Ειδική Επιστημονική Εργασία. Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων:

Transcript

1 Ειδική Επιστημονική Εργασία Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων: Ανάπτυξη Γραφικού Περιβάλλοντος με το Μatlab για τη λήψη Μετρήσεων με χρήση του MTS400/420 board της Crossbow Χαρτουμπέκης Γιώργος Α.Μ. 92 Επιβλέπων: Ε. Ζυγούρης Αναπληρωτής Καθηγητής 2010

2

3 Πρόλογος Στην παρούσα εργασία έγινε μια πρώτη προσπάθεια ενασχόλησης με τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων, πιο γνωστά στον επιστημονικό κόσμο ως Wireless Sensor Networks ή WSNs. Μελετήσαμε τα βασικά χαρακτηριστικά των δικτύων αυτών, όπως οι τοπολογίες τους και η αρχιτεκτονική τους, καθώς και το πρωτόκολλο που διέπει την ασύρματη επικοινωνία που είναι το Zigbee, που βασίζεται στο πρωτόκολλο. Επίσης, μελετήσαμε την αρχιτεκτονική των ασύρματων κόμβων που απαρτίζουν το δίκτυο, που είναι γνωστά σαν motes. Τα motes έχουν την ικανότητα τοπικής επεξεργασίας των δεδομένων που συλλέγουν και την ασύρματη μετάδοσή τους σε έναν κεντρικό σταθμό για περαιτέρω επεξεργασία. Τη λειτουργία αυτή διεκπαιρεώνει μια μονάδα μικροεπεξεργαστή με τη χρήση ενός ολοκληρωμένου chip για την ασύρματη μετάδοση. Για τη συλλογή των μετρήσεων μπορούν να φιλοξενήσουν διάφορες πλατφόρμες ψηφιακών αισθητήρων. Στην παρούσα εργασία έγινε χρήση της υπολογιστικής μονάδας micaz και της πλατφόρμας αισθητήρων MTS400/420 της εταιρίας Crossbow. Οι πλατφόρμες αυτές φιλοξενούν αισθητήρες υγρασίας/θερμοκρασίας, βαρομετρικής πίεσης/θερμοκρασίας, φωτεινότητας, μέτρησης δονήσεων και ειδικά η 420 πλατφόρμα έχει υποδοχή και για μονάδα GPS. Σκοπός μας ήταν η ανάπτυξη ενός γραφικού περιβάλλοντος μέσω του οποίου θα απεικονίζαμε τις μετρήσεις που έστελναν στον υπολογιστή τα motes. Η ανάπτυξη του γραφικού περιβάλλοντος έγινε στο Matlab. Για το σκοπό αυτό, ήταν απαραίτητη η σύνδεση ενός mote στον υπολογιστή που θα λειτουργούσε σαν ενδιάμεσος αποδέκτης των δεδομένων και θα τα προωθούσε στον υπολογιστή μέσω της σειριακής θύρας. Για την προβολή και αποθήκευση των δεδομένων στον υπολογιστή, έγινε χρήση του interface Χlisten. Xαρτουμπέκης Γιώργος

4 Αbstract At this thesis there was a first attempt of occupation with the Wireless Sensor Networks, most known to the scientific world as WSNs. We studied the basic characteristics of these networks such as topologies and architecture and also the protocol that applies to the wireless communication which is the Ζigbee, based on the protocol. We also studied the architecture of the wireless nodes which form the network, also known as motes. The motes have the ability of local data computation and the wireless transmition of them to a base station, where they can further processed. This ability is performed by a microprocessor unit with the use of a single integrated chip responsible for the radio transmition. The data collection can be performed by many digital sensor platforms. At this paper, it has been used the micaz computational unit and the MTS400/420 sensor platform of Crossbow company. These platforms are integrated with sensors that measure relative humidity/temperature, barometric pressure/temperature, illumination, acceleration on axis x and y and especially the 420 platform can integrate a GPS module. Our goal is the development of a Graphical User Interface (GUI) through which we can plot the data that the motes would send. The network that is utilized is a simple star network formed by two motes. The development of GUI made with Matlab. For this purpose, it was necessary the connection of a mote to the computer, apart from the other two, that would behave like an intermediate receiver and would forward the data packets to the computer through the serial port. The MIB520 board was used for this purpose. For the data projection and saving to the computer, the xlisten interface was used. Hartoubekis George

5 Περιεχόμενα Κεφάλαιο 1. Eισαγωγή.. 7 Κεφάλαιο 2. Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Εισαγωγή Διαφοροποίηση σε Σχέση με τα Παραδοσιακά Δίκτυα Εφαρμογές Περιγραφή Αρχιτεκτονική WSN Αρχιτεκτονική Κόμβων Προδιαγραφές Σχεδιασμού Μηχανισμοί Λειτουργίας Μοντέλα επικοινωνίας στα WSN Εμπορικά Μοντέλα.. 22 Κεφάλαιο 3. Το Λειτουργικό Σύστημα ΤINYOS Εισαγωγή Απαιτήσεις Σχετικά με την Σχεδίαση Λειτουργικών Συστημάτων για WSN Επισκόπηση του TINYOS Ιστορικά Στοιχεία και Εξέλιξη Η Γλώσσα NESC Commands Εντολές Events Γεγονότα Tasks To μοντέλο των Συστατικών Component-Βased Μodel Αρχιτεκτονική TΙΝΥOS TΙΝΥOS Components Χρονοπρογραμματισμός στο TINYOS Scheduler Η Eπικοινωνία στο TinyOS Ενεργά Μηνύματα Active Messages Interfaces Modules Configurations Async Συναρτήσεις και Δηλώσεις Αtomic Κεφάλαιο 4. Πρότυπο IΕΕΕ και Zigbee Εισαγωγή IEEE WPAN Τοπολογίες Δικτύων Aρχιτεκτονική ΙΕΕΕ Το Φυσικό Επίπεδο Physical Layer ΙΕΕΕ MAC Sub-Layer (Υπο-Επίπεδο MAC)... 49

6 Περιεχόμενα Ο Αλγόριθμος CSMA-CA IEEE Μεταφορά Δεδομένων Επίπεδο ΜΑC MAC Layer Επιπεδο Δικτύου Network Layer Επίπεδο Εφαρμογής Application Layer 57 Κεφάλαιο 5. To Hardware To Micaz module Hardware Μονάδες O ΑΤmega128L μικροελεγκτής O πυρήνας της AVR CPU Η Μνήμη FLASH Η Μνήμη SRAM Η Μνήμη EEPROM Η Μνήμη Ι/Ο Η Διασύνδεση της Εξωτερικής Μνήμης Κάνοντας Χρήση της Εξωτερικής Μνήμης Εξωτερικές Διακοπές Ο Ρόλος του Bootloader στη Μνήμη FLASH Το CC2420 RF Module της Chipcon Οι Πλακέτες Αισθητήρων MTS400/MTS420CA Ο Αισθητήρας Sensirion SHT O Αισθητήρας Bαρομετρικής Πίεσης Ιntersema MS5534C Ο Αισθητήρας Φωτεινότητας ΤΑΟS TLS Ο Αισθητήρας Επιτάχυνσης Αnalog Devices ADXL Ο Αισθητήρας Leadtek GPS Το MIB520 Programming Board Κεφάλαιο 6. Η Εφαρμογή Διαδικασία Εγκατάστασης του TINYOS Το Cygwin Τo User Interface ΧLISTEN Η Εφαρμογή ΤΟSBase H Δομή του Σειριακού Πακέτου H Δομή του ΤinyOS Πακέτου Η Εφαρμογή XSensorMTS H Δομή του ΧSensor Μηνύματος Η Oργάνωση Του Πεδίου Data Ανάλυση του ΧSensorMTS400 Κώδικα Bασικές Συναρτήσεις ΧLISTEN Συναρτήσεις ΧLISTEN και MATLAB Διαφοροποίηση της mts420_print_cooked_1() Λήψη Μετρήσεων Μέσω του Cygwin 137

7 6 Περιεχόμενα 6.12 Γραφική Απεικόνιση των Μετρήσεων με το MATLAΒ Περιγραφή του GUI Ανάλυση της Callback function των pop-up menus Ανάλυση της Callback function του "update plots" push button Γραφικές Παραστάσεις των Μετρήσεων με το GUI Σχολιασμός των Μετρήσεων Κεφάλαιο 7. Συμπεράσματα Σχόλια Σύνοψη Προβλήματα και Δυσκολίες Μελλοντικές Προοπτικές Παράρτημα. 157 Α. XLISTEN MANUAL 157 Β. Συναρτήσεις Μετατροπής στις Φυσικές Μονάδες. 161 Γ. To αρχείο sensorboardapp.h. 164 Δ. Γενική Εισαγωγή για τη Δημιουργία GUI στο Matlab Ε. Ο κώδικας του GUI 169 Βιβλιογραφία.. 178

8

9 Κεφάλαιο 1 Εισαγωγή Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Wireless Sensor Networks (WSNs) αναπτύσσονται όπου η μέτρηση των περιβαλλοντικών παραμέτρων είναι δύσκολη ή ακόμα και επικίνδυνη. Για παράδειγμα εφαρμογές όπως η μέτρηση δονήσεων σε μια γέφυρα κατά τη διάρκεια ενός σεισμού ή σε εφαρμογές πυρανίχνευσης, αποτελούν μόνο μερικές από τις περιπτώσεις όπου τα WSNs εισάγουν έναν καινοτόμο τρόπο συλλογής και επεξεργασίας των δεδομένων. Ένα ασύρματο δίκυο αισθητήρων αποτελείται από διάφορες μονάδες αισθητήρων συνδυασμένες με μονάδες ασύρματης επικοινωνίας και τοπικής επεξεργασίας που επιτελείται από κάποιον μικροεπεξεργαστή. Η υπολογιστική τους ικανότητα είναι περιορισμένη, οπότε και τα δεδομένα μεταφέρονται με χαμηλούς ρυθμούς. Οι ασύρματοι κόμβοι μεταφέρουν δεδομένα είτε από κόμβο σε κόμβο μέσω αλμάτων και ύστερα σε έναν κεντρικό κόμβο είτε απευθείας στον κεντρικό κόμβο όπου αποθηκεύονται, επεξεργάζονται και απεικονίζονται σε κάποιο υπολογιστή. Η προσαρμοστικότητα και ευελιξία των δικτύων αυτών βρίσκεται ακόμα υπό έρευνα και ανάπτυξη. Η παρούσα εργασία συνίσταται στην δημιουργία ενός γραφικού περιβάλλοντος και την απεικόνιση των μετρήσεων που παίρνουν δύο ασύρματοι κόμβοι οι οποίοι στέλνουν τα δεδομένα που συλλέγουν σε έναν κεντρικό κόμβο που συνδέεται σε έναν υπολογιστή. Η επεξεργασία και απεικόνιση των μετρήσεων γίνεται στον υπολογιστή με τη χρήση κάποιων εργαλείων που έχουν αναπτυχθεί για το σκοπό αυτό. Η εργασία διαρθρώνεται ως εξής: Το κεφάλαιο 2 κάνει μια εκτενή εισαγωγή στα χαρακτηριστικά των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, στην αρχιτεκτονική τους, στις εφαρμογές τους, στις διαφορές τους με τα υπόλοιπα δίκτυα, καθώς και στους περιορισμούς που υπόκεινται. Το κεφάλαιο 3 αναφέρεται στο λειτουργικό σύστημα TinyOS που χρησιμοποιούν τα δίκτυα αυτά, καθώς και στη γλώσσα υλοποίησης ΝesC Network Embedded System C. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται περιγραφή του προτύπου ΙΕΕΕ /Ζigbee που έχει επικρατήσει για την υλοποίηση της λειτουργίας του δικτύου που σχηματίζεται από ασύρματους αισθητήρες. Στο κεφάλαιο 5 γίνεται εκτενής επισκόπηση του υλικού (hardware) που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα εργασία, δηλαδή ο τύπος των αισθητήρων της εταιρίας Crossbow και των μονάδων επεξεργασίας και μετάδοσης micaz. Στο κεφάλαιο 6 γίνεται εκτενής περιγραφή στον τρόπο λήψης των μετρήσεων από τους αισθητήρες και την απεικόνισή τους στο γραφικό περιβάλλον, καθώς και σχόλια πάνω στις μετρήσεις.

10 8 Kεφάλαιο 1, Εισαγωγή Το κεφάλαιο 7 περιλαμβάνει σχόλια και παρατηρήσεις σχετικά με την εκπόνηση της παρούσας εργασίας, καθώς και άλλες εφαρμογές που μπορεί να αναπτυχθούν με βάση την εργασία αυτή.

11 Κεφάλαιο 2 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 2.1 Εισαγωγή Στα πρόσφατα χρόνια, η επιθυμία για συνδεσιμότητα έχει προκαλέσει εκθετική αύξηση στη χρήση των ασύρματων επικοινωνιών, η οποία σε συνδυασμό με την πρόοδο στους μηχανισμούς μετάδοσης (RF systems), την εξέλιξη στα VLSI κυκλώματα χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας και στα ενσωματωμένα συστήματα (embedded systems), οδήγησε στην υλοποίηση μικρού μεγέθους, ενεργειακά αυτόνομων, πολύ-διεργασιακών κόμβωναισθητήρων (smart-sensors), χαμηλής ισχύος και κόστους, ικανών να παρατηρούν και να μετρούν τις μεταβολές φυσικών φαινομένων του περιβάλλοντος. Οι κόμβοι αυτοί διαθέτουν παράλληλα τη δυνατότητα ασύρματης επικοινωνίας και μεταφοράς των δεδομένων σε έναν κεντρικό κόμβο μέσω του ενσωματωμένου ραδιοπομποδέκτη που διαθέτουν. Έτσι, έχουμε τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων Wireless Sensor Networks ή WSN που αποτελούνται από έναν μεγάλο αριθμό τέτοιων κόμβων, ενεργειακά αυτόνομων, που τοποθετούνται στην προς παρατήρηση περιοχή. Οι κόμβοι αυτοί έχουν τη δυνατότητα αίσθησης (sensing), ενεργοποίησης (actuation) και επεξεργασίας των δεδομένων που συλλέγουν μέσω του μικροεπεξεργαστή που έχουν στο εσωτερικό τους, ενώ μπορούν να περνούν το μεγαλύτερο χρόνο της ζωής τους σε κατάσταση αδρανείας και να ενεργοποιούνται αυτόματα όταν προκύψει κάποιο γεγονός. Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία που διαφαίνεται ότι θα χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στο μέλλον λόγω των δυνατοτήτων που έχει στη συγκέντρωση και επεξεργασία δεδομένων. Είναι γεγονός πως τα πρότυπα και τα πρωτόκολλα ασφαλείας που χρησιμοποιούνται στα ενσύρματα και σε άλλα δίκτυα δεν ταιριάζουν στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων, κυρίως λόγω των αυστηρά περιορισμένων πόρων που διαθέτουν. Κατά τη συλλογή των δεδομένων από τους κόμβους του δικτύου, καθοριστικό ρόλο διαδραματίζει η κατανάλωση ενέργειας σε κάθε κόμβο, η οποία καθορίζει και την διάρκεια ζωής του δικτύου. Για την αύξηση της διάρκειας ζωής ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων, έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνικές οι οποίες έχουν ως στόχο την ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας στους κόμβους. Τέτοιες τεχνικές είναι η συνάθροιση πακέτων δεδομένων (aggregation) με στόχο την μείωση του συνολικού φορτίου στο δίκτυο, καθώς και η χρήση πρωτοκόλλων δρομολόγησης και συλλογής που λαμβάνουν υπόψην τους την μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας σε ένα δίκτυο. Οι βασικές ιδιότητες των WSN συνοψίζονται στα παρακάτω σημεία:

12 10 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Παρέχουν αξιόπιστο έλεγχο και υπερέχουν έναντι των αντίστοιχων συμβατικών συστημάτων αισθητήρων. Έχουν δυνατότητα αυτό-οργάνωσης. Παρέχουν επικοινωνία περιορισμένου βεληνεκούς και δρομολόγηση multi-hop (πολλαπλών αλμάτων). Έχουν υψηλή συχνότητα δειγματοληψίας και υψηλή ανάλυση λόγω της δυνατότητας μέτρησης από πολλούς κόμβους. Πυκνή τοποθέτηση των κόμβων και συνεργατική προσπάθεια. Παρέχουν τη δυνατότητα απομακρυσμένου ελέγχου, καθώς δεν απαιτείται η φυσική παρουσία του χρήστη για τη λειτουργία τους. Συχνά μεταβαλλόμενη τοπολογία λόγω εξασθένησης του σήματος και αποτυχίας των κόμβων. Παρέχουν μεγαλύτερη ανοχή σε σφάλματα λόγω της πυκνής διάταξής τους. Περιορισμοί στην ενέργεια, την ισχύ εκπομπής, τη μνήμη και την υπολογιστική δυνατότητα. 2.2 Διαφοροποίηση σε Σχέση με τα Παραδοσιακά Δίκτυα Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων διαφέρουν από τα κλασσικά ad-hoc δίκτυα, αν και παρουσιάζουν αρκετές ομοιότητες και δεν είναι δυνατόν να εφαρμοστούν σε αυτά οι μεθόδοι και τα πρωτόκολλα που έχουν αναπτυχθεί για τα κλασσικά δίκτυα. Παρόλο που και τα WSN είναι δίκτυα που αποτελούνται ουσιαστικά από μικροσκοπικούς υπολογιστές, διαφέρουν από τα κοινά δίκτυα για τους παρακάτω λόγους: Παρουσιάζουν σημαντικούς περιορισμούς στην υπολογιστική ισχύ, στην ενέργεια, την αποθήκευση και το εύρος ζώνης. Στα παραδοσιακά ασύρματα δίκτυα, οι λειτουργίες της δρομολόγησης και της διαχείρισης της κινητικότητας των κόμβων, εκτελούνται με σκοπό τη βελτιστοποίηση του QoS της ποιότητας των υπηρεσιών και της αποτελεσματικότητας του εύρους ζώνης. Η κατανάλωση ενέργειας περνά σε δεύτερη μοίρα, καθώς η πηγή ενέργειας μπορεί να αντικατασταθεί ή να επαναφορτιστεί οποιαδήποτε στιγμή. Αντιθέτως, οι κόμβοι που σχηματίζουν τα WSN δίκτυα έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργήσουν χωρίς την παρουσία του χρήστη, οπότε λειτουργίες όπως η δρομολόγηση και η κατανάλωση ενέργειας παίζουν ζωτικό ρόλο στη σχεδίαση του δικτύου. Τα WSN προσεγγίζουν περισσότερο τα κατανεμημένα συστήματα παρά τα τυπικά δίκτυα, όπου οι χρήστες συνδέονται με ένα κόμβο (ή ένα σύνολο κόμβων) και απαιτούν κάποια υπηρεσία από κάποιο άλλο κόμβο. Το μοντέλο αλληλεπίδρασης είναι ευθύ, από την άποψη ότι ο χρήστης επικοινωνεί άμεσα με τον χρήστη ή την υπηρεσία που παρέχεται στο άλλο άκρο της επικοινωνίας. Οι κόμβοι των WSN συνεργάζονται για την παραγωγή των αποτελεσμάτων, ανταλλάσοντας πληροφορίες μεταξύ τους, ενώ ο χρήστης σπάνια ενδιαφέρεται για τα αποτελέσματα μεμονωμένων κόμβων. Συνεπώς, δεν υπάρχουν σαφείς κόμβοι-πηγές ή προορισμοί βασιζόμενοι στις επιθυμίες του χρήστη. Κατά συνέπεια, το δίκτυο δεν παρέχει σύνδεση μεταξύ διαφορετικών τμημάτων αλλά υπηρεσίες πληροφοριών στους χρήστες. Συνήθως οι κόμβοι ενός WSN είναι στατικοί μετά την τοποθέτησή τους, με εξαίρεση πιθανότητα ένα μικρό αριθμό κινούμενων κόμβων.

13 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 11 Οι κόμβοι είναι επιρρεπείς σε αστοχίες, κυρίως σε επίπεδο υλικού και αυτό προκαλεί την αλλαγή της τοπολογίας πιο συχνά σε σχέση με τα κοινά δίκτυα. Στα WSN οι κόμβοι είναι πολλοί περισσότεροι και στέλνουν δεδομένα με πολύ πιο χαμηλούς ρυθμούς, που για τις ανάγκες τέτοιου τύπου δικτύων είναι ικανοποιητικοί (τυπική τιμή 250Kbps). 2.3 Eφαρμογές Στη σημερινή εποχή υπάρχει μεγάλη κινητικότητα γύρω από τις εφαρμογές των ασύρματων δικτύων αισθητήρων, λόγω των πλεονεκτημάτων που παρέχουν και των χαρακτηριστικών τους που τα κάνουν κατάλληλα για χρήση σε όλους και περισσότερους τομείς, όπου τα κλασσικά δίκτυα δεν μπορούν να ανταποκριθούν. Μερικές από τις εφαρμογές που απαντώνται τα WSN είναι οι εξής: Περιβαλλοντικές εφαρμογές Υπάρχουν διάφορες εφαρμογές που σχετίζονται με το περιβάλλον και ανάλογα με την ε- φαρμογή διαφοροποιείται και ο τύπος του αισθητήρα που χρησιμοποιείται. Για εφαρμογές μετεωρολογικής έρευνας και μελέτης της ρύπανσης, χρησιμοποιούνται αισθητήρες βροχόπτωσης, στάθμης νερού και αισθητήρες μέτρησης φυσικών παραμέτρων όπως θερμοκρασία, ατμοσφαιρική πίεση, υγρασία και άλλες. Ακόμα, υπάρχουν τύποι αισθητήρων για την παρατήρηση και καταγραφή του ζωικού βασιλείου και της μετακίνησης των πτηνών κατά τις περιόδους της μετανάστευσης. Άλλη εφαρμογή σχετίζεται με την καταγραφή κρίσιμων περιβαλλοντικών παραμέτρων και συνθηκών που επηρεάζουν το κλίμα της γης. Τέλος, μία σημαντική περιβαλλοντική εφαρμογή αποτελεί η πυρανίχνευση, ιδίως για χωρες που έχουν σημαντικό πρόβλημα με τις φωτιές όπως η Ελλάδα. Εξαιτίας του γεγονότος ότι οι κόμβοι των WSN μπορούν να εκτείνονται σε μεγάλο εύρος και να καλύπτουν μεγάλες περιοχές που είναι δύσβατες για τον άνθρωπο αλλά και για τα μέσα που χρησιμοποιεί για την πυρόσβεση, τα κάνει ιδανικά για την πρόληψη και την άμεση ειδοποίηση των αρμόδιων αρχών. Έξυπνα κτίρια και διαχείριση εγκαταστάσεων Στόχος της χρήσης των WSN σε κτίρια και εγκαταστάσεις είναι η μείωση της σπατάλης στην ενέργεια, με έλεγχο των συνθηκών στο εσωτερικό των κτιρίων όσον αφορά την υγρασία, τον εξαερισμό και τον κλιματισμό. Πραγματοποιούνται σχετικές μετρήσεις με την κάλυψη δωματίων, ελέγχοντας τη ροή του αέρα, τη θερμοκρασία και άλλες φυσικές παραμέτρους. Έτσι, επιτυγχάνεται όχι μόνο η εξοικονόμηση ενέργειας αλλά βελτιώνεται και το βιοτικό επίπεδο των κατοίκων. Επίσης, είναι δυνατός ο έλεγχος των μηχανικών επιπέδων πίεσης στις σεισμικά ενεργές ζώνες, εξακριβώνοντας αν το κτίριο είναι ασφαλές ή βρίσκεται στα όρια της κατάρρευσης. Άλλη σημαντική εφαρμογή των WSN είναι η εγκατάσταση αισθητήρων σε γέφυρες για τη μέτρηση των δονήσεων που προκαλούνται είτε από την κίνηση των οχημάτων είτε από κάποιο σεισμό, ώστε να προάγεται η ασφάλεια των οδηγών. Επίσης, η εγκατάσταση σε μεγάλα κτίρια και εγκαταστάσεις για την παρακολούθηση τυχόν ανεπιθύμητων παρουσιών σε κάποιο χώρο, δηλαδή εισβολέων σε μη επιτρεπόμενους χώρους αλλά ακόμα και ενσωμάτωση αισθητήρων βαθιά μέσα σε μηχανήματα όπου οι ενσύρματοι αισθητήρες δεν θα ήταν δυνατόν

14 12 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων να τοποθετηθούν. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η εύκολη επιτήρηση μηχανών και η προληπτική συντήρησή τους. Ακολουθεί εικόνα που δείχνει την εγκατάσταση κόμβου στο εσωτερικό πυλώνα γέφυρας για τη μέτρηση δονήσεων και παίζει το ρόλο του σταθμού βάσης για τη συλλογή των μετρήσεων. Εικόνα 2.1 Εγκατάσταση ασύρματου κόμβου στο εσωτερικό γέφυρας. Ιατρικές εφαρμογές Η χρήση ασύρματων αισθητήρων επιτρέπει την απομακρυσμένη, κατ οίκον παρακολούθηση σε περιπτώσεις χρόνιων παθήσεων ή ηλικιωμένων. Συσκευές που μπορούν να μεταφερθούν ή ακόμα και να φορεθούν θα μπορούσαν να καταγράφουν σημαντικές λειτουργίες του ασθενή και σε περιπτώσεις αναγκαίες να ειδοποιηθούν οι συγγενείς, ο γιατρός ή το νοσοκομείο. Η ιδέα της ενσωμάτωσης ασύρματων βιοϊατρικών αισθητήρων στο ανθρώπινο σώμα είναι αρκετά υποσχόμενη, παρόλο που υπάρχουν πολλές επιπλέον δυσκολίες όπως η ασφάλεια του συστήματος, η αξιοπιστία, η ελαχιστοποίηση της συντήρησης, η μείωση της κατανάλωσης και η αξιοποίηση της ανθρώπινης ενέργειας (θερμότητα) για παροχή ενέργειας στους αισθητήρες. Βιομηχανικές εφαρμογές Στις βιομηχανίες, ο έλεγχος των συστημάτων και των εφαρμογών καθ όλη τη διάρκεια λειτουργίας τους παίζει σημαντικό ρόλο για την επίβλεψή τους αλλά και για την ασφάλεια του προσωπικού που εργάζεται σε αυτές. Το περιβάλλον στο οποίο πραγματοποιούνται οι διεργασίες μπορεί να είναι επικίνδυνο για την υγεία του προσωπικού, λόγω των υψηλών θερμοκρασιών ή λόγω τοξικότητας από την ύπαρξη βλαβερών αερίων ή να μην είναι καν προσβάσιμο στον άνθρωπο. Στις περιπτώσεις αυτές είναι αναγκαία η χρήση ασύρματων αισθητήρων και οι κύριες υπηρεσίες που παρέχουν είναι η αυτοματοποίηση των διεργασιών, όπως η συντήρηση των μηχανημάτων μέσω της λήψης πληροφοριών για την κατάστασή τους και η λήψη άμεσων αποφάσεων σε περιπτώσεις σφαλμάτων. Η υπηρεσία του απομακρυσμένου ελέγχου που παρέχουν τα WSN σε συνδυασμό με την ύπαρξη ηλεκτρονικών προγραμμάτων όπως το LABVIEW, που χρησιμοποιείται ευρέως στη βιομηχανία, παρέχουν πλήρη διαχείριση και έλεγχο απαιτητικών εφαρμογών. Ένα τέτοιο παράδειγμα βιομηχανικής εφαρμογής είναι τα διϋλιστήρια, όπου ασύρματοι αισθητήρες μετρούν τη θερμοκρασία σε όλα

15 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 13 τα στάδια της επεξεργασίας του πετρελαίου και όταν σημειωθεί υπέρβαση του επιτρεπόμενου ορίου, ειδικά σήματα συναγερμού ενημερώνουν τους τεχνικούς. 2.4 Περιγραφή Είπαμε ότι τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων μπορούν να αποτελούνται από έναν μεγάλο αριθμό μεμονομένων κόμβων, από μερικές εκατοντάδες ως χιλιάδες, τοποθετημένους σε σχετικά πυκνή διάταξη στην περιοχή που μας ενδιαφέρει για τη μέτρηση συγκεκριμένου φαινομένου. Οι κόμβοι αυτοί, που είναι μικροί σε μέγεθος και έχουν χαμηλή κατανάλωση, μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους σε σχετικά μικρές αποστάσεις (10 με 70 μέτρα). Αποτελούνται από επιμέρους τμήματα αισθητήρων και επεξεργασίας δεδομένων, ενώ ο κύριος στόχος τους είναι η συνεργασία για ανταλλαγή πληροφοριών σχετικά με τα δεδομένα που συλλέγουν αλλά και παραμέτρων για την κατάσταση του δικτύου. Άλλο ένα χαρακτηριστικό των WSN είναι ότι αφού τοποθετηθούν οι κόμβοι, σχηματίζουν από μόνοι τους το δίκτυο μέσω των αλγορίθμων και των πρωτοκόλλων που τρέχουν. Επίσης, τα πρωτόκολλα αυτά εκμεταλλεύονται την πυκνή διάταξη των κόμβων προκειμένου να μεταδοθεί ένα μήνυμα, μέσω της διαδιακασίας των αλμάτων (hops). H επικοινωνία μέσω πολλαπλών αλμάτων καλείται multihop communication και με τον τρόπο αυτό πετυχαίνεται μικρότερη κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με την επικοινωνία ενός άλματος (single hop). To χαρακτηριστικό αυτό απαντάται μόνο στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και ικανοποιεί την απαίτηση της ελάχιστης κατανάλωσης. Επίσης, η επικοινωνία μέσω πολλαπλών αλμάτων συμβάλλει στην καλύτερη κάλυψη της περιοχής και στην αντιμετώπιση του προβλήματος εξασθένησης του σήματος λόγω μεγάλων αποστάσεων. Τέλος, κάθε κόμβος ενσωματώνει και έναν επεξεργαστή που του δίνει τη δυνατότητα, αντί να στέλνει τα δεδομένα κατευθείαν σε έναν καθορισμένο κόμβο που έχει αναλάβει την επεξεργασία τους, να χρησιμοποιεί ο ίδιος πρώτα τον επεξεργαστή του για την εκτέλεση καθορισμένων απλών υπολογισμών και στη συνέχεια να αποστέλλει μόνο τα απαραίτητα και μερικώς επεξεργασμένα δεδομένα. Η δυνατότητα τοπικής επεξεργασίας, αποθήκευσης δεδομένων αλλά και αμφίδρομης επικοινωνίας των κόμβων, αποτελεί άλλο ένα χαρακτηριστικό που συναντάμε μόνο στα WSN. Σχήμα 2.1 Τυπική μορφή δικτύου αισθητήρων.

16 14 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 2.5 Αρχιτεκτονική WSN Ανάλογα με την εφαρμογή, τα δίκτυα αισθητήρων εμφανίζουν και διαφορετική δομή, ώστε να ανταπεξέλθουν καλύτερα στις απαιτήσεις διεκπεραίωσής της. Η πυκνότητα των κόμβων εξαρτάται από το είδος της εφαρμογής, ενώ απαραίτητη είναι και η συνεργασία των κόμβων που πραγματοποιείται με πολλαπλά άλματα. Όλες όμως οι δομές αποτελούνται από δύο είδη κόμβων: Την πηγή δεδομένων source, η οποία αντιλαμβάνεται, επεξεργάζεται και επικοινωνεί ασύρματα, ενώ παράλληλα αλληλεπιδρά με το φυσικό περιβάλλον στο οποίο βρίσκεται, συλλέγοντας μετρήσεις για φυσικές παραμέτρους. Άρα κάθε κόμβος του δικτύου αποτελεί πηγή. τον Δρομολογητή Δεδομένων router, o οποίος διαβιβάζει τα στοιχεία από έναν κοντινό κόμβο σε έναν άλλον και ως το σταθμό βάσης, όπου γίνεται η επεξεργασία και η ανάλυση των δεδομένων που συλλέχθηκαν από τους διαφόρους κόμβους. Ο σταθμός βάσης αναφέρεται συνήθως και ως κόμβος-συλλέκτης (sink node), με την έννοια ότι στον κόμβο αυτόν επικάθονται τα αποτελέσματα. Υπάρχουν τρεις επιλογές για τη θέση του κόμβου-συλλέκτη που διαφοροποιεί εν μέρει τη λειτουργία του. Μπορεί να είναι ένας κόμβος σαν τους άλλους εντός του δικτύου αλλά μπορεί να είναι και μία μονάδα εκτός δικτύου. Στη περίπτωση αυτή, ο κόμβος-συλλέκτης μπορεί να είναι ένας φορητός υπολογιστής, ο οποίος αλληλεπιδρά με το δίκτυο για την αξιοποίηση των δεδομένων. Στην τρίτη περίπτωση, ο κόμβος-συλλέκτης είναι ένας ενδιάμεσος κόμβος μεταξύ του δικτύου αισθητήρων και ενός μεγαλύτερου δικτύου, όπως το Internet και ονομάζεται getaway. Συνήθως ο σταθμός βάσης είναι πιο απομακρυσμένος από το υπόλοιπο δίκτυο και έχει μεγαλύτερα αποθέματα ενέργειας από τους άλλους κόμβους, συνήθως είναι συνδεδεμένος σε κάποιο φορητό υπολογιστή. Η στοίβα με τα επίπεδα δικτύου ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων αποτελείται από τα ίδια επίπεδα που ορίζονται στο μοντέλο OSI αλλά χωρίς το επίπεδο συνόδου-session layer και την προσθήκη τριών ακόμα που διατρέχουν ολόκληρη τη στοίβα. Tα επίπεδα που προστέθηκαν είναι τα εξής: Η διαχείριση ισχύος power management. Η κινητικότητα mobility, που εκφράζει τη διατήρηση της συνεκτικότητας του δικτύου. H διαχείριση των tasks task management, που εκφράζει τη διαχείριση του φόρτου εργασίας. Τα tasks αποτελούν απλές υπολογιστικές διεργασίες, χαρακτηριστικό του λειτουργικού των ασύρματων αισθητήρων και αναλύονται στο επόμενο κεφάλαιο, το οποίο περιγράφει το λειτουργικό αυτό TinyOS. Η στοίβα δικτύου για τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων ακολουθεί στο επόμενο σχήμα. Το επίπεδο power management διαχειρίζεται τον τρόπο με τον οποίο ένας κόμβος χρησιμοποιεί τα αποθέματα ενέργειάς του. Για παράδειγμα, ένας κόμβος μπορεί να κλείνει το δέκτη του μετά τη λήψη ενός μηνύματος ώστε να μην ξαναλάβει το ίδιο μήνυμα.

17 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 15 Το επίπεδο mobility παρακολουθεί την ύπαρξη γειτόνων στο δίκτυο σε κάθε χρονική στιγμή, ώστε να ελέγχει αν υπάρχουν διαθέσιμες συνδέσεις για να προωθηθούν τα μηνύματα προς το σταθμό βάσης. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατή η κατανομή του φόρτου εργασίας συνολικά στο δίκτυο. Επίσης, δεν χρειάζεται να είναι ενεργοί όλοι οι κόμβοι που βρίσκονται σε μια μικρή περιοχή και να παίρνουν μετρήσεις ή να προωθούν συνεχώς μηνύματα Σχήμα 2.2 Η στοίβα πρωτοκόλλων σε WSN δίκτυο. Το επίπεδο task management εξισσοροπεί το φόρτο εργασίας και καθορίζει ποιοι κόμβοι είναι ενεργοί. Για παράδειγμα, οι κόμβοι που έχουν περισσότερη ενέργεια αναλαμβάνουν πιο ενεργό ρόλο στο δίκτυο. Τα τρία αυτά επίπεδα λοιπόν, οργανώνουν τη σωστή συνεργασία των κόμβων μεταξύ τους και τον διαμοιρασμό των πόρων, ώστε να επιμηκυνθεί η ορθή λειτουργία και η διάρκεια ζωής του δικτύου συνολικά. 2.6 Αρχιτεκτονική Κόμβων Τα βασικά δομικά στοιχεία κάθε ασύρματου κόμβου απεικονίζονται στο σχήμα που ακολουθεί. Σχήμα 2.3 Η αρχιτεκτονική των ασύρματων κόμβων.

18 16 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Διακρίνουμε λοιπόν, την μονάδα επεξεργασίας processing unit, την μονάδα αίσθησης sensing unit και την μονάδα παροχής ενέργειας power unit. Μονάδα επεξεργασίας Processing unit Η μονάδα επεξεργασίας αποτελεί τον κεντρικό στοιχείο του ασύρματου κόμβου και περιλαμβάνει τον επεξεργαστή και έναν σχετικά μικρό χώρο αποθήκευσης. Για τις εφαρμογές των δικτύων αισθητήρων, τον ρόλο του επεξεργαστή επιλέγεται να τον παίξει ένας μικροελεγκτής, ο οποίος πληρεί τις προϋποθέσεις της χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας, της δυνατότητας σύνδεσης με μεγάλο αριθμό περιφερειακών, τις απαιτήσεις σε τάση λειτουργίας και του χαμηλού κόστους. Επιπλέον, ένα κομμάτι του μικροελεγκτή μπορεί να τεθεί σε κατάσταση ύπνου (sleep mode) και ένα άλλο να λειτουργεί, με συνέπεια να μειώνεται η κατανάλωση, ενώ παράλληλα χαρακτηρίζεται από γρήγορο χρόνο αφύπνισης. Τα χαρακτηριστικά αυτά κάνουν την επιλογή του μικροελεγκτή ιδανική για τα δίκτυα αισθητήρων, σε σχέση με την επιλογή άλλων επεξεργαστών, όπως επεξεργαστές γενικού σκοπού, τα FPGA s (Full Programmed Gate Arrays) και ενσωματωμένα συστήματα ανάλογα με την εφαρμογή (ASIC s). Στους επεξεργαστές γενικού σκοπού, η κατανάλωση είναι αρκετά μεγαλύτερη με συνέπεια να μην είναι κατάλληλοι για τους ασύρματους αισθητήριους κόμβους. Η χρήση των FPGA s είναι και αυτή ακατάλληλη, διότι χρειάζονται μεγαλύτερο χώρο για εγκατάσταση από τους μικροελεγκτές και δεν υπάρχει η πολυτέλεια αυτή στους ασύρματους κόμβους, όπου η τάση είναι για όλο και μικρότερους σε μέγεθος κόμβους και επιπλέον απαιτούν περισσότερο χρόνο και ενέργεια για τον προγραμματισμό τους. Τέλος, τα ASIC s σχεδιάζονται για μια συγκεκριμένη εφαρμογή και η υλοποίησή της γίνεται σε επίπεδο υλικού, σε αντίθεση με τους μικροελεγκτές όπου η υλοποίηση γίνεται σε επίπεδο software, γεγονός που προσφέρει μεγαλύτερη ευκολία στο σχεδιασμό των εφαρμογών. Ο μικροελεγκτής διαχειρίζεται τη συνεργασία με τους υπόλοιπους αισθητήρες, την εκτέλεση καθορισμένων απλών υπολογισμών (τα tasks) και την επικοινωνία με το σύστημα μετάδοσης. Επίσης, εκτελεί βασικούς υπολογισμούς επεξεργασίας σήματος και διεργασίες συσχέτισης δεδομένων που έχουν ληφθεί από διαφορετικούς αισθητήρες για τη δημιουργία και αποστολής ενός μοναδικού πακέτου, γεγονός που συνεπάγεται τη μείωση της μεταδιδόμενης πληροφορίας και συνεπώς τη μείωση της καταναλισκούμενης ενέργειας. Άλλες πιθανές διεργασίες συνιστούν τη συμπίεση δεδομένων και διεργασίες σχετικά με την ασφάλεια του δικτύου. Το ρόλο της μνήμης αναλαμβάνουν να παίξουν κυρίως μνήμες flash με τυπική τιμή τα 128Kbytes, για την αποθήκευση δεδομένων προγράμματος και ενδιάμεσων μεταβλητών. Οι μνήμες flash χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω του χαμηλού κόστους και της δυνατότητας επανεγγραφής. Μονάδα αίσθησης Sensing unit Η μονάδα αίσθησης περιλαμβάνει τους αιθητήρες και τους μετατροπείς των αναλογικών σημάτων σε ψηφιακά ADCs. Η κύρια λειτουργία της είναι να αισθάνεται ή να μετρά τις φυσικές παραμέτρους των φαινομένων που αντιλαμβάνεται στο χώρο που βρίκεται. Οι φυσικές παράμετροι μπορεί να είναι η πίεση, η θερμοκρασία, η υγρασία και άλλες. Η αναλογική τάση που δημιουργείται στον αισθητήρα και εκφράζει μια φυσική ποσότητα, μετατρέπεται σε ψηφιακό σήμα από τον ADC και μεταφέρεται στο σύστημα επεξεργασίας για περαιτέρω ανάλυση.

19 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 17 Τα χαρακτηριστικά και οι απαιτήσεις για τους αισθητήρες συμβαδίζουν με τις απαιτήσεις για το υπόλοιπο σύστημα, όπως η χαμηλή κατανάλωση, το μικρό μέγεθος και η δυνατότητα αυτόνομης λειτουργίας και προσαρμοστικότητας ανάλογα με το περιβάλλον. Η έννοια της αίσθησης αναφέρεται σε όρους όπως ο χρόνος έκθεσης (exposure time) που είναι ο χρόνος που ο αισθητήρας παρατηρεί ένα φαινόμενο, η προσαρμογή (calibration ή βαθμονόμηση) που είναι οι τιμές που χρησιμοποιεί ως αναφορά και η κάλυψη (sensing coverage). Οι έρευνες επικεντρώνονται στο πρόβλημα της κάλυψης σε σχέση με την κατανάλωση ενέργειας, είτε με την εύρεση του ελάχιστου αριθμού κόμβων για την κάλυψη μιας περιοχής είτε με προτάσεις τοποθέτησης των κόμβων για κατανεμημένη ανίχνευση σε μεγάλης κλίμακας WSN. Μονάδα μετάδοσης και λήψης των δεδομένων Transceiver H μονάδα αυτή ενώνει τους κόμβους με το υπόλοιπο δίκτυο και καταναλώνει την περισσότερη ενέργεια από τις υπόλοιπες μονάδες. Το μέσο μετάδοσης ποικίλει και περιλαμβάνει σήματα ραδιοσυχνότητας (RF), οπτικά σήματα μέσω laser και υπέρυθρα (infrared). H επικοινωνία με χρήση laser καταναλώνει λιγότερη ενέργεια αλλά απαιτείται οπτική επαφή (line of sight-los) μεταξύ πομπού και δέκτη, γεγονός που θέτει περιορισμούς στη σχεδίαση του δικτύου. Η επικοινωνία μέσω υπέρυθρων σημάτων έχει περιορισμένη χωρητικότητα στην εκπομπή. Έτσι, έχει επικρατήσει η χρήση των ραδιοσημάτων για την επικοινωνία στα δίκτυα αισθητήρων, τα οποία απαιτούν τη χρήση κεραίας. Στην πράξη, ένας κόμβος θα πρέπει να διαθέτει και πομπό και δέκτη, τα οποία συνδυάζονται σε μία μόνο συσκευή που λέγεται πομποδέκτης. Ο στόχος του πομποδέκτη είναι να μετατρέπει μια αλληλουχία από bytes ή frames που στέλνει ο μικροελεγκτής σε ραδιοκύματα και το αντίστροφο. Ο πομποδέκτης χαρακτηρίζεται από τέσσερεις λειτουργικές καταστάσεις: Κατάσταση Εκπομπής Transmit State Σε αυτήν την κατάσταση, το τμήμα εκπομπής του πομποδέκτη είναι ενεργό και η κεραία εκπέμπει ηλεκτρομαγνητικά κύματα (ραδιοκύματα). Κατάσταση Λήψης Receive State Στην κατάσταση αυτή, ενεργοποιείται ο δέκτης του πομποδέκτη και λαμβάνει πακέτα δεδομένων. Άεργη Κατάσταση Idle State Σε αυτήν την κατάσταση, ενώ ο πομποδέκτης είναι έτοιμος να λάβει δεδομένα, στην πράξη δεν λαμβάνει τίποτα. Στην άεργη αυτή φάση, πολλά μέρη του τμήματος λήψης του κυκλώματος είναι ενεργά ενώ κάποια άλλα μπορεί να είναι ανενεργά. Για παράδειγμα, στα κυκλώματα συγχρονισμού, κάποια στοιχεία που σχετίζονται με τη λήψη είναι ενεργά ενώ εκείνα που ασχολούνται με τον εντοπισμό μπορούν να παραμένουν κλειστά και να ενεργοποιηθούν μόνο σε περίπτωση λήψης. Κατάσταση Ύπνου Sleep State Στην κατάσταση ύπνου, τα πιο σημαντικά μέρη του πομποδέκτη είναι ανενεργά. Υπάρχουν πομποδέκτες που διαθέτουν πολλαπλές καταστάσεις ύπνου, οι οποίες διαφέρουν ως προς το ποσοστό του κυκλώματος που μένει ανενεργό, ως προς τους σχετικούς χρόνους αποκατάστασης (recovery times) και ως προς την ενέργεια έναρξης (startup energy).

20 18 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Η μονάδα παροχής ενέργειας Power unit Η κατανάλωση ενέργειας αποτελεί μία από τις σημαντικότερες παραμέτρους στη σχεδίαση των ασύρματων κόμβων. Η μονάδα παροχής ενέργειας περιλαμβάνει συνήθως ένα ζευγάρι από κοινές μπαταρίες τύπου ΑΑ, επαναφορτιζόμενες ή μη. Τη μεγαλύτερη κατανάλωση την προκαλεί το σύστημα της ασύρματης επικοινωνίας και λαμβάνει χώρα κατά τη μετάδοση των δεδομένων, ενώ η συλλογή και επεξεργασία των δεδομένων τοπικά προκαλεί μικρότερη κατανάλωση σε σχέση με τη μετάδοση. Ενδεικτικά αναφέρουμε ότι η μετάδοση ενός 1Κbyte σε απόσταση 100m δαπανά τόση ενέργεια όση δαπανάται για την εκτέλεση 3 ως 100 εκατομμυρίων εντολών ανά δευτερόλεπτο. Επίσης, υπάρχουν ερευνητικές δραστηριότητες για την παραγωγή ενέργειας από τον ήλιο, τη θερμότητα και τις δονήσεις. Τέλος, από το σχήμα 2.3 παρατηρούμε ότι υπάρχουν και άλλα τμήματα τα οποία δεν έχουμε αναφέρει, διότι δεν αποτελούν βασικά δομικά στοιχεία ενός ασύρματου κόμβου αλλά χρησιμοποιούνται ανάλογα με την εφαρμογή. Αυτά είναι το σύστημα εντοπισμού Location Finding System, που μπορεί να είναι μια μονάδα GPS, η γεννήτρια παραγωγής ενέργειας Power Generator, για παράδειγμα ηλιακές κυψέλες και το σύστημα μετακίνησης Μobilizer. 2.7 Προδιαγραφές Σχεδιασμού Ο σχεδιασμός ενός δικτύου αισθητήρων επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, οι οποίοι με τη σειρά τους επηρεάζουν το σχεδιασμό του αντίστοιχου πρωτοκόλλου ή του αλγορίθμου που τα διέπει. Οι παράγοντες αυτοί είναι οι εξής: Η Διάρκεια Ζωής Lifetime Ο ασύρματος αισθητήριος κόμβος, που καλείται mote, είναι εξοπλισμένος μόνο με ένα συσσωρευτή ενέργειας περιορισμένης χωρητικότητας όπως είπαμε, που σε όλα σχεδόν τα εμπορικά μοντέλα πρόκειται για ένα ζευγάρι κοινών μπαταριών. Σε μερικές εφαρμογές όμως, η αντικατάσταση των μπαταριών είναι πρακτικά αδύνατη (όταν πρόκειται για δύσβατες περιοχές), ενώ ταυτόχρονα το δίκτυο πρέπει να λειτουργήσει τουλάχιστον για ένα προκαθορισμένο χρόνο ή όσο το δυνατόν περισσότερο. Η διάρκεια ζωής ενός κόμβου λοιπόν, φαίνεται να είναι στενά συνδεδεμένη με τη διάρκεια της μπαταρίας και η διάρκεια ζωής του δικτύου να εξαρτάται από την αντοχή του κόμβου. Σαν εναλλακτική λύση ή συμπλήρωμα της παροχής ενέργειας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν πηγές περιορισμένης ισχύος (όπως τα ηλιακά κύτταρα). Αν και δεν είναι αρκετά ισχυρές για να εξασφαλίσουν συνεχή λειτουργία, μπορούν εντούτοις να παρέχουν μια σημαντική βοήθεια. Για τους λόγους αυτούς, η διατήρηση και η διαχείριση της ενέργειας αποτελούν από τους πιο σημαντικούς παράγοντες στο σχεδιασμό του δικτύου. Ο ορισμός της διάρκειας ζωής του δικτύου εξαρτάται από την εφαρμογή. Μια επιλογή είναι να ορίζεται ως ο χρόνος που μεσολαβεί μέχρι να μείνει χωρίς ενέργεια ο πρώτος κόμβος. Άλλες περιπτώσεις αποτελούν μέχρι το δίκτυο να χωρίζεται σε δύο ή περισσότερα τμήματα ή όταν παρατηρείται για πρώτη φορά περιοχή που δεν καλύπτεται από έναν κόμβο τουλάχιστον. Η ποιότητα υπηρεσίας Quality of Service (QoS) Η έννοια της ποιότητας υπηρεσίας στα WSN δίκτυα διαφέρει σημαντικά σε σχέση με τα συμβατικά δίκτυα, καθώς στα WSN δίκτυα δεν παίζει κυρίαρχο ρόλο ο υψηλός ρυθμός

21 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 19 μετάδοσης και η ταχύτητα αλλά η αξιόπιστη μεταφορά των δεδομένων. Η μεταφορά αυτή θα πρέπει να γίνεται χωρίς να χρειάζεται να επανεκπέμπεται το μήνυμα, ώστε να καταναλώνεται όλο και λιγότερη ενέργεια. Οι παραδοσιακές απαιτήσεις για την ποιότητα υπηρεσιών, όπως η οριακή καθυστέρηση ή το ελάχιστο εύρος ζώνης, δεν παίζουν σημαντικό ρόλο όταν οι ε- φαρμογές είναι σχεδιασμένες ώστε να είναι ανεκτικές στην καθυστέρηση ή όταν το εύρος ζώνης είναι μικρό, όπως συμβάινει στην περίπτωση των WSNs. Η καθυστέρηση μπορεί να είναι σημαντικός παράγοντας, όταν οι αισθητήρες πρόκειται να ελεγχθούν σε μια εφαρμογή πραγματικού χρόνου από το δίκτυο αισθητήρων. Η ανοχή σφαλμάτων Fault tolerance Σημαντικός δείκτης απόδοσης ενός συστήματος αισθητήρων είναι η ανοχή του στα σφάλματα. Κάποιοι κόμβοι μπορεί να πάψουν να λειτουργούν ή να απενεργοποιηθούν λόγω έλλειψης ενέργειας, λόγω παρεμβολών από εξωτερικό αίτιο ή ακόμα να υποστούν κάποια φυσική βλάβη, κάτι το οποίο θα οδηγήσει πιθανότητα σε μόνιμη διακοπή της επικοινωνίας. Η αποτυχία αυτή των επιμέρους αισθητήρων δε θα πρέπει να επηρεάσει τη λειτουργικότητα του δικτύου στο σύνολο του. Εδώ έγκειται και η αξιοπιστία ενός WSN με την ανοχή του σε σφάλματα, που αποτελεί σημαντικός δείκτης απόδοσης ενός συστήματος αισθητήρων. Η αξιοπιστία R k (t) ενός κόμβου μοντελοποιείται με την κατανομή Poisson, όπου η πιθανότητα της μη εμφάνισης βλάβης σε ένα χρονικό διάστηκα (0,t) δίνεται από την σχέση: R k (t)=exp(-λ k t) όπου λ k είναι ο ρυθμός εμφάνισης βλάβης στον κόμβο k και t η χρονική περίοδος. Τα όρια ανοχής σε σφάλματα σε ένα WSN δίκτυο εξαρτώνται από την εκάστοτε εφαρμογή. Αν για παράδειγμα, το περιβάλλον στο οποίο τοποθετούνται έχει χαμηλά επίπεδα παρεμβολών, τότε τα όρια ανοχής αυτομάτως είναι μικρά. Συνεπως, ένα δίκτυο WSN είναι α- ποδοτικό και αξιόπιστο, όταν οι κόμβοι που το αποτελούν αναπτύσσονται με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται πολλαπλή κάλυψη της περιοχής από περισσότερους κόμβους από αυτούς που θα χρειάζονταν κανονικά. Η ασφάλεια Security H ασφάλεια που παρέχει ένα WSN δίκτυο αποτελεί συναφές θέμα με την αξιοπιστία του. Τα δίκτυα αισθητήρων πρέπει να αποκρύπτουν την πληροφορία που συλλέγουν από εξωτερικούς χρήστες. Οπότε πρέπει να υποστηρίζονται μηχανισμοί κρυπτογράφησης και αυθεντικότητας από το δίκτυο. Οι μηχανισμοί αυτοί όμως επιβαρύνουν τη λειτουργία του δικτύου, όσον αφορά την κατανάλωση και το διαθέσιμο εύρος ζώνης που δεν είναι μεγάλο έτσι και αλλιώς. Έτσι, στα bits που μεταφέρονται στα πακέτα δεδομένων προστίθενται και τα bits που αφορούν την ασφάλεια, με συνέπεια να μένουν λιγότερες θέσεις για τα πραγματικά δεδομένα. Η Κλίμακα μεγέθους Scalabilty Ανάλογα με την εφαρμογή, ποικίλει ο αριθμός των κόμβων που συμμετέχουν για το σχηματισμό του δικτύου. Θα πρέπει να υπάρχουν κατάλληλοι μηχανισμοί που να προβλέπουν την προσθήκη νέων κόμβων και την επέκταση του δικτύου, χωρίς να διαταράσσεται η λειτουργία του, ενώ παράλληλα τα ήδη εφαρμοσμένα πρωτόκολλα θα πρέπει να προσαρμόζονται στο νέο μέγεθος του δικτύου.

22 20 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Ο αριθμός των κόμβων υπολογίζεται από τη σχέση: μ(r)=(ν*π*r2)/a όπου Ν ο αριθμός των διασκορπισμένων κόμβων σε μια περιοχή Α και R το εύρος ακτίνας εκπομπής κάλυψης. Το Κόστος Cost Βασική μονάδα ενός WSN δικτύου, όπως έχει ήδη αναφερθεί, είναι ο κόμβος-αισθητήρας. Οπότε είναι βασική προϋπόθεση για την επικράτηση των δικτύων αυτών, η πολυπλοκότητα και το κόστος του mote να διατηρούνται σε χαμηλά επίπεδα. Στο κόστος συγκαταλέγεται και η διαχείριση δικτύου. Εκτός από τη δυνατότητα επεξεργασίας δεδομένων, θα πρέπει να έχει την ικανότητα αυτοδιαμόρφωσης και αυτοσυντήρησης, χωρίς την ανθρώπινη παρέμβαση. Το δίκτυο λοιπόν, θα πρέπει να παρουσιάζεται ευέλικτο και να αλλάζει ή να επιλέγει τις διάφορες λειτουργικές παραμέτρους του. Παράλληλα, θα πρέπει να ανιχνεύει σφάλματα που εμφανίζονται είτε στους κόμβους είτε στην επικοινωνία και να αντικαθιστά τους δυσλειτουργικούς κόμβους. Θα πρέπει επίσης, να είναι ικανό να αλληλεπιδρά με τους εξωτερικούς μηχανισμούς συντήρησης, για να εξασφαλίζει την εκτεταμένη λειτουργία του σε ένα απαραίτητο επίπεδο ποιότητας. Οι Περιορισμοί του Υλικού Hardware Constraints Οι περιορισμοί που θέτει το υλικό των ασύρματων κόμβων αφορούν σε πρώτη φάση το μέγεθος αυτών, εφόσον ο κόμβος στο σύνολο του θα πρέπει να είναι μικρότερος ακόμη και από ένα κυβικό μέτρο. Ταυτόχρονα, θα πρέπει όλες οι δομικές μονάδες από τις οποίες αποτελείται να λειτουργούν αποδοτικά και σύμφωνα με τις προδιαγραφές των, ώστε ο κόμβος να ικανοποιεί τις απαιτήσεις της εφαρμογής που τρέχει και του δικτύου, δηλαδή την χαμηλή κατανάλωση, το χαμηλό κόστος, την αυτονομία και την εύκολη προσαρμογή στο περιβάλλον. 2.8 Μηχανισμοί Λειτουργίας Για την ικανοποίηση των προδιαγραφών που αναφέρθησαν, είναι απαραίτητη η εύρεση νέων μηχανισμών δικτυακής επικοινωνίας, όπως νέα πρωτόκολλα και αρχιτεκτονικές που να τους υποστηρίζουν. Οι μηχανισμοί αυτοί θα πρέπει να είναι υλοποιήσιμοι ως προς τις απαιτήσεις μιας συγκεκριμένης εφαρμογής αλλά επίσης θα πρέπει να είναι κατάλληλοι και για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, ώστε να μην χρειάζεται να σχεδιάζονται από την αρχή για κάθε εφαρμογή, γεγονός που θα έκανε τα δίκτυα αισθητήρων μη βιώσιμα από άποψη κόστους. Οι μηχανισμοί αυτοί είναι οι εξής: Επικοινωνία μέσω πολλαπλών αλμάτων Multihop Επικοινωνία Η άμεση επικοινωνία μεταξύ δύο κόμβων στα δίκυα αισθητήρων μπορεί να είναι ασύμφορη για κάποιους λόγους, όπως για παράδειγμα όταν οι δύο κόμβοι βρίσκονται σε μεγάλη απόσταση οπότε και απαιτείται αρκετή ενέργεια για την επικοινωνία. Το πρόβλημα αυτό αντιμετωπίζεται με έναν μηχανισμό που καλείται επικοινωνία μέσω πολλαπλών αλμάτων, κατά την οποία για τη μετάδοση ενός πακέτου δεδομένων από έναν κόμβο σε έναν άλλλο, χρησιμοποιούνται ενδιάμεσοι κόμβοι για την προώθηση του πακέτου ώστε ο κάθε κόμβος να

23 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 21 δαπανά την ελάχιστη δυνατή ενέργεια για τη μετάδοση. Τα άλματα που κάνει το πακέτο από κόμβο σε κόμβο καλούνται hops, εξού και ο όρος multihop. Αυτοδιαμόρφωση Self-configuration Ένα δίκτυο αισθητήρων θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να διαμορφώνει τις περισσότερες από τις λειτουργικές του παραμέτρους αυτόνομα και ανεξάρτητα από οποιαδήποτε εξωτερική παρέμβαση. Για παράδειγμα, οι κόμβοι-αισθητήρες πρέπει να μπορούν να καθορίζουν τη γεωγραφική τους θέση με βάση τη θέση άλλων αισθητήρων στο δίκτυο. Η λειτουργία αυτή καλείται αυτοεντοπισμός self-location. Παράλληλα, το δίκτυο θα πρέπει να αντικαθιστά όσους κόμβους τίθενται εκτός δικτύου λόγω έλλειψης ενέργειας ή άλλης βλάβης. Άθροιση δεδομένων Data aggregation Σε μερικές περιπτώσεις, δεδομένα που προέρχονται από γειτονικούς αισθητήρες και εκφράζουν την ίδια πληροφορία, δεν έχει νόημα να μεταδίδονται στο σταθμό-βάσης για την επεξεργασία τους. Τα δεδομένα αυτά μπορούν να αθροίζονται και να επεξεργάζονται τοπικά σε κάποιο κόμβο, μέσω του αλγορίθμου που εφαρμόζεται και ύστερα να μεταδίδονται στη βάση. Η διαδικασία αυτή έχει ως αποτέλεσμα να μειώνεται η ποσότητα περιττών δεδομένων προς μετάδοση και να βελτιώνεται η ενεργειακή απόδοση του δικτύου. Στοιχειοκεντρική Σχεδίαση Data Centric Τα συμβατικά δίκτυα επικεντρώνονται στη μετάδοση δεδομένων μεταξύ συσκευών που χαρακτηρίζονται η καθεμία από μια μοναδική διεύθυνση στο δίκτυο. Αυτός ο τρόπος λειτουργίας αποκαλείται address centric. Στα WSN αντίθετα, μπορεί να εφαρμοστεί ένας data centric τρόπος λειτουργίας, καθώς λόγω του μεγάλου πλήθους κόμβων, αισθητήρες που προορίζονται για μετρήσεις του ίδιου φαινόμενου μπορούν να ομαδοποιηθούν και βάσει αυτού του χαρακτηριστικού να έχουν μια κοινή διεύθυνση. 2.9 Μοντέλα επικοινωνίας στα WSN Το απλούστερο μοντέλο προώθησης είναι η μονοεκπομπή unicast και περιλαμβάνει τη μεταγωγή ενός πακέτου από σύνδεση σε σύνδεση κατά μήκος του δικτύου, με αλυσιδωτό τρόπο, από τον αποστολέα έως τον μοναδικό παραλήπτη (δίκτυο από σημείο σε σημείο, pointto-point). Ωστόσο, υπάρχουν και άλλα μοντέλα προώθησης όπως η πολυεκπομπή multicast και η ευρεία μετάδοση broadcast. Κατά την ευρεία μετάδοση, ένα πακέτο αντιγράφεται και τα αντίγραφά του αποστέλλονται σε όλους τους κόμβους του δικτύου ή σε προκαθορισμένο αριθμό κόμβων, όταν το δίκτυο αποτελείται από χιλιάδες κόμβους. Η μετάδοση του πακέτου που αντιγράφεται γίνεται με έναν ειδικό κωδικό στο πεδίο της διεύθυνσης. Κατά την πολυεκπομπή, ένα αντίγραφο του πακέτου αποστέλλεται σε όλα τα μέλη ενός καθορισμένου συνόλου κόμβων, όχι απαραίτητα γειτονικών. Η πολυεκπομπή συνήθως είναι δυσκολότερο να επιτευχθεί, ενώ τόσο σε αυτήν όσο και στην ευρεία εκπομπή απαιτούνται πιο περίπλοκοι αλγόριθμοι δρομολόγησης σε σχέση με την μονοεκπομπή, που αποτελεί την πλειονότητα των δικτυακών επικοινωνιών. Ένας γενικός κανόνας, αν και υπάρχουν πολλές

24 22 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων εξαιρέσεις, είναι ότι τα περιορισμένα γεωγραφικά δίκτυα χρησιμοποιούν συνήθως μονοεκπομπή, ενώ τα μεγαλύτερα δίκτυα είναι συνήθως δίκτυα από σημείο σε σημείο. Τα μοντέλα αυτά απεικονίζονται γραφικά στο επόμενο σχήμα. Σχήμα 2.4 Τα μοντέλα επικοινωνίας σε WSN δίκτυα Εμπορικά Μοντέλα Τα σημερινά δίκτυα αισθητήρων χαρακτηρίζονται από την καταγραφή του φυσικού κόσμου με τη χρήση των ασύρματων κόμβων-motes. Tα motes με τη σειρά τους τρέχουν τα ενσωματωμένα προγράμματα τα οποία συλλέγουν, αποθηκεύουν και μεταδίδουν τα δεδομένα. Μερικά δίκτυα αποτελούνται από ομογενή motes τα οποία επιτελούν τις ίδιες εργασίες ενώ υπάρχουν και δίκτυα τα οποία υϊοθετούν μια προσεγγιση βαθμίδων με ετερογενή motes τοποθετημένα σε διάφορα επίπεδα. Η πλειοψηφία της έρευνας στα δίκτυα αισθητήρων έχει επικεντρωθεί γύρω από της γενιές των κόμβων-αισθητήρων που αναπτύχθηκαν στο Πανεπιστήμιο του Berkeley, από όπου και προήλθε ο όρος mote. Ανάμεσα στα πρώτα motes που κατασκευάστηκαν εκεί είναι τα RF Mote και wec motes, τα οποία χρησιμοποιούν ως RF πομποδέκτη το TR1000 ολοκληρωμένο και τον AT90LS8535 μικροελεγκτή της Atmel που λειτουργούν στα 150ΚΗz και 4ΜΗz αντίστοιχα. Το RF Mote ενώ έχει χαμηλή κατανάλωση, πρέπει να λειτουργεί τον πομποδέκτη του στη μέγιστη απόδοσή του. Ο μικροελεγκτής AT90LS8535 έχει Harvard αρχιτεκτονική χωρίς τη δυνατότητα εγγραφής στη μνήμη προγράμματος και για το λογο αυτό τα συγκεκριμένα motes περιέχουν και έναν βοηθητικό επεξεργαστή για να χειρίζεται τον επαναπρογραμματισμό. Με βάση τις εμπειρίες που αποκτήθηκαν από την ανάπτυξη των προηγούμενων motes, τα Rene και Rene2 κατασκευάστηκαν σε μορφή sandwich, επιτρέποντας την εύκολη σύνδεση με άλλα boards αισθητήρων. Το Rene2 φιλοξενούσε τον ATMega163 μικροελεγκτή με συχνότητα λειτουργίας τα 4MHz, με αυξημένη μνήμη RAM από 0.5 σε 1ΚΒ και μνήμη προγράμματος flash από 8 σε 16ΚΒ. Οι διάδοχοι των motes αυτών ήταν τα Mica και Mica2 συνεχίζοντας τη σχεδίαση σε module μορφή και αναβαθμίζοντας την μονάδα του μικροελεγκτή, στην οποία χρησιμοποιήθηκε ο ATMega103 με συχνότητα λειτουργίας τα 4MHz και ο ATMega128L στα 7.37 MHz και οι δύο της Atmel. Ανάμεσα στα πολλά πλεονεκτήματα που παρείχε ο ATMega128L, εξάλειψε την ανάγκη για ύπαρξη του βοηθητικού επεξεργαστή για την εγγραφή της μνήμης προγράμματος, εφόσον πρόκειται για έναν πολύ πιο ισχυρό μικροελεγκτή. Τα motes που παρήχθησαν με βάση την ανάπτυξη του mica2, σχεδιάστηκαν χωρίς

25 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 23 την ανάγκη για άνω-μετατροπή της τάσης (step-up ή boost converter) της μπαταρίας και λειτουργούν με μη ρυθμιζόμενη τάση.τέτοια motes είναι το Mica2Dot και το MicaZ. Την εμπορική παραγωγή των motes Rene, Mica και Mica2 έχει αναλάβει η εταιρία Crossbow και αποτελούν τα πιο δημοφιλή motes για τις περισσότερες ερευνητικές μονάδες. Στην εικόνα που ακολουθεί βλέπουμε την εξέλιξη των motes από το 1998 ως το 2004 και στον επόμενο πίνακα συνοψίζονται τα βασικά δομικά στοιχεία διαφόρων motes, μέσω του οποίου παρατηρούμε τη σταδιακή εξέλιξη στην τεχνολογία αυτή. (α) RF Mote (1998) (b) wec(1999) (γ) Mica2 (2002) (δ) Telos (2004) Εικόνα 2.2 Οι τέσσερεις γενιές motes του UC Berkeley. Πίνακας 2.1 Τα βασικά δομικά στοιχεία για διάφορους τυπους motes.

26 24 Κεφάλαιο 2, Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων Τelos mote. To mote Telos ανήκει στην κατηγορία των gateways, παράγεται από την εταιρία MoteIV και συνδυάζει τον μικροελεγκτή MSP430 της Texas Instrument με τον RF πομποδέκτη CC2420 της Chipcon που είναι συμβατός με το πρωτόκολλο Το mote αυτό δεν χαρακτηρίζεται από τον compact σχεδιασμό των mica motes αλλά έχει μία θύρα USB πάνω στο board για εύκολο προγραμματισμό, χαρακτηριστικό που το κάνει ιδανικό για εκπαιδευτικούς σκοπούς. MicaΖ mote. Το micaz mote αποτελεί την τελευταία γενιά mote της Crossbow και όπως και τα προγενέστερα motes, έτσι και αυτό αποτελείται από τον ATMega128L μικροελεγκτή. Αποτελείται από μία εξωτερική σειριακή μνήμη flash και όπως και το telos, σαν πομποδέκτη χρησιμοποιεί το ολοκληρωμένο CC2420. Η λογική σχεδιασμού είναι παρόμοια με αυτή του mica με σαφείς βελτιώσεις και είναι συμβατό με όλα τη σειρά sensorboards της Crossbow. Τα χαρακτηριστικά του micaz θα τα αναλύσουμε περισσότερο στο κεφάλαιο 5, όπου γίνεται αναλυτική επισκόπηση του hardware που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική. Imote mote. Το mote Imote της Intel βασίζεται σε ένα ολοκληρωμένο της Ζeevo που υλοποιεί τον πυρήνα επεξεργασίας ARM7 και είναι συμβατός με CMOS Bluetooth radio. Oι κόμβοι αποτελούνται από συνδετήρες στο επάνω και κάτω μέρος του board για σύνδεση με άλλα boards αισθητήρων. Το κύριο χαρακτηριστικό του mote αυτού είναι η αξιοπιστία της ράδιοσυνδεσιμότητας που παρουσιάζει. Ένα παράδειγμα αποτελεί η μέτρηση των δονήσεων σε εργοστάσιο στο οποίο υπάρχουν πολλά εμπόδια και μηχανήματα που παράγουν θόρυβο. Ακόμα και σε αυτό το περιβάλλον, το Zeevo Bluetooth radio δείχνει ικανοποιητική συνδεσιμότητα.

27 Κεφάλαιο 3 Το Λειτουργικό Σύστημα ΤΙΝYOS 3.1 Εισαγωγή Το TINYOS είναι ένα ευέλικτο λειτουργικό σύστημα, προορισμένο για χρήση στα δίκτυα αισθητήρων. Τα δίκτυα αισθητήρων μπορεί να αποτελούνται από χιλιάδες μονάδες, χαμηλής κατανάλωσης, κάθε μία από τις οποίες πρέπει να εκτελέσει ενεργά προγράμματα με μικρή ποσότητα μνήμης και περιορισμούς στην κατανάλωση ενέργειας. Οι απαιτήσεις των δίκτυων αισθητήρων σε περιορισμένο χώρο αποθήκεσης δεδομένων, εκτέλεσης παράλληλων εφαρμογών και χαμηλής κατανάλωσης αποτελούν τον οδηγό σχεδίασης του TINYOS. Οι απαιτήσεις αυτές ικανοποιούνται από τη λειτουργία του TINYOS και για το λόγο αυτό έχει επικρατήσει στην έρευνα και ανάπτυξη των ασύρματων δικτύων. 3.2 Απαιτήσεις Σχετικά με την Σχεδίαση Λειτουργικών Συστημάτων για WSN Τα συμβατικά λειτουργικά συστήματα αποτελούν λογισμικό συστήματος που περιλαμβάνει προγράμματα που διαχειρίζονται πόρους, ελέγχουν τις περιφερειακές συσκευές και παρέχουν αφηρημένη απεικόνιση του υλικού. Στόχος είναι η διαχείριση των διεργασιών, της μνήμης, του χρόνου του επεξεργαστή, του συστήματος αρχείων και των συσκευών. Αυτό επιτυγχάνεται συνήθως με τον διαχωρισμό σε πολλά επίπεδα (πυρήνας, βιβλιοθήκες συστήματος κτλ.). Τα WSN λόγω της ιδιομορφίας των εφαρμογών που εκτελούν και των περιορισμένων πόρων του συστήματος, απαιτούν μια διαφορετική προσέγγιση στη σχεδίαση του λειτουργικού τους συστήματος. Αρχικά, σε ένα συμβατικό Λ.Σ. η εκτέλεση πολλαπλών διεργασιών γίνεται δυνατή μέσω της κατανομής μνήμης (στοίβα) για καθεμία ξεχωριστά. Το περιορισμένο μέγεθος μνήμης σε έναν ασύρματο κόμβο δεν επαρκεί για μια τέτοια διαδικασία.επίσης η εναλλαγή στην εκτέλεση των διεργασιών δεν ευνοεί την εκτέλεση κάποιων real-time εφαρμογών που εμφανίζονται σε ένα WSN, με αποτέλεσμα να χάνονται κρίσιμα δεδομένα. Τέλος, ένα συμβατικό Λ.Σ. εξορισμού αξιοποιεί το σύνολο των δυνατοτήτων του υλικού για την καλύτερη εκτέλεση των προγραμμάτων, προσέγγιση απολύτως λογική για έναν υπολογιστή με τροφοδοσία από το δίκτυο αλλά υπερβολικά ενεργοβόρα για ένα σύστημα που τροφοδοτείται από δυο μικρές μπαταρίες.