PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensornetzwerke

Wie können Sensorknoten vernetzt werden?

Welche Randbedingungen gelten in Kommunikationsnetzwerken?

Was ist besonders and materialintegrierten Netzwerken?

Sensoraggregation PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensoraggregation

In sensorischen Systemen werden Sensordaten in verschiedenen Ebenen verarbeitet:

Vertikale Ebenen

Perzeption (Erfassung)

Hier findet die Akquisition der rohen Sensordaten statt. Die Sensoren sind räumlich verteilt und werden lokal vorverarbeitet.

Aggregation

Einzelne Sensordaten werden zeitlich und räumlich zusammengeführt und gesammelt (Sensorfusion)

Applikation

Die gesammelten Daten werden nutzbar gemacht: Weitere Datenverarbeitung, Aufbereitung, Eigenschaftsselektion, Informationsgewinnung, Visualisierung

Sensoraggregation PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensoraggregation

Horizontale Ebenen

• Die horizontalen Ebenen durchziehen alle vertikalen Ebenen:
  1. Sicherheit
  2. Datenverarbeitung
  3. Kommunikation
  4. Datenspeicherung
  5. Nachrichtenvermittlung
  6. Management

Sensoraggregation PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensoraggregation

Grundlegender Zusammenhang der horizontalen und vertikalen Ebenen in Sensorischen Systemen

Sensoraggregation PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensoraggregation

Räumliche Abbildung der vertikalen Ebenen auf Cloud Computing

Sensorfusion PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensorfusion

Sensorfusion PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensorfusion

• Die Genauigkeit einer Messung bzw. das Vertrauen in einen Messwert lässt sich durch Zusammenschluss und Korrelation mehrerer verschiedener Sensoren R₁,R₂, ... und Sensorsignale erhöhen s_r1,s_r2,.. ⇒ Sensordatenfusion

• So kann z.B. gleichzeitig die Dehnung mit einem Dehnungssensor (Wandlung in elektrische Widerstandsänderung) und die Temperatur mit einem Temperaturssensor gemessen werden, um auch systematischer Fehler durch Temperaturdrift der Übertragungsfunktion kompensieren zu können.

• Durch die Spannungsversorgung und ein Stromfluss I=U/R erwärmt sich ein Dehnungsmessstreifen gegenüber dem Messkörper. Je nach Wärmeleitfähigkeit des Messkörpers wird die Wärmeleistung mehr oder weniger an den Messkörper abgegeben. Bei schlecht wärmeleitenden Messkörpern kann es somit zu einem Temperaturunterschied zwischen Messkörper und Dehnungsmessstreifen kommen.

Sensorfusion PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensorfusion

www.hbm.com Gleichzeitige Messung von Temperatur und Dehnung führt zu einer Korrekturfunktion

Sensorfusion PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

• Relative Widerstandsänderung des Dehnungsmesstreifens mit Temperaturkorrektur:

$$\begin{gathered} \varepsilon = \frac{{\Delta l}}{{{l_0}}} = \frac{{\Delta R}}{{k_S{R_0}}}, \hfill \\ {k_S}(T) \approx {k_0} + bT + c{T^2} + d{T^3} + .. \hfill \ \end{gathered}$$

Sensorfusion PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensorfusion

Multisensorfusion

Sensorfusion PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensorfusion

Klassifizierung Fusion

Sensorfusion PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensorfusion

Sensor System Konfigurationen

Komplementär

Die Sensoren sind unabhängig voneinander und vervollständigen Informationen

Konkurrierend

Jeder Sensor liefert unabhängig eine Messung der gleichen Messgröße

Kooperativ

Sensoren liefern zusammen Informationen die einzelnen nicht verfügbar wären

Sensorfusion PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Schätzung (Estimation)

• Mit Schätzungstechniken lässt sich die Präzision von Messungen schlechter Qualität verbessern:
  • Mittelwertbildung (Minderung der statistischen Fluktuation)
  • Tiefpassfilter
  • Wiener Filter
  • Kalmann Filter
  • Modelbasierte Filter

Verteilte Sensornetzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Verteilte Sensornetzwerke

(Distributed Sensor Networks DSN)

• Ein verteiltes Sensornetzwerk besteht aus einer Menge von Sensor Knoten N={n₁,n₂,...}, die in einem Kommunikationsnetzwerk miteinander verbunden sind.

• Ein Sensorknoten besteht aus:

  • Einer Menge von Sensoren S={s₁,s₂,...}, wenigstens einem Sensor s (inkl. virtuellen),
  • Analoger Signalverarbeitung inkl. ADC A={a₁,a₂,...}
  • Digitale Signal- und Datenverarbeitungeinheiten P={p₁,p₂,..} und Speicher M={m₁,..}
  • Kommunikationsmodule C={c₁,c₂,...},
  • Energieversorgung und Managementmodule E={e₁,e₂,..}

Verteilte Sensornetzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Verteilte Sensornetzwerke

Aufbau und Konnektivität eines Sensorknotens

Verteilte Sensornetzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Verteilte Sensornetzwerke

• Verteilte Sensornetzwerke unterscheiden sich von klasschischer Datenverarbeitung
• DSN können räumlich und zeitlich verteilt sein - ohne zentralen Rechner
• Das Netzwerk selber ist der Rechner - eine virtuelle Maschine

Verteilte Sensornetzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

miss2k.G Von zentraler Nutzer-Applikations-orientierter (a) zu dezentraler Sensor-orientierter Datenverarbeitung (b)

Verteilte Sensornetzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Verteilte Sensornetzwerke

Anforderungen an und Fähigkeiten von DSN

Kommunikation in DSN PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Kommunikation in DSN

Nachrichtenbasierte Vermittlungsnetzwerke

• Ein Knoten eines Netzwerkes ist
  1. Quelle von Nachrichten, die Daten und somit Sensoren kapseln,
  2. Empfänger von Nachrichten, und
  3. Vermittler (Router) von Nachrichten (Zwischenknoten)

Ad-hoc Netzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Ad-hoc Netzwerke

• Ad-hoc Netzwerke deren Struktur und Verbindungen sich erst zur Laufzeit bilden.

• Dabei kann sich die Struktur (Netzwerktopologie) dynamisch ändern.

• Es können Knoten und Verbindungen zwischen Knoten hinzukommen und verschwinden.

• Selbstorganisation und Selbstkonfiguration können wesentliche Prinzipien wärend der Bildung und danach sein.

Ad-hoc Netzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Sensorknoten (aka motes)

• Übliches Designziel: klein und gunstig

• Mikroprozessor

  • wenige MHz bis einige hundert MHz
  • energiesparende Zustande

• Speicher

  • haufig nur wenige KB Arbeitsspeicher
  • teils zusatzlich Flashspeicher fur Code und Daten

Ad-hoc Netzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Ad-hoc Netzwerke

• Sensorik

  • Temperatur, Licht, Druck, Beschleunigung, Ultraschall uvm.

• Drahtlose Kommunikation

  • Reichweiten von wenigen Metern bis einige hundert Meter
  • Erste Standards, z. B. IEEE 802.15.4 (WPAN) und ZigBee

• Energieversorgung

  • heute meist Batterien
  • in Zukunft: Solarzellen und anderes Energy Harvesting

Ad-hoc Netzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Ausbringung

• Keine zentrale Infrastruktur

  • Initiale Position haufig unbekannt
  • Multihop-Kommunikation

• Aufgaben

  • Erkennen / Melden von Ereignissen
  • Beantworten von Anfragen

Ad-hoc Netzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Ad-hoc Netzwerke

KIT (Links) Technologien von Sensorknoten für Ad-hoc Netzwerk (Rechts) Dynamische Netzwerkstrukturen

Ad-hoc Netzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Ad-hoc Netzwerke

Herausforderungen

• Geringes Energiebudget
  • geringe Leistung ↔ (jahre-)lange Bereitschaft
  • Lastbalancierung, Aufteilung von Aufgaben
• Geringer Speicher, geringe Rechenleistung
  • verteilte Losungen ↔ komplexe Selbstorganisation
• Viele Sensorknoten
  • Algorithmen müssen gut mit Größe des Netzes skalieren
• Geometrie
  • enger Zusammenhang zwischen Positionen und Daten/Aufgaben
  • gemeinsame Nutzung und Störung der Funkkanäle
• Redundanz, Unzuverlässigkeit und Dynamik
  • Knoten können ausfallen, sich bewegen
  • viele Knoten können Aufgaben redundant ausführen

Ad-hoc Netzwerke PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Ad-hoc Netzwerke

Anwendungen

IP Kommunikation PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

IP Kommunikation

• Internet Kommunikation mit dem Internet Protocol (IP)
  • Netzwerkknoten benötigen eindeutige IP Adresse (nicht für MISS geeignet!)

IP Kommunikation PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

• Netzwerkadressen werden in räumlichen Domains zusammengefasst (IP4)
• Geräte benötigen daher lokale IP Adressen (u.U. wechselnd)
• IP6 ordnet Geräten eindeutige Adressen zu (mobil)

IP Kommunikation PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

IP Kommunikation

Domainen im Internet und Netze aus Netzen

IP Kommunikation PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

IP Kommunikation

• Private Netzwerke und die immer größer werdende Anzahl von Geräten erfordern bei IP4 NAT (nicht bei IP6)
• NAT: Netwrok Address Translation

Kommunikation zwichen privaten IP Netzwerken über NAT

Remote Procedure Call PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Remote Procedure Call

• Der RPC dient der Klienten-Server Kommunikation, wobei anders als bei HTTP Servern die Rolle von Klient und Server beliebig getauscht werden kann

• Es gibt drei Operationen:

Get Request (port)

Der Serverprozess gibt die Verarbeitung von RPC Anfragen auf einem bestimmten Port bekannt.

PutReply (client)

Der Serverprozess sendet eine Antwort auf eine RPC Anfrage

Transaction (port,data)

Der Klientenprozess sendet eine RPC Anfrage an einen Server (port) und wartet auf die Antwort

Remote Procedure Call PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Remote Procedure Call

Remote Procedure Call PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Remote Procedure Call

LUAOS

rpc = rpc:new()

Remote Procedure Call PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Remote Procedure Call

local rpc = rpc:new()
rpc:getreq('127.0.0.1',12345, function (request) 
  local reply = {}
  print(request)
  case request.cmd of
    "square" => y=request.x*request.x;  reply = { status = "OK", y = y } end
    "sqrt"   => y=math.sqrt(request.x); reply = { status = "OK", y = y } end
    else reply = {status = "EINVALIDMCD" } end
  end
  return reply
end)

LUAOS Serverprozess

Remote Procedure Call PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

local rpc = rpc:new()
local err,reply = rpc:trans('127.0.0.1',12345,
  {
    cmd='square',
    x=math.random()
  })
if err then print(err) else print(reply) end

LUAOS Klientenanfrage

Konzept PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

LUAOS

Konzept

LUAOS: Lua Operating System

• LUAOS wird auf einem Rechner (Netzwerkknoten) durch eine Lua VM ausgeführt (lvm)

• LUAOS bietet einen WEB basierten Zugriff auf Rechnerknoten

  • Skriptausführung über eine Shell mit Monitoring

• LUAOS:

  • Ausführung von Skripten in einem Sandkasten
  • Scheduling und Multithreading
  • Einfache Sensor und Geräte API

Konzept PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Konzept

• Ein Skript wird in einem eigenen gekapselten Thread ausgeführt (mit jeweils eigenen Ausführungszustand und VM)
  • Ein Skript kann weitere Fibers erzeugen
  • Ein Skript hat einem maximale durchgehende Laufzeit von einer Sekunde (danach wird das Skript abgebrochen)
  • Die Ausführung muss daher durch blockierende IO, der yield, oder der sleep Funktionen unterbrochen werden

WEB Interface PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

WEB Interface

• Das LUAOS ist über ein WEB Interface erreichbar

Typische Schnappschuss der LUAOS WEBAPI mit Netzwerkübersicht (links oben) und verschiedenen Fenstern

LUAOS Architektur PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

LUAOS Architektur

Verteiltes LUAOS System mit WEB API

LUVM Architektur PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

LUVM Architektur

• Die LUAOS VM (LUVM) besteht aus:
  • LUA Parser → Skripttext wird direkt in Bytecode Instruktionen übersetzt (kein Parserbaum und AST)
  • LUA Bytecode Interpreter (BC Loop ist in Assembler programmiert!)
  • LUA JIT Compiler der zur Laufzeit BC in nativen Maschinencode übersetzt
  • LUA-C API für native Erweiterungen
  • Automatisches Speichermanagement mit Garabage Collector (Nicht inkrementeller Mark & Sweep Algorithmus)
  • Asynchrone IO mit einer UV Loop (libuv, wird auch in node.js verwendet)
  • LUV: LUA-UV API Interface
  • LUV Module: Thread, Fiber, State, Filesystem (FS), Network (Net), Timer, Process, Pipe, Codec (Serialisierung)

LUVM Architektur PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

LUVM Architektur

Aufbau der LUAOS VM

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Skript API

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Fiber (koroutinen)

• Leichtgewichtige Tasks (werden geschachtelt sequenziell ausgeführt)

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Skript API

HTTP

• HTTP Server und Klienten

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Skript API

HTML

• Ein HTML Text Formattierer

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Skript API

Timer

• Intervalltimer die in Fibers und Skripten benutzt werden können um periodisch Tasks auszuführen

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Skript API

Sensor

• Zugriff auf und Implementierung von Sensoren

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Skript API

Actor

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Skript API

Punktmatrix Ausgabegerät

• 8 rows and 8 cols LED matrix
• Driven by HT16K33 chip
• Access to I2C communication pins

Skript API PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Skript API

Beispiele

-- Actor DOTS Matrix
local dot = actor:new('dots')
dot:reset()
-- dot:set(on,row,col)
dot:set(1,4,4)
sleep(1000)
dot:set(0,4,4)
-- Sensor CPU Temperatur
local s = sensor:new('temperature')
print(s:read())

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Asynchrone Ereignisverarbeitung

Synchrone Verarbeitung

Die aufrufende Operation, z.B. das Lesen aus einer Datei, wird solange "blockiert"/wartet (genauer die Prozessausführung), bis das Ereignis eingetreten ist, d.h. im Beispiel die Daten gelesen wurde.

• Eine synchrone Operation (Prozedur) gibt das Ergebnis der Operation direkt zurück

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Asynchrone Verarbeitung

Die aufrufende Operation wartet nicht auf das Eintreten des Ereignisses (keine Blockierung), und der Prozesse fährt unmittelbar danach in der Ausführung folgender Operationen fort.

• Jetzt wird eine Rückruffunktion verwendet, um beim Eintreten des Ereignisses die Daten (oder das Ereignis) verarbeiten zu können.

• In JavaScript werden i.A. alle Ein- und Ausgabeoperation asynchron ausgeführt. In Lua gibt es eine ausgewogene Mischung, bzw. die synchrone Variante ist vorherrschend.

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Asynchrone Ereignisverarbeitung

result = ioop1synchron(arg1,arg2,..)
result = ioop2synchron(arg1,arg2,..)
..

Process=ioop₁^synchron→ioop₂^synchron→next Synchrone Ereignisverabeitung

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

ioop1asynchron(arg1,arg2,..,function1 (p1,p2,..) processing end)
ioop2asynchron(arg1,arg2,..,function2 (p1,p2,..) processing end)
..

Process=ioop₁^asynchron→ioop₂^asynchron→next..→function₁→function₂ |
ioop₁^asynchron→ioop₂^asynchron→next..→function₂→function₁ |
ioop₁^asynchron→function₁→ioop₂^synchron→next.. | .. Asynchrone Ereignisverabeitung

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Asynchrone Ereignisverarbeitung

Beispiele in Lua

• Die sleep Operation kann verwendet um den aktuellen Programmfluss für eine bestimmte Zeit (Millisekunden) anzuhalten

local s = sensor:new('temperature')
local doit = true
while doit do
  local v = s:read()
  print ('The current temperature is '..v)
  sleep (1000)
end

Synchrone Verzögerung einer Serviceschleife

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Asynchrone Ereignisverarbeitung

• Alternativ kann auch ein Timer erzeugt werden. Nach dem Start des Timers (mittels der start Methode und der Angabe des Zeitintervalls bis ein Timerereignis ausgelöst wird und dem Zeitintervall zwischen zwei Ereignissen) kann mittels der wait Methode der Prozessfluss angehalten werden bis ein Timerereignis eintritt

local s = sensor:new('temperature')
local t = timer:new()
local doit = true
t:start(1000,1000)
while doit @do
  local v = s:read()
  print ('The current temperature is '..v)
  t:wait()
end

Synchrone Verzögerung einer Serviceschleife mit einem Timer

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Asynchrone Ereignisverarbeitung

local s = sensor:new('temperature')
setInterval(1000, function ()
  local v = s:read()
  print ('The current temperature is '..v)
end)

Periodische asynchrone Ausführung einer Serviceschleife

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

local H = html:new({})
local s = sensor:new("temperature")
http:service(8080,function (req,url,remote,params)
  return H:html(H:head(),H:body({
     H:h1("Temperature"),
     H:p(s:read())
   }))
end)

Asynchrone Implementierung eines HTTP WEB Servers

Asynchrone Ereignisverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Asynchrone Ereignisverarbeitung

Ereignisbasierte Verarbeitung von asynchronen Operationen in lvm: Ein Lua Thread verbunden über die Eventloop mit N IO Threads

Lua - Ausführungsmodelle PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Lua - Ausführungsmodelle

Lua - Ausführungsmodelle PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Lua - Ausführungsmodelle

Lua - Ausführungsmodelle PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Lua - Ausführungsmodelle

Threadmodell und Kommunikation der Prozesse mit geteilten Objekten

Lua - Ausführungsmodelle PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Lua - Ausführungsmodelle

IO Paralellisierung

Lua - Ausführungsmodelle PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Lua - Ausführungsmodelle

docs.libuv.org/en/v1.x/design.html Asynchrone IO mit der libuv Architektur

Lua - Ausführungsmodelle PD Stefan Bosse - MISS - Modul C: Sensornetzwerke

Aufgabe

1. Was ist der Nachteil bei der Verwendung eines Timers mit explizitem Warten auf das Ereignis im Vergleich zur sleep Operation oder der asynchronen Ausführung mittels setInterval?

2. Was sind Vorteile und Nachteile der synchronen gegenüber der asynchronen Ereignis- und Datenverarbeitung?