informationsverwaltung in sensornetzen sensorknoten- hardware und -software nikolaus huber
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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
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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]
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Schematischer Aufbau
Ein Sensorknoten besteht aus:- Sensoreinheit- Prozessoreinheit- Kommunikationseinheit- Energiequelle
Energiequelle
Sensoreinheit Prozessor
Speicher
Kommunikation
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Sensoreinheit
Ein oder mehrere passive Sensoren
hauptsächlich von der Art:- Bewegung/Beschleunigung- Temperatur- Lichtstärke
oder auch:- Mikrofon- Infrarot- Kameras
Energiequelle
Sensoreinheit Prozessor
Speicher
Kommunikation
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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
Sensoreinheit Prozessor
Speicher
Kommunikation
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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
Sensoreinheit Prozessor
Speicher
Kommunikation
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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
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Energiequelle
Energie aus Batterien (stark begrenzt)
Komponenten zur Energiegewinnung- Solarzellen- durch Vibration- Wärme (Piezo-Modul)
Größe der Energiequelle
beeinflusst Größe
des Sensorknotens Energiequelle
Sensoreinheit Prozessor
Speicher
Kommunikation
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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]
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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]
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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]
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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]
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Software
Anforderungen- Geringe Größe (wenig Speicher)- Geringer Energieverbrauch- Parallelität- Vielfalt in Design und Einsatzbereiche- Verschiedene Betriebsmodi
(TinyOS: Active, Idle, Power Save, Power Down)
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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
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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
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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)
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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]
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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
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Ausblick
Junge Technologie der Sensornetze:- Praxistauglich, aber ausbaufähig
- Benutzerfreundlichkeit verbessern
- Energiequellen müssen kleiner werden
- Märkte müssen geschaffen werden
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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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