Беспроводные сенсорные сети

План
Беспроводные сенсорные сети (WSN)
Приложения WSN
Платформы
Требования и Вызовы
Описание курса

Беспроводные сенсорные сети

Беспроводные сенсорные сети
Последние достижения микроэлектроники открыли путь к созданию новой технологии: Беспроводным сенсорным сетям.
малопотребляющие процессоры и трансиверы
миниатюрные, недорогие сенсоры (MEMS, RFID)

Самоорганизующаяся ad hoc сеть.
Миниатюрные устройства, оснащенные сенсорами.
Большое количество узлов. Сбор информации с больших площадей, в течении длительного времени
Беспроводные сенсорные сети

More than half a billion nodes will ship for wireless sensor applications in 2010 for an end user market worth more than $7 billion.
- On World
By 2008, there could be 100 million wireless sensors in use, up from about 200,000 today, market-research company Harbor Research says. The worldwide market for wireless sensors, it says, will grow from $100 million this year to more than $1 billion by 2009.
-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 сети

Беспроводные сенсорные сети

Беспроводные сенсорные сети

Приложения WSN

Приложения WSN
Мониторинг 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!

Мониторинг живых организмов
Экологический мониторинг
Трэкинг цели
Мониторинг авто трафика
Мониторинг погоды
Структурный мониторинг
Безопасность
«Умный дом»
Приложения WSN

Приложения WSN
Great Duck Island
* Alan Mainwaring, Joseph Polastre, Robert Szewczyk, David Culler, John Anderson, «Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring»

Приложения WSN
Great Duck Island
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:
Давление
Температура
Скорость ветра
Облачность
* Alan Mainwaring, Joseph Polastre, Robert Szewczyk, David Culler, John Anderson, «Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring»

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Вопросы
Какие факторы влияют на пригодность гнезд? Как сильно они могут изменяться?
Как распределена занятость гнезд в инкубационный период?
Какие экологические изменения происходят в норах в течении брачного периода?
Методология
Желозо
Какие сенсоры использовать?
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

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Железо
Какие сенсоры использовать?
Малопотребляющие
С высокой точностью 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?

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
* Alan Mainwaring, Joseph Polastre, Robert Szewczyk, David Culler, John Anderson, «Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring»
Mica Weather Board

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Железо
Какие сенсоры использовать?
Какую платформу использовать?
Low-power
Small form-factor
Как упаковать?
Защитить электронику, «выставить» сенсоры.
Уменьшить вероятность отказа в неблагоприятных условиях.
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?

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Процессор
Atmel AVR w/ 512kB Flash
Радио
916MHz 40kbps RFM Radio
Питание
GreatBatch Литиево-Фенол-Хлоридная батарейка 1 Ah
Упаковка
Прозрачная акриловая упаковка

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Железо
Какие сенсоры использовать?
Какую платформу использовать?
Как упаковать?
Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы?
Удаленное администрирование
Как управлять питанием?
Как обнаруживать и исправлять неисправности?
Управление данными
Как отклибровать сенсоры?
Как хранить и обеспечить доступ к данным?

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Железо
Какие сенсоры использовать?
Какую платформу использовать?
Как упаковать?
Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы?
Как управлять питанием?
Duty-cycle radio, processor and sensor
BMAC: A duty-cycled MAC layer
Как обнаруживать и исправлять неисправности?
Управление данными
Как отклибровать сенсоры?
Как хранить и обеспечить доступ к данным?

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Железо
Какие сенсоры использовать?
Какую платформу использовать?
Как упаковать?
Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы?
Как управлять питанием?
Как обнаруживать и исправлять неисправности?
Обнаружение аномальных значений сенсоров.
Пронаблюдать корреляцию.
Управление данными
Как отклибровать сенсоры?
Как хранить и обеспечить доступ к данным?

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Влажность
Высокие значения связаны с дождем.
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.

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Железо
Какие сенсоры использовать?
Какую платформу использовать?
Как упаковать?
Программное обеспечение Какую выбрать архитектуру системы?
Как управлять питанием?
Как обнаруживать и исправлять неисправности?
Управление данными
Как отклибровать сенсоры?
Периодическое сравнение с наземным контролем данных.
Как хранить и обеспечить доступ к данным?

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Температурные измерения
Цифровой сенсор.
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!

Приложения WSN
Storm Petrel Monitoring
Железо
Какие сенсоры использовать?
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?
TinyDB: База данных для сенсорных узлов
TinySQL: Язык запросов для сенсорных сетей.

Приложения WSN
Wide-area WSN: CASA Project
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

Приложения WSN
Wide-area WSN: CASA Project
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 дорог
Структурный, сейсмический мониторинг:
Мосты, хайвеи.
Умные дороги Мониторинг дорожного трафика
Обнаружение аварий
Вызов помощи
Подсчет количества машин
Контроль «пробок»

Приложения WSN
BP Shipboard Project
Мониторинг вибраций на борту танкеров BP Petroleum

Приложения WSN
GazProm Project
Задача: Автоматический контроль параметров газовых хранилищ и передача этой информации на базовую станцию.
Требования:
Расстояние между узлами > 500 м
Число узлов > 200 на площади ~ 5 км2
Время жизни сети > 1 year
Широкий диапазон температур
ISM диапазон частот
Небольшие скорости передачи

Приложения WSN
RFID Sensors
Отслеживание места положения товара
Атоматическое считывания уникального ID номера товара
Продавец всегда имеет информацию о:
Количества товара в магазине и на складе
Если товар в неположенном месте

Приложения WSN
Другие приложения
Системы «Умный дом»
Индустриальная автоматика
размещение сенсорнов на технологических линиях
раннее предупреждение аварий
Безопасность
Отслеживание цели
Оборонные применения

Платформы WSN

Платформы WSN

Платформы WSN
MicaZ Platform
Микропроцессор: Atmel ATmega128L
7.3728 Мгц частота
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 Platform
Микропроцессор: MSP430 F1611
8 Мгц частота
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
Prometheus
Система 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 2
320/416/520 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 Imager
Agilent Imager
CMOS, среднее качество(128х128) и малопотребляющая (46 мквВт/100 нВт).
Внешняя ОЗУ
Внешняя Флеш-память.
Примеры приложений:
Детектирование движений, безопасность.
Фонология.

Ограничения и Вызовы

Ограничения в сенсорных сетях
Автономность
Беспроводные сенсорные сети могут разворачиваться на удаленных труднодоступных территориях(леса, горы, места землетрясений), где невозможно обеспечить доставку электоэнергии.
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.

Challenges
Радио
Обеспечить надежную связь в условиях сильной нестабильности беспроводных каналов 802.15.4 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 систем
Энергия, энергия и еще раз энергия.
Сокращение эренгозатрат во всем, эффективная оптимизация.
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 решения

Типичные решения

Описание курса

Цели курса
Ознакомить 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 темы
Приложения 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 Speakers
Guest 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 статей
Подготовка 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 работа
Написание 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 курса
http://www.sumkino.com/wsn/course

Литература
Wireless 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.