Middleware für mobile spontan vernetzte Sensornetzwerke

Transkript

1 für mobile spontan vernetzte Sensornetzwerke Jan Blumenthal, Dirk Timmermann Universität Rostock DFG-SPP 1140 Jahreskolloquium: Basissoftware für selbstorganisierende Infrastrukturen für vernetzte mobile Systeme , Rostock

2 Projektübersicht dministrierung & Konfiguration dministrierung Boot, Logging Sensornetzwerk-nwendung Verteilte Kooperative Verfahren, Dienste Knoten Knoten B Knoten C ngepasste Knoten-Software Unterschiedliche Knoten- Ziel: Lokationsabhängige Dienste durch kooperative und dynamische Verfahren 2

3 dministrierung & Konfiguration Sensornetzwerk-nwendung Verteilte Knoten Knoten B Knoten C

4 Sensorknotensoftware BIOS für einfache Sensorknoten Übernimmt aufgaben Senden und Empfangen von Nachrichten Forwarding Nachrichtenüberprüfung (CRC) Einfaches und flexibles Übertragungsprotokoll unterstützt Serialisierung/Deserialisierung von Daten ktualisierung der durch Over-the-ir-Flashing (OT) 0x0000 Flash RM OT 0x000 0x7FF 0x7FFF OT Softwarestruktur Chipcon Speicherarchitektur 4

5 Mobile Dienste dministrierung & Konfiguration Sensornetzwerk-nwendung Verteilte Knoten Knoten B Knoten C

6 Verteilte : Mobile Dienste (a) Mehrere Knoten arbeiten zusammen an einer nfrage (b) Dienste bewegen sich mit dem zu beobachtenden Objekt a) b) I I B X B C X II GeoCast Zone Bewegung ntwort Überwachung eines mobilen Objekts in Sensornetzwerken Dienste sind mobil und arbeiten verteilt Entkopplung der Dienstanfrage von durch mobilen Code möglich 6

7 Verteilte : Mobiler Code Erweiterung der OT- um mobile Dienstabfragen Vorteile mobiler Codes: Verhalten wie normale Dienste ultrakompakte Dienstbeschreibung und abarbeitung durch μc-code einfach und schnell rebootsicher durch Flashen Forwarding von Daten und Code an benachbarte Knoten npassung der Speicherarchitektur: Verteilte 0x0000 Flash RM Dienst OT 0x000 0x7FF Dienst 0x7FFF OT Softwarestruktur Chipcon Speicherarchitektur 7

8 Verteilte : Mobiler Code II Sensornetzwerke mit heterogenen Dienstabfragen Gruppenüberschneidungen bedingen relozierende Dienste Dienst B Beispiel: Dienst : Luftfeuchtigkeit >50% Dienst B: Temperatur >20 C Dienst Flash RM Dienst Flash RM Dienst B Dienst Flash RM Dienst B Dienst OT Dienst B OT Dienst B OT Dienst OT OT OT 8

9 Kooperative Verfahren dministrierung & Konfiguration Sensornetzwerk-nwendung Verteilte Knoten Knoten B Knoten C

10 Weighted Centroid Localization (WCL) nsatz: - Gemessene Distanzen in die Positionsbestimmung miteinbeziehen - Definieren von Gewichtsfunktionen w ij () B 4 d i4 d i3 B 3 Coarse Grained Localization (CGLCD) n 1 Pi'( x, y) = Bj( x, y) n j = 1 Pi ( x, y) d i1 Pi ''( x, y) d i2 Pi '( x, y) P i ''( x, y) = b ( w (, )) ij Bj x y j= 1 b j= 1 w ij WCL B1 B2 = Beacon (Position bekannt) w ij = Gewicht zwischen B j und Node i b = nzahl der Beacons B j (x,y) = Position des Beacons j 10

11 WCL: Gewichtsfunktion Definition: B 4 B 3 Gewicht ist abhängig von gemessener Distanz zwischen Beacon und Sensorknoten d i4 d i3 Gleichung: w ij = 1 ( d ) ij g Pi ( x, y) d i1 Pi ''( x, y) d i2 Pi '( x, y) Effekt: P wird zu Beacon mit kürzester Distanz gezogen! B1 B2 = Beacon (Position bekannt) d ij = Distanz zwischen Beacon j und Node i w ij = Gewicht der Distanz d ij g = Grad der Gewichtsfunktion 11

12 WCL: Optimaler Grad Gewicht w ij () ist abhängig von Distanz d und Grad g - d wird gemessen - g muss bestimmt werden w ij 1 = Grad ( d ) ij Positionierungsfehler ist minimal, wenn Grad g 3. g Positionierungsfehler Localization Error [%] [%] g=3 nzahl der Knoten Number of Nodes: Degree g Grad g 12

13 WCL: Robustheit WCL ist relativ robust gegenüber bweichungen der Eingangswerte(z.B. RSSI): Gemessen d bweichung f i (WCL) f i (LLS) B j d e =10 P i % 1% 25% 6% 3% 50% 7% 7% 35 Grobkörnige Positionierung mit Weighted Centroid Localization (WCL) x = Durchschnittlicher Fehler (WCL) = Standardabweichung (WCL) 40 Mean Error (WCL) Standard Deviation (WCL) Multilateration mit Methode der kleinsten Quadrate (LLS) Mean Error (LLS) x = Durchschnittlicher Fehler (LLS) Standard Deviation (LLS) = Standardabweichung (LLS) Positionierungsfehler x x x x x x x x x x Max. bweichung von exakter Distanz x Positionierungsfehler x x x x x x x x x x x D i i f di d Max. bweichung von exakter Distanz 13

14 nwendung dministrierung & Konfiguration Sensornetzwerk-nwendung Verteilte Knoten Knoten B Knoten C

15 Prototypisches Sensornetzwerk Sensornetzwerke in der Laborautomation Sensorknoten entlang der physikalisch/chemischen Prozesse nwendung Prozessüberwachung Gesundheitsdiagnose a) b) c) d) Prozess Prozess Prozess Prozess I/O I/O Mikro- I/O Mikrocontroller I/O controller I/O Mikro- I/O Mikrocontroller I/O controller Sensor- Netzwerk Seriell Seriell Feldbus LIMS LIMS LIMS LIMS 15

16 dministration dministrierung & Konfiguration Sensornetzwerk-nwendung Verteilte Knoten Knoten B Knoten C

17 EnviSense Leistungsstarke grafische Benutzeroberfläche für große drahtlose Sensornetzwerke Plattformunabhängig durch JV & XML Einfache Konfiguration von Sensorknoten (Start, Stop, Download, Reset, Getttribute) Gleichzeitige dministrierung unterschiedlicher Netzwerke Scatterweb Chipcon SeNeTs 17

18 EnviSense: ttribute-konfiguration ttribute der Sensorknoten Verfügbare Sensornetzwerke usgabefenster Übersichtliche Darstellung, Änderung und bfrage von ttributen 18

19 EnviSense: History ttribute mit History für selektierten Sensorknoten Übersichtliche Darstellung und uswertung von ttributen durch History-Funktion 19

20 EnviSense: uswertungen Exakte Positionen Topologiebaum Exakte und berechnete Positionen : Berechnete Position : Exakte Position 20

21 Kooperationen innerhalb des SPP 1140 Swarms (Kiel/Lübeck) Gruppenbildung Netzwerk als Datenbank COCOS (Uni Cottbus) -Plattformen Kooperative Verfahren 21

22 Veröffentlichungen, 2. Projektphase Veröffentlichungen Gesamt International National Buchkapitel Journal Nachwuchspreis M/V 2004 an Diplomand F. Reichenbach für seine Diplomarbeit Positionsbestimmung in drahtlosen d-hoc Sensornetzwerken 22

23 Zusammenfassung Forschungsgebiet OT-Flasher Mobile Code Weighted Centroid Localization Sektorbildung Gruppenmittelpunkt Prototypisches Sensornetzwerk EnviSense Status bgeschlossen Work in Progress bgeschlossen bgeschlossen Work in Progress Kurz vor Installation im Fluss 23

24 Vielen Dank!

25 Publikationen I Ralf Salomon, Jan Blumenthal: Coarse-Grained Localization: Extended nalyses and Optimal Beacon Distribution Proceedings of the 10th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factoryutomation (ETF 2005), Catania, Italien, September 2005 Jan Blumenthal, Frank Reichenbach, Frank Golatowski, Dirk Timmermann: Controlling Wireless Sensor Networks using SeNeTs and EnviSense, 3rd IEEE International Conference on Industrial Informatics, INDIN 05, ISBN: , Perth, ustralien, ugust 2005 Jan Blumenthal, Frank Golatowski, Marc Haase, Matthias Handy: Software Development for Large-Scale Wireless Sensor Networks, Embedded Systems Handbook, Taylor & Francis, CRC Press, ISBN: , South San Francisco, US, ugust 2005 Jan Blumenthal, Frank Reichenbach, Dirk Timmermann: Precise Positioning with a Low Complexity lgorithm in d hoc Wireless Sensor Networks, PIK - Praxis der Informationsverarbeitung und Kommunikation, Vol.28 (2005), Journal-Edition No. 2, S.80-85, ISBN: , Saur Verlag, Deutschland, June 2005 Jan Blumenthal, Frank Reichenbach, Dirk Timmermann: Position Estimation in d hoc Wireless Sensor Networks with Low Complexity, Joint 2nd Workshop on Positioning, Navigation and Communication 2005 (WPNC 05) & 1st Ultra-Wideband Expert Talk 2005 (05), S.41-49, ISBN: , Hannover, Deutschland, March 2005 Jan Blumenthal, Frank Reichenbach, Dirk Timmermann: Leistungsstarkes Softwaresystem zur Steuerung von großen drahtlosen Sensornetzwerken, 4. GI/ITG KuVS Fachgespräch Drahtlose Sensornetze, ETH Zürich, Deutschland, March 2005 Jan Blumenthal, Frank Reichenbach, Dirk Timmermann: Drahtlose Sensornetzwerke in der Laborautomation, S , GIT Labor- Fachzeitschrift, ISSN: , Landau, Deutschland, February 2005 Jan Blumenthal, Frank Golatowski, Marc Haase, Matthias Handy: Software for Wireless Sensor Networks, In: The Industrial Information Technology Handbook, Series: Industrial Electronics Volume: 1, CRC Press, Richard Zurawski, IS Corporation, ISBN: , South San Francisco, US, November 2004 Jan Blumenthal, Frank Reichenbach, Dirk Timmermann: Drahtlose Sensornetzwerke in der Laborautomatisierung, LITUS - Laboratory IT User Service, S , Darmstadt, Deutschland, November 2004 Jan Blumenthal, Matthias Handy, Dirk Timmermann: Software Development using SeNeTs for Wireless Sensor Networks, 2nd International Forum Life Science utomation, S. 55, ISBN: , Rostock, Deutschland, September 2004 Jan Blumenthal: Low-Power Positionierung in Sensornetzwerken, 3rd Summer School 2004, Dagstuhl, Deutschland, September

26 Publikationen II Jan Blumenthal, Matthias Handy, Frank Reichenbach, Dirk Timmermann: SeNeTs - Test- und Steuerungsumgebung für Software in großen drahtlosen Sensornetzen (Slides), 34. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik, S , ISBN: , Ulm, Deutschland, September 2004 Reichenbach, F.; Handy, M.; Timmermann, D. Monitoring the Ocean Environment with Large-rea Wireless Sensor Networks Proceedings of the 8th EUROMICRO Conference on Digital System Design (DSD 2005), ISBN: , Porto, Portugal, September 2005 Timmermann, D.; Salomon, R. Wireless Sensor Systems Constraints and Future Prospect Keynote, 8th Euromicro Conference on Digital System Design, ISBN: , Porto, Portugal, September 2005 Timmermann, D.; Thurow, K.; Vilbrandt, R.; Stoll, R. Body Sensor Networks for Realtime Monitoring of stress reactions. Poster 1st World Conference Medical utomation, Helsinki, Finland, Juli 2005 Reichenbach, F.; Bill, R.; Timmermann, D. Lokalisierungstechniken zur verteilten Berechnung in energielimitierten drahtlosen Sensornetzwerken Münsteraner GI-Tage 2005, S , ISBN: X, Münster, Deutschland, Juni 2005 Reichenbach, F.; Timmermann, D. Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt Seminar: Physikalische Ozeanographie, Leibniz-Institut für Ostseeforschung, Warnemünde, Deutschland, pril 2005 Timmermann, D.; Göde, B.; Stoll, N.; Thurow, K. Sensor network and information processing developments for life science and medical automation Forum Life Science utomation, Charlottesville, März 2005 Timmermann, D. Sensor networks for laboratory automation - Linking processes and processors 2nd International Forum Life Science utomation, S , ISBN: , Rostock, Deutschland, September 2004 Timmermann, D. Sensor networks for laboratory automation Workshop Human Interaction with Life Science utomation, ISBN: X, Rostock, Deutschland, September 2004 Handy, M.; Grassert, F.; Timmermann, D. DCP: New Data Collection Protocol for Bluetooth-Based Sensor Networks, EUROMICRO Symposium on Digital System Design, S , ISBN: , Rennes, Frankreich, ugust