KANDIDAATINTYÖ 2012. Mikko Linnamaa

KANDIDAATINTYÖ 2012 Mikko Linnamaa

Aalto-yliopisto Sähkötekniikan korkeakoulu Elektroniikka ja sähkötekniikka Mikko Linnamaa Integroidut anturiverkot Kandidaatintyö 10.5.2012 Työn ohjaaja: Doc. Petri Kärhä

ii AALTO-YLIOPISTO SÄHKÖTEKNIIKAN KORKEAKOULU PL 13000 00076 AALTO TEKNIIKAN KANDIDAATINTYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Mikko Linnamaa Työn nimi: Integroidut anturiverkot Koulutusohjelma: Elektroniikka ja sähkötekniikka Päiväys: 10.5.2012 Sivumäärä: [4+26] Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Ohjaaja: Doc. Petri Kärhä Kieli: Suomi Työssä tehtiin ajantasainen kirjallisuuskatsaus integroiduista anturiverkoista. Anturiverkko koostuu solmuista, nieluista ja käyttäjästä. Solmut sisältävät anturin, anturiin integroidun elektroniikan ja lähetin-vastaanottimen. Solmut lähettävät mitattua tietoa radioaaltona tai optisesti toisten solmujen kautta nielulle. Nielu kerää anturiverkon tiedot yhteen ja lähettää ne käyttäjän nähtäväksi. Käyttäjä valvoo mitattavaa ilmiötä ja anturiverkon toimintakuntoa. Anturiverkkojen tyypillisimpiä sovelluskohteita ovat valvonta, turvallisuus ja terveydenhuolto. Anturiverkot soveltuvat hyvin vaativiin olosuhteisiin. Anturiverkkojen yleistymistä hankaloittavat solmujen rajallinen tehonlähde ja monimutkaiset reititysprotokollat. Avainsanat: Integroidut anturit, anturiverkot, langaton viestintä, reititys, teho Tiivistelmä

iii Alkusanat Haluan kiittää ohjaajaani dosentti Petri Kärhää, joka sai minut kiinnostumaan integroiduista anturiverkoista ja auttoi työn valmistumisessa. Palaute ja vinkit olivat erittäin hyödyllisiä työn eri vaiheissa. Haluan myös kiittää kaikkia pienryhmän jäseniäni, Topi-Pekka Kääriää, Tommi Jokelaa, Tuukka Kontkasta ja Ville Niirasta hyvistä parannusehdotuksista ja työn tekemisen motivoimisesta. Otaniemi, 20.4.2012 Mikko Linnamaa

iv Sisällysluettelo Tiivistelmä... ii Alkusanat... iii Sisällysluettelo... iv Symbolit... v 1. Johdanto... 1 2. Anturiverkon rakenne... 3 2.1. Solmu... 4 2.1.1 Mittaava osa... 5 2.1.2 Tiedon käsittely... 5 2.1.3 Viestintä... 6 2.1.4 Tehon saanti ja käyttö... 6 2.1.5 Epäluotettavuus... 7 2.2. Nielu... 8 2.3. Käyttäjä... 8 2.4 Verkon suunnittelu... 9 3. Kommunikointi ja protokollapino... 11 3.1 Reititys... 12 3.2 Huutaminen ja juoruaminen... 13 3.3 Tiedon yhdistäminen... 14 3.4 Protokollien vertailu... 15 4. Sovellukset... 18 4.1 Sotilaskäyttö... 18 4.2 Aktiivisen tulivuoren valvonta... 20 5. Yhteenveto... 24 6. Lähteet... 25

v Symbolit U E f P t α PA k R k d Jännite Energia Taajuus Teho Aika Siirtoyhteydellä tarvittava energia Solmun jäljellä oleva energia Solmun hajoamistaajuus Solmun toimivuuden todennäköisyys Etäisyys

1 1. Johdanto Viimeaikaiset kehitykset integroidussa piiriteknologiassa ja langattomassa viestinnässä ovat parantaneet monien elektronisten laitteiden ominaisuuksia. Samalla kun teknologia on mennyt eteenpäin, laitteiden tuotantokustannukset ovat tulleet alaspäin. Nämä seikat ovat mahdollistaneet mm. integroitujen antureiden massatuotannon ja idean langattomista integroiduista anturiverkoista. Anturiverkot ovat parhaillaan kehittymässä ja yleistymässä. Tämä tekee anturiverkoista mielenkiintoisen tutkimuskohteen. Tässä työssä luodaan kirjallisuuskatsaus integroituihin anturiverkkoihin. Langaton integroitu anturiverkko koostuu käyttäjästä, nielusta ja suuresta määrästä yksittäisiä antureita, jotka on sijoitettu tutkittavaan kohteen sisälle tai sen ympärille. Näiden yksittäisten anturien tärkeimpiä tehtäviä ovat ympäristön muutosten havaitseminen, nopea tiedon käsittely ja tiedon lähettäminen eteenpäin. Yksittäisten anturien keräämät tiedot lähetetään nieluun, joka puolestaan välittää tiedon internetin tai satelliitin kautta käyttäjälle. Yksittäisten solmujen pitää kuluttaa mahdollisimman vähän tehoa suorittaessaan niille määrättyjä tehtäviä. Tämän vuoksi suora langaton tiedonsiirto nieluun ei aina ole mahdollista liian suuren etäisyyden takia. Tieto voidaan siirtää nieluun muiden verkossa olevien anturien kautta. Näin anturit siis lähettävät tietoa toisille samassa verkossa oleville antureille. Antureiden pitää olla myös halpoja rakentaa ja niiden pitää toimia itsenäisesti ilman huoltotoimenpiteitä. Langattomat integroidut anturiverkot tarjoavat levitetyn tietoverkon, Internetyhteyden antureihin, verkon ohjauslaitteet ja signaalin prosessoinnin. Langattomat integroidut anturiverkot yhdistävät anturiteknologian, pienitehoisen signaalinkäsittelyn ja halvan langattoman tietoliikenteen yhdessä kokonaisuudessa. Integroiduissa anturiverkoissa käytetään myös hyväksi kehittynyttä verkon monitorointiteknologiaa ja verkonhallinta-ominaisuuksia. Anturiverkolla voidaan

2 tarkkailla paikkoja jonne ihmiset eivät pääse, kuten esimerkiksi meren pohjaa, jonkin suuren laitteen sisätiloja tai kemiallisesti saastunutta aluetta. Yleisimpiä anturiverkkojen sovelluskohteita ovat esimerkiksi terveydenhuolto, valvonta, sotilaskäyttö ja turvallisuus. Anturiverkot kehittyvät koko ajan ja vielä ei tiedetä kuinka suurta roolia integroidut anturiverkot näyttelevät tulevaisuudessa. Luvussa 2 perehdytään integroidun anturiverkon rakenteeseen ja verkon eri osien toimintaan. Tässä luvussa esitetään myös anturiverkkojen suurimmat rajoitteet ja tulevaisuuden haasteet. Lisäksi katsotaan mitä anturiverkon suunnitteluun kuuluu ja mitä seikkoja siinä pitää ottaa huomioon. Luvussa 3 perehdytään tarkemmin anturiverkon käyttäytymistä ohjaaviin protokolliin. Tässä luvussa esitetään yleinen anturiverkkojen solmujen ja nielujen käyttämä protokollapino. Nämä protokollat ja algoritmit määräävät esimerkiksi, mitä reittejä pitkin solmut lähettävät informaatiota nielulle. Luvussa esitetään yksinkertaisimpien reititysprotokollien, huutamisen ja juoruamisen, toimintaperiaatteet ja katsotaan mitä ongelmia niissä on. Luvun lopuksi esitetään ajankohtaisimmat reititysprotokollat ja vertaillaan niitä. Tämän työn neljännessä luvussa tarkastellaan anturiverkkoja sotilaskäytössä ja aktiivisen tulivuoren seurannassa.

3 2. Anturiverkon rakenne Anturiverkko muodostuu käyttäjästä, nielusta ja solmuista kuvan 1 mukaisesti. Verkon toiminnan kannalta on olennaista, että jokaisella anturiverkon osalla on oma tehtävänsä, joka sen tulee toteuttaa. Jokaisen integroidun anturin tehtävänä on kerätä mitattavaa informaatiota ja lähettää sitä nielulle. Informaatio lähetetään nielulle eri reittien kautta, joten anturien tulee pystyä vastaanottamaan toisilta antureilta lähetettyä informaatiota. Jokainen verkon solmu toimii siis reitittimenä, eli ne välittävät tietoa tietoverkon eri osien välillä. Nielun tehtävä on kerätä anturien lähettämä informaatio ja kommunikoida verkon käyttäjän kanssa internetin tai satelliitin välityksellä. 1 Kuva 1. Anturiverkon rakenne. Solmut ovat levitettynä anturikentälle, jossa ne keräävät tietoa tutkittavasta ympäristöstä. Solmu A lähettää tietonsa reittiä B-C-D-E pitkin nielulle. Nielu kerää kaikkien solmujen tiedot ja lähettää ne käyttäjän nähtäväksi. 1

4 2.1. Solmu Solmun tärkeimmät tehtävät ovat tiedon kerääminen mitattavasta ympäristöstä, pienimuotoinen tiedon käsittely, tiedon lähettäminen eteenpäin ja tiedon vastaanottaminen. Näitä tehtäviä hoitaa solmun neljä tärkeintä osaa; mittaava osa, prosessoiva osa, tehoyksikkö ja lähetin-vastaanotin. Solmun rakennetta on havainnollistettu kuvassa 2. Solmun ulkonäkö voi olla esimerkiksi kuvan 3 kaltainen. Mittaavassa osassa sijaitsee anturi, joka kerää informaatiota mitattavasta ympäristöstä. Prosessoivassa osassa tietoa prosessoidaan ja tarvittaessa varastoidaan. Lähetin puolestaan lähettää prosessorilta saamansa tiedon eteenpäin. Tehoyksikön tehtävänä on syöttää tehoa solmun eri osille. Kuva 2. Solmun rakenne. 1 Solmuilla voi olla lisäominaisuuksia anturiverkon tehtävästä ja käyttötarkoituksesta riippuen. Solmussa voi olla sijainninjäljityslaite, jolla solmun sijainti voidaan paikantaa. Useimmat mittaustapahtumat vaativat tiedon solmujen paikoista ja myös monet reititysprotokollat tarvitsevat tiedon solmujen sijainneista. Sijainninjäljityslaite on yleisesti GPS-paikannin, jolla on maksimissaan viiden metrin epävarmuus. Joissain tutkimuksissa esitetään, että kaikkien solmujen varustaminen GPSpaikantimella ei ole anturiverkkojen tapauksessa toteuttamiskelpoista. 2 Vaihtoehtoiseksi menetelmäksi solmujen paikantamiseksi esitetään menetelmää, jossa

5 vain osalla solmuista on GPS-paikannin ja muut solmut etsivät omat sijaintinsa näiden avulla. Lisäksi solmussa voi olla liikuttaja, jolla verkon käyttäjä voi liikuttaa solmua haluamaansa paikkaan tutkittavassa kohteessa. Solmussa voi olla myös erillinen tehon syöttäjä, mikäli tehon saanti on hankalaa tai solmun tehon saanti halutaan muuten erikseen turvata. Tehon syöttäjä voi olla esimerkiksi aurinkopaneeli. 1,3 Kuva 3. Esimerkki langattoman anturiverkon solmusta. 4 2.1.1 Mittaava osa Solmun mittaava osa koostuu yleensä antureista ja A/D-muuntimista. Anturi mittaa tutkittavaa ympäristöä ja luo sen perusteella analogista signaalia. Analoginen signaali muunnetaan digitaaliseksi A/D-muuntimessa ja tämän jälkeen signaali ohjataan solmun prosessoivaan osaan. Mittaava osa on koko ajan aktiivinen, minkä vuoksi anturi, datamuunnin ja puskuri pyrkivät kuluttamaan mahdollisimman vähän tehoa. 1 2.1.2 Tiedon käsittely Integroidun anturiverkon solmuihin on sisällytetty prosessori, jolla voidaan tehdä solmun sisäistä eli paikallista tiedon käsittelyä. Anturilta tulevan digitaalisen tiedon perusteella solmun prosessoiva osa tekee signaalille laskentaa ja yrittää tunnistaa, mikä tapahtuma on mahdollisesti kyseessä. Myös tapahtuman tunnistusprosessi on käynnissä koko ajan ja sen takia signaalin prosessoimisen pitää toimia pienellä teholla. 5

6 Kun anturi havaitsee jonkin tapahtuman, niin solmua saatetaan pyytää tunnistamaan kyseinen tapahtuma. Tämän jälkeen solmun protokollat määräävät tuleeko solmun käyttää lisää energiaa tarkempaan prosessointiin tai pitäisikö solmun mahdollisesti viestittää tapahtumasta käyttäjälle tai naapurisolmuille. 5 Solmut eivät siis lähetä raakaa tietoa toisille solmuille, vaan ne käyttävät prosessointikykyään ja lähettävät vain vaadittua ja jo osittain käsiteltyä tietoa. Näin turha tieto voidaan karsia jo hyvin aikaisessa vaiheessa ja tehon kulutusta voidaan pienentää merkittävästi. 2.1.3 Viestintä Anturiverkoissa viestintä tapahtuu langattomana tiedonsiirtona. Tiedon siirtomuoto voi olla radioaalto, infrapuna tai optinen säteily. Nykyisin anturiverkoissa eniten käytetty tiedonsiirtomuoto on radioaalto. Tiedonsiirtomuodon valinnassa tulee ottaa huomioon, että mikäli anturiverkon halutaan toimivan maailmanlaajuisesti, tulee valitun tiedonsiirtomuodon olla käytettävissä ympäri maailmaa. 1 Infrapuna- ja optinen tiedonsiirto ovat myös käyttökelpoisia vaihtoehtoja. Infrapunaan perustuvat vastaanottimet ja lähettimet ovat halvempia ja helpommin rakennettavia kuin RF-lähettimet. Infrapunan etuna on myös se, että viestintään ei tarvita erillistä lupaa, eikä infrapuna ole yhtä herkkä elektronisten laitteiden häiriöille. Optisten tiedonsiirtomuotojen suurin haittapuoli on se, että ne vaativat näköyhteyden lähettimen ja vastaanottimen välillä. Tämän takia tiheissä anturiverkoissa päädytään yleensä käyttämään radioaaltoja. 1 2.1.4 Tehon saanti ja käyttö Anturiverkoissa solmujen energiavarastojen riittävyys on suurimpia anturiverkkojen käyttöä rajoittavia tekijöitä. Anturiverkon solmut toimivat itsenäisesti ja useimmissa anturiverkko-sovelluksissa energiavarastojen täydentäminen ei ole mahdollista. Langattoman anturiverkon solmu on usein pieni mikroelektroniikkalaite, joten se voidaan varustaa vain rajallisen suuruisella energian lähteellä. Yleensä solmuun voidaan varastoida maksimissaan 0,5 Ah ja 1,2 V. Solmun elinikä riippuu

7 voimakkaasti siihen varastoidun energian määrästä, minkä takia tehon kulutuksen minimoiminen on tärkeää. 1 Integroidussa langattomassa anturiverkossa energiaa kuluu mittaamisessa, tiedon prosessoimisessa ja tiedonsiirrossa. Näistä kolmesta osa-alueesta suurin energian kuluttaja on viestintä ja tiedonsiirto. Energian kulutusta tiedonsiirrossa ja tiedon käsittelyssä on vertailtu paljon aikaisemmissa tutkimuksissa. Maan pinnalla tapahtuva tiedonsiirto kuluttaa 3 J energiaa, kun siirretään 1 kb tietoa sadan metrin päähän. Signaalin käsittelyssä puolestaan yleiskäyttöinen prosessori, jolla on vaatimaton prosessointikapasiteetti 100 (MIPS)/W, pystyy suorittamaan 300 miljoonaa toimeksiantoa samalla energiamäärällä. Tämän takia tiedonsiirtoa pyritään vähentämään tekemällä mahdollisimman paljon paikallista tiedon käsittelyä. 5 Tiedonsiirrossa tehoa kuluu sekä tiedon lähettämiseen, että tiedon vastaanottamiseen. Lyhyen matkan viestinnässä matalalla lähetysteholla (0 dbm) vastaanottamiseen ja lähettämiseen kuluu lähes saman verran energiaa. 3 2.1.5 Epäluotettavuus Anturiverkkojen toiminta on epäluotettavaa ja ne ovat alttiita erilaisille vioille. Erityisesti solmut ovat se osa verkkoa joissa vikoja tapahtuu paljon. Energiavarastojen loppuminen, edulliset laitteistot, rajoitetut resurssit ja ankarat toimintaympäristöt aiheuttavat suurimman osan solmuissa tapahtuvista vioista. Solmujen välisessä langattomassa viestinnässä syntyy virheitä. Informaatiota voi kadota törmäyksissä, kun kaksi solmua lähettää samaan aikaan tietoa toisilleen. Vaikka törmäyksiä ei tulisikaan, niin tieto voidaan menettää langattomassa viestinnässä tapahtuvan vaimenemisen takia. Langattoman viestinnän vaimenemiseen vaikuttavat solmujen välinen etäisyys, solmujen korkeuserot, antennien polarisaatiot, ympäristön olosuhteet ja fyysiset esteet. 6 Solmujen rajalliset laskennalliset resurssit aiheuttavat rajoitteita solmun kykyyn prosessoida tietoa. Tämä voi johtaa solmun vialliseen käyttäytymiseen ja erilaisiin virheisiin. Pointterit ja muistipaikat voivat vahingoittua, viestipuskurit voidaan

8 päällekirjoittaa ja jotkin mitatut informaatiot voidaan menettää. Solmu voi myös joutua lukkotilaan josta se ei voi itsenäisesti palautua. 6 2.2. Nielu Solmujen lähettämä tieto syötetään yhdelle tai useammalle nielulle. Nielu voi olla pitkän kantomatkan radio, joka yhdistää anturiverkon ja jo olemassa olevan pitkän matkan kommunikointiin tarkoitetun infrastruktuurin. Varsinainen tiedonsiirto käyttäjälle tehdään tämän infrastruktuurin avulla. Nielu voi olla myös solmu jota pystytään liikuttamaan tai mikä tahansa muu kokonaisuus jolla voidaan kerätä anturiverkon lähettämä informaatio. 7 Nielun läheisyydessä tietoliikenne on määrällisesti suurinta. Tämä saa aikaan sen, että nielua lähinnä olevien solmujen energiavarastot joutuvat huomattavasti kovemmalle koetukselle, kuin kauempana nielua olevien solmujen energiavarastot. Tämä takia nielun lähiympäristössä olevat solmut ovat alttiimpia energiavarastojen ehtymiselle ja sitä kautta toimintakyvyttömäksi tulemiselle. Viimeaikaisissa tutkimuksissa ratkaisuksi on esitetty ajatus liikkuvasta nielusta, jolla anturiverkon elinikää voitaisiin pidentää. 8,9,10 Liikkuvalla nielulla voidaan tasapainottaa anturiverkon solmujen energiavarastoja, kun nielua lähinnä olevien solmujen energiavarastot ovat loppumassa. Nielu on varustettu runsaalla energiavarastolla, koska nielut ovat tärkeämpiä verkon kokonaisuuden kannalta kuin yksittäiset solmut. Tätä energiavarastoa voidaan käyttää nielun liikuttamiseen. 11 2.3. Käyttäjä Solmujen keräämä tieto tulee nielun kautta lopulta käyttäjälle. Käyttäjällä voi olla käytössään tietokoneohjelma, joka havainnollistaa anturiverkon keräämän tiedon merkitystä. Käyttäjän tehtävä on tarkastella anturiverkon keräämää tietoa ja tehdä sen perusteella tarvittavia toimenpiteitä anturiverkon sovelluskohteesta riippuen. Käyttäjä myös valvoo anturiverkon tilaa ja toimintakuntoa. Mikäli anturiverkossa liian moni solmu on tullut toimintakyvyttömäksi, niin käyttäjä voi tarvittaessa lähettää lisää solmuja anturiverkkoon.

9 2.4 Verkon suunnittelu Anturiverkon muotoon vaikuttavat monet tekijät, joista tärkeimpiä ovat; vikasietoisuus, kustannukset, operointiympäristö, solmujen rajoitteet, viestintämuoto ja tehon kulutus. Nämä tekijät ovat tärkeitä, koska ne toimivat ohjeina anturiverkon suunnitteluprotokollille ja algoritmeille. 1 Käytännössä suunnittelu on haastava prosessi ja yleensä joudutaan tekemään erilaisia kompromisseja. Esimerkiksi hyvä vikasietoisuus vaatii enemmän solmuja, mutta tämä puolestaan lisää anturiverkon kokonaiskustannuksia. Koska anturiverkot koostuvat suuresta määrästä solmuja, niin yhden solmun hinta on tärkeä tekijä koko anturiverkon hinnan muodostuksessa. Anturiverkon tulee olla halvempi kuin tavallisten antureiden asentaminen, tai muuten anturiverkon rakentaminen ei ole taloudellisesti kannattavaa. Tämän vuoksi solmujen hintaa yritetään pitää mahdollisimman alhaisena. Anturiverkon vikasietoisuudella tarkoitetaan anturiverkon kykyä jatkaa sille määrätyn tehtävän suorittamista, vaikka joistain siihen kuuluvista solmuista tulee toimintakyvyttömiä. Anturiverkkojen solmujen epäluotettavan toiminnan takia verkon suunnittelussa pitää ottaa huomioon, että yksittäisten solmujen menetys ei vaikuta koko systeemin toimintaan. Anturiverkon solmusta tulee käyttökelvoton, jos sen energiavarasto loppuu, siihen tulee mekaaninen vika tai ympäristön olosuhteet estävät sen toiminnan. 1 Esimerkiksi jos solmut sijaitsevat talon sisällä mittaamassa kosteutta ja lämpötilaa, vikasietoisuuden voi sallia olevan hyvinkin pieni, koska solmut eivät ole suuressa vaarassa mennä rikki. Mikäli taas solmut ovat paikassa jossa ne voivat mennä helposti rikki, esimerkiksi taistelukentällä, vikasietoisuuden tulee olla hyvin korkea. Vikasietoisuuden vaatimus riippuukin suuresti verkon sovelluskohteesta. 3 Solmun toiminnan luotettavuutta voidaan kuvata kaavalla 12 R kt k ( t) e, (1) jossa kuvaa solmun k hajoamistaajuutta ja t on aika. Funktio kuvastaa sitä todennäköisyyttä, jolla solmu on vielä toimintakunnossa ajanhetkellä t.

10 Verkon suunnittelussa tulee myös ottaa huomioon, että langaton viestintä vaatii paljon tehoa. Yleisesti signaalin lähettämiseen vaadittu teho on verrannollinen lähetysetäisyyteen d seuraavasti 13 n P d, (2) jossa 2 n 4 vaihtelee antennin tyypistä ja siirtoyhteydestä riippuen. Eksponentti n on lähempänä neljää matalalla olevilla antenneilla ja maanpinnalla tapahtuvissa linkeissä, mikä on tyypillistä anturiverkkosovelluksien tapauksessa. Verkon suunnittelijan on hyvä olla tietoinen radiolinkin etäisyyden ja lähetystehon käyttäytymisestä. 3

11 3. Kommunikointi ja protokollapino Protokollapinossa on toimintaohjeet anturiverkon nieluille ja solmuille. Protokollapinossa on ohjeet siitä mitä reittejä pitkin solmut lähettävät tietoa nielulle, miten solmujen tulisi toimia tietyissä tilanteissa ja miten solmujen tulisi edistää solmujen välistä yhteistyötä. Protokollapinon rakennetta on havainnollistettu kuvassa 4. Protokollapino koostuu sovelluskerroksesta, siirtokerroksesta, verkkokerroksesta, kuljetuskerroksesta, fyysisestä kerroksesta, tehon hallintatasosta, liikkumisen hallintatasosta ja tehtävän hallintatasosta. 3 Fyysinen kerros määrittelee tiedonsiirron fyysisen luonteen, kuljetuskerros huolehtii tietopakettien perille menosta, ja sovelluskerros muodostaa käyttäjälle näkyvän sovelluksen. Kuva 4. Anturiverkon protokollapino. 3

12 3.1 Reititys Verkkokerroksessa sijaitsee ne protokollat, joiden mukaan siirtokerroksen syöttämää tietoa lähetetään nielulle. Verkkokerros siis määrää ne reitit, joita pitkin kukin solmu lähettää tietoa. Näistä protokollista käytetään usein nimitystä reititysprotokollat. Anturiverkkojen reititysprotokollien tehtävä on minimoida tiedonsiirtoa reittien etsimisessä ja tiedon välityksessä ja jakaa tietopaketit tasaisesti eri reitteihin, jotta solmut käyttäisivät energiavarastojaan tasapuolisesti. 14 Tämä lisää anturiverkon elinikää. Näiden protokollien laatiminen on kuitenkin yksi anturiverkkojen suurimpia haasteita. Monimutkaisten protokollien suunnittelu on haastavaa koska solmuilla on teknisiä rajoitteita, kuten rajallinen energia ja muisti, lisäksi verkkotopologiat saattavat ajan kuluessa muuttua. Erilaisia reititysprotokollia on monia ja uusia kehitetään koko ajan. Kuva 5. Solmun T eri reitit nielulle ja niiden vaatima teho. α on siirtoyhteydellä tarvittava energia. PA on solmun jäljellä oleva energia. Verkkoyhteyskerroksen protokollat määräävät mitä reittiä pitkin solmu T lähettää tietoa nielulle. 3 Tarkastellaan yksinkertaista kuvan 5 kaltaista esimerkkiä. Tässä tapauksessa solmu T voi lähettää tietonsa neljää eri reittiä pitkin nielulle. Nämä reittivaihtoehdot ovat:

13 Reitti 1: Nielu-A-B-T, yhteensä PA = 4, yhteensä α = 3, Reitti 2: Nielu-A-B-C-T, yhteensä PA = 6, yhteensä α = 6, Reitti 3: Nielu-D-T, yhteensä PA = 3, yhteensä α = 4, Reitti 4: Nielu-E-F-T, yhteensä PA = 5, yhteensä α = 6, joissa PA on solmun jäljellä oleva energia ja α on energiamäärä, joka tarvitaan jotta viestittäminen kyseisellä välillä onnistuu. Vaihtoehtoja on neljä ja päätös tehdään sen mukaan, mitkä seikat katsotaan olevan kyseiselle sovellukselle tärkeimpiä. Mikäli halutaan selvitä mahdollisimman pienellä energiankulutuksella, niin silloin pitäisi valita reitti 1, jonka energian kulutusta kuvaava tunnusluku α = 3 on kaikista reiteistä pienin. Jos tiedon siirrossa halutaan käyttää lukumääräisesti mahdollisimman vähän solmuja, niin silloin tulisi valita reitti 3, jossa tieto lähetetään vain solmun D kautta nielulle. Jos puolestaan halutaan käyttää sellaista reittiä, jonka solmuissa on eniten tehoa jäljellä, tulisi valita reitti 4. Vaikka reitissä 2 on suurin PA, niin se ei kuitenkaan ole paras vaihtoehto, koska se sisältää reitin 1 solmut ja yhden ylimääräisen solmun. Reittiä 1 ja reittiä 4 vertaamalla huomataan, että parempi vaihtoehto käytössä olevan tehon kannalta on neljäs reitti. 3 3.2 Huutaminen ja juoruaminen Huutaminen ja juoruaminen ovat vanhoja tiedonsiirrossa käytettäviä protokollia, jotka eivät käytä hyväkseen monimutkaisia reititysalgoritmeja tai vaadi kallista verkkotopologian huoltamista. 15 Huutamisessa solmu lähettää vastaanotettua tietoa kaikille sen naapureille, ellei paketti ole saavuttanut maksimimäärää hyppyjä tai solmu ole paketin määränpää. Juoruaminen on kehittyneempi versio huutamisesta. Juoruamisessa solmu ei kuuluta julkisesti lähettämäänsä tietoa, vaan se lähettää tiedon 3, 14 vain valituille naapureille. Huutamisen heikkoudet ovat ummistuma, päällekkäisyys ja energian sokeus. Ummistuma on tilanne, jossa solmu vastaanottaa kopioita samasta paketista. Ummistumaa on havainnollistettu kuvassa 6. Koska huutamisessa tieto lähetetään kaikille naapurisolmuille, niin tiedosta syntyy valtava määrä kopioita. Päällekkäisyys

14 tapahtuu kun kaksi solmua havainnoi samaa aluetta ja ne havaitsevat tapahtuman samaan aikaan. Tällöin naapurisolmut saavat samaa tietoa kopioina. Energian sokeus tarkoittaa sitä, että huutaminen ei ota huomioon jäljellä olevaa energiaa. 3 Kuva 6. Ummistuma. Solmu A huutaa tietoa kaikille sen naapureille ja lopulta solmu D vastaanottaa turhia kopioita samasta tiedosta. 14 Juoruamissa solmu lähettää tietoa vain yhdelle sattumanvaraisesti valitulle naapurille. Kun naapuri on vastaanottanut tietoa, niin se valitsee myös sattumanvaraisesti seuraavaan solmun, jonne tieto lähetetään. Näin vältytään ummistumalta, koska tietopaketista on olemassa vain yksi versio. Juoruamisessa kulutetaan myös huomattavasti vähemmän energiaa kuin huutamisessa. Juoruamisen haittapuoli on se, että tietopaketilla kestää kauemmin saapua määränpäähän. 3 3.3 Tiedon yhdistäminen Tiedon yhdistäminen on tekniikka, jota käytetään ummistumien ja tiedon päällekkäisyyksien välttämiseen. Jos solmu vastaanottaa toisilta solmuilta kaksi lähes identtistä ilmiötä kuvaavaa tietopakettia, niin solmu yhdistää informaation. 3 Tiedon yhdistymistä havainnollistaa kuva 7. Tiedon yhdistämisessä pitää olla tarkkana että tiedon yksityiskohdat säilyvät. Esimerkiksi tiedon alkuperäistä sijaintia voidaan tarvita joissain sovelluksissa.

15 Kuva 7. Esimerkki tiedon yhdistämisestä. Solmu E yhdistää solmuilta A ja B tulevat tiedot ja solmu F puolestaan yhdistää solmuilta C ja D tulevat tiedot. Solmu G puolestaan yhdistää solmuilta E ja F tulevat tiedot. 3.4 Protokollien vertailu Protokollat jaetaan usein datakeskeisiin, hierarkkisiin ja sijaintiin perustuviin protokolliin. 16 Yleisimmät datakeskeiset, hierarkkiset ja sijaintiin perustuvat protokollat on esitetty taulukoissa 1, 2 ja 3. Datakeskeisessä protokollassa nielu lähettää tiedusteluja tietyille alueille ja odottaa tietoa alueella olevilta solmuilta. Datakeskeinen protokolla hyödyntää tiedon yhdistämistä ja solmut päättävät onko tieto lähettämisen arvoista. Näin liiallisesta informaatiosta päästään eroon. Hierarkkisessa verkossa solmut muodostavat joukkoja, jotka lähettävät tietoa ylemmille joukoille. Tämä nopeuttaa tiedonsiirtoa ja vähentää huomattavasti solmujen energian kulutusta. Sijaintiin perustuvat protokollat käyttävät apunaan tietoa solmujen sijainneista. 14 Taulukko 1. Sijaintiin perustuvien reititysprotokollien vertailu. 14

16 Taulukko 2. Datakeskeisten reititysprotokollien vertailu. 14 Taulukko 3. Hierarkkisten reititysprotokollien vertailu. 14

17 Energiatehokkuudella kuvataan nielussa onnistuneesti vastaanotetun tiedon määrää suhteessa tietopaketin viestityksessä kulutettuun energiaan. Kulutettuun energiaan sisältyy kaikkien solmujen käyttämä energia ja energiatehokkuuden yksikkö on [Kbits/J]. Protokollat, jotka priorisoivat reittejä käytössä olevan energian mukaan, luokitellaan keskimääräiseksi energiatehokkuudeltaan. Eri reititysprotokollia voidaan vertailla tutkimalla niiden tapoja valita reitti. Reitti voidaan valita ennakoivasti, muuttuvasti tai näiden yhdistelmänä. Ennakoivat protokollat laskevat kaikki mahdolliset reitit ennen kuin niitä käytetään. Nämä reitit taulukoidaan ja tallennetaan jokaiseen solmuun. Näistä taulukoista käytetään nimitystä reititystaulukot. Koska mahdollisia reittejä on paljon, niin verkon asettumisaika on korkea ja solmut joutuvat kommunikoimaan paljon keskenään etsiessään mahdollisia reittejä ja ylläpitääkseen reititystaulukkoa. Muuttuvat protokollat puolestaan laskevat reittejä vain kun niitä tarvitaan. Tässä luokassa solmut varastoivat reitit vain lähimpiin naapureihin. Näin vähennetään reititystaulukon ylläpitoon kuluvia resursseja, mutta paketin lähetykseen kuluva aika kasvaa, koska reitti täytyy määrittää jokaisella lähetyskerralla. Yhdistelmäprotokollat yhdistävät ennakoivien ja muuttuvien protokollien vahvuudet. Yhdistelmäprotokollat käyttävä ennakoivaa tapaa tiettyyn etäisyyteen asti ja tämän etäisyyden jälkeen reititykseen käytetään muuttuvaa menetelmää. Kyseinen etäisyys riippuu yleensä hyppyjen lukumäärästä. 14

18 4. Sovellukset Anturiverkkoa voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa. Hyvin usein anturiverkot toimivat hoitamattomina kaukaisissa maantieteellisissä paikoissa, mutta anturiverkkoja voidaan käyttää myös muunlaisissa tapauksissa. Anturiverkkoja voidaan käyttää mm. kiireisessä risteyksessä, jonkin suuren koneiston sisällä, meren pohjassa, pyörremyrskyn keskellä, kemikaalisesti saastuneella alueella, kotona tai isossa asunnossa, varastohallissa tai kiinnitettynä kulkuneuvoon. Anturiverkot voivat siis toimia hyvinkin vaativissa olosuhteissa, kuten korkeassa paineessa, matalassa tai korkeassa lämpötilassa esim. lentokoneen moottorin suuttimessa. 3 4.1 Sotilaskäyttö Anturiverkoilla on armeijan tarpeisiin erittäin hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten nopea käyttöönottomahdollisuus, itsenäinen toiminta ja hyvä vikasietoisuus. Koska anturiverkon käyttöönotto tapahtuu nopeasti, niin tärkeimmät maastot ja todennäköisimmät vihollisen käyttämät hyökkäysreitit voidaan peittää anturiverkoilla. Solmut voidaan toimittaa halutulle alueelle esimerkiksi pudottamalla lentokoneesta tai ampumalla ohjuksen mukana. Näin anturit saadaan halutulle alueelle hyvinkin nopeasti ja mahdollisesti jopa sellaisiin paikkoihin jonne ei muuten edes päästäisi. Anturiverkon itsenäinen toiminta puolestaan helpottaa anturiverkon käyttöä. Anturiverkon hyvä vikasietoisuus tekee anturiverkoista soveltuvamman vaihtoehdon taistelukentille, kuin perinteiset anturit. Koska anturiverkot perustuvat tiheään asetettuihin, kertakäyttöisiin ja edullisiin anturisolmuihin, niin siitä ei ole suurta haittaa mikäli vastapuoli tuhoaa joitakin solmuja. 3 Langattomat integroidut anturiverkot voivat olla tärkeä osa armeijan viestintää, laskentaa, tiedustelua, suunnittelua ja valvontaa. Ehkä yleisin armeijan käyttämä anturiverkkosovellus on taistelukentän tai sen osan valvonta. Näin voidaan pitää tarkasti silmällä vihollisjoukkojen liikkeitä. Maaston tarkkailun ja tiedustelun ohella tyypillisimpiä anturiverkon sovelluskohteita sotilaskäytössä ovat mm. omien joukkojen ja välineiden tarkkailu, kohteeseen

19 osumisen avustaminen, taistelun tuhon arviointi ja kemikaalisten hyökkäysten havaitseminen. Omien joukkojen ja välineiden tarkkailu toimii siten, että jokaiseen yksikköön, kulkuneuvoon, varusteeseen tai ammuksiin kiinnitetään pienet anturit, jotka mittaavat kyseisen kohteen tilaa. Nämä tiedot kerätään nieluissa ja ne voidaan lähettää joukkueen johtajalle. Anturiverkkoja voidaan käyttää älykkäissä aseissa avustavana järjestelmänä helpottamaan maaliin osumista. Nämä älykkäät aseet osaavat käyttää hyväkseen anturiverkon tietoa kohteen nykyisestä ja ennustetusta sijainnista. Anturiverkko voidaan myös lähettää ennen hyökkäystä keräämään tietoa hyökkäyskohteesta, tai anturiverkko voidaan lähettää hyökkäyksen jälkeen keräämään tietoa taistelun jälkeisistä tuhoista ja arvioimaan eloonjääneiden lukumäärää. Anturiverkot voivat myös varoittaa biologisista tai kemiallisista hyökkäyksistä, tai niillä voidaan tiedustella jonkin paikan säteilyn määrää, ilman että paikan päälle lähetetään ihmisiä. 3 Kuvassa 8 on esitetty eräs tietokoneohjelma, joka näyttää anturiverkon kaikki solmut ja anturiverkon havaitsemat kohteet. Tämä ohjelma pystyy myös ennustamaan kohteiden kulkureittejä ja näyttämään ne visuaalisesti. Ohjelman näyttämää kuvaa voidaan myös suurentaa tai pienentää, mikäli halutaan tarkempaa kuvaa jostain tietystä anturiverkon osasta. Ohjelmalla voidaan myös toistaa lähihistorian tapahtumat. 6

20 Kuva 8. Tietokoneohjelma, jolla visualisoidaan anturiverkkoa ja sen havaitsemaa kohdetta. 6 4.2 Aktiivisen tulivuoren valvonta Langatonta integroitua anturiverkkoa voidaan käyttää aktiivisen tulivuoren tilan valvontaan. Anturiverkko on nykyisiin tiedonkeruuvälineisiin verrattuna pienempi, kevyempi ja lisäksi se kuluttaa vähemmän tehoa. ja anturiverkolla on. Tyypillinen nykyaikainen vulkaanista informaatiota keräävä asema koostuu joukosta isoja, raskaita ja paljon energiaa kuluttavista laitteista, joita on hankala siirtää ja jotka käyttävät auton akkuja energialähteinä. Anturiverkoilla voidaan myös hallita ja valvoa verkkoa reaaliaikaisesti, mitä ei voida tehdä useimmissa perinteisissä tiedonkeruumenetelmissä. 17

21 Kuva 9. Tulivuorta mittaavan anturiverkon arkkitehtuuri. Verkko koostuu 16 solmusta, joissa on mikrofoni ja seismometri akustisen ja seismisen informaation keräämistä varten. Solmut lähettävät tietoa toisten solmujen kautta nielulle. Nielu on yhdistetty pitkän matkan FreeWave radioon, joka lähettää tiedon havaintoasemalle, jossa anturiverkkoa valvotaan tietokoneiden avulla. GPS-vastaanotinta käytetään yhdessä ajantahdistamisprotokollan kanssa määrittämään koko verkolle yhteinen aika. 17 Vuonna 2005 anturiverkolla tutkittiin Reventador nimisen tulivuoren aktiivisuutta kuvan 9 mukaisella periaatteella. Anturiverkon kuudellatoista solmulla mitattiin tulivuoren seismisiä ja akustisia ominaisuuksia. Yksittäinen solmu varustettiin 8 dbi:n ja 2,4 GHz:n ulkoisella antennilla, seismometrillä, mikrofonilla ja anturiin liitetyllä elektroniikalla, kuvan 10 mukaisesti. Anturiin liitettyyn elektroniikkaan kuului mm. neljä AD7710 A/D-muunninta, jotka tuottivat 24 bittisen resoluution kanavaa kohti. Näytteet puskuroitiin paikallisesti 256 tavun kokoisiksi paketeiksi, joihin lisättiin vielä sarjanumero ja kellonaika. 17

22 Kuva 10. Solmu ja sen elektroniikka sijaitsevat sinisessä vesitiiviissä laatikossa. Ulkoinen antenni on kiinnitetty PVC-putken päähän, jotta maanpinnan häiriöt vähenisivät. Mikrofoni on teipattu PVC-putkeen ja seismometri on haudattu lähistöille. 17 Jokaisen solmun tehon saanti toteutettiin kahdella D-alkaliparistolla. Koska anturiverkon sijainti oli kaukainen, niin energianlähteen valinnassa oli tärkeää maksimoida solmujen elinikä. D-alkaliparistot olivat myös halpoja energiakapasiteettiinsa verrattuna ja ne eivät lisänneet merkittävästi solmujen painoa. Kahdesta D-alkaliparistosta riitti solmulle energiaa noin viikoksi. Noin 75% energiasta kului anturiin liitetyssä elektroniikassa ja tästä suurin osa A/Dmuuntimessa. 17

23 Anturiverkkoa ohjattiin ja valvottiinn tietokoneilla havaintoasemassa, joka sijaitsi noin neljän kilometrin päässä anturiverkosta. Yhteys havaintoaseman ja solmujen välillä muodostettiin FreeWave radiolla, joka käytti pitkän matkan viestimiseen 9 dbi:n suunnattavaa yagi-antennia. 17 Sovelluksessa käytetyt solmut keräsivät tietoa nopeammin kuin mitä ne pystyivät lähettämään. Solmujen muisti täyttyi noin 20 minuutissa, jonka jälkeen ne lopettivat tiedon keräämisen siihen asti kunnes tieto oli lähetetty käyttäjälle. Tietoa kerättiin 60 sekunnin ajalta kaikilta 16 solmulta. Tähän kului aikaa noin yhden tunnin verran. Kerättyä informaatiota on havainnollistettu kuvassa 11. Tunnissa siis saatiin 60 sekunnin verran tietoa tulivuoren tilanteesta ja tämä oli kyseiselle sovelluskohteelle riittävä määrä. Yksi tulevaisuuden tavoitteista on se, että kaikki tulivuoren tapahtumat pystyttäisiin keräämään. 17 Kuva 11. Anturiverkon havaitsema tapahtuma. Tapahtuma on tulivuoren maankuoren värähtely ja kuvassa on vain mitatut seismiset signaalit. Tapahtuman kohdalla ei havaittu mitään akustisia komponentteja. Tieto on käynyt läpi jälkiprosessoinnin, kuten ajan korjauksen. 17

24 5. Yhteenveto Anturiverkko soveltuu hyvin monenlaisiin etäältä tapahtuviin mittauksiin. Anturiverkko on erityisesti kätevä vaihtoehto tilanteisiin, joissa perinteiset mittausmenetelmät eivät toimi. Suurimmat rajoitteet anturiverkoilla ovat hinta, verkkotopologian muutokset ja siitä aiheutuvat protokollahaasteet, sekä kulutus. Monimutkaisten protokollien suunnittelu ja kehittäminen on haastavaa työtä, ja uusia protokollia kehitetään jatkuvasti lisää. Anturiverkon hyviä ominaisuuksia puolestaan ovat sen vikasietoisuus, nopea käyttöönottomahdollisuus ja uskollinen ympäristön havainnointi. Anturiverkkoja käytetään tänä päivänä hyvin erilaisissa sovelluksissa, mutta erityisesti tulevaisuudessa anturiverkoilla voi olla vielä mielenkiintoisempia sovelluksia.

25 6. Lähteet [1] Akyildiz, I.F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y. & Cayirci, E. 2002, "A survey on sensor networks", Communications magazine, IEEE, vol. 40, no. 8, pp. 102-114. [2] Savvides, A., Han, C.C. & Strivastava, M.B. 2001, "Dynamic fine-grained localization in ad-hoc networks of sensors", Proceedings of the 7th annual international conference on Mobile computing and networking, pp. 166. [3] Akyildiz, I.F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y. & Cayirci, E. 2002, "Wireless sensor networks: a survey", Computer networks, vol. 38, no. 4, pp. 393-422. [4] Larios, D., Barbancho, J., Molina, F. & León, C. 2011, "LIS: Localization based on an intelligent distributed fuzzy system applied to a WSN", Ad Hoc Networks, vol. 10, no. 3, pp. 604-612. [5] Pottie, G.J. & Kaiser, W.J. 2000, "Wireless integrated network sensors", Communications of the ACM, vol. 43, no. 5, pp. 51-58. [6] Arora, A., Dutta, P., Bapat, S., Kulathumani, V., Zhang, H., Naik, V., Mittal, V., Cao, H., Demirbas, M. & Gouda, M. 2004, "A line in the sand: a wireless sensor network for target detection, classification, and tracking", Computer Networks, vol. 46, no. 5, pp. 605-634. [7] Sohrabi, K., Gao, J., Ailawadhi, V. & Pottie, G.J. 2000, "Protocols for selforganization of a wireless sensor network", Personal Communications, IEEE, vol. 7, no. 5, pp. 16-27. [8] Wang, Z.M., Basagni, S., Melachrinoudis, E. & Petrioli, C. 2005, "Exploiting sink mobility for maximizing sensor networks lifetime", System Sciences, 2005. HICSS'05. Proceedings of the 38th Annual Hawaii International Conference on, vol. 9, pp. 287. [9] Gatzianas, M. & Georgiadis, L. 2008, "A distributed algorithm for maximum lifetime routing in sensor networks with mobile sink", Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol. 7, no. 3, pp. 984-994. [10] Luo, J. & Hubaux, J.P. 2005, "Joint mobility and routing for lifetime elongation in wireless sensor networks", INFOCOM 2005. 24th Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings, pp. 1735. [11] Behdani, B., Yun, Y.S., Cole Smith, J. & Xia, Y. 2011, "Decomposition algorithms for maximizing the lifetime of wireless sensor networks with mobile sinks", Computers & Operations Research, vol. 39, no. 5, pp. 1054-1061.

26 [12] Hoblos, G., Staroswiecki, M. & Aitouche, A. 2000, "Optimal design of fault tolerant sensor networks", Control Applications, 2000. Proceedings of the 2000 IEEE International Conference, pp. 467. [13] Rappaport, T.S. & Safari Books Online 1996, Wireless communications: principles and practice, Prentice Hall PTR Upper Saddle River. [14] Zungeru, A.M., Ang, L.-M., Seng, K.P., 2012, Classical and swarm intelligence based routing protocols for wireless sensor networks: A survey and comparison, Journal of Network and Computer Applications. [15] Heinzelman, W.R., Kulik, J. & Balakrishnan, H. 1999, "Adaptive protocols for information dissemination in wireless sensor networks", Proceedings of the 5th annual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and networking, pp. 174. [16] Akkaya, K. & Younis, M. 2005, "A survey on routing protocols for wireless sensor networks", Ad hoc networks, vol. 3, no. 3, pp. 325-349. [17] Werner-Allen, G., Lorincz, K., Ruiz, M., Marcillo, O., Johnson, J., Lees, J. & Welsh, M. 2006, "Deploying a wireless sensor network on an active volcano", Internet Computing, IEEE, vol. 10, no. 2, pp. 18-25.