Multi-Sink WSN Gateway

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Introdução

Nesta página encontra-se descrito o projecto WSN Gateway para a cadeira de Redes de Sensores 2007/2008

O projecto WSN Gateway consiste numa aplicação que deve permitir o acesso aos sensores constituintes de uma ou mais redes de sensores, através de máquinas ou dispositivos que não se encontrem directamente ligados às redes de sensores.

Trabalho Relacionado

A norma IEEE 1451 possui como principal objectivo o desenvolvimento de um standard (i.e., conjunto de interfaces) que facilite a integração de sensores e/ou actuadores com dispositivos embebidos e com outras redes e sistemas. Esta norma é constituída por vários grupos que possuem objectivos bem definidos, que correspondem a componentes/interfaces constituintes do standard global referido anteriormente.

O componente desta norma que é mais relevante para o projecto em curso é o NCAP (Network Capable Application Processor), ilustrado na figura seguinte, que permite a interligação dos módulos de sensorização e actuação com vários tipos de redes de comunicações.

Como se pode observar pela figura, o NCAP é composto por contribuições de vários grupos da norma IEEE 1451 e permite a interligação entre os actuadores/sensores (Smart Transducer Interface Module) com as redes de comunicações utilizadas, como já tinha sido referido.

Deste modo, estes módulos denominados como NCAP, implementados em hardware, permitem que aplicações de monitorização tenham acesso aos dados dos sensores e actuadores, tal como ilustrado na seguinte figura.

Ao observar esta figura facilmente se conclui que o NCAP está relacionado com o modo como o WSN Gateway, do projecto em curso, irá comunicar com as redes de sensores nele registadas.

Convém referir que a norma IEEE 1451 não pressupõe a existência de sensores com capacidades de processamento, como é o caso dos motes MicaZ, que não são mais do que sistemas embebidos com capacidades de processamento bastante razoáveis interligados com sensores e/ou actuadores e, com capacidade de comunicação sem fios. Assim, é possível concluir pelo que muitos componentes definidos na norma IEEE 1451 são implementáveis em software neste novo tipo de motes.

Requisitos

1. Heterogeneidade do Acesso:

  • O projecto desenvolvido, deve providenciar o acesso à informação adquirida por uma rede de sensores de forma remota através de um Gateway.
  • O Gateway tem de permitir que um utilizador que esteja fora da rede WSN, consiga aceder a um ou vários sensores através de uma rede heterogénea.

2. Escalabilidade de redes WSN:

  • O projecto tem de permitir o registo de uma ou várias redes WSN no Gateway.
  • O projecto desenvolvido deve possibilitar o registo de nós sink no gateway, garantindo a escalabilidade do acesso a redes WSN que possam vir a surgir no futuro.

3. Camada de Abstracção:

  • A aplicação tem que permitir que o utilizador se abstraia dos protocolos de comunicação WSN, mascarando uma comunicação data-centric na rede de sensores, numa comunicação identity-centric na internet.
  • Pretende-se que todos os pedidos feitos pelo cliente sejam feitos utilizando protocolos como TCP/IP. A aplicação tem de ser capaz de traduzir os pedidos feitos, para os protocolos de comunicação WSN conseguindo identificar a rede e nó a que se destinam os pedidos feitos pelo cliente.

4. Segurança:

  • Pretende-se que o acesso ao gateway seja feito de forma a garantir a integridade e autorização da comunicação.
  • O gateway tem de possibilitar que apenas utilizadores registados neste consigam aceder ao gateway.

5. Automação de Tarefas:

  • Por forma a automatizar o acesso e recolha da informação que é obtida pelas redes WSN, o gateway tem de permitir que o utilizador consiga escalonar as tarefas a ser recolhidas pelo gateway.

Descrição do Sistema

Nesta secção é a apresentada a descrição do sistema projectado para responder aos requisitos definidos na secção anterior. A arquitectura lógica assim como os principais blocos funcionais do projecto são descritos em seguida.

  • WSN Gateway É o intermediário entre a rede Internet (ou outra), onde se encontra ligado o WSN Client e a(s) rede(s) WSN.
  • WSN Client Máquina remota através da qual o cliente faz querys à(s) rede(s) WSN.
  • Sink Node É o nó da rede WSN que faz de intermediário entre o WSN Gateway e a rede WSN que se pretende aceder.
  • WSN Network Rede constituída por vários sensores e pelo nó sink.

Especificação do Sistema

Em seguida encontra-se um diagrama de comunicação exemplificativo das macro mensagens a ser trocadas.

Como se pode verificar pelo esquema, o(s) cliente(s) ligam-se ao WSN Gateway, através de uma ligação SSH. Através desta ligação o cliente tem acesso à aplicação WSN Gateway, onde pode então aceder à informação que é medida pela rede de sensores. O cliente especifica a rede WSN que pretende, o nó e o sensor em si. A aplicação então faz a tradução desse pedido para uma mensagem TinyOS e efectua a Query pretendida pelo cliente. Por fim o Gateway é responsavél por interpretar a resposta da rede de sensores e enviar uma resposta ao cliente.

O WSN Gateway não é mais do que uma aplicação a ser executada num servidor com conectividade SSH, ligado a uma ou mais redes com conectividade para os WSN Clients, que são aplicações clientes SSH.

Por outro lado, o WSN Gateway também terá de ter acesso a uma ou mais redes de sensores, quer através de ligações série quer ethernet. De modo a garantir esta conectividade será utilizada a aplicação Serial Forwarder que permite ao WSN Gateway abstrair-se da ligação física às várias redes de sensores.

Relativamente aos motes constituintes das redes de sensores utilizadas, estes devem possuir um módulo desenvolvido em software que se interliga à aplicação neles existente, de modo a servir como ponte entre os pedidos do WSN Gateway e os sensores existentes nos motes.

Assim, a aplicação Serial Forwarder e o módulo de software instalado em cada mote constituem em conjunto um componente similar ao NCAP definido na norma IEEE 1451 e descrito no capítulo do trabalho relacionado. Contudo, neste projecto em específico e devido às capacidades de processamento e comunicação dos motes utilizados, é possível criar este componente denominado como NCAP através de software, ao contrário da norma IEEE 1451 que implementa este componete através de hardware específico.

No diagrama seguinte é possível verificar como os motes da rede WSN se registam no WSN Gateway:

Assim quando um mote entra na rede WSN, este começa por enviar uma mensagem de advertisement. Nessa mensagem vão indicados a identificação do nó, o ou os tipo(s) de sensores instalados nesse nó e os métodos acessiveis a esse sensor (read, write). O nó sink dessa rede envia essa mensagem ao WSN Gateway com essa informação, mais a identificação da rede de onde está esse nó. Este regista esse nó na Base de Dados do WSN Gateway e se esse registo for bem efectuado, é enviada uma mensagem ACK ao nó registado.

TestBed

De modo a demonstrar as principais funcionalidades da arquitectura preconizada, o testbed proposto terá as características em baixo descritas.

Objectivos:

  • Test Case 1 - Demonstrar a integração entre o WSN Gateway e a Rede de sensores, mostrando a recolha eficaz da informação medida pela rede de sensores instalada.
  • Test Case 2 - Mostrar a comunicação entre o WSN Client e o WSN Gateway.
  • Test Case 3 - Efectuar a recolha de dados medidos pela rede de sensores através do WSN Client.
  • Test Case 4 - Extender os test cases anteriores, de forma a permitir que o WSN Gateway esteja ligado a mais do que uma rede de sensores.

Metodologia:

  • Test Case 1 - Existe uma rede de sensores composta por x motes, a correr a aplicação de TinyOS 2.0.2 Oscilloscope. Esta aplicação está contiuamente a recolher informação sobre o valor de tensão das baterias dos motes e é composta ainda por uma interface gráfica que mostra em forma de gráfico os valores recolhidos, de forma contínua. O WSN Gateway encontra-se ligado em simultaneo à rede de sensores (e.g., Porta Série), podendo estar instalado na mesma máquina onde se encontra a interface gráfica da aplicação Oscilloscope mas, ao contrário desta interface gráfica que recolhe dados de forma contínua, o WSN Gateway permite e recolha do valor de tensão das baterias dos motes, de forma individual e on-demand.
  • Test Case 2 - Pretende-se utilizar um router, com a funcionalidade NAT activada, ligado à rede do CIIST na sua interface WAN (rede pública) e, o WSN Gateway ligado na interface LAN (rede privada) do router. Por último, o WSN Client encontra-se ligado à rede do CIIST, simulando assim, a ligação deste ao WSN Gateway através de uma rede externa (relativamente à localização do WSN Gateway).
  • Test Case 3 - O WSN Client, na rede pública, acede de forma on-demand ao valor de tensão da bateria do mote pretendido, através do WSN Gateway que se encontra na rede privada.
  • Test Case 4 - Os test cases anteriores serão repetidos, com a diferença de que o WSN Gateway encontra-se ligado a mais do que uma rede de sensores. Serão utilizadas duas redes de sensores, ambas a correr a aplicação Oscilloscope, em que uma rede se liga através da Porta Série (MIB 510 CA) ao WSN Gateway e, a outra rede de sensores se liga ao router NAT, na interface LAN, através de uma MIB 600 CA.

Resultados esperados:

  • Test Case 1 - Pretende-se que os valores recolhidos pelo WSN Gateway sejam coerentes com os recolhidos de forma contínua pela aplicação Oscilloscope.
  • Test Case 2 - O WSN Client, na rede pública, deve conseguir comunicar com o WSN Gateway que se encontra na rede privada do router NAT utilizado.
  • Test Case 3 - O WSN Client, para além de conseguir comunicar com o WSN Gateway (Test Case 2), deve conseguir recolher os valores de tensão das baterias dos motes da rede de sensores instalada.
  • Test Case 4 - Devem-se verificar os resultados obtidos para cada um dos test cases anteriores, para cada uma das redes de sensores ligadas ao WSN Gateway.

Planeamento do Projecto

Referências

Acrónimos

  • NAT Network Address Translation
  • NCAP Network Capable Application Processor
  • SSH Secure Shell
  • STIM Smart Transducer Interface Module
  • TEDS Transducer Electronic Data Sheets
  • WSN Wireless Sensor Network

Grupo

João Matos

Luís Santos