flächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt

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1 Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde Seminar: Physikalische Ozeanographie Großfl flächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt, Prof. Dirk Timmermann 5. April 2005 Universität Rostock Fakultät für Informatik und Elektrotechnik Institut für Angewandte Mirkoelektronik und Datentechnik

2 Agenda Drahtlose Sensornetzwerke (DSN) Unterschiede zwischen terrestrischen und ozeanischen Sensornetzwerken Projekte in der Ozeanographie Zusammenfassung Literaturangaben 2

3 Drahtlose Sensornetzwerke 3

4 Definition Verbund von (extrem kleinen) Sensorknoten Drahtlose Kommunikation Platzierung nahe oder in einem Phänomen von Interesse Messung von relevanten physikalischen Parametern Philosophie: Ein einziger Sensor ist nutzlos. Erst das Zusammenwirken von hunderten oder tausenden von Sensoren bringt verwertbare Ergebnisse. 4

5 Komponenten eines Sensorknotens Prozessor (8051) Energie Übertragungseinheit Speicher Zusätzliche Komponenten: Ortungssystem Sensor (Temperatur) Energieerzeugung Aktor "Mobilizer" 5

6 Eigenschaften Zufällig verteilt Selbstorganisierend (Konfiguration, Heilung) Kooperativ Vorverarbeitung von Messdaten evtl. Mobilität 6

7 Design Kriterien Leistungsverbrauch Lebenszeit Fehlertolerant Skalierbar Latenz und Genauigkeit Produktionskosten Hardwarebeschränkungen Umgebung Übertragungsmedium 7

8 Topologie von DSN 1. Ausbringungsphase: Abwerfen vom Flugzeug Manuelles Platzieren (Fabrik, Haus) 2. Einsatzphase: Topologieveränderungen durch Veränderungen der: Position Erreichbarkeit Energieniveau 8

9 Low-Power Neben der Größe ist ein geringer Energieverbrauch die bedeutendste Herausforderung bei der Entwicklung von drahtlosen Sensornetzwerken Batterie-/Akkutyp Energiedichte [J/cm 3 ] Aktivität Energie [mj] Nichtwiederaufladbare Lithium-Ionen 2880 Temperaturmessung 0,001 Wiederaufladbare Lithium-Ionen Nickel-Metall-Hydrid Nickeleisen Brennstoffzelle (Methanol) (1 Messung) Kommunikation (Bluetooth) (64 Bit werden gesendet) Rechenoperation (1000 Operationen) 0,032 0,0018 Der Energievorrat einer 0,05 g LiIon-Polymer-Batterie beträgt 27 J Bei einer Periode von 1 s für alle 3 Aktivitäten ~ 9 Tage Laufzeit! Sol Jacobs, "Battery Power for Remote Wireless Sensors,

10 Low-Power Low-Power-Ansatz Idealfall: Sensorknoten erzeugen sich benötigte Energie selbst Solar (Außen, Mittagszeit) Leistungsdichte 15 mw/cm 2 Vibration (Umgebung mit Vibrationen bei 28 Hz und 0,1 g) Leistungsdichte 0,124 mw/cm 3 Zum Vergleich: Nominale Sendeleistung eines Klasse-2-Bluetooth-Gerätes: 1 mw 10

11 Produktionskosten Kosten / Sensorknoten müssen sehr niedrig sein Stand der Technik Bluetooth 10 $ in großen Stückzahlen 70 $ für Endverbraucher PicoRadio 1 $ (angestrebter Preis) Kosten der Teilkomponenten PicoRadio, Berkeley Wireless Research Center 11

12 Hardware Ember Crossbow BT-Node ScatterWeb Mica Motes EnOcean PicoRadio 12

13 Hardware am Institut MD Chipcon CC1010 Entwicklungs-Kit 8051-kompatibler Mikrocontroller Geringe Leistungsaufnahme (9,1 ma in RX) ISM 868 MHz Hoch sensitive Antenne One-Chip-Lösung (keine externe Komponenten) Signalempfangsstärkemessung möglich (RSSI) Temperatursensor 13

14 Kommunikation RF-Kommunikation meist im ISM-Band (Industry-Science-Medicine) Chipcon Übertragungsmodul 433 MHz, 868 MHz, 2.4 GHz ZigBee, Bluetooth, Wi-Fi 2.4 GHz ZigBee Bluetooth Wi-Fi b GPRS/GSM Systemressourcen 4-32 KB 250 KB+ 1 MB ± 16 MB+ Batterielebenszeit [Tage] 100-1, Knoten pro Netzwerk 255/65, Bandbreite [KBps] , Reichweite [m]

15 Anwendungen - Umwelt Waldbranderkennung / -bekämpfung Überwachung natürlicher oder künstlicher Lebensräume "Präzisions-Landwirtschaft" Hochwasserbekämpfung und -prävention 15

16 Anwendungen - Gesundheitswesen Überwachung von physiologischen Daten Lokalisierung von Personal und Patienten in einem Krankenhaus "Smart Pill" 16

17 Anwendungen - Militär Überwachung der eigenen Truppen, des Materials, der Munition Überwachung von Kampfplätzen Erkundung des Gegners und fremden Terrains "Intelligente Munition" Früherkennung von ABC-Angriffen 17

18 Weitere Anwendungen Das intelligente Haus Supermarkt Materialüberwachungen 18

19 Unterschiede zwischen terrestrischen und ozeanischen Sensornetzwerken 19

20 Unterschiede Platzierung Feinkörnig Grobkörnig Miniaturisierung der Knoten Mobilität (Verankerung) Energie Übertragungsmodule Entfernungen Speicher Räumliche Beziehung Ähnlichkeit der Sensordaten (Entfernungen) Kosten Sichere Hardware gegen Feuchtigkeit und Druck Teurere akustische Übertragungsmodule Precision farming Hitachi 20

21 Messpunkte Auf der Wasseroberfläche Position: 2-dimensional Dynamik: Hoch Kommunikation: RF Funktion: Messung, globale Weiterleitung Zwischen Wasseroberfläche und Meeresboden Position: 3-dimensional Dynamik: Hoch Kommunikation: Akustisch Funktion: Messung, lokale Weiterleitung Auf dem Meeresboden Position: 2(3)-dimensional Dynamik: Einstellbar Kommunikation: Kabel, Akustisch Funktion: Messung, Ankerpunkt 21

22 Kommunikation Radio nur an Oberfläche geeignet Unter der Wasseroberfläche: Akustik Probleme: khz-bereich (hohe Latenz) Dämpfung Ausbreitungscharakter Rauschen Mehrwegausbreitung Modem zur Kommunikation unter Wasser 22

23 Anwendungen Abtastung des Meeres Beobachtung und Schätzung des Charakters der ozeanischen Umwelt Überwachung der Umwelt Überwachung von Verschmutzung (chemisch, biologisch, etc.), Strömungen und Wind Verbesserte Wettervorhersagen, Detektion von Klimaveränderungen Verständnis und Schätzung von Effekten, verursacht durch Menschen und Marine Disaster Prävention Messung von seismischen Aktivitäten Tsunami-Warnungen Unterstützte Navigation Lokalisierung von Felsen oder Untiefen in seichten Gewässern 23

24 Probleme klassischer Methoden Echtzeit Daten erst nach dem Upload vor Ort verfügbar Periode: bis zu einigen Monaten Keine Interaktion zwischen Kontrollsystemen an Land und im Wasser Adaptivität Umkonfigurierung Gerätefehler, Ausfälle, Konfigurationsfehler spät erkennbar Stark limitierte Datenmenge durch Sensorik aufnehmbar 24

25 Projekte in der Ozeanographie 25

26 Projekte Wide-Area, in-situ, real-time monitoring of drinking water reservoirs Entwicklungsstatus: Im Forschungseinsatz 26

27 Wide-Area, in-situ, real-time monitoring of drinking water reservoirs Firma: SenTech (http://www.sentechbiomed.com/) Prüfung der chemischen Zusammensetzung in feuchten Umgebungen Ziel: Verschmutzungen finden Knoten mit 2 Übertragungsmodulen akustisch, Radio Magnetoelastisches Sensorarray auf jedem Knoten misst ph-werte Xiping Yang, Design of a Wireless Sensor Network for Long-term, In-Situ Monitoring of an Aqueous environment 27

28 Projekte Marine Monitoring Entwicklungsstatus: Im Forschungseinsatz 28

29 Marine Monitoring Auftraggeber: Ume amarine Sciences Centre Ort: Nördliche Ostsee Ziel: Messung von Salzgehalt und Wassertemperatur Wassertiefe: ~20m Dunkels, A., Voigt, T., Alonso, J., Ritter,H., and Schiller, J. Connecting Wireless Sensornets with TCP/IP Networks, In Proceedings of the Second International Conference on Wired/Wireless Internet Communications (WWIC2004) (Frankfurt (Oder), Germany, Feb. 2004) 29

30 Marine Monitoring - Hardware 30

31 Projekte Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs) Entwicklungsstatus: In Planung 31

32 Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs) 2-Dimensional Vertikaler Link Datenabgabe Steuerung Horizontaler Link Kommando-Daten Konfiguration-Daten Sensor-Daten 32

33 Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs) 3-Dimensional Mobilität Abdeckung Phänomen Netzwerk 33

34 Projekte Argo Ein GODAE- (Global Ocean Data Assimilation Experiment) Pilot Projekt Entwicklungsstatus: Seit 2000 im Aufbau 34

35 Argo - Überblick Zielstellung: Erstellung eines globalen Netzwerkes aus Sensoren mit Updates in Echtzeit Monitoring des oberen Ozeans Langzeitliche Untersuchung des Klimas 35

36 Argo - Zyklus frei driftende Knoten Messung: Temperatur, Salingehalt, Strömungsgeschwindigkeit Bis 2000 m Tiefe Updates mit wenigen Stunden Latenz 36

37 Argo - Details Projektstart: 2000 Mitte % abgeschlossen 150 Durchläufe ~4 Jahre Laufzeit 200 Atmosphären Temperaturschwankung 30 C Ziel 2006: Globale Abdeckung 3 3 Beobachtungsart Anzahl von Beobachtungen Maximale Tiefe Geografische Einschränkungen Forschungsschiff % i.a. Linien Winter Fähren und Handelsschiffe m Schiffsrouten Winter Argo (Mai 2004) (2006) 2000 m Eisfrei Profilschwimmer 37

38 Projekte Das LOOKING-Projekt Entwicklungsstatus: Planung und partielle Errichtung 38

39 Das LOOKING-Projekt Institution: Universität Washington, versch. Meeres-Observatorien Ziel: Errichtung einer kombinierten Infrastruktur Land und Ozean Ozean: Monitoring durch Sensornetze Orte: Westküste USA, Kanada, Mexiko Land: Steuerung der Netze und Auswertung der Daten Nutzen: Globale, küstennahe, regionale Beobachtung des Ozeans 39

40 Das LOOKING-Projekt 40

41 Zusammenfassung Drahtlose Sensornetzwerke können die Qualität der Meeresbeobachtung verbessern Vorteile wären: Hohe Auflösung Hohe Genauigkeit Große Flächenabdeckung Long-term Monitoring ECHTZEIT Interkommunikation zwischen Systemen Daten müssen nicht abgeholt werden Allerdings, 41

42 Offene Fragen Drahtlose Sensornetzwerke in der Ostseeforschung besitzen noch Grundlagencharakter Ökologischer Abbau der Knoten Kommunikation unter Wasser (Medienzugriffskontrolle etc.) Neue Protokolle benötigt Verfügbare Sensoren (Größe, Leistungsverbrauch) Erstellung einer Hardwareplattform Ausbringung und Platzierung (Wertemessung möglicherweise einige Meter unter der Meeresoberfläche) Entwicklung einer selbstorganisierenden Software Kosten 42

43 Forschungsschwerpunkte Middleware Lokalisierung Jan Blumenthal Institutsleiter Prof. Dirk Timmermann Marc Haase Sicherheit Routing Matthias Handy Kontakt: 43

44 Literaturangaben A Wireless Sensor Network for Long-term Monitoring of Aquatic Environments: Design and Implementation, Keat G. Ong, Xiping Yang, Niloy Mukherjee, Haidong Wang, Shrawan Surender, and Craig A. Grimes, pp John Orcutt, SENSOR NETWORKS: The Design and Implementation of Aquatic and Marine Sensor Networks Xiping Yang, Design of a Wireless Sensor Network for Long-term, In-Situ Monitoring of an Aqueous environment Conny Davidsen, Ökologisches Monitoring der Ostsee, Geographisches Institut der Universität Kiel Adam Dunkels, Laura Marie Feeney, Björn Grönvall, and Thiemo Voigt, An integrated approach to developing sensor network solutions, In Proceedings of the Second International Workshop on Sensor and Actor Network Protocols and Applications, Boston, Massachusetts, USA, August 2004 Observing the oceans in the 21st century, ISBN: , Bureau of Meteorology,

45 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Gibt es Fragen? 45

46 Sensoren für die Ozeanographie Op operational Av available but not routine Res Under Research Dev Under Development A U.S. Coastal-Global Ocean Observing System (C-GOOS) Report 46

47 Distributed Surveillance Sensor Network (DSSN) 47

48 Distributed Surveillance Sensor Network (DSSN) 48

49 Design of CISNet - ORCA 49

50 Kommunikation Unterwasser Modems 50

51 Das LOOKING-Projekt - Ziele MARS (Monterey Accelerated Research System) Eine Tiefsee-Proof of concept für verkabelte Beobachtungsstationen Leiter: Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI) Start: 2005 VENUS (Victoria Experimental Network Under the Sea) Canada's Equivalent zu MARS, allerdings Beobachtung der Ozean- Oberfläche Start: Ende 2004 Leiter: University of Victoria NEPTUNE (North East Pacific Time-series Undersea Networked Experiments) Erstes elektro-optisch verlinkte, multi Knoten Netzwerk Hohe Anzahl an unterschiedlichsten Sensoren Ort: Nordost-Pacific Leiter: LOOKING (U.S./Canadian) Start: Funktionsbereitschaft

52 Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs) Caribou (Bluefin Robotics Corporation) Integrierte Sensoren: Doppler Velocity Logs Acoustic Doppler Current Profilers Conductivity and Temperature Fluorometer Li-Cor PAR sensor Inertial Navigation Systems Attitude Heading Reference Marine Global Positioning Systems Depth Gauges 52

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