AUFBAU EINES SENSORNETZES - HTW Dresdenwiki_sn/images/8/88/...gesucht: günstige, freie Lösungen für den Massenmarkt Einführung Heim-Server Sensorsteuerung Contiki OS Forschungsseminar

AUFBAU EINES SENSORNETZES

Forschungsseminar Sensornetze

Prof. J. Vogt

Thomas Bettermann,

Martin Doenicke,

Angelos Drossos,

Robert Krampe,

Hermann Lorenz,

Ulrich Meckel

HTW Dresden

EINFÜHRUNG

Ziel

Warum drahtlos?

Anforderungen

das intelligente Haus

derzeitiger Stand

Teilaufgaben

Contiki OS Sensorsteuerung Heim-Server Einführung

Forschungsseminar Sensornetze 2

HTW Dresden

ZIEL

Aufbau eines drahtlosen Sensornetzes

Heimautomatisierungssystem

möglichst umfangreiche Steuerung und

Überwachung des Hauses / Wohnung

von überall via Internet

der Mensch ist faul

steigende Energiepreise



HTW Dresden

Contiki OS Sensorsteuerung Heim-Server

WARUM DRAHTLOS?

Kabelverlegung nur bei Neubau sinnvoll

keine störenden Leitungen

einfache Erweiterung oder Umstrukturierung

möglich

komfortable Ersteinrichtung

Einführung


HTW Dresden

ANFORDERUNGEN

Zugangskontrolle / Verschlüsselung

Energieeffizienz

Nutzung von Open-Source-Lizenzen

einfache Erweiterung



HTW Dresden

DAS INTELLIGENTE HAUS



HTW Dresden

DERZEITIGER STAND

selbst bei Neubau noch unerschlossen

Fertiglösungen teuer + proprietär

kabelgebunden bzw. unverschlüsselt

Eigenbau sehr aufwändig + pflegeintensiv

gesucht: günstige, freie Lösungen für den

Massenmarkt



HTW Dresden

TEILAUFGABEN

Heimautomatisierungsserver

welche Funktionen und Dienste muss der

zentrale Server zur Verfügung stellen?

Sensoransteuerung

welche Sensoren?

wie werden diese angesteuert?

Contiki OS

Betriebssystem, mit dem die Sensorknoten

betrieben werden



HTW Dresden

HEIMAUTOMATISIERUNGSSERVER

Anforderungen

Randbedingungen

Grundaufbau

Protokollstack

Datenbankmodell

Python

Contiki OS Sensorsteuerung Einführung Heim-Server


HTW Dresden

ANFORDERUNGEN

Loggen von Sensordaten in Datenbank

Steuerung von Aktoren (Schalter, Steckdosen, …)

Berechnung/Anzeige von Statistiken

Bereitstellung einer API für externe Abfragen

Bereitstellung eines Webservers

Gateway zum Sensornetz

Steuerung mit Regeln (Fenster auf Heizung aus)

zeitgesteuertes Verhalten (Nachts Heizung aus)



HTW Dresden

RANDBEDINGUNGEN

aktuell keine wirklich brauchbare Software

vorhanden

sollte relativ geringe Hardwareanforderungen

stellen

Betrieb bevorzugt auf Router oder NAS



HTW Dresden

GRUNDAUFBAU



DB-Modul

Eventhandler

Regelbaustein

Interface

zum

Sensornetz

API für Zugriffsmöglichkeiten

Kommunikations-

modul für

Sensornetz

externe Programme

(Apps bspw.) Webserver

Datenbank

HTW Dresden

Sensornetz

PROTOKOLLSTACK



Gateway

Server

get coap://[aaaa::1]:76767/sensor1

Abfragen über Internet

(Website, HandyApp, Webservice)

CoAP

UDP

IPv6

Ethernet

Webserver

TCP

IPv4/6

Ethernet

CoAP

UDP

6LoWPAN

802.15.4

Koordinator

CoAP

UDP

6LoWPAN

802.15.4

µController

n Sensoren

CoAP

UDP

6LoWPAN

802.15.4

HTW Dresden

DATENBANKMODELL



ReadingID

Value

Timestamp

State

SensorID

Readings

SensorID

Name

Description

Unit

State

Type

NodeID

Sensor

NodeID

Address

State

RoomID

Node

GroupID

Description

Type

Group

1

c

1

m

m

GroupID

SensorID

GroupSensor

nc

GroupID

NodeID

GroupNode

nc

m

HTW Dresden

PYTHON

Multiplattform, Router/NAS oder ähnlichen

Geräte mit Linux Python lauffähig

dynamische Programmiersprache,

Objektorientierung möglich

einsteigerfreundlich sichert Weiter-

entwicklung durch künftige Studenten u.a.



HTW Dresden

PYTHON

viele mitgelieferte Module erleichtern

Implementierung

große Auswahl an Web-Frameworks

z.B. Django und Zope

CoAPy - Python-Implementierung von CoAP

(HTTP-Ersatz)



HTW Dresden

SENSORANSTEUERUNG

6LoWPAN Netzwerk Topologie

Hardware

Sensoren und Sensoranbindung

Ziel

Vorgehen

Sensoransteuerung mit/ohne Betriebssystem

Contiki OS Heim-Server Einführung Sensorsteuerung


HTW Dresden

6LOWPAN NETZWERK TOPOLOGIE

Edge Router (Coordinator)

Routerknoten

Sensorknoten (End Device)



HTW Dresden

HARDWARE

Microcontroller: Atmel ATmega 128RFA1

Assemblersprache: AVR

Radio-Controller-Board: RCB128RFA1

Evaluationsboard: Sensor Terminal Board



HTW Dresden

SENSOREN

Feuchtigkeit (Temperatur): SHT21

Luftdruck (Temperatur): BMP085

Beschleunigung nach 3 Achsen: BMA180

Verschiedene Wettermessungen:

Niederschlag

Windgeschwindigkeit

Windrichtung

SEN-08942



HTW Dresden

SENSORANBINDUNG



SHT21 BMP085 BMA180 SEN-08942

SPI Nein Nein Ja Nein

I2C Ja Ja Ja Nein

Beliebiger Pin Nein Nein Nein Ja

HTW Dresden

ZIEL



Ziel:

möglichst plattformunabhängige Schnittstellen

für Sensoren schaffen

gute Adaptierbarkeit auf andere Anforderungen

(Sensoren, Plattformen)

Vorgehen:

Ansteuerung der Sensoren ohne Betriebssystem

Ansteuerung der Sensoren mit Betriebssystem

HTW Dresden

VORGEHEN



Ansteuerung der Sensoren ohne Betriebssystem:

Testen der Sensoren auf Funktionalität

Verwendung bereits vorhandener Implementierungen und Anpassung derer

Ansteuerung der Sensoren mit Betriebssystem

Trennung der Ansteuerung in hardwareunabhängige und -abhängige Schnittstelle

Trennung von Systemkern und Anwendung

neue Anwendungen können zur Laufzeit überspielt werden

Systemkern bestimmt Schlafzeiten (Batterie schonend)

HTW Dresden

SENSORANSTEUERUNG OHNE BETRIEBSSYSTEM



HTW Dresden

SENSORANSTEUERUNG MIT BETRIEBSSYSTEM



Grundfunktionen bereits vorhanden

Trennung von System- und Anwenderschicht

Trennung der Implementation:

Core = Dateisystem, Internet-Protokoll, Webserver

CPU = Clock

Plattform = USB-Treiber

Trennung von hardwareunabhängigem/-abhängigem

Code für Portierung auf verschiedene Plattformen

Chance auf Community-Erfolg

HTW Dresden

Sensorsteuerung

CONTIKI OS

Warum Contiki?

Einstieg

erste Erfahrungen

Systemaufbau

Fazit zu Contiki

Contiki OS Heim-Server Einführung


HTW Dresden

Sensorsteuerung

WARUM CONTIKI?

freies internetfähiges Betriebssystem für

Mikrocontroller

Grundlage für alle Controller und Sensoren

TCP/IP- und IPv6-Support

6LoWPAN



HTW Dresden

Sensorsteuerung

EINSTIEG

vorgefertigte Beispiele für versch. Plattformen

Problem 1: schwierige Einarbeitung

Problem 2: schlechtes Debugging für Sensor-

Boards von „dresden elektronik“

Umstieg auf „Raven“-Entwicklungsplattform



HTW Dresden

ERSTE ERFAHRUNGEN

Webserver-Beispiel

einfache Website

Ping

UDP-Beispiel

Versenden von UDP-Paketen

Grundlage für Kommunikation


Sensorsteuerung Contiki OS Heim-Server Einführung

HTW Dresden Forschungsseminar Sensornetze

SYSTEMAUFBAU

30


HTW Dresden

FAZIT ZU CONTIKI

Vorteile

vollständige IPv6 Funktionalität

Verschlüsselung möglich

eventbasiertes System

Nachteile

hoher Einarbeitungsaufwand

schlecht dokumentiert



HTW Dresden

Contiki OS

AKTUELLER STAND

Konzept zum Heimautomatisierungsserver

konkrete Vorstellungen zu den Komponenten

des Sensornetzes (Server, Knoten, Sensoren)

Kommunikation der Knoten über UDP

Ansteuerung der Sensoren ohne OS

Kenntnisse in Contiki OS


Sensorsteuerung Heim-Server Einführung

HTW Dresden

Contiki OS

NÄCHSTE ZIELE

Einbindung der Sensoren in Contiki

Programmierung eines Web-Servers

Untersuchung zur CoAP-Funktionalität in

Contiki

Konzept zur Prozessorganisation im Contiki

(Untersuchung der Batterieeffizienz)

lauffähiges Demo-System


Sensorsteuerung Heim-Server Einführung

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