Workshop - Hejlova - Bezdrátová senzorová síť

transcript

www.geoinformatics.upol.cz

WORKSHOPWORKSHOP

BEZDRÁTOVÁ SENZOROVÁ SÍŤ(Wireless Sensor Network

aneb jak lze sledovat okolní prostředí?

Vendula HEJLOVÁKatedra geoinformatiky

Univerzita Palackého, Olomouc

Osnova• Jak lze monitorovat okolní prostředí?

– senzory• Bezdrátové technologie přenosu dat• Bezdrátová senzorová síť

– uzly WSN, brána, protokoly, architektura, topologie, OGC standardizace, nasazení WSN, výrobci

– co hraje roli při výběru uzlů• Bezdrátová senzorová síť v Olomouci

– uzly Waspmote Plug&Sense, protokol pro přenos dat, brána (parametry, přístup, Meshlium Manager System, uložení dat), generátor kódu, Waspmote PRO IDE

• Úprava protokolu pro přenos dat• Nasazení uzlů Waspmote P&S v terénu a jeho výsledky

Jak lze monitorovat okolní prostředí?

• Senzory (čidla)– všude kolem nás

• člověk jako senzor?• chytré telefony• geosenzor

Senzory…(čidla)…

Jak lze monitorovat, přenášet a ukládat data o okolním prostředí?

• Datalogger– zařízení určené pro ukládání dat -

paměťové karty, komunikační systémy, samostatný přístroj, který umí číst různé typy elektrických signálů

Jak lze monitorovat, přenášet a ukládat data o okolním prostředí?

• Telemetrická stanice– zařízení vybavené integrovaným dataloggerem, přijímačem asenzory

• (Bezdrátová) senzorová síť– skupina soběstačných přístrojů vybavených senzory, které spolu komunikují a posílají data do sběrného bodu (brány)

Bezdrátové technologie

• Bluetooth• Wifi• GSM/GPRS• ZigBee• 802.15.4• …

• princip rádiového vlnění

Bezdrátová senzorová síťWireless Sensor Network (WSN)

• skládá se z:– malých přístrojů, které jsou vybaveny vysílačem

a přijímačem (uzly), a senzorů, – sběrného bodu (brány),– serverové komponenty (úložiště, aplikace..)

Bezdrátová senzorová síťWireless Sensor Network (WSN)

Uzly bezdrátové senzorové sítě

• rozmístěny v terénu po desítkách až tisících komunikují mezi sebou mohou se chovat jako routery a směrovat data jsou na ně napojeny senzory snímající vybrané

prvky (podle náročnosti na snímané prvky se definuje jejich cena)

Uzel bezdrátové senzorové sítě

Brána bezdrátové senzorové sítě

• shromaždiště dat zasílaných uzly• komunikuje se serverovou částí• kontrola funkčnosti bezdrátového

systému

Bezdrátová komunikace, protokoly

• založena na rádiové komunikaci mezi uzly vzájemně i mezi uzly a bránou

krátká versus dlouhá vzdálenost standardy a služby: IEEE 802.15.4, ZigBee,

6LoWPAN, Bluetooth, GPRS, GSM, WiFi

IEEE 802.15.4

• vytvořen skupinou IEEE• vychází z 2. úrovně OSI modelu (linková, fyzická vrstva)

• pracuje v bezlicenčních pásmech (3,4 GHz, 868 GHz, 902 – 928 GHz)

ZigBee

• navazuje na IEEE 802.15.4, od roku 2004• vychází z 3. úrovně OSI modelu (síťová,

linková, fyzická vrstva)• pracuje v bezlicenčních pásmech (3,4 GHz, 868 GHz, 902 – 928 GHz)• komunikace na krátkou vzdálenost s

přenosem malého množství dat• CSMA/CA mechanismus

Architektura senzorové sítě• vrstevnatá • klastrová

Topologie bezdrátové senzorové sítě

• rozvržení uzlů v terénu hvězdicová stromová kruhová mesh - nejvyužívanější

Standardizace OGCSensor Web Enablement (SWE)

• ve světě je provozováno obrovské množství přístrojů vybavených senzory, které mají přístup do internetu

• standardizace je klíčovou podmínkou pro přenos senzorových dat i metadat, pro porovnání, kombinování informací z různých senzorů

• v rámci OGC je rozvíjena skupina standardů SWE, které mají za úkol sjednotit popis senzorů, měřených dat, přenos dat a jejich ukládání

• SWE Common Data Model – datové modely pro výměnu dat mezi uzly zapojenými do SWE rámce

• SWE Service Model datové typy užívané napříč SWE službami

Standardizace OGC

• Sensor Observation Service (SOS) – rozhraní pro webové služby k získávání observací a popisu senzorů

• Observations & Measurements (O&M) – obecné modely a XML kódování pro observace a měření

• PUCK Protocol Standard – protokol pro získání SensorML popisu jednotlivých senzorů

• Sensor Model Language (SensorML) – modely a XML schémata pro popis procesů v senzoru

• Sensor Planning Service (SPS) – rozhraní pro webové služby určující dosažitelnost kolekcí dat, požadavky na sběr dat

Možnosti nasazení bezdrátových senzorových sítí

• socioekonomické monitoring pacientů, péče o sportovce,

medicínská kontrola, detekce nehod, řízení energie v budovách, sledování vozidel, logistika...

environmentální sledování prvků znečišťujících ovzduší, kvality

vody, monitoring mikroklimatu území, uzavřených prostor (skleníků), zavlažování vinic, polí, upozornění na výskyt zemětřesení, zvýšené aktivity vulkánů, povodní…

Nasazení senzorových sítí

Salamanca

• využívá senzorové sítě společnosti Libelium vybrány dvě oblasti kolem rušných cest (klastry) uzly vybaveny GPS modulem sledované prvky - teplota, relativní vlhkost vzduchu,

NO2, O3, CO, prašné částice a míra hluku XBEE 802.15.4, komunikace v pásmu 868 GHz vymezeny limitní hodnoty, pokud jsou překročeny, tak

se vyšle na bránu upozornění v reálném čase

Salamanca

Parkování v Santanderu• 1100 uzlů se senzory monitorujícími CO, hluk,

osvětlení, teplotu a parkovací místa (detekují magnetické pole)

• kamerový systém• využívá O - TAP• digimesh, 802.15.4 protokol• limity nastaveny, při jejich překročení se vyšle

varovný signál• uzly většinu času ve spacím módu

Parkování v Santanderu

OpenSense Zürich

• projekt je zaměřen na sledování znečištění ovzduší ve Švýcarsku

• publikování dat na internetu a v mobilních aplikacích

• zobrazení aktuálního stavu znečištění ve vybraném místě

• http://www.opensense.ethz.ch/trac/

OpenSense Zürich

Smart Vineyards

• efektivní pěstování hroznového vína

• detekce nemocí hroznového vína• udržitelný management a

monitoring na vinici• https://www.youtube.com/

watch?v=Ix6GUfgEIbs• https

://www.youtube.com/watch?v=xC-SLfEe1-8

Smart Cities

• město dle požadavků jeho obyvatel..

• https://www.youtube.com/watch?v=TCbvxb5t5_8

Smart Homes

• domov na míru..

• https://www.youtube.com/watch?v=R_I2p1Tq2QU&index=1&list=UURTX4A0btp062eRjcqmoEdg

Výrobci bezdrátových senzorových sítí

• Libelium• Memsic

– řada eKo Pro Series pro venkovní použití

• Crossbow mikroklimatický senzorový systém MEP- SYS senzorové desky IRIS, MICAz, IMOTE2

Výrobci bezdrátových senzorových sítí

• TinyNode• AdvanticSys• Shimmer• Jennic• Azimut• MyAirbase

– http://www.myairbase.com/#!video

Co hraje roli při výběru součástí senzorové sítě?

• první je třeba promyslet, co se bude sledovat, kde a v jakém měřítku

• umístění (interiér, exteriér)• parametry sítě (protokol, komunikační vzdálenost,

interval záznamu, sw vybavení, velikost, váha, napojení senzorů, kalibrace..)

• parametry terénu (překážky, rušení signálu...)• sledované prvky

Bezdrátová senzorová síť v Olomouci

Výběr uzlů pro olomouckou bezdrátovou senzorovou síť

• nejdříve byla zvolena aplikace• stanovena kritéria pro výběr• navrženy jejich vhodné parametry

Výběr uzlů pro olomouckou bezdrátovou senzorovou síť

WEIGHT VALUES OF CRITERIA

ilitie

Criterion

Výběr uzlů pro Olomouckou bezdrátovou senzorovou síť

• výrobce: Libelium• uzly

– Waspmote Plug&Sense, modely:• Smart Environment, • Smart Agriculture,• Smart Agriculture PRO

• brána Meshlium

Bezdrátová senzorová síť - modely

• senzory: teplota, relativní vlhkost vzduchu, solární radiace, směr, rychlost větru, srážky, polutanty (VOC, CO, CO2, NO2)

Parametry nasazovaných uzlů

• stupeň krytí proti vniknutí vody a pevných částic IP 65• možnost rychlé a snadné výměny nebo přidání senzorové sondy• napájení pomocí solárního panelu• shromážděná data jsou uložena v lokální MySQL databázi v bráně

Meshlium (http://10.10.10.1/phpmyadmin/), je možné pomocí Ethernetu, WIFI, nebo mobilní sítě nechat data odesílat na server

Protokol pro přenos dat

• tato bezdrátová senzorová síť přenáší data na podkladě protokolu 802.15.4

• každý uzel má svou MAC adresu a ID, bráně je také přidělena MAC adresa a ID

Brána - Meshlium

• linuxový router• může

komunikovat až na pěti rozhraních (Wifi 2.4GHz, Wifi 5GHz, 3G/GPRS, Bluetooth, ZigBee)

Brána - Meshlium

Brána – Meshlium, uložení dat

Brána - Meshlium

• přístup k bráně přes wifi nebo síťový kabel, adresa– 10.10.10.1/ManagerSystem/index.php?

section=b_SensorData

Brána - Meshlium

• webové rozhraní - Meshlium Manager System

Práce s bránou

• Interface• Sensor Networks

– protokol, ověření IP adresy, nastavení ID sítě a kanálu

• Cloud Connector• Tools• System• Update Manager• Help

Generátor kódu

•http://www.libelium.com/development/waspmote/code_generator

Generátor kódu• http://www.libelium.com/development/waspmote/code_gen

erator

• nestačí vygenerovaný kód pro přenos dat, musí se opravit…– přidat PANID– nastavit komunikační kanál– enkrypční klíč

• lze nastavit mnoho dalších funkcí – kódování, spací mód… viz programovací příručka.. (http://www.libelium.com/downloads/documentation/meshlium_technical_guide.pdf)

Waspmote PRO IDE

• kódy se zobrazí a upravují v programu Waspmote PRO IDE

Úprava kódu umožňujícího přenos a čtení dat z teplotního, vlhkostního a CO2 senzoru

Zobrazení dat v rámcích

První nasazení uzlů Waspmote Plug&Sense v terénu

8.4.2014 9.4.2014 10.4.2014 11.4.2014 12.4.2014 13.4.2014 14.4.20140

AVERAGE DAILY TEMPERATUREin the Botanic Garden from 8th to 14th April

Výsledky nasazení uzlů Waspmote Plug&Sense v terénu

Druhé nasazení uzlů v terénu

Shrnutí

• sledování okolí, senzory• bezdrátové technologie• bezdrátová senzorová síť

– uzly, brána, protokoly pro přenos dat, architektura, topologie, OGC standardizace, možnosti nasazení, výrobci

– co hraje roli při výběru uzlů• bezdrátová senzorová síť v Olomouci

– uzly a jejich parametry, protokol pro přenos dat, brána, práce s bránou, generátor kódu, Waspmote PRO IDE, úprava protokolu pro přenos dat ve hvězdicové topologii

• první nasazení bezdrátové senzorové sítě v Olomouci

Závěr

• bezdrátová senzorová síť představuje novou metodu pro získání dat s vysokou hustotou a v reálném čase

• je možné ji využít k monitoringu ve velkém množství odvětví

• při umístění uzlů ve venkovním prostředí je třeba brát ohled na množství faktorů

• bližší informace o uzlech, senzorech i bráně k nalezení na stránkách společnosti Libelium

• http://www.libelium.com/

Děkuji za pozornost

…dotazy a připomínky…

vendula.hejlova@upol.cz

Workshop - Hejlova - Bezdrátová senzorová síť

Data & Analytics