Informationsverwaltung in Sensornetzen Sensorknoten- Hardware und -Software Nikolaus Huber

Sensorknoten-Hardware und -Software2 Überblick Einführung Hardware -Wie sind Sensorknoten aufgebaut? -Was für Sensorknoten gibt es? Software -Welche Anforderungen werden gestellt? -Welche Betriebssysteme gibt es? Übersicht und Aussicht

Sensorknoten-Hardware und -Software3 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]

Sensorknoten-Hardware und -Software4 Schematischer Aufbau Ein Sensorknoten besteht aus: - Sensoreinheit - Prozessoreinheit - Kommunikationseinheit - Energiequelle Energiequelle SensoreinheitProzessor Speicher Kommunikation

Sensorknoten-Hardware und -Software5 Sensoreinheit Ein oder mehrere passive Sensoren hauptsächlich von der Art: - Bewegung/Beschleunigung - Temperatur - Lichtstärke oder auch: - Mikrofon - Infrarot - Kameras Energiequelle Sensoreinheit Prozessor Speicher Kommunikation

Sensorknoten-Hardware und -Software6 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

Sensorknoten-Hardware und -Software7 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

Sensorknoten-Hardware und -Software8 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

Sensorknoten-Hardware und -Software9 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

Sensorknoten-Hardware und -Software10 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]

Sensorknoten-Hardware und -Software11 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]

Sensorknoten-Hardware und -Software12 Technische Daten Maße: 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]

Sensorknoten-Hardware und -Software13 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 ) 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]

Sensorknoten-Hardware und -Software14 Software Anforderungen - Geringe Größe (wenig Speicher) - Geringer Energieverbrauch - Parallelität - Vielfalt in Design und Einsatzbereiche - Verschiedene Betriebsmodi (TinyOS: Active, Idle, Power Save, Power Down)

Sensorknoten-Hardware und -Software15 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

Sensorknoten-Hardware und -Software16 TinyOS (2) Messaging Component Internal State Internal Tasks CommandsEvents - 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

Sensorknoten-Hardware und -Software17 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)

Sensorknoten-Hardware und -Software18 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]

Sensorknoten-Hardware und -Software19 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

Sensorknoten-Hardware und -Software20 Ausblick Junge Technologie der Sensornetze: - Praxistauglich, aber ausbaufähig - Benutzerfreundlichkeit verbessern - Energiequellen müssen kleiner werden - Märkte müssen geschaffen werden

Sensorknoten-Hardware und -Software21 Schluss Fragen? Danke für die Aufmerksamkeit! Quellenangaben: [1] [2] [3] [4] [5] [6]