Langattoman anturiverkon kokemukset ja mahdollisuudet Opportunities and experiences of wireless sensor networks

Transkriptio

1 Marko Hännikäinen, Professori, TTY Langattoman anturiverkon kokemukset ja mahdollisuudet Opportunities and experiences of wireless sensor networks

2 Sisältö WSN-tutkimus TTY:llä TTY:n mittausverkko (TUTWSN) TUTWSN-pilotointi ja WIREPAS-projekti Yhteenveto

3 WSN-tutkimus TTY:llä

4 TUTWSN-tutkimuksen sisältö 1. WSN algorithms and protocols Pm (µw) T s = 20 s T s = 100 s T s = 500 s Prx 1 P T E f E f T f m st tx btx rx brx s btx 3. Applications and & R&D Tools 100 0, fbtx (Hz) 2. Platforms and implementations TUTWSN applications SQL/ ODBC Customer application servers Java Messaging Service 3rd party service integration 4. Infrastructure and interfaces XML messaging (SOAP) TCP/IP sockets DB JMS XML TCP/IP 5. End-to-end real-life pilots TUTWSN Proxy@TUT

5 WSN vaatii kokonaisvaltaista suunnittelua Sovellukset, protokollat, alustat Cross-layer design Lifetime (energy efficiency) Intelligence (data processing in WSN Sampling interval Transmission delay Throughput Transmission reliability Network size (number of nodes) Autonomy (install, use, modify network) Robustness (node mobility, self-healing) density Range (hop distance)

6 TUTWSN-kehitysvaiheet 1. Getting the core technology working 2. Design tools and infrastructure integration 3. Applications - what can/should be done with WSNs? Teknologiapohja Ensimmäiset pilotit alkoivat vuonna 2006 Laajemmat pilotit yritysten kanssa WIA Tekes NETS-projekti HIT Tekes-projekti WIREPAS Tekes-projekti

7 TTY:n mittausverkko (TUTWSN)

8 TUTWSN-mittausverkko Laskenta- ja energiaresursseiltaan erittäin rajoittuneet laitteet muodostavat itsenäisesti laajan langattoman verkon Tavoitteina halpa hinta, pieni koko, fyysinen kestävyys, huoltovapaus, reaaliaikaisuus Verkko mittaa, tunnistaa, ohjaa, paikantaa esineitä ja henkilöitä, tallentaa ja siirtää tietoa Gate way

9 TUTWSN-verkon toiminta Gate way Gate way Gate way

10 Adhoc multihop networking of TUTWSN Autonomous operation in networking and routing No single point of failure Multiple routes through network with traffic balancing Multiple gateway points Supports movement and adding and removing of gateways and nodes without breaks Low power consumption Years of operation with AA batteries Energy efficiency also in router nodes Large network sizes (density and number of nodes) Gate way Gate way

11 TUTWSN Platforms About 60 different models 200+ pcs 800+ pcs 5 pcs 25 pcs

12 TUTWSN (2.4GHz) Printed Circuit Board Loop antenna Battery holder Pushbutton 2xLed Lux sensor Extension area for add-on sensors 3D vibration sensor (shock detection) On-board temp sensor Casing holder

13 TUTWSN Gateway Auxliary sensors DC power Ethernet Memory card

14 TUTWSN (433MHz) Long range TUTWSN node Hop distance 0.5-2km Unlimited lifetime with 10x10cm solar panel 2 years 4xAA batteries

15 TUTWSN noden anturit Lämpötila, ilmankosteus, valoisuus, CO2, liiketunnistus (infrapuna, kosketus, tärähdys, ovikytkin), melu/äänenpaine, maakosteus, sähkönkulutus, paikannus Antureita lisätään sovellusten mukaan

16 TUTWSN Firmware Sensors and actuators Luminanne Temperature Acceleration Self Diagnostics SensorOS Positioning TUTWSN node software is an embedded system running protocols and several applications Different types and number of physical sensor attached to a node Interfaces for RS232, I/O, Ethernet (TCP/IP) TUTWSN is optimised for low power consumption - lifetime up to years with AA-batteries Off-the-shelf components Platform components are replaceable Mesh technology implemented in TUTWSN firmware Network is programmable and firmware can be updated on-the-field lux T Applications SensorAPI Transfer Routing MAC G Hardware abstraction layer Processors Radios CO2 IR

17 TUTWSN-arkkitehtuuri sovelluksille TUTWSN: mittaus, ohjaus paikannus Gateway Ympäristömittaukset Henkilöpaikannus TUTWSN sovellukset Palveluntarjoajat Loppukäyttäjät Integraattorit Asiakkaan taustajärjestelmät Palveluintegrointi (esim. Google) Kotiverkko INTERNET (tai yrityksen intranet) SQL/ ODBC Java Messaging Service DB JMS XML TCP XML (SOAP, SIP) OPC RMI SIP TCP/IP sockets Tehdasmittaukset Kiinteistömittaukset Kuljetusten monitorointi, logistiikka Hallinta- ja mitoitustyökalut TUTWSN Gateway Software Rajapintastandardit sovelluksille ja taustajärjestelmiin

18 TUTWSN-pilotointi ja WIREPAS-projekti

19 WIREPAS-projekti pilotoi WSNteknologiaa eri sovellusalueissa Teknologian soveltuvuutta ja hyödynnettävyyttä osana nykyisiä ja uusia tuotealueita Teknisiä rajapintoja ja menetelmiä joilla WSN integroidaan sujuvasti ja taloudellisesti osaksi muita järjestelmiä Arvoverkostoja ja liiketoimintamahdollisuuksia WSN-verkkojen hyödyntämiseksi Piloteissa hyödynnetään TTY:n TUTWSNverkkoa, joka asennetaan käytännössä eri kohteisiin ja liitetään taustajärjestelmiin

20 Poimintoja WIREPAS-piloteista

21 TUTWSN kiinteistömittaukset, Elisa Elisan toimistotilat Pasilassa, pilotti aloitettu nodea, kaksi kerrosta ja kaksi rakennuksen siipeä, monipuoliset kiinteistö- ja kulunvalvontamittaukset WIREPAS/ELISA pilotissa kehitetään rajapintoja sensoriverkkojen automaattiseen liittämiseen osaksi taustajärjestelmiä ja nykyisiä sovelluksia (SOAP, SIP) Pilotilla kerätään tietoa teknologian käytöstä uusissa liiketoimintamalleissa ja olemassa olevien tehostamisessa

22 Jätevesilinjan valvonta, Metso Automation ja Solvay Chemicals, Voikkaa Veden noustessa kaivossa oleva node lähettää hälytysviestin MetsoDNA-järjestelmään TUTWSN node 2. pintakytkin 1. pintakytkin Jätevesiputken lämpötila

23 TUTWSN Gateway (Ethernet, Solvay Chemicals tehdasalue) 1 km Jätevesilinjan valvonta N. 5km linja, jossa 23 langatonta nodea ja 2 gateway-laitetta Kaikki hälytykset ovat saapuneet perille Mittausviive vaihtelee langattomien hyppyjen määrän mukana (10-30s) 10+ hyppyketju

24 Tehdasalueen valvonta Tehdasalueen asennus koostuu 60 nodesta ja 2:sta gateway-laiteesta Ristikytkentätilan valvonta (ovet, vikakytkimet, lämpötila- ja valovoimakkuusarvoja) Lastaustapahtumien havainnointi Lastausventtiilien asennot Säiliöauton tunnistus

25 Kainuun maakunta kuntayhtymä: Työolosuhdemittausverkko Käytetään väliaikaisissa asennuksissa eri työyksiköissä mm. lukiossa, perhekeskuksessa, ja terveysasemalla Tietoa välitetään linjaorganisaatiolle, kuntien teknisille edustajille, työterveydenhuoltoon, sekä tiedoksi työsuojelutarkastajalle Työolosuhdemittausjärjestelmä vapauttaa henkilöstöresursseja, korvaa esim. työterveyshoitajan suorittamat yksittäiset mittaukset kahden kuukauden ajan eri paikoissa

26 Henkilöturvajärjestelmä, Kainuun keskussairaala R Langaton reititin välittää hälytystiedon ja paikantaa hoitajan P P Hoitajalla paikannettava laite hälytyspainikkeella HÄLYTYS- ja PAIKANNUS-viesti langattomasti HÄLYTYS ja PAIKKA näytetään ruudulla/kännykässä Vaaratilanteessa hälytys tapahtuu painamalla noden painiketta Verkko paikantaa hälyttäjän (huoneen tarkkuus) Rajapinta Avack Oy:n informaatiojärjestelmään

27 Henkilöturvajärjestelmä, Kainuun keskussairaala Asennus kattaa tällä hetkellä osaston 12, hoitajilla koekäytössä 50 kpl kiinteästi asennettua nodea 12 paikannettavaa Hälytysviestien luotettavuus testeissä 100%, viive noin 2 sekuntia Käyttää useampaa rinnakkaista siirtoreittiä Kaksisuuntainen viestinvälitys Paikannus 90%:ssa tapauksia huoneen tarkkuudella Verkkoa voidaan laajentaa helposti vain ottamalla uusia laitteita käyttöön - ei vaadi referenssimittauksia R R R R R G R R R R R R

28 Opetusverkko TTY Verkkoa käytetään opetuksessa sekä kiinteistöjen mittauksissa ja kulun valvonnassa (TTY:n tilapalvelu) Olosuhdemittaukset (lämpö, valo, kosteus, hiilidioksidi, viherkasvien maakosteus, äänenpaine) Kulunvalvonta (liiketunnistus infrapunatunnistimilla, pietzokaapeleilla, magneettikytkimillä) Omaisuuden hallinta (kohteeseen kiinnitetyn sensorin paikannus verkon alueella) Opetuksessa painopiste on verkon hyödyntäminen Sensoriverkkoon perustuvat uudet sovellukset Helppokäyttöiset rajapinnat sovelluskehitystä varten Tyyppi Määrä 2008 Määrä 2009 Kiinteästi asennetut sensorit Liikkuvat sensorit TUTWSN Ethernet Gateway 7 10 Yhteensä

29 TUTWSN mittauspaketit loppukäyttäjille Asuinkiinteistöt, varastot, tuotanto- ja liiketilat, kasvihuoneet, toimistot Sisätilat ja ulkoalueet 1. Ympäristöolosuhteet (lämpötilat, ilman laatu, melu, kosteus) 2. Laitteiden valvonta (energiankulutus, toimintalämpötilat, kylmälaitteet) 3. Turvallisuus (liike, läsnäolo, äänet, ovi- ja ikkunakytkimet, paikannus) 4. Ohjaus (valaistus, toimilaitteet)

30 Online java, web applications

31 Muita pilottikohteita mm. CargoTrax Singapore, kuljetusten monitorointi konttilaivan ruumassa Poliisiammattikorkeakoulu, Tampere, henkilöiden paikannus harjoitusalueella Kemi-Tornionlaakson koulutuskuntayhtymä Lappian kiinteistöjä (kiinteistömittaukset, tilojen käyttöaste, energiansäästö) Ympäristömittaukset Kangasalla, 6 km2 alueella viljelysmaat, metsät, järvet, puutarhat ja pihat Kangasalla

32 Yhteenveto

33 TTY:n WSN-teknologia TUTWSN-mittausverkko on toimintavalmis ja kaupallistamisvaiheessa

34 Kokemukset WSN kehityksessä ja pilotoinnista: haasteet ja ratkaisut Tekniikka Yhden pisteen optimointeja - ei vakiintuneita rajapintoja ja työkaluja De-facto standardin puuttuminen - ja luja usko siihen Sovellukset Enabaloiva teknologia Killer-sovelluksen puuttuminen - ja luja usko siihen Yksittäinen helppo mittaustieto on halpa ( hyvä idea jos joku maksaa ) Tekniikka Kokonaisuuden hallinta (cross-layer) WSN kootaan standardeista komponenteista ei yhdestä isosta standardista Sovellukset Tarvitaan uusia sovellusalueita ja liiketoimintamalleja Vaikeat ympäristöt ja yksinkertaiset sovellukset