Laborationer med trådlösa sensornät

Examensarbete inom Data- och telekommunikationsteknik (15hp)

Högskoleingenjörsprogram i Data- och telekommunikationsteknik (180hp) VT 2009

Examinator: Bengt J. Nilsson

Laborationer med trådlösa sensornät

- Crossbow technology

Practical exercises with wireless

sensornetwork

Cecilia Degirmenci & Hamed Alsakban

VT 2009

Abstract

Wireless sensor networks, WSN, is a rapidly growing field of technology with many

applications. A typical WSN consists of many small, inexpensive and energy-saving devices, called sensor nodes. These nodes measure an environmental parameter and the radio sends a data packet with the measured value to a base station, which is often connected to a PC. The information can then be analyzed and presented graphically to the user. A sensor network's size can vary from a few nodes in a small area to a network with thousands of nodes that covers several square kilometers of area.

A section on wireless sensor networks is part of the course in Computer and

telecommunication technologies II, DA122T, at Malmö University. This thesis reports on the development of study material for the practical laboratory motes on sensor networks for the course.

The equipment used in the practical experiments is a package containing six sensor nodes, a base station and the necessary software. The manufacturers are Crossbow Technology, the world's leading company of WSN products.

The results of the work are two practical exercises, a description of the equipment used in practical experiments and a report – Introduction to WSN. These guides and other materials are written in Swedish.

The first lab in which to build a simple WSN, gives students an understanding of the principle of wireless sensor networks and how the hardware and software interacts with each other. In the second exercise, students will learn to program the sensor nodes to study the

communication between the nodes and the base station and to explore the different network topologies.

Sammanfattning

Trådlösa sensornät (eng. Wireless Sensor Networks, WSN) är ett snabbt växande teknikområde med många applikationer. Ett typiskt WSN består av en mängd små billiga och energisnåla enheter, så kallade sensornoder, som mäter någon miljöparameter och via radio skickar ett datapaket med uppmätt värde till en basstation som ofta är kopplad till en PC. Informationen kan därefter analyseras eller redovisas grafiskt för användaren. Sensornätverkets storlek kan variera från några få noder på en liten yta till nätverk med tusentals noder som täcker flera kvadratkilometer stora områden.

Ett avsnitt om trådlösa sensornät ingår i kursen Data- och telekommunikationsteknik II, DA122T, vid Malmö högskola. Denna rapport presenterar ett examensarbete med att utveckla laborationer och studiematerial om sensornät till kursen.

Utrustningen som används i laborationerna är ett paket innehållande sex sensornoder, en basstation och nödvändig programvara. Tillverkare är Crossbow Technology, världens ledande företag inom WSN.

Resultatet av arbetet är två laborationshandledningar, beskrivning av utrustning som används i laborationerna samt en rapport – Introduktion till WSN. Handledningarna och det övriga materialet är skrivna på svenska.

Den första laborationen, i vilken man bygger ett enkelt WSN, ger studenten förståelse för principen hos trådlösa sensornät och för hur hårdvaran och programvaran samverkar med varandra. I den andra laborationen lär sig studenten programmera sensornoder för att sedan studera kommunikationen mellan noderna och basstationen samt undersöka olika nätverkstopologier.

Innehållsförteckning

ABSTRACT ... 1

SAMMANFATTNING ... 2

1. BAKGRUND... 4

2. SYFTE OCH MÅLSÄTTNING ... 5

3. PROBLEMFORMULERING OCH AVGRÄNSNINGAR ... 5

4. BESKRIVNING AV ARBETETS GENOMFÖRANDE ... 6

5. EXAMENSARBETETS UPPBYGGNAD ... 6

5.1REDOGÖRELSE AV EXAMENSARBETET ... 6

5.2INTRODUKTION TILL TRÅDLÖSA SENSORNÄTVERK ... 7

5.3LABORATIONSUTRUSTNING ... 7

5.4LABORATIONER ... 7

6. SLUTSATS ... 8

1. Bakgrund

Som studenter i TELMahs Högskoleingenjörsprogram i Data- och telekommunikationsteknik har detta examensarbete fördjupats i den senaste tekniken inom trådlösa sensornätverk och sensornoder från Crossbow Technology. Laborationer utformades för kursen Data- & telekommunikationsteknik, 31-60 hp (DA122T), inom trådlösa sensornätverk och sensornoder.

Laborationerna inom de trådlösa sensornätverken består av två moment, där första steget går ut på att bekanta sig med systemet och den andra delen är att förstå hur sensornätverk och nodanalys fungerar. Dessa laborationer ska utföras med hjälp av en uppsättning av sensornoder och en basstation (se figur 1) utvecklat av företaget Crossbow Technology. Paketet består av sex stycken sensornoder, en basstation och mjukvara (MoteWorks) som tar emot information från noderna och sedan presenterar värdena både numeriskt och grafiskt.

Detta examensarbete ska ge en större inblick i trådlösa sensornätverk och sensornoders funktion.

2. Syfte och målsättning

Syftet och målet med vårt examensarbete är att

 lära sig och få en bättre förståelse i hur trådlösa nätverk och sensornoder fungerar med hjälp av tekniken från Crossbow technology.

 utveckla laborationer för kursen Data- & telekommunikationsteknik, 31-60 hp. (DA122T)

3. Problemformulering och avgränsningar

För att förstå bakgrunden till tekniken och teorin bakom har genomförandet av arbetet utgått från bland annat följande frågeställningar:

- Hur upprättas kommunikationen vid lång räckvidd från nod-nod och nod-basstation? - Hur behandlas informationen som samlas in från sensornoderna?

- Vilka frekvensområden används för sensornätverk? - Vad är det för typ av radiomottagare?

- Vilka protokoll används?

- Vad är topologier och vilka olika typer finns det? - Vilka typer av topologier använder denna teknik? - Hur är noden och basstationen uppbyggda? - Vilka programvaror används?

- Vilka funktioner medföljer programvaran? - Hur programmeras enheterna?

- Hur underhålls sensornoderna när de är utplacerade?

4. Beskrivning av arbetets genomförande

Första steget i arbetet var att studera och bekanta sig med Crossbowtekniken. Det enda

material och hjälpmedel vi hade att gå efter var paketets olika manualer som medföljde. Innan de kunde sättas upp krävdes det att programmera sensornoderna med den medföljande

mjukvaran. Därefter genomfördes olika experiment för att få en bättre förståelse för tekniken och trådlösa sensornätverk, såsom att utföra mätningar inomhus, utomhus och sedan jämföra värdena som erhölls. Vi placerade även ut sensornoderna på olika platser för att förstå hur kommunikationen mellan sensornoderna upprätthålls. Basstationen fanns i laborationssalen kopplad till en stationär dator och styrningen av den datorn skedde via fjärrstyrning från en bärbardator för att få en bättre översikt i hur sensornoderna kopplade upp sig gentemot basstationen när platserna på sensornoderna ändrades.

Diskussioner om examensarbetets upplägg bollades fram och tillbaka med handledaren. Att använda samma metod som enligt tidigare examensarbeten (Laborationer i

datorkommunikation med cnet, Filip Kruzela – 2005 och Bluetooth, Essam Agha – 2007) var

lämpligast att använda för att skriva laborationer anpassade för Crossbowtekniken inför detta examensarbete.

5. Examensarbetets uppbyggnad

Uppbyggnaden av detta examensarbete är indelat i fyra dokument för att underlätta läsningen för studenter som ska utföra laborationerna och för övriga läsare. Arbetet består av följande dokument; Redogörelse av examensarbetet, Introduktion till trådlösa sensornät,

Laborationsutrustning och Laborationer med WSN. Nedan följer en kort beskrivning för varje dokument.

5.1 Redogörelse av examensarbetet

Detta dokument, som beskriver arbetets upplägg, bakgrund, syfte och målsättning, metodbeskrivning, studenters utvärdering och slutsatser som dragits.

5.2 Introduktion till trådlösa sensornätverk

Dokumentet för introduktion till trådlösa sensornätverk beskriver grunderna och teorin för hur ett sensornätverk fungerar. Detta för att ge en bättre inblick i vad trådlösa nätverk handlar om och förståelse för laborationerna som skapats i detta examensarbete.

5.3 Laborationsutrustning

I dokumentet för laborationsutrustningen ges en teknisk beskrivning för paketet från Crossbow technology som används i detta examensarbete.

5.4 Laborationer

Laborationerna som studenterna ska arbeta med är uppdelat i två laborationstillfällen. Inför varje laboration finns ett antal korta testfrågor att besvara - detta för att öka förståelsen för vad laborationerna handlar om. Frågorna berör teorin bakom sensornätverk och

laborationsutrusningen som används under laborationerna.

 Laboration 1 – Systemets egenskaper,

Denna laboration ger en förståelse i hur Crossbows Professionella paket startas igång och gör inställningarna för att sedan kunna göra olika typer av mätningar.

 Laboration 2 – Applikation av trådlösa nätverk,

Laborationen ger en inblick i vilka användningsområden tekniken kan tillämpas i. Det går ut på att samla sensorvärden med noderna och sedan redovisa informationen som fås visuellt med histogram och spridningsdiagram. Det är även ett sätt att förstå topologier i realtid.

För att få en bättre överblick av laborationerna handledde vi två studenter från högskoleingenjörsutbildningen termin 5, som tyckte följande:

”Lätt men förståeligt, man får en bra bild utav det hela. Rent pedagogiskt var det jättebra!” - Tokhi, Hosy

”Laborationen var bra! Man fick en hel del att tänka på. Har tänkt på när sensorerna skickar över data till basstationen. Känns som bra laborationer!”

6. Slutsats

De fördelar Crossbowteknik, som inte någon av de befintliga system som redan finns på marknaden idag har är följande:

- Möjligheter att konfigurerar och skräddarsy systemet enligt egna behov. - Övervakning och fjärrstyrning av systemet på en oberoende plats. - Självkonfigurerande och självorganiserande trådlös mesh teknik. - Automatisk detektion vid tillägg av noder.

- Väldigt användarvänligt

- Avläsning av olika miljöparametrar - Stora applikationsområden

Efter undersökningarna som vi gjort av tekniken är att det ett väldigt praktiskt alternativ till att få information om eventuella händelser på en specifik plats eller område i realtid.

Informationen kan sedan användas för att förbättra läget.

Vid utplacering av noder är det väldigt viktigt att ha några parametrar i åtanke för att göra nätverket så optimalt som möjligt. Höjd för nodens placering, påverkan från annan elektronik, byggnader, fri sikt, placeringen för varje nod i området är några få parametrar att tänka på när ett sensornätverk byggs upp. Undersökningarna vi utförde visade sig att nodernas placering på höjden spelar stor roll för deras mottagning. För att underlätta avläsningen av nodernas

placering grafiskt kan en en ritning eller karta laddas upp i programmet.

Paketet som Crossbow Technology utvecklat är väldigt användarvänligt, att sätta upp ett sensornätverk är väldigt lätt och användningsområdena är många.

En fråga som dykt upp under resans gång är:

Vad kan då tekniken tillföra för Malmö högskola, Centrum för teknikstudier (CTS)?

Under årens lopp som studenter på CTS har diskussioner med andra studenter förts vad gäller skolans miljö. Majoriteten av studenterna har klagat på inomhusmiljön; att temperaturen i salar och korridorer på vintrarna ofta är för låg och på somrarna för hög. Det är väldigt viktigt att skolmiljön, för både studenter och lärare, är så bra som möjligt för att alla ska kunna utföra ett bra arbete. Med hjälp av sensornoder kan man lättare reglera temperaturen för den som har befogenhet att ändra den. Det kan även vara ett bra verktyg till att ha uppsikt över diverse

aktiviteter som sker i byggnaden och kan då snabbare upptäcka var eventuella bränder och läckage uppstår.

Användningsområdena för tekniken och hur den kan användas är obegränsade. Att investera i tekniken på företaget eller i hemmet kan effektivisera arbetet eller göra hemmet till en mer säkrare plats.

Möjligtvis en god framtidsinvestering för skolan?

6.1 Framtida examensarbeten

Några förslag på framtida examensarbeten, som fortsättning på detta examensarbete kan vara följande:

- Databashanteringen, utveckling och undersökning om hur hanteringen av nätverket kan underhållas via en server och att kunna få sensorvärden på distans.

- Algoritm-routing i nätverket.

Introduktion till trådlösa

sensornät

Innehållsförteckning

3. STANDARDER FÖR TRÅDLÖSA NÄTVERK ... 14

3.1IEEE802.15.4 STANDARD... 14

3.2ZIGBEE STANDARD ... 14

3.3PROTOKOLLSTACK ... 14

3.3.1 Media Access Control (MAC) lagret ... 15

3.3.2 Fysiska lagret (PHY) ... 16

3.3.3 Nätverkslagret (NWK) ... 17

3.3.4 Applikationslagret ... 17

3.3.5. Olika typer av noder ... 17

3.3.6 Trafiktyper ... 18

3.3.7 ZigBee och andra trådlösa standarder ... 20

4. ANVÄNDNINGSOMRÅDEN FÖR WSN ... 21

5. FRAMTIDEN ... 24

Förkortningar

PHY Physical Layer

PAN Personal area network

WSN Wireless sensor network

MAC Media Access Control

SNR Signal to Noise Ratio

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

OSI Open Systems Interconnection

NWK Network layer

RF Radio frequency

APS Application support layer

ZDO ZigBee Device Object

RFD The reduced function device

FFD The full function device

1. Inledning

I många situationer finns det behov av att hålla reda på information från ett stort antal punkter i den omgivande miljön. Det kan gälla till exempel temperatur, fuktighet, ljusstyrka, bullernivå, kemikalier i luften, vibrationer och radioaktivitet.

Den enklaste tekniska lösningen är att placera ut diverse sensorer och ansluta dem via kablar till en mätstation. Problemet med en sådan lösning är att den blir dyr och inte särskilt flexibel. Under de senaste åren har det utvecklats en ny, revolutionerande teknologi – Trådlösa sensornät (eng. Wireless Sensor Networks, WSN) – som löser problemet. De största fördelarna med WSN är:

 kostnadseffektivitet - man slipper installationskostnader och kabeldragning

 flexibilitet – det är lätt at flytta sensorerna

Denna rapport ger en kort introduktion till området inom trådlösa sensornätverk.

2. Teknologi

2.1 Allmänt

Ett typiskt WSN (se figur 1) består av ett antal små billiga och energisnåla enheter, så kallade sensornoder (eng. motes) som mäter någon miljöparameter och via radio skickar ett datapaket med uppmätt värde till en basstation som ofta är kopplad till en PC. Data som basstationen tar emot kan därefter via Internet föras vidare till en databas på en server. Information kan sedan analyseras eller redovisas grafiskt för användaren. Sensornätverkets storlek kan variera från några få noder på en liten yta till ett nätverk med tusentals noder som täcker flera kvadratkilometer stora områden.

Figur 1. Ett trådlöst sensornät (WSN). [C]

I den enklaste varianten av WSN skickar alla noderna data direkt till basstationen. Men man kan också bygga ett större nätverk, så kallade multi-hop-nätverk. I ett sådant nätverk lyssnar noderna på sina grannar och vidarebefordrar informationen till noderna som är placerade närmast basstationen.

En sensornod (se figur 2) består av följande delar:

 En uppsättning av diverse sensorer, för insamling av information från omgivningen till exempel temperatur, ljus, accelerometer, geografisk placering och fuktighet. Sensorerna kan vara enkla och mäta endast en fysikalisk parameter åt gången men en sensor kan också vara mer komplex som till exempel en mikrofon eller till och med en kamera.

 Enkel processor med ett begränsat program- och dataminne som kontrollerar radiosändaren, avläser och behandlar sensorernas värden och upprätthåller kommunikationen i nätverket. En karakteristisk egenskap hos processorn är låg beräknings- och minneskapacitet, detta för att hålla så låg kostnad som möjligt.

 En radiokrets med en antenn för kommunikation med andra sensornoder eller med basstationen. Radiokretsen är vanligen en sändtagare (sändare och mottagare i samma krets) med liten utsignalseffekt som medför begränsad räckvidd och låg datahastighet.

 Ett batteri, som är sensornodens akilleshäl och anledningen till begränsningarna i räckvidd och datahastighet.

Basstation _Internet Server

Figur 2. Till vänster, komponenterna i en sensornod. Till höger, en sensornod. [C]

I figurerna nedan, 3 och 4 illustreras några användningsområden för WSN.

Figur 3. Världen med WSN. [8]

Minne Sensorer Radio Processor B a t t e r i

Figur 4. Världen med WSN. [9]

2.2 Kommunikation

2.2.1 Radiomodul

Kommunikationen med sensornoderna sker med radiovågor. Fördelen med radiokommunikation är att det inte krävs fri sikt som till exempel vid användning av IR ljus. Den viktigaste faktorn vid radiokommunikation mellan noderna i ett WSN är transmissionsstyrka som bestämmer signalens räckvidd. För att bygga upp ett nätverk i ett stort område krävs det mycket energi. Då sensornoder har en begränsad energikälla är det viktigt att förstå sambandet mellan räckvidden och transmissionsstyrkan. Det är nödvändigt att använda radiomoduler som kan arbeta med låg energiförbrukning vid sändningen och har förmågan att gå i viloläge med minimal energiförbrukning när noderna inte behöver vara aktiva. Resultatet av detta är en längre livslängd på batterier för att upprätthålla nätverket.

Radiomoduler utnyttjar olika fria frekvensband, där det i Europa är 868 MHz och 2.4 GHz. Moduleringsformat som används är ofta FSK (Frequency-Shift-keying) på 433 och 868 MHz, och DSSS (direkt sequence spread spectrum) på 2,4 GHz enligt 802.15.4/ZigBee standarderna. All radiokommunikation är dubbelriktad och har en maximal räckvidd mellan 10 och 1000 meter.

Livstiden för en radiomodul beror mycket på energiförbrukningen. Energin för en modul förbrukas olika beroende på situationen:

a) Modulen är i viloläge

b) Modulen är aktiv och lyssnar på signalen från närliggande noder i nätverket

c) Modul sänder och tar emot information

2.2.2 Dämpning/störning av signalen

Hur långt en skickad signal når och hur stark den är avgörs av dämpningen. Signalens styrka minskar på vägen från sändaren till mottagaren. Dämpning mäts vanligtviss i dB och beror på många faktorer. Förlust i signalen kan bero på polarisering i antenner, hur den är riktad och dess placering. På marknivå dämpas inte signalen lika fort eftersom fuktighet har en god ledningsförmåga. Så för att få så optimal signal som möjligt är sensornodernas placering en väldigt viktig del i ett sensornätverk.

Nedan ges en formel för beräkning av en mottagen signals styrka på avståndet d från sändaren: 𝑃𝑚 = 𝑃𝑠 𝑘 𝑑𝑛 𝐷ä𝑚𝑝𝑛𝑖𝑛𝑔 = 10𝑙𝑜𝑔 𝑃𝑠 𝑃_𝑚 = 𝑛10 log 𝑑 − 10 log 𝑘 [𝑑𝐵]

Där k är en konstant, Ps är sändarens effekt och n är en konstant som är beroende på den omgivande miljön mellan sändaren och mottagaren. För överföring som sker utomhus ligger n på cirka två, sker överföringen exempelvis i en skog ligger n på cirka fyra. Observera att dämpningen är en logaritmisk funktion av avståndet.

Överföringen av signaler kan påverkas av andra störande signaler (brus) som överförs på samma frekvens, det är därför viktigt att undersöka hur bra signalen tas emot. Man använder så kallade signal-brus förhållande (eng. Signal-to-Noise Ratio, SNR), som mäts i dB och beräknas enligt följande formel:

𝑆𝑁𝑅 = 10𝑙𝑜𝑔 𝑃𝑠 𝑃𝑏

Där Ps är effekt av signal och Pb är effekten i brus.

2.3 Topologier

2.3.1 Inledning

Sensornoderna bildar ett hoppnätverk där varje nod har möjlighet att skicka data till andra sensornoder i nätverket. En viktig egenskap i ett WSN är det maximala antalet hopp som paketet med information måste göra på väg från noderna till basstationen. Detta bestäms av nätverkets topologi. Topologins utformning beror på sensornodernas placering och av vilka noder som kan kommunicera med varandra.

Nätverket har förmåga att dynamiskt självorganiseras, som resulterar i att kommunikationen mellan sensornoderna och basstationen ständigt kan upprätthålls. [10, 11]

Det finns två grundläggande typer av topologier, hierarkisk topologi och meshtopologi. Valet av den typ som används i det aktuella nätverket är beroende på utplaceringen av sensornoderna och avståndet till andra sensornoder och basstationen. Det finns för- och nackdelar med respektive topologi. En bättre förståelse för topologier fås genom att förstå de olika delarna av ett trådlöst sensornätverk:

 Slutpunkt sensornod (endpoint): En sensornod kan endast skicka data till basstationen eller till en granne som agerar som router. Sensornoden förbrukar då mindre energi och har längre livslängd på batterier. Dessa sensornoder sägs även vara så kallade RFD enheter (Reduced Functional Devices).

 Router: En sensornod kan agera som router bland en grupp av sensornoder. Den kan samla egen data men också vidarebefordra andra noders data. Med hjälp av en router får nätverket större flexibilitet och förmågan att hitta nya och bättre

kommunikationsvägar. Vilket är en fördel då sensornoderna placeras ut i miljöer som leder till dämpning av signalen vid störningar av signalen och/eller utanför räckvidden. Denna typ av sensornod kallas för FFD enheter (Full Function Devices).

 Basstation: Är ofta kopplad till en PC och är ansvarig för att ta emot sensorvärden från sensornoderna i nätverket och fungera som en portal som basstationen sedan vidarebefordrar värdena till ett övervakningssystem. Basstationen kan också övervaka prestanda och konfigurera nätverket.

2.3.2 Hierarkisk topologi

Det finns tre varianter av hierarkiska topologier:

 Sjärntopologi (one hop model),

 Multi-hoptopologi

 Klusterbaseradtopologi

Stjärntopologi

Är ett enkel-hopp system där alla sensornoderna är placerade inom basstationens räckvidd och kommunicerar direkt med basstationen (se figur 5). Alla noderna som är identiska är slutpunkter (endpoints) och de skickar sensorvärden enbart till basstationen utan att lyssna på varandra.

Stjärntopologi ger den lägsta energiförbrukningen, vilket bidrar till längre livslängd för nätverket. Denna typ av system är lämpligt att användas i mindre nätverk för till exempel långtidsbevakning. Nackdelen med stjärntopologi är att varje sensornod bara har en kommunikationskanal. Detta innebär att det inte finns alternativa kommunikationskanaler om kanalen blockeras, vilket resulterar i att kommunikation försvinner och ingen information kommer fram.

Figur 5. Stjärntopologi. [C]

Multi-hop topologi

Denna topologi innebär att en nod skickar data till basstationen via en närliggande nod. Att sända information till basstationen sker alltså genom att den sänds via andra noder som ligger nära den aktuella noden.

Figur 6. Multi-hop topologi. [C]

Klusterbaserad hierarkisk topologi

Uppdelningen av nätverket sker i olika klusterlager, där varje kluster innehåller ett antal noder (se figur 7). En av noderna blir ett så kallad klusterhuvud (cluster head), som tar ansvaret för att sända vidare sensorvärden från noderna i klusternätverket till andra kluster eller basstationen. Överföringen av sensorvärden sker från ett lägre klusterlager till ett högre.

Basstation

Sensornod Basstation

Alltså när data hoppar från ett kluster till ett annat innebär detta att energiförbrukningen blir mindre och tiden det tar för värdet att nå till basstationen är kortare.

I en hierarkisk topologi är det bara klusterhuvudet (cluster head) som har dubbla funktioner. Den tar emot data från andra noder i det aktuella klustret och skickar det därefter vidare till nästa klusterhuvud. I ett multi-hop nätverk agerar alla mellanliggande noder som routrar.

Klusterbaserade topologier är mer lämpliga i tidsberoende nätverk. Figuren nedan visar hur en sensornod tar rollen som huvudkluster och vidarebefordrar sensorvärden från andra noder till kluster och vidare till basstationen.

Klusterhuvud Basstation

Sensornod

Figur 8. Ett exempel på ett avancerat klusterbaserat WSN. [12]

Figur 7. Ett nätverk med två kluster. [C]

2.3.3 Meshtopologi

Meshtopologi är ett sätt att routa fram sensorvärden mellan noder i olika nätverksplatser. Varje ansluten nod kan kommunicera med sina närmaste grannar i ett spindelnätsliknande nätverk (se figur 9).

Figur 9. Ett exempel på meshtopologi. [C]

Det möjliggör kontinuerliga förbindelser och kommunikation runt om blockerade vägar, från nod till nod tills destinationen nås.

Uppbyggnaden av meshtopologi är ganska komplicerad, men fördelen är att sensornoderna har fler möjligheter för nya kommunikationskanaler till andra sensornoder och basstationen när ett fel i nätverket inträffar eller när en kanal blockeras. Mesh-nätverk är lämplig att användas i stora trådlösa nätverk spridda över större geografiska områden.

2.4 Routing

Data i ett WSN skickas i små paket, som vid Internet, och ett multi-hop nätverk har vissa likheter med Internet. Dock finns det stora skillnader mellan Internet och WSN. Som sades tidigare är det största problemet med WSN är att det har en begränsad livslängd på noderna eftersom dessa drivs av batterier. Radiokommunikation är den aktivitet som förbrukar mest energi. Därför pågår det en mycket intensiv forskning för att utveckla metoder att förmedla uppmätta data från sensornoder till basstationen med minsta antalet nödvändiga hopp och minsta möjliga förbrukning av energi. [13]

Ett annat problem är också att processorerna i noderna har begränsat minne och begränsad beräkningskapacitet, vilket innebär att de inte kan göra avancerade beräkningar. Ett krav på WSN är att nätverket bör vara robust. Det betyder att om en nod som vanligen förmedlar

Basstation

paket från en nod till en annan som är närmare basstationen slutar fungera så måste paketet ta en annan väg och nätet måste omorganiseras.

Ett samlingsnamn för metoderna för routing är routingprotokoll. Det är ett sätt att ange hur enheterna i nätverket kommunicerar med varandra.

Ponera följande scenario: Efter en jordbävning med stora skador flyger en helikopter över det drabbade området och släpper ner tusentals sensornoder. Noderna börjar omedelbart läsa mätvärden såsom radioaktivitet, giftiga eller explosiva gaser i luften, temperatur, vibrationer i marken, geografiska position med GPS och skickar information till basstationen så att ledningen för räddningsteamet kan få en överblick över situationen i området. För att detta ska vara möjligt krävs det effektiva routingprotokoll. Följande lista illustrerar vilka problem som måste hanteras vid utveckling av protokoll:

 Ett nätverk med tusentals noder

 WSN måste omkonfigureras automatiskt med utnyttjande av lokal information

 Noderna har begränsad minnes- och beräkningskapacitet

 Räckvidd för radiosändare är begränsad

 Radiosändning förbrukar energi och tär på batteri

 Noderna kan plötsligt sluta fungera och nätverk måste dynamiskt omkonfigureras

 Endast noden i fråga vet vilka andra noder som den kan upprätta kommunikation med.

3. Standarder för trådlösa nätverk

Trådlösa sensornätverk har många variationer av tillämpningar och användningsområden. De flesta trådlösa övervaknings- och styrsystem, med hundratusental sensornoder spridda över stora områden kräver låg energiförbrukning. Utmaningen är att underhålla varje nod, då det är svårt att byta batterier för varje nod i ett stort nätverk. För att lösa diverse problem finns olika standarder tillämpade.

3.1 IEEE 802.15.4 standard

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) har kommit på en nödvändig lösning gällande energiförbrukningen genom att utveckla IEEE.802.15.4 standarden för trådlös teknik. IEEE.802.15.4 standarden erbjuder låg energiförbrukning och låg datahastighet eftersom data som skickas från noderna är begränsade. Standarden definierar de två lägsta lagren i OSI modellen, fysiska lagret (PHY) och media access lagret (MAC). IEEE802.15.4 utnyttjar tre fria frekvensband, 2.4 GHz, 868 MHz och 915 MHz i USA (i Sverige används 900 MHz av GSM).

3.2 Zigbee standard

Zigbee är namnet på en teknik som är baserad på IEEE 802.15.4 standard. ZigBee är den enda trådlösa standarden som specifikt vänder sig till WSN. Den är lämplig att användas för applikationer som förbrukar lite ström, alltså ger längre batterilivstid och inte behöver hög dataöverföringshastighet. ZigBee är en billig teknik där kostnaden för installation, underhåll och batteriförbrukning är låg. Förutom att tekniken bygger på IEEE 802.15.4 medielagret (MAC) och det fysiska lagret (PHY) erbjuder ZigBee även standarden nätverks-, säkerhets- och applikationssupport.

3.3 Protokollstack

ZigBeestandarden definierar det översta lagren nätverkslager (NWK) och applikationslager (APL). De två lägsta lagren, MAC-lagret och det fysiska-lagret (PHY) är samma som i IEEE 802.15.4 standarden eftersom ZigBee är baserad på denna standard.

Figur 10. ZigBee och IEEE 802.15.4 protokoll. [C]

3.3.1 Media Access Control (MAC) lagret

MAC hanterar all åtkomst till fysiska lagret och är ansvarigt för följande:

 Radiofyrar (beacons), en radiosändare som sänder ut radiosignaler i alla riktningar. I WSN sänder basstation radiofyrar till samtliga noder i nätverket.

 Synkronisering av radiofyrarna.

 Förser nätverkslagret med en säker länk för att skicka data över ett hopp.

 Har hand om kvittering och återsändning av paket till sändaren.

 Använder CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) mekanismen för att kontrollera kommunikationskanaler så att inte två noder sänder paket samtidigt och det uppstår kollision.

Applikation/profiler Applikation/ram Nätverks/säkerhets-lagret MAC-lagret Fysiska-lagret IEEE definierad ZigBee definierad Användar-definierad

3.3.2 Fysiska lagret (PHY)

Fysiska lagret är det lägsta lagret i IEEE standarden som är ansvarig för överföring och mottagning av data över ett fysiskt medium. För att erhålla en så effektiv och säker kommunikation som möjligt är radiofrekvensen uppdelad i olika frekvensband. Det finns frekvensband som kräver licens för användning globalt, i USA eller Europa, och de kan endast användas för ett specifikt område såsom mobiltelefoni eller inom militären. De frekvensband som inte kräver någon licens kallas för fria band och det finns tre tillgängliga fria band (se tabell 1) för kommunikation i 802.15.4 (det fysiska lagret – PHY).

Tabell 1. De tre fria frekvensbanden.

Frekvens (MHz)

Antal kanaler Datahastighet (Kbps)

Licensfritt

I trådlösa sensornätverk används oftast frekvensbandet 2.4 GHz. Detta band kallas för ISM-band (som står för Industrial, Scientific and Medical) och är tillåtet att använda över hela världen.

1 kanal 10 kanaler 16 kanaler

868 MHz 916 MHz 2400 MHz

3.3.3 Nätverkslagret (NWK)

Det är det lägsta lagret i ZigBee protokollstacken. Detta lager lägger routingfunktioner till nätverket som gör det möjligt för noder med routingförmåga (cluster-head) att vidarebefordra paket som tas emot från andra noder i nätverket. Ändringen kan vara att en nod som börjar agera som router eller bildar ett nytt nätverk. Nätverkslagret ger routern förmågan att tilldela adresser till nya anslutna noder som upptäcks i nätverket och skickar därefter information om de nya noderna till närmaste nodrouter. Nätverkslagret har också hand om att ta reda på routingvägar för paket och kontrollera mottagaren, om den är aktiv och redo att ta emot paket eller är inaktivt, är också bland de tjänster som nätverkslagret har hand om.

3.3.4 Applikationslagret

Applikationslagret är det översta lagret i ZigBee standarden och består av applikationssupport sublager (APS), ZigBee Enhetsobjekt (eng. ZigBee Device Object, ZDO) och applikations objekt, ett underlager som är definierat av ZigBee. Detta underlager har hand om bindningen med andra noder. Den högre delen av applikationslagret är användarens applikation, där noder definieras om de skall agera som koordinatorer (RFD) eller routrar (FFD).

3.3.5. Olika typer av noder

I trådlösa sensornätverk finns det tre olika typer av noder som fungerar med ZigBee standard:

- ZigBee Koordinatornod:

I varje nätverk finns det bara en koordinator som agerar som basstation. Denna nod är ansvarig för att hantera många aktiviteter i nätverket, bland annat att konfigurera nätverkets olika delar och starta nätverket.

- Fullfunktionsnod (eng. Full function device, FFD):

Denna nod agerar som router och har hand om paketöverföring från andra noder som ligger inom nodens räckvidd. Fördelar med att använda router är att utvidga

nätverkets storlek och att öka tillförlitligheten för nätverket genom att skapa ytterligare dataroutingvägar.

- Reducerad funktionsnod (eng. Reduced function device, RFD):

Noder av denna typ kan bara kommunicera med en enda router eller koordinator. RFD noder har begränsade funktioner såsom att ansluta till nätverket eller avaktiveras från

ZigBee router (FFD) ZigBee koordinator (FFD) ZigBee slutpunk (RFD och FFD) Meshlänk Stjärnlänk

Figur 12. ZigBee nätverkstopologi. [C]

3.3.6 Trafiktyper

I trådlösa nätverk finns det två olika typer av trafik som går mellan olika noder, regelbunden och oregelbunden trafik.

 Nätverk med regelbuden trafik är så kallad beacon-enabled. En beacon är en fyrsignal, ett datapaket som skickas regelbundet från nätverkskoordinatorn (basstationen) till andra noder i nätverket. Den innehåller information om koordinatorn och nätverkets läge och används för att informera noder att koordinatorn är redo att ta emot paket från andra noder i nätverket. Koordinatorn sänder fyrsignalen (beacon) till noder och när fyrsignalen detekteras vaknar noderna snabbt och börjar sända paket, koordinatorn skickar därefter kvittens tillbaka till noderna och bekräftar att paketet är mottaget.

Figur 13. Trafiken i ett fyrnätverk (beaconnetwork). [C]

 Nätverk med oregelbunden trafik kallas icke-fyrsignal (eng. non beacon-enabled) och används mest för noder som är i vilolägen under en längre tid, till exempel noder som används som rökdetektor. Noderna aktiveras för att konfirmera fortsatt närvaro i nätverket i ett slumpvis tidsintervall. När sensornoder detekterar ändring i nätverket så aktiveras de direkt och skickar ett paket till koordinatorn. Sändningen misslyckas när noder upptäcker att kommunikationskanalen är upptagen, men om den lyckas så sänder koordinatorn kvittens för att bekräfta mottagningen.

Figur 14. Trafiken i en icke-fyrsignal (non beacon-enabled) nätverk. [C]

Basstation Sensornod Fyrsignal Data Kvittens (valbart) Basstation Sensornod Data Kvittens (valbart)

3.3.7 ZigBee och andra trådlösa standarder

Det finns flera olika trådlösa tekniker som kan användas för att bygga upp ett trådlöst nätverk. Val av trådlös teknik är beroende på användningsområde och miljön som tekniken tillämpas i. Bluetooth och Wi-Fi är andra tekniker för trådlösa nätverk, där Bluetooth har normalt till kommunikation mellan mobiltelefoner och andra elektroniska enheter som har kort räckvidd. Wi-Fi är en trådlös Internetstandard med kort räckvidd som lämpas för användningsområden som kräver hög data hastighet. Tabell 2 nedan visar skillnaden mellan ZigBee och de andra trådlösa standarderna.

Tabell 2. Jämförelse mellan ZigBee, bluetooth och Wi-Fi.

Marknadsnamn Standard ZigBeeTM 802.15.4 GPRS/GSM 1xRTT/CDMA Wi-FiTM 802.11b BluetoothTM 802.15.1

Applikations fokus Övervakning & Kontroll

Brett område, Ljud & Data

Web,

E-mail, Video Kabelersättning

System resurser 4KB - 32 KB 16 MB+ 1MB+ 250KB+

Battertid (dagar) 100 - 1000+ 1 - 7 5 1 - 7

Bandbredd (KB/s) 20 - 250 64 -128+ 11000+ 720

Transmissionshastighet 1 - 100+ 1000+ 1 – 11 Mbps Upp till 1 Mbps

Fördelar

Pålitlighet, Energi, Kostnad

Sträcka, Kvalité Hastighet, Flexibilitet

Kostnad, Bekvämlighet

4. Användningsområden för WSN

Användningsområdena för sensornätverk är oändliga. Nedan ges några exempel:

 övervakning av hälsostatus hos patienter och gamla människor i hemmet

 bevattningssystem för gräsmattor och golfbanor

 fukt- och temperaturmätning inom byggindustrin

 mätning av seismiska vågor vid jordbävning

 bevakning av skogsbränder

 militära krigsfält

 bevakning av broar

Här ges några intressanta tillämpningar av WSN:

Bevattningssystem

Företaget Stagecoach Vineyard i Napa County, Kalifornien använder sig av WSN för att styra bevattningen av vingårdarna. Bevattningen av druvor är en av de viktigaste faktorerna för god vinkvalité.

För att veta när bevattningen av stora skördefält ska ske samlas och analyseras data om markens och luftens fuktighet och temperatur samt vindstyrka. [15]

Lokalisering av barn

Föräldrar kan vara väldigt oroliga över barnen och deras säkerhet. Med en sensornod fäst på barnets kläder som regelbundet kommunicerar med en basstation kan föräldrarna ständigt lokalisera barnets position. [16]

Felsökning av tekniska fel i raketer

NASA Ames Research Center använder WSN till övervakning av raketmotorer för att i realtid upptäcka förändringar. Övervakningssystemet förser kontrollcentret med information om temperatur, tryck, spänning och acceleration. När tekniska fel uppstår i en raket förmedlar sensorerna med viktig information för att kunna lösa problemet som uppstått. Till skillnad från många andra system är raketer svårare att felsöka vid eventuella problem. När ett fel uppstår i en raket sker detta så snabbt att det gör det svårt att upptäcka orsaken till problemet eller möjligtvis kunna förhindra att problemet uppstår. [17]

Övervakning av radioaktiv strålning

Kärnkraftverk är på gott och ont ett av de viktigaste alternativen som används för att förse energi till vår civilisation. Det är väldigt viktigt att säkerheten är så hög som möjligt för att undvika problem som kan orsaka stor skada. För att övervakningen ska täcka så stort område som möjligt och att övervakaren

ständigt ska ha aktuell information om läget används

WSN. Sensorvärdena tas emot av handdatorer, där paketöverföringen av sensorvärden sker via Wi-Fi. Handdatorerna är kopplade till varandra i ett ad-hoc nätverk. Övervakning på detta sätt ökar säkerheten och möjligheten att eliminera risker i ett kärnkraftverk. [18]

Spåra plågor

Kan tekniken användas för överbevakning av raketer, barn och gårdar kan den även användas för att

övervaka paddor. Året var 2005 i Queensland, Australien där skalbaggar var ett problem för ett sockerrörsplantage. De förstörde statens

sockerrörsplantage och lösningen till skalbaggarna troddes vara paddor som skulle äta upp dessa. Dock

erhölls aldrig den önskade effekten då paddorna istället valde andra vilddjur såsom ödlor och grodor. Ännu värre var att dessa grodor var giftiga därmed kunde döda däggdjur, ormar, fåglar och till och med krokodiler. Även hundar och katter kunde utsättas för dessa giftiga paddor.

För att få bukt med detta problem designades ett WSN för att känna igen upp till nio arter av grodor och paddors läten. På detta sätt kunde dessa paddor identifieras och fångas in.

Tekniken bakom ljudupptagningen är baserat på akustiska frekvenser i tid som kan användas för att urskilja olika läten. Grodläten är mycket enklare än människoläten, men de måste urskiljas under miljöförhållanden (vind, regn, insekter och andra ljud). En algoritm som undersöker varje del av ett spektrogram används tillsammans med ett trådlöst sensornätverk för att få en bättre överblick över paddornas livsmiljö och de områden de rör sig i. [19]

5. Framtiden

Forskningsområdet är väldigt hett just nu och utvecklingen av sensornoder går ständigt framåt. Det kommer ständigt nya applikationer av WSN teknologi.

Utvecklingen av WSN går mot

 Minskning av storleken på sensorerna (kan vara stora som en knappnål)

 Lättare underhåll

 Ökning av livslängden på batterierna som används.

En lösning på energiproblemet är att skörda energi, alltså att ta vara på spillenergin från omgivningen för att slippa byte av batterier i sensorerna. Många metoder är under utveckling, till exempel att utnyttja temperaturskillnader i omgivningen eller vibrationer i marken för att generera ström. [20]

Källor

Huvudkällorna till arbetet har varit manualerna för de olika delarna som medföljde uppsättningen för Proffessional kit från Crossbow Technology (http://www.xbow.com). Alla bilder är godkända att användas i detta examensarbete.

Dessa källor markeras med [M].

Egna bilder och fotografier markeras med [C].

Artiklar & Böcker:

[1.] A survey on routing protocols for wireless sensor networks. Kemal Akkaya,

Mohamed Younis, Elsevier, 2003

[2.] Power Efficient Topologies for Wireless Sensor Networks – Ayad Salhieh, Jennifer

Weinmann, Manish Kochhal, Loren Schwiebert

[3.] Cluster-Based Routing in Wireless Sensor Networks: Issues and Challenges –

Jamil Ibriq and Imad Mahgoub, SPECTS 2004, International Symposium on Performance Evaluation of Computer and Telecommunication Systems

[4.] Wireless sensor networks – Edgar H. Callaway

[5.] Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Applications – Kazem

Sohraby, Daniel Minoli, Taieb F

[6.] Computer Networks – Prentice-Hall, [7.] ELEKTRONIK I NORDEN 14/2005

Internet:

[13.] http://research.cens.ucla.edu/ (2009-10-16) [14.] http://www.promera.se/Default.aspx?tabid=308 (2009-10-06) [15.] http://www.sfgate.com/cgi- bin/article.cgi?f=/c/a/2008/09/01/BUB712K5OF.DTL (2009-06-04) [16.] http://technorati.com/videos/youtube.com%2Fwatch%3Fv%3DhWO62B-gGRA (2009-06-04) [17.] http://www.jtokeeffe.com/rockets.html (2009-06-04) [18.] http://www.waset.org/ijecs/v1/v1-2-15.pdf (2009-06-04) [19.] http://www.csmonitor.com/2007/0316/p20s01-sten.html?page=1 (2009-06-04) [20.] http://www.springerlink.com/content/tk35178301317171/ (2009-10-10)

Laborationsutrustning

Innehållsförteckning

5.1.4 OTAP – Over the air programmering och sensornodskonfiguration ... 11

5.2SERVERLAGER ... 11 5.3KLIENTLAGER ... 12

5.3.1 MoteView ... 12 5.3.2 Gränssnittet ... 12

5.3.3 Larm – Alerts manager ... 18

6. DATAPAKET ... 20

6.1HÄLSOMEDDELANDEN (HEALTH MESSAGES) ... 21 6.2SERVERMEDDELANDE ... 21

1. Inledning

Crossbow Technology är ett privatägt företag som grundades 1995 av Mike Horton och A. Richard Newton. Företaget är en ledande leverantör och en av de största tillverkarna av trådlösa sensornätverk. Crossbows trådlösa sensornätverksprodukter används av hundratals företag i olika applikationer och tillämpningar inom industriell- och hemautomation,

miljökontroll, militär och säkerhet. De är även den ledande leverantören av sensorsystem för luftfarts-, mark- och sjöfartsapplikationer. Crossbow Technology har kontor 24 i länder runt om i världen, varav ett i Stockholm.

2. Tekniken

Under laborationen kommer ni att använda tre sensornoder (SN2404) och en basstation (MIB520) kopplad till en PC. Programvaran är MoteView, som är en del av MoteWorks.

3. Sensornod

Sensornoden är uppbyggd av två kretskort, ett med mikroprocessor och radio transceiver (XM2110) och ett med sensorerna (MTS400). Sensornoden drivs av två stycken AA-batterier.

3.1 XM2110 – Radio-del

Sändtagare använder frekvensbanden 2.4 GHz och är kompatibel med IEEE 802.15.4/Zigbee standarden, där räckvidden inomhus är cirka 30 meter, en datahastighet på 250 kbps och uteffekten är 1 mW. Mottagarens uppgift är att ta emot/skicka paket med data till/från närliggande noder eller basstationen.

Figur 2. XM2110 med standardantenn. Bilden till höger är ett blockdiagram över sändtagaren. [C, M]

3.2 MPR2600 – Processor-del

Processorn (se figur 3) som används i sensornoden har ett 128 kB programminne och 512 kB minne för insamlade data, båda minnena är av typen flash. Processor avläser mätningar från sensorerna, skapar ett paket med data och skickar det via sändtagaren. En unik och mycket viktig egenskap är att noderna kan programmeras från basstationen via radio.

3.3 MTS400

På kortet (se figur 4) sitter ett antal sensorer som mäter fuktighet, temperatur, ljusstyrka, barometrisktryck och en accelerometer. Alla mätvärden tas emot i analogt format som sedan konverteras till digitalform med hjälp av en A/D-omvandlare.

Figur 4. MTS400, sensorkretskortet. [C]

Fuktighet och temperatur sensorn är en enkel multimodul av typen Sensirion SHT11. Barometrisktryck är ett hybridiskt Intersema MS55ER chip, som både inkluderar tryck och

temperatur. Den förser med en 16-bits data från tryck- och temperatur mätningar.

Ljussensor är ett TAOS TLS2550 chip som kombinerar två fotodioder

Accelerometer kan användas för att upptäcka lutningar, rörelse, vibration och/eller seismiska

4. Basstation – MIB520

Basstationen (se figur 5 och 6) är den del som upprätthåller kommunikation mellan sensornoderna och värddator, till vilken den är ansluten via en USB port.

Vid anslutning till dator tilldelas basstationen två COM-portar. Den ena porten, comx, används

för programmering av enheterna, och den andra, comx+1, för kommunikation.

En reset-knapp finns tillgänglig för att återställa basstationens processor.

5. Antenn

Figur 5. Basstation, MIB520. [C]

Val av en antenn bör göras med omsorg för att erbjuda en lämplig räckvidd, för att täcka det önskade områdets yta. Räckvidden och prestanda är beroende på valet av antenn och dess placering i området. Storleken borde vara en halv våglängd av den använda frekvensen. Eftersom frekvensen som används är 2.4 GHz är antennens storlek cirka 5 cm.

f

c





Denna typ av antenn kallas ofta för monopolantenn.

Figur 7. Illustration av en sensornodens antenn. [M]

Strålningsegenskaper hos en antenn är karakteriserad av två parametrar – direktivitet och effektivitet. Direktiviteten för en antenn är förhållandet mellan den maximala signalstyrkan och den ekvivalenta signalstyrkan av en idealisk isotrop radiator, där avståndet mäts i decibel (dBi). Denna parameter påverkas starkt av närliggande objekt och omgivningen, där

metalliska objekt, marken, ledningar och andra stora objekt kan förändra direktiviteten med så mycket som med 30 dBi. En antenns strålningsvåg formas efter dess geometriska form.

Figur 8. En antenns strålningsmönster. [M]

En antenns effektivitet kan tas med i beräkningarna vid förhållandet av strålningens energi av antennen (oberoende på vågformen) och mängden av energi som förses vid inmatning till antennen. Effektivitetens område kan variera allt från perfekt till (90 %) till väldigt lågt (1 %). Effektiviteten är beroende på hur bra inmatningsenergin är transformerad till antennens impedans och storleken på de strålande elementen i förhållande till våglängden som strålas. Formeln för antennens förstärkning, direktivitet och effektivitet förhåller sig genom följande:

Förstärkning = Effektivitet * Direktivitet

Tumregel: En liten antenn påverkar antennens effektivitet så mycket som med halva

5. Programvara

5.1 MoteWorks

Crossbow Technology tillhandahåller en mjukvara för hantering och underhåll av

sensornätverket. MoteWorks förser en komplett programvara utvecklingsmiljö för trådlösa sensornätverksapplikationer och inkluderar en samling av flexibla programpaket som finns i tre olika lager. Dessa programvaror möjliggör hantering av nätverk och de ger nätverket flexibilitet och valfrihet genom att tillåta användare att välja den bästa nättopologin,

energiåtgång och bandbreddsstorlek. Programmet är optimerad för batteridrivna nätverk med låg energiförbrukning.

Programvara i MoteWorks är strukturerad i tre olika lager (se figur 8) där varje lager har olika uppgifter:

 XMeshlager (Mote tier), hanterar sensornätverk

 Serverlager (Sever tier), hanterar server

 Klient lager (Client tier) för analys och visualisering av data

I varje lager finns en uppsättning av mjukvaror som har specificerade funktioner.

Nedanstående figur visar uppbyggnaden av de olika lagren och illustrerar vad varje lager innehåller för mjukvaror.

Figur 10. Visar MoteWorks modellen med de olika programmen i varje lager. [M]

5.1.1 XMeshslagret

Ett nätverk med en basstation och ett antal sensornoder är utplacerade på olika platser, där XMesh är den mjukvara/protokoll som styr lagret och förser nätverket med lämplig routingalgoritmer som krävs för att bilda en tillförlitlig kommunikation som förbinder alla sensornoder till servern. Protokollet är baserad på TinyOS, en öppen källkod med kraftfulla inbyggda funktioner som lämpas för trådlösa sensornätverksapplikationer. Det stödjer ZigBeestandarden och olika nätverktopologier såsom stjärna och meshtopologier, och ger ett dynamiskt och tillförlitligt nätverk. XMesh ger sensornoder förmågan med att omorganiseras automatiskt. Skulle alltså en nod förlora kommunikationen med intilliggande noder på grund av till exempel ökat avstånd finner den snabbt en intilliggande nod som är inom räckhåll. Ett standard XMesh nätverk består av följande delar:

1. En eller flera sensornoder.

2. En basstation som hanterar nätverket och vidarebefordrar information till och från nätverket.

5.1.2 TinyOS

TinyOS är ett operativsystem designat för sensornoder i ett sensornätverk. Noderna måste organisera automatiskt i ett nätverk genom att lyssna på noders signaler och lista ut vem det är de hör. Nackdelen med denna typ av systemet är att det kostar energi bara på att lyssna och energitillgången är mycket begränsad. För att det ska vara möjligt för sensornoderna att befinnas i viloläge men ändå låta information passera från nod till nod i ett sensornätverk skapades TinyOS, som är ett kompakt operativsystem. Programmet är skrivet i nesC-språket (network embedded systemsC), vilket gör att användaren kan modifiera systemet efter egna behov.

5.1.3 MoteConfig

Detta är en del av MoteWorks och är baserat på Windows GUI verktyg för programmering av sensornoder. MoteConfig tillhandahåller ett gränssnitt för konfigurering och nedladdning av förinställda XMesh/TinyOS applikationer till sensornoderna. Med hjälp av MoteConfig kan användaren konfigurera Sensornodens ID, grupp ID, radiofrekvenskanal och energin. Denna uppgradering sker trådlöst via OTAP (Over the air programming).

5.1.4 OTAP – Over the air programmering och sensornodskonfiguration

Såsom allt annat behöver även detta system underhållas och mjukvaran uppgraderas. Via MoteConfig, OTAP kan uppgraderingen av mjukvara (XMesh baserad) i sensornoderna och basstationen ske via de trådlösa kanalerna. OTAP möjliggör en eller flera sensornoder i XMesh-nätverket att ta emot ny mjukvara från XServe via OTAP.

Varje sensornod har ett externt seriellt flashminne i mikroprocessorn. Detta minne kan bevara upp till 512kb av data. OTAP använder detta utrymme för att lagra koden, där minnet är uppdelat i fyra kanaler (0, 1, 2, 3) för att bevara olika data. Kanal 0 bevarar OTAP koden och resterande kanaler är till för användarens koder och data. Som standard är storleken på dessa kanaler 128 kB stora.

5.2 Serverlager

Xserve fungerar som en anläggning som hanterar översättning och buffring av data från sensornoder och hanteringen av kommunikationen från sensornoderna. XServe fungerar som en brygga mellan trådlösa sensornoder och Internet via XML, som kan styras av användaren via nätverket från vilken plats som helst i världen. XServe tillhandahåller flera tjänster som har hand om att föra vidare data från sensornoder. XServe hanterar data i tre olika format, rå, tolkad och konverterad, där data översättas, omvandlas och hantera:

 Råformat:

Råformat visar data i binär form och visar varje byte av data i hexadecimal form. Formatet är användbart för felsökning av data, då data visas oförändrat i samma format som fås från sensornoderna:

Figur 12. Data i råformat. [M]

 Analyserat format:

Analyserat format visar data som en uppsättning av namn och värden. XServe

analyserar rådata och utformar data till olika namnfält. Analyserat format visar namnet på datafält i hexadecimal form.

Figur 13. Analyserad dataformat. [M]

 Konverterad format:

Konverterad format visar också data som namnvärde, men varje värde har omvandlats från sitt råa format till en lämplig måttenhet för området.

Figur 14. Konverterad data format. [M]

5.3 Klientlager

Är det lager som används för övervakning, konfigurering och visualisering av det trådlösa sensornodsnätverket. Detta görs via en programvara (MoteView) från en dator.

5.3.1 MoteView

MoteView är designat för att fungera som ett gränssnitt (klient lager) mellan användare och en grupp nätverk av trådlösa sensorer. Programmet förenklar bearbetning och övervakning av det trådlösa nätverket och informationen som samlas in, det är även att underlätta för

uppkoppling till en databas, analyser och grafiskt avläsa informationen från enheterna. För att information från noderna ska kunna samlas krävs det att korrekt COM port ställs in i

inställningarna, där COMx+1 används för kommunikation i nätverket och COMx för programmering av sensornoderna.

5.3.2 Gränssnittet

Programmets uppbyggnad är lätthanterlig och består av fyra huvuddelar,

1. Nodlistan, visar alla noder och deras status sammanfattningsvis.

3. Visualiseringsflikar, den insamlade informationen från sensornoderna plottas i olika diagram och tabeller.

4. Servermeddelande, visar en logg över servern och inkommande meddelande.

Figur 15. Översiktsbild av MoteView. [M]

Nodlista

Nodlistan ger en översikt av de tillgängliga noderna och möjligheten att ändra bland annat färgegenskaper och namn för varje nod, så att de lättare går att skiljas åt när de plottas i diagram.

Visualiserings flikar

Den information som sensornoderna samlar in visas i tabeller och diagram, där fliken data ger en kontinuerligt uppdaterad avläsning från sensornoderna.

Commandfliken

Ger användaren möjlighet att förändra olika nodparametrar trådlöst.

Chartsfliken

I nästa flik, Charts ges möjligheten att generera grafer av sensoravläsningarna tillförhållande till tiden för ett antal noder. Här kan upptill tre sensortyper väljas för att plotta i till exempel tre olika grafer, där upptill 24 olika noder kan plottas i grafen samtidigt genom att bocka för varje nod i nodlistan. X-axeln anger datum och tid, och Y-axeln anger den valda parametern som ska visas i grafen.

Healthfliken

Statushälsan för noderna kan ses i fliken Health, som är en förinstallerad XMesh applikation i MoteView, som genererar hälsopaket med jämna mellanrum för varje nod i nätverket.

Information som fås från denna flik är följande:

 Hälsopaket (health_pkts), anger det totala antalet nodhälsa och grannodens hälsopaket som har haft som utgångspunkt från nodens senast omstart. Detta tal visas i rå enhet (antal paket) och % Paket (förhållandet mellan hälsopaket och nodpaket).

 Nodpaket (node_pkts), är det totala antalet paket som har haft som utgångspunkt från den senaste omstarten. Detta tal inkluderar all data, nodhälsa, hälsan från grannoden och uppdatering av paket genom routen.

 Vidarebefordrade paket (forwarded), är det totala antalet paket som en nod har vidarebefordrat från andra noder. Detta tal visas i rå enhet (antal paket) och % Paket (förhållandet mellan vidarebefordrade paket och nodpaket). Ett stort tal anger

information om eventuell stockning.

 Förlorade paket (dropped), är det totala antalet paket som noden förlorat. Ett paket anses förlorat när ett paket har blivit återsänt utan att ha fått länknivåns kvittens. Detta tal visas i rå enhet (antalet paket) och % Paket (förhållandet mellan hälsopaket och nodpaket).

 Återförsök (retries), är det totala antalet återtransmitteringar som noden gjort för att verkligen bekräfta att noden fått en länknivåkvittens.

 Panel ID (board_id), indikerar vilken sensor som är kopplad till sensornoden.

 Kvalité (quality_tx och quality_rx), är den uppskattade kvalitén på länknivån som tar paketkollisioner i beräkning:

𝐾𝑣𝑎𝑙𝑖𝑡é = 1

𝐴𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑟

I rå enhet är detta uttryckt i siffrorna 0-15 vilket motsvarar kvalitén i 0-100%.

Quality_tx är länk-nivå kvalitén från noden till sin förälder.

Quality_rx är länk-nivå kvalitén då noden startas.

 Vägkostnad (path_cost), är en uppskattning av antalet transmissioner som behövs för att skicka ett paket från en nod till basenheten. I beräkningarna tas det med antalet hopp och antalet transmissioner per hopp som behövs för en nod att skicka dess paket till basstationen.

𝑉ä𝑔𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 = 4 ∗ 𝑢𝑝𝑝𝑠𝑘𝑎𝑡𝑡𝑎𝑑 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑙

(eng. Estimated Transmission Number, ETN)

𝑉ä𝑔𝑘𝑜𝑠𝑡𝑛𝑎𝑑 = 210

𝑞𝑢𝑎𝑙𝑖𝑡𝑦_𝑡𝑥 ∗ 𝑞𝑢𝑎𝑙𝑖𝑡𝑦_𝑟𝑥

Den lägsta möjliga kostnaden är fyra, vilket innebär att en nod kräver en transmission för att skickat ett paket till basstationen. Detta tal visas som parent_path_cost (vägen mellan en sensornods förälder och basstationen) och som node_path_cost

Histogramfliken

För att få en överblick av informationen som fås från noderna plottas de i olika diagram såsom histogram och spridningsdiagram. I histogrammet kan de olika parametrarna i X-axeln avläsas och Y-axeln visar procentuell enhet för varje nod. Vad som ska visas i

spridningsdiagrammets axlar kan användaren själv välja.

Topologifliken

Topologi fliken visar nodernas placering och den valda parameterns status för varje nod. Nya noder hamnar i det vänstra hörnet, men användaren kan ange en ny plats genom att klicka och dra i noderna. Placeringen kan automatiskt ändras genom att högerklicka och välja ”Arrange nodes” i menyn. För att få en bättre översikt över nodplaceringen i en byggnad/område kan en ritning eller karta över byggnaden/området laddas upp. Detta ger en bättre illustration över sensornodernas placering.

Figur 16. Stjärntopologi från fliken topologi. [C]

För att få en överblick av sensornodernas topologi och informationen av sensorvärden över den förflutna tiden kan playbackfunktionen som finns längst ner på höger sida användas, en så kallad timebar. Genom att snabbspola i tiden eller klicka på play kan topologins utveckling

Figur 17. Timebar som används för att spela upp utvecklingen av nätverket genom tiden. [M]

Histogramfliken

För att lättare förstå informationen av den insamlade sensorvärden kan två olika typer av diagram plottas. I respektive flik kan olika val göras för att grafiskt redovisa värden som samlas.

Histogram:

Visar ett diagram som grafiskt summerar den statistiska distributionen av en enda sensordata. Upp till 24 olika sensornoder kan väljas för plottning i diagrammet med olika färger för att lättare skilja dem åt i diagrammet. Valet av sensornoderna som ska plottas görs genom att markera respektive sensornod i den vänstra kolumnen. X-axeln i grafen anger sensorvärdet i rå enhet och Y-axeln anger procentuell enhet.

Spridningsdiagram:

Ger möjligheten att plotta två sensorvärden för olika sensornoder. Spridningsdiagrammet underlättar användaren att få en mer visualiserad jämförelse mellan sensorvärden från olika sensornoder för att fastställa förhållandet mellan respektive värden.

Figur 19. Spridningsdiagram över spänning och temperatur. [M]

5.3.3 Larm – Alerts manager

Programmets larmfunktion ger användaren möjlighet att definiera larmvillkor baserad på vilket sensorvärde från vilken sensornod som helst. Ett larm är programmerbart av användaren och utför en önskad händelse när sensorvärdet överstiger det fördefinierade tröskelvärdet. Ett larm är indelat i följande typer:

1. Alert ID – En talföljd för att identifiera larmet

2. Node Name – noden som kan starta en händelse

3. Sensor Name – sensornoden vars avläsning startar en händelse

 Lika med

 Överstiger

 Understiger

 Överstiger eller lika med

 Understiger eller lika med

5. Alert Threshold – värdet att jämföra larmvillkoret mot tröskelvärde

6. Unit – enheten för larmvärdet

7. Alert Action – händelsen att utföra som ett svar på larmet

 Visa en meddelandedialog och manövermeddelande

 Skick ett e-mail (tillåter sändning av text till en mobiltelefon)

8. Alert Interval – specificera intervallet då händelsen ska inträffa

9. Alert Duration – specificera tidsintervallet för larmet innan det ska startas

6. Datapaket

Strukturen av datapaketen som skickas från noderna till basstationen är uppbyggda enligt tabell 5 nedan, som visar storleken för varje del i paketet.

Tabell 5. Visar paketstrukturen som MTS400 skickar.

Bytes: 5 0/7 4 2 2 2 20 2 TinyOS Header XMesh Header XSensor Header

Spänning Fuktighet Temperatur … CRC

MTS400 Payload

Källa: XServe User’s Manual. [M]

 TinyOS: Anger destinationsadressen, typ, grupp och längd på det aktiva meddelandet.

 XMesh header: Ger information om adressens källa och ursprung, sekvens nummer och applikations ID.

 XSensor header: Sensorns kort och paket ID. Detta fält identifierar vilken sensornod har skickat paketet och hur efterföljande data är organiserade (till exempel spänning, fuktighet, temperatur etc.).

 CRC: Paketet avslutas med CRC som är kalkylerat på hela paketet, där header och CRC fält inte är inräknade.

För att garantera att strömmen av bytes över UART är säker, utnyttjar basstationen ett seriellt ramprotokoll (eng. Serial Framer Protocol) för kommunikation med applikationen. Protokollet adderar en speciell byte (SYNC_BYTE, 7E = 0111 1110) i början och på slutet av varje paket för att indikera paketets början och slut. Utöver att skapa paketets ram tillhandahåller

ramprotokollet följande tjänster:

- Integritets kontroll via CRC: Det seriella ramprotokollet erbjuder en två bitars CRC kontroll vid slutet av varje meddelandepaket. Detta ger möjligheten för mottagande applikationer att upptäcka om paketet var skadad under