Senzorické sítě

30
Senzorické sítě Projektování distribuovaných systémů 2009 Ing. Jiří Ledvina, CSc.

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 Presentation

Transcript of Senzorické sítě

Page 1: Senzorické sítě

Senzorické sítě

Projektování distribuovaných systémů 2009

Ing. Jiří Ledvina, CSc.

Page 2: Senzorické sítě

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

Page 3: Senzorické sítě

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

Page 4: Senzorické sítě

Úvod

31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 4

Page 5: Senzorické sítě

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

Page 6: Senzorické sítě

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

Page 7: Senzorické sítě

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

Page 8: Senzorické sítě

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

Page 9: Senzorické sítě

Úvod

Napojení na rozlehlé sítě

31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 9

IP backbone

ServerRouter

Gateways

Furth

er

network

s

Page 10: Senzorické sítě

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

Page 11: Senzorické sítě

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

Page 12: Senzorické sítě

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

Page 13: Senzorické sítě

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

Page 14: Senzorické sítě

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

Page 15: Senzorické sítě

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

Page 16: Senzorické sítě

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

Page 17: Senzorické sítě

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

Page 18: Senzorické sítě

Architektura uzlu

31.3.2008 Projektování distribuovaných systémů 18

Paměť

KontrolerSenzory/Akční prvkyKomunikační zařízení

Napájecí zdroj

Page 19: Senzorické sítě

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

Page 20: Senzorické sítě

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

Page 21: Senzorické sítě

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

Page 22: Senzorické sítě

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

Page 23: Senzorické sítě

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

Page 24: Senzorické sítě

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

Page 25: Senzorické sítě

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

Page 26: Senzorické sítě

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

Page 27: Senzorické sítě

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

Page 28: Senzorické sítě

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

Page 29: Senzorické sítě

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

Page 30: Senzorické sítě

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