European Master on Critical Networked Systems Modulo su Mobile Systems

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1 Modulo su Parte IV: Lezione 1: Reti di sensori senza filo Introduzione alle reti di sensore senza filo Docente: Catello Di Martino Dipartimento di Informatica e Sistemistica Via Claudio 21, Napoli ::. Riferimenti J. Hill, R.Szewczyk, A.Woo, S. Hollar, D. Culler and K. Pister System architecture directions for network sensors ASPLOS 2000, Cambridge, November 2000 F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci. Wireless sensor networks: a survey. Computer Networks, 38(4): , March Dispensa didattica scaricabile dal sito del corso: /mobilesystems.html 1

2 ::. Contenuti della lezione Generalità sulle Reti di Sensori (WSNs) Tipologie di WSN e applicazioni Hardware di un sensore e problemi di consumo Organizzazione di una WSN ::. What is a sensor networks? Una rete di sensori è un sistema distribuito formato da un insieme di nodi capaci di: ospitare sensori o attuatori eseguire elaborazioni comunicare tra loro Scopo di una rete di sensori: monitoraggio e/o controllo di un ambiente. 2

3 ::. Definizioni (1/2) Nelleretidisensori cablate ilpiazzamentodeisensorideveessere eseguito da personale altamente specializzato, con notevole dispendio in risorse umane e materiali Nelle reti di sensori senza filo o Wireless sensor network invece il piazzamento dei nodi sensore non richiede particolari accorgimenti Spesso basta semplicemente paracadutare I nodi sul sito di interesse (Random deployment) ::. Definizioni (2/2) Queste caratteristiche di alta flessibilità nel posizionamento dei nodi è la chiave di successo delle moderne WSN. Tuttavia questa caratteristica implica che la rete sia self organizing Di conseguenza, i nodi devono essere dotati di una buona autonomia, dato che la manutenzione risulta a volte impraticabile (es. Sito difficilmente raggiungibile) Una strategia vincente per garantire riconfigurabilità e maggiore autonomia è quella di adottare una comunicazione ad-hoc tra i nodi (multihop). 3

4 ::. Caratteristiche di una WSN (1/2) Facile dislocazione le WSNs possono contenere un grande numero di nodi. nodi densamente distribuiti possono lavorare simultaneamente e in maniera cooperativa Ridondanza naturale In caso di fallimento di uno dei nodi, la rete riesce a reagire molto bene grazie alla forte ridondanza spaziale La possibilità di poter raggiungere diversi nodi direttamente (poichè posizionati ii iin unarea di raggio minore di quello di trasmissione) i garantisce una ridondanza anche nei possibili cammini verso la destinazione. ::. Caratteristiche di una WSN (2/2) Accuratezza la grande quantità di dati collezionati da un grande numero di minuscoli sensori riflette meglio le caratteristiche della realtà. Adottando opportuni algoritmi di cooperazione tra nodi è possibile abbattere rumore di misura incorrelato e incrementare la componente comune. Costo Un ordine di grandezza inferiore rispetto a sensori cablati Etereogeneità nelle misure fornite Nuovi nodi inseriti a caldo con diversi sensori Elevato numero di sensori disponibili 4

5 ::. Applicazioni Sensor Network Applications Environment/Health Monitoring Habitat monitoring Integrated biology Structural monitoring Commercial, Control, Interactive Product quality monitor Intrusion detection Pursuer evader ::. Es. Applicazioni Sensor Node Patch Network Es. di monitoraggio Sensor Patch ambientale: Gateway Great duck Island Transit Network Client Data Browsing and Processing Basestation Base-Remote Link Internet Data Service 5

6 ::. Descrizione dei nodi sensori Esistono diverse piattaforme hardware di nodi per WSN. Tutte presentano: 1. uno o più sensori della grandezza fisica da rilevare (trasduttore), 2. un trasmettitore per la comunicazione e lo scambio dei dati (radio), 3. un unità di elaborazione digitale della grandezza misurata che sovrintende anche alla comunicazione radio (unità di elaborazione e controllo), 4. un sistema di alimentazione autonomo (power management) 5. uno o più attuatori. ::. Dispositivi Sensore Necessariamente poco costosi Il costo è relativamente basso: attualmente $, target << 1$ Necessariamente piccoli survivable, ubiquitous, etc. Necessariamente molti Economia di scala Maggiore granularità nelle misure Necessariamente robusta Caso comune: nessuma manutenzione Necessarily low power No battery refill, long term applications 6

7 ::. Caratteristiche Hardware ::. Available Mote Designs: MICA Atmel ATMEGA103/128L 4Mhz8bitCPU 128KB Instruction Memory 4KB SRAM and EEPROM 4 Mbit flash (AT45DB041B) SPI interface 14uj/bitr/w RFM TR1000 Radio (916/433 MHz) 1 to 300 ft. range, RSSI Analog ADC & comparators, I2C, SPI, interrupts, PWM, ext. SRAM, UART 7

8 ::. Available Mote Designs: MICA2 Design changes to MICA: New radio (Chipcon 1000) 500 to 1000 ft. range, 38.4 Kbaud Better noise immunity, linear RSSI FM modulated (vs Mica AM) Digitally programmable output power Software programmable freq. hopping within bands Tiny OS v. 1.0 improved network stack, debugging Offer wireless remote programming 512 Kb serial flash ::. Available Mote Designs: MICA2DOT Similar feature set to MICA2 Degraded I/O capabilities 6 analog inputs, digital bus, serial or UART Integrated temperature and battery voltage sensors, status LED Battery is 3V coin cell instead of AA x 2 25 mm diameter, 6 mm height Compatible with MICA2 8

9 ::. Sensing Board contenuto ::. Efficienza energetica? Hardware efficiente Power States Selezionabili : Off, Sleep, Active Sleep > maggior parte del tempo Wakeup > solo per la processazione Active > quando il microcontrollore è Idle Software efficiente Controllo dell hardware a grana fine Data aggregation Operazioni con un basso Duty Cycle 9

10 ::. Tipica applicazione di WSNs Periodicamente: Data Collection (sense and send) La maggior parte Network Maintenance delle operazioni! Triggered Events Detection/Notification Eventi poco frequenti ma devono essere segnalati velocemente e in maniera affidabile alla destinazione Long Lifetime Mesi o anni senza manutenzione (es. Sostituzione delle batterie) Power management è la chiave del successo delle WSN! ::. Sleep state Un nodo trascorre la maggior parte del suo tempo nello stato di sleep (tipicamente più del >99%) Bisogna isolare e spegnere i circuiti i i individualmente id Il microcontrollore deve risvegliarsi su uno o più eventi Conversioni ADC, trasferimenti DMA, e operazioni sul bus mentre il microcontrollore core è sleeping 10

11 ::. Progettazione di una WSN Ogni specifica applicazione richiede che la WSN abbia delle proprietà particolari Tuttavia TUTTE le applicazioni per WSN richiedono che si minimizzi il consumo energetico dei nodi La realizzazione della rete riguarda diversi aspetti di progettazione: 1. la definizione delle grandezze da acquisire 2. insieme al software da installare 3. su ogni nodo e dal protocollo da utilizzare per la comunicazione e lo scambio dei dati ::. Consumo energetico La vita di un sensore è legata principalmente alla durata della batteria La richiesta di potenza va quindi minimizzata ad ogni livello di sviluppo, sia a livello hardware che software Il consumo energetico può essere suddiviso in due aliquote principali: 1. comunicazione 2. elaborazione dati in tempo reale. 11

12 ::. Consumo energetico dovuto alla comunicazione Un sensore spende la maggior parte dell energia nelle fasi di comunicazione (TX e RX) Generalmente è la trasmissione di dati che necessita maggiore energia La potenza trasmissiva del modulo radio è controllabile via software: Il caso ideale sarebbe quello di avere una trasmissione alla potenza minima Ma come fare a raggiungere il sink sesitrovaaldifuoridelraggiodi trasmissione? ::. Multihop routing (1/3) La soluzione è nel multihop routing! Tipico delle reti ad-hoc Ogni nodo funge da host e da router: Nella fase di avvio della rete ( e/o di un nodo) i nodi costruiscono una tabella dei nodi vicini (raggiungibili in 1 hop) Un nodo viene inserito nella tabella se è capace di raggiungere il sink. L algoritmo di aggiornamento della tabella è di tipo link-state e le informazioni sul routing si propagano a partire dai nodi collegati al sink con 1 hop. 12

13 ::. Multihop routing (2/3) Per rilevare i nodi, periodicamente, viene eseguita la routine di aggiornamento delle tabelle di routing Durante questa fase, viene aumentata al massimo la potenza trasmissiva in modo da rilevare anche i nodi distanti Ad ognuno dei nodi rilevati viene associato un costo tipicamente espresso come qualità del link rispetto alla potenza richiesta Tra tutti i nodi vicini, i pacchetti destinati al sink verranno inoltrati al nodo con qualità del link migliore (nodo parent ). La potenza trasmissiva verrà regolata di conseguenza al valore minimo necessario per raggiungere il nodo parent ::. Multihop routing (3/3) 13

14 ::. Multihop routing: pregi e difetti Pregi: Difetti: Diminuzione della potenza necessaria alla trasmissione di un pacchetto Diminuzione del raggio dei domini di collisione Connettività estesa a tutta la rete Ridondanza di percorsi verso il sink Alta riconfigurabilità e auto-organizzazione della rete Possibilità di scegliere tra le metriche per la scelta del parent, quelle che considerino lo stato energetico dei nodi (es. Carica residua) Consumo per l attività di inoltro Consumo per l aggiornamento delle tabelle Occupazione di memoria I nodi periferici impiegano molto tempo per costruire le tabelle di routing Necessità di soluzioni HW capaci di inoltrare pacchetti senza richiedere il risveglio della CPU ::. Clustering (1/2) per molte applicazioni può risultare conveniente raggruppare i nodi in cluster (gruppi). per ciascuno gruppo viene eletto un super-nodo, detto cluster head, responsabile della raccolta ed invio delle informazioni verso l esterno del cluster. Si riducono il numero di indirizzi fisici da allocare Si individua univocamente una parte della rete 14

15 ::. Clustering (2/2) La scelta del cluster head può essere casuale, o può tener conto delle risorse dei singoli nodi, prediligendo come cluster head quello dotato di maggiore energia e meno impegnato in comunicazioni radio Una strategia potrebbe prevedere di scegliere ciclicamente il cluster head per Un cluster potrebbe essere costituito da tutti i nodi collegati tra di loro con 1 hop. In questo caso solo i cluster head dovrebbero comunicare tra di loro tramite multihop Con la clusterizzazione si cerca di ridurre il numero di messaggi inoltrati dai nodi, in modo da allungare la vita della rete ::. Data aggregation & Data diffusion Altre tecniche molto utilizzate che permettono la riduzione dell informazione trasmessa mentre questa viaggia all interno della rete sono la Data aggregation e la data fusion. Entrambeevitanolosprecodirisorse(comelabandael energia)ecercano di limitare il traffico che transita nella rete. L idea principale consiste nell unire in un unico pacchetto inviato l informazioni proveniente da più nodi prima di inoltrarla verso la destinazione, aumentando l efficienza lefficienza delle trasmissioni quando i dati da trasmettere sono pochi. Differenti strategie di data fusion e aggregation richiedono diverse risorse e possono determinare variazioni nel routing. 15

16 ::. Es. Data aggregation Source 1 Source 2 Source 1 Source A B 1 2 A Data Aggregation B Sink a) Address-Centric (AC) Routing Sink b) Data-Centric (DC) Routing 16