PSOC LANGATTOMAN ANTURIVERKON MIKRO-OHJAIMENA Esitelmä Pro Gradu seminaaria varten Juho Vesanen 02/2012
Tutkimuskysymykset 2 Työ pyrkii selvittämään: Onko PSoC-mikro-ohjain soveltuva modernin langattoman anturiverkon mikro-ohjaimeksi? Tämä voidaan jakaa edelleen osaongelmiin: Mitä laitetekniikkaa moderneissa anturiverkoissa käytetään? Mitä protokollia moderneissa anturiverkoissa käytetään? Kuinka PSoC-mikro-ohjaimella toteutettu yksinkertainen langaton anturiverkko ja noodi suoriutuu muihin vastaaviin anturiverkkoihin verrattuna?
Aikaisemmin tehty tutkimus 3 Anturiverkkoja on tutkittu yli10v aikana huomattavasti. Tähän sisältyy protokollat, käyttökohteet, use caset jne. Pelkkä laitetutkimus vähäistä. Yleensä näiden kehitys on tapahtunut muun tutkimuksen ohessa. Esimerkkinä: Arvind & Wong: Speckled Computing: Disruptive Technology for Networked Information Appliances, IEEE 2004 Toteuttivat ensimmäisen PSoC-mikro-ohjainta käyttävän anturinoodin Sen energiankulutus lepotilassa 1mW, eli noin 300 µa Kuorilehto et al: Ultra-Low Energy Wireless Sensor Networks in Practise, Wiley 2007 Lainaus koskien Arvindin ja Wongin noodia: high 300 µa current consumption in sleep mode significantly reduces the achieveable lifetime of WSN applications. Yksi huono tulos ja PSoC-mikro-ohjainta ei ole käytetty muualla ikinä. Lisäksi tätä tulosta on käytetty esimerkkinä sen soveltumattomuudesta.
Miksi sitten?!?! 4 Oma, kuuden vuoden kokemus PSoC-mikro-ohjaimesta sanoo, että se on pystyvä kone ja erinomainen näihin hommiin. Esim. kymmenen mikro-ampeerin lepovirrankulutuksen saavuttaminen ei ole mikään ongelma, kun tietää mitä tekee. Arvindilla ja Wongilla saattoi olla hyvä näppituntuma täplälaskentaan, mutta juuri näistä mikro-ohjaimista eivät välttämättä tiedä paljon mitään. Tämä lähestymistapa sopii insinöörille. Tehdään kone, katsotaan miten hyvin se pelaa verrattuna naapurin koneeseen, naamioidaan koko homma tutkimukseksi kuorruttamalla insinööripuuhastelua tieteellisellä lähestymistavalla ja sopivilla lähteillä ja oikealla taustoituksella. Because I can Ja muutenkin se tekee itsetunnolle hyvää, kun tekee kunnolla jotain, jota muut eivät ole osanneet.
Työn rakenne, sisällysluettelo 5 1. Johdanto 2. Anturiverkot yleisesti Käyttökohteet, ongelmat ja haasteet, vertailu, tutkimuksen merkitys 3. Anturinoodien tekniikka Laitealustoista yleisesti, vuosina 2006..2012 tehdyt noodit, mikro-ohjaimet, radiopiirit näiden ominaisuuksia ja vertailua 4. Anturinoodien protokollat Langattomien anturiverkkojen MAC-ja reititysprotokollat, toimintaperiaatteet, ominaisuudet, resurssien kulutus 5. PSoC-mikro-ohjain ja sillä toteutettu anturinoodi Tehdään noodi ja verkko, pidetään noodin rakenne mahd. yksinkertaisena. 6. Toteutetun anturinoodin ja verkon toiminta Esitetään kuinka toteutettu anturiverkko ja noodi toimii, verrataan 7. Yhteenveto
Työn rakenne, lukujen yhteydet 6 Luku 2 - Yleistä Luku 3 - Tekniikka Etenemistahtina noin luku per kuukausi. Luku 2 helmikuun loppuun, luku 3 maaliskuussa.. Luku 4 - Protokollat Antaa mallin Luku 5 PSoC ja oma noodi Verrataan kuinka oma noodi suhtautuu Luo viitekehyksen, taustat ja käyttötapaukset analyysille Luku 6 - Analyysi Luku 7 - Yhteenveto
Langaton anturiverkko 7 Koostuu suuresta määrästä yksittäisiä noodeja, jotka mittaavat jotakin suuretta ja välittävät tietoa dataa keräävälle laitteelle Noodit eivät tarvitse erillisiä määrittelyjä, osaavat välittää muiden noodien liikennettä, sietävät topologiamuutoksia ja laitteiden vikaantumista Muita tyypillisiä piirteitä ovat lyhyt kantomatka (<100m), pieni energiavarasto (esim. 2x AA paristo), vaatimattomat laskenta- ja muistiresurssit, alhainen hankintahinta ja pitkät toiminta-ajat (joskus jopa vuosia)
Käyttökohteet 8 Käyttökohteet voidaan jakaa joko seurantaan tai valvontaan Seurannassa esim. ihmisten, autojen, eläinten, liikenteen, kuljetuskonttien, tehdas- ja muiden työkoneiden liikettä ja paikkaa Valvonnassa mitataan jotakin suuretta Ympäristön valvonta: sää, lämpötila, kosteus, tuuli, paine jne. Terveydenvalvonnassa potilaan tilaa: EEG, EKG, lihasten käyttö, asento jne. Turvallisuus ja sotilassovellukset: eri tunnistimet ja mittarit taistelukentällä tai suojeltavassa kohteessa Rakennustekniikassa: rakenteiden kosteudet, taipuminen, venyminen jne. Käytännössä eri anturiverkoissa esiintyviä antureita ja mitattavia suureita on useita satoja! Mitattavalla suureella ei olennaista merkitystä muulle verkolle
Ongelmat ja haasteet 9 Suurin haaste on virrankulutus Anturiverkon toiminta-ajan määrää noodin virrankulutus ja teholähde. Esim. 2 AA patteria ja jatkuva 10 ma virrankulutus: toiminta-aika on 25 vrk Ratkaisuna on pienentää toiminta-aikasuhdetta niin, että noodi viettää suurimman osan ajasta lepotilassa, josta herätään tekemään asioita. Verkon protokollien haasteina myös tehonkulutuksen minimointi Kysymys on siitä, että kuinka informaatio saadaan kuljetettua verkon läpi mahdollisimman pienellä energiamäärällä siten, että kuitenkin saavutetaan verkon toiminnalle asetetut muut rajat (nopeus, latenssi)? Jos noodit todella viettävät ison osan unessa, kuinka ne heräävät samaan aikaan juttelemaan keskenään? Synkronoinnin energiankulutus? Mikro-ohjainten laskentakapasiteetin rajoitukset Vaikutuksia mm. protokolliin, salaus- ja autentikointitekniikoihin jne..
Anturinoodin rakenne 10 Tyypillinen anturinoodi koostuu neljästä eri lohkosta Radio-osa, mikro-ohjain, anturit ja teholähde Suurimmat vaikutukset noodin toiminnalle on käytetyllä mikro-ohjaimella ja radiopiirillä. Kuvassa tyypillinen anturinoodi, Mica Z Mote Lähde: http://www.xbow.com/
Nykyään käytettyjä mikro-ohjaimia 11 PIC18LF-sarja: 8bittiä / 10 MIPSiä Lepovirrankulutus 2.32 µa, 1 MIPS vaatima virta 1 ma Atmega-perhe: 8bittiä / 20 MIPSiä Lepovirrankulutus 5 µa, 1 MIPS vaatima virta 0.5 ma. MSP430-perhe: 16bittiä / 8 MIPSiä Lepovirrankulutus 1.3 µa, 1 MIPS vaatima virta 0.33 ma. PSoC 1 perhe: 8 bittiä / 2 MIPSiä Lepovirrankulutus 3 µa, 1 MIPS vaatima virta ~8 ma Jos kerran PSoC:n helposti vertailtavat numerot eivät osoita sen olevan jotenkin erinomainen, niin miksi tätä oikein tehdään?
Muut mikro-ohjaimet vs. PSoC 12 Normaali mikro-ohjain sisältää perusosien lisäksi jotain kivaa karkkia. Ehkä AD-muuntimen ja oskillaattoreita ja pari PWM-lähtöä. PSoC sisältää vapaasti konfiguroitavia lohkoja. Rakenne on mitä halutaan ADC????????? PWM vs.????????? CPU CPU FLASH FLASH RAM RAM
PSoC:n sisäisestä rakenteesta 13 PSoC:n analog blocks. Tänne voi sijoitella mitä halajaa. Vaikka AD-muuntimia, suodattimia, vahvistimia, instrumentointivahvistimia
PSoC:n vahvuudet anturiverkoissa 14 PSoC:n vahvuus on, että se on Programmable System on Chip. Eli ne komponentit, jotka normaalisti sijaitsisivat mikro-ohjaimen ulkopuolella onkin integroitu samalle sirulle. Ja ovat vielä aika vapaasti konfiguroitavissa. Lisäksi systeemin sisäistä rakennetta voidaan helposti muuttaa lennossa. Tällä pystytään tekemään laitetasolla äärettömän yksinkertaisia koneita Työn alla olevassa anturinoodissa ei ole radiopiirin ja virransyötön vaatimien komponenttien lisäksi kuin yksi muu osa: PSoC mikro-ohjain PSoC:ta on käytetty yllättävän laajasti anturiverkoissa, mutta vain anturirajapinnassa Eli PSoC on vastannut antureiden liittämisestä noodin mikro-ohjaimeen Lisäksi on artikkeleita siitä, kuinka anturiverkoissa muutetaan PSoC:n sisäistä rakennetta lennossa ja etänä, jos antureita halutaan käsitellä toisin. Normaalisti tämä vaatisi uutta rautaa!
Miten tämä sitten etenee? 15 Raudan lisäksi työssä katsastetaan mitä protokollia verkoissa käytetään tällä hetkellä, kuinka ne toimivat ja mitä vaativat Näistä valitaan toteutukseen sellaiset, että toiminnasta saatavia numeerisia tuloksia on helppo vertailla muiden raportoimiin kokemuksiin Myös pelataan varman päälle, eikä valita protokollia jotka saattavat vaatia liikaa laskenta- ja muistiresursseja (niitä kun ei vaan ole) Kun systeemi on kasassa sitä mitataan eri tavoin Mittausten ja käytöstä saatujen kokemusten perusteella laaditaan analyysi, jossa reflektoidaan toteutettua noodia ja verkkoa Muihin noodeihin ja verkkoihin Muihin protokolliin Eri käyttökohteisiin Ja näistä sitten tehdään yhteenveto, joka kertoo miten se pelaa.
Työn jälkeen? 16 Mikäli työ osoittaa sen, että PSoC-mikro-ohjain on tälläkin saralla pystyvä kone, niin: Kirjoitetaan tästä artikkeli soveltuvaan julkaisuun Ja tämä toivottavasti vaikuttaa tulevaisuuden laitekehitykseen jollain tapaa Tehdään tällä verkolla jotain kivaa Sopivassa välissä katsotaan, että missä sen laskennalliset rajat oikein tulee vastaan ja mitä protokollia tälle on järkevää toteuttaa Kokeillaan tehdä joskus noodia PSoC 3 arkkitehtuurin mikro-ohjaimella. (Se PSoC 3 on jo oikea peto)
Kysyttäviä? 17 Q & A
Työn lähdeluettelo tällä hetkellä 1/2 18 [1] I. F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci, Wireless sensor networks: a survey, Computer networks, vol. 38, no. 4, pp. 393 422, 2002. [2] M. Ilyas, Handbook of sensor networks : compact wireless and wired sensing systems. Boca Raton: CRC Press, 2005. [3] S.-L. (Ed.. Wu, Wireless ad hoc networking : personal-area, local-area, and the sensory-area networks. Boca Raton FL: Auerbach Pub., 2007. [4] K. Sohraby, Wireless sensor networks: technology, protocols, and applications. Hoboken N.J.: John Wiley & Sons, 2007. [5] X.-Y. Li, Wireless ad hoc and sensor networks : theory and applications. Cambridge ;;New York: Cambridge University Press, 2008. [6] V. Kaseva, T. D. Hämäläinen, and M. Hännikäinen, A wireless sensor network for hospital security: from user requirements to pilot deployment, EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking, vol. 2011, p. 17, 2011. [7] W. Dargie and C. Poellabauer, Fundamentals of Wireless Sensor Networks - Theory and Practise. Wiley, 2010. [8] D. Trossen and D. Pavel, Sensor networks, wearable computing, and healthcare Applications, Pervasive Computing, IEEE, vol. 6, no. 2, pp. 58 61, 2007. [9] T. J. Dishongh and M. McGrath, Wireless sensor networks for Healthcare Applications. Artech House, 2010. [10] IEC 60601-1, Medical Electronic Equipment - Part 1: General Requirements for Safety and Essential Performance. International Electrotechnical Commission, 1995. [11] J. (Ed.. Zheng and A. (Ed.. Jamalipour, Wireless sensor networks : a networking perspective. Hoboken: IEEE ;Wiley-Blackwell, 2009. [12] C. Park, K. Lahiri, and A. Raghunathan, Battery discharge characteristics of wireless sensor nodes: An experimental analysis, power, vol. 20, p. 21, 2005. [13] M. Barnes, C. Conway, J. Mathews, and D. K. Arvind, ENS: An Energy Harvesting Wireless Sensor Network Platform, 2010, pp. 83-87. [14] M. Kuorilehto, Ultra-low energy wireless sensor networks in practice : theory, realization and deployment. Chichester England ;;Hoboken NJ: John Wiley & Sons, 2007.
Työn lähdeluettelo tällä hetkellä 2/2 19 [15] W. Stallings, Network and internetwork security : principles and practice. Englewood Cliffs, N.J.; New York,: Prentice Hall, ; IEEE, 1995. [16] J. Beutel, Metrics for sensor network platforms, in Proc. ACM Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks (REALWSN 06), 2006. [17] M. Kohvakka, Medium Access Control and Hardware Prototype Designs for Low-Energy Wireless Sensor Networks, 2009. [18] J. Beutel, Metrics for sensor network platforms, in Proc. ACM Workshop on Real-World Wireless Sensor Networks (REALWSN 06), 2006, pp. 26 30. [19] N. Madabhushi, KMote - Design and Implementation of a Low Cost, Low Power Hardware Platform for Wireless Sensor Networks, Indian Institute of Technology, 2007. [20] A. Rowe, R. Mangharam, and R. Rajkumar, FireFly: A time synchronized real-time sensor networking platform, Wireless Ad Hoc Networking: Personal-Area, Local-Area, and the Sensory-Area Networks, CRC Press Book Chapter, 2006. [21] H. Dubois-Ferrière, L. Fabre, R. Meier, and P. Metrailler, TinyNode: a comprehensive platform for wireless sensor network applications, in Proceedings of the 5th international conference on Information processing in sensor networks, 2006, pp. 358 365. [22] ATmega32-8-bit Microcontroller with 32 KBytes In-System Programmable Flash. Atmel Corporation, 2011. [23] ATmega48/88/168-8-bit Atmel Microcontroller with 4/8/16K Bytes In-System Programmable Flash. Atmel Corporation, 2011. [24] PIC18F8722 Family Data Sheet. Microchip Technology, 2004. [25] Y. Liu and X. Han, Analysis of the Maximal Transmission Rate Based on NRF24L01 Chip System, in Information Engineering and Computer Science (ICIECS), 2010 2nd International Conference on, 2010, pp. 1 3. [26] nrf24l01 Single Chip 2.4GHz Transceiver Product Specification. Nordic Semiconductor ASA. [27] M. Buettner, G. V. Yee, E. Anderson, and R. Han, X-MAC: a short preamble MAC protocol for duty-cycled wireless sensor networks, in Proceedings of the 4th international conference on Embedded networked sensor systems, 2006, pp. 307 320. [28] PSoC Mixed-Signal Array Technical Reference Manual (TRM). Cypress Semiconductor, 2007.