Verteilte Sensornetzwerke

Mit Datenaggregation und Sensorfusion

PD Stefan Bosse

Universität Bremen - FB Mathematik und Informatik

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche -

Grundlagen und Anwendungsbereiche

Wo findet man Sensornetzwerke?

Wo liegen die Anwendungsbereiche?

Wie ist die räumliche Ausdehnung von Verteilten Sensornetzwerken?

Metriken und Taxonomie von Sensornetzwerken

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Die Sensorevolution

Die Sensorevolution

Historisch exponentieller Anstieg der eingesetzten Sensoren und ansteigender Sensordichte

Alles begann mit einzelnen Sensoren getrennt von der Signalverarbeitung (erst analog, dann digital), zunehmende Kopplung von Analog- und Digitaltechnik, und schließlich Sensornetzwerke (1950-2010)

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Verteilte Sensornetzwerke

Verteilte Sensornetzwerke

Datenverarbeitung und Kommunikation unterscheidet sich bei Verteilten Sensornetzwerken grundlegend von klassischer netzwerkbasierter Datenverarbeitung wie das Internet

(a) Klassische zentralisierte Architektur und zentralen Services und Separation von Sensoren und Datenverarbeitung (b) Dezentrale Sensoren und Datenverarbeitung mit verteilten Services

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Services

Services

Ein Service ist eine öffentlich bekannte Schnittstelle um Daten durch Operationen zu erlangen, zu verarbeiten, oder zu speicher.

Welche Services könnte es für sensorische Anwendungen geben?

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Anwendungsgebiete

Anwendungsgebiete

Industrie
Sensornetzwerke in Fertigungs- und Produktionsanlagen, häufig gekoppelt mit Maschinen (Cyber-physical Systems, CPS)
Logistik
Monitoring von Waren und Warenlieferketten, Lagern und Transporteinheiten
Gesundheit (Smart Health)
"Wearables", Sensoren die nahe am Körper eines Menschen getragen werden und biometrische Daten liefern, häufig über ein Smartphone und an Server gekoppelt (Gesundheitaanwendungen)
Verkehr
Sensorische Überwachung von Verkehrsflüssen, häufig mit zentraler Verarbeitung zum Zwecke der Optimierung von Verkehrsflüssen
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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Anwendungsgebiete

Anwendungsgebiete

Georäumliche Überwachung
Überwachung von georäumlichen Veränderung der Umwelt, z.B. Erdbebenüberwachung, Pegelständen und Fließverhalten von Flüssen, Wetter, Klima, Gletscher, Überwachung aus dem Weltall, usw.
Strukturüberwachung
Erfassung von Bauteilveränderungen zur Betriebszeit, z.B. von Maschinen, Eisenbahnen, Flugzeugen, Windkraftflügeln, Brücken, Gebäuden, usw.
MISS
Materialintegrierte intelligente Sensornetzwerke als Unterklasse der Strukturüberwachung, Gesundheitsanwendungen, und Produktsensorierung.
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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Anwendungsgebiete

Anwendungsgebiete

Was fehlt noch?

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Gesundheitsbereich

Gesundheitsbereich

1 Szenario einer Gesundheitsanwendung mit Körpersensoren und Einbindung in ein Kommunikationsnetzwerk

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Ebenen von Kommunikation und Datenverarbeitung

Ebenen von Kommunikation und Datenverarbeitung

1 Funktionalen Ebenen: Drei horizontale Ebenen (Erfassung, Zusammenführung, Applikation) die durch die gleichen vertikalen Ebenen (Datenverarbeitung und Kommunikation) durchzogen sind

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Ebenen von Kommunikation und Datenverarbeitung

Die drei vertikalen horizontalen Schichten (Funktionalen Ebenen) können sich über verschiedene Netzwerkbereiche verteilen: Intranet und lokales WLAN Netz (innerhalb von Gebäuden), im und über das Internet, und verbunden mit Cloud Services

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Industrielle Sensornetzwerke

Industrielle Sensornetzwerke

Industrielle Drahtlose Sensornetzwerke (IWSN)

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Das sind IWSN Anwendungen in den drei Gruppen:

  1. Umweltsensorik,
  2. Zustandsüberwachung von Maschinen und
  3. Prozessautomatisierung,

die auf den spezifischen Anforderungen der Anwendungsgruppen basieren.

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Taxonomie von IWSN

Taxonomie von IWSN

2 Taxonomie der drei IWSN Anwendungsbereiche

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Taxonomie von IWSN

Taxonomie von IWSN

2 Industreille Branchen und Zuordnung zu den IWSN Anwendungsbereichen

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Taxonomie von IWSN

Zustandsüberwachung von Maschinen

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Wichtiges Merkmal: Dezentrale aktive Sensoren die die Sensordatenverarabeitung und Informationsberechnung bereits integrieren

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Taxonomie von IWSN

2 Maschinenüberwachung mittels diskreter Sensoren: Ansicht des Versuchsaufbaus. (a) Gesamtes Motorüberwachungssystem mit WSN. (b) Beschleunigungsmesser, Schwungrad und Massenungleichgewichtsblock.

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Materialintegrierte Sensornetzwerke

Materialintegrierte Sensornetzwerke

  • Häufig sind Sensoren und Elektronik getrennt
    • Die Sensoren (wie im vorherigen Beispiel) werden appliziert
    • Es gibt teils hohen Verdrahtungsaufwand Sensor-Elektronik bei hohen Sensordichten
  • Materialintegrierte Sensornetzwerke (MISS) integrieren alle Bestandteile inklusive Energieversorgung in ein Hostmaterial
    • Das Hostmaterial ist i.A. gleichzeitig funktionales Material (mechanische Struktur)
    • Bei gegossenen Betonbauteilen einfach!
    • Bei Laminatstrukturen kann die Einbettung zwischen Lagen erfolgen ("System-in-Foil" Verfahren)
    • Bei Gussbauteilen (vor allem Poylmere, teils auch Aluminium, selten bei Stahl) können die Sensorknoten eingegossen werden
    • Häufig verdrahtete Kommunikation!
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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Materialintegrierte Sensornetzwerke

Vollständige Einbettung von Sensoren und Elektronik in folienbasierten Systemen

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Materialintegrierte Sensornetzwerke

Nanowire Kommunikationsstrukturen (Kette von Sensoren)

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Materialintegrierte Sensornetzwerke

Intelligente Transport- und Logistikanwendungen

DSN für automatisches Platzieren und Bewegen von fahrzeugen ("Automatisches Parken")

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Smart City

Smart City

3 Verteilte drahtlose Sensornetzwerke können um urbanen Bereich im Smart City Konext eingesetzt werden

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Smart City

Sensoren

  • Klimatische Größen: Temperatur, Luftfeuchte, Luftdruck, Windgeschwindgekeit
  • Optische Größen: Licht, Farbe, Dynamik
  • Chemische und physikalische Luftgrößen: Konzentration von Staub und chemischen Gasen
  • ...

Was fehlt noch?

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Smart City

Verkehrsüberwachung und Steuerung

Lokale Sensoren nehmen Verkehrsbewegungen auf (Sensing), melden diese Daten an Sammelstellen (Aggregation), die dann schließlich durch zentrale Server verarbeitet werden ⇒ Neu: Auch Fahrzeugsensoren und Smartphones können als mobile Sensoren dienen!

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Entwurf und Ziele in industriellen drahtlosen Sensornetzwerken

Entwurf und Ziele in industriellen drahtlosen Sensornetzwerken

Parameter

2 Wichtige Parameter beim Entwurf von DSN sind Anwendungen: Antwortzeiten, Sensorintervalle, und räumliche Sensordichte

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Entwurf und Ziele in industriellen drahtlosen Sensornetzwerken

Parameter

2 Wichtige Parameter beim Entwurf von DSN sind die Sensoren: Antwortzeiten, Sensorintervalle, und räumliche Sensordichte

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Echtzeitfähigkeit

Echtzeitfähigkeit

Echtzeitfähigkeit bedeutet nicht schnell, sondern die Ausführung einer Aufgabe innerhalb eines vorgegebenen Zeitintervalls [t0,t1].

Man unterscheidet:

  1. Harte Echtzeitheit ⇒ Verletzung der Deadline t1 ist ein Systemfehler (System wird angehalten)
  2. Weiche Echtzeitheit: Verletzung der Deadline t1 wird toleriert

Sensorerfassung sollte im Automatisierungs., Fahrzeug-, und teils auch im Heimbereich immer mit weicher Echtzeit erfolgen, gemäß den Latenzen und Intervallen die in der vorherigen Tabellen gezeigt wurden. Veraltete Sensordaten sollten nicht weiter verarbeitet werden!

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Taxonomie von Sensorntzwerken

Taxonomie von Sensorntzwerken

Übersicht

  • Die Taxonomie von (verteilten) Sensornetzwerken unterteilt sich in:
    • Schichten: Eingabedaten, Berechnung, Kommunikation, Programmierung
    • Funktion und Implementierung (jeweils)

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Taxonomie von Sensorntzwerken

Eingabendaten

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Taxonomie von Sensorntzwerken

Berechnung

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Kommunikation

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Taxonomie von Sensorntzwerken

Programmierung

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul A - Anwendungsbereiche - Vertiefende Literatur

Vertiefende Literatur

[1] V. Ç. Güngör and G. P. Hancke, Eds., Industrial Wireless Sensor Networks - APPLICATIONS, PROTOCOLS, AND STANDARDS. CRC Press, 2013.

[2] M. J. McGrath and C. N. Scanaill, Sensor Technologies Healthcare, Wellness, and Environmental Applications. Apress Open, 2014.

[3] S. S. Iyengar and R. R. Brooks, Distributed Sensor Networks. CRC Press, 2005. (Taxonomie: 33 pp)

[4] S. S. Iyengar and R. R. Brooks, Distributed Sensor Networks - Sensor Networking and Applications. CRC Press, 2013. (Anwendungen: 749 pp)

[5] F. Hu and Q. Hao, Intelligent Sensor Networks. CRC Press, 2013. (Sensor IO: 58 pp (fig 3.3))

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