Großflächige drahtlose Sensor-Netzwerke zur Überwachung

Universität Rostock

Fakultät für Informatik und Elektrotechnik

Institut für Angewandte Mirkoelektronik und Datentechnik

GroGroßßflfläächige drahtlose Sensornetzwerke chige drahtlose Sensornetzwerke zur zur ÜÜberwachung der Meeresumweltberwachung der Meeresumwelt

Frank Reichenbach, Prof. Dirk Timmermann

5. April 2005

Leibniz-Institut für Ostseeforschung WarnemündeSeminar: Physikalische Ozeanographie

2Frank Reichenbach „Großflächige drahtlose Sensornetzwerke zur Überwachung der Meeresumwelt“

Agenda

Drahtlose Sensornetzwerke (DSN)Unterschiede zwischen terrestrischen und ozeanischen SensornetzwerkenProjekte in der OzeanographieZusammenfassungLiteraturangaben


Drahtlose SensornetzwerkeDrahtlose Sensornetzwerke


Definition

Philosophie:Ein einziger Sensor ist nutzlos. Erst das Zusammenwirken von hunderten oder tausenden von Sensoren bringt verwertbare Ergebnisse.

Verbund von (extrem kleinen) „Sensorknoten“Drahtlose KommunikationPlatzierung nahe oder in einem Phänomen von InteresseMessung von relevanten physikalischen Parametern


Komponenten eines Sensorknotens

Prozessor (8051)

Übertragungseinheit

Sensor (Temperatur)

Energie

Speicher Zusätzliche Komponenten:OrtungssystemEnergieerzeugungAktor"Mobilizer"


Eigenschaften

Zufällig verteiltSelbstorganisierend (Konfiguration, Heilung)KooperativVorverarbeitung von Messdatenevtl. Mobilität


Design Kriterien

Leistungsverbrauch LebenszeitFehlertolerantSkalierbarLatenz und GenauigkeitProduktionskostenHardwarebeschränkungenUmgebungÜbertragungsmedium


Topologie von DSN

1. Ausbringungsphase:Abwerfen vom Flugzeug Manuelles Platzieren(Fabrik, Haus)

2. Einsatzphase:Topologieveränderungen durchVeränderungen der:

PositionErreichbarkeitEnergieniveau


Low-Power

Neben der Größe ist ein geringer Energieverbrauch die bedeutendste Herausforderung bei der Entwicklung von drahtlosen Sensornetzwerken

1080Wiederaufladbare Lithium-Ionen

Energiedichte [J/cm3]

Batterie-/Akkutyp

8900Brennstoffzelle (Methanol)

1190Nickeleisen

864Nickel-Metall-Hydrid

2880Nichtwiederaufladbare Lithium-Ionen

Sol Jacobs, "Battery Power for Remote Wireless Sensors“, www.sensormag.com, 2003

Energie[mJ]

Aktivität

0,0018Rechenoperation(1000 Operationen)

0,032

0,001

Kommunikation (Bluetooth)(64 Bit werden gesendet)

Temperaturmessung(1 Messung)

Der Energievorrat einer 0,05 g LiIon-Polymer-Batterie beträgt 27 JBei einer Periode von 1 s für alle 3 Aktivitäten~ 9 Tage Laufzeit!


Low-Power

Low-Power-AnsatzIdealfall: Sensorknoten erzeugen sich benötigte Energie selbst

Zum Vergleich: Nominale Sendeleistung eines Klasse-2-Bluetooth-Gerätes: 1 mW

Solar (Außen, Mittagszeit) Leistungsdichte 15 mW/cm2

Vibration (Umgebung mit Vibrationen bei 28 Hz und 0,1 g)Leistungsdichte 0,124 mW/cm3


Produktionskosten

Kosten / Sensorknoten müssen sehr niedrig seinStand der Technik

Bluetooth10 $ in großen Stückzahlen70 $ für Endverbraucher

PicoRadio1 $ (angestrebter Preis)

Kosten der Teilkomponenten

PicoRadio, Berkeley Wireless Research Center


Hardware

EmberCrossbowBT-NodeScatterWebMica MotesEnOceanPicoRadio


Hardware am Institut MD

Chipcon CC1010 – Entwicklungs-Kit8051-kompatibler MikrocontrollerGeringe Leistungsaufnahme (9,1 mA in RX) ISM 868 MHzHoch sensitive Antenne One-Chip-Lösung (keine externe Komponenten)Signalempfangsstärkemessung möglich (RSSI)Temperatursensor


Kommunikation

RF-Kommunikation meist im ISM-Band (Industry-Science-Medicine)Chipcon Übertragungsmodul – 433 MHz, 868 MHz, 2.4 GHzZigBee, Bluetooth, Wi-Fi – 2.4 GHz

1000+ 1-100 1-10+ 1-75+ Reichweite [m]

64-128 11,000+ 720 20-250 Bandbreite [KBps]

1-1000 30 7 255/65,000+ Knoten pro Netzwerk

1-7 0.1-5 1-7 100-1,000+ Batterielebenszeit [Tage]

16 MB+ 1 MB ±250 KB+ 4-32 KB Systemressourcen

GPRS/GSMWi-Fi802.11b

Bluetooth802.15.1

ZigBee802.15.4


Anwendungen - Umwelt

Waldbranderkennung / -bekämpfungÜberwachung natürlicheroder künstlicher Lebensräume"Präzisions-Landwirtschaft"Hochwasserbekämpfung und-prävention


Anwendungen - Gesundheitswesen

Überwachung von physiologischen DatenLokalisierung von Personal und Patientenin einem Krankenhaus"Smart Pill"

http://www.personenfinden.com


Anwendungen - Militär

Überwachung der eigenen Truppen, desMaterials, der MunitionÜberwachung von KampfplätzenErkundung des Gegners und fremdenTerrains"Intelligente Munition"Früherkennung von ABC-Angriffen


Weitere Anwendungen

Das intelligente HausSupermarktMaterialüberwachungen


Unterschiede zwischen Unterschiede zwischen terrestrischenterrestrischen und und ozeanischenozeanischen SensornetzwerkenSensornetzwerken


Unterschiede

PlatzierungFeinkörnig ↔ Grobkörnig

Miniaturisierung der KnotenMobilität (Verankerung)Energie

ÜbertragungsmoduleEntfernungen

SpeicherRäumliche Beziehung

Ähnlichkeit der Sensordaten (Entfernungen)

KostenSichere Hardware gegen Feuchtigkeit und DruckTeurere akustische Übertragungsmodule „Precision farming“

Hitachi


Messpunkte

Auf der WasseroberflächePosition: 2-dimensionalDynamik: HochKommunikation: RFFunktion: Messung, globale Weiterleitung

Zwischen Wasseroberfläche und MeeresbodenPosition: 3-dimensionalDynamik: HochKommunikation: AkustischFunktion: Messung, lokale Weiterleitung

Auf dem MeeresbodenPosition: 2(3)-dimensionalDynamik: EinstellbarKommunikation: Kabel, AkustischFunktion: Messung, Ankerpunkt


Kommunikation

Radio nur an Oberfläche geeignetUnter der Wasseroberfläche: AkustikProbleme:

kHz-Bereich (hohe Latenz)DämpfungAusbreitungscharakterRauschen Mehrwegausbreitung

http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/UWASN/work.html#ARCHhttp://www.neptunecanada.ca/about/index.html

Modem zur Kommunikation unter Wasser


Anwendungen

Abtastung des MeeresBeobachtung und Schätzung des Charakters der ozeanischen Umwelt

Überwachung der UmweltÜberwachung von Verschmutzung (chemisch, biologisch, etc.), Strömungen und WindVerbesserte Wettervorhersagen, Detektion von KlimaveränderungenVerständnis und Schätzung von Effekten, verursacht durch Menschen und Marine

Disaster PräventionMessung von seismischen Aktivitäten Tsunami-Warnungen

Unterstützte NavigationLokalisierung von Felsen oder Untiefen in seichten Gewässern


„Probleme“ klassischer Methoden

EchtzeitDaten erst nach dem Upload vor Ort verfügbarPeriode: bis zu einigen Monaten

Keine Interaktion zwischen Kontrollsystemen an Land und im Wasser

AdaptivitätUmkonfigurierung

Gerätefehler, Ausfälle, Konfigurationsfehler späterkennbarStark limitierte Datenmenge durch Sensorik aufnehmbar


Projekte in der OzeanographieProjekte in der Ozeanographie


Wide-Area, in-situ, real-time monitoring of drinking water reservoirs

ProjekteProjekte

Entwicklungsstatus: Im Forschungseinsatz


Wide-Area, in-situ, real-time monitoring of drinking water reservoirs

Firma: SenTech (http://www.sentechbiomed.com/)Prüfung der chemischen Zusammensetzung in feuchten UmgebungenZiel: Verschmutzungen findenKnoten mit 2 Übertragungsmodulen –akustisch, RadioMagnetoelastisches Sensorarray auf jedem Knoten misst pH-Werte

Xiping Yang, „Design of a Wireless Sensor Network for Long-term, In-Situ Monitoring of an Aqueous environment“


Marine Monitoring

ProjekteProjekte

Entwicklungsstatus: Im Forschungseinsatz


Marine Monitoring

Auftraggeber: Ume°aMarine Sciences CentreOrt: Nördliche OstseeZiel: Messung von Salzgehalt und WassertemperaturWassertiefe: ~20m

Dunkels, A., Voigt, T., Alonso, J., Ritter,H., and Schiller, J. Connecting Wireless Sensornets with TCP/IP Networks, InProceedings of the Second International Conference on Wired/Wireless Internet Communications (WWIC2004) (Frankfurt (Oder), Germany, Feb. 2004)


Marine Monitoring - Hardware

http://www.scatterweb.net


Underwater Acoustic Sensor Networks (UW-ASNs)

ProjekteProjekte

Entwicklungsstatus: In Planung



2-DimensionalVertikaler Link

DatenabgabeSteuerung

Horizontaler LinkKommando-DatenKonfiguration-DatenSensor-Daten

http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/UWASN/work.html#ARCH



http://www.ece.gatech.edu/research/labs/bwn/UWASN/work.html#ARCH

3-DimensionalMobilitätAbdeckung

PhänomenNetzwerk


ArgoEin GODAE- (Global Ocean Data Assimilation Experiment) Pilot Projekt

ProjekteProjekte

Entwicklungsstatus: Seit 2000 im Aufbau


Argo - Überblick

http://www.argo.ucsd.edu/

Zielstellung:Erstellung eines globalen Netzwerkes aus Sensoren mit Updates in „Echtzeit“Monitoring des oberen OzeansLangzeitliche Untersuchung des Klimas


Argo - Zyklus3.000 frei driftende KnotenMessung: Temperatur, Salingehalt, StrömungsgeschwindigkeitBis 2000 m TiefeUpdates mit wenigen Stunden Latenz


Argo - Details

Projektstart: 2000Mitte 2004 40% abgeschlossen150 Durchläufe~4 Jahre Laufzeit200 AtmosphärenTemperaturschwankung 30° CZiel 2006: Globale Abdeckung 3°× 3°

Profilschwimmer•Eisfrei2000 m42000 (Mai 2004)

100.000 (2006) Argo

•Schiffsrouten•Winter

750 m25000 Fähren und Handelsschiffe

•i.a. Linien•Winter

100% 5000Forschungsschiff

GeografischeEinschränkungen

MaximaleTiefe

Anzahl von Beobachtungen

Beobachtungs-art


Das LOOKING-Projekt

ProjekteProjekte

Entwicklungsstatus: Planung und partielle Errichtung


Das LOOKING-Projekt

Institution: Universität Washington, versch. Meeres-Observatorien

Ziel:Errichtung einer kombinierten Infrastruktur – Land und Ozean

Ozean:Monitoring durch SensornetzeOrte: Westküste USA, Kanada, Mexiko

Land: Steuerung der Netze und Auswertung der Daten

Nutzen: Globale, küstennahe, regionale Beobachtung des Ozeans

http://www.uwnews.org/article.asp?articleID=5691


Das LOOKING-Projekt


Zusammenfassung

Drahtlose Sensornetzwerke können die Qualität der Meeresbeobachtung verbessernVorteile wären:

Hohe AuflösungHohe GenauigkeitGroße FlächenabdeckungLong-term Monitoring„ECHTZEIT“Interkommunikation zwischen SystemenDaten müssen nicht abgeholt werdenAllerdings, …


Offene Fragen

Drahtlose Sensornetzwerke in der Ostseeforschung besitzen noch GrundlagencharakterÖkologischer Abbau der KnotenKommunikation unter Wasser (Medienzugriffskontrolle etc.)

Neue Protokolle benötigtVerfügbare Sensoren (Größe, Leistungsverbrauch)Erstellung einer HardwareplattformAusbringung und Platzierung (Wertemessung möglicherweise einige Meter unter der Meeresoberfläche)Entwicklung einer selbstorganisierenden SoftwareKosten


Forschungsschwerpunkte

Routing

Frank Reichenbach

Matthias HandyMarc Haase

Jan Blumenthal

InstitutsleiterProf. Dirk Timmermann

Sicherheit

Middleware Lokalisierung

Kontakt: http://www-md.e-technik.uni-rostock.de


Literaturangaben

A Wireless Sensor Network for Long-term Monitoring of Aquatic Environments: Design and Implementation, Keat G. Ong, Xiping Yang, Niloy Mukherjee, HaidongWang, Shrawan Surender, and Craig A. Grimes, pp. 48-57John Orcutt, “SENSOR NETWORKS: The Design and Implementation of Aquatic and Marine Sensor Networks”Xiping Yang, „Design of a Wireless Sensor Network for Long-term, In-Situ Monitoringof an Aqueous environment“Conny Davidsen, „Ökologisches Monitoring der Ostsee“, Geographisches Institut der Universität KielAdam Dunkels, Laura Marie Feeney, Björn Grönvall, and Thiemo Voigt, „An integrated approach to developing sensor network solutions“, In Proceedings of theSecond International Workshop on Sensor and Actor Network Protocols and Applications, Boston, Massachusetts, USA, August 2004„Observing the oceans in the 21st century“, ISBN: 0642706182 , Bureau of Meteorology, 2001http://www.sensornetworks.net.au/applic_watercatch.htmlhttp://www.xbow.com/Industry_solutions/Marine.htmhttp://www.nosc.mil/robots/undersea/dssn/dssn.htmlhttp://www.sentechbiomed.com/http://www.mbari.org/lobo/


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Gibt es Fragen?


Sensoren für die Ozeanographie

Op – operationalAv – available but not routineRes – Under ResearchDev – Under Development

A U.S. Coastal-Global Ocean Observing System (C-GOOS) Report


Distributed Surveillance Sensor Network (DSSN)http://www.nosc.mil/robots/undersea/dssn/dssn.html


Distributed Surveillance Sensor Network (DSSN)


Design of CISNet - ORCA


Kommunikation Unterwasser

Modems

http://www.link-quest.com


Das LOOKING-Projekt - Ziele

MARS (Monterey Accelerated Research System)Eine Tiefsee-Proof of concept für verkabelte BeobachtungsstationenLeiter: Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI)Start: 2005

VENUS (Victoria Experimental Network Under the Sea)Canada's Equivalent zu MARS, allerdings Beobachtung der Ozean-OberflächeStart: Ende 2004Leiter: University of Victoria

NEPTUNE (North East Pacific Time-series Undersea NetworkedExperiments)

Erstes elektro-optisch verlinkte, multi Knoten NetzwerkHohe Anzahl an unterschiedlichsten SensorenOrt: Nordost-PacificLeiter: LOOKING (U.S./Canadian)Start: Funktionsbereitschaft 2007



Caribou (Bluefin Robotics Corporation)Integrierte Sensoren:

Doppler Velocity LogsAcoustic DopplerCurrent ProfilersConductivity and TemperatureFluorometerLi-Cor PAR sensorInertial Navigation SystemsAttitude Heading ReferenceMarine Global Positioning SystemsDepth Gauges

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