Despre Senzori Wirelles

PPRROOIIEECCTT PPAARRTTEENNEERRIIAATTEE NN DDOOMMEENNIIII PPRRIIOORRIITTAARREE NNRR.. 3311005500//22000077 ((EECCOO--TTSSFFSS))

SSSiiisssttteeemmm dddeee mmmooonnniiitttooorrriiizzzaaarrreee eeecccooolllooogggiiiccc bbbaaazzzaaattt pppeee aaannnaaallliiizzzaaa tttiiimmmppp---fffrrreeecccvvveeennn---ssscccaaalll aaa ssseeemmmnnnaaallleeelllooorrr

AAAlllgggooorrriiitttmmmiii eeevvvooollluuuaaaiii dddeee iiidddeeennntttiiifffiiicccaaarrreee iii ppprrreeedddiiiccciiieee aaa fffeeennnooommmeeennneeelllooorrr eeecccooolllooogggiiiccceee

RRAAPPOORRTT DDEE CCEECCEETTAARREE

CCNNMMPP..UUPPBB--PP44..3311005500--22000077..IIIIII//DDSS..JJCC..CCPP..AADD..AAPP--0099..22000099

AAuuttoorrii:: DDaann TTEEFFNNOOIIUU JJaanneettttaa CCUULLII CCttlliinn PPEETTRREESSCCUU AAlleexxaannddrruu DDUUMMIITTRRAACCUU AAuurreelliiaa PPUURRCCRREEAA

Universitatea Politehnica din Bucureti Facultatea de Automatic i Calculatoare

EEttaappaa IIIIII 22000099 PPPrrroooiiieeeccctttaaarrreeeaaa iii rrreeeaaallliiizzzaaarrreeeaaa

sssiiisssttteeemmmuuullluuuiii dddeee mmmooonnniiitttooorrriiizzzaaarrreee

RRAAPPOORRTT DDEE CCEERRCCEETTAARREE CCNNMMPP..UUPPBB--PP44..3311005500--22000077..IIIIII//DDSS..JJCC..CCPP..AADD..AAPP--0099..22000099

Dan TEFNOIU1, Janetta CULI, Ctlin PETRESCU, Alexandru DUMITRACU, Aurelia PURCREA

Universitatea Politehnica din Bucureti Facultatea de Automatic i Calculatoare

www.pub.ro, www.acs.pub.ro

E-mails: [email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]

Rezumat

Cea de-a treia etap (din totalul de 5, dup ultimul act adiional) a proiectului intitulat

Sistem de monitorizare ecologic bazat pe analiza timp-frecven-scal a

semnalelor, a avut un dublu obiectiv. n primul rnd, structura hardware a sistemului fiind

practic finalizat, s-a urmrit efectuarea achiziiei primelor date din natur. In al doilea rnd

i mult mai important n aceast etap a fost necesar implementarea unor algoritmi

de complexitate ridicat, cu ajutorul crora s se poat efectua identificarea i predicia

fenomenelor care au furnizat datele (activitai care stau la baza monitorizrii efective). Dei

ambele obiective au fost atinse n aceast etap (conform planului de realizare), ele

continu s fie urmrite pn la finalizarea proiectului.

Prezentul raport de cercetare se concentreaz pe descrierea celor 3 activiti prevzute

n planul de realizare, care au condus la finalizarea etapei a III-a. Activitile sunt grupate

n dou categorii:

achiziii de date;

implementarea unor algoritmi de complexitate ridicat, n vederea identificrii

experimetale i prediciei datelor achiziionate.

Achiziia de date beneficiaz de suportul hardware al sistemului de monitorizare,

constituit din: senzori specializai, interfaa VISA, unitatea mobil de calcul i unitatea

paralel de calcul (toate, descrise n rapoartele precedente de cercetare). Reamintim c

1 Director de proiect. www.geocities.com/dandusus/Danny.html

una dintre caracteristicile fundamentale ale sistemului de achiziie a datelor (constituit

practic din subsistemul mobil laptop-VISA-senzori) o constituie capacitatea de a transmite

date prin unde radio si nu prin fir. Mai mult, datele pot fi transmise i printr-o comunicaie la

satelit (dac se achiziioneaz frecvenele corespunztoare) sau prin internet. Datele

achiziionate sunt organizate ntr-o baz informatic deschis, cu acces rapid.

Algoritmii de identificare i predicie care au fost implementai, se grupeaz n dou

categorii:

Algoritmi bazai pe modele numerice de identificare (PARMA, PARMAX, KARMA).

Algoritmi bazai pe analiza timp-frecven-scal a datelor (FORWAVER 1).

Prima categorie de algoritmi include dou clase, care trateaz predicia uni-

dimensional (PARMA) i multi-dimensional (PARMAX, KARMA). A doua categorie va fi

extins n cadrul etapelor urmtoare cu noi algoritmi (FORWAVER 2 i GAMP). Cu

excepia algoritmului PARMA (deja descris n raportul precedent de cercetare), ceilali 3

algoritmi, de complexitate mai mare, necesit utilizarea sistemului paralel de calcul

(main paralel i mini-reea de computere), pentru a furniza rezultate de predicie n

timp rezonabil. Toi cei 4 algoritmi apeleaz la o strategie de programare evoluionist,

bazat pe principiul aglomerrii de particule, de asemenea descris n cadrul acestui raport

de cercetare.

Algoritmii implementai au fost testai pe diferite tipuri de date achiziionate, nu doar de

natur ecologic. De altfel, ei nu sunt neaprat specializai n acest tip de date. Doar

timpul lor relativ mare de rulare i mpiedic s predicteze fenomene rapide. Datele

predictate sunt obinute dup circa 1-2 ore de la iniierea rulrii. Fenomenele ecologice

sunt ns ncadrate n categoria entitilor dinamice cu evoluie lent, avnd perioade

minime de eantionare de cteva ore.

O serie de publicaii pe tema proiectului au fost de asemenea realizate, una dintre

acestea fiind indexat ISI-Thomson. Alte dou publicaii, de asemenea indexate ISI

Thomson, au fost acceptate spre publicare i urmeaz s vad lumina tiparului n cadrul

etapei urmtoare. Lista bibliografic din finalul raportului include referinele lor, nefiind

totui limitat la acestea.

Etapa urmtoare constituie o prelungire natural a celei care tocmai s-a ncheiat. De

altfel, n urma ultimului act adiional la contractul de cercetare, prile implicate au decis

mprirea fostei etape a III-a n dou etape cu durate mai scurte (actualele III i IV).

Algoritmii FORWAVER 2 i GAMP, care prezint complexitatea maxim, vor fi

implementai n cadrul etapelor urmtoare.

I

Cuprins

1. Scurt introducere 1 2. Achiziia i organizarea datelor ecologice 3

2.1. Reele de senzori avnd comunicaie radio (wireless) 3 2.1.1. Comunicarea prin unde electromagnetice 3 2.1.2. Reele ad hoc de senzori 5

2.2. Organizarea nivelului OSI superior al reelei de eKo-senzori 7 2.2.1. Despre modelele OSI 7 2.2.2. Topologii cu reele de senzori 8 2.2.3. Reeaua Crossbow i protocolul XMesh 11 2.2.4. Sistemul software al reelei Crossbow 13

2.3. Echipamentele i interfaa reelei de eKo-senzori 14 2.3.1. Descriere general 14 2.3.2. Echipamentele de baz 16 2.3.3. Punerea n funciune a reelei Crossbow 16 2.3.4. Interfaa eKo-View 20

2.4. Preluarea datelor din reeaua de eKo-senzori 27 2.4.1. Preluare prin exportare 28 2.4.2. Preluare direct din puntea de legtur 31

3. Algoritmi paraleli de predicie pe baz de modele de identificare 34 3.1. Redefiniri ale criteriului PQ 34 3.2. Optimizare prin aglomerare de particule 35 3.3. Algoritmul PARMA-PSO 42 3.4. Algoritmul PARMAX-PSO 46 3.5. Algoritmul KARMA-PSO 58

3.5.1. Reprezentarea discret pe stare a unei reele de senzori 58 3.5.2. Mecanismul de adaptare parametric a unui model de stare 60 3.5.3. Integrarea strategiei PSO n cadrul Algoritmului Markov-Kalman-Bucy 67

4. Un algoritm de predicie cu undine ortogonale (FORWAVER 1) 77 4.1. Paradigma deparazitrii semnalelor 77 4.2. Scurt privire asupra undinelor ortogonale i structurii multi-rezoluie 82 4.3. Alegerea pachetelor de undine optimale prin minimizarea entropiei 88 4.4. Modelul de predicie bazat pe undine ortogonale 91 4.5. Selecia unui predictor optimal prin maximizarea calitii prediciei 92 4.6. Algoritmul FORWAVER 1 95 4.7. Detalii privind implementarea Algoritmului FORWAVER 1 100

4.7.1. Observaii generale 100 4.7.2. Evaluarea suporturilor corespunztoare coeficienilor undin 103 4.7.3. Evaluarea valorilor unei undine utiliznd bancul de filtre 106

5. Despre interfaa grafic a sistemului de monitorizare 109 5.1. Utilizarea mediului de programare grafic din MATLAB (GUIDE) 109 5.2. Caracteristicile principale ale interfeei eKo-Forecast 110

Algoritmi evoluai de identificare i predicie a fenomenelor ecologice

II

6. Rezultate de simulare 114 6.1. Simulri cu date multi-dimensionale 115 6.2. Simulri cu date uni-dimensionale 115

6.2.1. Predicia seriei de timp a omajului n SUA 116 6.2.2. Predicia seriei de timp a contiinei colective 117

7. Concluzii i perspective 117

Anexa A. Descrierea iniial a proiectului 129

Anexa B. Lista programelor i rutinelor predictorului PPAARRMMAA--PPSSOO 137 B.1. Programe principale 137 B.2. Rutine auxiliare 139

Anexa C. Lista programelor i rutinelor predictorului PPAARRMMAAXX--PPSSOO 163 B.1. Programe principale 163 B.2. Rutine auxiliare 165

Anexa D. Lista programelor i rutinelor predictorului KKAARRMMAA--PPSSOO 175 B.1. Programe principale 175 B.2. Rutine auxiliare 177

Anexa E. Lista programelor i rutinelor predictorului FFOORRWWAAVVEERR 11 191 B.1. Programe principale 191 B.2. Rutine auxiliare 199

Anexa F. Lista programelor i rutinelor interfeei grafice eeKKoo--FFoorreeccaasstt 215 B.1. Programe principale 215 B.2. Rutine auxiliare 217

Anexa G. Publicaii selectate 237

Bibliografie 269

RAPORT DE CERCETARE [CCNNMMPP..UUPPBB--PP44..3311005500..IIIIII//DDSS..JJCC..CCPP..AADD..AAPP--0099..22000099]

III

Lista figurilor

1.1. Structura minimal a subsistemului fix de calcul, utilizat n laborator. 1 1.2. Structura minimal a subsistemului mobil de calcul, utilizat n teren. 2 1.3. Participarea proiectului ECO-TSFS la Salonul inovrii,

Bucureti, 28-29 iulie 2009. 3 2.1. Structura unui protocol de comunicaie, dup modelul OSI. 7 2.2. Reea de senzori cu topologie stelat. 9 2.3. Reea de senzori cu topologie de tip plas (mesh). 10 2.4. Reea de senzori cu topologie hibrid. 12 2.5. Imaginea de ansamblu a sistemului Crossbow. 15 2.6. Puntea de legtur (gateway) a reelei Crossbow. 16 2.7. Prize de conectare din partea posterioar a punii de legtur. 17 2.8. Baza radio a reelei Crossbow. 17 2.9. Notificarea de conectare n reea a unui nou eKo-nod. 18 2.10. Lista de eKo-noduri care ncearc s extind reeaua. 18 2.11. Descrierea detaliat, de tip eKo-View,

a eKo-nodurilor conectate n reea. 20 2.12. Poarta de intrare a interfeei eKo-View. 21 2.13. Meniurile interfeei eKo-View. 21 2.14. Vizualizarea unei reele de eKo-senzori n activitate

(configuraie stelat). 21 2.15. Vizualizarea unei reele de eKo-senzori n activitate

(configuraie de tip plas). 22 2.16. Vizualizarea graficelor evoluiei datelor msurate. 23 2.17. Vizualizarea caracteristicilor datelor msurate. 23 2.18. Facilitatea de configurare a eKo-nodurilor. 24 2.19. Facilitatea de configurare a plajelor de variaie

pentru mrimile monitorizate. 24 2.20. Afiarea informaiilor de performan ale reelei. 25 2.21. Afiarea strii de sntate a reelei. 25 2.22. Afiarea strii de sntate a unitii centrale din puntea de legtur. 26 2.23. Afiarea informaiilor despre eKo-senzori i datele achiziionate. 26 2.24. Afiarea datelor cu ajutorul jojelor. 27 2.25. Afiarea informaiilor detaliate privind nivelele de alarm. 27 2.26. Exportul datelor sub forma unui fiier de tip .csv. 28 2.27. Coninutul unui fiier de date de tip .csv. 29 2.28. Coninutul unui fiier de date de tip .xls. 30 2.29. Fereastra de dialog cu utilizatorul a funciei makeDATA. 30 2.30. Accesul la puntea de legtur prin intermediul interfeei eKo-View. 31 2.31. Fereastra de informare privind crearea fiierului tampon de date. 32 2.32. Paii principali n construcia unui fiier tampon de date. 32 2.33. Conversia bazei de date de tip SQLite

ntr-o baz de date de tip Access. 33 2.34. Interfaa MATLAB Visual Query Builder

pentru interogarea bazelor de date. 34 3.1. Evoluia unei populaii ctre punctul de optim

n cadrul Algoritmului PSO. 36 3.2. Reprezentarea matricial a populaiilor de particule

n cadrul Algoritmului PARMA-PSO. 44


IV

3.3. Reprezentarea tridimensional a populaiilor de particule n cadrul Algoritmului PARMAX-PSO. 53

3.4. Reprezentarea tridimensional a populaiilor extinse de particule n cadrul Algoritmului PARMAX-PSO. 57

3.5. Reprezentarea segregat a populaiilor de particule n cadrul Algoritmului KARMA-PSO. 74

4.1. Principiul deparazitrii semnalelor cu ajutorul proieciilor ortogonale. 79 4.2. Harta Romniei reprezentat la diferite scale i nivele de rezoluie. 81 4.3. Proprietatea de reconstrucie perfect a undinelor ortogonale. 85 4.4. Corespondena timp-frecven n Algoritmul lui Mallat. 86 4.5. Corespondena generalizat timp-frecven. 87 4.6. Strategia de cutare din cadrul procedurii IDA*. 89 4.7. Meta-arborele utilizat pentru optimizarea unui banc QMF

pe ramura de analiz. 90 4.8. Principiul actualizrii matricii informatice a frunzelor binare. 101 4.9. Configuraia matricii informatice a coeficienilor undin. 101 4.10. Utilizarea bancului de filtre pentru calcularea valorilor undinelor. 107 5.1. Lansarea n execuie a mediului de programare GUIDE din MATLAB. 109 5.2. Planeta de lucru a mediului de programare GUIDE. 110 5.3. Fereastra principal a interfeei eKo-Forecast. 111 5.4. Fereastra de mesaje a interfeei eKo-Forecast. 111 5.5. Alegerea blocului de date achiziionate

n cadrul interfeei eKo-Forecast. 112 5.6. Parametrii de configurare ai predictorului PARMA(-PSO),

propui utilizatorului prin intermediul interfeei eKo-Forecast. 112 5.7. Fereastra de variaii grafice a interfeei eKo-Forecast. 114 6.1. Seria de timp Y1, mpreun cu tendina i componenta sezonier. 118 6.2. Y1: Vedere global asupra prediciei clasice i a performanei asociate. 118 6.3. Y1: Vedere detaliat asupra orizontului de predicie clasic. 119 6.4. Y1: Undinele tat i mam ale predictorului bazat pe undine. 119 6.5. Y1: Arborele binar optimal asociat Transformatei Undin. 120 6.6. Y1: Scalograma seriei de timp (reprezentare n plan). 120 6.7. Y1: Scalograma seriei de timp (reprezentare n spaiu). 121 6.8. Y1: Suprafaa de calitate a prediciei i punctul de maxim. 121 6.9. Y1: Vedere global asupra prediciei cu undine

i a performanei asociate. 122 6.10. Y1: Vedere detaliat asupra orizontului de predicie cu undine. 122 6.11. Seria de timp Y11, mpreun cu tendina i componenta sezonier. 123 6.12. Y11: Vedere global asupra prediciei clasice

i a performanei asociate. 123 6.13. Y11: Vedere detaliat asupra orizontului de predicie clasic. 124 6.14. Y11: Undinele tat i mam ale predictorului bazat pe undine. 124 6.15. Y11: Arborele binar optimal asociat Transformatei Undin. 125 6.16. Y11: Scalograma seriei de timp (reprezentare n plan). 125 6.17. Y11: Scalograma seriei de timp (reprezentare n spaiu). 126 6.18. Y11: Suprafaa de calitate a prediciei i punctul de maxim. 126 6.19. Y11: Vedere global asupra prediciei cu undine

i a performanei asociate. 127 6.20. Y11: Vedere detaliat asupra orizontului de predicie cu undine. 127

RAPORT DE CERCETARE [CCNNMMPP..UUPPBB--PP44..3311005500..IIIIII//DDSS..JJCC..CCPP..AADD..AAPP--0099..22000099]

V

Lista tabelelor

2.1. Codul minimal de culori utilizat de eKo-noduri. 18 2.2. Codul extins de culori utilizat de eKo-noduri. 19 2.3. Codul de culori utilizat pentru resetarea unui eKo-nod. 20

Lista algoritmilor

3.1. PARMA-PSO un algoritm clasic de predicie a proceselor stocastice, cu ajutorul modelelor ARMA, folosind tehnica PSO. 42

3.2. Testul de stabilitate Schr-Cohn. 45 3.3. PARMAX-PSO un algoritm de predicie a proceselor stocastice

distribuite, cu ajutorul modelelor MISO-ARMAX, folosind tehnica PSO. 54 3.4. KARMA un algoritm de predicie prin filtrare Kalman-Bucy-Markov. 71 3.5. KARMA-PSO un algoritm de predicie

prin filtrare Kalman-Bucy-Markov, folosind tehnica PSO. 75 4.1. FORWAVER 1 un algoritm de predicie a seriilor de timp nestaionare,

folosind pachete de undine ortogonale, cu suport compact. 95 4.2. Algoritmul lui Daubechies de generare a undinelor ortogonale,

cu suport compact. 98 4.3. Algoritmul Daubechies-deRham de rezolvare a EDL finite,

cu rezoluie controlat. 99


VI


1

11.. SSccuurrtt iinnttrroodduucceerree Precedentele rapoarte de cercetare aferente elaborrii proiectului, [NDS07] i [SPDC08], au conturat principalele elemente ale sistemului de monitorizare ecologic. Pentru uurin, relum n Figurile 1.1 i 1.2 structura hardware a acestuia.

Figura 1.1. Structura minimal a subsistemului fix de calcul, utilizat n laborator.

Configuraia de laborator ilustrat n Figura 1.1 este alctuit n jurul unei maini paralele de calcul. Aceasta are rolul principal de a asigura o putere ridicat de calcul n timpul rulrii algoritmilor de predicie avnd complexitate ridicat. Mini-reeaua alctuit din cele 4 calculatoare personale constituie de asemenea o structur paralel de calcul, dar de tip exogen, care poate fi utilizat fie n conjuncie cu maina paralel, fie independent de aceasta. ntregul ansamblu este orientat ctre calculul distribuit cerut de complexitatea algoritmilor implemetai.

Figura 1.2 ilustreaz cea de-a doua configuraie, de tip mobil, a sistemului de monitorizare. Rolul principal al acestuia acela de a permite achiziia de date direct din sistemul ecologic i predicia preliminar (rapid) a acestora. Exist 3 nivele ierarhice privind transferul i prelucrarea de date: reeaua de senzori, interfaa VISA i calculatorul portabil. Fa de etapa precedent, subsistemul de senzori a fost mbogit cu noi achiziii. Reamintim ca principala caracteristic a senzorilor (care s-a dovedit i un impediment important n achiziionarea acestora) este capacitatea de a transmite date pe calea undelor radio. Exist puini productori de senzori cu transmisie radio. Interfaa VISA a fost de asemenea mbuntit, fr a fi totui schimbate principiile care au stat la proiectarea ei (descrise n [SPDC08]). (Dealtfel, interfaa este n curs de omologare la OSIM.)

Main paralel de calcul SUPERMICRO Superserver 4 procesoare cvadruple

Calculator personal ASUS

1 procesor dual core


2

Figura 1.2. Structura minimal a subsistemului mobil de c

Subsistemul mobil n funciune a fost prezentat i n caorganizate cu ocazia simpozionului Inovarea o ans penUniversitatea Politehnica din Bucureti, n zilele de 28 i 29urmeaz ilustreaz standul la care a fost expus sistemul mobil,membrii echipei de cercetare. Se pot observa: unitatea mobinterfaa grafic de predicie, interfaa VISA (conectat i la uni senzorii amplasai n apropierea unor plante de interiorFotografiile surprind maniera n care se desfoar monitparametri corelai din ecosistemul plantelor: temperatura i umid Acest raport de cercetare conine trei mari seciuni: Descrierea manierei n care se desfoar achiziia

aceastora cu ajutorul reelei de eKo-senzori cu transmisie Descrierea algoritmilor implementai n cadrul Etapei III

PSO, KARMA-PSO i FORWAVER 1. Rezultate de predicie a datelor achiziionate.

Ultima seciune include cteva articole deja publicate alproiectului. n cadrul prezentrii seciunilor, pentru mai mult serie de informaii din precedentele rapoarte de cercetare (asemenea, n Anexa A este reluat propunerea iniial de proie

Calculator portabil DELL

1 procesor dual core

Interfa de achiziie de date VISA

Transmisie radio

Nod de comunicaie eKo-nod

Transmisie radio

Senzor eceKo-sen

Transmisie

Valea Alb din Alpii francezi ologic zor radio alcul, utilizat n teren.

drul expoziiei de produs tru Romnia, organizat la iulie 2009. Imaginile care mpreun cu o parte dintre il de calcul mpreun cu osciloscop, pentru testare) din salonul expoziional. orizarea multi-canal a doi itatea.

de date i nmagazinarea radio. : PARMA-PSO, PARMAX-

e echipei de cercetare a claritate, au fost reluate o [NDS07] i [SPDC08]) De ct.


3

Figura 1.3. Participarea proiectului ECO-TSFS la Salonul inovrii, Bucureti, 28-29 iulie 2009.


4

22.. AAcchhiizziiiiaa rraaddiioo aa ddaatteelloorr eeccoollooggiiccee ii oorrggaanniizzaarreeaa aacceessttoorraa

2.1. Reele de senzori avnd comunicaie radio (wireless) 2.1.1. Comunicarea prin unde electromagnetice

n ultimii ani, reelele cu comunicaie radio (wireless fr fir) [MuR07], nu neaprat formate din senzori, au nregistrat o cretere rapid a popularitii, datorit avantajului principal pe care l ofer acestea: mobilitatea. Tehnologia de la baza acestui tip de comunicaie se bazeaz pe transmiterea informaiilor cu ajutorul undelor electromagnetice, folosind un spectru de frecvene larg pornind din zona undelor radio i extinzndu-se la zona microundelor sau a undelor infraroii. Cu toate acestea, este folosit (printr-un abuz asumat de limbaj) doar termenul de comunicaii radio. n numeroase publicaii tiprite n alte limbi dect engleza, este chiar adoptat cuvntul wireless, fr a mai fi tradus. Aceeai flexibilitate o prezint i limba romn, unde rareori mai sunt tradui termenii tehnici englezeti din domeniul ingineriei electrice (i nu numai). n acest raport, prin convenie, va fi utilizat termenul de comunicaie radio (chiar dac el nu concord ntru totul cu termenul de wireless) sau termenul de comunicaii fr fir (care sun mai puin academic n limba romn). Este binecunoscut faptul c evoluia comunicaiilor radio cunoate o istorie ndelungat, marcat chiar de o stagnare ctre mijlocul secolului XX. Revirimentul acestora s-a ntregistrat odat cu apariia i extinderea reelelor de comunicaie radio numerice interconectate, ctre sfritul anilor 80. Conform unei definiii larg acceptate, o reea de tip WLAN (Wireless Local Area Network) reprezint un sistem flexibil de comunicaii radio, folosit ca extensie sau alternativ a unei reele de tip LAN (Local Area Network), care poate funciona numai prin cablu. Apariia reelelor de tip WLAN a constituit o necesitate, n special n spaiile limitate ca ntindere (cum ar fi: birouri, locuine, hoteluri, etc.), unde problemele cablare pot fi importante. Folosind undele electromagnetice, dispozitivele de tip WLAN transmit i primesc date, aproape independent de mediul de propagare (de exemplu, ziduri, ui, ferestre). Excepie fac unele materiale speciale cu capacitate de absorbie a acestor unde, rareori folosite ns n construcii. n acest fel, se elimin necesitatea existenei cablurilor, calitatea transmisiei fiind dependent doar de sfera maxim de trasmisie optim a emitorilor de unde electomagnetice. Alegerea unei soluii de comunicaie radio ofer urmtoarele avantaje: instalare foarte rapid, investiie iniial mic, amortizare rapid a investiiei, costuri de ntreinere reduse, flexibilitate n administrare, mobilitate i scalabilitate, eliminarea dificultilor care apar atunci cnd se ncearc utilizarea tehnicilor de cablare n zone greu accesibile. Dezavantajul major l constituie viteza ceva mai sczut de transmisie, n anumite medii. Aa cum s-a specificat, comunicaiile fr fir folosesc unde electromagnetice din domeniul radio i infrarou. Primul tip este i cel mai des utilizat, deoarece undele radio trec prin perei sau alte obiecte solide, n timp ce radiaia infrarou nu poate strpunge obiectele opace i are o raz de acoperire mult mai mic. Totui, pentru reele aflate n interiorul unei camere sau n situaia n care nu exist obstacole ce ar putea bloca undele din domeniul infrarou, cea de-a doua soluie este frecvent luat n considerare pentru proiectare i implementare. Undele electromagnetice sunt n esen exploatate pentru capacitatea lor de a transporta informaie sub form de semnale ctre alte dispozitive. Primul tip de semnal care poate codifica informaie a fost transmis prin radiotelegrafie la nceputul secolului XX. Este vorba despre codul Morse (inventat de Samuel F.B. Morse, n jurul anului 1940). Mai trziu, odat cu apariia tehnicii modulaiei (n frecven sau n amplitudine), a devenit posibil transmiterea semnalelor numerice pe calea undelor radio. Ca fiine umane, avem, fr ndoial, capacitatea de a comunica, fie c vorbim sau scriem, gesticulm sau adoptm o anumit mimic a feei, conform unui set predefinit de reguli lingvistice sau de gestic. n acest fel, transmitem celorlai informaii. Mijloacele

RAPORT DE CERCETARE [CCNNMMPP..UUPPBB--PP44..3311005500--22000077..IIIIII//DDSS..JJCC..CCPP..AADD..AAPP--0099..22000099]

5

comunicrii umane odat nvate, devin reflexe. Singura limitare a acestora este determinat de posibilitatea efectiv a fiecruia dintre noi de a traduce propriile gnduri i idei n mesaje exprimate verbal sau scris, care s aib coeren. Atunci cnd discutm despre comunicarea prin mijloace electronice, lucrurile se schimb, cteva elemente fiind totui asemntoare comunicrii umane. Comunicaia ntre dispozitivele electronice se poate realiza doar dac acestea respect acelai set de reguli predeterminate i standardizate. Un prim exemplu n acest sens este modelul OSI (Open Systems Interconect) [ZiH80] pentru stivele de protocoale din alctuirea sistemelor de comunicare, acesta constituind de fapt punctul de plecare pentru diferitele standarde de comunicaie. Acestea trebuie sa acopere toate aspectele procesului de comunicaie, de la modul de manipulare a datelor (la nivelul superior, 7), pn la modul de utilizare a mediului fizic (la nivelul inferior, 1). Comunicarea ncepe cu un prim mesaj (sau o prim informaie), care trebuie trimis() de la un individ sau un dispozitiv la altul. Pentru a realiza aceast transmisie de informaie sunt necesare trei elemente:

sursa mesajului emitorul; destinaia mesajului receptorul; mediul folosit pentru transmiterea mesajului canalul.

Reelele de comunicaie radio pot fi configurate n 2 moduri: ad hoc, mod ce permite dispozitivelor fr fir s comunice punct-la-punct; infrastructur, mod ce permite dispozitivelor fr fir s comunice cu un nod central avnd capacitatea de a comunica cu noduri cablate din reea.

Ambele moduri de configurare necesit una sau mai multe plci de reea, numite plci de tip WLAN. (Reelele radio configurate n modul infrastructur pot necesita, n plus, un dispozitiv central numit punct de acces.)

2.1.2. Reele ad hoc de senzori

O reea ad hoc se formeaz n mod dinamic prin cooperarea unui numr arbitrar de noduri independente. Fiecare nod ia decizii n funcie de starea reelei la momentul respectiv, fr existena unei infrastructuri prestabilite. Subsistemul de senzori al unitii mobile este o astfel de reea, care are capacitatea de a se configura n manier ad hoc. Din cauza lipsei unei infrastructuri fixe, n reeaua ad hoc, prelucrarea datelor numerice vehiculate se efectueaz, de regul, de o manier descentralizat. Nodurile reelei au resurse limitate de energie si memorie. O transmisie realizat de un astfel de dispozitiv poate fi recepionat de mai multe noduri situate n vecintatea sa, ceea ce provoac interferene ntre diferite semnale. Att selectarea nodului care va efectua transmisia mesajului, ct i traseul acestuia sunt decise de fiecare nod, conform cu protocolul prezent n reeaua respectiv. n cazul de fa, (eKo)nodurile reelei sunt coordonate de un protocol de tip XMesh, care va fi prezentat ulterior. Diverse protocoale de direcionare a mesajelor (operaie numit, prin abuz de limbaj, rutare de la termenul englezesc routing) sunt condiionate de capabilitile reelei. Astfel, nainte de implementare, trebuie stabilii parametrii de funcionare, performanele dorite de comunicaie i limitrile reelei. Problema cea mai important legat de reelele ad hoc o constituie pstrarea evidenei conexiunilor dintre noduri, care se poate schimba de la un moment la altul. Fr aceast funcie, reeaua ad hoc nu poate exista. Spre deosebire de reelele de obinuite de comunicaie, cele formate din senzori au ca atribuii suplimentare (n afara realizrii comunicrii de date) detecia i estimarea unor evenimente de interes din reea. O reea ad hoc de senzori const ntr-un numr de senzori distribuii pe o anumit arie geografic. Fiecare astfel de senzor poate avea un anumit nivel de inteligen artificial, msurat de complexitatea algoritmilor de prelucrare primar i transmiterea n reea a datelor achiziionate.


6

Iat cteva exemple de reele de senzori cu comunicaie radio: reele militare, utilizate pentru a furniza ct mai multe informaii despre micrile inamicului, explozii i alte fenomene de interes; reele civile pentru detecia i caracterizarea accidentelor (sau chiar a atacurilor) cu materiale chimice, biologice, radiologice, nucleare i explozive; reele pentru detecia i monitorizarea schimbrilor de mediu, cum este i reeaua din acest proiect.

Principalele obiective ale unei reele ad hoc de senzori depind de aplicaie, dar urmtoarele principii sunt comune [PCS09]:

Determinarea valorii unui parametru ntr-o anumit locaie: ntr-o reea din mediu, se pot astfel determina simultan: temperatura, presiunea atmosferic, intensitatea solar, umiditatea relativ, etc., pentru mai multe locaii diferite. La un anumit nod se pot conecta astfel diferite tipuri de senzori, fiecare avnd o rat diferit de eantionare i un interval propriu al valorilor admisibile. Detectarea momentelor n care au loc evenimentele de interes i estimarea parametrilor evenimentelor detectate. Clasificarea unui obiect detectat. De exemplu, n reeaua senzorilor din traficul urban, se pot determina tipul autovehiculului (autoturism, camion, autobuz, etc.), numrul de nmatriculare, culoarea, etc. Urmrirea unui obiect. De exemplu, urmrirea deplasrii unei specii oarecare ce i are habitatul n aria geografic acoperit de reea.

Printre cerinele reelelor ad hoc se numr urmtoarele: Necesitatea existenei unui numr considerabil de senzori staionari, pentru a asigura o bun comunicare cu senzorii mobili, dac acetia exist. Cele mai multe noduri dintr-o reea de senzori ar trebui s fie staionare. Totui, numrul prea mare de senzori ridic o alt problem: cea a scalabilitii. Consumul sczut de energie. Deoarece, n multe aplicaii, senzorii sunt amplasai n zone izolate, ntreinerea unui nod este deseori dificil. n acest caz, durata de via a unui nod poate fi determinat de durata de via a sursei de alimentare (baterie), deci este necesar minimizarea consumului de energie. Majoritatea senzorilor cu comunicaie radio sunt de aceea dotai cu celule solare i acumulatori rencrcabili. Capacitatea de auto-organizarea. Avnd n vedere numrul mare de noduri i amplasarea acestora n locaii greu accesibile, este esenial ca reeaua s fie capabil de auto-organizare; configurarea manual este adesea imposibil. Nodurile pot eua (fie din lipsa de energiei, fie din motive de degradare fizic) sau se pot aduga reelei. Prin urmare, reeaua trebuie s fie capabil s se reconfigureze periodic pentru a putea continua s funcioneze. Nodurile individuale se pot deconecta de restul reelei, dar trebuie meninut un grad mare de conectivitate. Prelucrarea colaborativ a semnalelor. O carcteristic distinctiv a reelelor de senzori este aceea c ele nu trebuie s asigure doar comunicarea, ci i detecia sau identificarea/estimarea unor evenimente de interes din mediul monitorizat. Pentru a mbunti performana de detecie/estimare, este util ca datele de la mai muli senzori s poat fi agregate, dei au naturi diferite (date utile sau mesaje de control). De regul, aceast agregare conduce la diminuarea performaelor reelei, ns contribuie la creterea securitii transmisiei. Abilitatea de rspuns la interogare. Un utilizator poate dori interogarea unui nod individual sau a unui grup de noduri pentru studiul informaiilor culese din regiunea respectiv. n funcie de maniera de agregare a datelor, este posibil ca aceast operaie s fie restrictiv. De aceea, exist posibilitatea implementrii unui protocol prin care mai multe noduri locale de colectare vor aduna datele dintr-o anumit arie i vor crea mesaje de sumar. O interogare poate fi trimis nodului de colectare care este cel mai aproape de locaia dorit.


7

2.2. Organizarea nivelului OSI superior al reelei de eKo-senzori 2.2.1. Despre modelele OSI Potrivit publicaiilor din domeniul protocoalelor de comunicaie ntre calculatoare, dintre care [ZiH80] este, probabil, cea mai important pe aceast tem, un model OSI (Open System Interconnection) este o descriere abstract a structurii stratificate caracteristice unui astfel de protocol, ca n Figura 2.1. Se remarc, astfel, existena a 7 nivele (straturi) de comunicare (de unde i numele alternativ de model cu 7 straturi).

Figura 2.1. Structura unui protocol de comunicaie, dup modelul OSI.

Un strat este de fapt o colecie de funcii similare care ofer servicii stratului imediat superior i solicit servicii de la stratul imediat inferior. De exemplu, ntr-un strat n care se desfoar o comunicaie total protejat mpotriva erorilor, sunt furnizate stratului urmtor locaiile n care se regsesc codurile de protecie mpotriva erorilor i se solicit de la nivelul inferior chiar aceste coduri. Diferitele funcii ale unui strat pot comunica ntre ele printr-un protocol local, pe orizontal. Nivelul de tip aplicaie (7) este situat cel mai aproape de utlizator. El ofer servicii de reea aplicaiilor utilizator. Difer de celelalte niveluri OSI prin faptul c nu ofer servicii nici unui alt nivel, ci numai unor aplicaii ce sunt situate n afara modelului OSI. La acest nivel, se stabilete disponibilitatea unui calculator de a iniia conexiuni, procedurile ce vor fi urmate n cazul unor erori i se verific integritatea datelor. Aplicaiile care sunt folosite la acest nivel sunt de tip HTTP, DNS etc. La nivelul de tip prezentare (6) trebuie s se asigure c informaia transmis de nivelul de tip aplicaie al unui protocol poate fi citit i interpretat de ctre nivelul de tip aplicaie al protocolului cu care acesta comunic. Dac este necesar, nivelul de tip prezentare realizeaz traducerea ntre diverse formate de reprezentare, prin intermediul unui format comun. Acest nivel are urmtoarele funcii principale: compresia sau decompresia datelor care vin de la nivelul de tip aplicaie, criptarea sau decriptarea datelor, ncapsularea datelor care sunt transmise nivelului urmtor .


8

Nivelul de tip sesiune (5) exist funcii nsrcinate cu stabilirea, meninerea, gestionarea i terminarea sesiunilor de comunicare dintre emitor i receptor. Aici, sunt oferite servicii nivelului de tip prezentare. De asemenea, la acest nivel se realizeaz sincronizarea ntre nivelurile de tip prezentare i gestionarea schimbului de date ntre acestea. n plus, la nivelul de tip sesiune sunt oferite bazele pentru transferul eficient de date, pentru clase de servicii i pentru raportarea excepiilor nivelurilor de tip sesiune, prezentare i aplicaie. Multe aplicaii, cum ar fi i motoarele de cutare pe internet, ncorporeaz funciile celor trei nivele superioare (7, 6 i 5) ntr-un singur nivel, considerat de tip aplicaie. Nivelul de tip transport (4) are ca rol segmentarea datelor la emitor i reasamblarea lor la receptor. Limita dintre nivelul de tip transport i cel de tip sesiune constituie de fapt grania ntre protocoale de orientate ctre aplicaii i protocoale de transfer de date. n timp ce nivelurile de tip aplicaie, prezentare i sesiune rezolv probleme legate de aplicaii, n cele patru niveluri inferioare sunt tratate problemele legate de transportul datelor. Nivelul de tip transport ncearc s ofere un serviciu care s izoleze nivelurile superioare de orice specificiti legate de modul cum este executat transportul datelor. Pentru a fi oferit o comunicare sigur a datelor, la acest nivel exist i servicii de detectare a erorilor i recuperare a datelor care au fost deteriorate n timpul transmisiei. Tot aici este realizat, n plus, controlul fluxului de informaii. Nivelul de tip reea (3) trebuie s asigure un mecanism de adresare a dispozitivelor finale: calculatoare i periferice. La acest nivel, se realizeaz adresarea logic a tuturor nodurilor din reea. Pentru ca informaiile individuale s fie direcionate ctre un anumit dispozitiv final, acesta trebuie s aib o adres unic. Nivelul de tip reea trebuie de asemenea s furnizeze servicii pentru direcionarea pachetelor de comunicaie de la surs ctre destinaie. Cele mai importante funcii ale acestui nivel sunt aadar: adresarea, direcionarea, ncapsularea, decapsularea. Protocolul cel mai des utilizat la acest nivel, implementat i n cadrul reelei de eKo-noduri este Internet Protocol version 4 (IPv4). Nivelul de tip date (2) ofer transportul sigur al informaiei printr-o legatur fizic direct. Pentru a realiza acest lucru, funciile de la acest nivel sunt proiectate pentru adresarea fizic, stabilirea topologiei reelei, dobndirea accesului la reea, detecia i anunarea erorilor i controlul fluxului fizic. Acest nivel are rolul de a permite celorlalte nivele s acceseze reeaua (mediul) i de a controla modul cum informaia este transmis prin diferite medii (cablu electric, fibr optic, unde radio). Pentru o separare convenabil sarcinilor, funciile nivelului 2 sunt grupate n dou categorii:

Controlul legturilor logice (Logical Link Control), unde sunt ncapsulate datele n cadre care conin informaii despre protocoalele utilizate. Aceste informaii permit ca, n aceeai reea, s se poat folosi mai multe tipuri de protocoale de nivel 3. Controlul accesului media (Media Access Control), care furnizeaz modul de adresare a datelor i delimiteaz informaia n funcie de necesitile nivelului fizic i de protocolul utilizat. Aici se realizeaz transformarea informaiilor primite de la nivelele precedente n cod binar.

n fine, la nivelul fizic (1) sunt definite specificaii electrice, mecanice, procedurale i funcionale pentru activarea, meninerea i dezactivarea legturilor fizice ntre sisteme. n aceast categorie de caracteristici se ncadreaz niveluri de tensiune, sincronizare, rate de transfer fizic, distane maxime la care se poate transmite i alte atribute similare care sunt definite de specificaiile fizice. Rolul acestui nivel este s codifice informaia binar primit de la nivelul de tip date n semnale care s fie transmise prin mediul fizic.

2.2.2. Topologii cu reele de senzori

Exist mai multe arhitecturi care pot fi utilizate pentru implementarea reelelor de senzori cu comunicaie radio. Cele mai populare sunt: de tip stea, de tip plas i hibride stea-plas. Fiecare topologie prezint propriile sale provocri, avantaje i dezavantaje.


9

Pentru mai mult claritate n explicaia care urmeaz, iat civa termeni de specialitate dedicai: Puncte terminale (endpoints). Acestea sunt module care conin senzori i dispozitive

de nregistrare a datelor. n anumite reelele, acestea mai sunt numite i dispozitive funcionale reduse (Reduced Functional Devices). Ele pot transmite mesaje att ctre partea superioar a reelei ct i ctre parta inferioar.

Trasator de rute (router). Este un dispozitiv care are ca rol extinderea zonei de acoperire a reelei i asigurarea de rute alternative, n cazul n care reeaua este blocat sau anumite legturi sunt ntrerupte. n unele cazuri, trasatoarele de rute pot funciona ca puncte terminale. n anumite reele, ele se mai numesc i dispozitive cu funcii complete (full-function devices).

Punte de legtur (gateway). Acest dispozitiv recepioneaz datele de la reea i le ofer utilizatorului prin intermediul unei reele de tip LAN sau a Internetului. Utilizatorul poate accesa datele folosind o interfa grafic. Aceasta i permite s monitorizeze i s configureze parametrii reelei.

Protocol de reea. Colecie de programe software care capacitatea de auto-configurare, diagnoz i revitalizare a reelei.

Topologie. Acest termen se refer att la configuraia componentelor hardware, ct i la modul de transmitere a datelor n reea.

A. Topologia stelat

O topologie de tip stea este o configuraie n care toate nodurile gzduiesc senzori aflai n raza direct de comunicare (de obicei ntre 30 i 100 de metri) a punii de legtur, ca n Figura 2.2.

Figura 2.2. Reea de senzori cu topologie stelat.

Toi senzorii sunt identici i joac rol de puncte terminale. Puntea de legtur are rolul de a primi date de la senzori i de a le comunica unui nivel superior de control. Punctele terminale nu transmit date sau comenzi de la unul la cellalt; ele folosesc puntea ca un punct comun de coordonare i control.


10

Topologia stelat ofer cel mai mic consum de energie, dar este limitat de distana pe care o poate parcurge un semnal de la un punct terminal la puntea de legtur. De asemenea, nu exit ci de comunicare alternative cu punctele finale. n cazul n care conexiunea dintre punctul terminal i punte este pierdut, datele nu vor mai fi accesibile.

B. Topologia de tip plas (mesh)

n cadrul topologiei de tip plas, toate nodurile (care gzduiesc senzori) sunt de tip trasator de rute, ca n Figura 2.3. Nodurile sunt capabile s comunice att ntre ele, ct i cu puntea de legtur.

Figura 2.3. Reea de senzori cu topologie de tip plas (mesh).

Datele pot ajunge la punte fie direct de la nodul furnizor, fie dup ce au tranzitat mai multe noduri conectate cu nodul furnizor. Aceast modalitate de propagare a datelor permite extinderea reelei pe o raz nelimitat. Reeaua de tip mesh este de asemenea foarte tolerant la eventuale defeciuni ale conexiunilor, pentru fiecare nod existnd mai multe ci de comunicare a datelor la ctre puntea de legtur. Dac un nod este afectat i nu mai poate funciona ca receptor sau transmitor de date, reeau se auto-configureaz i gsete o cale alternativ ocolind blocajul. Dezavantajul acestui tip de topologie const n ntrzierile care pot aparea cnd reeaua s-a extins prea mult. Reelele cu raz scurt de aciune, bazate pe arhitecturile de tip plas au evoluat mult n zilele noastre, permind managementul eficient al diverselor dispozitive radio. Capacitatea de auto-organizare a acestor reele a contribuit la dezvoltarea de noi aplicaii, inclusiv cea abordat n cadrul proiectului de fa. De altfel, tocmai aceast proprietate a condus la adoptarea lor n multe aplicaii recente. Reelele de tip plas pot fi proiectate n diferite moduri, pentru a face fa diferitelor cerine. Exist ns un set de cerine comune. Acestea includ:

Consumul redus. Pentru a face fa unei exploatri pe termen lung, consumul de energie de la legtura radio trebuie s fie minimizat. n acest scop, dispozitivul de alimentare trebuie s fie ct mai compact, cu baterii uoare, rencrcabile, eventual dotate cu celule solare. Utilizarea simpl i direct.


11

Auto-iniializarea. Protocolul de reea trebuie s permit nodurilor s se iniializeze singure ntr-o manier organizat. Scalabilitatea. Reeaua trebuie s suporte numrul de noduri necesare n momentul iniializrii acesteia i, n acelai timp, s poat susine creterea acestuia, fr a afecta eficiena de transmisie sau capacitatea de stocare a datelor. Receptivitatea. Tehnologia trebuie s permit recepia datelor n condiii de mediu dintre cele mai diverse. Aria de acoperire (distana). Este mai eficient din punct de vedere al consumului de energie s fie emis un semnal radio de mic putere, la distane mici dect s fie transmis un semnal puternic, pe o distan mare. Dispozitivele de repetare dintr-o reea folosesc un protocol care suport redirecionare n trepte (de tip multi-hop), astfel nct pachetele de date s fie transmise de la un nod la altul, atunci cnd distana dintre sursa i destinaie este prea mare. Comunicarea bi-direcional. Comunicarea dintre senzor i unitatea central trebuie s fie bi-direcional. Pe de o parte aceasta va permite staiei de baz s transmit anumite semnale de ajustare a parametrilor de funcionare a senzorilor. Pe de alt parte, senzorii vor putea astfel funciona i ca repetori sau elemente de confirmare. Sigurana datelor. Integritatea datelor este ntotdeauna o cerin critic pentru multe aplicaii. Factorul dimensionrii modulului. Dimensionarea modulului trebuie s fie ct mai compact, astfel nct punctele finale (endpoints) s ncap n interior i s permit ataarea cu uurin la dispozitivele existente.

Este necesar un protocol robust pentru a face fa att cerinelor anterioare, ct i cerinelor particulare ce pot aprea pentru topologiile de tip plas. Protocolul de direcionare ofer suport pentru topologia reelei i gestioneaz vehicularea datelor n reea. Pentru ca reeaua s se ridice la standardele unei reele de senzori avnd comunicaie radio, protocolul trebuie s suporte toate cerinele de baz.

A. Topologia hibrid

O astfel de topologie ncearc s combine avantajele celor dou configuraii de mai sus: simplitatea plus consumul redus de energie a topologiei stelate i redundana plus capacitatea de extindere a topologiei de tip plas. Astfel, nodurile (gazdele senzorilor) sunt grupate n dou clase: terminale i intermediare, ca n Figura 2.4. Nodurile terminale funcioneaz ca n cazul topologiei stelate, numai c ele comunic doar cu noduri intermediare, nu cu puntea de legtur. La rndul lor, nodurile intermediare pot furniza date sau juca rol de trasatoare de rute, ca n cazul topologiei de tip plas. Capacitatea de auto-configurare a reelei este astfel crescut.

2.2.3. Reeaua Crossbow i protocolul XMesh

Eco-senzorii de tip Crossbow (achiziionai n cadrul proiectului) sunt organizai ntr-o reea ad hoc de tip plas. Protocolul aferent acesteia este numit Xmesh. Nodurile reelei (numite i Motes sau eKo-noduri) comunic aadar ntre ele, fiind capabile s trimit date pe diferite ci, cu scopul de a ajunge la baza radio, de unde sunt transmise unui nivel superior. Transmiterea datelor din nod n nod extinde raza reelei i, n acelai timp, reduce consumul de energie. Transmind datele n aceast manier, protocolul XMesh produce dou beneficii importante: mbuntirea convergenei radio i o calitate ridicat a corectitudinii datelor transmise. Dou noduri nu trebuie obligatoriu sa aib razele de acoperire intersectate pentru a putea comunica. Un mesaj poate fi transmis unui nod sau mai multor noduri intermediare, care vor direciona mesajul ctre destinaie.


12

Figura 2.4. Reea de senzori cu topologie hibrid.

De asemenea, dac exist o legtur slab ntre dou noduri, aceast problem poate fi depit prin folosirea unei rute alternative care va ocoli zona afectat. De obicei, nodurile funcioneaz folosind o strategie de consum redus de energie, petrecnd majoritatea timpului ntr-o stare de veghe sau adormire uoar (light sleep), pentru a prelungi durata de via a bateriei pn la perioade de ordinul anilor. Protocolul XMesh este de fapt o bibliotec software care utilizeaz sistemul de operare TinyOS. Acesta gestioneaz funcionarea mai multor dispozitive ncapsulate. EKo-nodurile sunt alctuite din urmtoarele componente: Microprocesor Atmel ATmega128 capabil s comunice cu sistemele de radioemisie

de tip MICA2, MICA2DOT i MICAz. Acesta este dotat cu 128 KB memorie rapid (de tip flash), 4 sau 8 K memorie RAM i 4 K memorie EEPROM. Staie de emisie, care include un radio de tip MICA2 de frecvene 916/433 MHz i un

radio de tip MICAz/IRIS de frecven nalt, 2.4 GHz. Memorie rapid (flash) extern de stocare a datelor, ce suport maniera de

programare OTAP (over-the-air programmig). UID un circuit integrat care este programat cu un identificator unic de 64 bii

(pentru sistemele MICA2 i MICA2DOT). ntreaga reea Crossbow este compus din : Unul sau mai multe noduri care particip la reea. O baz radio (adic punte de legtur, gateway). Aceasta este un radioemitor

MICA2 sau MICAz ataat de o interfa Crossbow MIB510/520/600 i programat cu Aplicaia XMeshBase. Acesta coordoneaz reeaua i transmite datele la destinaia corespunztoare (noduri sau PC, utilizator). Un calculator sau un client care recepioneaz datele i trimite comenzi n reea.

Protocolul Xmesh ofer un serviciu de reea numit TrueMesh, care se poate auto-organiza i auto-diagnostica. Astfel, datele se pot direciona att de la noduri la staia radio (n amonte) ct i de la staia radio la noduri (n aval). De asemenea, se poate transmite un mesaj special de verificare (numit broadcast) n cadrul unei zone de convergen sau ntre dou noduri arbitrare.


13

Calitatea transmisiei i serviciului de reea este controlat prin funciile de protocol urmtoare:

Factorul dimensionrii modulului. Dimensionarea modulului trebuie s fie ct mai compact, astfel nct punctele terminale s ncap n interior i s permit ataarea cu uurin la dispozitivele existente. Cel mai bun efort (best effort). Aceast funcie se ocup de confirmrile la nivel de legtur. Livrare garantat. Funcie care nu permite pierderea pachetelor de date pe traseu.

De asemenea, protocolul XMesh poate fi configurat n diferite moduri de consum de putere: HP (de mare putere), LP (de mic putere), ELP (de putere mic extins). O alt facilitate a protocolul o constituie faptul c posed diferite moduri de realizare a comunicrii: ascultare la putere redus (low-power listening), timpi de sincronizare, veghe sau somn uor (light sleep). Toi senzorii Crossbow i toate plcile de achiziie de date Crossbow care alctuiesc o reea de senzori wireless suport aplicaii XMesh. Reeaua Crossbow are urmtoarele caracteristici:

suport MICA2, MICA2DOT i MICAz; putere mic, de obicei, la un curent mai mic de 220 A n medie (fr placa senzorului); sincronizarea reelei la 1 ms.

Reeaua de a fost testat att n mediu nchis, ct i n aer liber. n mediu nchis (ser de plante), nodurile sunt amplasate la o distan maxim de 90 m, pentru a acoperi o arie efectiv de 312 m [DSD09]. Pentru a testa o distan mai mare ntre noduri, puterea de transmisie a fost redus pn la 6 dBm. Analize statistice incluznd diferite configuraii ale reelei au demonstrat c peste 90% din tot traficul generat de la orice nod a fost colectat de staia de baz fr s fie folosit funcia de livrare garantat.

2.2.4. Sistemul software al reelei Crossbow

O reea care folosete protocolul XMesh se bazeaz pe trei straturi software de baz: Stratul nodurilor senzoriale, unde este implementat protocolul Xmesh. Acesta reprezint punctul unde se formeaz legtura dintre noduri i este alctuit reeaua de tip plas. Software-ul aferent include algoritmii necesari pentru realizarea unei legturi sigure, ce conecteaz toate nodurile din reea cu unitatea central de pe stratul urmtor (de tip server). Stratul de tip server este ntotdeauna pornit i se ocup cu colectarea i transmiterea de date de la reeaua de senzori, cu scopul de a le furniza clientului. Aplicaia caracteristic se numete XServer i poate rula pe un PC. Stratul de tip client furnizeaz software-ul de vizualizare a datelor i interfaa grafic pentru managementul reelei.

Pachetul software asigur: servicii multiple de transfer de date; funcii pentru controlul calitaii serviciilor de comunicare i transfer de date (Quality of Service QoS) moduri de operare cu diferite tipuri de consum de energie; diagnosticarea problemelor aprute; sincronizarea datelor i mesajelor; OTAP (Over-the-Air-Programming).

Legat de consumul energetic, diferitele strategii permise rspund unei game variate de cerine i se adapteaz la caracteristicile specifice ale configuraiei curente a reelei de senzori.


14

Pentru configuraiile care au o surs de curent continu, cea mai indicat strategie este XMesh-HP. Aceast strategie ofer cea mai mare freceven de transmitere a mesajelor. Nodurile consum ntre 15 i 30 mA, acest lucru depinznd de tipul nodului. Nodurile pot primi i transmite mesaje la orice moment din timp. Mesajele sunt transmise cu o vitez mai mare, scznd timpul necesar formrii reelei sau adugrii unui nou nod. Pentru sisteme care se bazeaz pe baterii ca surs de energie, iar durata lor de via trebuie s ating luni sau chiar ani, cele mai folosite strategii sunt XMesh-LP i Xmesh-ELP. n cazul strategiei XMesh-LP, reeaua cu consum redus de putere poate s funcioneze sincron sau asincron. Folosind sincronizarea, nodurile sunt sincronizate cu o toleran de 1 ms, ceea ce ofer o eficien ridicat. n acest mod, nodurile au dou stri: de veghe (adormire uoar light sleep) i de trezire (wake-up). La fiecare 8 s se trece din starea de veghe n starea de trezire, pentru un interval scurt de timp n vederea deteciei semnalelor radio transmise. Dac se detecteaz un astfel de semnal, nodul va rmne n starea de trezire, pentru a-l recepiona. Aceast operaie consum n medie 80A. Cnd datele sunt transmise la un interval de 3 minute, consumul de energie pentru o reea de 50 de noduri este de circa 220 A. Dac se dorete un consum i mai mic de energie, acest obiectiv se poate atinge crescnd intervalul de trazire. Strategia Xmesh-ELP este folosit doar pentru noduri terminale care nu particip n procesul de direcionare a mesajelor (ca n cazul topologiei stelate sau hibride). Aceste noduri doar comunic cu puntea de legtur sau cu alte noduri intermediare, care pot direciona mesajele i datele pe diferite rute. Din acest motiv, nodurile terminale fr capacitate de direcionare nu au nevoie de sincronizare pentru a trece n starea de trezire. Ele pot sta n starea de adormire uoar pe durate foarte lungi de timp. Dac atunci cnd transmite un mesaj ctre un nod destinaie, un astfel de nod nu primete confirmare, el va nmagazina informaia pn la deblocarea conexiunii sale (n limita memoriei disponibile).

2.3. Echipamentele i interfaa reelei de eKo-senzori 2.3.1. Descriere general Seria de senzori eKo Pro Series de la Crossbow (din acest motiv, denumii de noi eKo-senzori), descris parial i n raportul de cercetare precedent [SPDC08], este un sistem cu comunicaie radio pentru monitorizarea mediului, a microclimatelor formate n sere sau n spaii deschise i pentru studii de cercetare n acest domeniu. Sistemul eKo-senzorial introduce o nou generaie de senzori, caracterizai (aa cum s-a amintit) prin transmisie radio a datelor. Crossbow a ncercat de fapt o revoluionare n domeniul agricol din punctul de vedere al preciziei cu care sunt monitorizate sistemele aferente i, probabil, a reuit n mare parte, deoarece eKo-senzorii pot fi utilizai i n medii ecologice ne-agricole (cum ar fi serele, pdurile, etc.). Acest sistem de monitorizare nu trebuie privit ca o staie meteo, sau ca un simplu dispozitiv de control al irigaiei, aa cum se nelege adesea prin sintagma monitorizare de ecosistem. Complexitatea sa este mai ridicat, prin faptul c eKo-senzorii nglobeaz o anumit cantitate de inteligen (artificial). El este ideal pentru a rspunde nevoilor de monitorizare, sigurana preciziei datelor furnizate, managementul irigaiilor, analiza calitii apei, contaminarea solului, nivelul de radiaii solare, cantitatea de precipitaii, direcia i intensitatea vntului, etc. Utiliznd acest sistem, mpreun cu algoritmii de prediie de la nivelul superior, se asigur o dezvoltare durabil i sigur a mediilor ecologice. De asemenea, seria de eKo-senzori este uor de utilizat, fr a fi necesar o experien n domeniu. Configurarea reelei este la ndemna oricrui utilizator, aceasta fiind intuitiv i avnd un suport tehnic consistent, care s poat rspunde la aproximativ orice ntrebare. Principalele componente ale sistemului sunt: nodurile, baza radio i puntea de legtur. Sistemului i se adaug ulterior senzori care monitorizeaza diferite mrimi: temperatura ambiant, umiditatea aerului, temperatura solului, umiditatea solului, componentele apei din sol, radiaia solar, viteza i direcia vntului, etc.


15

Principalele caracteristici ale sistemului Crossbow de eKo-senzori sunt urmtoarele (cu referire la imaginea de ansamblu din Figura 2.5):

Figura 2.5. Imaginea de ansamblu a sistemului Crossbow.

Monitorizarea i nregistrarea tuturor msurtorilor realizate de ctre diferite tipuri de eKo-senzori, stocarea acestor date realizndu-se la nivelul bazei de date a punii de legtur. Aici se poate gsi o istorie complet a datelor din diferite microclimate i topologii. Puntea ofer acces n orice moment la datele care sunt preluate de la eKo-senzori prin intermediul unei pagini web (numit eKo-View), care poate fi accesat prin intermediul internetului. Utilizatorul are astfel posibilitatea s urmreasc starea sistemului ecologic monitorizat, utiliznd reprezentri grafice i diagrame. Alarme i notificri imediate. Dac se cunoate c o anumit mrime msurat de unul sau mai muli senzori trebuie s se ncadreze ntr-un anumit interval de valori, atunci se poate configura o alarm care s se declaneze n momentul cnd se nregistreaz o abatere de la aceast gam de variaie. Urmtoarea etap dup declanarea alarmei este aceea de a anuna utilizatorul. Acesta poate configura sistemul astfel nct, n momentul declanrii unei alarme, s fie anunat via E- mail sau print-un mesaj scris pe telefonul mobil. Fiecare eKo-nod comunic radio cu pn la patru eKo-senzori de proximitate. EKo-senzorii sunt pur i simplu conectai la un eKo-nod. Nu este necesar o alt activitate suplimentar, cum ar fi conectarea unor fire la terminal sau schimbarea configuraiilor de baz. Aceast operaiune se poate efectua n cteva secunde. Odat ce un eKo-nod este resetat, el scaneaz toate cele patru porturi, pentru a identifica posibili senzori. De fiecare dat cnd nodul este resetat, el va interoga imediat echipamentele vecine, pentru a localiza cele mai bune conexiuni. Dup un minut, utilizatorul este ntiinat dac amplasarea eKo-nodului este corect. Scalabilitatea reelei. Extinderea reelei este la fel de simpl ca activarea unui nou eKo-nod, deoarece fiecare astfel de eKo-nod avre capacitatea de a transmite mesaje de la alte echipamente vecine, care se afl n aria de comunicare. Distana la care un eKo-nod poate s comunice cu un alt eKo-nod variaz de la 180 m pn la 450 m, n funcie de poziie, obstacole i de interferenele radio existente n zon. Un singur sistem Crossbow poate s susin pn la 35 de eKo-noduri i 140 de eKo-senzori.


16

Energie suplimentar provenit din energia solar. Fiecare eKo-nod are baterii solare rencrcabile, pentru a asigura o funcionare ct mai ndelungat a eKo-senzorilor, ajungndu-se la timpi de via de ordinul anilor. EKo-nodurile pot funciona fr energie solar pn la trei luni.

2.3.2. Echipamentele de baz n cadrul raportului de cercetare [SPDC08] a fost realizat o descriere destul de detaliat a echipamentelor care constituie sistemul Crossbow. De altfel, ele sunt ilustrate i n Figura 2.5. Din acest motiv, subiectul nu va fi reluat n cadrul acestui raport de cercetare.

2.3.3. Punerea n funciune a reelei Crossbow Pentru a pune n funciune reeaua de eKo-senzori, trebuie parcuri 4 pai importani:

1. Conectarea punii de legtur. 2. Conectarea bazei radio i pornirea ansamblului baz-punte. 3. Amplasarea i pornirea eKo-nodurilor. 4. Lansarea n execuie a interfeei eKo-View.

Ne vom referi la fiecare, pe rnd, n continuare.

Pasul 1. Conectarea punii de legtur (gateway)

n Figura 2.6 este ilustrat puntea de legtur, mpreun cu setul de componente auxiliare aferent.

Figura 2.6. Puntea de legtur (gateway) a reelei Crossbow.

Acesta include: a. Un modul de memorie rapid (flash stick) cu conectare de tip USB. Acesta este

folosit pentru memorarea datelor trimise de la senzorii conectai la punte. El trebuie introdus n portul inferior al punii, numit Disk 1 n Figura 2.7, care urmeaz. Conexiunea trebuie realizat astfel nct contactele electrice ale prizei USB s se suprapun cu contactele electrice ale conectorului de pe punte.

b. Un cablu de tip CAT5 Ethernet cu mufe la ambele capete. Un capt al acestui cablu trebuie conectat la portul Ethernet al punii, iar cellalt la un trasator de rute (router) sau un comutator (hub/swich) Ethernet. Dac se dorete conectarea direct a punii cu un PC este necesar un cablu ncruciat (de tip cross-over).


17

Figura 2.7. Prize de conectare din partea posterioar a punii de legtur.

c. Un adaptor pentru sursa de alimentare. d. Un suport pentru amplasarea n poziie vertical a punii (ca n Figura 2.6).

Dup realizarea acestor conexiuni, fr alimentarea punii, se trece la pasul urmtor. Alimentarea va fi realizat dup acest pas. Se observ ca numai priza de tip USB numit Disk 2 nu a fost nc utilizat.

Pasul 2. Conectarea bazei radio i pornirea ansamblului baz-punte

Pentru a conecta baza radio din Figura 2.8 cu puntea de legtur, se utilizeaz un cablu de tip USB cu mufe identice la ambele capete. Un capt a cablului este introdus n priza USB a bazei radio i cellalt n priza Disk 2 (Figura 2.7).

Figura 2.8. Baza radio a reelei Crossbow.

Dup ce se conecteaz baza radio i puntea de legtur la sursa de curent, ansamblul baz-punte intr automat n funciune. Puntea posed totui un buton pornit/oprit, care trebuie apsat n poziia pornit.

Pasul 3. Amplasarea i pornirea eKo-nodurilor

nainte de a porni un eKo-nod, utilizatorul trebuie s verifice dac puntea de legtur este funcional. Aceasta se realizeaz nu doar prin conectarea la sursa electric, ci i prin prin accesarea interfeei eKo-View (care va fi descris la pasul urmtor).


18

n momentul pornirii, eKo-nodul trebuie s se afle la o distan de maxim 6.25 m fa de baza radio. Dup stabilirea conexiunii, distana poate crete. Pornirea se realizeaz prin apsarea butonului de alimentare. EKo-nodul va scana cele patru porturi disponibile, pentru a detecta senzorii cuplai. Pentru fiecare port liber va emite un semnal luminos rou, spre deosebire de porturile ocupate pentru care va emite un semnal luminos verde. Dup finalizarea etapei de scanare a porturilor, eKo-nodul va emite semnale luminoase albe care indic ncercarea de a comunica cu baza radio. Tabelul 2.1 sumarizeaz mesajele n culori pe care le poate emite un eKo-nod.

Tabelul 2.1. Codul minimal de culori utilizat de eKo-noduri.

Secvene luminoase

Semnal 1 Semnal 2 Semnal 3 Semnal 3 Semnal

intermitent

Durat 2 s 2 s 2 s 2 s 1 s Culoare Rou/Verde Rou/Verde Rou/Verde Rou/Verde Alb

Activitate Scanare Port 1 Scanare Port 2

Scanare Port 3

Scanare Port 4

ncercare de comunicare

Cnd un nou nod ncearc s se alture reelei, n interfaa eKo-View va aprea o notificare n partea din dreapta-jos, ca n Figura 2.9.

Figura 2.9. Notificarea de conectare n reea a unui nou eKo-nod.

Pentru a accepta un eKo-nod n reea, este aadar necesar s se navigheze ctre meniul numit Configure Nodes (configurare de noduri). EKo-nodurile care ncerc s se conecteze vor aprea sub forma unei liste, n care apar seriile numerice ale acestora i tipurile de eKo-senzori pe care le gestioneaz, ca n Figura 2.10.

Figura 2.10. Lista de eKo-noduri care ncearc s extind reeaua.


19

Selectnd seria corespunztoare eKo-nodului cruia i se permite s se alture reelei i confirmnd selecia cu ajutorul butonului Accept, se realizeaz conectarea acestuia. EKo-nodul dispare din lista precedent i se adaug ntr-o alt list, la care se ajunge prin meniul Configure Existing Nodes (configurare noduri existente). n aceast list, fiecare eKo-nod primete un numr de identificare (ID) incremental, generat de puntea de legtur. Dac seria eKo-nodului care intenioneaz s intre n reea nu coincide cu nici unul dintre seriile nodurilor dorite, acesta poate fi respins prin acionarea butonului Reject. Oprirea unui eKo-nod se realizeaz n orice moment cu ajutorul butonului de pornire-oprire. Acest lucru va fi indicat printr-un semnal luminos rou. Dac, n mod accidental, a fost respins un nod care trebuia conectat la reea, el poate fi recuperat selectnd butonul Advanced, pentru a intra n meniul Advanced Commissioning (comenzi avansate). Acolo, recuperarea eKo-nodului se realizeaz prin utiizarea butonului Undo. n momentul cnd toate eKo-nodurile dorite au fost conectate la reea, n meniul Configure (configurare) se vor putea observa (pentru fiecare eKo-nod): numrul ID, seria numeric i descrierea parametrilor monitorizai. Dup acceptarea eKo-nodului, n reea va aprea un semnal luminos albastru, ce va dura aproximativ un minut, urmat de un semnal galben de aproximativ 20 de secunde. Astfel, este indicat faptul c exit o legtur radio stabil cu baza. Dac n apropiere mai exist i alte eKo-noduri conectate la reea, ar trebui s se vad un semnal luminos verde care indic cel puin dou conexiuni radio stabile. Toate aceste mesaje prin culori sunt sumarizate n Tabelul 2.2.

Tabelul 2.2. Codul extins de culori utilizat de eKo-noduri.

Secvene luminoase Semnal intermitent Semnal constant

Durat 1 s 20 s

Verde: dou conexiuni stabile

Galben: o conexiune stabil Culoare Albastru

Rou: nici o conexiune stabil

Activitate Scanarea reelei Rezultatele scanrii reelei

Dup ce a fost acceptat n reea, nodul va transmite date la un interval de 30 de secunde pentru prima or, acest mod de transmitere a datelor iniiale a fost gndit pentru a permite utilizatorilor s verifice validitatea acestora. Dup aceast perioad, datele se vor transmite la un interval de 15 minute, avnd n vedere c fenomenele ecologice au o evoluie lent.

Detalii privind eKo-nodurile conectate la reea se pot obine prin intermediul meniului Node Details, ca n Figura 2.11. Pentru a reseta nodul i a-l aduce la setrile iniiale (din fabric), se procedeaz astfel: se ine apsat butonul de pornire-oprire timp de 30 de secunde; va fi emis un semnal luminos constant de culoare roie timp de 10 secunde, urmat de semnale luminoase intermitente timp de 5 secunde. n continuare, va fi emis un semnal luminos de culoare alb, acesta indicnd eliberarea butonului pornit-oprit. Aceast secven de mesaje pe baz de culori este sumarizat n Tabelul 2.3.


20

Figura 2.11. Descrierea detaliat, de tip eKo-View, a eKo-nodurilor conectate n reea.

Tabelul 2.2. Codul de culori utilizat pentru resetarea unui eKo-nod.

Pasul 4. Lansarea n execuie a interfeei eKo-View

Aceasta interfa ofer utilizatorului acces la diferite caracteristici ale reelei, prin intermediul unui sistem cu ferestre, intuitiv, convivial i uor de manipulat. Principalele opiuni ale interfeei sunt urmtoarele:

vizualizarea topologiei reelei; trasarea de grafice cu date furnizate n timp real de la diferii eKo-senzori; posibilitatea de configurare a unor limite de variaie a parametrilor monitorizai, n vederea alarmrii utilizatorului.

Interfaa este descris pe larg n paragraful urmtor.

2.3.4. Interfaa eKo-View Pentru a putea utiliza interfaa WEB a reelei Crossbow (eKo-View), este necesar ca utilizatorul s dein un nume i o parol recunoscute de (mini-)sistemul de operare cu care este dotat puntea de legtur. (Acesta este rezident n modulul de memorie rapid din Figura 2.6, conectat la priza Disk 1 n Figura 2.7.) Poarta de intrare n interfa este ilustrat n Figura 2.12. Dup identificarea utilizatorului, acestuia i se permite accesul la meniurile de lucru ale interfeei (a se vedea Figura 2.13):

meniu principal; submeniu (meniu secundar); legturi (link-uri) utile; date.

n continuare, vom naviga prin aceste meniuri, pentru a descrie facilitile oferite de interfa.

Secvene luminoase Semnal constant Semnal intermitent Semnal constant

Durat 10 sec 1 sec 20 sec Culoare Rou Rou Alb

Activitate Dac butonul pornit-oprit va fi eliberat,

nodul se va nchide

Se pregtete resetarea nodului

Nodul va fi resetat la eliberarea butonului

pornit-oprit


21

Figura 2.12. Poarta de intrare a interfeei eKo-View.

Figura 2.13. Meniurile interfeei eKo-View.

A. Faciliti ale meniului principal A.1. Vizualizarea reelei de eKo-senzori

n imaginea din Figura 2.14, se poate vedea topologia unei reele de eKo-senzori n activitate. Ea s-a obinut prin selectarea butoanelor Sensors, Network i Map.

Figura 2.14. Vizualizarea unei reele de eKo-senzori n activitate (configuraie stelat).

0 4

3 1

2


22

Dup culorile senzorilor i ale legturilor dintre ei, se poate efectua o prim evaluare a strii reelei. Culoarea nodului indic vecinii poteniali ai unui eKo-nod i calitatea conexiunilor cu acetia. Astfel, dac un eKo-nod este de culoare albastr el are cel puin doi vecini cu care poate stabili o conexiune stabil. Dac este de culoare portocalie, el poate stabili o conexiune stabil doar cu un singur vecin. n cazul n care un nod este de coloare roie nseamn c nu are nici o conexiune stabil; n acest caz, buna funcionare a senzorilor ataai nu poate fi asigurat, iar datele achiziionate vor avea o perioad de eantionare foarte mare. Ce nseamn ca un nod s aib o conexiune stabil? Exist 3 stri ale conexiunilor dintre noduri, indicate prin culori corespunztoare:

verde conexiunea funcioneaz la o capacitate de peste 90%, att la intrare, ct i la ieire;

portocaliu uan dintre conexiunile de intrare sau de ieire funcioneaz la o capacitate n ntre 40% i 90%;

rou una dintre conexiunile de intrare sau de ieire funcioneaza la o capacitate sub 40%.

Conexiunile stabile au culoarea verde, conexiunile la limita de stabilitate au culoarea portocalie, iar cele instabile au culoarea roie. De exemplu, n Figura 2.14, pentru reeaua stelat, eKo-nodul 0 (care, este de fapt baza radio) are o conexiune instabil cu eKo-nodul 3, una la limita de stabilitate cu eKo-nodul 4 i conexiuni stabile cu eKo-nodurile 1 i 2. O alt configuraie a reelei este ilustrat n Figura 2.15. De aceast dat, topologia reelei este de tip plas. EKo-nodul 1 este folosit de ctre eKo-nodurile 2, 3 i 4 ca repetor, deoarece legtura lui cu baza radio este stabil.

Figura 2.15. Vizualizarea unei reele de eKo-senzori n activitate (configuraie de tip plas).

De asemenea, se poate observa de ce nodul 4 este de culoare portocalie: el are o singur legtur stabil cu nodul 2 i una instabil cu nodul 0 (baza radio). Chiar dac reeaua nu funcioneaz la capacitate maxim, fluxul de date transmis pe rute alternative i asigur o stabilitate de peste 90%.

0

3

4 2

1


23

A.2. Trasarea i vizualizarea de grafice

Aceast facilitate este disponibil prin intermediul butonului Chart. n Figura 2.16, se poate observa evoluia pe care au avut-o datele preluate de la 3 eKo-senzori de temperatur ambiental conectai cu eKo-nodul 5, senzori amplasai n diferite locaii ale ecosistemului. Perioada de eantionare este de 30 de minute.

Figura 2.16. Vizualizarea graficelor evoluiei datelor msurate.

Datele din spatele graficelor afiate se pot exporta ctre alte aplicaii, n format .csv, recunoscut de platforma Microsoft Office (deci i de programul Excel), prin selectarea butonului Export data. Aceast facilitate permite transferul elegant al datelor ctre mediile de programare. Pentru proiectul de fa, datele au fost exportate ctre mediul MATLAB, dup efectuarea un pas de conversie specific. (Se va reveni asupra acestui subiect.) De asemea, dac se alege opiunea Live Data, graficele vor fi actualizate de fiecare dat cnd sunt primite date de la nodul respectiv. Figura 2.17 relev o alt facilitate interesant: posibilitatea de a vizualiza valorile efetive ale datelor din spatele graficelor prin simpla amplasare a cursorului pe oricare dintre grafice, n oricare punct al acestora.

Figura 2.17. Vizualizarea caracteristicilor datelor msurate.


24

A.3. Configurarea sistemului

Urmtoarea facilitate a meniului principal este cea de configurare a eKo-nodurilor, plajelor de variaie normale ale mrimilor monitorizate i a utilizatorilor reelei. Pentru a realiza aceste operaii, este necesar s se selecteze butonul Configure, ca n Figura 2.18.

Figura 2.18. Facilitatea de configurare a eKo-nodurilor.

Aa cum s-a menionat deja, eKo-nodurile pot fi vizualizate (butonul Configure Nodes), adugate n reea (selecie, urmat de butonul Accept) sau nlturate din aceasta (selecie, urmat de butonul Reject). Dup ce un eKo-nod a fost acceptat n reea, acestuia i se pot defini unele proprieti. Cea mai interesant dintre acestea se refer la plajele de variaie ale mrimilor msurate. Prin selectarea butonului Configure Alerts, se ajunge la o fereastr de configurare ca n Figura 2.19.

Figura 2.19. Facilitatea de configurare a plajelor de variaie pentru mrimile monitorizate.

Pentru a stabili ntre ce limite variaia unei mrimi monitorizate este considerat normal, se pot stabili reguli de alarmare a utilizatorului, ca n coloana din dreapta a ferestrei de mai sus. De exemplu, dac temperatura ambient depete 20C, n cel puin unul dintre punctele n care sunt amplasai eKo-senzorii, utilizatorul este imediat informat. La fel pentru presiuni ale solului de cel puin 100 cbar (umiditatea este invers proporional acestei presiuni). n fine utilizatorii acreditai de ctre sistem sa opereze cu reeaua Crossbow sunt stabilii prin selectarea butonului Manage Users. Exist un utilizator principal numit administrator al reelei. El beneficiaz de privilegii maxime n utilizarea reelei i stabilirea celorlali utilizatori acreditai. Fiecare dintre utilizatori este asociat unei perechi nume-parol unic determinate de ctre administrator. Cu ajutorul acesteia, utilizatorul poate exploata reeaua Crossbow via internet.


25

A.4. Determinarea performanelor reelei

Ultimul buton al meniului principal se numete Network. Odat selectat, sunt afiate o multitudine de informaii de performan i stare de sntate privind funcionarea reelei Crossbow. Exist 4 opiuni de vizualizare a acestor informaii, enumerate n linia a doua a ferestrei din Figura 2.20.

Figura 2.20. Afiarea informaiilor de performan ale reelei.

Randamentul transmisiei de date la nivelul fiecrui eKo-nod, n ultima or, ultima zi i ultima sptmn este afiat prin intermediul butonului Packet Yield (Figura 2.20). n plus, este indicat i durata de timp scurs de la ultima actualizare. Prin selectarea butonului Mesh Health (Figura 2.21), sunt afiate date legate de starea de sntate a fiecrui nod, cum ar fi: tensiunea de alimentare a bateriilor, numrul de eKo-noduri parcurse pn la puntea de legtur (gateway), informaii legate de vecini i de legturile cu acetia.

Figura 2.21. Afiarea strii de sntate a reelei.

Tot informaii despre starea de sntate, dar a unitii centrale (serverului din puntea de legtur) se obin prin selectarea butonului Server Health, ca n Figura 2.22. Numrul de pachete de informaii vehiculate, ca i duratele medie de prelucrare a acestora sunt principalii indicatori ai strii de sntate a unitii centrale.


26

Figura 2.22. Afiarea strii de sntate a unitii centrale din puntea de legtur.

n fine, prin selectarea butonului Live Data, ca n Figura 2.23, date despre eKo-senzori sunt afiate n timp real, sub forma unui tabel, care include (pentru fiecare dintre ei): un numr unic de identificare, denumirea fiecrui pachet de date emis, informaii tehnice privind conexiunile i valorile instantanee ale valorilor eantionate (temperatur i umiditate, n exemplul din figur).

Figura 2.23. Afiarea informaiilor despre eKo-senzori i datele achiziionate.

B. Alte faciliti, oferite de meniul secundar B.1. Vizualizarea alternativ a datelor cu ajutorul jojelor

Revenind la butonul Sensors din meniul principal, informaiile despre eKo-senzori pot fi completate prin selectarea butonului Dashboard din meniul secundar, ca n Figura 2.24. Interfaa eKo-View ofer acum o vedere de ansamblu asupra datelor primite de la eKo-senzori, sub forma unor joje, n comparaie cu un minim i un maxim determinate de domeniul de msur al acestora i cu nivelele de alarmare stabilite anterior (dac exist). Valorile curente ale parametrilor msurai sunt reactualizate n timp real pe durata afirii acestei ferestre.


27

Figura 2.24. Afiarea datelor cu ajutorul jojelor.

B.2. Vizualizarea informaiilor extinse legate de alarme

Meniul secundar ofer posibilitatea afirii unor informaii de detaliu privind nivelele de alarm i istoricul atingerii acestora, prin selectarea butonului Alerts, dup cum ilustreaz Figura 2.25.

Figura 2.25. Afiarea informaiilor detaliate privind nivelele de alarm.

Practic, facilitile oferite de interfaa eKo-View sunt suficiente pentru o monitorizare destul de atent a unui ecosistem, dac se dispune de o reea adecvat de senzori. Cu toate acestea, stabilirea nivelelor de alarm i interpretarea datelor necesit intervenia unui specialist. De multe ori, cunoaterea amnunit a ecosistemului monitorizat este precar, astfel c interpretarea datelor achiziionate devine o operaie dificil. Dac, n plus, datele sunt afectate de perturbaii importante, nelegerea manierei n care a evoluat i va evolua fenomenul monitorizat se poate transforma ntr-o imposibilitate. Din acest motiv, este absolut necesar ca datele msurate s fie modelate matematic i prelucrate cu ajutorul unor algoritmi evoluai, cum sunt i cei care fac obiectul proiectului de fa.

2.4. Preluarea datelor din reeaua de eKo-senzori Datele furnizate de senzori sunt eantionate cu perioade precizate a priori. Mai mult, o serie de prelucrri primare (pre-filtrri, de fapt) sunt aplicate att la nivelul senzorilor, ct i la nivelul interfeei VISA, n special pentru a evita fenomenele de aliere n frecven (aliasing) [PrMa96] i a detecta eventualele decalibrri sensibile ale senzorilor. Reeaua Crossbow are capacitatea de a nmagazina datele ntr-o memorie rapid (flash stick) conectat la puntea de legtur (gateway). Pentru a le transmite mai departe, exist dou posibiliti:


28

a. Folosind opiunea Export Data din meniul Chart. Datele pot fi astfel achiziionate pe intervale determinate de timp (definite de utilizator). n plus, se pot selecta mrimile monitorizate, la ce eKo-noduri i cu ce tip de eKo-senzori se realizeaz msurtorile.

b. Folosind un fiier tampon (de tip backup), care conine ntregul bloc de date stocate. Acesta este salvat i reactualizat permanent la nivelul punii de legtur cu absolut toate datele achiziionate de la senzori (fr selecie, ca n cazul precedent).

n continuare, vor fi detaliate cele dou posibiliti.

2.4.1. Preluare prin exportare

Folosind interfaa eKo-View ca n imaginile din Figura 2.26, datele se pot exporta ntr-un fiier de tip .csv, care poate fi ulterior citit cu ajutorul programului Microsoft Office Excel.

Figura 2.26. Exportul datelor sub forma unui fiier de tip .csv.


29

Datele rezultate din export se prezint sub forma unui tabel asemntor celor construite cu ajutorul platformti Mocrosoft Office, ca n Figura 2.27:

Figura 2.27. Coninutul unui fiier de date de tip .csv.

Prin aceast metod, se pot extrage pn la cteva mii de date la o singur operaie. n plus, datele pot fi selecionate n funcie de mrimea msurat, numrul eKo-nodului i tipul eKo-senzorului. Este suficient s se opreasc pe graficul de variaie acele date care trebuie exportate. Aa cum ilustreaz i exemplul din Figura 2.27, datele pot fi culese ntr-o manier asincron, deoarece senzorii nu i pot sincroniza activitatea unii cu alii. Din acest motiv, pentru sincronizarea datelor, sunt necesare prelucrri ulterioare. O tehnica de sincronizare apeleaz la interpolare i re-eantionare cu o perioad mai fin. Dezavantajul major l constituie zgomotul de interpolare introdus, tiut fiind faptul c nu exist interpolatoare perfecte. O alt tehnic, mai bine adaptat tipului de date din ecologie (cu fenomene avnd evoluie lent) se bazeaz pe operaia de mediere. De exemplu, pentru fiecare or, se pot produce valori mediate ale datelor msurate. n acest fel, nu se realizeaz doar o sincronizare a datelor de pe diferite canale de msur, ci i o deparazitare a acestora de anumite zgomote (n special cel de cel alb [SCS05]). Pentru ca datele s poat fi folosite n cadrul algoritmilor de predicie, ele trebuie s convertite ntr-un format acceptat de mediul de programare n care au fost implementate acetia. n cazul acestui proiect, mediul de programare utilizat este MATLAB. n consecin, datele preluate de la senzori trebuie n final stocate n fiiere de tip .MAT, codificate n cadrul acestui mediu de programare. Pentru uurina nelegerii traseului datelor, vom apela la un exemplu. S presupunem c se dorete stocarea ntr-un fiier .MAT a datelor preluate de la eKo-nodurile 2 i 5, la care sunt conectai eKo-senzori de temperatur i umiditate. Fiecare eKo-nod include cte o pereche de eKo-senzori temperatur-umiditate. n total, sunt 4 canale de msur (dou de temperatur i dou de umiditate). Cei doi parametri sunt msurai la nivelul solului, n preajma unor plante de interior. Dup selecia i exportul datelor de pe cele 4 canale, se folosete tehnica medierii orare, pentru a transforma fiierul de tip .csv ntr-un fiier de tip .xls (recunoscut de programul Microsoft Excel), ca n Figura 2.28. Lungimea seriilor de date mediate fiind de 201, fiierul poate fi denumit prin DATA201.XLS. Acesta este ncrcat cu uurin n spaiul de lucru al mediului de programare MATLAB cu ajutorul funciei xlsread. Aa cum se poate observa n Figura 2.28, prima coloan a tabelului este constituit din momente de eantionare reprezentate n formatul dat-or. Funcia xlsread are capacitatea de a citi i interpreta corect aceast coloan. Urmtoarele 4 coloane sunt interpretate ca serii de date msurate pe canale diferite. Pentru stocarea lor n spaiul de lucru MATLAB, utilizatorul poate defini o variabil matricial cu 5 coloane (prima cu momente de eantionare i urmtoarele 4 cu date), care va fi atribuit odat cu apelul funciei xlsread, ca mai jos:

>> y = xlsread(DATA201.XLS) ;


30

Figura 2.28. Coninutul unui fiier de date de tip .xls.

Ultimul pas l constituie transformarea variabilei care conine datele ntr-un obiect de tip IDDATA (date de identificare) cu ajutorul unei rutine proiectate de noi special pentru acest scop: makeDATA. Dup lansarea acesteia n execuie (prin apelarea fr argumente), utilizatorul este invitat s introduc o serie de informaii auxiliare care sunt utile n identificarea blocului de date. Figura 2.29 ilustreaz fereastra de dialog cu utilizatorul a rutinei makeDATA..

Figura 2.29. Fereastra de dialog cu utilizatorul a funciei makeDATA.

Informaia auxiliar solicitat cuprinde urmtoarele: numele blocului de date (de exemplu, DATA201); o not privind blocul de date (de exemplu, se poate specifica numrul eKo-nodului

care a furnizat datele);


31

numele experimentului de msur (de exemplu, Msurarea temperaturii i umiditii ambiante din preajma unor plante de interior); unitatea de msur a timpului (de exemplu, ora); data i ora la care a fost iniiat achiziia de date (de exemplu, 11 mai 2009, ora

12:00; cele 201 date mediate s-au obinut ncepnd cu acest moment de timp; achiziia lor a durat aproximativ o sptmn); numele datelor pe fiecare canal; acestea pot fi numele parametrilor monitorizai (de

exemplu, temperatur pe canalele 1 i 2, umiditate pe canalele 3 i 4); unitile de msur ale datelor msurate, pe fiecare canal (de exemplu, C pentru

canalele 1 i 2, RHI relative humidity index, n procente, pentru canalele 3 i 4). Dup introducerea informaiilor auxiliare, variabila matricial y este convertit ntr-un obiect IDDATA cu ajutorul funciei iddata. n partea inferioar a Figurii 2.29, se pot observa principalele caracteristici ale acestui obiect, obinute prin simpla invocare a variabilei care conine obiectul (tot y, prin supra-nscriere). n final, funcia makeDATA realizeaz salvarea pe disc a obiectului IDDATA, cu ajutorul funciei Matlab save. Rezultatul este un fiier de tip .MAT, cu numele precizat de ctre utilizator (de exemplu, DATA210.MAT). Pentru a ncrca n spaiul de lucru obiectul IDDATA, trebuie utilizat funcia dual load. De altfel, att programele de predicie, ct i interfaa grafic prin care utilizatorul le poate apela, se ateapt ca datele achiziionate s fie gsite pe disc sub forma unor fiiere de tip .MAT. Desigur, datele trebuie stocate ntr-o manier sistematic, astfel nct s poat fi regsite cu suficient rapiditate. Pentru aceasta, o serie de informaii caracteristice (dintre cele enumerate mai sus) pot fi incluse chiar n numele fiierelor de tip .MAT care le conin. Organizarea datelor n baze de date specializate pe domenii este o activitate anvizajat pentru etapele urmtoare ale proiectului.

2.4.2. Preluare direct din puntea de legtur

Accesul utilizatorului la puntea de legtur se poate efectua prin intermediul interfeei eKo-View. Este suficient selectarea butonului Gateway, ca n Figura 2.30.

Figura 2.30. Accesul la puntea de legtur prin intermediul interfeei eKo-View.

Urmeaz construcia fiierului tampon, anunat printr-o fereastr ca n Figura 2.31. Aceast operaie este uor consumatoare de timp, fapt anunat i n partea inferioar a ferestrei. Pentru ca utilizatorul s nu se impacienteze n timpul generrii fiierului tampon, interfaa eKo-View afieaz etapele principale parcurse, ca n Figura 2.32. Unitatea central se oprete pentru cteva minute, pentru a permite organizarea datelor n fiierul tampon. Dup ce fiierul a fost constituit i salvat n memoria rapid, unitatea central este repornit. Fiierul are un nume unic i se prezint sub forma unei arhive de tip .tar sau .tgz. Pentru a descrca arhiva de pe memoria volatil este suficient selectarea legturii Data Backup (scris cu albastru n fereastra din Figura 2.32). Pentru extragerea coninutului arhivei, se poate utiliza orice program utilitar de dezarhivare (cum ar fi WinZIP sau WinRAR). Arhivarea a fost necesar n special pentru a comprima datele, avnd n vedere numrul lor, care poate fi foarte mare. n acest fel, se economisete spaiul de stocare al memoriei rapide.


32

Figura 2.31. Fereastra de informare privind crearea fiierului tampon de date.

Figura 2.32. Paii principali n construcia unui fiier tampon de date.

Dup dezarhivare, se obine un fiier care conine o baz de date numit xserve_sqlite.db. Ea este de tip SQLite. Pentru a ajunge la datele efectiv achiziionate, ncrcate n spaiul de lucru al mediu

Despre Senzori Wirelles

Documents

Transcript of Despre Senzori Wirelles