1. No category

KANDIDAATINTYÖ
2012
Mikko Linnamaa
Aalto-yliopisto
Sähkötekniikan korkeakoulu
Elektroniikka ja sähkötekniikka
Mikko Linnamaa
Integroidut anturiverkot
Kandidaatintyö
10.5.2012
Työn ohjaaja:
Doc. Petri Kärhä
ii
AALTO-YLIOPISTO
SÄHKÖTEKNIIKAN KORKEAKOULU
PL 13000
00076 AALTO
TEKNIIKAN KANDIDAATINTYÖN
TIIVISTELMÄ
Tekijä: Mikko Linnamaa
Työn nimi: Integroidut anturiverkot
Koulutusohjelma: Elektroniikka ja sähkötekniikka
Päiväys: 10.5.2012
Sivumäärä: [4+26]
Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen
Ohjaaja: Doc. Petri Kärhä
Kieli: Suomi
Työssä
tehtiin
ajantasainen
kirjallisuuskatsaus
integroiduista
anturiverkoista.
Anturiverkko koostuu solmuista, nieluista ja käyttäjästä. Solmut sisältävät anturin,
anturiin integroidun elektroniikan ja lähetin-vastaanottimen. Solmut lähettävät
mitattua tietoa radioaaltona tai optisesti toisten solmujen kautta nielulle. Nielu kerää
anturiverkon tiedot yhteen ja lähettää ne käyttäjän nähtäväksi. Käyttäjä valvoo
mitattavaa ilmiötä ja anturiverkon toimintakuntoa. Anturiverkkojen tyypillisimpiä
sovelluskohteita ovat valvonta, turvallisuus ja terveydenhuolto. Anturiverkot
soveltuvat hyvin vaativiin olosuhteisiin. Anturiverkkojen yleistymistä hankaloittavat
solmujen rajallinen tehonlähde ja monimutkaiset reititysprotokollat.
Avainsanat: Integroidut anturit, anturiverkot, langaton viestintä, reititys, teho
Tiivistelmä
iii
Alkusanat
Haluan kiittää ohjaajaani dosentti Petri Kärhää, joka sai minut kiinnostumaan
integroiduista anturiverkoista ja auttoi työn valmistumisessa. Palaute ja vinkit olivat
erittäin hyödyllisiä työn eri vaiheissa.
Haluan myös kiittää kaikkia pienryhmän
jäseniäni, Topi-Pekka Kääriää, Tommi Jokelaa, Tuukka Kontkasta ja Ville Niirasta
hyvistä parannusehdotuksista ja työn tekemisen motivoimisesta.
Otaniemi, 20.4.2012
Mikko Linnamaa
iv
Sisällysluettelo
Tiivistelmä ....................................................................................................................ii
Alkusanat .................................................................................................................... iii
Sisällysluettelo ............................................................................................................. iv
Symbolit ........................................................................................................................ v
1. Johdanto ................................................................................................................... 1
2. Anturiverkon rakenne ............................................................................................. 3
2.1.
Solmu .............................................................................................................. 4
2.1.1
Mittaava osa ............................................................................................... 5
2.1.2
Tiedon käsittely.......................................................................................... 5
2.1.3
Viestintä ..................................................................................................... 6
2.1.4
Tehon saanti ja käyttö ................................................................................ 6
2.1.5
Epäluotettavuus .......................................................................................... 7
2.2.
Nielu ................................................................................................................ 8
2.3.
Käyttäjä ........................................................................................................... 8
2.4
Verkon suunnittelu ............................................................................................ 9
3. Kommunikointi ja protokollapino ....................................................................... 11
3.1 Reititys ............................................................................................................. 12
3.2 Huutaminen ja juoruaminen ............................................................................. 13
3.3 Tiedon yhdistäminen ........................................................................................ 14
3.4 Protokollien vertailu......................................................................................... 15
4. Sovellukset .............................................................................................................. 18
4.1
Sotilaskäyttö .................................................................................................... 18
4.2
Aktiivisen tulivuoren valvonta ........................................................................ 20
5. Yhteenveto .............................................................................................................. 24
6. Lähteet .................................................................................................................... 25
v
Symbolit
U
Jännite
E
Energia
f
Taajuus
P
Teho
t
Aika
α
Siirtoyhteydellä tarvittava energia
PA
Solmun jäljellä oleva energia
k
Solmun hajoamistaajuus
Rk
Solmun toimivuuden todennäköisyys
d
Etäisyys
1
1. Johdanto
Viimeaikaiset
kehitykset
integroidussa
piiriteknologiassa
ja
langattomassa
viestinnässä ovat parantaneet monien elektronisten laitteiden ominaisuuksia. Samalla
kun teknologia on mennyt eteenpäin, laitteiden tuotantokustannukset ovat tulleet
alaspäin.
Nämä
seikat
ovat
mahdollistaneet
mm.
integroitujen
antureiden
massatuotannon ja idean langattomista integroiduista anturiverkoista. Anturiverkot
ovat parhaillaan kehittymässä ja yleistymässä. Tämä tekee anturiverkoista
mielenkiintoisen tutkimuskohteen.
Tässä työssä luodaan kirjallisuuskatsaus integroituihin anturiverkkoihin. Langaton
integroitu anturiverkko koostuu käyttäjästä, nielusta ja suuresta määrästä yksittäisiä
antureita, jotka on sijoitettu tutkittavaan kohteen sisälle tai sen ympärille. Näiden
yksittäisten anturien tärkeimpiä tehtäviä ovat ympäristön muutosten havaitseminen,
nopea tiedon käsittely ja tiedon lähettäminen eteenpäin. Yksittäisten anturien
keräämät tiedot lähetetään nieluun, joka puolestaan välittää tiedon internetin tai
satelliitin kautta käyttäjälle.
Yksittäisten solmujen pitää kuluttaa mahdollisimman vähän tehoa suorittaessaan niille
määrättyjä tehtäviä. Tämän vuoksi suora langaton tiedonsiirto nieluun ei aina ole
mahdollista liian suuren etäisyyden takia. Tieto voidaan siirtää nieluun muiden
verkossa olevien anturien kautta. Näin anturit siis lähettävät tietoa toisille samassa
verkossa oleville antureille. Antureiden pitää olla myös halpoja rakentaa ja niiden
pitää toimia itsenäisesti ilman huoltotoimenpiteitä.
Langattomat integroidut anturiverkot tarjoavat levitetyn tietoverkon, Internetyhteyden antureihin, verkon ohjauslaitteet ja signaalin prosessoinnin. Langattomat
integroidut
anturiverkot
yhdistävät
anturiteknologian,
pienitehoisen
signaalinkäsittelyn ja halvan langattoman tietoliikenteen yhdessä kokonaisuudessa.
Integroiduissa
anturiverkoissa
käytetään
myös
hyväksi
kehittynyttä
verkon
monitorointiteknologiaa ja verkonhallinta-ominaisuuksia. Anturiverkolla voidaan
2
tarkkailla paikkoja jonne ihmiset eivät pääse, kuten esimerkiksi meren pohjaa, jonkin
suuren
laitteen
sisätiloja
tai
anturiverkkojen sovelluskohteita
kemiallisesti
ovat
saastunutta
esimerkiksi
aluetta.
Yleisimpiä
terveydenhuolto, valvonta,
sotilaskäyttö ja turvallisuus. Anturiverkot kehittyvät koko ajan ja vielä ei tiedetä
kuinka suurta roolia integroidut anturiverkot näyttelevät tulevaisuudessa.
Luvussa 2 perehdytään integroidun anturiverkon rakenteeseen ja verkon eri osien
toimintaan. Tässä luvussa esitetään myös anturiverkkojen suurimmat rajoitteet ja
tulevaisuuden haasteet. Lisäksi katsotaan mitä anturiverkon suunnitteluun kuuluu ja
mitä seikkoja siinä pitää ottaa huomioon. Luvussa 3 perehdytään tarkemmin
anturiverkon käyttäytymistä ohjaaviin protokolliin. Tässä luvussa esitetään yleinen
anturiverkkojen solmujen ja nielujen käyttämä protokollapino. Nämä protokollat ja
algoritmit määräävät esimerkiksi, mitä reittejä pitkin solmut lähettävät informaatiota
nielulle. Luvussa esitetään yksinkertaisimpien reititysprotokollien, huutamisen ja
juoruamisen, toimintaperiaatteet ja katsotaan mitä ongelmia niissä on. Luvun lopuksi
esitetään ajankohtaisimmat reititysprotokollat ja vertaillaan niitä. Tämän työn
neljännessä luvussa tarkastellaan anturiverkkoja sotilaskäytössä ja aktiivisen
tulivuoren seurannassa.
3
2. Anturiverkon rakenne
Anturiverkko muodostuu käyttäjästä, nielusta ja solmuista kuvan 1 mukaisesti.
Verkon toiminnan kannalta on olennaista, että jokaisella anturiverkon osalla on oma
tehtävänsä, joka sen tulee toteuttaa. Jokaisen integroidun anturin tehtävänä on kerätä
mitattavaa informaatiota ja lähettää sitä nielulle. Informaatio lähetetään nielulle eri
reittien kautta, joten anturien tulee pystyä vastaanottamaan toisilta antureilta
lähetettyä informaatiota. Jokainen verkon solmu toimii siis reitittimenä, eli ne
välittävät tietoa tietoverkon eri osien välillä. Nielun tehtävä on kerätä anturien
lähettämä informaatio ja kommunikoida verkon käyttäjän kanssa internetin tai
satelliitin välityksellä.1
Kuva 1. Anturiverkon rakenne. Solmut ovat levitettynä anturikentälle, jossa ne
keräävät tietoa tutkittavasta ympäristöstä. Solmu A lähettää tietonsa reittiä B-C-D-E
pitkin nielulle. Nielu kerää kaikkien solmujen tiedot ja lähettää ne käyttäjän
nähtäväksi.1
4
2.1.
Solmu
Solmun tärkeimmät tehtävät ovat tiedon kerääminen mitattavasta ympäristöstä,
pienimuotoinen
tiedon
käsittely,
tiedon
lähettäminen
eteenpäin
ja
tiedon
vastaanottaminen. Näitä tehtäviä hoitaa solmun neljä tärkeintä osaa; mittaava osa,
prosessoiva osa, tehoyksikkö ja lähetin-vastaanotin. Solmun rakennetta on
havainnollistettu kuvassa 2. Solmun ulkonäkö voi olla esimerkiksi kuvan 3 kaltainen.
Mittaavassa osassa sijaitsee anturi, joka kerää informaatiota mitattavasta ympäristöstä.
Prosessoivassa osassa tietoa prosessoidaan ja tarvittaessa varastoidaan. Lähetin
puolestaan lähettää prosessorilta saamansa tiedon eteenpäin. Tehoyksikön tehtävänä
on syöttää tehoa solmun eri osille.
Kuva 2. Solmun rakenne.1
Solmuilla voi olla lisäominaisuuksia anturiverkon tehtävästä ja käyttötarkoituksesta
riippuen. Solmussa voi olla sijainninjäljityslaite, jolla solmun sijainti voidaan
paikantaa. Useimmat mittaustapahtumat vaativat tiedon solmujen paikoista ja myös
monet reititysprotokollat tarvitsevat tiedon solmujen sijainneista. Sijainninjäljityslaite
on yleisesti GPS-paikannin, jolla on maksimissaan viiden metrin epävarmuus.
Joissain tutkimuksissa esitetään, että kaikkien solmujen varustaminen GPSpaikantimella
ei
ole
anturiverkkojen
tapauksessa
toteuttamiskelpoista.2
Vaihtoehtoiseksi menetelmäksi solmujen paikantamiseksi esitetään menetelmää, jossa
5
vain osalla solmuista on GPS-paikannin ja muut solmut etsivät omat sijaintinsa näiden
avulla. Lisäksi solmussa voi olla liikuttaja, jolla verkon käyttäjä voi liikuttaa solmua
haluamaansa paikkaan tutkittavassa kohteessa. Solmussa voi olla myös erillinen tehon
syöttäjä, mikäli tehon saanti on hankalaa tai solmun tehon saanti halutaan muuten
erikseen turvata. Tehon syöttäjä voi olla esimerkiksi aurinkopaneeli.1,3
Kuva 3. Esimerkki langattoman anturiverkon solmusta. 4
2.1.1
Mittaava osa
Solmun mittaava osa koostuu yleensä antureista ja A/D-muuntimista. Anturi mittaa
tutkittavaa ympäristöä ja luo sen perusteella analogista signaalia. Analoginen signaali
muunnetaan digitaaliseksi A/D-muuntimessa ja tämän jälkeen signaali ohjataan
solmun prosessoivaan osaan. Mittaava osa on koko ajan aktiivinen, minkä vuoksi
anturi, datamuunnin ja puskuri pyrkivät kuluttamaan mahdollisimman vähän tehoa.1
2.1.2
Tiedon käsittely
Integroidun anturiverkon solmuihin on sisällytetty prosessori, jolla voidaan tehdä
solmun sisäistä eli paikallista tiedon käsittelyä. Anturilta tulevan digitaalisen tiedon
perusteella solmun prosessoiva osa tekee signaalille laskentaa ja yrittää tunnistaa,
mikä tapahtuma on mahdollisesti kyseessä. Myös tapahtuman tunnistusprosessi on
käynnissä koko ajan ja sen takia signaalin prosessoimisen pitää toimia pienellä
teholla.5
6
Kun anturi havaitsee jonkin tapahtuman, niin solmua saatetaan pyytää tunnistamaan
kyseinen tapahtuma. Tämän jälkeen solmun protokollat määräävät tuleeko solmun
käyttää lisää energiaa tarkempaan prosessointiin tai pitäisikö solmun mahdollisesti
viestittää tapahtumasta käyttäjälle tai naapurisolmuille.5 Solmut eivät siis lähetä
raakaa tietoa toisille solmuille, vaan ne käyttävät prosessointikykyään ja lähettävät
vain vaadittua ja jo osittain käsiteltyä tietoa. Näin turha tieto voidaan karsia jo hyvin
aikaisessa vaiheessa ja tehon kulutusta voidaan pienentää merkittävästi.
2.1.3
Viestintä
Anturiverkoissa viestintä tapahtuu langattomana tiedonsiirtona. Tiedon siirtomuoto
voi olla radioaalto, infrapuna tai optinen säteily. Nykyisin anturiverkoissa eniten
käytetty tiedonsiirtomuoto on radioaalto. Tiedonsiirtomuodon valinnassa tulee ottaa
huomioon, että mikäli anturiverkon halutaan toimivan maailmanlaajuisesti, tulee
valitun tiedonsiirtomuodon olla käytettävissä ympäri maailmaa.1
Infrapuna- ja optinen tiedonsiirto ovat myös käyttökelpoisia vaihtoehtoja. Infrapunaan
perustuvat vastaanottimet ja lähettimet ovat halvempia ja helpommin rakennettavia
kuin RF-lähettimet. Infrapunan etuna on myös se, että viestintään ei tarvita erillistä
lupaa, eikä infrapuna ole yhtä herkkä elektronisten laitteiden häiriöille. Optisten
tiedonsiirtomuotojen suurin haittapuoli on se, että ne vaativat näköyhteyden
lähettimen ja vastaanottimen välillä. Tämän takia tiheissä anturiverkoissa päädytään
yleensä käyttämään radioaaltoja.1
2.1.4
Tehon saanti ja käyttö
Anturiverkoissa solmujen energiavarastojen riittävyys on suurimpia anturiverkkojen
käyttöä rajoittavia tekijöitä. Anturiverkon solmut toimivat itsenäisesti ja useimmissa
anturiverkko-sovelluksissa energiavarastojen täydentäminen ei ole mahdollista.
Langattoman anturiverkon solmu on usein pieni mikroelektroniikkalaite, joten se
voidaan varustaa vain rajallisen suuruisella energian lähteellä. Yleensä solmuun
voidaan varastoida maksimissaan 0,5 Ah ja 1,2 V. Solmun elinikä riippuu
7
voimakkaasti siihen varastoidun energian määrästä, minkä takia tehon kulutuksen
minimoiminen on tärkeää.1
Integroidussa langattomassa anturiverkossa energiaa kuluu mittaamisessa, tiedon
prosessoimisessa ja tiedonsiirrossa. Näistä kolmesta osa-alueesta suurin energian
kuluttaja on viestintä ja tiedonsiirto. Energian kulutusta tiedonsiirrossa ja tiedon
käsittelyssä on vertailtu paljon aikaisemmissa tutkimuksissa. Maan pinnalla tapahtuva
tiedonsiirto kuluttaa 3 J energiaa, kun siirretään 1 kb tietoa sadan metrin päähän.
Signaalin käsittelyssä puolestaan yleiskäyttöinen prosessori, jolla on vaatimaton
prosessointikapasiteetti
toimeksiantoa
samalla
100
(MIPS)/W, pystyy suorittamaan 300 miljoonaa
energiamäärällä.
Tämän
takia
tiedonsiirtoa
pyritään
vähentämään tekemällä mahdollisimman paljon paikallista tiedon käsittelyä.5
Tiedonsiirrossa tehoa kuluu sekä tiedon lähettämiseen, että tiedon vastaanottamiseen.
Lyhyen matkan viestinnässä matalalla lähetysteholla (0 dBm) vastaanottamiseen ja
lähettämiseen kuluu lähes saman verran energiaa.3
2.1.5
Epäluotettavuus
Anturiverkkojen toiminta on epäluotettavaa ja ne ovat alttiita erilaisille vioille.
Erityisesti solmut ovat se osa verkkoa joissa vikoja tapahtuu paljon. Energiavarastojen
loppuminen, edulliset laitteistot, rajoitetut resurssit ja ankarat toimintaympäristöt
aiheuttavat suurimman osan solmuissa tapahtuvista vioista.
Solmujen välisessä langattomassa viestinnässä syntyy virheitä. Informaatiota voi
kadota törmäyksissä, kun kaksi solmua lähettää samaan aikaan tietoa toisilleen.
Vaikka törmäyksiä ei tulisikaan, niin tieto voidaan menettää langattomassa
viestinnässä tapahtuvan vaimenemisen takia. Langattoman viestinnän vaimenemiseen
vaikuttavat solmujen välinen etäisyys, solmujen korkeuserot, antennien polarisaatiot,
ympäristön olosuhteet ja fyysiset esteet. 6
Solmujen rajalliset laskennalliset resurssit aiheuttavat rajoitteita solmun kykyyn
prosessoida tietoa. Tämä voi johtaa solmun vialliseen käyttäytymiseen ja erilaisiin
virheisiin. Pointterit ja muistipaikat voivat vahingoittua, viestipuskurit voidaan
8
päällekirjoittaa ja jotkin mitatut informaatiot voidaan menettää. Solmu voi myös
joutua lukkotilaan josta se ei voi itsenäisesti palautua.6
2.2.
Nielu
Solmujen lähettämä tieto syötetään yhdelle tai useammalle nielulle. Nielu voi olla
pitkän kantomatkan radio, joka yhdistää anturiverkon ja jo olemassa olevan pitkän
matkan kommunikointiin tarkoitetun infrastruktuurin. Varsinainen tiedonsiirto
käyttäjälle tehdään tämän infrastruktuurin avulla. Nielu voi olla myös solmu jota
pystytään liikuttamaan tai mikä tahansa muu kokonaisuus jolla voidaan kerätä
anturiverkon lähettämä informaatio.7
Nielun läheisyydessä tietoliikenne on määrällisesti suurinta. Tämä saa aikaan sen, että
nielua lähinnä olevien solmujen energiavarastot joutuvat huomattavasti kovemmalle
koetukselle, kuin kauempana nielua olevien solmujen energiavarastot. Tämä takia
nielun lähiympäristössä olevat solmut ovat alttiimpia energiavarastojen ehtymiselle ja
sitä
kautta
toimintakyvyttömäksi
tulemiselle.
Viimeaikaisissa
tutkimuksissa
ratkaisuksi on esitetty ajatus liikkuvasta nielusta, jolla anturiverkon elinikää voitaisiin
pidentää.8,9,10 Liikkuvalla nielulla voidaan tasapainottaa anturiverkon solmujen
energiavarastoja, kun nielua lähinnä olevien solmujen energiavarastot ovat
loppumassa. Nielu on varustettu runsaalla energiavarastolla, koska nielut ovat
tärkeämpiä
verkon
kokonaisuuden
kannalta
kuin
yksittäiset
solmut.
Tätä
energiavarastoa voidaan käyttää nielun liikuttamiseen.11
2.3.
Käyttäjä
Solmujen keräämä tieto tulee nielun kautta lopulta käyttäjälle. Käyttäjällä voi olla
käytössään tietokoneohjelma, joka havainnollistaa anturiverkon keräämän tiedon
merkitystä. Käyttäjän tehtävä on tarkastella anturiverkon keräämää tietoa ja tehdä sen
perusteella tarvittavia toimenpiteitä anturiverkon sovelluskohteesta riippuen. Käyttäjä
myös valvoo anturiverkon tilaa ja toimintakuntoa. Mikäli anturiverkossa liian moni
solmu on tullut toimintakyvyttömäksi, niin käyttäjä voi tarvittaessa lähettää lisää
solmuja anturiverkkoon.
9
2.4 Verkon suunnittelu
Anturiverkon
muotoon
vaikuttavat
monet
tekijät,
joista
tärkeimpiä
ovat;
vikasietoisuus, kustannukset, operointiympäristö, solmujen rajoitteet, viestintämuoto
ja tehon kulutus. Nämä tekijät ovat tärkeitä, koska ne toimivat ohjeina anturiverkon
suunnitteluprotokollille ja algoritmeille.1 Käytännössä suunnittelu on haastava
prosessi ja yleensä joudutaan tekemään erilaisia kompromisseja. Esimerkiksi hyvä
vikasietoisuus vaatii enemmän solmuja, mutta tämä puolestaan lisää anturiverkon
kokonaiskustannuksia. Koska anturiverkot koostuvat suuresta määrästä solmuja, niin
yhden solmun hinta on tärkeä tekijä koko anturiverkon hinnan muodostuksessa.
Anturiverkon tulee olla halvempi kuin tavallisten antureiden asentaminen, tai muuten
anturiverkon rakentaminen ei ole taloudellisesti kannattavaa. Tämän vuoksi solmujen
hintaa yritetään pitää mahdollisimman alhaisena.
Anturiverkon vikasietoisuudella tarkoitetaan anturiverkon kykyä jatkaa sille määrätyn
tehtävän
suorittamista,
vaikka
joistain
siihen
kuuluvista
solmuista
tulee
toimintakyvyttömiä. Anturiverkkojen solmujen epäluotettavan toiminnan takia verkon
suunnittelussa pitää ottaa huomioon, että yksittäisten solmujen menetys ei vaikuta
koko systeemin toimintaan. Anturiverkon solmusta tulee käyttökelvoton, jos sen
energiavarasto loppuu, siihen tulee mekaaninen vika tai ympäristön olosuhteet estävät
sen toiminnan.1 Esimerkiksi jos solmut sijaitsevat talon sisällä mittaamassa kosteutta
ja lämpötilaa, vikasietoisuuden voi sallia olevan hyvinkin pieni, koska solmut eivät
ole suuressa vaarassa mennä rikki. Mikäli taas solmut ovat paikassa jossa ne voivat
mennä helposti rikki, esimerkiksi taistelukentällä, vikasietoisuuden tulee olla hyvin
korkea. Vikasietoisuuden vaatimus riippuukin suuresti verkon sovelluskohteesta.3
Solmun toiminnan luotettavuutta voidaan kuvata kaavalla12
Rk (t )  e k t ,
(1)
jossa  kuvaa solmun k hajoamistaajuutta ja t on aika. Funktio kuvastaa sitä
todennäköisyyttä, jolla solmu on vielä toimintakunnossa ajanhetkellä t.
10
Verkon suunnittelussa tulee myös ottaa huomioon, että langaton viestintä vaatii paljon
tehoa.
Yleisesti
signaalin
lähettämiseen
vaadittu
teho
on
verrannollinen
lähetysetäisyyteen d seuraavasti13
P  dn,
(2)
jossa 2  n  4 vaihtelee antennin tyypistä ja siirtoyhteydestä riippuen. Eksponentti n
on lähempänä neljää matalalla olevilla antenneilla ja maanpinnalla tapahtuvissa
linkeissä, mikä on tyypillistä anturiverkkosovelluksien tapauksessa. Verkon
suunnittelijan on hyvä olla tietoinen radiolinkin etäisyyden ja lähetystehon
käyttäytymisestä.3
11
3. Kommunikointi ja protokollapino
Protokollapinossa
on
toimintaohjeet
anturiverkon
nieluille
ja
solmuille.
Protokollapinossa on ohjeet siitä mitä reittejä pitkin solmut lähettävät tietoa nielulle,
miten solmujen tulisi toimia tietyissä tilanteissa ja miten solmujen tulisi edistää
solmujen välistä yhteistyötä. Protokollapinon rakennetta on havainnollistettu kuvassa
4. Protokollapino koostuu sovelluskerroksesta, siirtokerroksesta, verkkokerroksesta,
kuljetuskerroksesta, fyysisestä kerroksesta, tehon hallintatasosta, liikkumisen
hallintatasosta ja tehtävän hallintatasosta.3 Fyysinen kerros määrittelee tiedonsiirron
fyysisen luonteen, kuljetuskerros huolehtii tietopakettien perille menosta, ja
sovelluskerros muodostaa käyttäjälle näkyvän sovelluksen.
Kuva 4. Anturiverkon protokollapino.3
12
3.1 Reititys
Verkkokerroksessa sijaitsee ne protokollat, joiden mukaan siirtokerroksen syöttämää
tietoa lähetetään nielulle. Verkkokerros siis määrää ne reitit, joita pitkin kukin solmu
lähettää tietoa. Näistä protokollista käytetään usein nimitystä ”reititysprotokollat”.
Anturiverkkojen reititysprotokollien tehtävä on minimoida tiedonsiirtoa reittien
etsimisessä ja tiedon välityksessä ja jakaa tietopaketit tasaisesti eri reitteihin, jotta
solmut käyttäisivät energiavarastojaan tasapuolisesti.14
Tämä lisää anturiverkon
elinikää. Näiden protokollien laatiminen on kuitenkin yksi anturiverkkojen suurimpia
haasteita. Monimutkaisten protokollien suunnittelu on haastavaa koska solmuilla on
teknisiä rajoitteita, kuten rajallinen energia ja muisti, lisäksi verkkotopologiat
saattavat ajan kuluessa muuttua. Erilaisia reititysprotokollia on monia ja uusia
kehitetään koko ajan.
Kuva 5. Solmun T eri reitit nielulle ja niiden vaatima teho. α on siirtoyhteydellä
tarvittava energia. PA on solmun jäljellä oleva energia. Verkkoyhteyskerroksen
protokollat määräävät mitä reittiä pitkin solmu T lähettää tietoa nielulle.3
Tarkastellaan yksinkertaista kuvan 5 kaltaista esimerkkiä. Tässä tapauksessa solmu T
voi lähettää tietonsa neljää eri reittiä pitkin nielulle. Nämä reittivaihtoehdot ovat:
13
Reitti 1: Nielu-A-B-T, yhteensä PA = 4, yhteensä α = 3,
Reitti 2: Nielu-A-B-C-T, yhteensä PA = 6, yhteensä α = 6,
Reitti 3: Nielu-D-T, yhteensä PA = 3, yhteensä α = 4,
Reitti 4: Nielu-E-F-T, yhteensä PA = 5, yhteensä α = 6,
joissa PA on solmun jäljellä oleva energia ja α on energiamäärä, joka tarvitaan jotta
viestittäminen kyseisellä välillä onnistuu. Vaihtoehtoja on neljä ja päätös tehdään sen
mukaan, mitkä seikat katsotaan olevan kyseiselle sovellukselle tärkeimpiä. Mikäli
halutaan selvitä mahdollisimman pienellä energiankulutuksella, niin silloin pitäisi
valita reitti 1, jonka energian kulutusta kuvaava tunnusluku α = 3 on kaikista reiteistä
pienin. Jos tiedon siirrossa halutaan käyttää lukumääräisesti mahdollisimman vähän
solmuja, niin silloin tulisi valita reitti 3, jossa tieto lähetetään vain solmun D kautta
nielulle. Jos puolestaan halutaan käyttää sellaista reittiä, jonka solmuissa on eniten
tehoa jäljellä, tulisi valita reitti 4. Vaikka reitissä 2 on suurin PA, niin se ei kuitenkaan
ole paras vaihtoehto, koska se sisältää reitin 1 solmut ja yhden ylimääräisen solmun.
Reittiä 1 ja reittiä 4 vertaamalla huomataan, että parempi vaihtoehto käytössä olevan
tehon kannalta on neljäs reitti.3
3.2 Huutaminen ja juoruaminen
Huutaminen ja juoruaminen ovat vanhoja tiedonsiirrossa käytettäviä protokollia, jotka
eivät käytä hyväkseen monimutkaisia reititysalgoritmeja tai vaadi kallista
verkkotopologian huoltamista.15 Huutamisessa solmu lähettää vastaanotettua tietoa
kaikille sen naapureille, ellei paketti ole saavuttanut maksimimäärää hyppyjä tai
solmu ole paketin määränpää. Juoruaminen on kehittyneempi versio huutamisesta.
Juoruamisessa solmu ei kuuluta julkisesti lähettämäänsä tietoa, vaan se lähettää tiedon
vain valituille naapureille.3, 14
Huutamisen heikkoudet ovat ummistuma, päällekkäisyys ja energian sokeus.
Ummistuma on tilanne, jossa solmu vastaanottaa kopioita samasta paketista.
Ummistumaa on havainnollistettu kuvassa 6. Koska huutamisessa tieto lähetetään
kaikille naapurisolmuille, niin tiedosta syntyy valtava määrä kopioita. Päällekkäisyys
14
tapahtuu kun kaksi solmua havainnoi samaa aluetta ja ne havaitsevat tapahtuman
samaan aikaan. Tällöin naapurisolmut saavat samaa tietoa kopioina. Energian sokeus
tarkoittaa sitä, että huutaminen ei ota huomioon jäljellä olevaa energiaa.3
Kuva 6. Ummistuma. Solmu A huutaa tietoa kaikille sen naapureille ja lopulta solmu
D vastaanottaa turhia kopioita samasta tiedosta.14
Juoruamissa solmu lähettää tietoa vain yhdelle sattumanvaraisesti valitulle naapurille.
Kun naapuri on vastaanottanut tietoa, niin se valitsee myös sattumanvaraisesti
seuraavaan solmun, jonne tieto lähetetään. Näin vältytään ummistumalta, koska
tietopaketista on olemassa vain yksi versio. Juoruamisessa kulutetaan myös
huomattavasti vähemmän energiaa kuin huutamisessa. Juoruamisen haittapuoli on se,
että tietopaketilla kestää kauemmin saapua määränpäähän.3
3.3 Tiedon yhdistäminen
Tiedon yhdistäminen on tekniikka, jota käytetään ummistumien ja tiedon
päällekkäisyyksien välttämiseen. Jos solmu vastaanottaa toisilta solmuilta kaksi lähes
identtistä ilmiötä kuvaavaa tietopakettia, niin solmu yhdistää informaation.3 Tiedon
yhdistymistä havainnollistaa kuva 7. Tiedon yhdistämisessä pitää olla tarkkana että
tiedon yksityiskohdat säilyvät. Esimerkiksi tiedon alkuperäistä sijaintia voidaan
tarvita joissain sovelluksissa.
15
Kuva 7. Esimerkki tiedon yhdistämisestä. Solmu E yhdistää solmuilta A ja B tulevat
tiedot ja solmu F puolestaan yhdistää solmuilta C ja D tulevat tiedot. Solmu G
puolestaan yhdistää solmuilta E ja F tulevat tiedot.
3.4 Protokollien vertailu
Protokollat jaetaan usein datakeskeisiin, hierarkkisiin ja sijaintiin perustuviin
protokolliin.16 Yleisimmät datakeskeiset, hierarkkiset ja sijaintiin perustuvat
protokollat on esitetty taulukoissa 1, 2 ja 3. Datakeskeisessä protokollassa nielu
lähettää tiedusteluja tietyille alueille ja odottaa tietoa alueella olevilta solmuilta.
Datakeskeinen protokolla hyödyntää tiedon yhdistämistä ja solmut päättävät onko
tieto lähettämisen arvoista. Näin liiallisesta informaatiosta päästään eroon.
Hierarkkisessa verkossa solmut muodostavat joukkoja, jotka lähettävät tietoa
ylemmille joukoille. Tämä nopeuttaa tiedonsiirtoa ja vähentää huomattavasti solmujen
energian kulutusta. Sijaintiin perustuvat protokollat käyttävät apunaan tietoa solmujen
sijainneista. 14
Taulukko 1. Sijaintiin perustuvien reititysprotokollien vertailu.14
16
Taulukko 2. Datakeskeisten reititysprotokollien vertailu.14
Taulukko 3. Hierarkkisten reititysprotokollien vertailu.14
17
Energiatehokkuudella kuvataan nielussa onnistuneesti vastaanotetun tiedon määrää
suhteessa tietopaketin viestityksessä kulutettuun energiaan. Kulutettuun energiaan
sisältyy kaikkien solmujen käyttämä energia ja energiatehokkuuden yksikkö on
[Kbits/J]. Protokollat, jotka priorisoivat reittejä käytössä olevan energian mukaan,
luokitellaan keskimääräiseksi energiatehokkuudeltaan.
Eri reititysprotokollia voidaan vertailla tutkimalla niiden tapoja valita reitti. Reitti
voidaan valita ennakoivasti, muuttuvasti tai näiden yhdistelmänä. Ennakoivat
protokollat laskevat kaikki mahdolliset reitit ennen kuin niitä käytetään. Nämä reitit
taulukoidaan ja tallennetaan jokaiseen solmuun. Näistä taulukoista käytetään
nimitystä ”reititystaulukot”. Koska mahdollisia reittejä on paljon, niin verkon
asettumisaika on korkea ja solmut joutuvat kommunikoimaan paljon keskenään
etsiessään mahdollisia reittejä ja ylläpitääkseen reititystaulukkoa. Muuttuvat
protokollat puolestaan laskevat reittejä vain kun niitä tarvitaan. Tässä luokassa solmut
varastoivat reitit vain lähimpiin naapureihin. Näin vähennetään reititystaulukon
ylläpitoon kuluvia resursseja, mutta paketin lähetykseen kuluva aika kasvaa, koska
reitti täytyy määrittää jokaisella lähetyskerralla. Yhdistelmäprotokollat yhdistävät
ennakoivien ja muuttuvien protokollien vahvuudet. Yhdistelmäprotokollat käyttävä
ennakoivaa tapaa tiettyyn etäisyyteen asti ja tämän etäisyyden jälkeen reititykseen
käytetään muuttuvaa menetelmää. Kyseinen etäisyys riippuu yleensä hyppyjen
lukumäärästä.14
18
4. Sovellukset
Anturiverkkoa voidaan käyttää monenlaisissa sovelluksissa. Hyvin usein anturiverkot
toimivat
hoitamattomina
kaukaisissa
maantieteellisissä
paikoissa,
mutta
anturiverkkoja voidaan käyttää myös muunlaisissa tapauksissa. Anturiverkkoja
voidaan käyttää mm. kiireisessä risteyksessä, jonkin suuren koneiston sisällä, meren
pohjassa, pyörremyrskyn keskellä, kemikaalisesti saastuneella alueella, kotona tai
isossa asunnossa, varastohallissa tai kiinnitettynä kulkuneuvoon. Anturiverkot voivat
siis toimia hyvinkin vaativissa olosuhteissa, kuten korkeassa paineessa, matalassa tai
korkeassa lämpötilassa esim. lentokoneen moottorin suuttimessa.3
4.1 Sotilaskäyttö
Anturiverkoilla on armeijan tarpeisiin erittäin hyödyllisiä ominaisuuksia, kuten nopea
käyttöönottomahdollisuus, itsenäinen toiminta ja hyvä vikasietoisuus. Koska
anturiverkon
käyttöönotto
tapahtuu
nopeasti,
niin
tärkeimmät
maastot
ja
todennäköisimmät vihollisen käyttämät hyökkäysreitit voidaan peittää anturiverkoilla.
Solmut voidaan toimittaa halutulle alueelle esimerkiksi pudottamalla lentokoneesta tai
ampumalla ohjuksen mukana. Näin anturit saadaan halutulle alueelle hyvinkin
nopeasti ja mahdollisesti jopa sellaisiin paikkoihin jonne ei muuten edes päästäisi.
Anturiverkon itsenäinen toiminta puolestaan helpottaa anturiverkon käyttöä.
Anturiverkon hyvä vikasietoisuus tekee anturiverkoista soveltuvamman vaihtoehdon
taistelukentille, kuin perinteiset anturit. Koska anturiverkot perustuvat tiheään
asetettuihin, kertakäyttöisiin ja edullisiin anturisolmuihin, niin siitä ei ole suurta
haittaa mikäli vastapuoli tuhoaa joitakin solmuja.3 Langattomat integroidut
anturiverkot voivat olla tärkeä osa armeijan viestintää, laskentaa, tiedustelua,
suunnittelua ja valvontaa. Ehkä yleisin armeijan käyttämä anturiverkkosovellus on
taistelukentän tai sen osan valvonta. Näin voidaan pitää tarkasti silmällä
vihollisjoukkojen liikkeitä.
Maaston tarkkailun ja tiedustelun ohella tyypillisimpiä anturiverkon sovelluskohteita
sotilaskäytössä ovat mm. omien joukkojen ja välineiden tarkkailu, kohteeseen
19
osumisen avustaminen, taistelun tuhon arviointi ja kemikaalisten hyökkäysten
havaitseminen. Omien joukkojen ja välineiden tarkkailu toimii siten, että jokaiseen
yksikköön, kulkuneuvoon, varusteeseen tai ammuksiin kiinnitetään pienet anturit,
jotka mittaavat kyseisen kohteen tilaa. Nämä tiedot kerätään nieluissa ja ne voidaan
lähettää joukkueen johtajalle.
Anturiverkkoja voidaan käyttää älykkäissä aseissa
avustavana järjestelmänä helpottamaan maaliin osumista. Nämä älykkäät aseet
osaavat käyttää hyväkseen anturiverkon tietoa kohteen nykyisestä ja ennustetusta
sijainnista. Anturiverkko voidaan myös lähettää ennen hyökkäystä keräämään tietoa
hyökkäyskohteesta, tai anturiverkko voidaan lähettää hyökkäyksen jälkeen keräämään
tietoa taistelun jälkeisistä tuhoista ja arvioimaan eloonjääneiden lukumäärää.
Anturiverkot voivat myös varoittaa biologisista tai kemiallisista hyökkäyksistä, tai
niillä voidaan tiedustella jonkin paikan säteilyn määrää, ilman että paikan päälle
lähetetään ihmisiä.3
Kuvassa 8 on esitetty eräs tietokoneohjelma, joka näyttää anturiverkon kaikki solmut
ja anturiverkon havaitsemat kohteet. Tämä ohjelma pystyy myös ennustamaan
kohteiden kulkureittejä ja näyttämään ne visuaalisesti. Ohjelman näyttämää kuvaa
voidaan myös suurentaa tai pienentää, mikäli halutaan tarkempaa kuvaa jostain
tietystä anturiverkon osasta. Ohjelmalla voidaan myös toistaa lähihistorian
tapahtumat.6
20
Kuva 8. Tietokoneohjelma, jolla visualisoidaan anturiverkkoa ja sen havaitsemaa
kohdetta.6
4.2 Aktiivisen tulivuoren valvonta
Langatonta integroitua anturiverkkoa voidaan käyttää aktiivisen tulivuoren tilan
valvontaan. Anturiverkko on nykyisiin tiedonkeruuvälineisiin verrattuna pienempi,
kevyempi ja lisäksi se kuluttaa vähemmän tehoa. ja anturiverkolla on. Tyypillinen
nykyaikainen vulkaanista informaatiota keräävä asema koostuu joukosta isoja,
raskaita ja paljon energiaa kuluttavista laitteista, joita on hankala siirtää ja jotka
käyttävät auton akkuja energialähteinä. Anturiverkoilla voidaan myös hallita ja valvoa
verkkoa
reaaliaikaisesti,
tiedonkeruumenetelmissä.17
mitä
ei
voida
tehdä
useimmissa
perinteisissä
21
Kuva 9. Tulivuorta mittaavan anturiverkon arkkitehtuuri. Verkko koostuu 16
solmusta, joissa on mikrofoni ja seismometri akustisen ja seismisen informaation
keräämistä varten. Solmut lähettävät tietoa toisten solmujen kautta nielulle. Nielu on
yhdistetty pitkän matkan FreeWave –radioon, joka lähettää tiedon havaintoasemalle,
jossa anturiverkkoa valvotaan tietokoneiden avulla. GPS-vastaanotinta käytetään
yhdessä ajantahdistamisprotokollan kanssa määrittämään koko verkolle yhteinen
aika.17
Vuonna 2005 anturiverkolla tutkittiin ”Reventador” nimisen tulivuoren aktiivisuutta
kuvan 9 mukaisella periaatteella. Anturiverkon kuudellatoista solmulla mitattiin
tulivuoren seismisiä ja akustisia ominaisuuksia. Yksittäinen solmu varustettiin 8 dBi:n
ja 2,4 GHz:n ulkoisella antennilla, seismometrillä, mikrofonilla ja anturiin liitetyllä
elektroniikalla, kuvan 10 mukaisesti. Anturiin liitettyyn elektroniikkaan kuului mm.
neljä AD7710 A/D-muunninta, jotka tuottivat 24 bittisen resoluution kanavaa kohti.
Näytteet puskuroitiin paikallisesti 256 tavun kokoisiksi paketeiksi, joihin lisättiin
vielä sarjanumero ja kellonaika.17
22
Kuva 10. Solmu ja sen elektroniikka sijaitsevat sinisessä vesitiiviissä laatikossa.
Ulkoinen antenni on kiinnitetty PVC-putken päähän, jotta maanpinnan häiriöt
vähenisivät. Mikrofoni on teipattu PVC-putkeen ja seismometri on haudattu
lähistöille.17
Jokaisen solmun tehon saanti toteutettiin kahdella D-alkaliparistolla. Koska
anturiverkon sijainti oli kaukainen, niin energianlähteen valinnassa oli tärkeää
maksimoida
solmujen
elinikä.
D-alkaliparistot
olivat
myös
halpoja
energiakapasiteettiinsa verrattuna ja ne eivät lisänneet merkittävästi solmujen painoa.
Kahdesta D-alkaliparistosta riitti solmulle energiaa noin viikoksi. Noin 75%
energiasta kului anturiin liitetyssä elektroniikassa ja tästä suurin osa A/Dmuuntimessa.17
23
Anturiverkkoa ohjattiin ja valvottiinn tietokoneilla havaintoasemassa, joka sijaitsi
noin neljän kilometrin päässä anturiverkosta. Yhteys havaintoaseman ja solmujen
välillä muodostettiin FreeWave –radiolla, joka käytti pitkän matkan viestimiseen 9
dBi:n suunnattavaa yagi-antennia.17
Sovelluksessa käytetyt solmut keräsivät tietoa nopeammin kuin mitä ne pystyivät
lähettämään. Solmujen muisti täyttyi noin 20 minuutissa, jonka jälkeen ne lopettivat
tiedon keräämisen siihen asti kunnes tieto oli lähetetty käyttäjälle. Tietoa kerättiin 60
sekunnin ajalta kaikilta 16 solmulta. Tähän kului aikaa noin yhden tunnin verran.
Kerättyä informaatiota on havainnollistettu kuvassa 11. Tunnissa siis saatiin 60
sekunnin verran tietoa tulivuoren tilanteesta ja tämä oli kyseiselle sovelluskohteelle
riittävä määrä. Yksi tulevaisuuden tavoitteista on se, että kaikki tulivuoren tapahtumat
pystyttäisiin keräämään.17
Kuva 11. Anturiverkon havaitsema tapahtuma. Tapahtuma on tulivuoren maankuoren
värähtely ja kuvassa on vain mitatut seismiset signaalit. Tapahtuman kohdalla ei
havaittu mitään akustisia komponentteja. Tieto on käynyt läpi jälkiprosessoinnin,
kuten ajan korjauksen. 17
24
5. Yhteenveto
Anturiverkko
soveltuu
hyvin
monenlaisiin
etäältä
tapahtuviin
mittauksiin.
Anturiverkko on erityisesti kätevä vaihtoehto tilanteisiin, joissa perinteiset
mittausmenetelmät eivät toimi. Suurimmat rajoitteet anturiverkoilla ovat hinta,
verkkotopologian muutokset ja siitä aiheutuvat protokollahaasteet, sekä kulutus.
Monimutkaisten protokollien suunnittelu ja kehittäminen on haastavaa työtä, ja uusia
protokollia kehitetään jatkuvasti lisää. Anturiverkon hyviä ominaisuuksia puolestaan
ovat sen vikasietoisuus, nopea käyttöönottomahdollisuus ja uskollinen ympäristön
havainnointi. Anturiverkkoja käytetään tänä päivänä hyvin erilaisissa sovelluksissa,
mutta erityisesti tulevaisuudessa anturiverkoilla voi olla vielä mielenkiintoisempia
sovelluksia.
25
6. Lähteet
[1]
Akyildiz, I.F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y. & Cayirci, E. 2002, "A survey
on sensor networks", Communications magazine, IEEE, vol. 40, no. 8, pp.
102-114.
[2]
Savvides, A., Han, C.C. & Strivastava, M.B. 2001, "Dynamic fine-grained
localization in ad-hoc networks of sensors", Proceedings of the 7th annual
international conference on Mobile computing and networking, pp. 166.
[3]
Akyildiz, I.F., Su, W., Sankarasubramaniam, Y. & Cayirci, E. 2002, "Wireless
sensor networks: a survey", Computer networks, vol. 38, no. 4, pp. 393-422.
[4]
Larios, D., Barbancho, J., Molina, F. & León, C. 2011, "LIS: Localization
based on an intelligent distributed fuzzy system applied to a WSN", Ad Hoc
Networks, vol. 10, no. 3, pp. 604-612.
[5]
Pottie, G.J. & Kaiser, W.J. 2000, "Wireless integrated network sensors",
Communications of the ACM, vol. 43, no. 5, pp. 51-58.
[6]
Arora, A., Dutta, P., Bapat, S., Kulathumani, V., Zhang, H., Naik, V., Mittal,
V., Cao, H., Demirbas, M. & Gouda, M. 2004, "A line in the sand: a wireless
sensor network for target detection, classification, and tracking", Computer
Networks, vol. 46, no. 5, pp. 605-634.
[7]
Sohrabi, K., Gao, J., Ailawadhi, V. & Pottie, G.J. 2000, "Protocols for selforganization of a wireless sensor network", Personal Communications, IEEE,
vol. 7, no. 5, pp. 16-27.
[8]
Wang, Z.M., Basagni, S., Melachrinoudis, E. & Petrioli, C. 2005, "Exploiting
sink mobility for maximizing sensor networks lifetime", System Sciences,
2005. HICSS'05. Proceedings of the 38th Annual Hawaii International
Conference on, vol. 9, pp. 287.
[9]
Gatzianas, M. & Georgiadis, L. 2008, "A distributed algorithm for maximum
lifetime routing in sensor networks with mobile sink", Wireless
Communications, IEEE Transactions on, vol. 7, no. 3, pp. 984-994.
[10]
Luo, J. & Hubaux, J.P. 2005, "Joint mobility and routing for lifetime
elongation in wireless sensor networks", INFOCOM 2005. 24th Annual Joint
Conference of the IEEE Computer and Communications Societies.
Proceedings, pp. 1735.
[11]
Behdani, B., Yun, Y.S., Cole Smith, J. & Xia, Y. 2011, "Decomposition
algorithms for maximizing the lifetime of wireless sensor networks with
mobile sinks", Computers & Operations Research, vol. 39, no. 5, pp. 10541061.
26
[12]
Hoblos, G., Staroswiecki, M. & Aitouche, A. 2000, "Optimal design of fault
tolerant sensor networks", Control Applications, 2000. Proceedings of the
2000 IEEE International Conference, pp. 467.
[13]
Rappaport, T.S. & Safari Books Online 1996, Wireless communications:
principles and practice, Prentice Hall PTR Upper Saddle River.
[14]
Zungeru, A.M., Ang, L.-M., Seng, K.P., 2012, “Classical and swarm
intelligence based routing protocols for wireless sensor networks: A survey
and comparison”, Journal of Network and Computer Applications.
[15]
Heinzelman, W.R., Kulik, J. & Balakrishnan, H. 1999, "Adaptive protocols for
information dissemination in wireless sensor networks", Proceedings of the
5th annual ACM/IEEE international conference on Mobile computing and
networking, pp. 174.
[16]
Akkaya, K. & Younis, M. 2005, "A survey on routing protocols for wireless
sensor networks", Ad hoc networks, vol. 3, no. 3, pp. 325-349.
[17]
Werner-Allen, G., Lorincz, K., Ruiz, M., Marcillo, O., Johnson, J., Lees, J. &
Welsh, M. 2006, "Deploying a wireless sensor network on an active volcano",
Internet Computing, IEEE, vol. 10, no. 2, pp. 18-25.