Беспроводные сенсорные сети Садков Александр
 Скачать 6.21 Mb.
|
Беспроводные сенсорные сетиСадков Александр Аспирант РФ axel@wl.unn.ru http://www.wl.unn.ru Сайт курса: http://www.sumkino.com/wsn/course ПланБеспроводные сенсорные сети (WSN) Приложения WSN Платформы Требования и Вызовы Описание курса Беспроводные сенсорные сетиБеспроводные сенсорные сетиПоследние достижения микроэлектроники открыли путь к созданию новой технологии: Беспроводным сенсорным сетям.
Беспроводные сенсорные сетиСамоорганизующаяся ad hoc сеть. Миниатюрные устройства, оснащенные сенсорами. Большое количество узлов. Сбор информации с больших площадей, в течении длительного времени Беспроводные сенсорные сетиMore than half a billion nodes will ship for wireless sensor applications in 2010 for an end user market worth more than $7 billion.
-InformationWeek Magazine The oil and gas industry will spend $200 million on wireless sensing networks (WSN) over the next three years. - On World Беспроводные сенсорные сетиБеспроводные сенсорные сетиПриложения WSNПриложения WSNМониторинг Экосистем Струкрутрный и сейсмический мониторинг Микросенсоры, обработка данных, беспроводной интерфейс, объедененные в небольшие устройства, могут мониторировать явления «изнутри». Беспроводные сенсорные сети позволяют наблюдать за явлениями ранее не доступными! Приложения WSNМониторинг живых организмов Экологический мониторинг Трэкинг цели Мониторинг авто трафика Мониторинг погоды Структурный мониторинг Безопасность «Умный дом» * Alan Mainwaring, Joseph Polastre, Robert Szewczyk, David Culler, John Anderson, «Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring» Основная задача: сбор данных о среде обитания буревестников. В течении 9 месяцев, 32 сенсорных узла были расположены на острове чтобы наблюдать и измерять следующие параметры:
Температура Скорость ветра Облачность * Alan Mainwaring, Joseph Polastre, Robert Szewczyk, David Culler, John Anderson, «Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring» Вопросы
Как распределена занятость гнезд в инкубационный период? Какие экологические изменения происходят в норах в течении брачного периода? Методология Желозо
Какую платформу использовать? Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы? Как управлять питанием? Как обнаруживать и исправлять неисправности? Управление данными Как отклибровать сенсоры? Как хранить и обеспечить доступ к данным? Intel Research, Berkeley
С высокой точностью Какую платформу использовать? Как упаковать? Какую выбрать архитектуру системы? Как управлять питанием? Как обнаруживать и исправлять неисправности? Управление данными Как отклибровать сенсоры? Как хранить и обеспечить доступ к данным? * Alan Mainwaring, Joseph Polastre, Robert Szewczyk, David Culler, John Anderson, «Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring» Mica Weather Board
Какую платформу использовать?
Small form-factor Как упаковать? Защитить электронику, «выставить» сенсоры. Уменьшить вероятность отказа в неблагоприятных условиях. Какую выбрать архитектуру системы? Как управлять питанием? Как обнаруживать и исправлять неисправности? Управление данными Как отклибровать сенсоры? Как хранить и обеспечить доступ к данным? Процессор
Радио 916MHz 40kbps RFM Radio Питание GreatBatch Литиево-Фенол-Хлоридная батарейка 1 Ah Упаковка Прозрачная акриловая упаковка
Какую платформу использовать? Как упаковать? Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы?
Как управлять питанием? Как обнаруживать и исправлять неисправности? Как отклибровать сенсоры? Как хранить и обеспечить доступ к данным?
Какую платформу использовать? Как упаковать? Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы? Как управлять питанием?
BMAC: A duty-cycled MAC layer Как обнаруживать и исправлять неисправности? Как отклибровать сенсоры? Как хранить и обеспечить доступ к данным?
Какую платформу использовать? Как упаковать? Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы? Как управлять питанием? Как обнаруживать и исправлять неисправности?
Пронаблюдать корреляцию. Как отклибровать сенсоры? Как хранить и обеспечить доступ к данным? Влажность
Низкие значения (raw 0) связаны с ошибкой сенсора, часто фатальной 26 sensors reported 0 RH readings Освещенность Потеря нескольких значений днем. 7 случаев, 6 из которых коррелируют с ошибками сенсора влажности. Температура 22 сбоя, все коррелируют с отказом сенсора влажности. 2 отказа первый сенсор температуры, 2 отказа первый сенсор влажности, остальные отказы одновременно.
Какую платформу использовать? Как упаковать? Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы? Как управлять питанием? Как обнаруживать и исправлять неисправности? Управление данными Как отклибровать сенсоры?
Как хранить и обеспечить доступ к данным? Температурные измерения
Наблюдаемое разрешение 2 градуса, вместо ожидаемых 0.5 Измеренная температура внутри упаковки, больше чем температуры снаружи. В облачные дни хорошая корреляция с другими наземными датчиками. Собранные значения варируются в пределах -10 до 60 градусов. Калибровка и проверка значений сенсоров является необходимой!
Какую платформу использовать? Как упаковать? Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы? Как управлять питанием? Как обнаруживать и исправлять неисправности? Управление данными Как отклибровать сенсоры? Как хранить и обеспечить доступ к данным?
TinySQL: Язык запросов для сенсорных сетей. Наблюдение, понимание, обнаружение и предсказание погодных стихий CASA: Center for Adaptive Sensing of the Atmosphere, Jim Kurose et. al. Торнадо Оползни Штормы Статистика Торнадо (для США): >1300 ежегодно 70% вероятность обнаружить 70% ложная тревога 12 мин. среднее время эвакуации CASA: Collaborative Adaptive Sensing of the Atmosphere Атмосферный радар сегодня Плотная распределенная сеть низкомощных атмосферных радаров: работает в нижних 3-х км земной атмосферы в кооперации с основными радарами дает улучшение детектирования и предсказания состояния атмосферы. отвечает нужнам конечных потребителей. Приложения WSN Мониторинг трафика и дорогСтруктурный, сейсмический мониторинг:
Умные дороги Мониторинг дорожного трафика Обнаружение аварий Вызов помощи Подсчет количества машин Контроль «пробок» Приложения WSN BP Shipboard ProjectМониторинг вибраций на борту танкеров BP Petroleum Приложения WSN GazProm ProjectЗадача: Автоматический контроль параметров газовых хранилищ и передача этой информации на базовую станцию. Требования:
Число узлов > 200 на площади 5 км2 Время жизни сети > 1 year Широкий диапазон температур ISM диапазон частот Небольшие скорости передачи Приложения WSN RFID SensorsОтслеживание места положения товара Атоматическое считывания уникального ID номера товара Продавец всегда имеет информацию о:
Если товар в неположенном месте Приложения WSN Другие приложенияСистемы «Умный дом» Индустриальная автоматика
Безопасность Отслеживание цели Оборонные применения Платформы WSNПлатформы WSNПлатформы WSN MicaZ PlatformМикропроцессор: Atmel ATmega128L
128 Кб флеш-памяти для программ 4 Кб SRAM для данных 2 UART’s SPI шина I2С шина Радио: ChipCon CC2420 Фнешняя флеш-память: 512 Кб 51-pin дополнительный коннектор восемь 10-битовых аналоговых I/O 21 цифровых I/O Три программируемых LEDs JTAG порт Питание от двух батарей AA Платформы WSN TelosB PlatformМикропроцессор: MSP430 F1611
48 Кб флеш-памяти для программ 10 Кб RAM для данных UART SPI шина Втроенный 12-битовый ADC/DAC DMA контроллер Радио: ChipCon CC2420 Фнешняя флеш-память: 1024 Кб 16-pin дополнительный коннектор Три программируемых LEDs JTAG порт Опционально: Сенсоры освещенности, влажности, температуры. Питание от двух батарей AA Платформы WSN PrometheusСистема питания от солнечной энергии для платформы TelosB Конденсаторы для накопления энергии Литиевые батареи, как запасная энергия(на экстренный случай) Source: “Perpetual Environmentally Powered Sensor Networks” To appear, IPSN/SPOTS, April 2005
Платформы WSN Intel Mote 2320/416/520 МГц PXA271 XScale микропроцессор 32 Мбайта Флеш-памяти 32 Мбайта ОЗУ Mini-USB интерфейс I-Mote2 коннектор для внешних устройств(31+21 pin) Radio: ChipCon CC2420 Светодиодные индикаторы Питание от трех батарей AAA Платформы WSN Cyclops ImagerAgilent Imager
Внешняя ОЗУ Внешняя Флеш-память. Примеры приложений: Детектирование движений, безопасность. Фонология. Ограничения и ВызовыОграничения в сенсорных сетяхАвтономность
Сенсорные узлы должны экономить энергию. Время жизни Заменить батареи на сенсорных узлах очень дорого и требует много времени. Необходимо обеспечить время жизни сети 1-2 года. Стоимость Беспроводные сенсорные сети могут состоят из тысячи и десятков тысяч узлов. Необходимо уменьшить стоимость узлов (<10$) Форм-фактор Многие приложения сенсорных сетей требуют небольших размеров узлов. ChallengesРадио
Временная синхронизация, работа по расписанию. Сенсоры Калибровка, синхронизация, локализация. Отслеживание явлений, зона покрытия(Sensing Coverage). Система Программирование индивидульных узлов и все системы в целом. Вычисления vs Передача информации Обработка данных прямо на узле, чтобы уменьшить информацию для передачи по сети. Управление данными Хранение, удаление, обработка, перераспределение. Отличие от других распределенных системЭнергия, энергия и еще раз энергия.
Распределенные системы не имеют дела с коррелированными данными Задачи комбинирования маршрутной информации и обработки данных в узлах уникальны для сенсорных сетей. Намного более серьезные ограничения Малые скорости, малые объемы информации. Самоорганизация, интелектуальность, автономность. Нет IP адресов, нет DNS. Типичные решенияТипичные решенияОписание курсаЦели курсаОзнакомить слушателей с технологиями беспроводных сенсорных сетей, понять алгоритмы их работы, какие существуют ограничения. Дать основные навыки програмиирования в операционной системе TinyOS. Ознакомить с задачами, которые интересны и актуальны. Развить навыки самостоятельной работы с научными статьями. Дать практический опыт работы с сенсорными узлами. Охваченные темыПриложения сенсорных сетей Беспроводные каналы связи Канальный уровень сенсорных сетей Протоколы маршрутизации Связность. Зоны покрытия. Локализация. Временная синхронизация. Программирование в TinyOS. Системы моделирования сенсорных сетей. Guest SpeakersGuest Speaker: Жеденов Вадим – основной разработчик сенсорных систем компании «Лаборатория Беспроводных Сетей». Краткая аннотация: Проект Газпрома. Какие стояли задачи, какие были проблемы, как они решались. Guest Speaker: Мишагин Костя – к.ф.-м.н . Краткая аннотация: Связность в беспроводных сенсорных сетях, методы анализа связности, метода повышения связности. Презентация статейПодготовка обзора научной статьи из предложенного списка на 10-15 мин. Обзор должен включать подробный анализ статьи, необходимо выделить основную проблему, методы ее решения и выводы которые сделали авторы. Необходимо провести критический анализ выбранной работы, указать на ее достоинства и недостатки. Если возможно сравнить с другими работами в этой области. Если Вы присутствуете на курсе – участвуйте! Лабораторная работаНаписание программы в TinyOS для узлов Tmote Sky. Программа должна состоять из двух частей, одна из которых устанавливается на узел-базовую станцию(БС) другая на узел-сенсор(УС). Алгоритм работы программы состоит в следующем: БС периодически посылает запрос на данные, УС по получению этого запроса, считывает данные с датчика температуры и посылает полученное значение на БС. БС выводит полученное значение на экран компьютера или в файл. Работа Mote-PC, Mote-to-Mote, работа с датчиками. Сайт курсаhttp://www.sumkino.com/wsn/course ЛитератураWireless Sensor Networks for Habitat Monitoring, A. Mainwaring, J. Polastre, R. Szewcyk, D. Culler, and J. Anderson, WSNA 2002. . A Survey on Sensor Networks lan F. Akyildiz, WellJan Su, Yogesh Sankarasubramaniam, Erdal Cayirci . Sensor Networks Evolution, Opportunities, and Challenges CHONG AND KUMAR Connecting the Physical World with Pervasive Networks Deborah Estrin, David Culler and Kris Pister, Gaurav Sukhatme Sensor Networks for Emergency Response: Challenges and Opportunities, K. Lorincz, D. Malan, T. Fulford-Jones, A. Nawoj, A. Clavel, V. Shnayder, M. Welsh and S. Moulton, IEEE Pervasive Computing, 2004. Конец |