AUFBAU EINES SENSORNETZES

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1 Forschungsseminar Sensornetze Prof. J. Vogt Thomas Bettermann, Martin Doenicke, Angelos Drossos, Robert Krampe, Hermann Lorenz, Ulrich Meckel AUFBAU EINES SENSORNETZES

2 EINFÜHRUNG Ziel Warum drahtlos? Anforderungen das intelligente Haus derzeitiger Stand Teilaufgaben Forschungsseminar Sensornetze 2

3 ZIEL Aufbau eines drahtlosen Sensornetzes Heimautomatisierungssystem möglichst umfangreiche Steuerung und Überwachung des Hauses / Wohnung von überall via Internet der Mensch ist faul steigende Energiepreise Forschungsseminar Sensornetze 3

4 WARUM DRAHTLOS? Kabelverlegung nur bei Neubau sinnvoll keine störenden Leitungen einfache Erweiterung oder Umstrukturierung möglich komfortable Ersteinrichtung Forschungsseminar Sensornetze 4

5 ANFORDERUNGEN Zugangskontrolle / Verschlüsselung Energieeffizienz Nutzung von Open-Source-Lizenzen einfache Erweiterung Forschungsseminar Sensornetze 5

6 DAS INTELLIGENTE HAUS Forschungsseminar Sensornetze 6

7 DERZEITIGER STAND selbst bei Neubau noch unerschlossen Fertiglösungen teuer + proprietär kabelgebunden bzw. unverschlüsselt Eigenbau sehr aufwändig + pflegeintensiv gesucht: günstige, freie Lösungen für den Massenmarkt Forschungsseminar Sensornetze 7

8 TEILAUFGABEN Heimautomatisierungsserver welche Funktionen und Dienste muss der zentrale Server zur Verfügung stellen? Sensoransteuerung welche Sensoren? wie werden diese angesteuert? Betriebssystem, mit dem die Sensorknoten betrieben werden Forschungsseminar Sensornetze 8

9 HEIMAUTOMATISIERUNGSSERVER Anforderungen Randbedingungen Grundaufbau Protokollstack Datenbankmodell Python Forschungsseminar Sensornetze 9

10 ANFORDERUNGEN Loggen von Sensordaten in Datenbank Steuerung von Aktoren (Schalter, Steckdosen, ) Berechnung/Anzeige von Statistiken Bereitstellung einer API für externe Abfragen Bereitstellung eines Webservers Gateway zum Sensornetz Steuerung mit Regeln (Fenster auf Heizung aus) zeitgesteuertes Verhalten (Nachts Heizung aus) Forschungsseminar Sensornetze 10

11 RANDBEDINGUNGEN aktuell keine wirklich brauchbare Software vorhanden sollte relativ geringe Hardwareanforderungen stellen Betrieb bevorzugt auf Router oder NAS Forschungsseminar Sensornetze 11

12 GRUNDAUFBAU Datenbank DB-Modul Eventhandler Regelbaustein Interface zum Sensornetz Kommunikationsmodul für Sensornetz API für Zugriffsmöglichkeiten Webserver externe Programme (Apps bspw.) Forschungsseminar Sensornetze 12

13 PROTOKOLLSTACK Gateway Sensornetz Server Koordinator µcontroller n Sensoren CoAP Webserver CoAP CoAP CoAP UDP TCP UDP UDP UDP IPv6 IPv4/6 6LoWPAN 6LoWPAN 6LoWPAN Ethernet Ethernet get coap://[aaaa::1]:76767/sensor1 Abfragen über Internet (Website, HandyApp, Webservice) Forschungsseminar Sensornetze 13

14 DATENBANKMODELL m Group GroupID Description Type m GroupSensor GroupID SensorID GroupNode GroupID NodeID Readings ReadingID Value Timestamp State SensorID c 1 Sensor SensorID Name Description Unit State Type NodeID nc m 1 Node NodeID Address State RoomID nc Forschungsseminar Sensornetze 14

15 PYTHON Multiplattform, Router/NAS oder ähnlichen Geräte mit Linux Python lauffähig dynamische Programmiersprache, Objektorientierung möglich einsteigerfreundlich sichert Weiterentwicklung durch künftige Studenten u.a. Forschungsseminar Sensornetze 15

16 PYTHON viele mitgelieferte Module erleichtern Implementierung große Auswahl an Web-Frameworks z.b. Django und Zope CoAPy - Python-Implementierung von CoAP (HTTP-Ersatz) Forschungsseminar Sensornetze 16

17 SENSORANSTEUERUNG 6LoWPAN Netzwerk Topologie Hardware Sensoren und Sensoranbindung Ziel Vorgehen Sensoransteuerung mit/ohne Betriebssystem Forschungsseminar Sensornetze 17

18 6LOWPAN NETZWERK TOPOLOGIE Edge Router (Coordinator) Routerknoten Sensorknoten (End Device) Forschungsseminar Sensornetze 18

19 HARDWARE Microcontroller: Assemblersprache: Radio-Controller-Board: Evaluationsboard: Atmel ATmega 128RFA1 AVR RCB128RFA1 Sensor Terminal Board Forschungsseminar Sensornetze 19

20 SENSOREN Feuchtigkeit (Temperatur): Luftdruck (Temperatur): Beschleunigung nach 3 Achsen: Verschiedene Wettermessungen: Niederschlag Windgeschwindigkeit Windrichtung SHT21 BMP085 BMA180 SEN Forschungsseminar Sensornetze 20

21 SENSORANBINDUNG SHT21 BMP085 BMA180 SEN SPI Nein Nein Ja Nein I2C Ja Ja Ja Nein Beliebiger Pin Nein Nein Nein Ja Forschungsseminar Sensornetze 21

22 ZIEL Ziel: möglichst plattformunabhängige Schnittstellen für Sensoren schaffen gute Adaptierbarkeit auf andere Anforderungen (Sensoren, Plattformen) Vorgehen: Ansteuerung der Sensoren ohne Betriebssystem Ansteuerung der Sensoren mit Betriebssystem Forschungsseminar Sensornetze 22

23 VORGEHEN Ansteuerung der Sensoren ohne Betriebssystem: Testen der Sensoren auf Funktionalität Verwendung bereits vorhandener Implementierungen und Anpassung derer Ansteuerung der Sensoren mit Betriebssystem Trennung der Ansteuerung in hardwareunabhängige und -abhängige Schnittstelle Trennung von Systemkern und Anwendung neue Anwendungen können zur Laufzeit überspielt werden Systemkern bestimmt Schlafzeiten (Batterie schonend) Forschungsseminar Sensornetze 23

24 SENSORANSTEUERUNG OHNE BETRIEBSSYSTEM Forschungsseminar Sensornetze 24

25 SENSORANSTEUERUNG MIT BETRIEBSSYSTEM Grundfunktionen bereits vorhanden Trennung von System- und Anwenderschicht Trennung der Implementation: Core = Dateisystem, Internet-Protokoll, Webserver CPU = Clock Plattform = USB-Treiber Trennung von hardwareunabhängigem/-abhängigem Code für Portierung auf verschiedene Plattformen Chance auf Community-Erfolg Forschungsseminar Sensornetze 25

26 CONTIKI OS Warum Contiki? Einstieg erste Erfahrungen Systemaufbau Fazit zu Contiki Forschungsseminar Sensornetze 26

27 WARUM CONTIKI? freies internetfähiges Betriebssystem für Mikrocontroller Grundlage für alle Controller und Sensoren TCP/IP- und IPv6-Support 6LoWPAN Forschungsseminar Sensornetze 27

28 EINSTIEG vorgefertigte Beispiele für versch. Plattformen Problem 1: schwierige Einarbeitung Problem 2: schlechtes Debugging für Sensor- Boards von dresden elektronik Umstieg auf Raven -Entwicklungsplattform Forschungsseminar Sensornetze 28

29 ERSTE ERFAHRUNGEN Webserver-Beispiel einfache Website Ping UDP-Beispiel Versenden von UDP-Paketen Grundlage für Kommunikation Forschungsseminar Sensornetze 29

30 SYSTEMAUFBAU Forschungsseminar Sensornetze 30

31 FAZIT ZU CONTIKI Vorteile vollständige IPv6 Funktionalität Verschlüsselung möglich eventbasiertes System Nachteile hoher Einarbeitungsaufwand schlecht dokumentiert Forschungsseminar Sensornetze 31

32 AKTUELLER STAND Konzept zum Heimautomatisierungsserver konkrete Vorstellungen zu den Komponenten des Sensornetzes (Server, Knoten, Sensoren) Kommunikation der Knoten über UDP Ansteuerung der Sensoren ohne OS Kenntnisse in Forschungsseminar Sensornetze 32

33 NÄCHSTE ZIELE Einbindung der Sensoren in Contiki Programmierung eines Web-Servers Untersuchung zur CoAP-Funktionalität in Contiki Konzept zur Prozessorganisation im Contiki (Untersuchung der Batterieeffizienz) lauffähiges Demo-System Forschungsseminar Sensornetze 33

34 Forschungsseminar Sensornetze Prof. J. Vogt Thomas Bettermann, Martin Doenicke, Angelos Drossos, Robert Krampe, Hermann Lorenz, Ulrich Meckel AUFBAU EINES SENSORNETZES

AUFBAU EINES SENSORNETZES

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