1 BSS Sieci sensorowe - wprowadzenieZygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska
2 BSS - Wprowadzenie Hasła: BSS – Bezprzewodowe sieci sensoroweWSN - Wireless Sensor Networks Wireless sensor and actuators networks Definicje: Sieć bezprzewodowa złożona z wielu małych urządzeń (węzłów) rozmieszczonych na pewnym obszarze w celu realizacji określonego wspólnego zadania (zadań). Podstawowym elementem sieci jest węzeł wyposażony w czujnik/-i (oraz opcjonalnie w proste układy wykonawcze). Sieć bezprzewodowa składająca się z małych autonomicznych węzłów umożliwiających pomiary, przetwarzanie wyników oraz bezprzewodową komunikację. Zygmunt Kubiak
3 Przykładowe mierzone parametry:BSS - Wprowadzenie Przykładowe mierzone parametry: Temperatura Wilgotność Ciśnienie Obecność (nieobecność) obiektu Ruch Zanieczyszczenia powietrza, wody itp. Przykładowe dziedziny zastosowań: Potrzeby militarne Systemy nadzorowania procesów technologicznych Automatyzacja domów Monitorowanie środowiska Zarządzanie ruchem Medycyna itp. Zygmunt Kubiak
4 BSS - Wprowadzenie Typowa topologia: Zygmunt Kubiak
5 BSS - Wprowadzenie Powiązane dziedziny:Embeded Systems - Systemy wbudowane RFID - Radio-frequency identification NFC – Near Field Communication – Komunikacja bliskiego zasięgu Internet of Things – Internet rzeczy M2M - Machine to Machine HAN – Home Area Networks – Sieci domowe Smart Metering – Inteligentne pomiary Zygmunt Kubiak
6 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Licznik wody Zygmunt Kubiak
7 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Licznik wody Zygmunt Kubiak
8 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Licznik energii elektrycznej 01-2016Zygmunt Kubiak
9 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Wyświetlacz domowy 01-2016Zygmunt Kubiak
10 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Wykrywanie obecności 01-2016Zygmunt Kubiak
11 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Monitorowanie pacjenta 01-2016Zygmunt Kubiak
12 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Panele ogniw słonecznych 01-2016Zygmunt Kubiak
13 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Sieć ZigBee – nadzorowanie domu 01-2016Zygmunt Kubiak
14 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Sieć WSN – kontrola oświetlenia 01-2016Zygmunt Kubiak
15 Cechy wyróżniające sieci sensoroweBSS - Wprowadzenie Cechy wyróżniające sieci sensorowe Małe rozmiary węzłów Minimalizacja zużycia energii Specjalizowane układy Specjalne algorytmy działania (odp. protokoły) Ograniczenie mocy obliczeniowej i pamięci Silne zabezpieczenie komunikacji (metody modulacji, zabezpieczenia integralności i poufności transmisji) Brak serwisu lub minimalny serwis Mogą być wyposażone w mechanizmy agregacji danych i autokonfiguracji Bateria powinna starczyć na co najmniej kilka lat (z reguły kilkanaście) Stosowane są też rozwiązania bezbateryjne – energia pozyskiwana z otoczenia (Energy Harvesting) Zygmunt Kubiak
16 BSS - Wprowadzenie Przykłady: Odzyskiwanie energii do zasilania węzła Zygmunt Kubiak
17 BSS - Wprowadzenie Rys historycznyNorma IEEE 1451 (rozwijana od 1995 r.), która określa konstrukcję inteligentnych przetworników (ang. smart transducers) i sposób ich połączenia z mikrokontrolerami Rozwój technologiczny Mikrokontrolery Monolityczne układy nadawczo-odbiorcze (ang. Transceivers, RF) Sensory (szczeg. MEMS) Zygmunt Kubiak
18 Sieci LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) BSS - Wprowadzenie Sieci LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) Poszukiwanie rozwiązań transmisji radiowej dalekiego zasięgu o niskim poborze mocy – związek z IoT LoRa Technologia opracowana przez producenta układów RF, SEMTECH. Oferuje ona sporą przepustowość w porównaniu do innych sieci LPWAN. Średni zasięg. Sigfox Niewielka przepustowość. Duży zasięg. Zastosowania dla smart metering’u. Zygmunt Kubiak
19 Sieci LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) NB-IoTBSS - Wprowadzenie Sieci LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) NB-IoT Dedykowana IoT (2016). Wykorzystuje istniejącą infrastrukturę LTE i sieci GSM LTE-M Jest 13-tą wersją standardu 3GPP. Wysoki poziom bezpieczeństwa Zygmunt Kubiak
20 Sieci LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) LoRaWANBSS - Wprowadzenie Sieci LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) LoRaWAN Zygmunt Kubiak
21 Sieci LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) SigfoxBSS - Wprowadzenie Sieci LPWAN (ang. Low Power Wide Area Network) Sigfox Zygmunt Kubiak
22 Sensory/układy wykonawczeBSS - Wprowadzenie Węzeł sieci sensorowej = sensory + układy wykonawcze + ADC + mikrokontroler + układ zarządzania mocą + jednostka komunikacyjna (radiowy układ nadawczo- odbiorczy - RF Transceiver) Układ komunikacyjny Układy specjalizowane Pamięć Mikrokontroler Sensory/układy wykonawcze Zasilanie + Zarządzanie zasilaniem Zygmunt Kubiak
23 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICAUżytkownicy platformy TinyOS/MICA (UC Berkeley) (06/2002) UNIV SOUTHERN CALIFORNIA UNIVERSITY OF CALIFORNIA UNIVERSITY OF CINCINNATI UNIVERSITY OF COLORADO UNIVERSITY OF ILLINOIS UNIVERSITY OF IOWA UNIVERSITY OF KANSAS UNIVERSITY OF MICHIGAN UNIVERSITY OF NOTRE DAME UNIVERSITY OF SOUTHERN CA UNIVERSITY OF TEXAS UNIVERSITY OF UTAH UNIVERSITY OF VIRGINIA US ARMY CECOM USC INFORMATION SCIENCES VANDERBILT UNIVERSITY VIGILANZ SYSTEMS VITRONICS INC WASHINGTON UNIVERSITY WAYNE STATE UNIVERSITY WILLOW TECHNOLOGIES LTD WJM, INC XEROX UCLA INTEL CORPORATION INTEL RESEARCH JPL KENT STATE UNIVERSITY LAWRENCE BERKELEY NAT'L LLNL LOS ALAMOS NATIONAL LAB MARYLAND PROCUREMENT MIT MITRE CORP. MSE TECH. APPLICATION INC NASA LANGLEY RESEARCH CTR NAT'L INST OF STD & TECH NICK OLIVAS LOS ALAMOS NA NORTH DAKOTA STATE UNIV PENNSYLVANIA STATE UNIV PHILLIPS ROBERT BOSCH CORP. RUIZ-SANDOVAL, M.E. RUTGERS STATE UNIVERSITY SANDIA NATIONAL LABS SIEMENS BUILDING TECH INC SILICON SENSING SYSTEMS SOUTHWEST RESEARCH TEMPLE UNIVERSITY ACCENTURE ALLEN, ANTHONY ALTARUM BAE SYSTEMS CONTROLS BALBOA INSTRUMENTS CARNEGIE MELLON UNIV CENTRID CLEVELAND STATE UNIV CORNELL UNIVERSITY DARTMOUTH COLLEGE DOBLE ENGINEERING COMPANY DUKE UNIVERSITY FRANCE TELECOM R&D GE KAYE INSTRUMENTS, INC GEORGE WASHINGTON UNIV. GEORGIA TECH RESEARCH INT GE GRAVITON, INC HONEYWELL HRL ABORATORIES Zygmunt Kubiak
24 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICARodzina modułów z UC Berkeley Zygmunt Kubiak
25 Rodzina modułów z UC BerkeleyBSS - Wprowadzenie Rodzina modułów z UC Berkeley Zygmunt Kubiak
26 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowychUkłady radiowe nadawczo-odbiorcze TR1000 RFM 10 x 7 mm CC1000 Chipcon 10 x 6 mm CC2420 Chipcon 7 x 7 mm Zygmunt Kubiak
27 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICAATmega128 + CC1000 CC1010 Pamięć programu typu Flash 128 kB 32 kB Pamięć SRAM 4 kB 2 kB B Pamięć EEPROM Brak Interfejs UART 2 Interfejs SPI 1 TWI (I2C) Uniwersalne linie I/O 53 26 Timery/Liczniki 4 Przetwornik A/C 8 x 10 bitów 3 x 10 bitów Tryby uśpienia 6 3 Szybkość radiowej transmisji danych 76,8 kbd 9 x9 mm MLF 14 x 14 mm TQFP 12 x 12 mm (10 x10mm) TQFP Zygmunt Kubiak
28 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICATinyOS jest to prosty system operacyjny dla procesorów ATmega. TinyOS charakteryzuje się prostym zarządzaniem procesami, brakiem zarządcy pamięci, brakiem możliwości dynamicznego alokowania pamięci, oraz brakiem wirtualizacji pamięci. Zygmunt Kubiak
29 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICATinyOS Narzędzia projektowe Planista Komponenty Komendy Zdarzenia Komponenty sprzętowe Komponenty programowe W systemie TinyOS aplikacja składa się z Planisty oraz grafu komponentów. Komponenty połączone są za pomocą interfejsów, które składają się z Komend oraz Zdarzeń. Zygmunt Kubiak
30 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICATinyOS Narzędzia projektowe Planista Komponenty Komendy Zdarzenia Komponenty sprzętowe Komponenty programowe Komendy są przekazywanie z wyższych warstw do niższych, natomiast Zdarzenia z niższych do wyższych. Napisanie programu polega na wzajemnym połączeniu komponentów. Planista jest odpowiedzialny za przydzielanie zadań dla procesora. Zygmunt Kubiak
31 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICATinyOS Narzędzia projektowe Planista Komponenty Komendy Zdarzenia Komponenty sprzętowe Komponenty programowe Programy TinyOS mają architekturę sterowaną zdarzeniami. Oznacza to, że działanie programu polega na wzajemnym komunikowaniu się komponentów. Komponenty wyższych warstw mogą sterować komponentami niższych warstw, przekazywać i odbierać od nich dane, reagować na ich zdarzenia. Zygmunt Kubiak
32 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICATinyOS Narzędzia projektowe Komponent Timer Zygmunt Kubiak
33 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICATinyOS Narzędzia projektowe Interfejsy komponentu Timer Zygmunt Kubiak
34 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICATinyOS Narzędzia projektowe Tworzenie konfiguracji z dwóch komponentów Zygmunt Kubiak
35 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICATinyOS Narzędzia projektowe Przykład – aplikacja BlinkTask zmiana stanu diody co 1s Aplikacja zawiera pliki: BlinkTask.nc, BlinkTaskM.nc oraz SingleTimer.nc Plik BlinkTask.nc jest konfiguracją, opisuje powiązania między modułami: // BlinkTask.nc configuration BlinkTask { } implementation { components Main, BlinkTaskM, SingleTimer, LedsC; Main.StdControl -> BlinkTaskM.StdControl; Main.StdControl -> SingleTimer; BlinkTaskM.Timer -> SingleTimer; BlinkTaskM.Leds -> LedsC; Main BlinkTaskM SingleTimer TimerC LedsC stdControl Timer Zygmunt Kubiak
36 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICARozwiązania sprzętowe Mica2 i Mica2Dot ATmega128 CPU Chipcon CC1000 FSK Kodowanie Manchester Przestrajanie częstotliwości Niski pobór mocy Zygmunt Kubiak
37 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICARozwiązania sprzętowe Mica2 i Mica2Dot Total Solar Radiation Photosynthetically Active Radiation Resolution: 0.3A/W Relative Humidity Accuracy: ±2% Barometric Pressure Accuracy: ±1.5mbar Temperature Accuracy: ±0.01oC Acceleration 2 axis Resolution: ±2mg Designed by UCB w/ Crossbow and UCLA Zygmunt Kubiak
38 BSS – Wprowadzenie Początki sieci sensorowych – platforma TinyOS/MICARozwiązania sprzętowe Mica2Dot Zygmunt Kubiak
39 BSS - Wprowadzenie Dziękuję Zygmunt Kubiak
40 Dziękuję Zygmunt Kubiak