Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

Η παρουσίαση φορτώνεται. Παρακαλείστε να περιμένετε

I-1 Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. I-2 Αρχιτεκτονική Κόμβων και Δικτύων Αισθητήρων Εφαρμογές ΑΔΑ Βασικές Τεχνολογίες ΑΔΑ Πλατφόρμες Αισθητήρων.

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Παρουσίαση με θέμα: "I-1 Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. I-2 Αρχιτεκτονική Κόμβων και Δικτύων Αισθητήρων Εφαρμογές ΑΔΑ Βασικές Τεχνολογίες ΑΔΑ Πλατφόρμες Αισθητήρων."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 I-1 Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων

2 I-2 Αρχιτεκτονική Κόμβων και Δικτύων Αισθητήρων Εφαρμογές ΑΔΑ Βασικές Τεχνολογίες ΑΔΑ Πλατφόρμες Αισθητήρων και Ενεργειακά Θέματα Αρχιτεκτονικές Ενδιάμεσου Λογισμικού

3 I-3 Τι ακριβώς είναι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSNs); Δίκτυα με τυπικά μικρές, ασύρματες συσκευές τροφοδοτούμενες από μπαταρίες. –Ενσωματωμένος υπολογιστής, –Δυνατότητες δικτύωσης, και, –αισθητήρες. Sensors Processor Radio Storage POWERPOWER Σχηματικό κόμβου WSN

4 I-4 Συστατικά κόμβου Επεξεργαστής χαμηλής ισχύος. –Περιορισμένη δυνατότητα επεξεργασία. Μνήμη. –Περιορισμένη δυνατότητα αποθήκευσης. Ραδιοεπαφή. –Χαμηλής ισχύος. –Χαμηλού ρυθμού. –Περιορισμένης ακτίνας εκπομπής. Αισθητήρες. –Απλοί αισθητήρες: Θερμοκρασία, φωτεινότητα, κλπ. –Κάμερες, μικρόφωνα. Σύστημα τροφοδοσίας ισχύος. Sensors Processor Radio Storage POWERPOWER Σχηματικό κόμβου WSN

5 I-5 Λόγοι ανάπτυξης της χρήσης ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων Η χρήση των δικτυωμένων αισθητήρων χρονολογείται από το –Αρχικές μορφές: σύνδεση μέσω καλωδίου, και, –Κεντρικοποιημένες λύσεις. Σήμερα, οι τεχνολογικές εξελίξεις στους χώρους του VLSI, των MEMS και των ασύρματων δικτύων επιτρέπουν. –Ανάπτυξη εφαρμογών διάχυτου υπολογισμού, και, –Πανταχόθεν διαθέσιμες επικοινωνίες.

6 I-6 Όραμα: Η χρήση ενσωματωμένων συσκευών από όλο τον κόσμο για όλες τις δραστηριότητες Διαδικτύωση των συσκευών για την πραγματοποίηση σύνθετων ενεργειών. ενσωμάτωση αισθητήρων για την παρακολούθηση και αλληλεπίδραση με το φυσικό κόσμο

7 I-7 Βασικά Προβλήματα και Προκλήσεις Σοβαροί περιορισμοί στην ενέργεια. –Πηγές με περιορισμούς (π.χ., μπαταρίες). –Αντιστάθμισμα μεταξύ επιδόσεων και χρόνου ζωής. Αυτοοργάνωση και αυτοδιόρθωση (self-healing). –Ανάγκες σε απομακρυσμένες εγκαταστάσεις. Κλιμάκωση. –Αυθαίρετα μεγάλος αριθμός κόμβων.

8 I-8 Ετερογένεια. –Συσκευές με διάφορες δυνατότητες. –Διαφορετικοί αισθητήρες. Προσαρμοστικότητα. –Δυνατότητα προσαρμογής σε διαφορετικές λειτουργικές συνθήκες και απαιτήσεις εφαρμογών. Ασφάλεια. Βασικά Προβλήματα και Προκλήσεις

9 I-9 Αρχιτεκτονική Κόμβων και Δικτύων Αισθητήρων Εφαρμογές ΑΔΑ Βασικές Τεχνολογίες ΑΔΑ Πλατφόρμες Αισθητήρων και Ενεργειακά Θέματα Αρχιτεκτονικές Ενδιάμεσου Λογισμικού

10 I-10 Εφαρμογές Εποπτεία (monitoring). –Επιστημονικές, περιβαλλοντικές εφαρμογές. Δεν δημιοργούν προβλήματα στο περιβάλλον (χαμηλή διεισδυτικότητα). Εφαρμογές πραγματικού χρόνου, μεγάλη χωρική-χρονική ανάλυση. Περιοχές απομακρυσμένες και δύσκολα προσπελάσιμες. Παρακολούθηση και ιχνηλάτηση (Surveillance – tracking). –αναγνωρίσεις. –Έλεγχος εγκαταστάσεων. “Έξυπνα” Περιβάλλοντα. –Γεωργία. –Βιομηχανικές διαδικασίες.

11 I-11 Δυνατότητες που προσφέρονται από δικτυωμένες ενσωματωμένες αισθητήριες συσκευές Η τεχνολογία των μικρο-αισθητήρων, μικρο-επεξεργαστών και ασύρματων δικτύων καθιστά εφικτή την παρακολούθηση φαινομένων Πυκνός χωρο-χρονικά περιβαλλοντικός έλεγχος Ενσωματωμένοι, Δικτυωμένοι Αισθητήτες επιτρέπουν τη μελέτη φαινομένων που δεν μπορούσαν να παρατηρηθούν παλαιότερα. Σεισμικός ΈλεγχοςΠεριβαλλοντική Μόλυνση Θαλάσσιοι Μικροοργανισμοί Οικοσυστήματα, Βιοποικιλότητα

12 I-12 Σεισμογραφικές εφαρμογές Τα υφιστάμενα σεισμικά δίκτυα δεν είναι επαρκώς χωρικά πυκνά ώστε να επιτρέψουν την παρακολούθηση παραμορφώσεων εδάφους και τη διαμόρφωση χαρτών εξέλιξης του σεισμικού φαινομένου. Έρευνα –Κατανόηση της απόκρισης των κτιρίων και του υποκείμενου εδάφους σε περίπτωση σεισμού –Ανάπτυξη μοντέλων για την πρόβλεψη της δομικής απόκρισης σε διάφορα σενάρια σεισμών. Τεχνολογία/Εφαρμογές –Προσδιορισμών των συμβάντων που προκαλούν σημαντική καταπόνηση. –Τοπική επεξεργασία της πληροφορίας (εντός του κόμβου). –Σύστημα παρακολούθησης με πυκνό δίκτυο

13 I-13 Παρακολούθηση οικοσυστήματος Κατανόηση της συμπεριφοράς άγριων ζώων και φυτών σε βάθος χρόνου. Ανάπτυξη συστημάτων λήψης παρατηρήσεων από το πεδίο και προσδιορισμού της δυναμικής του οικοσυστήματος. Τεχνικές Συλλογή δεδομένων φυσικών και χημικών ιδιοτήτων σε διάφορες χωρο-χρονικές κλίμακες. Αυτόματη αναγνώριση οργανισμών. Λήψη μετρήσεων από το πεδίο για μεγάλο χρονικό διάστημα Προβληματικά περιβάλλοντα: οριακές συνθήκες θερμοκρασίας, υγρασίας, κλπ.

14 I-14 Παρακολούθηση οικοσυστήματος Διαδικασίες Παρακολούθησης του Οικοσυστήματος –Λήψη εικόνων, οικοφυσιολογία και περιβαλλοντικοί αισθητήρες –Μελέτη της αντίδρασης της χλωρίδας σε κλιματικές αλλαγές και ασθένειες. Παρακολούθηση έμβιων όντων –Οπτικός προσδιορισμός, παρακολούθηση, μέτρηση πληθυσμού –Ακουστικοί αισθητήρες για προσδιορισμό ειδών, εντοπισμός θέσης, εκτίμηση πληθυσμού

15 I-15 Απαιτήσεις Εφαρμογών Αισθητήρων για Περιβαλλοντική παρακολούθηση Διαφορετικά μεγέθη αισθητήρων (1-10 cm), χωρική δειγματοληψία (1 cm m), και χρονική δειγματοληψία (1  s - days), ανάλογα με τις ιδιαιτερότητες παρακολούθησης (π.χ., οργανισμοί). Ανάγκη για επεξεργασία εντός του δικτύου για τον περιορισμένο της παραγώμενης πληροφορίας Ανάγκη ασύρματης επικοινωνίας λόγω κλίματος, εδάφους και πυκνής βλάστησης Ανάγκη προσαρμοστικότητας και αυτό-οργάνωσης για την επίτευξη αξιόπιστης, μακροπρόθεσμης λειτουργίας σε δυναμικά περιβάλλοντα ακραίων συνθηκών με περιορισμένους πόρους.

16 I-16 Ευφυείς Μεταφορές & παρακολούθηση περιβαλλοντικών κινδύνων

17 Έργο: Smart Kindergarten (Έξυπνο Νηπιαγωγείο) Ασύρματα Δίκτυα Παιχνιδιών που βασίζονται σε αισθητήτες για έξυπνα περιβάλλοντα εκπαίδευσης Sensors Modules High-speed Wireless LAN (WLAN) WLAN-Piconet Bridge Piconet WLAN-Piconet Bridge WLAN Access Point Piconet Sensor Management Sensor Fusion Speech Recognizer Database & Data Miner Middleware Framework Wired Network Network Management Networked Toys Sensor Badge

18 I-18 Έργο Yellowstone Δίκτυο αισθητήρων για την παρακολούθηση ηφαιστιακής δραστηριότητας σε εθνικά πάρκα των ΗΠΑ. Χωρο-χρονική παρακολούθηση θερμοκρασιακών μεταβολών. Ανίχνευση συμβάντων όπως πίδακας geiser.

19 I-19 Έργο Carnivore Παρακολούθηση της συμπεριφοράς σαρκοφάγων ζώων (κυνηγών). –Καταγράφη Θέσης –Παρακολούθηση προτύπων συμπεριφοράς για την ενεργειακή μελέτη των ζώων

20 I-20 Αισθητήρας που αναρτάται στο λαιμό των ζώων

21 I-21 Έργο SEA-LABS Ανάπτυξη ενός συστήματος χαμηλού κόστους, πραγματικού χρόνου για την περιβαλλοντική παρακολούθηση οργανισμών σε κοραλλιογενείς υφάλους. Παρακολούθηση χημικών και φυσικών παραμέτρων που επηρεάζουν την ανάπτυξη, ασβεστοποίηση των κοραλλίων και της κοραλλιογενούς χλωρίδας.

22 I-22 Αρχιτεκτονική Κόμβων και Δικτύων Αισθητήρων Εφαρμογές ΑΔΑ Βασικές Τεχνολογίες ΑΔΑ Πλατφόρμες Αισθητήρων και Ενεργειακά Θέματα Αρχιτεκτονικές Ενδιάμεσου Λογισμικού

23 I-23 Βασικές Τεχνολογίες Αισθητήρια Σύνδεση με τον φυσικό κόσμο Αισθητήρια Σύνδεση με τον φυσικό κόσμο Ενσωματωμένα Συστήματα Διαδικτύωση Ανεξάρτητοι κόμβοι – συστήματα ελέγχου μικρού μεγέθους Αξιοποίηση συνεργατικών αισθητήρων, εκτέλεση ενεργειών Ενσωμάτωση κατανεμημένων συσκευών για την εποπτεία και παρακολούθηση του φυσικού κόσμου Διαδικτυωμένες συσκευές για το συντονισμό και την υλοποίηση ενεργειών Αξιοποίηση χωρικά και χρονικά «πυκνών» παρατηρήσεων από το πεδίο (sensing) και εκτέλεση ενεργειών (actuation)

24 I-24 Αισθητήρες Παθητικά στοιχεία: σεισμικοί, ακουστικοί, υπέρυθροι, καταπόνησης, υγρασίας, θερμοκρασίας, κλπ. Παθητικές Συστοιχίες: οπτικοί αισθητήρες (στην ορατή ή στην υπερυθρη περιοχή), βιοχημικοί Ενεργοί αισθητήρες: radar, sonar –Υψηλής ενέργειας σε αντίθεση με τους παθητικούς αισθητήρες Τεχνολογική τάση: εφαρμογή της τεχνολογίας των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για αυξημένη ευρωστία, χαμηλό κόστος και περιορισμένο μέγεθος –Ο εμπορικά διαθέσιμος εξοπλισμός επαρκεί στις περισσότερες των περιπτώσεων. Εξειδικευμένα στοιχεία απαιτούνται σε ορισμένες περιπτώσεις, π.χ. για βιοχημική παρακολούθηση

25 I-25 Πολυαλματική μετάδοση Οι κόμβοι σε ένα ασύρματο δίκτυο στέλνουν τις μετρήσεις τους προς κάποιο σημείο συλλογής (καταβόθρα). Συχνά η απόσταση ενός κόμβου από την καταβόθρα είναι σημαντική. Η απευθείας μετάδοση δεν είναι εφικτή (χαρακτηριστικά ραδιοζεύξης) ή αποτελεσματική (ενεργειακό απόθεμα). Ο κόμβος βασίζεται σε άλλους κόμβους που βρίσκονται πλησιέστερα στη καταβόθρα για την προώθηση των μηνυμάτων του. Τα μηνύματα διανύουν πολλαπλά άλματα στην πορεία τους προς τη καταβόθρα.

26 I-26 Πολυαλματική μετάδοση Πυροδότηση αισθητήρα συμβάν Δίκτυο αισθητήρων Ενδιάμεσοι κόμβοι Μεταγωγείς (relays) και αισθητήρες Σημείο Συλλογής (καταβόθρα)

27 I-27 Εξέλιξη συστημάτων Διαδικτυωμένων Αισθητήρων (1/4) Μοντέλο: LWIM III Κατασκευαστής: Πανεπιστήμιο UCLA Έτος: 1996 Άλλα χαρακτηριστικά: Geophone (συσκευή παρακολούθησης σεισμικών δονήσεων), ασύρματο RFM, τοπολογία αστέρα

28 I-28 Εξέλιξη συστημάτων Διαδικτυωμένων Αισθητήρων (2/4) Μοντέλο: AWAIRS I Κατασκευαστής: Συνεργασία Πανεπιστημίου UCLA και Rockwell Science Center Ημερομηνία: 1998 Χαρακτηριστικά: Geophone, DS/SS ραδιοτεχνολογία, strongARM, Πολυαλματικό δίκτυο

29 I-29 Εξέλιξη συστημάτων Διαδικτυωμένων Αισθητήρων (3/4) Μοντέλο: Mote, 2000 Κατασκευαστής: Πανεπιστήμιο Berkeley Χαρακτηριστικά: 4K Ram 512K EEProm, Κώδικας 128K, Ραδιοτεχνολογία: CSMA half-duplex RFM radio

30 I-30 Εξέλιξη συστημάτων Διαδικτυωμένων Αισθητήρων (4/4) Μοντέλο: WINS NG 2.0 Sensoria Έτος: 2001 Τεχνολογία πολλαπλών αισθητήρων, Δύο διαφορετικές ραδιοτεχνολογίες, Linux, GPS

31 I-31 Εξέλιξη στις ενεργειακές απαιτήσεις των ασύρματων αισθητήρων W έως 0.5W mW mW Τεχνολογικές Εξελίξεις: System-on-Chip Advanced Power Management

32 I-32 Σύγκριση ενεργειακών πηγών Με προσεκτική ενεργειακή διαχείριση, ένα σύστημα ασύρματων αισθητήρων μπορεί να λειτουργεί απρόσκοπτα για μεγάλο χρονικό διάστημα Πηγή: Πανεπιστήμιο UC Berkeley

33 I-33 Ενεργειακές απαιτήσεις Μετάδοσης/Επεξεργασίας Υπόθεση: 10kbit/sec. Ραδιοακτίνα, 10 m. Σημαντικό πρόβλημα: το μεγάλο κόστος μετάδοσης σε σχέση με τον υπολογισμό

34 I-34 Νέες Σχεδιαστικές Κατευθύνσεις Επέκταση του χρόνου ζωής – συστήματα που λειτουργούν ανεξάρτητα και χωρίς εποπτεία Επεξεργασία Δεδομένων μέσα στο δίκτυο –Αξιοποίηση των υπολογιστικών δυνατοτήτων για το περιορισμό των μεταδόσεων Αυτορυθμιζόμενα συστήματα που αναπτυσσονται κατά περίπτωση Προσαρμοστικοί τοπικοί αλγόριθμοι

35 I-35 Πολυεπίπεδη Αρχιτεκτονική Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων Ισχυροί δεσμοί μεταξύ επιπέδων λόγω περιορισμένων πόρων Επεξεργασία για την εφαρμογή, συνάθροιση δεδομένων, επεξεργασία επερωτήσεων Έλεγχος τοπολογίας, Δρομολόγηση Πρόσβαση στο μέσο, Χρόνος, θέση Φυσικό επίπεδο: μετάδοση, αίσθηση, ενέργεια Ερωτήσεις χρηστών, εξωτερικές βάσεις δεδομένων Διάχυση δεδομένων, Αποθήκευση, caching

36 I-36 Χωρική και Χρονική Κλίμακα Μεταβλητότητα Αυτονομία Περιορισμοί πόρων Ταξινομία Συστημάτων Συχνότητα Τοπικότητα Κινητικότητα Μοντέλα Φόρτου/ Γεγονότων Μετρικές Αποδοτικότητα Διακριτική Ικανότητα / Πιστότητα Καθυστέρηση Ευρωστία Ικανότητα κλιμάκωσης

37 I-37 Αρχιτεκτονική Κόμβων και Δικτύων Αισθητήρων Εφαρμογές ΑΔΑ Βασικές Τεχνολογίες ΑΔΑ Πλατφόρμες Αισθητήρων και Ενεργειακά Θέματα Αρχιτεκτονικές Ενδιάμεσου Λογισμικού

38 I-38 Πλατφόρμες Υλικού-Λογισμικού για κόμβους Αισθητήρων Ακουστικός, σεισμικός, οπτικός, μαγνητικός, κλπ. αισθητήρες CPU radio μπαταρία Ηλεκτρομαγνητική διεπαφή Ανίχνευση συμβάντος Ασύρματη επικοινωνία με γειτονικούς κόμβους Υπολογισμός Εντός του κόμβου Περιορισμένη χωρητικότητα μπαταρίας Η ενεργειακή αποδοτικότητα είναι κρίσιμη παράμετρος σχεδιασμού για το υλικό και το λογισμικό

39 I-39 Πλατφόρμες αισθητήρων Ενεργειακή Κατανάλωση Τεχνικές Ενεργειακής Διαχείρισης

40 I-40 Πλατφόρμες Δικτύων Αισθητήρων RSC WINS & Hidra Sensoria WINS UCLA’s iBadge UCLA’s Medusa MK-II Berkeley’s Motes Berkeley Piconodes MIT’s  AMPs … Διαφορετικά κόστη, ισχύς, λειτουργικότητα, μέγεθος, κλπ.

41 I-41 Κόμβοι Rockwell WINS & Hidra Πλακέτες 2”x2” σε συσκευασία 3.5”x3.5”x3” –StrongARM MHz 4MB Flash, 1MB SRAM –Αισθητήρες Σεισμικός (geophone) Ακουστικός μαγνητόμετρο, επιταγχυσιόμετρο, θερμοκρασίας, πίεσης –RF επικοινωνίες Connexant’s RDSSS9M 100 kbps, mW, 40 κανάλια –eCos Λειτουργικό Σύστημα πραγματικού χρόνου Εμπορική έκδοση: Hidra –  C/OS-II –TDMA MAC with multihop routing

42 I-42 Κόμβοι: Sensoria WINS NG 2.0, sGate, and WINS Τακτικός Αισθητήρας WINS NG 2.0 –Αναπτυξιακή πλατφόρμα που χρησιμοποιήθηκε στο έργο DARPA SensIT –SH MHz –DSP με 4 κανάλια 16-bit ADC –GPS –Οπτικός αισθητήρας –δύο 2.4 GHz FH ραδιοζεύξεις –Linux Sensoria APIs –Εμπορική πλατφόρμα: sGate WINS Κόμβος τακτικού αισθητήρα –Εντοπισμός θέσης με ακουστικό προσδιορισμό απόστασης και γωνία –Χρονικός συγχρονισμός μέχρι τα 5  s –Συνεργατική επεξεργαστία συμβάντων

43 I-43 Αρχιτεκτονική υλικού κόμβου Sensoria Processor RAMFlash GPS Address/Data Bus DSP Preprocessor Multi- Channel Sensor Interface Analog Front End Preprocessor Interface Imager Interface Imager Module Modular Wireless and Digital Interfaces RF Modem 1 RF Modem 2 Digital I/O 10/100 Ethernet Πηγή: Sensoria

44 I-44 Αρχιτεκτονική Λογισμικού κόμβου Sensoria DSP/ ADC RF 1 RF 2 GPS Dual Codec uC RF Modem 1 Interface RF Modem 2 Interface DSP Interface Sensor Interface GPS Interface Acoustic Ranging Interface Platform Interface GPIOSerial Linux 2.4 Kernel RF Modem Control Discovery/ Self-Assembly Routing Messaging Geolocation Sensing Signal Processing Inter-Node Ranging Process Management Platform Management WINS Node API General Purpose App 1 General Purpose App 2 General Purpose App 3 General Purpose App 4 Πηγή: Sensoria

45 I-45 Berkeley Motes Συσκευές που συμπεριλαμβάνουν δικτυακό τμήμα, επεξεργαστή, αισθητήρες, και μπαταρίες σε μικρή συσκευασία Μικροελεγκτής Atmel με αισθητήρες και σύστημα επικοινωνίας –Θερμοκρασία, φως, υγρασία, πίεση, μαγνητική πυξίδα, επιταγχυνσιόμετρο Λειτουργικό σύστημα: TinyOS Φως, θερμοκρασία, 10 20m

46 I-46 Η οικογένεια των Berkeley Motes

47 I-47 Λειτουργικό Σύστημα TinyOS Σύστημα που αποτελείται από συνδρομικά υποσυστήματα με μηχανές καταστάσεων –Μοναδικό πλαίσιο εκτέλεσης Μοντέλο υποσυστημάτων –Αποθήκευση –Εντολές & Χειριστές Συμβάντων –Ενέργειες –Διεπαφές Εντολών & Συμβάντων –Εύκολη διαχείριση υλικού/λογισμικού Χρονοδρομολόγηση –Προεκτοπιστική χρονοδρομολόγηση των χειριστών συμβάντων –Μη προεκτοπιστική χρονοδρομολόγηση FIFO των ενεργειών Δέσμευση μνήμης σε χρόνο μεταγλώτισης Γλώσσα προγραμματισμού NesC Messaging Component Internal State Internal Tasks CommandsEvents bit_cnt++ bit_cnt==8 Send Byte Event bit_cnt = 0 Done No Yes Bit_Arrival_Event_Handler State: {bit_cnt} Start

48 I-48 Πλήρης εφαρμογή TinyOS

49 I-49 UCLA iBadge Αισθητήριος Κόμβος (badge) που μπορεί να φορεθεί –Ακουστική είσοδος/έξοδος και ψηφιακός επεξεργαστής σήματος –θερμοκρασία, πίεση, υγρασία, μαγνητόμετρο, επιταγχυνσιόμετρο –Εντοπισμός θέσης βάσει υπερήχων –Ραδιοεπαφή bluetooth Ενδιάμεσο λογισμικό: Sylph

50 I-50 Υπηρεσία Αποθήκευσης Διαχειριστής Ρύθμισης Αισθητήρων Browsers Υπηρεσία Αναγνώρισης φωνής Υπηρεσία Σύντηξης Εφαρμογές Αισθητήρων Ενδιάμεσο λογισμικό Sylph

51 I-51 UCLA Medusa MK-II Κόμβοι Εντοπισμού Θέσης 40MHz ARM THUMB –1MB FLASH, 136KB RAM –0.9MIPS/MHz 480MIPS/W (ATMega 242MIPS/W) 540mAh Επαναφορτιζόμενη μπαταρία Li-Ion

52 I-52 Εξέλιξη στις ενεργειακές απαιτήσεις των ασύρματων αισθητήρων W έως 0.5W mW mW Τεχνολογικές Εξελίξεις: System-on-Chip Advanced Power Management Σχεδιασμός χαμηλής ισχύος Σχεδιασμός με ενεργειακή επίγνωση

53 I-53 Που δαπανάται ενέργεια; Επεξεργασία Ραδιοεπαφή Αισθητήρες Ενεργοποιητές (actuators) Σύστημα ισχύος

54 I-54 Επεξεργασία Κοινοί επεξεργαστές κόμβων αισθητήρων: –Atmel AVR, Intel 8051, StrongARM, XScale, ARM Thumb, SH Risc Κατανάλωση ισχύος: –16.5 mW για τον 4MHz –75 mW για τον ARM 40 MHz Χαμηλή ισχύς ≠ Ενεργειακή αποδοτικότητα –Παράδειγμα 242 MIPS/W για τον 4MHz (4nJ/εντολή) 480 MIPS/W για τον ARM 40 MHz (2.1 nJ/εντολή) –Άλλα παραδείγματα: 0.2 nJ/εντολή για Cygnal 32KHz, 3.3V 0.35 nJ/εντολή για IBM 152 MHz, 1.0V 0.5 nJ/εντολή για Cygnal 25MHz, 3.3V 0.8 nJ/εντολή για 200 MHz, 1.5V 1.1 nJ/εντολή για Xscale 400 MHz, 1.3V 1.3 nJ/εντολή για IBM 380 MHz, 1.8V Απαιτείται έλεγχος ισχύος για να πετύχουμε πραγματική ενεργειακή αποδοτικότητα –Καταστάσεις αδράνειας (Idle) και νάρκης (sleep), Μεταβλητή τάση λειτουργίας και συχνότητα

55 I-55 Ραδιοεπαφή Η ενέργεια ανά bit στις ραδιοεπαφές είναι βασικός παράγοντας για την επικοινωνιακή επίδοση καθώς και τη διαμόρφωση –Ακτίνα και ρυθμός σφαλμάτων για συγκεκριμένη κατάσταση καναλιού Μετάδοση, λήψη, αδράνεια, νάρκη Μεταβλητο σχήμα διαμόρφωσης και κωδικοποίησης Ενεργειακή απαίτηση: περίπου 150 nJ/bit για μικρές αποστάσεις

56 I-56 Λειτουργία Αισθητήρων (sensing) Πολλές πηγές ενεργειακών αναγκών –Σύστημα ψηφιακής σύνδεσης (transducer) –Αρχική επεξεργασία και ρύθμιση του σήματος Αναλογικό/ψηφιακό –Μετατροπή αναλογικού σήματος σε ψηφιακό Διαφορετικοί αισθητήρες έχουν διαφορετικές απαιτήσεις: –Χαμηλής ισχύος Θερμοκρασία, φως, επιτάγχυνση –Μέσης ισχύος Ήχος, μαγνητόμετρο –Υψηλής ισχύος Οπτικός αισθητήρας

57 I-57 Ανάλυση ισχύος για τους κόμβους WINS Σύνοψη Επεξεργαστής –Ενεργός = 360 mW Επαναλαμβανόμενα transmit/receive –Νάρκη = 41 mW –Off = 0.9 mW Αισθητήρας = 23 mW Επεξεργαστής : Tx = 1 : 2 Επεξεργαστής : Rx = 1 : 1 Συνολικά Tx : Rx = 4 : 3 στη μέγιστη ακτίνα

58 I-58 Ανάλυση ισχύος για αισθητήρες τύπου Mote

59 I-59 Παρατηρήσεις Η χρήση συστατικών χαμηλής ισχύος και ο περιορισμός ανεπιθύμητων ενεργειών μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ενεργειακή κατάσταση των κόμβων. Η κατανάλωση ισχύος από τον κόμβο εξαρτάται ισχυρά από τον τρόπο λειτουργίας –Π.χ. το σύστημα WINS αναλώνει το ένα έκτο της ισχύος όταν ο μικροελεγκτής βρίσκεται σε κατάσταση νάρκης (σε αντίθεση με την ενεργή κατάσταση). Σε μικρές αποστάσεις, η δαπανώμενη ισχύς λήψης > ισχύ μετάδοσης –Η πολυαλματική μετάδοση δεν είναι αναγκαία Η ραδιοεπαφή σε αδράνεια δαπανά την ίδια ενέργεια με τη ραδιοεπαφή σε κατάσταση λήψης –Η ραδιοεπαφή πρέπει να τίθεται εκτός λειτουργίας για την εξοικονόμηση ενέργειας αφού ο χρόνος αδράνειας είναι κυρίαρχος παράγοντας Η ισχύς που καταναλώνεται στον επεξεργαστή είναι σημαντικό ποσοστό (30-50%) της συνολικής ισχύος Η ενεργειακή απαίτηση από το υποσύστημα αισθητήρων είναι αμελητέα –Οι αισθητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αφυπνίσουν τον επεξεργαστή και τη ραδιοεπαφή

60 I-60 Πρόβλημα ενεργειακής διαχείρισης Το κόστος ενεργοποίησης (Actuation) είναι το υψηλότερο Το κόστος μετάδοσης είναι το επόμενο σημαντικότερο θέμα Στρατηγική: μετάδοση πληροφορίας με ενεργειακή επίγνωση (energy aware transmission) Στιγμιαία προσαρμογή ώστε να ικανοποιούνται οι απαιτήσεις χρονισμού και σφάλματος, ενώ ελαχιστοποιείται η ενέργεια ανά bit Η ενέργεια του επεξεργαστή και του αισθητήρα είναι λιγότερο σημαντικές Transmit720 nJ/bitProcessor4 nJ/op Receive110 nJ/bit~ 200 ops/bit MICA mote Berkeley WINS node RSC Transmit6600 nJ/bitProcessor1.6 nJ/op Receive3300 nJ/bit~ 6000 ops/bit

61 I-61 Αρχιτεκτονική Κόμβων και Δικτύων Αισθητήρων Εφαρμογές ΑΔΑ Βασικές Τεχνολογίες ΑΔΑ Πλατφόρμες Αισθητήρων και Ενεργειακά Θέματα Αρχιτεκτονικές Ενδιάμεσου Λογισμικού

62 I-62 Προγραμματισμός Δικτύων Αισθητήρων Δημοφιλής προσέγγιση: Αντιμετώπιση του δικτύου αισθητήρων ως βάση δεδομένων. Αιτιολόγηση: τα δίκτυα αισθητήρων παράγουν τεράστιους όγκους δεδομένων Θα πρέπει να είναι σε θέση να δεχθούν ερωτήσεις για δεδομένα Θα πρέπει να είναι σε θέση να απαντήσουν στις ερωτήσεις αυτές. Οι χρήστες χρειάζονται μία αφαίρεση που απλοποιεί τη διαδικασία συλλογής αξιόπιστων δεδομένων. Η αποδοτική οργάνωση των κόμβων και των δεδομένων θα προεκτείνει σημαντικά το χρόνο ζωής του δικτύου. Τεχνικές υπάρχουν στο χώρο των βάσεων δεδομένων για την αποδοτική αποθήκευση και πρόσβαση στα δεδομένα

63 I-63 Διαφορές μεταξύ βάσεων δεδομένων και δικτύων αισθητήρων Βάση δεδομένων –Στατικά δεδομένα –Κεντρικοποιημένα –Ύπαρξη διαχειριστή –Πλεόνασμα πόρων –Δεν εξετάζεται το ενδεχόμενο αστοχίας Δίκτυο Αισθητήρων –Ακολουθίες δεδομένων –Μεγάλος αριθμός κόμβων –Πολυαλματικό δίκτυο –Δεν υπάρχει καθολική γνώση του δικτύου –Συχνές βλάβες αισθητήρων –Περιορισμένη ενέργεια –Περιορισμένη μνήμη –Αυτονομία

64 I-64 Γεφύρωση του χάσματος Τί απαιτείται για την διαχείριση ενός δικτύου ως βάση δεδομένων? –Μοντελοποίηση αισθητήρων –Διαμόρφωση ερωτήσεων

65 I-65 Κλασσική προσέγγιση: Αποθήκες δεδομένων Τα δεδομένα εξάγονται από τους αισθητήρες και αποθηκεύονται σε ένα front-end server Η επεξεργασία επερωτήσεων λαμβάνει χώρα στο front-end. Warehouse Front-end Κόμβοι αισθητήρων

66 I-66 Sensor Database System To Sensor Database System υποστηρίζει κατανεμημένη επεξεργασία των επερωτήσεων Sensor DB Front-end Sensor Nodes

67 I-67 Αναπαράσταση Δεδομένων Αισθητήρων και Επερωτήσεων Sensor Data: –Προϊόν επεξεργασία σήματος Χρονοσημασμένες τιμές που παράγονται σε συγκεκριμένη χρονική διάρκεια –Κατανεμημένο σύστημα εκ φύσεως Sensor Queries (επερωτήσεις) –Συνθήκες χρονικές και χωρικές Ερωτήσεις που εξαρτώνται από τη θέση Περιορισμοί σε χρονοσφραγίδες ή συναθροίσεις σε χρονικά παράθυρα –Ειδοποίηση συμβάντων

68 I-68 Το ενδιάμεσο λογισμικό Sylph Μηχανισμοί βάσεων δεδομένων που συνθέτου το ενδιάμεσο λογισμικό Αρθρωτός Σχεδιασμός σε επίπεδα –Τμήμα αισθητήρων –Τμήμα ανακάλυψης υπηρεσίας –Proxy core Γλώσσα ερωτήσεων READ temperature EVERY 30 seconds FOR 1 hour Επεξεργασία ροών δεδομένων (Streams)

69 I-69

70 I-70 Πραγματοποίηση συναθροίσεων μέσα στο δίκτυο (in network aggregation) Προσπάθεια ελαχιστοποίησης των μηνυμάτων που ανταλλάσονται Είδη συναθροίσεων: –Count –Min –Max –Sum –Average Οι συναθροίσεις πραγματοποιούνται βάσει δεντρικής δομής

71 I-71 Προσέγγιση Tiny Aggregation (TAG) Φόρτωση δηλωτικών ερωτήσεων στο δίκτυο –Ιεραρχικό δέντρο δρομολόγησης στο δίκτυο Ο χρόνος διαιρείται σε εποχές Σε κάθε εποχή οι κόμβοι αποτιμούν την ερώτηση στα δεδομένα των τοπικών αισθητήρων και στα δεδοένα που προέρχονται από τα παιδιά –Συνάθροιση των τοπικών δεδομένων και των δεδομένων από τα παιδιά –Ο κάθε κόμβος μεταδίδει μόνο μία φορά ανά εποχή –Διασωληνωμένη προσέγγιση που αυξάνει τη ρυθμοαπόδοση

72 I-72 Χρήση SQL Απαιτούνται επεκτάσεις για τη χρήση της SQL π.χ. για τον καθορισμό ρυθμού δειγματοληψίας Υιοθέτηση ενός υποσυνόλου της SQL SELECT {agg n (attr n ), attrs} FROM sensors WHERE {selPreds} GROUP BY {attrs} HAVING {havingPreds} EPOCH DURATION O πίνακας sensors έχει –Μία στήλη (χαρακτηριστική) για κάθε τύπο δεδομένων –Μία γραμμή για κάθε τιμή που προέρχεται από το δίκτυο (μπορεί να αναπαριστά και συνάθροιση πολλών διαφορετικών μετρήσεων) SELECT AVG(volume), room FROM sensors WHERE floor = 6 GROUP BY room HAVING AVG(volume) > threshold EPOCH DURATION 30s

73 I-73 Ενδιάμεσο λογισμικό SensorWare Κινητά Σενάρια (Mobile scripts - πράκτορες) στέλνονται στους κόμβους ως επερωτήσεις και ενέργειες για επεξεργασία που ορίζεται από την εφαρμογή –Κλωνοποιούνται και μεταναστεύουν σύμφωνα με τη λογική της εφαρμογής και την κατάσταση του φυσικού κόσμου –Εκτελούνται προστατευμένα σε κάθε κόμβο (sand-box) Σύνολο βασικών υπηρεσιών για την λήψη μετρήσεων από αισθητήρα, επεξεργασία, δικτυακή μεταφορά, και εκπαίδευση διαθέσιμες σε κάθε κόμβο Χαρακτηριστικά: –Τα Scripts εφαρμόζουν στρατηγικές διάχυσης που είναι application- specific και βασίζονται σε απλή στοίβα πρωτοκόλλων –Αυτόνομος Συντονισμός στο δίκτυο αισθητήρων Δεν εμπλέκει τον χρήστη όπως συμβαίνει στις βάσεις δεδομένων –Προγραμματιστικό Μοντέλο που προσανατολίζεται στις ενέργειες Δεν απαιτείται η θεώρηση σε επίπεδο διακριτού κόμβου

74 I-74 Αρχιτεκτονική SensorWare Middleware OS Hardware HW abstraction layer Scripts Apps, Services Script migration Node 2 Middleware OS Hardware HW abstraction layer Scripts Apps, Services Message exchanging External user can inject agent script Node 1 Middleware APIs Runtime environment MobilityNetworking Sensing interpreter Script State keeping Energy-based Admission control & resource management Networking Sensor Abstraction Timers & CPU control Resource handling tasks

75 I-75 Μοντέλο Συμβάντων Ο πράκτορας Agents εκφράζουν το συμβάν που τους ενδιαφέρει Συμβάν αισθητήρα –event -data -sample_period {-buffer_size } {-wakeup_period } {-threshold } Συμβάν χρονομετρητή (timer) –event -timer Συμβάν δικτύου –event -net –Ο πράκτορας μπορεί να παράγει ένα συμβάν δικτύου Τα συμβαντα χρονομετρητή και δεδομένων παράγονται από το σύστημα send wait {-net...} {-data...} {-timer...}


Κατέβασμα ppt "I-1 Εισαγωγή στα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων. I-2 Αρχιτεκτονική Κόμβων και Δικτύων Αισθητήρων Εφαρμογές ΑΔΑ Βασικές Τεχνολογίες ΑΔΑ Πλατφόρμες Αισθητήρων."

Παρόμοιες παρουσιάσεις


Διαφημίσεις Google