Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων και το θέμα της ενέργειας Εργαστήριο Ηλεκτρονικών Εφαρμογών Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Η/Υ Πανεπιστήμιο Πατρών Καπουρνιώτης Θεόδωρος

Περιεχόμενα παρουσίασης Τι είναι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων; Το πρόβλημα της ενέργειας

Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων

Χαρακτηριστικά δικτύου Πολύ μεγάλος αριθμός από μικρές ενσωματωμένες συσκευές που διαθέτουν αισθητήρες Κατανεμημένη λειτουργία για την επίλυση μιας κοινής εφαρμογής Ασύρματη επικοινωνία χωρίς κεντρικό συντονιστή (wireless ad hoc network) Αυτοοργάνωση – αυτοίαση Πυκνή – τυχαία τοποθέτηση

«Έξυπνοι» αισθητήρες Αντίληψη πολλών διαφορετικών φαινομένων  Θερμοκρασία  Υγρασία  Κίνηση  Θόρυβος κτλ. Σοβαροί περιορισμοί σε μνήμη-επεξεργαστική ισχύ Τροφοδοσία από μπαταρίες Χαμηλό κόστος Μικρό μέγεθος

Ενδεικτικές εφαρμογές Γεωργία ακριβείας Πρόληψη καταστροφών «Έξυπνα» κτίρια Παρακολούθηση άγριων ζώων Έλεγχος σε βιομηχανικό περιβάλλον «Έξυπνη» αποθήκη Ιατρική Κτλ.

Εξέλιξη hardware Η εξέλιξη στην τεχνολογία των μπαταριών δεν είναι αντίστοιχη!

«Έξυπνοι» vs. Κλασικοί αισθητήρες Στους κλασικούς αισθητήρες:  Οι αισθητήρες κάνουν μόνο ανίχνευση  Οι θέσεις τους έχουν καθοριστεί με προσοχή  Τοποθετούνται μακριά από την περιοχή ενδιαφέροντος  Επεξεργασία δεδομένων μόνο σε μερικούς κεντρικούς κόμβους  Μεγαλύτερο μέγεθος  Συνεχής παροχή ενέργειας

Ενδεικτικό Hardware

Ενδεικτικό Software

Τεχνολογίες επικοινωνίας (τρέχουσα έκδοση n)  GHz ISM band  13 channels  <11 Mb/s (έκδοση b) (τρέχουσα έκδοση d)  MHz -> 1 channel (Europe)  MHz -> 10 channels (EEUU)  GHz -> 16 channels (Worldwide)  <250 Kb/s data rate  <100m range (outdoor)  Low power Bluetooth

Προκλήσεις στην σχεδίαση συστημάτων - πρωτοκόλλων Ενέργεια vs. χρόνος Ανοχή σε σφάλματα Δυναμικότητα  Κίνηση αισθητήρων – σταθμού βάσης  Μεταβαλλόμενο περιβάλλον Εξάρτηση από εφαρμογή Μεγάλο πλήθος κόμβων

Το πρόβλημα της ενέργειας Σχεδίαση πρωτόκολλων με χαμηλή κατανάλωση  Routing  MAC Ζητήματα πραγματικών πηγών ενέργειας Άντληση ενέργειας

Ορισμός προβλήματος Μεγαλύτερο δυνατό operational lifetime [Dietrich 09]:  Χρόνος μέχρι να πέσει ο πρώτος κόμβος  Χρόνος μέχρι να πέσει ένα ποσοστό κόμβων  Χρόνος μέχρι να τεμαχιστεί το δίκτυο  Χρόνος που καλύπτεται ένα ποσοστό της περιοχής από τους αισθητήρες  Χρόνος μέχρι να χαθεί η πρόσβαση στους συλλέκτες  Χρόνος που θα παρέχονται συγκεκριμένες υπηρεσίες με συγκεκριμένο QoS

Προβλήματα ενέργειας στο Routing Το κλασικό routing βρίσκει διαδρομές με λιγότερα hops  Ανάγκη για energy-awareness στην επιλογή των διαδρομών Εξάντληση κόμβων που χρησιμοποιούνται συχνά  Ανάγκη για load balancing Κόστος routing overhead Σπατάλη ενέργειας λόγω κακής συνεργασίας με MAC

Δρομολόγηση με επίγνωση της ενέργειας Επιλογή κατάλληλης μετρικής:  Ελαχιστοποίηση Tx Pwr  Τ-Β-Α-Sink  Μέγιστη διαθέσιμη ενέργεια  T-F-E-Sink  Max-min διαθέσιμη ενέργεια  T-D-Sink  Ελαχιστοποίηση Tx + Rx Pwr  Συνδυαστικό metric (x a y b )  Επιλογή υπό συνθήκη

Κατηγοριοποίηση πρωτοκόλλων Routing Proactive/Reactive Flat/Hierarchical Address-centric/Data-Centric Location-aware/Location-unaware Source-initiated/Destination-initiated κ.α.  Παραδείγματα: AODV [Perkins et al. 99], Directed Diffusion [Intanagonwiwat et al. 00], LEACH [Heinzelman et al. 00]

Προβλήματα ενέργειας στο MAC Idle listening  Ο δέκτης παραμένει ανοιχτός περιμένοντας να ακούσει κάποια μετάδοση Overhearing  Λήψη πακέτων που δεν προορίζονταν για τον συγκεκριμένο κόμβο Collisions  Συγκρούσεις λόγω ανταγωνισμού, κόστος επανεκπομπής Control Frame Overhead  Ενεργειακό κόστος από την εκπομπή πλαισίων ελέγχου

Duty Cycling για αντιμετώπιση Idle Listening Duty Cycle = T listening /(T listening +T sleep ) Εξοικονόμηση ενέργειας Αύξηση καθυστέρησης

Κατηγοριοποίηση πρωτοκόλλων MAC Contention-based  πχ. S-MAC [Ye 02], B-MAC [Polastre 04], X-MAC [Buettner 06] TDMA  πχ. EYES-MAC [Nieberg 03] Hybrid  πχ. Z-MAC [Rhee 08]

Πραγματικές μπαταρίες Μια μπαταρία εμφανίζει μη γραμμική συμπεριφορά ανάλογα με τον τρόπο που αποφορτίζεται:  Drain rate effect  Recovery effect  Capacity fading effect  Επίδραση θερμοκρασίας-υγρασίας

Καμπύλη αποφόρτισης

Άντληση ενέργειας Τεχνικές άντλησης ενέργειας μπορούν να αυξήσουν ή και να απειρίσουν τον χρόνο ζωής με χρήση κατάλληλων πρωτοκόλλων  Ηλιακοί συλλέκτες  Πιεζοηλεκτρικά υλικά  Περιρρέουσα ακτινοβολία  Θερμοηλεκτρικοί μετατροπείς  Οξείδωση των σακχάρων του αίματος

Heliomote

Παραδείγματα εφαρμογών Γεωργία ακριβείας  LOFAR-agro project Πρόληψη καταστροφών  Ηφαίστειο Reventador «Έξυπνα» κτίρια  EnOcean

LOFAR-agro project Στόχος: Προστασία μιας καλλιέργειας πατατών από τον μύκητα «φυτοφθορά» Ανάπτυξη 100+ κόμβων για την παρακολούθηση του μικροκλίματος μέσα στο χωράφι Έγκαιρη ειδοποίηση του καλλιεργητή για την αντιμετώπιση του προβλήματος Εξοικονόμηση χρόνου, κόστους και μείωση της χρήσης επικίνδυνων για το περιβάλλον φυτοφαρμάκων Koen Langendoen, Aline Baggio, Otto Visser, “Murphy Loves Potatoes”, 2006”

Ηφαίστειο Reventador (Εκουαδόρ) Στόχοι:  Κατανόηση μηχανισμού και αιτιών που προκαλούν έκρηξη  Έγκαιρη ειδοποίηση κοντινών κοινοτήτων Geoff Werner-Allen, Konrad Lorincz, Jeff Johnson, Jonathan Lees, and Matt Welsh, “Fidelity and Yield in a Volcano Monitoring Sensor Network”, 2006 Τελευταία μεγάλη έκρηξη: Νοέμβριος 2002  17 km ύψος στήλης λάβας  Το κοντινό αεροδρόμιο (95 km) έκλεισε Ανάπτυξη δικτύου αισθητήρων κοντά στην κορυφή

EnOcean alliance Διεθνής εταιρική συνεργασία για την εξέλιξη ασυρμάτων, ενεργειακά αυτόνομων, ασυρμάτων συστημάτων ελέγχου κτιρίων – «έξυπνα, πράσινα» σπίτια

Λοιπές εφαρμογές Έλεγχος δομής κατασκευών Παρακολούθηση άγριων ζώων Πλοήγηση «Έξυπνη» αποθήκη «Διεισδυτική» ιατρική Διαδραστικό μουσείο Ωκεανογραφία Πλανητική εξερεύνηση Μετεωρολογία Παιχνίδια Κτλ.

Συμπεράσματα Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι μια νέα και ταχέως εξελισσόμενη τεχνολογία Δεν έχουν κυριαρχήσει συγκεκριμένα πρότυπα ακόμα Η έρευνα εστιάζει στο πρόβλημα της ενεργειακής κατανάλωσης