Τα δίκτυα αισθητήρων είναι μια εξειδικευμένη κατηγορία κατανεμημένων δικτύων, η οποία τα τελευταία χρόνια έχει συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας, λόγω του ευρύτατου πεδίου εφαρμογών της. Τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από συσκευές που διαθέτουν αισθητήρες (sensors) και ενδεχομένως μηχανισμούς δράσης (actuators) και είναι διασκορπισμένες στο χώρο, με δυνατότητα επικοινωνίας μεταξύ τους και επεξεργασίας σε ένα βαθμό της πληροφορίας που διακινούν στο δίκτυο. Στόχος των δικτύων αυτών είναι η παρακολούθηση της εξέλιξης ενός φαινόμενου, ή η ανίχνευση περιβαλλοντικών συνθηκών και η αποστολή των δεδομένων που συλλέγονται σε έναν κεντρικό κόμβο, το κέντρο ελέγχου. Οι δυνατότητες των συσκευών είναι κατά κανόνα περιορισμένες, λόγω του μικρού μεγέθους τους, του χαμηλού κόστους τους και ενίοτε του αναλώσιμου ρόλου τους.
Οι εφαρμογές των δικτύων αυτών ποικίλουν, από εφαρμογές στην επιστήμη γεωργίας ακριβείας, στην πυρανίχνευση και την παρακολούθηση συνθηκών περιβάλλοντος σε κτιριακές εγκαταστάσεις, μέχρι εφαρμογές ανίχνευσης κίνησης των εχθρικών μονάδων σε πεδίο μάχης, ή παρακολούθησης φαινόμενου που εξελίσσεται σε δυσπρόσιτη περιοχή. Μερικές από τις βασικές προκλήσεις που προκύπτουν σε αυτά τα δίκτυα, λόγω της φύσης τους, είναι η βέλτιστη διαχείριση των ενεργειακών πόρων κάθε κόμβου, η αποδοτική συνδυαστική επεξεργασία των διακινούμενων μηνυμάτων και η αξιόπιστη δρομολόγηση της πληροφορίας που συλλέγεται προς το κέντρο ελέγχου, καθώς και η δυναμική και αυτόνομη οργάνωση του δικτύου.
Η εξέλιξη των δικτύων αισθητήρων σε συνδυασμό με την επιθυμία υλοποίησης περίπλοκων και περισσότερο ολοκληρωμένων εφαρμογών, οδήγησε σε δίκτυα που περιέχουν ετερογενείς κόμβους, όπως για παράδειγμα κόμβους με διαφορετική αρχιτεκτονική, διαφορετικούς αισθητήρες, με διαφορετικές επεξεργαστικές και επικοινωνιακές ικανότητες ή και κόμβους με δυνατότητες κίνησης ή επιτέλεσης εργασιών (actuators) σε απόκριση εντολών που λαμβάνουν από το κέντρο ελέγχου. Επιπρόσθετα, σε πολλές εφαρμογές διαφαίνεται η ανάγκη για διασύνδεση πολλαπλών δικτύων αισθητήρων και διάδοση της πληροφορίας που συλλέγουν μέσω του διαδικτύου προς απομακρυσμένους εξυπηρετητές με αυξημένες επεξεργαστικές ικανότητες, προς βάσεις δεδομένων, συσκευές pda ή κινητά τηλέφωνα, σταθμούς εργασίας τελικών χρηστών και άλλες συσκευές. Δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο ένα ευρύτερο ετερογενές δίκτυο επικάλυψης (overlay sensor network), η διαχείριση και αποδοτική χρήση του οποίου απαιτεί νέες αρχιτεκτονικές οργάνωσης των επιμέρους δικτύων, προσαρμοσμένα πρωτόκολλα διάδοσης πληροφορίας και πλατφόρμες που διευκολύνουν τον προγραμματισμό των δικτύων αυτών.
Για το λόγο αυτό η επιστημονική κοινότητα επικεντρώνει το ενδιαφέρον της στο σχεδιασμό ειδικών περιβαλλόντων λογισμικού που μεσολαβούν ανάμεσα στον προγραμματιστή εφαρμογών και τα ετερογενή δίκτυα αισθητήρων, τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των middleware. Τα περιβάλλοντα αυτά αναλαμβάνουν να διαχειριστούν θέματα χαμηλού επιπέδου ή και ανώτερων επιπέδων στα δίκτυα αισθητήρων, που δεν θα έπρεπε να απασχολούν τον προγραμματιστή κάθε φορά που επιθυμεί να υλοποιήσει μια εφαρμογή. Απώτερος σκοπός είναι να παρέχουν υπηρεσίες υψηλού επιπέδου και ομοιογενείς λογικές αφαιρέσεις πάνω στα ετερογενή δίκτυα, ενώ είναι επιθυμητή η αποδοτική λειτουργία τους σε παγκόσμια κλίμακα όπου πολλά γεωγραφικά διάσπαρτα δίκτυα συνεργάζονται για να παρέχουν τις υπηρεσίες τους με οργανωμένο και καλά ορισμένο τρόπο.
Η δική μας συνεισφορά στην έρευνα του πεδίου αυτού, έγκειται πρώτα στη μελέτη ήδη διαθέσιμων προτάσεων middleware για τον προγραμματισμό και τη διασύνδεση πολλαπλών και ετερογενών δικτύων αισθητήρων, με σκοπό τον εντοπισμό των θεμάτων και προβλημάτων που αντιμετώπισαν κατά το σχεδιασμό τους, την ανάλυση της αρχιτεκτονικής τους και την αξιολόγηση της απόδοσής τους. Επιθυμώντας να δώσουμε τη δική μας πρόταση στο πεδίο των middleware για δίκτυα αισθητήρων και αξιοποιώντας τα συμπεράσματά μας από την μελέτη των άλλων προτάσεων, σχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε το middleware σύστημα ShareSense II. Το σύστημα ShareSense II προέρχεται από τον επανασχεδιασμό τού αρχικού και απλούστερου ShareSense και ενσωματώνει το middleware jWebDust επεκτείνοντας κατά ένα τρόπο την αρχιτεκτονική του, ώστε να υποστηρίζει δίκτυα επικάλυψης (overlay sensor networks) μεγάλης κλίμακας.
Η πλατφόρμα του ShareSense II σχεδιάστηκε για να παρέχει λογική αφαίρεση των δικτύων αισθητήρων, ώστε ο προγραμματιστής να μπορεί εύκολα να ρυθμίσει τις υπηρεσίες που παρέχει ένα δίκτυο επικάλυψης, να διαχειρίζεται τις λειτουργίες των επιμέρους δικτύων, να μπορεί να προγραμματίσει δυναμικά τη συμπεριφορά τους και να καθορίσει τον τρόπο παρουσίασης της χρήσιμης πληροφορίας που αποκομίζει από αυτά, στον τελικό χρήστη. Βασιζόμενοι στην ευέλικτη υποδομή των peer-to-peer δικτύων, προτείνουμε μια λύση για τη διασύνδεση πολλαπλών ετερογενών δικτύων αισθητήρων με συσκευές και σταθμούς εργασίας πάνω από το διαδίκτυο. Δώσαμε έμφαση στην επεκτασιμότητα της αρχιτεκτονικής ως προς τις υποστηριζόμενες υπηρεσίες και τύπους δικτύων, την αξιοποίηση και τη συνεργασία με υπάρχοντα middleware που διαχειρίζονται κάποια επιμέρους δίκτυα και την παροχή χρήσιμων διεπαφών για την εύκολη υλοποίηση πρακτικών εφαρμογών.
Υλοποιήσαμε, τέλος, μια εφαρμογή η οποία στηρίζεται στην πλατφόρμα του ShareSense II για να τεκμηριώσουμε την επάρκεια της αρχιτεκτονικής του συστήματός μας και να εντοπίσουμε τα σημεία όπου απαιτείται βελτίωσή της. Η εφαρμογή χρησιμοποιεί το περιβάλλον του Google Earth για την παρακολούθηση των επιμέρους δικτύων που συμμετέχουν στο σύστημα, επιτρέποντας παράλληλα τη δυναμική υποβολή ερωτημάτων και την αντιστοίχιση των δικτύων σε τρισδιάστατα μοντέλα κτιρίων και άλλων περιοχών, ώστε να είναι άμεση και εύληπτη η παρουσίαση της πληροφορίας στον τελικό χρήστη. / Sensor networks are a special case of distributed networks, which in the recent years have become increasingly interesting to the scientific community, due to their wide range of applications. These networks are comprised of devices that have sensors attached to them and possibly even actuators, and are scattered in a field, being able to comminucate with each other and process -to a certain degree- information that they forward in the network. Among the goals of these networks are the monitoring of physical phenomena, the detection of special events or conditions and consequently the communication of the acquired information towards a control center. These devices usually have strict constraints on their capabilities due to their small size, their low production cost and quite often their expendable role.
The applications of these networks vary, from applications in the precision agriculture field, fire detection and monitoring environmental conditions in buildings and offices, to applications for the detection of enemy units' movements in the battlefield or observing a physical phenomenon in a inaccessible location. Some of the important challeges that emerge for these networks are the optimal management of the power resources of each node, the efficient aggregation of the in-network messages and the reliable routing of information acquired towards the control center, as well as the autonomous and adaptive network operation.
The evolution in the sensor netorks research in combination with the desire to implement even more sophisticated applications, has led to highly heterogeneous networks, where nodes belong to different architectures, they use various sensor models, and they have different processing and communicating capabilities. Additionally, in many applications there is the need to interconnect multiple sensor networks and to distribute the information collected locally towards remote servers, databases, pda devices or cell phones, workstations and other end user devices. Thus, a new type of networks, the overlay networks, emerges. The administration and effecient usage of these networks require new management architectures for the local networs, adaptive protocols for the distribution of information and new software platforms that simplify application programming.
Following these developments, the scientific community has focused in designing middleware software for the sensor networks. Such software have the role of managing low level or intermediate level issues, that should not burden a programmer every time s/he needs to design and implement a new application. The main goal of middleware is to provide high level services and unified logical abstractions over heterogeneous sensor networks, and to perform well in a global scale where multiple geographically disparate networks cooperate to provide services in an organized and well defined manner.
Our contribution to this field, is foremost to study the state of the art middleware projects for overlay sensor networks, in an effort to understand the issues and problems that were faced during their design, to analyze their architecure and evaluate their performance. We have used the results of this study to design and implement a new middleware architecture, which we have named ShareSense II. Our middleware comes from the redesign and expansion of its simpler predecessor, the original ShareSense middleware, and also integrates the jwebdust middleware, bringing the services of that middleware to the large scal overlay networks.
The ShareSense II platfrom was designed to provide logical abstractions for sensor networks, so that the programmer is able to tweak their services, maange the resources of the local networks and build flexible applications. For our overlay netowrk we have embedded an efficient peer-to-peer infrastructure that performs well in networks with frequent and temporary node disconnections and large scale applications.
Finally, we implemented an application that uses the ShareSense II middleware, in order to show the benefits of our design and also locate the parts of the architecture that need further optimization. Our application uses the Google Earth software to monitor geographically disparate networks that participate in ShareSense II, allowing the online issuing of queries, as well as matching 3d models of buildings (and other areas) to local networks, in order to display information to the end user in an interesting and exciting way.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/2913 |
| Date | 19 April 2010 |
| Creators | Αντωνίου, Αθανάσιος |
| Contributors | Νικολετσέας, Σωτήρης, Antoniou, Athanasios, Νικολετσέας, Σωτήρης, Βαρβαρίγος, Εμμανουήλ, Σπυράκης, Παύλος |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΥΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0099 seconds