Instytut Informatyki Politechnika Poznańska
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. 01-2014 2
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. 01-2014 3
Typowa topologia: 01-2014 4
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 01-2014 5
Przykłady: Licznik wody 01-2014 6
Przykłady: Licznik wody 01-2014 7
Przykłady: Licznik energii elektrycznej 01-2014 8
Przykłady: Wyświetlacz domowy 01-2014 9
Przykłady: Wykrywanie obecności 01-2014 10
Przykłady: Monitorowanie pacjenta 01-2014 11
Przykłady: Panele ogniw słonecznych 01-2014 12
Przykłady: Sieć ZigBee nadzorowanie domu 01-2014 13
Przykłady: Sieć WSN kontrola oświetlenia 01-2014 14
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) 01-2014 15
Przykłady: Odzyskiwanie energii do zasilania węzła 01-2014 16
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) 01-2014 17
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 01-2014 18
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 CENS @ UCLA 01-2014 19
Rodzina modułów z UC Berkeley 01-2014 20
Rodzina modułów z UC Berkeley 01-2014 21
Układy radiowe nadawczo-odbiorcze TR1000 RFM 10 x 7 mm CC1000 Chipcon 10 x 6 mm CC2420 Chipcon 7 x 7 mm 01-2014 22
Pamięć programu typu Flash ATmega128 + CC1000 CC1010 128 kb 32 kb Pamięć SRAM 4 kb 2 kb + 128 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 53 26 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 01-2014 23
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. 01-2014 24
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. 01-2014 25
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. 01-2014 26
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. 01-2014 27
TinyOS Narzędzia projektowe Komponent Timer 01-2014 28
TinyOS Narzędzia projektowe Interfejsy komponentu Timer 01-2014 29
TinyOS Narzędzia projektowe Tworzenie konfiguracji z dwóch komponentów 01-2014 30
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 01-2014 31
Rozwiązania sprzętowe Mica2 i Mica2Dot ATmega128 CPU Chipcon CC1000 FSK Kodowanie Manchester Przestrajanie częstotliwości Niski pobór mocy 01-2014 32
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 01-2014 33
Rozwiązania sprzętowe Mica2Dot 01-2014 34
Dziękuję 01-2014 35
Dziękuję 36 09-2006