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Sistemi embedded sono sistemi digitali sviluppati appositamente per una specifica applicazione (sistemi dedicati), spesso incastonati in un sistema più ampio. Le caratteristiche principali sono:
- vincoli funzionali e soprattutto non funzionali ne influenzano fortemente l’architettura hw/sw (time-to-market, costi, volumi di vendita,... Vedi di più

Esame di Sistemi embedded docente Prof. L. Pomante

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ESTRATTO DOCUMENTO

Wireless Sensor Networks

• Problematiche di progetto

Risparmio energetico

 Nodo

 Progettazione componenti e architettura hw/sw

 Meccanismi per la (auto)gestione del consumo energetico

Rete

 Protocolli energy-aware

Sistema

 Applicazioni energy-aware

 21

DEWS Wireless Sensor Networks

• Problematiche di progetto

Affidabilità

 Nodo

 Ridondanza strutturale, temporale e di informazione

 Gestione delle anomalie

Rete

 Ridondanza spaziale, temporale e di informazione

 Gestione delle anomalie

Sistema

 Gestione delle anomalie

 22

DEWS Wireless Sensor Networks

• Problematiche di progetto

Middleware

 Nodo

 Interfacce & Macchine virtuali

Rete

 Gestione eterogeneità piattaforme (radio, hw e sistemi operativi)

 Gestione dei servizi

 Macchine virtuali

Sistema

 Metodologie e linguaggi di programmazione

 23

DEWS Wireless Sensor Networks

• Problematiche di progetto

Servizi: sincronizzazione

 Nodo

 Gestione riferimenti interni

Rete

 Algoritmi distribuiti per la gestione dei riferimenti esterni

Sistema

 Analisi ed elaborazione dei dati

 24

DEWS Wireless Sensor Networks

• Problematiche di progetto

Servizi: localizzazione

 Nodo (Ranging)

 Tecnologie radio (interferometria, RSSI), ultrasuoni, laser

Rete (Positioning)

 Algoritmi distribuiti ad approssimazioni successive

 Integrazione con riferimenti esterni

Sistema

 Integrazione con GIS

 25

DEWS Wireless Sensor Networks

• Problematiche di progetto

Servizi: codifica distribuita

 Nodo

 Analisi ed elaborazione correlazioni

Rete

 Algortimi distribuiti

 Elezione, clustering

Analisi ed elaborazione dei dati

Sistema

 Analisi ed elaborazione dei dati

 26

DEWS Wireless Sensor Networks

• Problematiche di progetto

Servizi: sicurezza

 Nodo

 Algoritmi di crittografia

Rete

 Sistemi crittografici

 Intrusion Detection & Monitoring Systems

Sistema

 Sistemi crittografici

 27

DEWS Wireless Sensor Networks

• Problematiche

di progetto

Visione d’insieme

 28

DEWS Wireless Sensor Networks

• Problematiche di progetto

Metodologie e strumenti per WSN-CAD

 Analisi & Specifica Requisiti

 Notazioni, linguaggi e formalismi

Progetto: “Configuratore”

 Verifica & Validazione

 Simulazione

 Modelli (nodo, rete): energetici, prestazionali, etc.

In-Network Debug

Implementazione

 Supporto alla generazione di codice

 29

DEWS Tecnologie

Hardware

Tecnologie HW

• Nodo sensore

Elaborazione, Comunicazione

• Sensor board

Acquisizione

• Programming Board

Programmazione nodi

• Base Station (Nodo sink + Gateway)

Interfacciamento e gestione WSN

• Panoramica 31

DEWS Tecnologie HW

• Nodo sensore: XBOW MicaZ

Elaborazione: microcontrollore Atmel ATmega128L

 MPU: 8-bit RISC (0-8 MHz)

 Memoria

 Programma: 128K Bytes Flash

 Lavoro: 4K Bytes SRAM

ADC, UART, GPIO, I2C, SPI, Timer

Comunicazione: Transceiver Chipcon CC2420

 IEEE 802.15.4 (2,4 GHz, 250 kbps, range 20-100 m)

Memorizzazione locale: Flash 512 KB

 32

DEWS Tecnologie HW

• Sensor board

Differenti tipologie di “sensori”

 Luce, temperatura, pressione, umidità

 Accelerometri, magnetometri, misuratori di distanza

 Microfono, foto/videocamera, ricevitori GPS

 33

DEWS Tecnologie HW

• Base Station + Programming Board

Collegamento wired PC-nodo (wireless con altri nodi)

 Parallela, seriale (MIB 510/520), ethernet

 34

DEWS Tecnologie HW

• Panoramica 35

DEWS Tecnologie

Software

Tecnologie SW

• Requisiti generali

• TinyOS World

nesC (Networked Embedded Systems C)

 TinyOS (2.x)

XNP/Deluge

 In-Network Reprogramming

TinyDB

 Networked Distributed Query Processing

• Panoramica 37

DEWS Tecnologie SW

• Requisiti generali

Dimensioni (KB) contenute

 Sia per il codice (footprint) sia per i dati

Utilizzo efficiente delle risorse HW

 In particolare in relazione ai consumi energetici

Parallelismo a grana fine

 Almeno a livello di thread

Alta modularità

 “Portarsi dietro” solo il necessario

Ambienti di sviluppo flessibili e open-source

 38

DEWS Tecnologie SW

• nesC

Estensione linguaggio C per networked embedded systems

 Programmazione per componenti

 Moduli e Interfacce

 Configurazioni

 Collegamenti

Programmazione orientata agli eventi

 Comandi utilizzati/offerti

 Eventi segnalati/gestiti

 Corrispondono ad interruzioni hw o sw

 39

DEWS Tecnologie SW

• nesC

I componenti utilizzatori sono collegati (wired) ai

 fornitori

Si crea una gerarchia di componenti

 I comandi

 Vanno verso il basso

 Ritornano al chiamante

Gli eventi

 Vanno verso l’alto

 Ritornano al segnalatore

 40

DEWS Tecnologie SW

• nesC

Oltre a comandi/eventi esiste il concetto di task che

 introduce due livelli di priorità nell’esecuzione del

codice

Eventi

 Codice ad alta priorità

Task

 Codice a bassa priorità

 41

DEWS Tecnologie SW

• nesC

Task

 Computazione medio-lunga in background

 Atomici rispetto ad altri task

 Interrotti (preemption) dagli eventi

Eventi

 Alta reattività

 Breve durata (demandano lavoro ai task)

Task ed eventi possono richiamare comandi che

 tipicamente danno luogo ad una esecuzione di tipo

split-phase

Questo permette un parallelismo a grana fine

 42

DEWS Tecnologie SW

• nesC

Es. Componente di tipo Modulo

 module XYZ1

{ provides interface Interface1 as I1;

provides interface Interface2;

uses interface Interface3 as I3;

uses interface Interface2;

}

implementation

{

command void I1.cmd1() {

}

event void Interface2.ev1() {

}

} 43

DEWS Tecnologie SW

• nesC

Es. Componente di tipo Configurazione

 configuration XYZ

{

}

implementation

{ components XYZ1, XYZ2;

XYZ1.Interface1 -> XYZ2.Interface1;

XYZ1.Interface2 <- XYZ2;

} 44

DEWS Tecnologie SW

• TinyOS (www.tinyos.net)

Si tratta di una libreria di componenti nesC che offre

 alcune funzionalità tipiche di un sistema operativo

Scheduler

 Driver

 Componenti per leggere dati da sensori

 Componenti per inviare comandi ad attuatori

 Componenti per gestire le comunicazioni radio

Power Management

 Mantenere i dispositivi HW nel più basso stato di potenza

 dissipata possibile

No concetti di kernel, processi, gestione della memoria

 45

DEWS Tecnologie SW

• TinyOS

Un applicazione è quindi un grafo di componenti

 Componenti di S.O. + Componenti Applicativi

 Il tutto è compilato e usato per programmare il singolo nodo

 46

DEWS Tecnologie SW

• TinyOS

Per ogni applicazione esiste inoltre la configurazione

 top-level che contiene il componente MainC

Fornisce i servizi base di TinyOS ( 200 Bytes)

 configuration BlinkAppC

{

}

implementation

{ components MainC, BlinkC, LedsC;

BlinkC -> MainC.Boot;

BlinkC.Timer0 -> Timer0;

BlinkC.Leds -> LedsC;

} 47

DEWS Tecnologie SW

• TinyOS

La filosofia di sviluppo di una applicazione è del tipo

 Hurry Up and Sleep!!!

 Ovvero cercare di rimanere nello stato di sleep il più possibile per

 risparmiare energia

Quando il nodo è risvegliato da un evento, cercare di eseguire il

 lavoro associato il più in fretta possibile e poi tornare a dormire

Interrupt-driven & Split-phase

 48

DEWS Tecnologie SW

• XNP/Deluge

La riprogrammazione diretta dei nodi può essere molto

 onerosa

Una volta che una WSN è stata posizionata questa potrebbe non

 essere più facilmente raggiungibile

I nodi possono essere così tanti da richiedere un tempo

 eccessivamente lungo

La soluzione al problema è la

 In-Network Reprogramming

 49

DEWS Tecnologie SW

• XNP/Deluge

Consiste nel riprogrammare un nodo via radio

 sovrascrivendo (re-flashing) le istruzioni in memoria

La XNP è implementata come un servizio separato

 Modificare le applicazioni (una volta) per abilitarle alla XNP non è

 particolarmente oneroso

Aggiunta di particolari componenti

La XNP prevede tre fasi:

 Download

 Query

 Reprogram

 50

DEWS Tecnologie SW

• TinyDB

La gestione dei dati provenenti da una (o più) WSN

 può essere di due tipologie principali

Tradizionale (procedurale)

 Esplicita richiesta dei dati dai singoli sensori

 Dati elaborati in modo centralizzato

DB-style (dichiarativo)

 Richiesta di informazioni tramite query

 Elaborazione implicita e distribuita dei dati all’interno della rete

 All’utente arrivano solo le informazioni di interesse

 51

DEWS Tecnologie SW

• TinyDB

Sistema di elaborazione distribuita di query per

 estrarre informazioni da una WSN basata su TinyOS

Query espresse tramite una variante di SQL (TinySQL)

 Le query sono inoltrate da PC ai nodi e possono essere

 memorizzate localmente ed elaborate periodicamente

I dati raccolta dai nodi, sono opportunamente elaborati

 (filtraggio, aggregazione, ecc.) nel percorso verso il PC

Gli algoritmi low-power per l’elaborazione e il routing sono

 completamente mascherati all’utente finale 52

DEWS Tecnologie SW

• TinyDB

Si basa su una tabella che contiene informazioni

 relative ai singoli nodi e ai sensori disponibili su

ciascuno di essi

Tabella Sensors

 Node_ID Light Temp …

1 28 12 …

2 55 16 …

3 48 11 … 53

DEWS Tecnologie SW

• TinyDB

Esempi di query

 SELECT AVG(Light), AVG(Temp)

SELECT NodeID, Light FROM Sensors

FROM Sensors WHERE NodeID>1

EPOCH DURATION 5min EPOCH DURATION 5min

ON event: SELECT AVG(Temp)

SELECT NodeID, Light, Temp FROM Sensors

FROM Sensors GROUP BY Light

WHERE Light>Threshold HAVING AVG(Temp)>10

TRIGGER ACTION SetSnd(512) EPOCH DURATION 5min

54

DEWS Tecnologie SW

• TinyDB

Un sguardo dietro la tabella…

 Logicamente

centralizzata nel PC

Fisicamente

partizionata

e distribuita sui nodi 55

DEWS Tecnologie SW

• TinyDB al lavoro…

Misure di temperatura Misure di luminosità

56

DEWS Tecnologie SW

• TinyDB Locale Wired Link 57

DEWS Tecnologie SW

• TinyDB Remoto WEB SERVER

DBMS

Gateway 58

DEWS Tecnologie SW

• Panoramica 59

DEWS Applicazioni

Applicazioni

• Svariati campi applicativi

Militari

 Ambientali

 Mediche

 BUILDING CONSUMER

AUTOMATION ELECTRONICS

Domotiche

 Commerciali

 Industriali PC &

PERSONAL

 PERIPHERALS

HEALTH CARE

Civili

 …

 RESIDENTIAL/

LIGHT

COMMERCIAL

INDUSTRIAL CONTROL

CONTROL 61

DEWS Applicazioni

• Applicazioni Ambientali

Due categorie principali

 Monitoraggio dell’habitat

 Monitoraggio di strutture

Esempi

 Rilevamento incendi/alluvioni

 Monitoraggio frane

 Agricoltura di precisione

 Monitoraggio qualità acqua/aria

 Monitoraggio animali protetti

 Monitoraggio ponti/edifici

 62

DEWS Applicazioni

• Applicazioni Ambientali

Esempio famoso

 Great Duck Island

 Piccola isola degli USA, Maine

 Studio sui Petrel, una particolare specie di uccello marino

2002

 Disposizione di 32 mote con vari sensori

 Monitoraggio del microclima attorno ai nidi

 Informazioni veicolate verso la rete Internet in tempo reale

 63

DEWS Applicazioni

• Applicazioni Mediche

Esempi

 Monitoraggio continuo di pazienti

 In ambulatorio o in ospedale

 In casa per pazienti cronici o anziani

Adattamento dell’ambiente al paziente

 Raccolta di dati clinici

 64

DEWS Applicazioni

• Applicazioni Domotiche

Esempi

 Gestione locale e remota della casa

 Automazione degli elettrodomestici

 Luminosità

 Interruttori wireless

Temperatura

 Termostati wireless

Controllo della casa

 65

DEWS Applicazioni

• Applicazioni Commerciali

Tracking

 Rilevamento della posizione e del movimento

 Controllo del traffico

Controllo dell’ambiente in ufficio

 Temperature

 Disponibilità stanze (Intel)

Museo interattivo

 Interazione con oggetti esposti

 Localizzazione nel museo

 66

DEWS Applicazioni

• Applicazioni Militari

Monitoraggio di attrezzature e munizioni

 Sorveglianza del campo di battaglia

 Tipico ambiente ostile

Riconoscimento del tipo di attacco

 Nucleare, biologico, chimico

 67

DEWS Applicazioni

• Classificazione 68

DEWS Applicazioni

• Costi

Previsioni per i

 singoli nodi 69

DEWS La nostra esperienza

La nostra esperienza

• Ricerca

Centro di Eccellenza per la Ricerca DEWS

 DEWS Lab

 EECI Lab

 European Embedded Control Institue

• Innovazione

WEST Aquila Srl

 Spin-off del Dipartimento di Elettrica e Informazione

 dell’Università degli Studi di L’Aquila 71

DEWS La nostra esperienza

XBOW/Memsic

Memsic Family

XBOW/

HW:

: Mica2/MicaZ

MicaZ/Iris,

/Iris, Stargate,

, eKo,

, sensor boards

HW Mica2/ Stargate eKo

SW:

: nesC,

, Java, TinyOS, Linux

SW nesC

Radio:

: IEE802.15.4/ZigBee

ZigBee,

, Wi-

- Fi,

, GPRS/UMTS

Radio IEE802.15.4/ Wi Fi 72

DEWS La nostra esperienza

Texas Instruments Family

HW:

: CC2430/CC2431

HW

SW:

: C, C++, Java, Linux/Windows

SW

Radio:

: IEE802.15.4/ZigBee

ZigBee

Radio IEE802.15.4/ 73

DEWS La nostra esperienza

Miscellanea

HW:

: Siemens XT75, Radiocrafts RC2300AT, Shimmer

HW

Research – Shimmer Node,

, WEST Node & Sensor board

Node

SW:

: nesC,

, C/C++, java, TinyOS, Linux/Windows, WEB

SW nesC

Radio:

: IEE802.15.4/ZigBee

ZigBee,

, BlueTooth,

, GPRS/UMTS

Radio IEE802.15.4/ BlueTooth 74

DEWS La nostra esperienza

Web Sensors Network

GW GW

Patches di sensori

per monitoraggio

ambientale WEB SERVER

GW 75

DEWS La nostra esperienza

WERISE&TRACK 76

DEWS La nostra esperienza

Wild Animals Tracking And Monitoring

Internet

GPRS/UMTS 77

DEWS La nostra esperienza

Piattaforma di autenticazione biometrica: controllo accessi aree riservate 78

DEWS La nostra esperienza

Monitoraggio qualità acque 79

DEWS La nostra esperienza

Monitoraggio frane 80

DEWS La nostra esperienza

Monitoraggio flotte 81

DEWS Demo


PAGINE

71

PESO

2.10 MB

AUTORE

Atreyu

PUBBLICATO

+1 anno fa


DESCRIZIONE DISPENSA

Sistemi embedded sono sistemi digitali sviluppati appositamente per una specifica applicazione (sistemi dedicati), spesso incastonati in un sistema più ampio. Le caratteristiche principali sono:
- vincoli funzionali e soprattutto non funzionali ne influenzano fortemente l’architettura hw/sw (time-to-market, costi, volumi di vendita, prestazioni, consumi energetici, fattore di forma, tempo reale);
- le risorse hw/sw di sistema sono generalmente limitate, eterogenee e a volte sviluppate ad-hoc.
Tra i sistemi embedded distribuiti grande interesse stanno riscuotendo sistemi noti come Sensor Networks, basati su comunicazione cablata o wireless. Questi ultimi, detti Wireless Sensors Networks, trovano applicazioni sempre nuove in settori che vanno dalla telemedicina, alla protezione ambientale, al monitoraggio dei beni culturali.


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea magistrale in ingegneria delle telecomunicazioni
SSD:
Università: L'Aquila - Univaq
A.A.: 2011-2012

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher Atreyu di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Sistemi embedded e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università L'Aquila - Univaq o del prof Pomante Luigi.

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