Zeitsynchronisation in drahtlosen Sensornetzen Verfahren und Anwendungen

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1 Zeitsynchronisation in drahtlosen Sensornetzen Verfahren und Anwendungen Dipl.-Inf. Stefan Schramm Wissenschaftlicher Mitarbeiter Internationale wissenschaftliche Konferenz Mittweida Mittweida,

2 Gliederung Motivation Klassisches Szenario für drahtlose Sensornetze Vorstellung von 3 Anwendungen, die Zeitsynchronisation erfordern Synchronisation in Sensornetzen Grundsätzliches 2 Verfahren Messung der Synchronisationsgenauigkeit Messverfahren Ergebnisse Auswertung Eignung für Anwendungsszenarien 2 und Anwendungen, IWKM

3 Drahtlose Sensor-Aktor-Netzwerke GUI, Visualisierung, Datenverarbeitung Wartung & Diagnose Internet Mesh-Routing, Selbstorganisation Gateway Datenhaltung und -schnittstellen Drahtloses Sensor-Aktor-Netzwerk Funksensorknoten 3 und Anwendungen, IWKM

4 Anwendung: Umweltmonitoring 4 und Anwendungen, IWKM

5 Anwendung: Umweltmonitoring Ziel: Untersuchung von AuswirkungeneinesKlimaszenariossimultanin verschiedenen Varianten der Landnutzung Daten: Lufttemperatur, Luftfeuchte, Lichteinfall, Bodenfeuchte Backup der Daten lokal an allen Knoten Spätere Zuordnung erfordert Synchronisation Anforderungen: Genauigkeit: einige Sekunden Lebensdauer: mehrere Monate 5 und Anwendungen, IWKM

6 Anwendung: Industrielle Datenerfassung 6 und Anwendungen, IWKM

7 Anwendung: Industrielle Datenerfassung Ziel: Erkennung von Anomalien beim Betrieb von Automatisierungsanlagen anhand abweichender Energieverbräuche Daten: Energieverbräuche und Anlagendaten außerhalb des Prozessabbildes Modellierung: Algorithmus lernt das Verhaltens im Normalbetrieb mittels beobachteter Anlagendaten Anomalieerkennung: Vergleich von Modell und Verhalten im laufenden Betrieb Hybride Automaten benötigen zeitsynchrone Daten Anforderungen: Genauigkeit: wenige ms für Prozesse mit hoher Dynamik Lebensdauer: irrelevant Besonderheit: externe Stromversorgung verfügbar 7 und Anwendungen, IWKM

8 Anwendung: Verkehrsmonitoring 8 und Anwendungen, IWKM

9 Anwendung: Verkehrsmonitoring Ziel: Bestimmung von Überfahrtgeschwindigkeiten Daten: Zeitpunkte der Überfahrt Bestimmung der Zeitpunkte erfordert Synchronisation Anforderungen: Genauigkeit: 3,6ms bei ±1km/h 16,1ms bei ±5km/h Lebensdauer: mehrere Jahre Besonderheit: nur jeweils 2 zusammengehörige Knoten müssen synchron sein 9 und Anwendungen, IWKM

10 Zeitsynchronisation in drahtlosen Sensornetzen - Grundlagen Haupteinschränkung sind die begrenzten Ressourcen keine häufige Kommunikation möglich Vor allem begrenzter Energievorrat Geringe Bandbreite des Übertragungsmediums keine aufwändigen Algorithmen implementierbar Rechenleistung, Speicherausbau Datenübermittlung per Funk führt zu nichtdeterministischen Übertragungszeiten Störungen, Kollisionen Synchronisation durch Kompensation von Relativem Offset Relativer Drift 10 und Anwendungen, IWKM

11 Zeitsynchronisation in drahtlosen Sensornetzen - Verfahren Flooding Time Synchronisation Protocol (FTSP) Knoten synchronisieren mittels Broadcast alle ihre Nachbarn, nur Pakete von Knoten mit kleinerer ID werden verwendet, kleinste ID wird Root Zeitstempel werden auf MAC-Ebene vergeben, Eliminierung nichtdeterministischer Bestandteile der Übertragungslatenz Bestimmung der deterministischen Bestandteile der Übertragungslatenz Uhrendrift-Korrektur durch lineare Regression Simple Network Time Protocol (SNTP) Jeder Knoten fragt Zeit beim Server (Gateway) ab Antwortzeit wird zur Hälfte auf Anfrage und Antwort aufgeteilt Keine Korrektur der Uhrendrift 11 und Anwendungen, IWKM

12 Messverfahren Testnetzwerk aus Knoten, 8 Einbringen der Globalzeit ins Netzwerk über Gateway Bestimmung von Zeitstempeln wird über digitale I/O-Leitung ausgelöst Knotenzeitstempel,,,,,, Globalzeitstempel,, Messungen, Abstand 1s, Dauer ca. 1h 12 und Anwendungen, IWKM

13 Messverfahren Mittlere Abweichung der Knotenzeiten von der Globalzeit, 1.,,, Maximale Abweichung der Knotenzeiten von der Globalzeit,.,,, 1,, Mittlere Abweichung der Knotenzeiten vom Median der Knotenzeiten 1. Maximale Abweichung zweier Knoten.,.,,,,,,,,,, 1,, 2 13 und Anwendungen, IWKM

14 Messergebnisse Mittlere Abweichung SNTP G1 FTSP G1 SNTP G1 FSTP G1 10 [ms] Synchronisationsinterval[s] 14 und Anwendungen, IWKM

15 Messergebnisse Maximale Abweichung SNTP G2 FTSP G2 SNTP G2 FSTP G2 800 [ms] Synchronisationsinterval[s] 15 und Anwendungen, IWKM

16 Zusammenfassung Umweltmonitoring Alle Konfigurationen erfüllen Genauigkeitsanforderungen Großes Synchronisationsintervall möglich Einsatz von SNTP aufgrund des geringeren Speicherverbrauchs (RAM) Industrielle Datenerfassung FTSP mit 10s Intervall ist mit 3ms hinreichend genau für dynamische Prozesse Höherer Energieaufwand ist unproblematisch Verkehrsmonitoring Keine Konfiguration erfüllt Genauigkeit und Lebensdauer gleichzeitig Anderer Knotentyp erzielt auch bei langen Intervallen 3ms Genauigkeit bei FTSP Fazit: Hardware, Verfahren und Parameter haben großem Einfluss Gesamtsystemdesign ist entscheidend 16 und Anwendungen, IWKM

17 Diskussion Stefan Schramm Tel.: IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH Ehrenbergstraße 27, Ilmenau Tel.: , Fax.: und Anwendungen, IWKM

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