Wireless Sensor Networks

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1 Center of Excellence DEWS Design Methodologies for Embedded controllers, Wireless interconnect and System-on-chip Università degli Studi dell Aquila Dipartimento di Ingegneria Elettrica e dell Informazione Centro di Eccellenza DEWS Wireless Sensor Networks Ing. Luigi Pomante (PhD) pomante@ing.univaq.it Introduzione Tecnologie Hardware Software Applicazioni La nostra esperienza Conclusioni Demo Sommario Centro di Eccellenza DEWS 2

2 Introduzione Introduzione Nodi sensore Sono reti ad-hoc formatedaun insiemedinodi sensore, distribuiti in modo opportuno, che cooperano per rilevare uno o più fenomeni fisici Elementi chiave Nodo sensore (nodo, mote) Base Station (gateway, sink) Comunicazioni wireless ad-hoc Centro di Eccellenza DEWS 4

3 Introduzione Gateway node B Backbone network Gateway node A Centro di Eccellenza DEWS 5 Introduzione Caratteristiche principali Scalabilità Flessibilità Efficienza energetica Autoconfigurazione Robustezza Basso costo Ampio spettro di impiego Centro di Eccellenza DEWS 6

4 Tecnologie Hardware Tecnologie HW (MICA Family) Centro di Eccellenza DEWS 8

5 Tecnologie HW Architettura di un nodo sensore Elaborazione, Comunicazione Sensor board Acquisizione Programming Board Programmazione nodi, semplice basestation Panoramica Centro di Eccellenza DEWS 9 Tecnologie HW Architettura di un nodo sensore Sistema embedded (networked) Sistema digitale dedicato a specifici compiti Spesso incastonato in un sistema più ampio Risorse di sistema limitate Es. Mica2, Mica2dot Centro di Eccellenza DEWS 10

6 Sensor board Tecnologie HW Differenti tipologie di sensori Luce, temperatura, pressione, umidità Accelerometri, magnetometri, rilevatori di distanza Microfono, foto/videocamera, ricevitori GPS Centro di Eccellenza DEWS 11 Programming Board Tecnologie HW Collegamento wired PC-nodo (wireless con altri nodi) Parallela, seriale (MIB510), ethernet Centro di Eccellenza DEWS 12

7 Panoramica Tecnologie HW Centro di Eccellenza DEWS 13 Tecnologie Software

8 Requisiti generali nesc Networked Embedded Systems C TinyOS Sistema operativo embedded XNP In-Network Reprogramming TinyDB Networked Distributed Query Processing System Centro di Eccellenza DEWS 15 Requisiti generali Dimensioni (KB) contenute In particolare per l utilizzo EEPROM e RAM Utilizzo efficiente delle risorse HW In particolare in relazione ai consumi energetici Parallelismo a grana fine Almeno a livello di thread Alta modularità Portarsi dietro solo il necessario Piattaforme flessibili e open-source Centro di Eccellenza DEWS 16

9 nesc Estensione linguaggio C per networkedembeddedsystems Programmazione per componenti Moduli Configurazioni Collegamenti Programmazione orientata agli eventi Comandi utilizzati/offerti Eventi segnalati/gestiti Corrispondono ad interruzioni hw o sw Interfacce Centro di Eccellenza DEWS 17 nesc I componenti utilizzatori sono collegati (wired) ai fornitori Si crea una gerarchia di componenti I comandi Vanno verso il basso Ritornano al chiamante Gli eventi Vanno verso l alto Ritornano al segnalatore Centro di Eccellenza DEWS 18

10 nesc Oltre a comandi/eventi esiste il concetto di task che introduce due livelli di priorità nell esecuzione del codice Eventi Codice ad alta priorità Task Codice a bassa priorità Centro di Eccellenza DEWS 19 nesc Task Computazione medio-lunga in background Atomici rispetto ad altri task Interrotti (preemption) dagli eventi Eventi Alta reattività Breve durata (demandano lavoro ai task) Task ed eventi possono richiamare comandi che tipicamente danno luogo ad una esecuzione di tipo split-phase Questo permette un parallelismo a grana fine Centro di Eccellenza DEWS 20

11 nesc Es. Modulo Centro di Eccellenza DEWS 21 nesc Es. Configurazione Centro di Eccellenza DEWS 22

12 TinyOS Si tratta di una libreria di componenti nesc che offre alcune funzionalità tipiche di un sistema operativo Scheduler Driver Componenti per leggere dati da sensori Componenti per inviare comandi ad attuatori Componenti per gestire le comunicazioni radio Power Management Mantenere i dispositivi HW nel più basso stato di potenza dissipata possibile No concetti di kernel, processi, gestione della memoria Centro di Eccellenza DEWS 23 TinyOS Un applicazione è quindi un grafo di componenti Componenti di S.O. + Componenti Applicativi Il tutto è compilato e usato per programmare il singolo nodo (Mica) Centro di Eccellenza DEWS 24

13 TinyOS Per ogni applicazione esiste inoltre la configurazione top-level che contiene il componente Main Fornisce i servizi base di TinyOS ( 200 Bytes) Centro di Eccellenza DEWS 25 TinyOS La filosofia di sviluppo di una applicazione è del tipo Hurry Up and Sleep!!! Ovvero cercare di rimanere nello stato di sleep il più possibile per risparmiare energia Quando il nodo è risvegliato da un evento, cercare di eseguire il lavoro associato il più in fretta possibile e poi tornare a dormire Interrupt-driven & Split-phase Centro di Eccellenza DEWS 26

14 XNP La riprogrammazione diretta dei nodi può essere molto onerosa Una volta che una WSN è stata posizionata questa potrebbe non essere più facilmente raggiungibile I nodi possono essere così tanti da richiedere un tempo eccessivamente lungo La soluzione al problema è la In-Network Reprogramming Centro di Eccellenza DEWS 27 XNP Consiste nel riprogrammare un nodo via radio sovrascrivendo (re-flashing) le istruzioni in memoria La XNP è implementata come un servizio separato Modificare le applicazioni (una volta) per abilitarle alla XNP non è particolarmente oneroso Aggiunta di particolari componenti La XNP prevede tre fasi: Download Query Reprogram Centro di Eccellenza DEWS 28

15 XNP Fase 1: Download Centro di Eccellenza DEWS 29 XNP Fase 2: Query Centro di Eccellenza DEWS 30

16 XNP Fase 3: Reprogram Centro di Eccellenza DEWS 31 TinyDB La gestione dei dati provenenti da una (o più) WSN può essere di due tipologie principali Tradizionale (procedurale) Esplicita richiesta dei dati dai singoli sensori Dati elaborati in modo centralizzato DB-style (dichiarativo) Richiesta di informazioni tramite query Elaborazione implicita e distribuita dei dati all interno della rete All utente arrivano solo le informazioni di interesse Centro di Eccellenza DEWS 32

17 TinyDB Sistema di elaborazione distribuita di query per estrarre informazioni da una WSN basata su TinyOS Query espresse tramite una variante di SQL (TinySQL) Le query sono inoltrate da PC ai nodi e possono essere memorizzate localmente ed elaborate periodicamente I dati raccolta dai nodi, sono opportunamente elaborati (filtraggio, aggregazione, ecc.) nel percorso verso il PC Gli algoritmi low-power per l elaborazione e il routing sono completamente mascherati all utente finale Centro di Eccellenza DEWS 33 TinyDB Si basa su una tabella che contiene informazioni relative ai singoli nodi e ai sensori disponibili su ciascuno di essi Tabella Sensors Node_ID Light Temp Centro di Eccellenza DEWS 34

18 TinyDB Esempi di query SELECT NodeID, Light FROM Sensors EPOCH DURATION 5min SELECT AVG(Light), AVG(Temp) FROM Sensors WHERE NodeID>1 EPOCH DURATION 5min ON event: SELECT NodeID, Light, Temp FROM Sensors WHERE Light>Threshold TRIGGER ACTION SetSnd(512) SELECT AVG(Temp) FROM Sensors GROUP BY Light HAVING AVG(Temp)>10 EPOCH DURATION 5min Centro di Eccellenza DEWS 35 TinyDB Un sguardo dietro la tabella Logicamente centralizzata nel PC Fisicamente partizionata e distribuita sui nodi Centro di Eccellenza DEWS 36

19 Panoramica Centro di Eccellenza DEWS 37 Applicazioni Wireless Sensor Networks

20 Applicazioni Svariati campi applicativi Militari Ambientali Mediche Domotiche Commerciali Industriali Civili PERSONAL HEALTH CARE BUILDING AUTOMATION INDUSTRIAL CONTROL CONSUMER ELECTRONICS RESIDENTIAL/ LIGHT COMMERCIAL CONTROL PC & PERIPHERALS Centro di Eccellenza DEWS 39 Applicazioni Applicazioni Ambientali Due categorie principali Monitoraggio dell habitat Monitoraggio di strutture Esempi Rilevamento incendi/alluvioni Monitoraggio frane Agricoltura di precisione Monitoraggio qualità acqua/aria Monitoraggio animali protetti Monitoraggio ponti/edifici Centro di Eccellenza DEWS 40

21 Applicazioni Applicazioni Ambientali Esempio famoso Great Duck Island Piccola isola degli USA, Maine Studio sui Petrel, una particolare specie di uccello marino 2002 Disposizione di 32 mote con vari sensori Monitoraggio del microclima attorno ai nidi Informazioni veicolate verso la rete Internet in tempo reale Centro di Eccellenza DEWS 41 Applicazioni Applicazioni Mediche Esempi Monitoraggio continuo di pazienti In ambulatorio o in ospedale In casa per pazienti cronici o anziani Adattamento dell ambiente al paziente Raccolta di dati clinici Centro di Eccellenza DEWS 42

22 Applicazioni Applicazioni Domotiche Esempi Gestione locale e remota della casa Automazione degli elettrodomestici Luminosità Interruttori wireless Temperatura Termostati wireless Controllo della casa Centro di Eccellenza DEWS 43 Applicazioni Applicazioni Commerciali Tracking Rilevamento della posizione e del movimento Controllo del traffico Controllo dell ambiente in ufficio Temperature Disponibilità stanze (Intel) Museo interattivo Interazione con oggetti esposti Localizzazione nel museo Centro di Eccellenza DEWS 44

23 Applicazioni Militari Applicazioni Monitoraggio di atrezzature e munizioni Sorveglianza del campo di battaglia Tipico ambiente ostile Riconoscimento del tipo di attacco Nucleare, biologico, chimico Centro di Eccellenza DEWS 45 Costi Previsioni per i singoli nodi Applicazioni Centro di Eccellenza DEWS 46

24 La nostra esperienza Tecnologie HW XBOW: MICA Family, Stargate nesc, TinyOS, TinyDB Altri OS Applicazioni Habitat Monitoring Web Sensor Network T C P / I P S E R I A L / P A R A L L E L W I R E L E S S R F A D H O C N E T W O R K Centro di Eccellenza DEWS 47 La nostra esperienza I mote al lavoro Misure di temperatura Misure di luminosità Centro di Eccellenza DEWS 48

25 La nostra esperienza TinyDB Local Wired Link Centro di Eccellenza DEWS 49 La nostra esperienza TinyDB Remote WEB SERVER with TinyDB Java API MySQL Gateway running SerialForwarder Centro di Eccellenza DEWS 50

26 La nostra esperienza La mappa del sito web Sensor Network Patch Via GPRS Centro di Eccellenza DEWS 51 La nostra esperienza Web Sensor Networks GW GW Patches di sensori per monitoraggio ambientale WEB SERVER GW Centro di Eccellenza DEWS 52

27 Demo 1 Conclusioni CntToLedsAndRfm e RfmToLeds Demo 2 TinyDB Local Demo 3 Controllo luminosità Centro di Eccellenza DEWS 53 Demo 1 Conclusioni CntToLedsAndRfm e RfmToLeds Semplice comunicazione tra 2 nodi Centro di Eccellenza DEWS 54

28 Demo 2 Conclusioni TinyDB per Monitoraggio Locale Wired Link Centro di Eccellenza DEWS 55 Conclusioni Demo 3 Controllo luminosità Sensori mobili Sensori fissi Attuatori La rete di sensori effettua un controllo a feedback regolando la luminosità in modo da mantenerla costante attorno a un valore di riferimento. Centro di Eccellenza DEWS 56

29 Conclusioni Domande? Grazie per l attenzione! Centro di Eccellenza DEWS 57