Large-scale Bluetooth Sensor-Network Demonstrator

Transkript

1 Daniel Hobi, Lukas Winterhalter Large-scale Bluetooth Sensor-Network Demonstrator MA Betreuer: Jan Beutel, Matthias Dyer Professor: Lothar Thiele

2 Wireless Sensor Networks kleinste, limitierte Sensorknoten räumlich ausgedehnt eingebettet in Umgebung organisieren sich in Ad-hoc-Netzwerk Transport/Bearbeiten von Messdaten bilden WSN Applikation

3 Entwicklung ist schwierig begrenzte Debug-Möglichkeiten Test im Anwendungsgebiet oft schwierig bis unmöglich Argo: Ozeanüberwachung

4 Bestehende Lösungsansätze Testbeds Harvard motelab: ~30 Knoten UC Berkeley smote: ~80 Knoten Mica Motes verkabelt über Ethernet Simulation TOSSIM: TinyOS Simulator EmStar partielle Simulation Anschluss von Hardwarekomponenten

5 Deployment-Support Network Drahtloses Backbone- Netzwerk temporäres Werkzeug Dienste für Programmierung Überwachung Steuerung verkabelt mit Sensorknoten Entwicklung und Test in realistischem Umfeld

6 Vergleich Testbeds Simulation (TOSSIM) EmStar Pro Zuverlässige Anbindung (Ethernet) benutzt Sensorknoten Simulation von mehreren tausend Knoten komfortable Entwicklung Hardware für Funkstrecke Vorteile der Simulation Con schlechte Skalierbarkeit oft vereinfachte Modelle begrenzte Skalierbarkeit Deployment- Support Network drahtlos, eigenständig skaliert mit WSN Applikation Einsatz in realer Umgebung möglich Funkkanal ist störanfällig

7 Ausgangslage JAWS: Implementierung eines DSN Selbstorganisierendes Netzwerk Baumtopologie Multi-hop Zugangsknoten initiiert Netzverkehr BTnode als Platform Bluetooth

8 Aufgabenstellung Evaluation und Implementierung von neuen Services in JAWS Programming, Monitoring, Logging Hardware für Target-Anbindung Demonstrator Installation von fixen DSN Knoten Bedienung durch graphische Benutzeroberfläche

9 Target Services Programming Logging Klassen und Level zeilenbasiert selektiv abrufbar Monitoring Threads IRQs Speicher auslesen Funktionen ausführen Code Size: 100 kb 4 kb 2 kb

10 DSN Adapter Board Power Mini USB (DSN Debug) Batterien UART Kommunikation einfach, flexibel Geeignet für DSN BTnode Target BTnode mit Sensor Board USB DSN BTnode Programming (SPI) UART Power Sensor Board Target BTnode

11 Code Distribution Problem zuverlässige Verteilung neuer Programme Datenmenge Lösungsansatz Übertrage Programme am Stück Informationsaustausch nur zwischen benachbarten Knoten Periodische Advertisements (1) Sende Information über gespeichertes Programm Sender Nachbar N (2) Neueres Programm? Sende ACK/NACK. (3) ACK? Sende Programm an N (4) Prüfe Checksumme

12 Resultate - Zuverlässigkeit Langzeittest mit 20+ Knoten im selben Raum: verteilt im G-Stock: 96.3 % Erreichbarkeit Stabilitätsproblem: Knoten verlieren Verbindung Bluetooth Modul fehlerhaft Lösung: Watchdog Timeout nach 10 min ohne Netzverkehr

13 Resultate Code Distribution Test mit 28 Knoten über neuen Logging Service Programmgrösse 120 kb Laufzeit ist topologieabhängig durchschnittliche Datenrate von Knoten zu Knoten = 1.6 kb/s

14 Herausforderungen Blackbox Bluetooth Modul über UART angebunden Fehlende Flusskontrolle Baudrate reduziert auf 19.2 kbit/s Reagiert in seltenen Fällen nicht mehr Watchdog Timer Nut/OS Interrupt Latenz führte zu Überlauf im UART-Treiber, Datenverlust Auffinden und Ausmessen von problematischen Code-Stellen mehrere Verbesserungen vorgeschlagen Zusammenarbeit mit Nut/OS Entwickler

15 Demonstrator 19 Boxen im ETZ G-Stock Power über USB Erweiterbar nach Bedarf GUI Applet online auf

16 Zusammenfassung Mit JAWS einen funktionsfähigen Prototypen eines Deployment-Support Network implementiert Neue Services Code Distribution, Monitoring,... Hardware für Target-Anbindung entwickelt Demonstrator konzipiert und realisiert Zusammenarbeit mit anderen Arbeiten XTC, Jaws GUI, mobile PDA

17 Fragen und Demo JAWS Demo... GUI Überblick Programmieren von Target-Knoten Loggen von Target-Events Fragen?...oder selbst ausprobieren:

18 BTnode Eingebettetes Kommunikationssystem Bluetooth 8-Bit Mikrokontroller Speicher (SRAM) 2 serielle Ports (UART) UART0 Mikrokontroller UART1 Bluetooth Modul

19 Arbeitsübersicht Vergleich bestehender Lösungsansätze Implementierung fehlender JAWS Services Code Distribution, Programmieren von Target- und DSN-Knoten Remote Command Execution Target Monitoring, Logging Design, Produktion, Test einer Verbindungsplatine Gehäuse, Stromversorgung, Installation Demonstrator Tests, Messungen Nut/OS Optimierungen