Senzorick st Projektovn distribuovanch systm 2009 Ing Ji

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

Úvod l l Senzorické sítě Uzly senzorické sítě (mote) l l l l 31. 3. 2008 Mikrokontrolery l ATMEL Atmega (8 bit, až 128 KB Flash, 4 KB RAM) l TI MSP 430 (16 bit, až 256 KB Flash, 8 KB RAM) l ARM (16 bit, 32 bit) 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 systémů 2

Úvod l Senzory (čidla) l l l 31. 3. 2008 Teplota Napájecí napětí Vlhkost Tlak Osvětlení Hluková čidla, záznam zvuku Otřesy Zrychlení Detektory pohybu (infra) Čidla zrychlení GPS Projektování distribuovaných systémů 3

Úvod 31. 3. 2008 Projektování distribuovaných systémů 4

Úvod l Komunikace l l l 31. 3. 2008 Pásmo ISM (Industrial, Scientific, Medical) 800 MHz, 900 MHz, 2, 4 GHz Standard IEEE 802. 15 – WPAN (Wireless Personal Area Networks) l Komunikace na krátké vzdálenosti l IEEE 802. 15. 1 – Bluetooth l IEEE 802. 15. 2 – koexistence WLAN a WPAN l IEEE 802. 15. 3 – vysokorychlostní WPAN (11, 22, 33, 44, 55 Mb/s), Qo. S, P 2 P, multimédia l IEEE 802. 15. 4 – nízkorychlostní WPAN (20, 40, 250 kb/s), malá spotřeba, CSMA/CA. l IEEE 802. 15. 5 – WPAN a obecné (mesh) sítě Projektování distribuovaných systémů 5

Úvod l Komunikační procesory l l l l Pásmo 800 MHz, 2, 4 GHz Přijímač + vysílač Výkon několik m. W Možnost řízení výkonu Možnost zjištění intenzity signálu (RSSI – Received Signal Strength Indication) Možnost zjištění kvality signálu (LQI – Link Quality Indicator) Šifrování komunikace (AES 128 bit) Typy procesorů l l 31. 3. 2008 Modemy (komunikace SPI, vstupní/výstupní fronty, registry) So. C (Systém on Chip), obsahují procesor (8051, MSP 430), paměť Flash, RAM, registry, seriová komunikace, … Projektování distribuovaných systémů 6

Úvod l Topologie l l l Architektura l l Dvoubodová Stromová Hierarchická Obecná (síťka, mřížka) Koordinátor Router Koncové zařízení Zařízení l 31. 3. 2008 Úplná (plně funkční), redukovaná (omezená funkčnost) Projektování distribuovaných systémů 7

Úvod l Nadstavbové protokoly (síť, transport, aplikace) l l l 31. 3. 2008 Nestandardizované protokoly Zig. Bee BACnet - A Data Communication Protocol for Building Automation and Control Networks Wireless. HART - Highway Addressable Remote Transducer 6 lowpan - IPv 6 over Low power WPAN (IETF) Různé „fieldbus“ – aplikační sběrnicové systémy pro automatizaci výroby l Pracují v reálném čase l Jsou uspořádané (mají adresy) l Není jich moc (na rozdíl od uzlů WSN) Projektování distribuovaných systémů 8

Úvod l Napojení na rozlehlé sítě er s h rt rk Fu two ne Gateways. IP backbone Server 31. 3. 2008 Router Projektování distribuovaných systémů 9

Úvod l Řešení problematiky WSN zahrnuje (HW) l l l 31. 3. 2008 Snímače neelektrických veličin Nové přístupy k akčním členům Bezdrátové komunikace l Rádiové spoje, optické spoje, infračervené spoje, ultrazvukové spoje, … Miniturizace čipů a snižování jejich spotřeby Vývoj nových napájecích zdrojů Projektování distribuovaných systémů 10

Úvod l Řešení problematiky WSN zahrnuje (SW) l l 31. 3. 2008 Operační systémy pro embedded zařízení l Řízené událostmi l 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 systémů 11

Úvod l Řešení problematiky WSN zahrnuje (SW) l l l Časová synchronizace Směrování v náhodně vzniklých sítích Lokalizace uzlů (náhodné rozmístění) Transportní protokoly (agregace dat) Speciální algoritmy pro řízení spotřeby l Spotřeba procesoru malá (m. A) l Spotřeba přijímače a vysílače velká (desítky m. A) l Požadavek na dobu života baterií cca měsíce až roky (3 roky) l Protokoly pro efektivní síťování § § § 31. 3. 2008 Přenos přes sousední uzly Řešení kolizí při komunikace Hodnocení kapacity zdrojů Projektování distribuovaných systémů 12

Úvod l Řešení problematiky WSN zahrnuje (SW) l 31. 3. 2008 Bezpečnost l Pasivní napadení (odposlech) l Aktivní napadení § Zahlcení sítě (radio) § Vydávání se za pravý uzel Projektování distribuovaných systémů 13

Úvod l Aplikace l l 31. 3. 2008 Monitorování l Prostředí (živá příroda, ekologie, meteorologie, detekce požárů, … ) l Zemědělství (optimální doba sklizně, závlahy, škůdci – postřiky, … ) l Budov, staveb (chytré domy, sledování stavu staveb, …) l Dopravy (sledování dopravy, mobilní komunikace, parkování, …) l Zdravotnictví (monitoring pacientů, pooperační péče, dlouhodobá péče … ) l Chemický průmysl (měření, ochrana proti únikům, …) l Ve vojenství (pohyb nepřítele, detekce ostřelovačů, … ) Ovládání l Inteligentní roboti Projektování distribuovaných systémů 14

Interakce s okolím l l l 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 l Škálovatelnost l l Velký rozsah hustoty rozmístění l l Při výpadku velkého počtu uzlů zůstává síť funkční Programovatelnost na dálku l l Podpora velkého počtu uzlů Možnost přeprogramovat uzly podle aktuálních potřeb (změna aplikace) Vlastní udržovatelnost (samostatnost) l l 31. 3. 2008 Přizpůsobení se podmínkám (nízká teplota, málo energie) Přizpůsobení se přidaným/ubraným uzlům Projektování distribuovaných systémů 16

Požadavky na uzly WSN l l Bezdrátová komunikace přes mezilehlé uzly Energeticky efektivní operace l l Autokonfigurace l l l Manuální konfigurace je prakticky nemožná Náhodné umístění v síti, neznámí sousedé, … Spolupráci v síti při zpracování dat l l l Platí pro komunikace, výpočty, snímání veličin z okolí, akce Spolupráce se společným cílem Předzpracování dat Data centric networking l 31. 3. 2008 Zaměřeno na data, ne na identitu uzlů Projektování distribuovaných systémů 17

Architektura uzlu Paměť Komunikační zařízení Kontroler Senzory/ Akční prvky Napájecí zdroj 31. 3. 2008 Projektování distribuovaných systémů 18

Příklady vysílačů l l Modulace FSK (frekvenční) Rozprostřené pásmo l l l Chipcon CC 2430/31 l DSSS – Direct Spread Spectrum Modulation FHSS – Frequency Hopping Stread Spectrum l l Chipcon CC 1000 l 31. 3. 2008 l l Pásmo 300 až 1000 MHz, programovatelné po 250 Hz krocích FSK modulace, DSSS Zajišťuje RSSI l Implementace 802. 15. 4 2. 4 GHz, DSSS modem 250 kbps Odběr 30/30 m. A So. C Procesor 8051 Chipcon CC 2480 l l Zig. Bee Předprogramovaný Projektování distribuovaných systémů 19

Operační systém l Tiny. OS + Nes. C (nes-see) l l Událostmi řízený operační systém pro embedded zařízení nes. C je prostředek programování aplikací pod Tiny. OS l Založeno na komponentách l Okolí komponent je specifikováno rozhraním l Komponenty jsou staticky vzájemně propojeny Univerzální prostředek, nezávislý na prostředí Contiki OS l l l 31. 3. 2008 Řízený událostmi Multivláknový, TCP/IP stack (včetně IPv 6) Několik k. B kódu, stovky B v RAM Projektování distribuovaných systémů 20

Tiny. OS měření spotřeby Component Rate Startup time Current consumption CPU Active 4 MHz N/A 4. 6 m. A CPU Idle 4 MHz 1 us 2. 4 m. A CPU Suspend 32 k. Hz 4 ms 10 u. A Radio Transmit 40 k. Hz 30 ms 12 m. A Radio Receive 40 k. Hz 30 ms 3. 6 m. A 2000 Hz 10 ms 1. 235 m. A I 2 C Temp 2 Hz 500 ms 0. 150 m. A Pressure 10 Hz 500 ms 0. 010 m. A Press Temp 10 Hz 500 ms 0. 010 m. A 500 Hz 500 ms 0. 775 m. A Thermopile 2000 Hz 200 ms 0. 170 m. A Thermistor 2000 Hz 10 ms 0. 126 m. A Photo Humidity 31. 3. 2008 Projektování distribuovaných systémů 21

Přístupové metody centralizované plánované distribuované neplánované Pevné přidělení 31. 3. 2008 Přidělení dle požadavku Pevné přidělení Projektování distribuovaných systémů Přidělení podle požadavku 22

IEEE 802. 15. 4 l l l IEEE standard pro low-rate WPAN aplikace Cíle: malé přenosové rychlosti, malá spotřeba energie, bez přísného zaručení splnění požadavku na vysílání Fyzická úroveň l l 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 l 31. 3. 2008 Vysílání jedním kanálem v čase Kombinuje schémata kolizní a plánovaná Asymetrické uspořádání – uzly mohou plnit různé role Projektování distribuovaných systémů 23

IEEE 802. 15. 4 l l Hvězdicová síť Koordinátor- kořen stromu Beacon režim Normální režim 31. 3. 2008 Projektování distribuovaných systémů 24

Další aspekty l Linková úroveň l l l Jména a adresy l l l Start/stop, go-back-N ARQ, FEC Adresování (16 bit, 64 bit) Bezadresní – podle obsahu Lokalizace l l l 31. 3. 2008 Absolutní, relativní souřadnice Podle síly signálu (RSSI) Podle RTT Různé rychlosti šíření (rádio, ultrazvuk) Podle úhlů Triletrace (GPS) Projektování distribuovaných systémů 25

Směrovací protokoly l Unicast směrování l l Problém směrování a forwardování Směrování – obtížné vytváření tabulek Řešení – záplavové směrování Nové protokoly l l l 31. 3. 2008 Tabulkami řízené, proactive, na přání Destination Sequence Distance Vector (DSDV) l Založen na Bellman-Ford algoritmu l Posílá celé cesty (detekce smyček) Optimized Link State Routing (OLSR) l Doplněna informace pro optimalizaci záplavového směrování l Doplněna informace pro směrování na druhé úrovni Projektování distribuovaných systémů 26

Směrovací protokoly l Nové protokoly l l Broadcast protokoly l l DSR – Dynamic Source Routing l Krátké pakety pro nalezení cesty (request/reply) l Záplavování + odpověď po nalezené cestě Využívají stromy (source based tree) Geografické směrování l l 31. 3. 2008 Využívá znalost o pozici uzlu Posílá zprávu nejbližšímu Různé strategie, nemusí být optimální Důraz se klade na energetickou spotřebu Projektování distribuovaných systémů 27

Směrovací protokoly l l Směrování podle pravidla pravé ruky Trajectory-based forwarding (TBF) l 31. 3. 2008 Určíme trajektorii a snažíme se poslat zprávu podle ní Projektování distribuovaných systémů 28

Data-centric model l Data-centric routing l l l Směrování podle umístění dat Záplavové směrování Agregace dat l l l 31. 3. 2008 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 systémů 29

Časová synchronizace l RTC v uzlu l l l 31. 3. 2008 Nutnost nastavit přesný čas Externí a interní synchronizace NTP GPS TPSN (Timing-Sync Protocol for Sensor Nets) l Rozesílání času podle hran stromu l Rozlišuje úroveň vnoření Projektování distribuovaných systémů 30