Ergebnisse: Middleware für Sensor-Netzwerke

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1 Ergebnisse: Middleware für Sensor-Netzwerke Jan Blumenthal, Dirk Timmermann Universität Rostock SPP DFG Jahreskolloquium 2003 Frankfurt/Main, 25. November 2003

2 Gliederung Arbeitsbericht Positionsbestimmung Bluetooth-Integration SeNeTs Zusammenfassung 2

3 Positionierungsalgorithmen Positionsbestimmung Grobkörnig, >5% Feinkörnig, <5% X Est = X i1 ( +... X k ik Mittelpunktbildung (Coarse Grained) ) Dreiecksbildung (APIT) i ( x y 2 2 0, y0, di ) = di ( xi x0) ( yi 0) b = ( X T 1 X ) X T Multilateration (Atomar, iterativ, kollaborativ) y : Fehler in der Berechnung der Position : Beacon : Einfacher Knoten 3

4 Positionsbestimmung: Coarse Grained Feste Beacons und geringer Kommunikationsaufwand Einfache & schnelle Berechnung (Mittelpunktsbildung) Überdurchschnittlicher Fehler bei der Positionsberechnung Beispiel: 16 Beacons - = 10% bei stochastischer Verteilung - = 6% bei exaktem Raster Aufgabe: Ermittlung der optimalen Übertragungsreichweite Optimalkriterium ÜRW Opt = f(, #Beacons) Fehler Feld: 100x100 Anwendung Energieminimierung Übertragungs- Reichweite Beacons Optimale Reichweite Anzahl Beacons 4

5 2. Ergebnis: Hybrid Coarse Grained Herkömmliches Verfahren: Keine Robustheit Keine Redundanznutzung Neuer hybrider Ansatz Nutzen höherer Knotendichte Ansatz: Mittelwertbildung durch Multilateration Beispiel: 5x5 Beacons (exaktes Raster) Feld: 100x100 Fehler Fehler Y X Y X Relativer Positionsfehler: 5,7 % Relativer Positionsfehler: 2,5 % 5

6 Verbesserung APIT Anzahl positionsloser Knoten verringern: Ansatz: Weitflächigere Verteilung der Beacons Bestimmung eines optimalen äußeren Bereiches Vorteil: < 2% unbekannte Positionen Nachteil: Steigender Fehler durch größere Dreiecke y Y Unbekannte Anzahl der Unbekannten Positionen [%] [%] Feld: 80x80 (innen) 100x100 (außen) x * : Beacon : Einfacher Knoten X Erhöhung des äußeren Bereiches Feldvergrößerung 6

7 Verbesserung II - APIT Frage: Ergebnis: Beispiel: Optimale Übertragungsreichweite der Beacons Kompromiss: Reichweite Beacons # unbekannte Positionen Positionierungsfehler Gegeben: Anzahl der Beacons 10%, 5% unbekannte Positionen Lösung: Beacon-Reichweite optimal = 35, Rel. =7.5% Unbekannte Anzahl der Unbekannten Positionen [%] [%] % Beacons 10% Beacons 15% Beacons 20% Beacons 25% Beacons 30% Beacons Rel. Positionsfehler [%] Relativer Fehler Feld: 80x80 (innen) 100x100 (außen) 05% Beacons 10% Beacons 15% Beacons 20% Beacons 25% Beacons 30% Beacons Reichweite Übertragungsreichweite Beacons Übertragungsreichweite Beacons Verringerung des Energieaufwands für Kommunikation und Berechnung 7

8 Bluetooth-Stack für Mikrocontroller µbluez Bluetooth-Stack für Mikrocontroller Kein Betriebssystem Eigenes Timersystem Routingfähig HCI, HCI-UART & L2CAP Layer Erweiterbar für beliebige Mikrocontrollersysteme Umsetzungen für PC Mikrocontroller 68HC12 Sparc Leon Speicherbedarf 68HC12: Programm 24 KB 68HC12 Sparc Leon PC Daten 4 KB 8

9 SeNeTs-Steuerungsumgebung Anforderungen bei hoher Knotenanzahl: Download, Steuerung und Update von Anwendungen Debugging und Logging SeNeTs: Evaluieren von Sensor-Netzwerk Anwendungen Simulation & Emulation Linux PC s inkl. µbluez Kommandos per TCP/IP 9

10 Veröffentlichungen Blumenthal, J.; Handy, M.; Golatowski, F.; Haase, M.: Software for Wireless Sensor Networks, The Industrial Information Technology Handbook, CRC Press, März 2004 (akzeptiert) Blumenthal, J.; Handy, M.; Golatowski, F.; Haase, M.; Timmermann, D. Wireless Sensor Networks - New Challenges in Software Engineering, Proceedings of 9 th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), Lissabon, Portugal, September 2003 Golatowski, F.; Blumenthal, J.;Handy, M.;Haase, M.; Burchardt, H.; Timmermann, D. Softwarearchitektur für Sensornetzwerke, 4. IuK-Tage Mecklenburg-Vorpommern, Rostock, Juni 2003 Golatowski, F.; Blumenthal, J.;Handy, M.;Haase, M.; Burchardt, H.; Timmermann, D. Service-Oriented Software Architecture for Sensor Networks, International Workshop on Mobile Computing, IMC 2003, , 93-98, Juni

11 Zusammenfassung Arbeitsbericht Positionsbestimmung 3 neue Optimalitätsbeziehungen für verlängerte Netzlebensdauer 2 verbesserte Verfahren Bluetooth-Stack für Mikrocontroller Referenzinfrastruktur SeNeTs Ausblick Redundante & robuste Positionsbestimmung Mobilitätsermittlung Dienstarchitekturen 11

12 Vielen Dank

13 Literatur Coarse Grained N. Bulusu, et. al.: GPS-less Low Cost Outdoor Localization For Very Small Devices APIT Tian He, et. al.: Range-Free Localization Schemes for Large Scale Sensor Networks, MobiCom

14 Funktionsweise: Coarse Grained Knoten empfängt Nachricht mit Position der Beacons Positionsberechnung durch einfache Mittelpunktsbildung Punkt kann nur in Bereich liegen, der von allen Beacons erreicht wird Vorteil: Keine RSSI Werte Beacon Resultierender Bereich Berechnung: X i X ik Yi 1 ( X Est, YEst ) = ( ),( k +... Y k ik ) 14

15 Funktionsweise: APIT Knoten erhält Position und Signalstärke der Beacons N Bildung von Dreiecken aus Position aller Beacons 3 Point-In-Triangulation (PIT) Test: Austausch der Beacondaten von 4 Nachbarn nötig Vergleich: Abstände von Nachbarn zu Beacons mit eigenen Abständen zu Beacons (Bedingung: 2 kürzer, 1 länger) PIT bestanden, wenn Vergleich in allen 4 Fällen erfolgreich APIT-Aggregation (Dreiecksüberlagerung) Bestimmung des Zentrums der resultierenden Fläche 4 1 M Dreiecksbildung PIT-Test APIT-Aggregation 15

16 X-LEACH Implementierung X-LEACH LEACH: Zentralisierter Clusterhead Routing-Algorithmus Erweiterte Version mit Beachtung des Energielevels Verlängerung der Netzwerk-Lebenszeit um 30% Software-Architektur: Anwendung Middleware Betriebssystem Hardware Middleware Betriebssystem Hardware Middleware Betriebssystem Hardware Basisstation Knoten 1 Knoten (Keil) C166 (Keil) 68HC12 (gcc) 68HC12 (icc) Programm-Speicher Daten-Speicher

17 X-LEACH - Implementierung II Implementierung Verschiedene Auswahlverfahren (LEACH, X-LEACH, LEACH-C) Verschiedene Hardware-Architekturen LEACH Kommunikationsmodul Clusterhead Auswahl Algorithmus Middleware Daten Aggregation LEACH Core Temperatur-Service Betriebssystem Knotenspezifisches OS Netzwerk-Modul Treiber µc Timer Batterie RF Temperatur Hardware Mikrocontroller RF-Modul Temperatur-Sensor 17