Ubiquitous Computing. (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 07/08

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1 Ubiquitous Computing (Ubiquitäre Informationstechnologien) Vorlesung im WS 07/08 Christian Decker Universität Karlsruhe Institut für Telematik Telecooperation Office

2 Wiederholung letzte Vorlesung Gute Technologie ist unsichtbar, Mensch keine Nutzermaschine Calm Technology macht Ubicomp praktikabel Erste Experimente: ParcTab, Reactive Environments Kontexte ermöglichen neue Möglichkeiten, Kontexte ausgezeichnetes Forschungsthema in Ubicomp Ansatz Kontexterkennung: Umgebung oder Artefakt Intelligente reaktive Umgebung oder smarte digitale Artefakte Designprinzipien Invisible technology Manual override Feedback Ubicomp-Methodik: Empirisch, Living Lab, Bootstrapping, interdisziplinär Aber auch Probleme: Anwendung, HCI, Technologie Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-2

3 Übung + Literatur Optionale Literatur L. Hallanäs, J. Redström, Abstract Information Appliances, DIS 2004 Pflichtliteratur für nächste Vorlesung 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): Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-3

4 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen ParcTab: erste Ubicomp Geräte und Umgebungen Reaktive Umgebungen Appliances Hardware für Appliances Wearables Communication Context HCI Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-4

5 Appliances

6 Information Appliances: Vorgeschichte Bilder: wikipedia.o Jef Raskin ( ) HCI Experte, Initiator Macintosh Projekt bei Apple Vision: Computer wird Consumer Appliance Aufsatz: "Computers by the Millions" Gründer von Information Appliances Inc. (1982) Buch: The Humane Interface (2000) Canon Cat The advanced work processor (1987) Motorola 68k, 5 MHz, 256 KB RAM, internal 300/1200 bit/s modem, 8 KB of non-volatile (battery backed-up) RAM I/O: parallel port, RS-232C serial port, RJ11 telephone jack Gewicht: 7.7 kg Text only UI: Keine Maus, Icons, Grafik Kein Command & Menu interface Kommando: Use Front key + weitere Taste Leap Keys: Inkrementelle suche von Strings, Cursorpositionierung Impl. der Ideen für heutige Comp.: Projekt Archy Jef Raskin Canon Cat Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-6

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, Settop Boxen 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 Don Norman Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-7

8 Information Appliance Konzept Ziel von Information Appliances Komplexität eines PC verhindern Komplexitätsanalyse PC Komplexität im PC ist fundamental! PC = Gerät für die Bearbeitung nicht miteinander verbundener Aufgaben Annahme: 2 diametrale Aufgaben Gerätedesign erfüllt Aufgabe 1 Analyse: Wenn Aufgabe 2 diametral zu 1, dann Gerätedesign nicht geeignet für Aufgabe 2 Noch mehr: 2 diametrale Aufgaben erfordern 3. Aufgabe: 3. Aufgabe: Art und Weise, eine der Aufgaben auszuwählen Schluss: Die Komplexität im PC lässt sich nicht verringern Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-8

9 Information Appliance Konzept Charakteristika (Eric Bergman, Information Appliances and Beyond) Eingeschränkter Zweck und Funktionalität Nicht unbedingt erweiterbar, kein neuer Zweck Wird erwartungsgemäß in wenigen Jahren ersetzt (nicht generell 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO Simple to use 3-9 Device Functionality Functionality threshold Difficult to use

10 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-10

11 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, d.h. Ziel/Aufgabe steht im Vordergrund 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) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-11

12 Appliance Konzept Ausdruck und Funktion Quelle: Hallnäs, Redström: Abstract Information Appliances Appliance: Gerät & Computer Kann gesehen werden unter 2 Aspekten Ausdruck (expression) Funktion (function) Sichtweisen derselben Appliance Physikalische Gestalt, Information,... Ausdruck Funktion Möglichkeiten, Tätigkeiten, Dienste... Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-12

13 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? Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-13

14 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-14

15 Geräte Klassifikation anhand des Aufbaus 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 Erfolgsrezept für Commodity Produkte, z.b. Apple ipod Siehe auch: NOBEOKA Kentaro: Competitiveness of Japanese Companies in Products with Modular Architecture: Limitation of Chinese Digital Appliance Manufacturers with Capabilities to Assemble ( Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-15

16 Unterhaltung: Radio/Musik Charakteristik: z.b. Radio Ubiquitär, fast überall Radioempfang Zu jeder Zeit Aber Broadcast Portabler MP3 Player = persönliches Radio (Ausdruck) Klein und leicht, immer dabei, in allen Situationen, zu allen Zeiten Arbeiten, Freizeit, Sport, Schlafen Riesige Auswahl... niemals langweilig, langer Gebrauch Erweiterung mit Sensoren, z.b. Nike+ Schuhe + Apple ipod Zt. Video-Funktion = persönliches TV Quelle: Apple.com Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-16

17 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 und synchronisieren Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-17

18 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 Assisten Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-18

19 Geräte Erweiterte Alltagsgegenstände Erweiterung eines existierenden Gegenstandes eingebetteter Prozessor, Speicher, Sensorik und Netzwerkverbindung Benutzerschnittstelle bleibt gleich oder ist wenig verändert Fähigkeit, digitale Information aufzunehmen und zu verarbeiten: sind in der Lage, die Umgebung zu interpretieren (Kontext) nicht (notwendigerweise) intelligent im KI-Sinne Fähigkeit, Information mit anderen Geräten auszutauschen nicht notwendigerweise online, aber zumindest gelegentliche Verbindung (Synchronisation) offene eingebettete Systeme Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-19

20 Geräte Erweiterte 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, z.b. Meetingerkennung mittels mehreren bewegten, gefüllten Tassen in einem Raum Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-20 Kommunikation Rechner

21 Beispiel: Digitale Artefakte als Erweiterung bestehender Funktion Digital Ink, CMU Interactive Design Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-21

22 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 Beispiel opt. Maus: Kamera und Rechner für relative Positionsberechnung, Ausdruck: Zeigegerät Quelle: Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-22

23 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen ParcTab: erste Ubicomp Geräte und Umgebungen Reaktive Umgebungen Appliances Hardware für Appliances Wearables Communication Context HCI Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-23

24 Hardware Allgemein

25 Gerätetechnik Mehr in Vorlesung T. Ungerer, Univ. Augsburg Techniken des Ubiquitous Computing Wintersemester 2007/08 C.Decker Sensor Network Hardware Gastvorlesung in Drahtlose Sensor-Aktor-Netze Wintersemester 2007/08 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-25

26 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 Unterschiede im Energieverbrauch Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-26

27 Geräte Klassifizierung anhand Energiezufuhr Mobile Geräte mit direkter Benutzerschnittstelle und Aufladung durch Benutzer PDA, Mobiltelefone, mobile Spielekonsolen, Digitale Kamera, TabletPC, Stationäre Geräte mit dauerhafter Stromversorgung Spielekonsolen, digitale Haushaltsgeräte,digitale Consumergeräte (DVD) Parasitäre Geräte SmartCards, RFID Tags Mobile, eingebettete Geräte (eingebettete) Sensorknoten ohne Aufladung durch Nutzer Unterschiede bedingt durch verfügbare Energie Spezialisierung, Integration, Anzahl interner Komponenten Wichtiger Einfluss auf Energieverbrauch: verwendete Komponenten, Prozessortyp, Taktfrequenz, Busse!, Kommunikation Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-27

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-ROM, Oftmals: A/D, I/O, WDT,... Microcontroller Spezialprozessoren GSM, DSP, Gerätespezifisch (Waschmaschine etc.) Teilweise auch auf eingebetteten Prozessoren basierend Allgemeine Typen von Neumann häufig bei multi-purpose Prozessoren Harvard häufig bei eingebetteten Prozessoren Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-28

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. CPU Data Program Counter Addr. CPU Data Addr. Program Counter Instructions Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-29

30 Hardware Bsp. PDA Design Newton MessagePad Externe Daten/ Adressenbusse ARM 610 ROM SRAM Auf direkte und graphische Benutzerschnittstelle optimiert kompakter, aber ähnlich PC / Workstation Aufbau Stromverbrauch stark von Benutzerschnittstelle und Nutzerverhalten abhängig PCMCIA Infrared Runt ASIC LCD Serial I/O ADC Tablet Seri Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-30

31 Software Betriebssystem Windows CE / Handheld Windows Eigenschaften Für persönliche Multimediageräte mit Windows Logik Viele Plattformen: AMD X5, MIPS R4101, ARM 720T, Motorola MPC823, ARM SA-1100, NEC VR4111, Hitachi SH3 und SH4, NEC VR4300, PPC 403GC, PPC 821, MIPS 4102, QED 5230, MIPS R3910 und R3912, x86 pre-emptive Multithreading, Semaphore, priorisierte Interrupts... 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-31

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, erlaubt bis 10 MIPS, 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-32 Quelle:

33 Hardware Populäre Prozessortypen Multi-Purpose 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 gleichzeitig 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, WLAN Router) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-33

34 Hardware Sensorknoten

35 Sensorknoten Anforderungen für Ubicomp Größe / Formfaktor Durch Einbettungsobjekt und Anwendung bestimmt Mobile Alltagsgegenstände: Sehr klein, Millimeter bis Zentimeter Größere statische Objekte: entsprechend angepasst Ausdruck nicht ändern Computing Power Sensorverarbeitung, Kontextverarbeitung Regelbasiert, statistisch, einfache Signalverarbeitung Komplexe Signalverarbeitung: DSP (selten) Schnittstellen Implizite: Sensorik (Licht, Temp. Bewegung,...), Hintergrundaktuatorik (z.b. Sound, einfache Leuchtanzeigen) Kommunikation Bidirektionale RF Kommunikation Oft keine zentrale Datensenke, Komm. zw. Appliances im Vordergrund Topologie: unbekannt, hochdynamisch Broadcast, Single-Hop Energieverbrauch / Lebenszeit Batteriebetrieben Ultimativ: Batterielaufzeit = Lebenszeit des Objektes Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-35

36 Hardware eingebettete drahtlose 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-36

37 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-37

38 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) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-38

39 Hardware Kombi-Prozessoren Chipcon CC1010 Chipcon CC1010: MCU + Radio frontend (SoC) 8bit MCU (8051 kompatible) 32 kb Flash, Byte SRAM, Harvard-Architektur 3 channel 10 bit ADC, timers, UARTs, RTC, Watchdog, SPI, Hardware DES encryption Integriertes Radio front end Einstellbare Frequenz Mhz, FSK Bandbreite: 76.8 kbit/s Medienzugriff: CSMA Zugriff auf RSSI (Näheinformation) Stromverbrauch MCU: 14.8 ma (@3.3V) Radio: ma (RX) ma (TX) Quelle: CC1010DK User Manual Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-39

40 Add-ons MICA Motes Core Aufbau Übertragung Funk / Laser Verschiedene Sensorik Eingebetteter Microcontroller +Externer SRAM +A/D Wandler Quelle: U.of California, Berkely Core2 Charakteristik Alle Busse Modul- intern, einige im embedded Microprocessor Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-40

41 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) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-41

42 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-42

43 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-43

44 upart Router Transport der Daten der upart Optional weitere (komplexe) Sensorik always on Betrieb Aufbau Konfigboard: Routenkonfig Router: Chipcon CC1010 MCU+RF, CSMA/CD Quasi-statisches Routing Route ID + Router ID Pakete bewegen sich entlang einer Route ID und aufeinanderfolgender Router IDs Router nimmt Pakete vom nächsten und übernächsten Router an (Filter) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-44

45 System Architektur Flache Architektur: Alle Komponenten sind Particle Computer Particle DB upart Router upart Router... Bridge Particle Analyzer upart upart upart UDP Network Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-45

46 Sensorknoten Busse

47 Serielle Leitungen Bekannt: RS232 Voltpegel -15V bis +15V Oder 0-5V TTL Level 2 Leitung: Senden+Empfangen (TxD, RxD), plus manchmal 2 Handshake-Leitungen zum Nachschauen, ob Sender/ Empfänger bereit Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-47

48 RS 232 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-48

49 I2C Sehr einfacher Bus, von vielen Peripherie-Chips unterstützt (Sensoren, Speicher, Aktuatoren) Z.B. auf ihrem Motherboard für Temperaturmessung, Batteriesteuerung 2 Leitungen + GND: SDA (Datenleitung), SCL (Clockleitung) an denen alle Chips angeschlossen sind Leitungen: Open Collector mit Pull-up Widerstand Mindestens ein Master + Slaves, Multi-Master möglich Protokoll einfach und meist direkt als Logik im embedded Prozessor I2C is Patent von Philips/NXP Deshalb auch manchmal 2-wire bus, o.ä. genannt 112 slaves, Adresse oft fest codiert (7bit) im Chip 100kbit/s, 400kbit/s, 1000 kbit/s Synchron (Clock-Leitung) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-49

50 I2C Kommandos Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-50

51 SPI Serial Peripheral Interface, Microwire Ein Master, ein oder mehrere Slaves Standardfall: Ein Master 3 Leitungen+GND+Chip Select (CS): Serial Data In (SDI) Serial Data Out (SDO) Serial Data Clock (SCKL) Mehrere Betriebsmodi mgl. Hohe Geschwindigkeit bis mehrere MBit/s Synchron, duplex Verwendung Z.B. SD-Karten Memory-Chips (Flash, SRAM) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-51

52 Vergleich Busse I2C negativ: I2C im Betrieb empfindlich gegen Störungen (manuelle Pull-up Widerstandabstimmung notwendig, abhängig von Leitungslänge). Langsam. I2C positiv: viele Devices, einfacher Aufbau, ack data SPI negativ: SPI kompliziert in der Konstruktion durch die Modi SPI benötigt CS Leitung von Master zu Slave. Chaining der CS Leitung möglich, Konstruktion aber kompliziert Dadurch meist 1Master-1Slave SPI positiv: Schnell, fehlerunanfällig im Betrieb, Duplex Seriell negativ: Kein Bus, nur 1:1. Langsam. Asynchron=Störanfällig (keine Clock-Leitung) Seriell positiv: Einfach, Kein Master, Handshake, Duplex Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-52

53 Software Grob 2 Klassen Anwendungen Betriebssystem / Bibliotheken 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-53

54 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, Symbian OS Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-54

55 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 / Compiler überlassen kabellose Kommunikation, seriell, keine Disk etc! VIELE verschiedene Sensoren, viele Treiber wenig direkte Kein oder minimales Bootloading Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-55

56 Von der Anwendung zum Programm twicklungsplattform Anwendung Compiler Zielplattform Code Betriebssystem 3 Optionen Klassisch: Anwendung und Betriebssystem getrennt WinCE, Palm,... Anwendung Compiler Anwendung Compiler Linker Pseudo Code Interpreter Code Betriebssystem Betriebssystem Betriebssystem Miniatur Embedded Systeme: Anwendung und Betriebssystem in Entwicklungszeit starr gelinkt Java, Basic: Anwendung als interpretierter Pseudo-Code Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-56

57 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) Vor allem für ad-hoc Sensornetzwerke Komponente: Bsp: Deklarationsdatei zus. mit C-Code: TOS_MODULE name; ACCEPTS{ command_signatures }; HANDLES{event_signatures}; API / commands /handler Component Thread Events fired Status USES{ command_signatures}; SIGNALS{event_signatures}; Commands used Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-57

58 Software Betriebssystem Tiny OS Deferred Procedure Calls Deferred Procedure Call (DPC) Kommandos (Commands) rufen Funktionen auf Aufruf wird abgefangen, umgesetzt in neuen Task in FIFO abgelegt Wenn Task (ehem. Command) fertig, dann Event auslösen ursprüngl. Komponente läuft weiter Prinzipiell jeder kann jeden aufrufen Komponenten müssen reentrant sein Vorteil: Entkopplung der Komponenten bleibt erhalten Nachteil: Ausführung schwer nachvollziehbar, zu jedem Command muss auch Event zugeordnet sein (andernf. Starvation) API / commands /handler Component Thread Commands used Component Weitere Komponenten... Component Thread Thread Events fired Status Event: fertig Status Status Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-58

59 Software: Betriebssystem TinyOS - Design Scheduler Mote Task egende: Kommandos Ereignisse Hardware Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-59

60 Software TinyOS Beispielanwendung Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-60

61 Übersicht Vorlesung Ubicomp Geräte und Umgebungen ParcTab: erste Ubicomp Geräte und Umgebungen Reaktive Umgebungen Appliances Hardware für Appliances Wearables Kommunikation Kontext HCI Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-61

62 Appliance Beispiel Appliance Diskussion Einfach Vielseitig Vergnüglich Hardware Typ Gerät Prozessortyp Problem Vergnüglichkeit? Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-62

63 Appliance Beispiel Appliance Diskussion Einfach (mit Einschr.) Vielseitig (zweckgeb.) Vergnüglich (teilw.) Hardware Stationäre Geräte mit dauerhafter Stromversorgung PC-ähnliche Hardware, von-neumann Architek. Erhöhung Vergnüglichkeit? Durch höhere Sicherheit Problem Kopieren von Karte, Geheimnummer Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-63

64 Hardware Energie

65 Energieversorgung Batterietechnologie langsamer Fortschritt (nur 20% mehr Kapazität in 10 Jahren) Hoffnungsträger: Brennstoffzellen, geringere Strukturgrößen, also weniger Verbrauch Aber Prozessorentwicklung: mehr Transistoren = mehr parasitäre Kapazität Energieverbrauch Desktop-Rechner ~10²W Laptop ~10W Single-Board Comp. ~1W Low-power Microcontr. ~10 - ³W Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-65

66 Energie: Größenordnungen Quantity Energy (10^) [J] 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-66

67 Energiesparpotential Technologie-Ebene Kapazitäten minimieren, minimale Chipfläche, möglichst wenig externe Verbindungen Kleinere Spannung, Strom (schmalere Leiterbahnen), Frequenz Hardwarearchitektur hohe Verlustleistung in Bussen, Treibern, Multiplexern Lokalisierung von Operationen, Abschalten von I/O einsparen durch 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-67

68 Energie: Energiesparen Beispiel Infrarot-Lokationssystem Dienstnehmer sendet Anfragesignal Bake antwortet mit Ortsinformation Energiesparendes Protokoll: Minimierung von Sende- und Empfangszeiten autonome Energieversorgung der Baken (Solarzellen und Kondensatoren) Objekt O i p req req req Bake B j T>p Solarzelle IR Diode Kondensator (Puffer) loc j O sendet O hört B hört B sendet t Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-68

69 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-69

70 Energieversorgung MEMS Power generator through vibration Bewegungsenergie Thermodyn. Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-70

71 Energie: Batterien Energie und Leistung (in Einheiten) kg m Energie: J = 2 sec² = V A sec (U. I. t) = Wsec J kg m Leistung: W= = 2 = V A (U. I) sec sec 3 Quelle AA Batterie Knopfzelle Camcorder Akku 1 Liter Benzin Energie = 3Wh =10800 J 2000 J 10 5 J 10 7 J Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-71

72 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-72

73 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-73

74 Energie Lösung: Mensch als Energiequelle nutzbare Leistung zu maximal nutzbare Leistung (in Klammern) Quelle: Morton 1952 Quelle: T. Starner Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-74

75 Energie: Technologie Technologie Piezoelektische Energiegewinnung im Schuh Beispielrechnung (Träger 52 kg schwer, T. Starner) im Schnitt: Leistung bei Tastaturanschlag (T. Starner) im Schnitt Effizienz bei Piezotechnologie: 11% => ca. 2 mw Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-75

76 Energieversorgung Unauffällige Energiegewinnung Der Mensch als Energiequelle Kraftwerk im Schuh Joe Paradiso Erzeugt 0.25 W durchschntt. Leistung Aber sehr auffällig und nicht robust Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-76

77 Quelle: Paradiso et al., MIT Energieversorgung Unauffällige Energiegewinnung mw peak powers 1-2 mw average Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-77

78 Energieproduktion ist ein Kontext: Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-78

79 Energy Harvesting nach Prinzip elle: Paradiso, Starner Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-79

80 Hardware Konstruktion und Kosten

81 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-81

82 Beispiele Eingebetteter Systeme Interessant für Sensorknoten Signal processing Mission critical Distributed Small Computing speed 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 $20M - $100M $10M - $50M $1M - $10M $100K - $1M Cost Sensitivity $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 ~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/subways Air conditioning Automotive auxilliaries Consumer electronics Smart I/O Ubiquitous Koo96 Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-82

83 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-Prozessoren 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-83

84 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) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-84

85 Kosten und Preis Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-85

86 Kostenrechnung Revenues ($) Market rise On-time Delayed Peak revenue Peak revenue from delayed entry Market fall Vereinfachte Gewinnrechnung Produktlebensdauer = 2W, Hochpunkt bei W (= Zeit, in der das Produkt eine signifikante Marktdurchdringung hat) Time of market Eintritt als Dreieck, repräsentiert Absatz Dreiecksfläche = Ertrag D W On-time Delayed entry entry Quelle:Vahid,Givargis Time 2W Verlust Differenz zwischen den Ertragsflächen zweier Einführungszeitpunkte Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-86

87 Kostenrechnung Revenues ($) On-time Market rise Delayed D W On-time Delayed entry entry Quelle:Vahid,Givargis 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% Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-87

88 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-88

89 NRE and 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 total cost (x1000) $200,000 $160,000 $120,000 $80,000 A B C per 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 Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-89

90 HW Entwurfsentscheidung Apple Newton Runt ASIC + sehr effizient, energiesparend, preiswerte Herstellung - hohe Entwicklungskosten (NRE!!!) Aufgabe: steuert gesamte Peripherie, Power States und Clock, DMA, real-time clock, video interface, audio, PCMCIA, IR Plattform effizient + preiswert! ARM610 Embedded Processor + sehr niedrige Entwicklungskosten, hohe Flexibilität, schnelle Entwicklung - Stückkosten hoch im Vgl. ASIC speed, low power consumption customizable design, MMU support vielseitige Appliances möglich! SRAM teurer, aber vereinfachtes Design kein Refresh und niedriger Idle-Strom NRE niedriger ARM 610 ROM SRAM PCMCIA Infrared Runt ASIC LCD Serial I/O ADC Tablet Ser Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-90

91 Warum haben wir kein Apple Newton? Unlike the Mac, communication takes more than a single product. Likewise, a single product will not make a new market. Infrastructure and services will. As more of these products and services come online, Newton might take off in real volume. (Quelle: Computer Industry Report, Dec 31, 1993) Ubiquitous Computing WS 07/08 Christian Decker, TecO 3-91