Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Transkrypt

1 Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 Hasła: BSS Bezprzewodowe sieci sensorowe WSN - Wireless Sensor Networks Wireless sensor and actuators networks Definicje: Sieć bezprzewodowa złożona z wielu małych urządzeń (węzłów) rozmieszczonych na pewnym obszarze w celu realizacji określonego wspólnego zadania (zadań). Podstawowym elementem sieci jest węzeł wyposażony w czujnik/-i (oraz opcjonalnie w proste układy wykonawcze). Sieć bezprzewodowa składająca się z małych autonomicznych węzłów umożliwiających pomiary, przetwarzanie wyników oraz bezprzewodową komunikację

3 Przykładowe mierzone parametry: Temperatura Wilgotność Ciśnienie Obecność (nieobecność) obiektu Ruch Zanieczyszczenia powietrza, wody itp. Przykładowe dziedziny zastosowań: Potrzeby militarne Systemy nadzorowania procesów technologicznych Automatyzacja domów Monitorowanie środowiska Zarządzanie ruchem Medycyna itp

4 Typowa topologia:

5 Powiązane dziedziny: Embeded Systems - Systemy wbudowane RFID - Radio-frequency identification NFC Near Field Communication Komunikacja bliskiego zasięgu Internet of Things Internet rzeczy M2M - Machine to Machine HAN Home Area Networks Sieci domowe Smart Metering Inteligentne pomiary

6 Przykłady: Licznik wody

7 Przykłady: Licznik wody

8 Przykłady: Licznik energii elektrycznej

9 Przykłady: Wyświetlacz domowy

10 Przykłady: Wykrywanie obecności

11 Przykłady: Monitorowanie pacjenta

12 Przykłady: Panele ogniw słonecznych

13 Przykłady: Sieć ZigBee nadzorowanie domu

14 Przykłady: Sieć WSN kontrola oświetlenia

15 Cechy wyróżniające sieci sensorowe Małe rozmiary węzłów Minimalizacja zużycia energii Specjalizowane układy Specjalne algorytmy działania (odp. protokoły) Ograniczenie mocy obliczeniowej i pamięci Silne zabezpieczenie komunikacji (metody modulacji, zabezpieczenia integralności i poufności transmisji) Brak serwisu lub minimalny serwis Mogą być wyposażone w mechanizmy agregacji danych i autokonfiguracji Bateria powinna starczyć na co najmniej kilka lat (z reguły kilkanaście) Stosowane są też rozwiązania bezbateryjne energia pozyskiwana z otoczenia (Energy Harvesting)

16 Przykłady: Odzyskiwanie energii do zasilania węzła

17 Rys historyczny Norma IEEE 1451 (rozwijana od 1995 r.), która określa konstrukcję inteligentnych przetworników (ang. smart transducers) i sposób ich połączenia z mikrokontrolerami Rozwój technologiczny Mikrokontrolery Monolityczne układy nadawczo-odbiorcze (ang. Transceivers, RF) Sensory (szczeg. MEMS)

18 Węzeł sieci sensorowej = sensory + układy wykonawcze + ADC + mikrokontroler + układ zarządzania mocą + jednostka komunikacyjna (radiowy układ nadawczoodbiorczy - RF Transceiver) Pamięć Układ komunikacyjny Układy specjalizowane Mikrokontroler Sensory/układy wykonawcze Zasilanie + Zarządzanie zasilaniem

19 Użytkownicy platformy TinyOS/MICA (UC Berkeley) (06/2002) ACCENTURE ALLEN, ANTHONY ALTARUM BAE SYSTEMS CONTROLS BALBOA INSTRUMENTS CARNEGIE MELLON UNIV CENTRID CLEVELAND STATE UNIV CORNELL UNIVERSITY DARTMOUTH COLLEGE DOBLE ENGINEERING COMPANY DUKE UNIVERSITY FRANCE TELECOM R&D GE KAYE INSTRUMENTS, INC GEORGE WASHINGTON UNIV. GEORGIA TECH RESEARCH INT GE GRAVITON, INC HONEYWELL HRL ABORATORIES INTEL CORPORATION INTEL RESEARCH JPL KENT STATE UNIVERSITY LAWRENCE BERKELEY NAT'L LLNL LOS ALAMOS NATIONAL LAB MARYLAND PROCUREMENT MIT MITRE CORP. MSE TECH. APPLICATION INC NASA LANGLEY RESEARCH CTR NAT'L INST OF STD & TECH NICK OLIVAS LOS ALAMOS NA NORTH DAKOTA STATE UNIV PENNSYLVANIA STATE UNIV PHILLIPS ROBERT BOSCH CORP. RUIZ-SANDOVAL, M.E. RUTGERS STATE UNIVERSITY SANDIA NATIONAL LABS SIEMENS BUILDING TECH INC SILICON SENSING SYSTEMS SOUTHWEST RESEARCH TEMPLE UNIVERSITY UNIV SOUTHERN CALIFORNIA UNIVERSITY OF CALIFORNIA UNIVERSITY OF CINCINNATI UNIVERSITY OF COLORADO UNIVERSITY OF ILLINOIS UNIVERSITY OF IOWA UNIVERSITY OF KANSAS UNIVERSITY OF MICHIGAN UNIVERSITY OF NOTRE DAME UNIVERSITY OF SOUTHERN CA UNIVERSITY OF TEXAS UNIVERSITY OF UTAH UNIVERSITY OF VIRGINIA US ARMY CECOM USC INFORMATION SCIENCES VANDERBILT UNIVERSITY VIGILANZ SYSTEMS VITRONICS INC WASHINGTON UNIVERSITY WAYNE STATE UNIVERSITY WILLOW TECHNOLOGIES LTD WJM, INC XEROX UCLA

20 Rodzina modułów z UC Berkeley

21 Rodzina modułów z UC Berkeley

22 Układy radiowe nadawczo-odbiorcze TR1000 RFM 10 x 7 mm CC1000 Chipcon 10 x 6 mm CC2420 Chipcon 7 x 7 mm

23 Pamięć programu typu Flash ATmega128 + CC1000 CC kb 32 kb Pamięć SRAM 4 kb 2 kb B 9 x9 mm MLF 14 x 14 mm TQFP Pamięć EEPROM 4 kb Brak Interfejs UART 2 2 Interfejs SPI 1 1 TWI (I 2 C) 1 Brak Uniwersalne linie I/O Timery/Liczniki 4 4 Przetwornik A/C 8 x 10 bitów 3 x 10 bitów Tryby uśpienia 6 3 Szybkość radiowej transmisji danych 76,8 kbd 76,8 kbd 12 x 12 mm (10 x10mm) TQFP

24 TinyOS TinyOS jest to prosty system operacyjny dla procesorów ATmega. TinyOS charakteryzuje się prostym zarządzaniem procesami, brakiem zarządcy pamięci, brakiem możliwości dynamicznego alokowania pamięci, oraz brakiem wirtualizacji pamięci

25 TinyOS Narzędzia projektowe Komponenty Komponenty programowe Planista Komendy Zdarzenia Zdarzenia Komponenty sprzętowe W systemie TinyOS aplikacja składa się z Planisty oraz grafu komponentów. Komponenty połączone są za pomocą interfejsów, które składają się z Komend oraz Zdarzeń

26 TinyOS Narzędzia projektowe Komponenty Komponenty programowe Planista Komendy Zdarzenia Zdarzenia Komponenty sprzętowe Komendy są przekazywanie z wyższych warstw do niższych, natomiast Zdarzenia z niższych do wyższych. Napisanie programu polega na wzajemnym połączeniu komponentów. Planista jest odpowiedzialny za przydzielanie zadań dla procesora

27 TinyOS Narzędzia projektowe Komponenty Komponenty programowe Planista Komendy Zdarzenia Zdarzenia Komponenty sprzętowe Programy TinyOS mają architekturę sterowaną zdarzeniami. Oznacza to, że działanie programu polega na wzajemnym komunikowaniu się komponentów. Komponenty wyższych warstw mogą sterować komponentami niższych warstw, przekazywać i odbierać od nich dane, reagować na ich zdarzenia

28 TinyOS Narzędzia projektowe Komponent Timer

29 TinyOS Narzędzia projektowe Interfejsy komponentu Timer

30 TinyOS Narzędzia projektowe Tworzenie konfiguracji z dwóch komponentów

31 TinyOS Narzędzia projektowe Przykład aplikacja BlinkTask zmiana stanu diody co 1s Aplikacja zawiera pliki: BlinkTask.nc, BlinkTaskM.nc oraz SingleTimer.nc Plik BlinkTask.nc jest konfiguracją, opisuje powiązania między modułami: Main // BlinkTask.nc configuration BlinkTask { } implementation { } components Main, BlinkTaskM, SingleTimer, LedsC; Main.StdControl -> BlinkTaskM.StdControl; Main.StdControl -> SingleTimer; BlinkTaskM.Timer -> SingleTimer; BlinkTaskM.Leds -> LedsC; stdcontrol LedsC BlinkTaskM LedsC Timer Timer SingleTimer TimerC stdcontrol stdcontrol

32 Rozwiązania sprzętowe Mica2 i Mica2Dot ATmega128 CPU Chipcon CC1000 FSK Kodowanie Manchester Przestrajanie częstotliwości Niski pobór mocy

33 Rozwiązania sprzętowe Mica2 i Mica2Dot Total Solar Radiation Photosynthetically Active Radiation Resolution: 0.3A/W Relative Humidity Accuracy: ±2% Barometric Pressure Accuracy: ±1.5mbar Temperature Accuracy: ±0.01 o C Acceleration 2 axis Resolution: ±2mg Designed by UCB w/ Crossbow and UCLA

34 Rozwiązania sprzętowe Mica2Dot

35 Dziękuję

36 Dziękuję