verbessernVorteile wären:
Hohe AuflösungHohe GenauigkeitGroße FlächenabdeckungLong-term Monitoring„ECHTZEIT“Interkommunikation zwischen SystemenDaten müssen nicht abgeholt werdenAllerdings, …
42Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Offene Fragen
Drahtlose Sensornetzwerke in der Ostseeforschung besitzen noch GrundlagencharakterÖkologischer Abbau der KnotenKommunikation unter Wasser (Medienzugriffskontrolle etc.)
Neue Protokolle benötigtVerfügbare Sensoren (Größe, Leistungsverbrauch)Erstellung einer HardwareplattformAusbringung und Platzierung (Wertemessung möglicherweise einige Meter unter der Meeresoberfläche)Entwicklung einer selbstorganisierenden SoftwareKosten
43Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Forschungsschwerpunkte
Routing
Frank Reichenbach
Matthias HandyMarc Haase
Jan Blumenthal
InstitutsleiterProf. Dirk Timmermann
Sicherheit
Middleware Lokalisierung
Kontakt: http://www-md.e-technik.uni-rostock.de
44Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Literaturangaben
A Wireless Sensor Network for Long-term Monitoring of Aquatic Environments: Design and Implementation, Keat G. Ong, Xiping Yang, Niloy Mukherjee, HaidongWang, Shrawan Surender, and Craig A. Grimes, pp. 48-57John Orcutt, “SENSOR NETWORKS: The Design and Implementation of Aquatic and Marine Sensor Networks”Xiping Yang, „Design of a Wireless Sensor Network for Long-term, In-Situ Monitoringof an Aqueous environment“Conny Davidsen, „Ökologisches Monitoring der Ostsee“, Geographisches Institut der Universität KielAdam Dunkels, Laura Marie Feeney, Björn Grönvall, and Thiemo Voigt, „An integrated approach to developing sensor network solutions“, In Proceedings of theSecond International Workshop on Sensor and Actor Network Protocols and Applications, Boston, Massachusetts, USA, August 2004„Observing the oceans in the 21st century“, ISBN: 0642706182 , Bureau of Meteorology, 2001http://www.sensornetworks.net.au/applic_watercatch.htmlhttp://www.xbow.com/Industry_solutions/Marine.htmhttp://www.nosc.mil/robots/undersea/dssn/dssn.htmlhttp://www.sentechbiomed.com/http://www.mbari.org/lobo/
45Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Gibt es Fragen?
46Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Sensoren für die Ozeanographie
Op – operationalAv – available but not routineRes – Under ResearchDev – Under Development
A U.S. Coastal-Global Ocean Observing System (C-GOOS) Report
47Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Distributed Surveillance Sensor Network (DSSN)http://www.nosc.mil/robots/undersea/dssn/dssn.html
48Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Distributed Surveillance Sensor Network (DSSN)
49Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Design of CISNet - ORCA
50Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Kommunikation Unterwasser
Modems
http://www.link-quest.com
51Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Das LOOKING-Projekt - Ziele
MARS (Monterey Accelerated Research System)Eine Tiefsee-Proof of concept für verkabelte BeobachtungsstationenLeiter: Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI)Start: 2005
VENUS (Victoria Experimental Network Under the Sea)Canada's Equivalent zu MARS, allerdings Beobachtung der Ozean-OberflächeStart: Ende 2004Leiter: University of Victoria
NEPTUNE (North East Pacific Time-series Undersea NetworkedExperiments)
Erstes elektro-optisch verlinkte, multi Knoten NetzwerkHohe Anzahl an unterschiedlichsten SensorenOrt: Nordost-PacificLeiter: LOOKING (U.S./Canadian)Start: Funktionsbereitschaft 2007
52Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“
Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs)
Caribou (Bluefin Robotics Corporation)Integrierte Sensoren:
Doppler Velocity LogsAcoustic DopplerCurrent ProfilersConductivity and TemperatureFluorometerLi-Cor PAR sensorInertial Navigation SystemsAttitude Heading ReferenceMarine Global Positioning SystemsDepth Gauges