PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Architektur und Funktion von Sensorknoten

Wie ist ein Sensorknoten aufgebaut?

Welche Randbedingungen gelten bei dieser Art von Eingebetteten Systemen?

Wie werden Sensoren angebunden?

Wie kommunizieren Sensorknoten?

Sensorevolution PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Sensorevolution

Intelligente Sensoren und Anstieg der Sensordichte

• Entwicklung von Sensoren mit integrierten Informations- und Kommunikationstechnologien

  • Generation 1: Diskrete Sensoren, getrennte Sensorverarbeitung
  • Generation 2: Integrierte Smarte Sensoren
  • Generation 3: Netzwerke und Internetkonnektivität
  • Generation 4: Sensorclouds, IoT, MIIS

Sensorevolution PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Exponentieller Anstieg der aktiven Sensoren entlang der Zeitachse

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Eingebettetes System

Komponenten

• Prozessor, i.A. RISC Architektur,
• Nichtflüchtiger Programm- und Datenspeicher ROM (Read Only Memory), i.A. FLASH ROM
• Flüchtiger Programm- und Datenspeicher RAM (Random Access Memory), i.A. DRAM
• Timer und Clock Generator
• IO
  • Verdrahtete serielle Kommunikation mit I2C / UART / RS232
    • Verdrahtete serielle Kommunikation mit Ethernet
    • Drahtlose serielle Kommunikation mit Bluetooth (kurzreichweitig, P2P)
    • Drahtlose serielle Kommunikation mit WLAN (kurzreichweitig, P2M)
    • Drahtlose serielle Kommunikation mit WWAN (langreichweitig, P2M)
    • General Purpose IO (Digitale Ports)
    • Analoge Eingänge mit ADC

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Eingebettetes System

• Energieversorgung
  • Spannungskonverter
  • Spannungsüberwachung (Watchdog)
  • Energiegewinnung
  • Energiespeicher

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Eingebettetes System

Rapsberry PI

xdevs.com/article/rpi3_oc Raspberry Pi 3 Rechnerarchitektur

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Eingebettetes System

Modellierung eines Sensorknotens

Komponenten eines Sensorknotens (Datenflussarchitektur)

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Eingebettetes System

• Sensormodell: Ein Sensorknoten ist mit verschiedenen Sensoren verbunden.

  1. Dehnungsmessstreifen (elektrische Größe)
  2. Energiesensor (Ladezustand eines Energiespeichers ∼ Ladespannung)

• Energiemodell: Jeder Sensorknoten verfügt über einen Energiespeicher, der

  1. Über eine zeitlich fluktuierende Energiequelle (Energy Harvester) mit Energie gespeist wird, und der
  2. Durch Berechnungs- und Kommunikationaktivität des Sensorknotens entladen wird.

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$$\begin{gathered} E(t) = {E_0} + \sum\limits_{\tau = 0}^t {{e_{{\text{harvest}}}}(\tau )} - \sum\limits_{\tau = 0}^t {{e_{{\text{computing}}}}(\tau )} \hfill \\ {e_{{\text{computing}}}}(t) = \sum\limits_{i = 0}^n {{e_{\operatorname{instruction} }}(i)} \hfill \ \end{gathered}$$

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Eingebettetes System

• Die Bilanzierung der Energie kann vereinfacht werden: Jede elementare Berechnung des Sensorknotens benötigt die gleiche Energiemenge e_instruction.

• Energiemanagement muss verwendet werden, um mit der zur Verfügung stehenden Energie E(t) die Aufgaben und Ziele

  1. Lokal (Knotenebene) und
  2. Global (Netzwerk) zu erfüllen.

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Eingebettetes System

Prozessor

Tasks und Prozesse sind softwarebasierte oder virtuelle Einheiten. Ein Prozessor, oder allgemein eine Datenverarbeitungseinheit (Processing Element PE) ist eine hardwarebasierte physikalische Ressource, deren Anzahl und Eigenschaften i.A. zur Laufzeit fest (statisch) sind. Ein oder mehrere Prozesse {P₁,P₂,..} sowie Taks {T₁,T₂,..} können temporal verteilt einem Prozessor PE zugeteilt und von ihm ausgeführt werden.

Programm

Schrittweise Ablaufvorschrift von Anweisungen {A₁,A₂,..}

Datenpfad

Der Datenpfad eines Programms stellt alle funktionalen Anteile (mit arithmetischen, relationalen, und booleschen Operation) und den Datenspeicher dar (Register, Speicherblöcke).

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x = (a+b)/100;
y = f(a,b-1);

Beispiel für Datenpfadberechnungen in Lua

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Eingebettetes System

Kontrollpfad

Der Kontrollpfad eines Programms beschreibt und steuert die schrittweise Berechnung, die sich mit einem Kontrollflussgraphen bzw. Zustandsgraphen darstellen lässt. Der Programmfluss kann von der Entwicklung von Daten abhängen.

for i = 1 to 20 do x = x * i; end;
if x < 0 then x := 0; end;

Beispiel für Kontrollpfadanweisungen in Lua

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Eingebettetes System

(Links) Programm (Mitte) Kontrollpfad als Zustandsdiagramm (Rechts) Datenpfad auf Registerebene

Softwarearchitektur und Abstraktion PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Softwarearchitektur und Abstraktion

SNTP, Meroth, 2018 Softwareebenen in einem Sensorknoten und Abstraktionsebenen

Rechnerarchitekturen PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Rechnerarchitekturen

Datenverarbeitung kann prinzipiell

• Programmgesteuert mit einem generischen oder anwendungsoptimierten Prozessor [dynamisch], oder

• Anwendungsspezifisch [statisch] mit Register-Transfer Logik Architekturen implementiert werden. Hier wird die Maschine zur Entwicklungszeit festgelegt.

Klassifikation von Parallelrechnerarchitekturen kann basierend auf dem Flynn’schen Modell erfolgen. Klassifikation nach

• Datenstrom und
• Instruktionsstrom

zwischen Speicher- und Datenverarbeitungseinheiten.

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SISD

• Single-Instruction Single-Data Stream

Tokhi,2003 SISD Klassifikation nach Flynn: Von-Neumann Rechnerarchitektur

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SIMD

• Trennung von Instruktions- und Datenspeicher
• Ggfs. mehrere Datenspeicher

Tokhi,2003 Übergang von von-Neumann zu Harvard Rechnerarchitektur

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• Single-Instruction Multiple-Data Stream

Tokhi,2003 SIMD Klassifikation nach Flynn

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MIMD

• Multiple Instruction Multiple Data Streams
• Parallelrechnerarchitektur

Tokhi,2003 MIMD Klassifikation nach Flynn

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Rechnerarchitekturen

Shared-Memory und Distributed-Memory Multiprozessor Architektur

Tokhi,2003 SM (stark gekoppelt) und DM Architektur (schwach gekoppelt)

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Rechnerarchitekturen

Applikationsspezifische Prozessoren

• Generische Mikroprozessoren sind limitiert durch
  • fehlende oder eingeschränkte Parallelität im Datenpfad - meist nur eine Berechnung, i.R. eine funktionale Operation mit maximal zwei Operanden, pro Bearbeitungszyklus möglich (Ausnahme bei Pipelining und replizierten ALUs)
  • eingeschränkte Unterstützung bei Parallelität im Kontrollpfad - nur Pipelining mit Ausführung von mehreren Anweisungen in verschiedenen Phasen/Modulen der Verarbeitungspipeline und einfaches Multi-Threading
  • Multiprozessor Betrieb ermöglicht nur grob garnulierte Parallelität
  • Shared-Memory als globales Objekt führt zu erhöhter sequenzieller Ausführung (Mutex Scheduler muss Wettbewerb auflösen).
  • zentralern Hauptspeicher.

Rechnerarchitekturen PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

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Rechnerarchitekturen

Anwendungsspezifische Mikroprozessoren

• erweitern generische Prozessoren mit zusätzlichen Registern, Maschinenbefehlen, und spezialisierten und optimierten Funktionseinheiten.
• Es wird unterschieden: erweiterbar und rein applikationsspezifisch

• Vorteile erweiterbar:

  • Mikroprozessorkern und Software-Compiler existieren

• Nachteile erweiterbar:

  • Nur eingeschränkte Möglichkeiten der Erweiterung, keine Anpassung von Datenwortbreiten, Architekturanpassungen, etc.

Rechnerarchitekturen PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Rechnerarchitekturen

• Vorteile appliaktionsspezifisch:

  • Verbesserte Möglichkeiten der Optimierung wie Datenwortbreite, Anzahl der Bussysteme, Kommunikationsstrukturen, Architektur, usw.

• Nachteile applikationsspezifisch:

  • Es existieren keine getesteten oder verifizierten Prozessorkerne und Software-Compiler; Entwurfsprozeß daher fehleranfällig und deutlich langwieriger als bei erweiterbaren Mikroprozessoren

Kanalbasierte Datenverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Kanalbasierte Datenverarbeitung

Queues und Pipelines

Parallele Systeme die aus mehreren Prozessoren oder Verarbeitungseinheiten bestehen erfordern Datenaustausch und Synchronisation.

• Queues (First-In First-Out FIFO Speicher) können zum synchronisierten Datenaustausch zwischen einem Datenproduzenten und Konsumenten (zwei Prozessoren, Prozesse, oder PEs) verwendet werden.

• Synchronisation:

  • Blockierung des Produzenten wenn die Queue vollständig gefüllt ist, und
  • Blockierung des Kosumenten wenn die Queue kein Datenwort enthält (leer ist).

Kanalbasierte Datenverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Kanalbasierte Datenverarbeitung

Queues zum synchronem Datenaustausch zwischen Verarbeitungseinheiten und Verwendung in Pipelines

Kanalbasierte Datenverarbeitung PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Kanalbasierte Datenverarbeitung

Verwendung von Queues in Pipelines zur Steuerung des Datenflusses

Kommunikationsschnittstellen PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Kommunikationsschnittstellen

Interne Kommunikation

Anbindung von Peripheriegeräten wie Sensoren und Energiemanagement, z.B. mit I²C oder USB Verbindungen.

Externe Kommunikation

Verbindung von Sensorknoten über drahtgebundene oder drahtlose Verbindungen, z.B. mit WLAN, Bluetooth, oder RFID.

Kommunikationsschnittstellen PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Universelle Digitale Ein- und Ausgänge

SNTP, meroth, 2018 Universelle Ein- und Ausgänge müssen die Signalrichtung, den Spannungspegel, und ggfs. eine Isolation (bei Bussystemen) schlatbar ermöglichen. Häufig sind die Schnittstellen mit digitalen Registern verbunden.

Kommunikationsschnittstellen PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

• Ein- und Ausgänge können unterschiedliche elektronisch beschaltet werden

SNTP, meroth, 2018 (Oben) Beschaltung von Eingängen (Unten) Beschaltung von Ausgängen

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Nachrichtenbasierte Kommunikation

SNTP, Meroth, 2018 Vertikale und horizontale Kommunikation im Schichtenmodell: Nachrichtenbasierte Kommunikation kann über verschiedene technische Schnittstellen und Protokolle stattfinden

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Übertragungsarten

SNTP, Meroth, 2018 (Links) Übertragungsarten Simplex, Vollduplex und Halbduplex (Rechts) Unsymmetrische und symmetrische Übertragung

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I2C

• Häufig verwendete Zweidraht Kommunikationstechnologie und Protokoll für die Anbindung von Sensoren, Aktuatoren, und Schnittstellengeräten

Kommunikationsschnittstellen PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Master ist derjenige Busknoten, der die I2C-Kommunikation initiiert und beendet, den Takt für die Synchronisation der Datenübertragung bereitstellt und entsprechend der einprogrammierten Software Kom- munikationsprobleme erkennt und löst. Jeder Slave besitzt eine Adresse, die ihn in einem Bus eindeutig identifiziert. Die Adresse kann 7 oder 10 Bit groß sein und ermöglicht die Adressierung von 128 bzw. 1024 unterschiedlichen Slaves im selben Bus.

Kommunikationsschnittstellen PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

SNTP, Meroth, 2018 (verschiedene I2C Modi und deren maximale Übertragungsraten

Serial Peripheral Interface (SPI) PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Serial Peripheral Interface (SPI)

Die getaktete serielle Schnittstelle SPI (Serial Peripheral Interface), bisweilen auch Clocked Serial Interface (CSI) genannt, die in vielen Prozessortypen zur Verfügung steht, bietet einen der populärsten Wege, auf Sensoren auf der Leiterplatte oder außer- halb des Gehäuses zuzugreifen.

Serial Peripheral Interface (SPI) PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

SPI verwendet Schieberegister um Daten seriell zu übertragen

Serial Peripheral Interface (SPI) PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

SNTP, Meroth, 2018 (Links) Multigerätevebrindung als Bussystem (Rechts) Ablauf einer SPI Sequenz mit Befehlsbyte

Zusammenfassung PD Stefan Bosse - MISS - Modul B: Architektur und Funktion von Sensorknoten

Zusammenfassung

Ein Sensorknoten besteht aus:

1. Datenverarbeitung (Mikroprozessor)
2. Datenspeicher (RAM, DRAM, SRAM, ROM, EEPROM)
3. Energie (Speicherung, Gewinnung, Management)
4. Kommunikation
   • intern (intrinsisch)
   • extern (extrinsisch)
5. Sensoren
6. Aktuatoren und Mensch-Maschine Schnittstellengeräte (optional)