Asumisen anturiratkaisut

Transkriptio

1 Asumisen anturiratkaisut ECOmfort living Tutkimusryhmän johtaja, vanhempi tutkija Mikael Soini TTY ELE Rauma

2 Mittaukset/ohjaukset/hyödyt Valoisuus Paloilmaisin Liiketunnistin Kaukolämpö Kulunvalvonta Vesivuoto Lämpötila Paikkatieto Sähkönkulutus Toimilaitteiden tilatiedot Vedenkulutus Häkäilmaisin Kosteus Murtohälytin Hiilidioksidi Tiedonkeruu Hyödyntäminen

3 Sensoriverkot Anturi muuttaa fyysisen ilmiön sähköiseksi signaaliksi Sensorisolmuon sensoriverkon perusyksikkösis. mm. anturin, mikroprosessorin, teholähteen ja kommunikointimoduulin Sensoriverkkosisältääuseita solmuja, jotka välittävät (yhdessä) tietoa ympäristöstä ja komentoja ympäristöön. Sensoriverkon (ja Internetin) kautta käyttäjä voi kerätä ympäristöstä informaatiota ja ohjata erilaisia laitteita SENSORIVERKKOJEN OMINAISUUKSIA Ad hoc asennus Huoltovapaa toiminta Langattomuus Dynaaminen muokkautuvuus TÄRKEIMMÄT TOIMINTAPARAMETRIT Elinikä Luotettavuus Robusti toiminta Tietoturva Sensori Sensoriverkko KERÄTYN TIEDON HYÖDYNTÄMINEN Tapahtumien havainnointi Periodiset mittaukset Kohteiden seuranta Käyttäjän paikantaminen

4 Sensoriverkot kiinteistöissä Hinta Laitteiden hintakriittisyys yksinkertaiset komponentit Asennettavuus vapaampi sijoittelu Muunneltavuus/laajennettavuus erityisesti saneerauskohteet Yhteensopivuus tyypillisesti paljon erillisjärjestelmiä Käytettävyys Helppo liitettävyys ja ylläpito Haastava ympäristö Toimintaetäisyydet haastavia signaalin eteneminen Energiansaanti Virrankulutus minimoitava paristot, akut Luotettavuus Verkon toiminta, elinikä, tietoturva Sensoriverkko kiinteistöympäristössä PARAMETERS VALUES Amount of nodes ~1 to 1 Communication interval ~,1 to 1 packets per minute Packet size ~1 bits Delay ~1 to 1 ms Data rate ~1 kilobits per second (kbps) Node mobility ~Very low

5 Perustaa kehitystyölle Signaalin eteneminen kiinteistössä Laskenta-, energia-, muisti- ja tiedonsiirtokapasiteetti Kompaktit sovelluskohtaiset sanomat Application specific, Open source Monihyppyverkko

6 Kilavi-alustan kehittäminen

7 Signaalin eteneminen kiinteistössä σ σ λ π X d d n d X d d n d P d P L L + + = + + = log log log 1 ) ( ) ( Simuloinnit ja mittaukset: 22-23

8 Kilavi-sanomat Kompaktit sovellusspesifiset sanomat E = U I t Sanomien määrittelytyö: 22-24

9 Verkon toimintaperiaatteet Monihyppyverkko (multihop) Reitin muodostus η = rf P N n T ( Nr) ( Nr) P R n 1 = = N n PT ( r) N r P R Postilaatikkotoiminta Verkon toiminnan määrittely: 24-26

10 Sensorisolmun elinikä Solmujen elinikäriippuu mm. kommunikointi-intervallista, kommunikointitavasta ja pakettien koosta Lifetime (in years) P=4mW, Tf=5s RTS (1) RTS/CTS (1) RTS (2) RTS/CTS (2) Lifetime (in years) Tf=5s, L=9bytes RTS (1) RTS/CTS (1) RTS (2) RTS/CTS (2) Lifetime (in years) P=4mW, L=9bytes RTS (1) RTS/CTS (1) RTS (2) RTS/CTS (2) t LIFETIME t t SLEEP TOT = Data Packet Size (Bytes) E P = t = 1 T E U TX Q U = I U I F _ DATA t + p T Q = I ACK TOT AVG F _ POLL = Pow er (mw) QTOT I X t TX t + (1 p) T X DATA = F _ POLL I S Q + T M M Q + T TX TX + ( Q p + Q ( p) ) ACK Q TOT DATA Communication frequency (packets/min) 1 1 T POLL Virrankulutusmittaukset: 26

11 Verkon luotettavuus Verkon luotettavuus riippuu mm. solmujen, datan ja hyppyjen määrästä 1, 1,,9,9 Singlehop Network Reliability (1) Singlehop (M=bpsk, R=5kbps, Network L=32bits) Reliability (1) (M=bpsk, R=5kbps, L=32bits) 1, 1, Multihop Network Reliability (1) Multihop (M=bpsk, R=5kbps, Network Ns=28, Reliability Ni=4) (1) (M=bpsk, R=5kbps, Ns=28, Ni=4),8,9,8 4 nodes,9 4 nodes Payload, 32 bits 8 nodes Payload, 32 bits, nodes nodes Payload, 128 bits, nodes nodes Payload, 128 bits Payload, 256 bits 28 2 nodes nodes Payload, 256 bits Payload, 512 bytes 28 nodes,6 Payload, 512 bytes,8, , Packets/minute/node Packets/minute/node 1 1 Packets/minute/node Packets/minute/node 1, 1, Multihop Network Reliability (2) Multihop (M=bpsk, L=32bits, Network R=5kbps) Reliability (2) (M=bpsk, L=32bits, R=5kbps) Multi-hop vs. Single-hop Reliability (M=bpsk, Multi-hop L=32bits, vs. Single-hop R=5kbps, Ns=28, Reliability Ni=4) 1, (M=bpsk, L=32bits, R=5kbps, Ns=28, Ni=4) 1, Verkkosimulaatiot: 26,9,9,9,9 1 branch, 28 nodes 1 branch 2 branches, 1 branch, nodes 2 branches 1 3 branches, 2 branches, nodes nodes 4 branches 2 branches 4 branches, 3 branches, nodes nodes single_hop 4 branches 4 branches, 112 nodes single_hop,8,8, , Packets/minute/node Packets/minute/node 1 1 Packets/minute/node Packets/minute/node

12 Tietoturva Solmujen rajallinen laskenta-, energia-, muisti-ja tiedonsiirtokapasiteetti aiheuttaa rajoituksia käytettäviin menetelmiin. Tästäsyystämm. käytettävät algoritmit ja salausavainten pituudet on valittava huolellisesti. Lisäksi sensoriverkon toimintakyky ja luotettavuus eivät saa kärsiä tietoturvaominaisuuksien vuoksi. Sensoriverkko tarvitsee tietoturvajärjestelmän, joka mahdollistaa ainakin käytettävien sanomien salauksen, autentikoinnin sekäeheyden ja tuoreuden varmistamisen RC5 Salaus Autentikointi Energy (uj) Energy distribution in data transmission 8MHz Authentication Encyption TX payload f = 8 MHz w = 16 bits r = Data length (bytes) Tietoturvamittaukset: 29 Time (ms) Time distribution in data transmission 8MHz Authentication Encyption TX payload 3,7 f = 8 MHz 3,3 w = 16 bits 3, r =12 2,6 3, 2,7 2,2 2,3 1,8 1,9 1,5 1,5 1,2 1,1,8 2, 2,7 3,3 4, 4,7 5,4 6, 6,7, Data length (bytes)

13 Tuloksia kehitystyöstä Ymmärrys signaalin etenemisestä kiinteistöympäristössä Paristokäyttöisille sensoreille saavutetaan useamman vuoden toiminta-aika Ratkaisun soveltaminen on mahdollista suuren sensorimäärän sisältäviin verkkoihin Tietoturvaominaisuudet takaavat turvallisuuden ilman merkittäväävaikutusta verkon toimintaan Yksinkertainen protokolla ja lyhyet datapaketit takaavat verkon varmatoimisen järjestelmän

14 Julkaisuja Tieteelliset julkaisut Oksa, P., Soini, M., Sydänheimo, L. & Kivikoski, M. 28. Kilavi platform for wireless building automation. Energy and Buildings Journal 4 9, pp Soini, M.N.K., Van Greunen, J., Rabaey, J.M. & Sydänheimo L.T. 27. Beyond sensor networks: ZUMA middleware. 27 IEEE Wireless Communications & Networking Conference, Hong Kong, March 27 Soini, M.N.K., Sydänheimo, L.T. & Kivikoski, M.A. 27. Reliability and scalabilityof the Kilavi building control platform. ISCE 27, the 11th Annual IEEE International Symposium of Consumer Electronics, Irwing, Texas, USA, 2-22 June 27 6 p. Sikkilä, H., Soini, M., Oksa, P., Sydänheimo, L. & Kivikoski, M. 26. KILAVI wireless communication protocol for the building environment - security issues. Proceedings of the 26 IEEE Tenth International Symposium on Consumer Electronics (ISCE 26), 28 June -1 July 26, St. Petersburg, Russia 6 p. Soini, M., Sikkilä, H., Oksa, P., Sydänheimo, L. & Kivikoski, M. 26. KILAVI wireless communication protocol for the building environment - networking issues. Proceedings of the 26 IEEE Tenth International Symposium on Consumer Electronics (ISCE 26), 28 June -1 July 26, St. Petersburg, Russia 6 p. Pere, N., Soini, M., Sydänheimo, L. & Kivikoski, M. 25. Wireless information centre concept in the building environment. In: Fapojuwo, A.O. (ed.). The IASTED International Conference on Wireless Networks and Emerging Technologies, July 19-21, 25, Banff, AB, Canada pp P. Ali-Rantala, L. Sydanheimo, M. Keskilammi and M. Kivikoski, Indoor propagation comparison between 2.45 GHz and 433 MHz transmissions, Proc. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 1, June 22, pp P. Ali-Rantala, L. Ukkonen, L. Sydanheimo, M. Keskilammi and M. Kivikoski, Different kinds of walls and their effect on the attenuation of radiowaves indoors, Proc. IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Vol. 3, June 23, pp Päättötyöt Sikkilä, Hannu, Diplomityö, Kiinteistön langaton viestintä, Tampereen teknillinen yliopisto, 27. Torniainen, Mikko, Diplomityö, Tehonkulutuksen optimointi kiinteistön langattomissa sensoreissa, Tampereen teknillinen yliopisto, 25. Soini, Mikael, Väitöskirja, Studies towards developing wireless control and monitoring reliability and usability in a building, Tampereen teknillinen yliopisto, 27.

15 Mittaukset/ohjaukset/hyödyt Valoisuus Paloilmaisin Liiketunnistin Kaukolämpö Kulunvalvonta Vesivuoto Lämpötila Paikkatieto Sähkönkulutus Toimilaitteiden tilatiedot Vedenkulutus Häkäilmaisin Kosteus Murtohälytin Hiilidioksidi Tiedonkeruu Hyödyntäminen

16 Projektit MITÄON TEHTY: Kehitetty keino (Kilavi) kerätä tietoa kiinteistöstä Luotettavuus, toimivuus, energiatehokkuus, Kilavi ja ILTa MITÄNYT: Kilavin käyttöönotto Sensorisolmujen ja verkon toteutus Verkon toiminnan testaaminen Tiedonkeruu- ja ohjaussovellukset ECOmfort living MITÄSEURAAVAKSI: Toiminnalliset tilat Käyttäjätapaukset, kerätyn tiedon käyttäminen: mm. paikkatieto?

17 ECOmfort living