Informationsverwaltung in Sensornetzen Sensorknoten- Hardware und -Software Nikolaus Huber.

Informationsverwaltung in Sensornetzen

Sensorknoten-

Hardware und -Software

Nikolaus Huber

04.12.2006 Sensorknoten-Hardware und -Software 2

Überblick

EinführungHardware

- Wie sind Sensorknoten aufgebaut?- Was für Sensorknoten gibt es?

Software- Welche Anforderungen werden gestellt?- Welche Betriebssysteme gibt es?

Übersicht und Aussicht


stark begrenzte Ressourcen, Größe, Preis, ökologische Abbaubarkeit

Sensorknoten

Einsatz in drahtlosen, mobilen ad-hoc Netzen

Sammeln (und Verarbeiten) von Daten

Beispiele: Great Duck Island, Gebäudeüberwachung

Luft- oder Wasserverschmutzung, seismische Aktivitäten, Geländebewegungen, Schäden an Gebäuden

Unterliegen speziellen Anforderungen

Mica2 Sensorknoten [1]


Schematischer Aufbau

Ein Sensorknoten besteht aus:- Sensoreinheit- Prozessoreinheit- Kommunikationseinheit- Energiequelle

Energiequelle

Sensoreinheit Prozessor

Speicher

Kommunikation


Sensoreinheit

Ein oder mehrere passive Sensoren

hauptsächlich von der Art:- Bewegung/Beschleunigung- Temperatur- Lichtstärke

oder auch:- Mikrofon- Infrarot- Kameras

Energiequelle


Speicher

Kommunikation


Prozessoreinheit

Mikrocontroller mit internem Speicher:- CPU- Programmspeicher- Arbeitsspeicher- Ein-/Ausgabeschnittstellen

Takt und Wortbreite sowie Programm- und Arbeitsspeicher markante Faktoren für die Leistung

Berechnet/Verarbeitet empfangene Sensordaten, hat Einfluss auf die Kommunikationssteuerung

Einsatz auch in Gebrauchsgegenständen (MP3-Player, Handys usw.)

Energiequelle


Speicher

Kommunikation


Kommunikationseinheit

Kommunikation auf kurzen Strecken über:- Funk- Bluetooth- Infrarot- Zigbee

Über größere Distanzen „Multi Hop“

Aus Energiegründen werden spezielle Protokolle benötigt:- S-MAC- T-MAC- WiseMAC

Energiequelle


Speicher

Kommunikation


Kommunikationsprotokolle

Sensor Medium Access Control (S-MAC)- regelt Initialisierung, Tagesablauf und

Kommunikationsschema eines Sensornetzes- Synchronisationsimpuls teilt das Netz in Gruppen

und regelt den Tagesablauf- Kommunikationsschema Rendezvous-Technik

Nachteile:- Randknoten bei Clusterbildung - Gesprächspartner nicht erreichbar

T-MAC, WiseMAC beheben diese Nachteile


Energiequelle

Energie aus Batterien (stark begrenzt)

Komponenten zur Energiegewinnung- Solarzellen- durch Vibration- Wärme (Piezo-Modul)

Größe der Energiequelle

beeinflusst Größe

des Sensorknotens Energiequelle


Speicher

Kommunikation


Technische Daten:Maße: 58x21x7 mm, 18g (ohne Batterien)

Prozessor: Atmel ATmega 128L, 8MHz, 8bit Wortbreite, 4kB RAM, 128kB Flashspeicher

Betriebsystem: TinyOS

Kommunikation: Funkwellen

Sensoren: Temp., Licht, Luftfeucht., Beschl., Mikrofon, Summer, Magnetometer

Energieversorgung: 2 AA Batterien

Besonderheiten: - Kann als Basisstation genutzt werden- Sensoranwendung/-verarbeitung simultan zur Kommunikation möglich- Für große Netze mit mehr als 1000 Knoten entworfen- Verschiedene Sensorboards verfügbar

MICA2 Motes

MICA2 Knoten [2]


Technische Daten:Maße: 25mm Durchmesser (Vierteldollarmünze), 3g

Prozessor: Atmel ATmega 128L, 8MHz, 8bit Wortbreite, 4kB RAM, 128kB Flashspeicher

Betriebsystem: TinyOS

Kommunikation: Funkwellen

Sensoren: Temperatur, Multisensorboard optional

Energieversorgung: 3V Knopfzelle

Besonderheiten: - Geringe Größe – Geringes Gewicht- Sehr begrenzte Ressourcen- Beschränkte Einsatzmöglichkeit („Datensammeleinheit“)

MICA2DOT Motes

MICA2DOT Knoten [3]


Technische DatenMaße: 58x32x7 mm, 18g (ohne Batterien)

Prozessoreinheit: Atmel ATmega 128L, 8MHz, 8bit Wortbreite, 64kB RAM, 128kB Flashspeicher

Betriebsystem: BTnut System Software oder TinyOS

Kommunikation: Bluetooth und/oder Funkwellen

Sensoren: kann verschiedene Sensoren ausgerüstet werden

Energieversorgung: 2 AA Batterien

Besonderheiten: - Zwei voneinander unabhängig steuerbare Wege zur Kommunikation- Jedes Einsatzgebiet im Sensornetz denkbar

BTnode

BTnode Hardwareübersicht [4]


Technische Daten:Maße: 62x37x25 mm, 33g

Prozessoreinheit: ARM920T, 180MHz, 32bit Wortbreite, 512kB RAM, 4096kB Flashspeicher

Software: Squawk VM (Java on bare metal)

Kommunikation: ZigBee (IEEE 802.15.4)

Sensoren: Lichtstärke, Temp., Beschl.

Energieversorgung: LiIo-Akku 3,6V

Besonderheiten: - „Java on bare metal“ (VM direkt auf der Hardware)- Leistungsstarke Architektur, sehr großer Speicher- Entwickelt, um Sensornetze “einfacher” zu machen- USB-Anschluss ermöglicht Einsatz als Basisstation- Akku wiederaufladbar

Sun SPOT

Sun SPOT [5]


Software

Anforderungen- Geringe Größe (wenig Speicher)- Geringer Energieverbrauch- Parallelität- Vielfalt in Design und Einsatzbereiche- Verschiedene Betriebsmodi

(TinyOS: Active, Idle, Power Save, Power Down)


TinyOS (1)

- Entwickelt an der Universität Berkeley (CA)- Open Source- Geschrieben in NesC (komponentenbasiertes C)- Am häufigsten eingesetztes Betriebssystem- Geringer Ressourcenverbrauch (ab 46Byte RAM)- Schichtensystem (unabhängige „Components“)- Hardware ist die unterste Schicht- Event-basiert


TinyOS (2)

Messaging Component

Internal StateInternal Tasks

Commands Events

- Zwei-Level-Scheduling aus Tasks und Events (keine echte Nebenläufigkeit)

- Components kommunizieren über Commands und Events

- Tasks sind zeitflexibel, können von den zeitkritischen Events unterbrochen werden, nicht aber von anderen Tasks

- Events werden initial nur von der Hardware ausgelöst

- Commands geben Signale an untere Schicht weiter


Sun Squawk VM (1)

Gedanke: eine benutzerfreundlichere, flexiblere Software für Sensoren!

- Java on bare metal

kein Betriebssystem notwendig

- Größtenteils in Java geschrieben

- Läuft auf Sensornetzwerken als auch auf herkömmlichen Netzstrukturen (Unification of Domains)

- Standardwerkzeuge zum entwickeln, testen, debuggen nutzbar

- SunSPOTs können visualisiert werden

- Generierung von Suites (Codeoptimierung)

- Speicherhungriger als z.B. TinyOS (80KB RAM, 270KB Flash)


Sun Squawk VM (2)

Isolate Application Model

- Jede Anwendung ist ein unabhängiges Objekt (Isolate)

- Migrierbarkeit der Anwendungen zwischen Sensorknoten oder zur Wartung

- Einsatz mehrerer Anwendungen auf einer VM

Squawk Java VM [6]


Einteilung

Hauptsächlich zwei Knotentypen:

Sun SPOT

- groß und unflexibel- geringe Lebensdauer- hohe Erleichterung bei der Entwicklung- einfach zu Warten- auch für den Massenmarkt denkbar

Mica Motes

- klein, flexibel einsetzbar- hohe Lebensdauer- unflexible Entwicklungs- umgebung/ -möglichkeiten- schwer zu Warten- nicht für den Massenmarkt tauglich

Fazit: Sun SPOT zum entwickeln, Mica Motes als Endprodukt


Ausblick

Junge Technologie der Sensornetze:- Praxistauglich, aber ausbaufähig

- Benutzerfreundlichkeit verbessern

- Energiequellen müssen kleiner werden

- Märkte müssen geschaffen werden


Schluss

Fragen?

Danke für die Aufmerksamkeit!

Quellenangaben:[1] http://www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/Wireless_pdf/MICA2_Datasheet.pdf

[2] http://www.btnode.ethz.ch/pub/uploads/Projects/mica2.jpg

[3] http://www.xbow.com/Products/Product_pdf_files/Wireless_pdf/MICA2DOT_Datasheet.pdf

[4] http://www.btnode.ethz.ch/pub/files/btnode_rev3.22_productbrief.pdf

[5] http://www.sunspotworld.com

[6] http://research.sun.com/projects/squawk/docs/JavaOne2006-Squawk.pdf

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