Ubiquitous Computing. (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS06/07

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1 Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS06/07 Michael Beigl TU Braunschweig Institute of Operating Systems and Computer Networks

2 Wiederholung Grundlagen Ubiquitous Computing: M. Weiser, XeroxParc Werkzeuggedanke steht im Vordergrund, dadurch Einbettung des Computers in die Welt Gute Technologie ist unsichtbar, Mensch keine Nutzermaschine Erste Experimente: ParcTab, Augmented Environments Kontexte ermöglichen neue Möglichkeiten, Kontexte ausgezeichnetes Forschungsthema in Ubicomp Ansatz Kontexterkennung: Umgebung oder Artefakt Intelligente reaktive Umgebung oder smarte digitale Artefakte Probleme: Anwendung, HCI, Technologie Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-2

3 Supermarket Everything in place? Running out of anything? Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-3

4 Übung + Literatur Pflichtliteratur für nächste Vorlesung L. Hallanäs, J. Redström, Abstract Information Appliances, DIS 2004 Communications of the ACM July 1993, Vol 36, No 7: Computer Augmented Environments: Back to the Real World Gemperle, F.; Kasabach, C.; Stivoric, J.; Bauer, M.; Martin, R. Design for wearability Wearable Computers, Digest of Papers. Second International Symposium on, 1998 Page(s): Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-4

5 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen ParcTab: erste Ubicomp Geräte und Umgebungen Reaktive Umgebungen Appliances Hardware für Appliances Wearables Communication Context HCI Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-5

6 Appliances

7 Geräte (Inform.) Appliance Konzept Appliance das Anwenden, die Anwendung, der Apparat, die Bedienung, das Gerät, das Hilfsmittel, die Verbrauchseinrichtung, die Vorrichtung (Quelle: dict.leo.org) A device or instrument designed to perform a specific function, especially an electrical device (American Heritage Dic.) Information Appliance D. Norman: An appliance specializing in information.... A distinguishing feature of inform. Appliances is the ability to share information among themselves Beispiel: Digicam, Taschenrechner Benutzer notwendig 3 Axiome für Information Appliances 1. Einfachheit: der Bedienung für Benutzer (so einfach wie dies die Aufgabe erlaubt!) 2. Vielseitigkeit: erlaubt und fördert Kreativität 3. Vergnüglichkeit: sollen erfreulich sein, Spaß machen Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-7

8 Information Appliance Concept Charakteristika (Eric Bergman, Information Appliances) Eingeschränkter Zweck und Funktionalität Wird erwartungsgemäß in wenigen Jahren ersetzt (nicht generall für alle Appliances: Bsp: Haushaltsgerät) Wird vom Nutzer als preiswert empfunden (nicht für alle Appliances: Bsp: Maschine) Einfach zu bedienen (Functionality threshold, Funktionialitätsgrenze) Sehr einfach zu lernen und zu benutzen (innerhalb des Nutzungskontextes) Kein Experten-Modus Device Complexity Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 Simple to use 3-8 Device Functionality Functionality threshold Difficult to use

9 Appliance: ParcTab 3 Axiome für Information Appliances 1. Einfachheit: der Bedienung für Benutzer (so einfach wie dies die Aufgabe erlaubt!) 2. Vielseitigkeit: erlaubt und fördert Kreativität 3. Vergnüglichkeit: sollen erfreulich sein, Spaß machen ParcTab 1. Einfachheit: Gegeben innerhalb technischer Beschränkungen 2. Vielseitigkeit: bedingt, da Anwendungen vorgegeben 3. Vergnüglichkeit: Vergnügen gebunden an bestimmte Arbeitspraxis Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/07 3-9

10 Geräte Appliance Konzept Appliance-Konzept Betonung des Werkzeug Gedankens und der funktionalen Abgeschlossenheit Computer Sekundärartefakt, der Funktion und Bedienung untergeordnet You don t want to use a computer PC / Application vs. Appliances PC: Universalrechner (Hardware) und Universalbedienung mit spezielle Anwendung (Application)... führt zu einer komplizierteren Bedienung (Verstoß gegen Axiom 1)... und meistens auch zu wenig Spaß (Axiom 3) Tool vs. Appliances Tool: Werkzeug kann nicht mit anderen Werkzeugen kommunizieren... führt zu weniger Kombinationsmöglichkeiten (Verstoß gegen Axiom 2)... und so meistens auch zu wenig Spaß (Axiom 3) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

11 Appliance Concept Ausdruck und Funktion Appliance: Gerät & Computer Kann gesehen werden unter 2 Aspekten Ausdruck (expression) Funktion (function) Sichtweisen derselben Appliance Physikalische Gestalt, Information,... Ausdruck Funktion Möglichkeiten, Tätigkeiten, Dienste... Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

12 Aufgabe 2 Uhren mit ähnlichen Funktionen: Uhr und Zusatz-Datendienste Welches davon ist eine Appliance Bewertung anhand der Appliance Axiome Programmierbare Uhr (onhand PC, 100 Euro) Neben Zeitanzeige weitere beliebige Funktionen Wie folgt Ausdruck hier weiteren Funktionen? Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

13 Geräte Klassifikation anhand Aufgabe Unterhaltung Langer Informationszugriff Wenig Zweckbindung Wenig Spezialisierung auf bestimmte Aufgaben Bei hoher emotionaler Bindung langer Ersetzungszyklus, ansonsten kurz Informationszugriff und kommunikation Kurze Informationszugriffe Hohe Zweckbindung Mittlere Spezialisierung auf bestimmte Aufgaben Kurzer Ersetzungszyklus Physikalische Objekte, Umgebungen Hohe Zweckbindung Hohe Spezialisierung Ersetzungszyklus abhängig von Objekt (oft lang: Haushaltsgeräte, Maschinen, Umgebungen Informationsdienstgeräte Mittlere/Hohe Zweckbindung und Spezialisierung Keine Mensch-Maschine Interaktion Ersetzungszyklus abhängig von Mittelung der Nutzeransprüche Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

14 Informationszugriff und kommunikationgerät : Filofax Charakteristik Sammlung sehr häufig gebrauchter Funktionen Vorhaltung persönlicher / sensibler Daten Intimer Gebrauch, immer dabei Als Eigentum betrachtet Typische Anwendungen Kalender Adressen-, Telefonliste Notizen Persönlicher Digitaler Assistent (PDA) = Filofax: Ausdruck für Funktionen Kalender, Adressenliste, Notizen Ist mit weiteren Anwendungen erweiterbar, wenig genutzt, wieso? Kann Daten mit anderen Rechnersystemen austauschen Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ und synchronisieren

15 Informationszugriff und kommunikationgerät: Telefonieren Zentrieren sich um einen zentralen Verwendungsbereich Erweitern Nutzen um zentralen Verwendungsbereich Telefonliste Notizen / SMS Speicher Ubiquitär für viele Nutzergruppen Erweitern Nutzen mit zusätzlichen Funktionen Wecker Kalender Voicerecoder / MP3 Player Kamera Optimal: Wechsel Funktion = Wechsel Ausdruck -> vermeidet überschreiten Funktionalitätsgrenze Ausdruck:Mobiltelefon Ausdruck:Persönlicher Assistent Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

16 Geräte Erweiterte Alltagsgegenstände Erweiterung eines existierenden Gegenstandes eingebettetem Prozessor, Speicher, Sensorik und Netzwerkverbindung. Benutzerschnittstelle bleibt gleich oder ist wenig verändert Fähigkeit, digitale Information zu Erkennen und verarbeiten: eigenständiger als einfache Objekte nicht (notwendigerweise) intelligent im KI-Sinne. Fähigkeit, Information mit anderen Geräten auszutauschen nicht notwendigerweise online, aber zumindest gelegentliche Verbindung (Synchronisation) Abgrenzung gegen abgeschlossene eingebettete Systeme Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

17 Geräte Alltagsgegenstände Integration nicht-digitaler Objekte Physischen Objekten eine Darstellung in der digitalen Welt geben Beispiel Mediacup: Sensoren zur Erfassung des Zustands (Temperatur, Bewegung, Gewicht) Prozessor zur Berechnung von Ereignissen ( aufgefüllt, getrunken, abgekühlt,...) Infrarot-Kommunikation, Broadcast in lokaler Umgebung Keine Änderung der Ursprungsfunktion keine Änderung des Ausdrucks Funktion ergibt sich aus Vernetzung mit anderen Geräten Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ Kommunikation Rechner

18 Beispiel Digitale Artefakte als Erweiterung bestehender Funktion Digital Ink, CMU Interactive Design Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

19 Geräte Dienstegeräte Eine Funktion = Ein Gerät In sich abgeschlossen, nur eigentliche Funktion wird nach außen kommuniziert Kombination bisheriger Einzelkomponenten Falls nicht abstrakt: Ausdruck entsprechend assoziierter Funktion Beispiel WebCam: Kamera und Rechner; Ausdruck: Kamera Beispiel DVD Player: DVD Laufwerk, Rechner, Audiokarte; Ausdruck: Player Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

20 Aufgabe Photos von Gegenständen / Umgebungen, die sich als Info-Appliances / Einsatz von Info-Appliancs eignen Bitte an beigl@acm.org mit [UbicompUebung] im Subject senden Beispiele: Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

21 Commuter Trains How full is the train? Which wagon is less occupied Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

22 Supermarket Everythings fresh? Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

23 Parking space Any parking lot available? Where/Price/Conditions? Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

24 Geräte Computer-Hardware Interner Aufbau Unterschiedliche Funktion unterschiedliche Hardware Schnittstellen zur physikalischen Welt Explizite Schnittstellen (Tastatur, Maus, Stift, Anzeige,...) Implizite Schnittstellen: Sensorik, Hintergrundaktuatorik (z.b. Sound, einfache Leuchtanzeigen) Prozessor und Peripherie Getrennt, z.b. externe I/O, Speicher Eingebettet (embedded): Integrierte Funktionen z.b. Speicher, I/O, Netzwerk Auch Unterschied im Energieverbrauch Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

25 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen ParcTab: erste Ubicomp Geräte und Umgebungen Reaktive Umgebungen Appliances Hardware für Appliances Wearables Communication Context HCI Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

26 Hardware Allgemein

27 Geräte Klassifizierung anhand Energiezufuhr Mobile Geräte mit direkter Benutzerschnittstelle und Aufladung durch Benutzer PDA, Mobiltelefone, Spielekonsolen, Digitale Kamera, TabletPC, Set-Top Box Stationäre Geräte mit dauerhafter Stromversorgung Spielekonsolen digitale Haushaltsgeräte,digitale Consumergeräte (DVD) Parasitäre Geräte SmartCards RF-ID Tags Mobile, eingebettete Geräte (eingebettete) Sensorknoten ohne Aufladung durch Nutzer Unterschiede durch verfügbare Energie Spezialisierung, Integration, Anzahl interner Komponenten Wichtig: Energieverbrauch: verwendete Komponenten, Prozessortyp, Taktfrequenz, Busse!, Kommunikation Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

28 Hardware Prozessoren Unterscheidung (multi-purpose) Prozessoren z.b. PC, großer Befehlssatz, hohe Taktraten festverdrahtet und/oder Microcode, heute oft Mix RISC+CISC eingebettete Prozessoren RISC oder RISC- like integrierter RAM, Program-RAM, A/D, I/O, WDT,... Spezialprozessoren GSM, DSP, Gerätespezifisch (Waschmaschine etc.) basieren inzwischen oft auf eingebetteten Prozessoren Allgemeine Typen von Neumann häufig bei multi-purpose Prozessoren Harvard häufig bei eingebetteten Prozessoren Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

29 Hardware Harvard vs. Von Neuman Von Neuman oft flüchtiger Hauptspeicher, viel Energie für Speicher (SRAM 1MB ca 15mA) flexibel Harvard Daten flüchtig, Prg. fix (ROM, Flash, EEPROM) kein Bootloaden, schnelles Boot keine versehentliches Überschreiben von Prg. Keine Energie für Speichern Programme typ. Energieverbrauch <10mA schneller durch 2 Busse Memory Data Memory Prg. Memory Addr. Data Addr. CPU Program Counter CPU Data Addr. Program Counter Instructions Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

30 Hardware Bsp. PDA Design Newton MessagePad Externe Daten/ Adressenbusse Auf direkte und graphische Benutzerschnittstelle optimiert kompakter, aber ähnlich PC / Workstation Aufbau Stromverbrauch stark von Benutzerschnittstelle und Nutzerverhalten abhängig PCMCIA Infrared ARM 610 ROM SRAM Runt ASIC LCD Serial I/O ADC Tablet Serial Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

31 Software Betriebssystem Windows CE / Handheld Windows Eigenschaften Für persönliche Multimediageräte mit Windows Logik pre-emptive Multithreading, Semaphore, prorisierte Interrupts... etwas Realtime: Latencies Task-Switch, Memory Switch... Minimal 500 kb ROM, 35 kb RAM, Normal: 2 MB RAM Aufbau grob: Application CE Desktop OS Core System File System Comm. Driver & Hardware Kernel Graphics & Input Hardware Device Manager Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

32 Hardware Bsp. Dienstsystem mit Java Board: TINI TINI Java Board von Dallas/Maxim z.b. Model 390, 512kB SRAM, 512k Flash ROM 8 bit DS80C MHz (eigentlich für CAN Anwendungen entwickelt) Interne 40-bit Accumulator, 32- and 16-bit Mult., Dividierern, 10-bit stack pointer (gut für Java!) Java APIs erlauben Zugriff auf Peripherie RS232 1-Wire Netz (ibutton) CAN (Controller Area Network) I2C Digitale I/O... aber kein natives Java! Größe 32x103mm 10 Mbit Ethernet Anschluß Verbrauch: 250mA@5V typisch Quelle: Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

33 Hardware Sensorknoten

34 Hardware Populäre Prozessortypen eingebettete Prozessortypen Arizona Microchip PIC Reihe (8-bit, 16-bit, Harvard) Extrem Große Anzahl von Derivaten (mehrere hundert) mit unterschiedlichster integrierter Funktion inkl. Verschiedene Netzwerke (CAN, Funk,...) 1k-128k Flash Programmspeicher, 32byte-8k RAM, bis 33 MIPS Niedriger Energieverbrauch MIPS), sehr hohe Kompatiblität zwischen Prozessoren ATMEL AVR (8bit, Harvard) Marktführer, mehrere Dutzend verschiedene Derivate 1k-128k Flash, 32byte-4k RAM, max 20 MIPS Noch niedriger Energieverbrauch 5MIPS) TI MSP430 (16 bit, von Neumann) Mehrere Dutzend Derivate Bis 64 k Flash, 10 k RAM 5 Power Modi, extrem niedriger Energieverbrauch (wenige ma bis ua, je nach Modus) durch feingranulares Ab-/Anschalten interner Module Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

35 Hardware Arizona Microchip PIC PIC 16F876 Harvard Architectur, RISC (35 Instruktionen), bis 20 MHz, 5 MIPS, breite Betriebsspannung (2-5.5V) Low Cost (4 Euro), Low Power (900 na-15 ma) Einfache interne Rechenstruktur, komplexe I/O (viel I/O viel Kontext) Alles auf einem Chip: z.b. A/D, Power-Up (fast) keine ext. Bauteile notwendig Programmierung: C, Assembler Program Memory Processor Power-Up WDT Brown Out RAM Timer Port A (A/D) Port B (INT) Port C (I/O, SPI, I2C, Ser) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

36 Hardware Populäre Prozessortypen II Nicht-eingebettete Prozessoren Dallas Semiconductor: DS80Cxxx Intel Xscale / StrongARM (ex Digital) Motorolla 68HCxxx exintel 80x86 Architektur (Preis!, Verfügbarkeit von Tools) Multi-Purpose: Ausgelegt für die Ausführung beliebiger Programme, mehrere Anwendungen gleichzeitgi Oft nicht (vollständig) eingebetteter Speicher, I/O um Flexibilität zu erhalten Von Neumann, bis 700 MHz Anwendung: persönliche Geräte (PDA, Mobiltelefon), Dienstgeräte (Webcam, Micro-Web-Server) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

37 Software Grob 2 Klassen Anwendungen Betriebssystem / Biblotheken Anwendungen sehr vielseitig von persönlichen Anwendungen... über Standardanwendungen... zu speziellen Anwendungen, insbesondere digitale Artefakte Betriebssystem Vermittler zwischen Anwendungen und Hardware spezielle Betriebssysteme für spezielle Zwecke, z.b. persönliche Geräte, digitale Artefakte, Mobiltelefone Kriterium am besten geeignet statt am umfangreichsten (PC) klein und effizient statt vielfältig harte Echtzeit statt Performance zu unterstützen: Benutzerschnittstelle, Kommunikation, Sensorik/Kontext, Energieverwaltung Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

38 Betriebssystem Aufgaben (vereinfacht) Task / Process / Thread Management Inter-Process Communicaton Memory Management I/O Mangement (Netzwerk, Disk,...) Device Management Benutzerschnittstelle Bootloading Handheld / Mobiltelefonbetriebsysteme Windows Mobile, EPOC, PalmOS 5+, Embedded/Handheld Linux Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

39 Betriebssystem Aufgaben (vereinfacht) Task / Process / Thread Management Inter-Process Communicaton Memory Management I/O Mangement (Netzwerk, Disk,...) Device Management Benutzerschnittstelle Bootloading Microprozessoren keine oder minimal, oft kooperativ Semaphore, Queues (selten) oft dem Microprozessor überlassen kabellose Kommunikation, seriell, keine Disk etc! VIELE verschiedene Sensoren, viele Treiber wenig direkte Kein oder minimales Bootloading Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

40 Von der Anwendung zum Programm Entwicklungsplattform Anwendung Compiler Anwendung Compiler Linker Zielplattform Code Betriebssystem Pseudo Code Anwendung Compiler Interpreter Code Betriebssystem Betriebssystem Betriebssystem 3 Optionen Klassisch: Anwendung und Betriebssystem getrennt WinCE, Palm,... Miniatur Embedded Systeme: Anwendung und Betriebssystem in Entwicklungszeit starr gelinkt Java, Basic: Anwendung als interpretierter Pseudo- Code Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

41 Hardware eingebettete kabellose Rechner Allgemeiner Aufbau Verwendung eines eingebetteten Microprozessors Mehrboard-Ansatz separiert Kern und Sensorik Kern beinhaltet immer Rechner + Funkkommunikation Separation of Concerns als Entwicklungsprinzip, Flexibilität Core-Board Eingebetteter Prozessor Funkkommunikation Stromversorgung u. Regulierung I/O Einheit Zusatzboards (meist Sensor, Aktuator Senorik, Aktuatorik Optionale Stromversorgung Optionaler Co-Prozessor Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

42 MICA Motes Core Add-ons Aufbau Übertragung Funk / Laser Verschiedene Sensorik Eingebetteter Microcontroller +Externer SRAM +A/D Wandler Charakteristik Alle Busse Modul- intern, einige im embedded Microprocessor Quelle: U.of California, Berkely Core2 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

43 Software Betriebssystem Tiny OS Tiny OS (Berkeley) für SmartDust / MOTES cooperatives Multitasking, kein Speicherschutz, eigene Sprache (NesC) und Precompiler notwendig, OS+Anw. Werden gelinkt Ereignisbasierter Wechsel, FIFO-Scheduler + priorisierte Ereignisse (Netzwerk), cooperatives Multitaksing Vor allem für ad-hoc Sensornetzwerke Komponente: API / commands /handler Events fired Bsp: Deklarationsdatei zus. zu C-Code: Component Thread Status TOS_MODULE name; ACCEPTS{ command_signatures }; HANDLES{event_signatures}; USES{ command_signatures}; SIGNALS{event_signatures}; Commands used Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

44 Software: Betriebssystem TinyOS - Design Scheduler Mote Task Legende: Kommandos Ereignisse Hardware Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

45 Software TinyOS Beispielanwendung Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

46 Hardware Smart-Its Particle Core TecO Particle (P) Verschiedene Versionen, z.b. 2/02: 5 MIPS, 128kbyte program Flash, 4k RAM, 512k Flash (file system) Low power (<10mA max), klein, V Kommunikation mit niedrigem Energieverbrauch, 125 kbit/s Bandbreite, 50kbit/s Anwendung, extreme Skalierung für mehrere 100 Knoten Flexibilität durch einheitlichen Particle Connector (I2C, SPI, serial, A/D I/O) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

47 Hardware Particle Sensoren Beispiel: Generisches Sensorboard Sammlung der für Ubicomp wichtigsten Sensoren (basiert auf Studie von Anwendungen) Low Power, eigener Co-Prozessor für von Kommunikation unabhängige Verarbeitung u. Entwicklung Serielle, I2C, SPI, A/D, PWM Schnittstelle Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

48 ParticleOS Scheduling 3 Klassen von Tasks 1 Hart-Echtzeit-Task (insb. Netzwerk) wird regelmäßig ausgeführt, alle anderen Anwendungen werden unterbrochen Echtzeit-Tasks: Werden regelmäßig ausgeführt, können nur von Hart- Echtzeit Task unterbrochen werden, kooperativ Anwendungen: kooperativ untereinander, erhalten Restzeit/werden unterbrochen von Echtzeit-Tasks Zeitgesteuerter Wechsel zwischen Tasks -> berechenbares/nachvollziehbares Verhalten Sensor Bibliothek Abstrakter Zugriff für Sensoren, verbirgt Hardware(änderungen) Beinhaltet typische Verarbeitungsfunktionen, Erstellt direkt Spracheinheiten (ConCom tuples) für Intersensorknotenkommunikation Application Wird mit OS zu einer Ausführungseinheit kompiliert Application Sensors Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ AwareCon Hardware

49 Particle File System ParticleOS Philisophie Unix-ähnliche Programmierung, (BSD) C-Programme Uniforme Darstellung und Zugriff auf Ressourcen durch FS Application Uniformer, hierarchischer Namesraum /dev/- Direkte Ressourcen, Sensoren, File System Speicher, Komm. /context/ - vorverarbeitete Sensors Ressourcen, exportierte Anwendungsfunctionen AwareCon /usr/ - Datendateien FS entkoppelt Anwendung von System Hardware Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

50 Access Model Fundamental operations read(..) and write(..) data transfer operations Resources are coupled with specific r/w methods Resource identifier Resource name Type Read Write 1 /dev/voltage 3 pfunc pfunc... Example: read(1, buf, 1) Additional operations open(..) mount(..)/umount(..) gettype(..) Type System Type of resource, developer decides Compatibility in resource combinations VoltageSensorGet(int &v) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ {... } NOP() { ; }

51 upart Sprich mü-part Idee: klein, preiswert (20 ), einfach Technik MCU: 12F675 at 4 MHz Speicher: Programm-Flash 1.4 kbyte, RAM 64 Byte, EEPROM 128 Byte Kommunikation: nur Transmitter 869 Mhz / 315 Mhz 2-FSK, ALOHA Protokoll 15m indoor, bis zu 30m outdoor Sensoren Licht, Temperatur, Bewegung, Spannung Spannungsversorgung CR1632 Knopfzelle Reicht für mehrere Monate (~35s duty cycle, CR1632) upart 1/40 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

52 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen ParcTab: erste Ubicomp Geräte und Umgebungen Reaktive Umgebungen Appliances Hardware für Appliances Wearables Communication Context HCI Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

53 Appliance Beispiele Bei dem Fässchen braucht man noch ein Schirm, an dem die aktuelle Temperatur und der Füllstand abzulesen sind Appliance Diskussion Einfach Vielseitig Vergnüglich Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

54 Beispiele Bei dem Koffer fehlt eine schnelle Suchmöglichkeit, die am besten noch auf eine Stimme reagiert Appliance Diskussion Einfach Vielseitig Vergnüglich Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

55 Appliance Beispiel Mögliche Erweiterung? Appliance Diskussion Einfach Vielseitig Vergnüglich Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

56 Hardware Energie

57 Energieversorgung Batterietechnologie langsamer Fortschritt (nur 20% mehr Kapazität in 10 Jahren) Hoffnungsträger: Brennstoffzellen, geringere Strukturgrößen, also weniger Verbrauch aber: mehr Transistoren = mehr parasitäre Kapazität Energieverbrauch Desktop-Rechner ~10²W Laptop ~10W Single-Board Comp. ~1W Low-power Microcontr. ~10 - ³W Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

58 Energie: Einordnung Quantity Energy (10^) Uv Photon -18 Neural transmission -13 CMOS transmission -12 (100 ff load) PCB communication -10 (10 pf load) 8-bit access 16 Mb SRAM -8 NiCd penlight battery 3 Can of beer 6 (600 kj) Lead-acid car battery 6 Daily human consumption 7 (2500 kcal) Man-made nuclear explosion San Francisco earthquake 17 (8.3 Richter scala) Nova 37 Big bang 73 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

59 Energiesparen Technologie-Ebene Kapazitäten minimieren, minimale Chipfläche, möglichst wenig externe Verbindungen Kleinere Spannung, Strom (schmalere Leiterbahnen), Frequenz Hardwarearchitektur hohe Verlustleistung in Bussen, Treibern, Multiplexern einsparen durch Lokalisierung von Operationen, Abschalten von I/O anwendungsspezifische Co-Prozessoren (am Prozessor vorbei, weniger Verkehr auf dem Bus), Problem: I/O, Verdoppelung von Fkt. Speicheroperationen direkt am Prozessorkern Kommunikation & OS Minimierung der Netzwerkzeit (Piconetze: Hören so teuer wie Senden!) Fixe Slots, Master-Slave Zuweisung, Zwischenpuffern über Infrastruktur, Subscribe/Notify Scheduling-Anpassung: Möglichst oft Sleep-Mode Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

60 Energie: Energiesparen Beispiel Infrarot-Lokationssystem Dienstnehmer sendet Anfragesignal Bake antwortet mit Ortsinformation Objekt O i req Bake B j Energiesparendes Protokoll: Minimierung von Sende- und Empfangszeiten p req autonome Energieversorgung der Baken (Solarzellen und Kondensatoren) req T >p loc j O sendet O hört B hört B sendet t Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

61 Energie: Drahtlose Übertragung Beispiel Mediacup Prozessor und Peripherie geringe Taktrate (4 oder 1 MHz) Schlafmodus so oft wie möglich Anschalten bei Gebrauch Bewegungsmessung Kugelschalter statt Beschleunigungssensor ermöglicht Interrupts statt Polling keine Bewegung keine Messung Berührungsloses Aufladen Kondensatoren, 2F kein Batteriewechsel Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

62 Energieversorgung MEMS Power generator through vibration Bewegungsenergie Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/ Thermische Energie (Seiko)

63 Energie: Batterien Energie und Leistung (in Einheiten) kg m 2 Energie: J = sec = V A sec (U. I. t) = Wsec J kg m Leistung: W= = 2 = V A (U. I) sec sec 2 Quelle AA Batterie Knopfzelle Camcorder Akku 1 Liter Benzin Energie = 3Wh =10800 J 2000 J 10 5 J 10 7 J Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

64 Energie: Batterien Quelle AA Batterie Knopfzelle Camcorder Akku 1 Liter Benzin Energie = 3Wh =10800 J 2000 J 10 5 J 10 7 J Verbrau cher PC PC 104 eingebettet Sensorknoten Mensch Leistung W 1 W 0.03 W 120 W Beispielrechung AA Batterie für Desktop: Ws für 100 W => 100 Sekunden AA Batterie für Sensorknoten: Ws für 0.03W => 92 Stunden Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

65 Energie: Mensch Mensch als Energiequelle Problem Nur ein Teil der Energie kann verwendet werden um das System Mensch nicht zu stören Effizienz der Technologie zur Gewinnung der Energie typisch zwischen 5-25% => Oft nur etwa 1% verwendbar Quelle: Morton 1952 Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

66 Energie Lösung: Mensch als Energiequelle aufgewendete Energie zu maximal nutzbare Energie (in Klammern) Quelle: Morton 1952 Quelle: T. Starner Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

67 Energie Technologie Piezoelektische Energiegewinnung im Schuh Beispielrechnung (Träger 52 kg schwer, T. Starner) im Schnitt: Leistung bei Tastaturanschlag (T. Starner) im Schnitt Effizienz bei Piezotechnolgie: 11% => ca. 2 mw Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

68 Energieversorgung Unbemerkte Energiezufuhr Der Mensch als Energiequelle Kraftwerk im Schuh Joe Paradiso Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

69 Energieproduktion ist ein Kontext: Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

70 Energy Harvesting nach Prinzip Quelle: Paradiso, Starner Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

71 Energieeinsparung Potentiale Warren, T. Martin, A. Smailagic, D.P. Siewiorek, System Design Approach to Power Aware Mobile Computers, pp. 101, IEEE Computer Society Annual Symposium on VLSI (ISVLSI 03), February Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

72 Hardware Konstruktion und Kosten

73 Sensorknoten Eingebettetes System: FPGA/ASIC Memory Auxililary systems Human Interface A/D Conversion CPU Diagnostic port D/A Conversion From: Koopman, P., Embedded System Desing Issues - The rest of the Story, Proc of 1996 CCD SENSORS Electromechanical backup & safety Actuators External Environment Sensorknoten = Eingebettetes System + RF-Einheit Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

74 Beispiele Eingebetteter Systeme Computing speed Signal processing Mission critical Distributed Small 1GFLOPS MIPS 1-10MIPS IPS I/O Transfer 1Gb/Sec 10Mb/Sec 100kb/Sec 1kb/Sec Memory Size MB MB 1-16 MB 1 KB Units Sold ,000 1,000,000+ Development Cost (<NRE) Cost Sensitivity $20M - $100M $10M - $50M $1M - $10M $100K - $1M $1000 $100 $10 $0.05 Initial cycle 3-5 years time 4-10 years 2-4 years years Digital Digital except for signal I/O Interessant für Sensorknoten ~½ Digital content ~½ Digital Single digital chip; rest is analog/power Other possible examples in this category: Radar/Sonar Video Medical imaging Jet engines Manned spacecraft Nuclear power High-rise elevators Trains/trams/subway s Air conditioning Automotive auxilliaries Consumer electronics Smart I/O Michael Koo96 Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

75 Realisierung Sensorknoten- Hardware ASIC: Application specific Integrated Circuit: Anwendungsspezifische Schaltung + sehr effizient, energiesparend, preiswerte Herstellung - hohe Entwicklungskosten, keine Flexiblität, zu geringe Komplexität FPGA: Field Programmable Gate Array: Programmierbare Logic + extrem flexibel, sehr niedrige Entwicklungskosten, schnelle Entwicklung - sehr hohe Stückkosten, wenig energiesparend Bisher nur für Prototypen wegen Energie, aber neue Technologien! Embedded-Processoren mit zusätzlicher Beschaltung + sehr niedrige Entwicklungskosten, hohe Flexibilität, schnelle Entwicklung - Stückkosten hoch, Energieverbrauch mittel Aktueller Standard für Sensorknoten Embedded-Prozessoren mit ASIC + mittlere Entwicklungskosten - mittlere Flexibilität, Stückkosten, Energieverbrauch mittel Mögl. Alternative zu Embedded-Prozessoren mit zusätzl. Beschaltung Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

76 Realisierung Sensorknoten- Hardware 2 SoC: System on Chip, Wiederverwendung von Cores (IP- Blöcken) wie Prozessoren, RF-Chips, etc. + geringste Stückkosten - niedrige Flexibilität, hohe Entwicklungskosten System wird über Bibliotheken zusammenkompiliert, freie Cores verfügbar Alternative für sehr große Stückzahlen (>1 Mio) Stand der Technik System in Package (SiP), Multi-Chip Package (MCP) + geringe Stückkosten, geringe Entwicklungskosten - Cores, gesamte Logik müssen als Waver beziehbar sein, Komplexitätsgrenzen, niedrige Flexibilität, hohe Einrichtkosten Alternative für große Stückzahlen (um 1 Mio) Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

77 Kosten und Preis Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

78 Kostenrechnung Peak revenue Vereinfachte Gewinnrechnung Revenues ($) Market rise On-time Delayed Peak revenue from delayed entry Market fall Produktlebensdauer = 2W, Hochpunkt bei W Time of market Eintritt als Dreieck, repräsentiert Absatz Dreiecksfläche = Ertrag D W 2W On-time Delayed entry entry Time Quelle:Vahid,Givargis Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

79 Kostenrechnung Revenues ($) Market rise D On-time Delayed entry entry On-time W Quelle:Vahid,Givargis Delayed Peak revenue Peak revenue from delayed entry Market fall Time 2W Fläche = 1/2 * Basis * Höhe On-time = 1/2 * 2W * W Delayed = 1/2 * (W- D+W)*(W-D) Prozent Ertragsverlust = (D(3W-D)/2W 2 )*100% Beispiel Lebenszeit 2W=52 wks, Verzögerung D=4 wks (4*(3*26 4)/2*26^2) = 22% Lebenszeit 2W=52 wks, Verzögerung D=10 wks (10*(3*26 10)/2*26^2) = 50% Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

80 NRE und Kostenmetrik Kosten Zusammengesetzt aus Anfangskosten (Non-Recurring Engineering costs, NRE) und Kosten für Produktion Kosten für Produktion zusammengesetzt aus Einmalkosten plus Kosten pro Einheit Totalkosten = NRE + Fix_Produktion + #Einheiten * Einheitskosten Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/

81 NRE und unit cost metrics Vergleich Technologies pro Kosten Technology A: fix=$2,000, unit=$100 Technology B: fix=$30,000, unit=$30 Technology C: fix=$100,000, unit=$2 tota l c ost (x1000) $200,000 $160,000 $120,000 $80,000 A B C p er product cost $200 $160 $120 $80 A B C $40,000 $40 $ Number of units (volume) $ Number of units (volume) Aber: Hohes NRE -> oft hoher time-to-market Quelle:Vahid,Givargis Michael Beigl Ubicomp, Wintersemester 06/