PermaSense Drahtlose Sensornetzwerke für das Monitoring von Felsbewegungen im Permafrost Jan...
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PermaSense
Drahtlose Sensornetzwerke für das
Monitoring von Felsbewegungen
im PermafrostJan Beutel, ETH Zurich
Andreas Hasler, UZH
19.11.2008
16.7.2003
Foto: Bruno Jelk
16.7.2003
Foto: Bruno Jelk
Auslösemechanismen und deren Abhängigkeit vom Klima sind zur Zeit noch wenig verstanden
Struktur des Vortrages
1. Einleitung2. Systemdesign der
PermaSense Messinfrastruktur
3. Erfahrungen von den Installationen
4. Schlussfolgerungen zur Anwendung
Zielsetzung PermaSense
•Entwicklung eines flexiblen Messsystems für den Gebirgspermafrost– robuste, mehrjährige Messungen– online Systemüberwachung
•Prototyp für zukünftiges Monitoring im Hochgebirge– online Datenabfrage
•Erforschung des Permafrostes in steilem Fels – der thermischen und mechanischen Bedingungen in und um
Klüfte– der damit zusammenhängenden Felsbewegungen
•Kompetenzaufbau durch Interdisziplinarität
Anforderungen an ein Messsystem im steilen Gebirgspermafrost
•Betrieb mit üblichen Sensoren der Geowissenschaften
•Mehrjährige Laufzeit ohne Wartung (3 Jahre)•Fernabfrage für Systemfunktionalität und
Messdaten •Keine Anfälligkeit gegen Stein-, Eis-, Blitzschlag•Autarkes loggen bei Verbindungsunterbruch (z.B.
Schneebedeckung)•Geringer Konfigurationsaufwand bei der Installation
Projektentwicklung
2006 2007 2008 2009 2010
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Testphase Labor/Dach
Generation IIGeneration I
Matterhorn – Hörnligrat
Matterhorn – Hörnligrat Jungfraujoch – Sphinx
Matterhorn – Hörnligrat Jungfraujoch – Sphinx
2. Systemdesign der PermaSense Messinfrastruktur
PermaSense – System Architektur
• Unterstützung verschiedener Sensoren
• Drahtloses Sensor Netzwerk– Batteriebetrieben– Lokaler Datenpuffer
• Basisstation– Embedded Linux (Gumstix)– WLAN Netzwerk, Backup GPRS Verbindung– Solarbetrieben– Erweiterbar mit Kameras und
Wetterstation
• Daten/Server Infrastruktur– Online Datenprozessierung mit Metadaten
(GSN)– Zentrale Datenbank– Standard Internet Überwachung/Tools
PermaSense – Netzwerk Übersicht
Das Herzstück – Miniaturisierte Drahtlose Sensoren
• Statische Sensor Datenraten (1-60 min)• Temperaturen, Spaltabstände,
Leitfähigkeiten• 3 Jahre Lebensdauer• < 0.1 Mbyte/Knoten/Tag
Basierend auf Jüngsten Forschungsergebnissen
• Dozer – Daten Sammeln mit geringstem Stromverbrauch– Multihop Protokoll, 1-hop synchroner Zeitmultiplex– Optimiert für sehr kleine Datenraten– 0.167% duty-cycle 0.032mA Stromverbrauch
• Systemweiter, zyklischer Ablaufplan– “Application processing window” für Anwendungsspezifische
Datenverarbeitung– 30 sec. Periode
time
jitter
slot 1 slot 2 slot k
data transfer slot
contention window beacon
timeslot 1 slot 2 slot k
Application processing window
[Burri – IPSN2007]
PermaSense – Sensorknoten Hardware
• Shockfish TinyNode584– MSP430, 16-bit, 8MHz, 10k SRAM, 48k Flash– LP Radio: XE1205 @ 868 MHz
• Wasserdichtes Gehäuse und Stecker
• Schutzschuh, einfache Installation
• Sensor Interface Board– Schnittstellen, ADC– Stromversorgungen– Überwachungsfunktionen– Schutzschaltungen– 1 GB Speicherkarte
– 3 Jahre Lebensdauer • Li-SOCl2 Zelle, 13000 mAh @ 3.6V • Energiebudget Iavg≤300 µA
Gemessener Stromverbrauch ~148 µA
Beitrag der Sensoren zum Stromverbrauch
Spezialisierte Elektronik in einer Robusten Verpackung
Computer Engineering and NetworksTechnische Informatik und Kommunikationsnetze
Infrastruktur & Datenmanagement
Eine Basisstation Sammelt die Sensordaten
Breitband Internet Zugang mit Direktionalem WLAN
• 7.5 km Entfernung zum Wetterradar am Kleinen Matterhorn
• Glasfaser/DSL der Zermatter Bergbahnen AG
• Zusammenarbeit mit APUNCH/CCES
• Kommerzielle Komponenten (Mikrotik)• Witterungsfeste Verpackung
Basisstation Innenleben mit Mikrotik WLAN Router
Gumstix Verdex
TinyNode GSM/GPRS
WLAN Router
EMP Schutz
IP68 Gehäuse und Steckverbinder
Support Komponenten Unterstützen die Feldarbeit
• Mobile Powerbox• 12V Solaranlage• Überspannungsschutz• Fernschaltbare Spannungskreise (Reset)• Interne Überwachung
(Temp./Feuchte/Spannungen)• 220V Konverter für Feldarbeit• Wetterstation• Webcam
Schutzmaßnahmen für einen Zuverlässigen Betrieb• Temperatur-, Feuchtigkeitsüberwachung in allen Gehäusen
• “Offene Systeme” mit Druckausgleichselementen (Gore-tex Membran)
• Überwachung von Spannungen und Strömen– Stromversorgungen– Subsysteme (Radio, Sensoren, CPU, Peripherie)
• Blitzschutz– Geeignete Montageposition– Kurze Kabel– EMP Schutzelemente– Ein Erdungskontakt
• Doppelte Schutzgehäuse/Dach• Senkrechte Befestigung• Steckeröffnungen am Boden
Online Datenverarbeitung und Speicherung
• Global Sensor Network (GSN)– Datenverarbeitungssystem der EPFL (Forschungsprojekt)– Strukturiert in sog. “Virtuellen Sensoren”, d.h. nach Datentypen/semantisch
organisiert– Hierarchien und Verknüpfung von Virtuellen Sensoren zu
Prozessierungsketten– Übersetzung der rohen Maschinenwerte in SI Werte– Einfügen von Metadaten (Sensortyp, Position, …)
PublicMetadata==============PositionSensor type…
Import from field GSN Web export
Private
GSN
Multi-Site, Multi-Station Datenmanagement
Zentraler Web-basierter Datenzugriff
3. Erfahrungen von den Installationen
Datenqualität und Kontinuität
• Seit 07/2008: 88,185,144 Datenpunkte
• Inkonsistenzen– zwischen Zeitstempeln und Sequenznummern
• Duplikate• Datenlücken
– Sporadisch– Systembedingt
Revision / Ausbau Juni 2010Service 2009Installation & Service 2008
Sensornode 9 neu installiert
Sensornode 20 - 22 neu installiert
Erfahrungen – Erste Betriebsdaten der Sensorknoten
Batteriespannung & Temperatur
# Verlorene Pakete
Systemausfall
Netzwerk Unterbruch
3 Monate Später – Exponentielle Fehlerzunahme
Knoten Reset
Systemausfälle# verlorene Pakete
Netzwerk Unterbruch
Erfahrungen – DatenqualitätKluftbewegungen, Fels- und Klufttemperaturen
•absolute Messgenauigkeit wegen mangelhafter Kalibration ± 0.2 °C
•relative Messgenauigkeit: besser als ± 0.05 °C•Messinstabilitäten der Sensorstäbe der ersten Generation
Datenqualität Temperaturen
interne Referenzwiderstände in der Sensorelektronik haben sich zur Filterung dieser Daten sehr bewährt!
Datenqualität Temperaturen
•absolute Messgenauigkeit wegen mangelhafter Kalibration ± 0.2 °C
•relative Messgenauigkeit: besser als ± 0.05 °C•Messinstabilitäten der Sensorstäbe der ersten
Generation•Drift einzelner Thermistoren (Langzeit Effekt)
3 Jahre nach Installation
•Messfehler oder Signal der thermischen Expansion der Felsmassen?
•Messung über kompaktem Fels:
Datenqualität Kluftmessgeräte
Ände
rung
der
In
stal
latio
n
Datenqualität Kluftmessgeräte
•Messfehler oder Signal der thermischen Expansion der Felsmassen?
•Messung über kompaktem Fels:
Kompakter FelsKluft
Resultate Kluftbewegungen
Resultate Kluftbewegungen
• Kluftbewegungen reziprok zu den Temperaturen
saisonal täglich
• Kluftbewegungen reziprok zu den Temperaturen
• Abweichungen von diesem Muster in den Sommermonaten
Stagnation
Resultate Kluftbewegungen
4. Anwendung drahtloser Sensornetzwerken
Drahtlose Sensoren im Vergleich zum DatenloggerDatenlogger• Vorteile– Einfaches Systemmodell– Unabhängigkeit von Infrastruktur
• Nachteile– Ausfälle werden nicht erkannt– Aufwendige Rekonstruktion der
Zeitbasis notwendig (z.B. mittels Tagesgang der Messwerte)
Drahtlose Sensoren• Vorteile– Kenntnis des Systemstatus (in
Echtzeit)– Erhöhte Betriebssicherheit– Überwachung der Datenqualität– Anpassung an wechselnde
Anforderungen
• Nachteile– Komplexere (Infrastruktur)– Detaillierte Kenntnisse des
Systemmodels notwendig– Sensorknoten enthalten keine
globale Zeitbasis– Online Prozessierung (Sensor bis
zum Entscheidungsprozess) noch zu wenig entwickelt
Schlussfolgerungen zur Anwendung
•Lern- und Trainingsphasen für Technologie und Datenprozessierung nötig
•Integration von Kontrollvariablen sehr nützlich
•Automatische Datenvalidierung und Auswertung fordert genaue Kenntnis des Messsystems und der Prozesse
•Kombination von WSNs mit anderen Methoden
•WSNs können in Zukunft eine robuste und effiziente Alternative zu “klassischen” Messdispositiven sein
Vielen Dank!
ETH Zürich– Institut für Technische Informatik
und KommunikationsnetzeUniversität Zürich– Geographisches InstitutUni Basel– Departement Informatik