Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki Zwischenpräsentation zum Forschungsseminar

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1 Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki Zwischenpräsentation zum Forschungsseminar Alexander Gräb, Kai Richter

2 Inhalt Motivation Zielstellung Hardware, 6LoWPAN und Contiki OS ContikiMAC Ergebnisse des Semesters Ausblick Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 2

3 Motivation Anwendungen: Hausautomatisierung, Industrie 4.0, Smart Grid, vielfältige Vorteile: Lebensqualität, Komfort, Sicherheit, Spaß Effizienzsteigerung, Kostensenkung, Ressourcennutzung Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 3

4 Probleme begrenzte Ressourcen Energieverbrauch Sendeleistung / Rechenleistung / Speicher effiziente Übertragungsprotokolle notwendig proprietäre Lösungsansätze vorhanden hohe Lizenzkosten, Probleme mit Privatsphäre verwenden andere als die standardisierten Internet Protokolle (geschlossen, nicht interoperabel) offene Projekte dagegen schlecht dokumentiert / gewartet Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 4

5 Zielstellung Realisierung offener Sensornetze auf Basis bestehender Internettechnologien offene / standardisierte Protokolle (6LoWPAN Protokollstack) offenes Betriebssystem (Contiki) Aufgaben dieser Projektgruppe: Erarbeitung der theoretischen Grundlagen Aufbau eines Testnetzes mit Contiki 3.0 Optimierung des Stromverbrauchs praktische Aussagen über Rahmenbedingungen liefern Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 5

6 Verwendete Hardware 8-Bit AVR Mikrocontroller ATMega128RFA1 mit Keramik Antenne aufgesteckt auf Entwicklungsboards mit Programmierschnittstelle Sensor Node Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Border Router Seite 6

7 Netzwerkarchitektur vermaschtes Sensornetzwerk mit Anbindung ans IPv6/IPv4 Internet Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 7

8 6LoWPAN Anforderung: viele IP Adressen, IPv6 aber zu groß für Sensornetze IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network Kommunikationsprotokol für Funkdaten, aufbauend auf IEEE ,4GHz und 868 MHz 127 Byte MTU Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 8

9 6LoWPAN Hauptkomponenten von 6LoWPAN Header Kompression Paket-Fragmentierung Routing in vermaschten Netzen Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 9

10 Contiki OS The Open Source OS for the Internet of Things offenes Betriebssystem für 8-Bit Mikrocontroller C Implementierung, für zahlreiche Plattformen portiert Funktionen und Vorteile: breite Netzwerkunterstützung (6LoWPAN Stack, standardisierte Protokolle wie UDP, TCP, CoAP) eingebaute Debugging-Möglichkeit quelloffen Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 10

11 ContikiMAC Radio Duty Cycling Protokoll Sensorknoten befinden sich oft An schwer zugänglichen Stellen und/oder Abgeschieden vom Stromnetz Einsatz von Solarzellen etc. nicht immer praktikabel wechseln der Batterie/des Akkus so selten wie möglich Abhilfe: Einsatz von Radio Duty Cycling Protokollen Beispielhafte Vertreter ContikiMAC Contiki X-MAC B-MAC BoX-MAC Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 11

12 ContikiMAC Radio Duty Cycling Protokoll Prinzipielle Funktionsweise von ContikiMAC Funkmodul oft größter Stromverbraucher Funkmodul so oft und so lange deaktiviert halten wie möglich (Quelle: Datenblatt ATmega128RFA1) Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 12

13 ContikiMAC Radio Duty Cycling Protokoll Prinzipielle Funktionsweise von ContikiMAC Ohne Phasen-Optimierung bzw. Sender lernt erst noch, wann Empfänger wach ist: Mit Phasen-Optimierung: (Quelle: The ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol von Adam Dunkels) Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 13

14 ContikiMAC Radio Duty Cycling Protokoll Zusätzliche Mechanismen zum Energie sparen Fast-Sleep-Mechanismus Phase-Lock-Optimization (Phasen-Optimierung) Schlafmodus des Prozessors Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 14

15 Ergebnisse des aktuellen Semesters Probleme mit Contiki 2.x Eingesetzte Plattform (avr-atmega128rfa1) schlecht gewartet Dokumentation kaum vorhanden Quellcode stellenweise schlecht lesbar Implementierung von ContikiMAC im Zusammenhang mit verwendeter Plattform (?) fehlerhaft Hoffnung auf Besserung mit Contiki 3.0 Aber: Es bestehen immer noch Probleme Verbesserung für Clear-Channel-Assessment Normalerweise Verwendung von Schwellwert für RSSI Reichweiten-Einbuße Implementierung Spezialfunktion des ATmega128RFA1: Carrier-Sense Verwendung des Prescalers für CPU-Takts Ermöglicht Taktung der CPU mit 8 MHz bei Verwendung des externen 16 MHz- Taktgebers Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 15

16 Ergebnisse des aktuellen Semesters Debugging-Funktion über USB-Schnittstelle des Bords (derfnode) Einsatz von LEDs zu Debugging-Zwecken Radio-On/Off-Indicator Incoming Ping-Request-Indicator Neighbour-Found-Indicator Immer wieder (Langzeit)Tests der Verbindungsqualität Unter verschiedenen Soft- und Hardware-Konfigurationen Verbesserung gegenüber altem Stand (mit Contiki 2.7) Aber neues Problem: gelegentlich viel zu lange Auszeiten des Funkmoduls Tests der Reichweite (in Gebäuden / im Freien) Muss mit ContikiMAC (annähernd) so gut sein, wie ohne In Gebäude ca. 50 m / im Freien ca. 100 m Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 16

17 Ausblick Angestrebt wird ein funktionierendes Testnetzwerk Problem mit langen Auszeiten des Funkmoduls lösen Messen des Stromverbrauchs unter Contiki 3.0 und ContikiMAC Hilfsmittel wie Ozilloskop verwenden Stromverbrauch mit 8 MHz und 16 MHz CPU-Takt Korrekte Funktionsweise von ContikiMAC unter Contiki 3.0 prüfen Sind Timings korrekt? Unter Contiki 2.7 betrugen die CCA-Phasen viel zu lange (3,375 ms statt 0,192 ms) besteht das Problem mit Contiki 3.0 immer noch? Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 17

18 Ausblick Testen des Einsatzes von verschiedenen Protokollen 6LoWPAN / Constrained Application Protocol (CoAP) / Routingprotokolle / Verschiedene Netzwerktopologien Baum / Stern / Peer-to-Peer / vermascht Sicherheit (Einsatz von Kryptographie) Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 18

19 Zeit für Fragen Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Haben Sie Fragen? Alexander Gräb, Kai Richter Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki. Seite 19