1 / 30

Senzorické sítě

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

irma-valentine
Download Presentation

Senzorické sítě

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

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

  2. 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 systémů

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

  4. Úvod Projektování distribuovaných systémů

  5. 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 Projektování distribuovaných systémů

  6. 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 systémů

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

  8. 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 systémů

  9. Úvod • Napojení na rozlehlé sítě IP backbone Gateways Further networks Server Router Projektování distribuovaných systémů

  10. 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 systémů

  11. 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 systémů

  12. 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 systémů

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

  14. 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 systémů

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

  16. 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 systémů

  17. 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 systémů

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

  19. 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 Projektování distribuovaných systémů

  20. 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 systémů

  21. TinyOS měření spotřeby Projektování distribuovaných systémů

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

  23. 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 Projektování distribuovaných systémů

  24. IEEE 802.15.4 • Hvězdicová síť • Koordinátor- kořen stromu • Beacon režim • Normální režim Projektování distribuovaných systémů

  25. 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 systémů

  26. 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 systémů

  27. 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 systémů

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

  29. 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 systémů

  30. 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 systémů

More Related