Wireless Sensor Networks: Sensor Network Platforms & Tools

1. Wireless Sensor Networks: Sensor Network Platforms & Tools Marko Wallin, TiTe 4 Jani Kaminen, TiTe 4

2. Sensorisolmujen laitteisto • Yleiskäyttöiset tietokoneet • Sulautetut PC:t, custom-design PC:t, PDA:t • WIN CE, Linux; Bluetooth, WLAN • Prosessointikyky, laaja sensorivalikoima, sähkönkulutus • Sulautetut sensorisolmut • Berkeley motes, UCLA Medusa, MIT mikroAMP • Kaupallisia piirejä, tuki C-kielelle (tai vastaava) • Rautataso, ei juurikaan käyttöjärjestelmän tukea • TinyOS ja nesC • System-on-chip (SoC) solmut • Smart Dust, BWRC picoradio solmu, PASTA solmu • Uudelleenajateltu laitteistoarkkitehtuuri • Uusia tapoja integroida CMOS, MEMS ja RF tekniikat • Kehitysasteella

3. Berkeley Motes • Sulautettujen sensorisolmujen –perhe • Jakaa suunnilleen saman arkkitehtuurin • MICA mote arkkitehtuuri • 512KB flash ja 4KB data muisti, • Lisäksi erillinen 512KB flash-muisti • 40kbps datarate, 300 jalkaa (~100m) kantama, • I/O liitäntä • Sensorit, ”actors”, sarja- ja rinnakkais I/O kortit • Huomattavat erot aktiivisen, idlen ja suspend tilojen välillä -> suspendiin aina kun mahdollista

4. SN:n ohjelmoinnin haasteet • SN-sovelluksen ohjelmointi eroaa hajaute-tusta systeemi- tai tietokantaohjelmoinnista • Otettava huomioon useita tekijöitä: • Energian kulutus, kaistanleveys, laskenta, tallennustila ja reaaliaikaisuus • Infrastruktuurin (epä)luotettavuus • Suunnittelussa huomioitava epävarmuus: • Signaalien kohina, yhtäaikaiset tapahtumat, kommunikointi- ja laskenta-aika, epäluotettava kommunikointi jne.

5. SN:n ohjelmoinnin haasteet • perinteiset ohjelmointiteknologiat luottavat käyttöjärjestelmän tarjoamiin palveluihin • Prosessointi, I/O, verkkotoiminnat, käyttäjän interaktio laitteiston kanssa • sensoriverkoissa sovellusohjelmoijien pitää tarkasti käsitellä: • Viestien liikkuminen, tapahtumien synkronointi, keskeytysten hallinta, sensorien lukeminen • sulautettu käyttöjärjestelmä paljastaa yleensä ohjelmoijalle enemmän laitteistotasoa • Ei sovellu sensoriverkkojen ohjelmointiin

6. SN:n ohjelmoinnin haasteet • Sensoriverkot ovat hajautettuja järjestelmiä • Hajautetut algoritmit vaikeita toteuttaa • Rajatut ominaisuudet (virta, muisti, kaista) • Vastetarve useisiin samanaikaisiin virikkeisiin • Ei yleistä suunnittelumetodia sovelluksille • Erilaiset tehtävät ja sensorien organisointi vaikuttavat metodien ja alustojen paremmuuteen • Client-server malli, puu-rakenne, liikkuva kohde... • parempia suunnittelumalleja tarvitaan

7. Solmutason ohjelmistoalustat • Tyypilliset käyttöjärjestelmät tarjoavat palveluita sovelluksille • Tiedostonhallinta, muistinvaraus, tehtävien ajoitus, laiteajurit ja verkkotoiminnot • Sulautetuissa järjestelmissä kompromissejä palveluiden tarpeen mukaan • Jos tiedostonhallintaa ei tarvita, sitä ei ole • Jos dynaamista muistinvarausta ei tarvita, voidaan muistinvarausta yksinkertaistaa

8. Käyttöjärjestelmä: TinyOS • Tukee SN-sovelluksia resurssirajatussa laitteistoympäristössä (Berkeley motes) • Rajatut ominaisuudet • Ei tiedostojärjestelmää, staattinen muistinhallinta, yksinkertainen tehtävä-malli, minimaaliset laite- ja verkkotoiminnot • komponenttien kerrostus ja uniikki komponenttiarkkitehtuuri • Useimmat komponentit: • Koteloivat ohjelmatoimintoja • Ohut pinta laitteistotason päällä

9. Käyttöjärjestelmä: TinyOS • Sovelluksella on kaksi kontekstia: tehtävä ja tapahtuma • Tehtävien suoritus lisäysjärjestyksessä • Tehtävät ovat keskeytyksemättömiä (nonpreemptive) • CPU uni-tilaan jos jono tyhjä • Tapahtumat voivat keskeyttää tehtäviä ja muita tapahtumia • Tapahtumien jako pieniin suoritusosiin • Split-phase operaatiot • Metodin kutsu palautuu takaisin, toiminto ajoitetaan suoritettavaksi myöhemmin • TinyOS:n suunnittelu pohjautuu erittäin kevyeen järjestelmään • Kompromissit jäävät sovellusohjelmoijan huoleksi

10. Imperative Language: nesC • Laajennus C-kieleen • Tukemaan ja kuvaamaan TinyOS v.1.0:n suunnittelua • Tarjoaa kielirakenteita ja rajoitteita TinyOS:n komponenttien ja sovellusten toteuttamiseen • nesC komponentit luokiteltu rajapintoihin: • ”tarjoaa”: metodeja ylemmälle kerrokselle • ”käyttää”: piilottaa alemman kerroksen • Rajapintojen välillä: • ”tapahtuma” ja ”käsky” -kutsut

11. Imperative Language: nesC • Kaksi komponettia riippuen käytöstä: • Moduulit: käytetään sovelluskoodissa • käsky / tapahtuma ”bar” rajapinnassa ”foo”; foo.bar • Konfiguraatiot: rajapintojen yhdistäminen olemassaoleviin komponentteihin • kilpailutilanteen estämiseksi koodi voi olla • Asynkroninen koodi (AC): • saavutettavissa vähintään yhdestä keskeytyksen käsittelijästä • Synkroninen koodi (SC): • koodi on saavutettavissa vain tehtävistä

12. Dataflow-Style Language: TinyGALS • Datavirtakielet omiaan kuvaamaan toisiinsa liittyvien datayksikköjen laskentaa • Globaalisti asynkroninen ja paikallisesti synkroninen (GALS) mekanismi • Keino toteuttaa tapahtumasta-laukeava samanaikainen tehtävänsuoritus • TinyGALS on tälläinen kieli TinyOS:lle • Vastaa samanaikaisuuteen systeemitasolla • nesC komponenttitasolla