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Alexander Gräb 26.01.2017
Sensornetze auf Basis von 6LoWPAN und Contiki
Abschlusspräsentation zum Forschungsseminar
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1. Zielstellung
2. Verwendete Hard- und Software
3. Ergebnisse des ersten Semesters
4. Ergebnisse des zweiten Semesters
5. Ausblick
Gliederung
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Zielstellung
1. Zielstellung
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Zielstellung
● Contiki 3.0 auf gegebener Hardware zum Laufen bringen
– Ist die Verbindungsqualität unter ContikiMAC damit besser (als unter Contiki 2.7)?
● Funktionierendes Test-Netzwerk aufbauen
● Energieverbrauch mit Contiki 3.0 und ContikiMAC ermitteln
– Mit 8 MHz und 16 MHz CPU-Takt
● Energieverbrauch optimieren
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Verwendete Hard- und Software
2. Verwendete Hard- und Software
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Verwendete Hard- und Software
Hardware Funkmodul deRFmega128 von dresden elektronik● 8-Bit Mikrocontroller ATmega128RFA1 von Atmel● integrierte ZigBee und IEEE 802.15.4 Funkeinheit● CPU bis 16 MHz● 128 KB ROM (Flash-Speicher)● 16 KB Arbeitsspeicher
Node (Ansicht von oben)● deRFnode Board + deRFmega128 Funkmodul● 2 Buttons, 3 LEDs● Temperatur-, Helligkeits- und Beschleunigungs-Sensor● USB-Schnittstelle (USB-zu-Seriell-Interface + Stromversorgung)● JTAG-Programmier-Schnittstelle● Batteriefach für 3 R6 Batterien/Akkus
Node (Ansicht von unten mit Batteriefach)
Border-Router● Breakout-Board + deRFmega128 Funkmodul● Übergang vom drahtlosen IEEE 802.15.4
Netzwerk in anderes Computer-Netzwerk
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Verwendete Hard- und Software
Software
● Contiki OS
● Betriebssystem für Mikrocontroller
● Geeignet für IoT-Anwendungen
– kompletter Netzwerk-Stack
– Multithreading
– ...
● Open-Source-Software (BSD-Lizenz)
● Geschrieben in C
● Version 1.0 erschien 2003, aktuelle Versionsnummer ist 3.0
● Webseite: http://www.contiki-os.org/
● Quellcode auf GitHub: https://github.com/contiki-os/contiki
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Ergebnisse des ersten Semesters
3. Ergebnisse des ersten Semesters
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Ergebnisse des ersten Semesters
● Contiki 3.0 und ContikiMAC wurden zum Laufen gebracht
● Aber Verbindungsqualität immer noch sehr schlecht
● diverse Verbesserungen im Contiki-Quellcode behoben das Problem
● Verbindungsqualität mit ContikiMAC jetzt fast so gut wie ohne
– ~95 Meter im Freien
– ~50 Meter in Gebäuden mit starken Störquellen (WLAN, Relektion, …)
– Ping-Verluste in Gebäuden, selbst durch mehrere Wände, << 10%
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Ergebnisse des ersten Semesters
● Energieverbrauch wurde in vorherigen Semestern bereits analytisch bestimmt (anhand eines Oszilloskop-Diagramms)
– Nur für den Idealfall und nur grobe Annäherung
➔ Numerische Methode, welche auf Oszilloskop-Daten angewandt wird, wurde entwickelt
● Ergebnisse der Messungen des StromverbrauchsContiki ContikiMAC CPU-Takt Mittlerer Strombedarf Betriebsdauer mit
1900 mAh Akku
3.0 deaktiviert 8 MHz 22,28 mA 3,48 Tage
3.0 deaktiviert 16 MHz 24,19 mA 3,27 Tage
3.0 aktiviert 8 MHz 1,02 mA 79,57 Tage
3.0 aktiviert 16 MHz 0,99 mA 79,75 Tage
2.7 aktiviert 16 MHz 0,24 mA 324,5 Tage
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Ergebnisse des zweiten Semesters
4. Ergebnisse des zweiten Semesters
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Ergebnisse des zweiten Semesters
● Zielstellung
– Energiebedarf weiter optimieren
● Andere Channel-Check-Raten ausprobieren usw.
– Funktionierendes Test-Netzwerk
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Ergebnisse des zweiten Semesters
Energiebedarf weiter optimieren
● Idee hinter RDC-Mechanismen wie ContikiMAC
– Funkeinheit ist oft größter Verbraucher (macht ca. 2/3 des Gesamtverbrauchs bei der im Forschungsseminat verwendeten Hardware aus)
➔ Funkeinheit bleibt die meiste Zeit deaktiviert und wird nur zyklisch für einen sehr kurzen Augenblick aktiviert
– Die Channel-Check-Rate [Hz] gibt an, wie oft die zyklische Aktivierung erfolgt (z. B. 8 Hz → 8 mal in der Sekunde oder alle 125 ms)
Prinzipielle Funktionsweise von ContikiMAC(Quelle: Paper „The ContikiMAC Radio Duty Cycling Protocol“ von Adam Dunkels, Dezember 2011)
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Ergebnisse des zweiten Semesters
Energiebedarf weiter optimieren
● Nach einigen Verbesserungen nur noch ca. 1/3 des Strombedarfs unter ContikiMAC als vorher
● Verringerung der Channel-Check-Rate führt zu weiterer Verbesserung
● Strombedarf bei verschiedenen Channel-Check-Raten (CCR) und 16 MHz CPU-Takt
CCR
Idealfall Realität
Strombed. Betriebsdauer (1900 mAh Akku)
Strombed. Betriebsdauer (1900 mAh Akku)
8 Hz 0,31 mA 255,38 Tage 0,33 mA 239,9 Tage
4 Hz 0,18 mA 439,81 Tage 0,26 mA 304,49 Tage
2 Hz 0,11 mA 719,7 Tage 0,17 mA 465,69 Tage
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Ergebnisse des zweiten Semesters
Energiebedarf weiter optimieren
● Warum ist Strombedarf in Realität so viel höher?
➔ Routing-Protokoll RPL ist häufig aktiv
– RPL = Routing Protocol for Low power and Lossy Networks
– Sniffing im Test-Netzwerk mit einem Border-Router und drei Nodes ergab: Es wurden > 16000 RPL-Pakete gesendet
– RPL-Verkehr steigt mit zunehmender Anzahl an Geräten
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Ergebnisse des zweiten Semesters
Test-Netzwerk
● Einfaches Test-Netz im ersten Semester funktionierte bereits sehr gut
– Stabilität des Test-Netzwerkes wurde hauptsächlich mit Ping- und Constrained Application Protocol (CoAP)-Anfragen getestet
– Forderung bei Ping-Anfragen nach Paketverlusten << 10% konnte erfüllt werden
– Auch CoAP-Anfragen funktionierten sehr zuverlässig
● Jetzt: Aufbau eines komplexeren Test-Netzwerkes
Test-Netz im ersten Semester
Node (mit Routing-Funktionalität)
Border-Router
Sende-/Empfangs-Radius
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Ergebnisse des zweiten Semesters
Test-Netzwerk
● Alle 15 Minuten wurde die aktuelle Temperatur via CoAP abgefragt
● Abfragen gingen von Computer an Border-Router aus
● Erschwerend kam hinzu, dass sich die Ziel-Node in einem metallenen Briefkasten befand und mehrere Wänder überwunden werden mussten
Schematischer Aufbau des Test-Netzwerkes
Realer Aufbau des Test-Netzwerkes
Briefkasten aus Metall
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Ergebnisse des zweiten Semesters
Test-Netzwerk
● Ergebnis
– Test-Netz organisiert sich automatisch so, dass Node als Router fungierte (keine Anpassung der Software war notwendig)
– Test-Netzwerk lief stabil (> 90% aller CoAP-Anfragen erfolgreich)
Schematischer Aufbau des Test-Netzwerkes
Realer Aufbau des Test-Netzwerkes
Briefkasten aus Metall
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Ausblick
5. Ausblick
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Ausblick
● Energiebedarf noch weiter senken
– Betriebsdauer >= 10 Jahre möglich?
– Cannel-Check-Raten < 2 Hz?
– Datenverkehr des Routing-Protokolls RPL reduzieren
● Größere Test-Netzwerke mit mehr Hardware
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Zeit für Fragen
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Ermitteln des Strombedarfs
● Spannungsabfall an Shunt-Widerstand wird mit Oszilloskop gemessen
● Strom, der durch Shunt-Widerstand fließt, lässt sich ermitteln
– Strom durch Shunt-Widerstand = Strom durch RLOAD (Node)
– I = Ushunt
/Rshunt
(Ushunt
wird gemessen, Rshunt
ist bekannt)
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Ermitteln des Strombedarfs
● Oszilloskop-Diagramm über eine Sekunde @ 8 Hz Channel-Check-Rate
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Ermitteln des Strombedarfs
● Analytische Bestimmung des Strombedarfs anhand des Oszilloskop-Diag.
(Quelle: Zwischenbericht zum Forschungsseminar Sensornetze Sommersemester 2016 von Kai Richter und Alexander Gräb)
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Ermitteln des Strombedarfs
● Analytische Methode liefert Ergebnis nur für Idealfall und in grober Annäherung
Idealfall Realität
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Ermitteln des Strombedarfs
● Numerische Methode
– Um Realität wieder zu spiegeln Messung über ~30 Minuten
Oszilloskop
Time,Channel A(s),(mV)
0.00000000,3.937008000.00000100,0.000000000.00000200,3.937008000.00000300,0.000000000.00000400,3.937008000.00000500,0.000000000.00000600,0.000000000.00000700,0.000000000.00000800,0.000000000.00000900,0.000000000.00001000,3.937008000.00001100,0.000000000.00001200,3.93700800...
CSV-Daten
∫Programm für numerische Integration
File is: data.csvRead 1000004 lines from file data.csv.Min. 0.00025 mAMax. 28.740156 mAAvg. 0.311457731194 mA
Ergebnisse
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Verwendete Hard- und Software - Zusatz
Hardware
Das Zusammenspiel der hardware
deRFnode
deRFmega128-22A00
deRFbreakout Board
deRFmega128-22A00
UART-Bridge
ATmega128RFA1ATmega128RFA1
Rechner als Router
Internet
IEEE 802.15.4 &
6LoWPAN
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Ergebnisse des ersten Semesters - Zusatz
● Features, welche in vorherigen Semestern in Contiki 2.x implementiert wurden, wurden wieder übernommen und teilweise verbessert
● Vollkommen neue Features wurden in Contiki 3.0 implementiert
Ausgabe von Debug-Meldungen über USB-Schnitstelle
Radio-On/Off-Indicator
Incoming Ping-Request-Indicator
Neighbour-Found-Indicator
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Ergebnisse des zweiten Semesters - Zusatz
Implementierung weiterer Features in Contiki 3.0
Systemlaufzeit (Uptime)URL: coap://sensors/rssi
CPU-TemperaturURL: coap://sensors/cpu_temp
Spannung der AkkusURL: coap://sensors/battery
Beschleunigungs-SensorURL: coap://sensors/acceleration
Temperatursensor-SensorURL: coap://sensors/tmp102_temp
Helligkeits-SensorURL: coap://sensors/luminosity
Signalstärke des zuletztempfangenen DatenpaketsURL: coap://sensors/rssi
ContikiMAC radio alway onGedrückte Taste während des Boot-Vorgangs bewirkt, dass die Funkeinheit immer aktiv bleibt.