Internet inteligentnih uređaja

Predavanje 7

IoT tehnologije – deo 1

2

M2M komunikacija

3

M2M komunikacija

– M2M je komunikacija dve mašine bez učešća ljudi.

– M2M komunikacije mogu biti različite, u zavisnosti od zahteva koji se odnose na:

• potreban propusni opseg,

• brzinu,

• pouzdanost prenosa,

• bezbednost i

• kašnjenje u mreži.

– Neke aplikacije:

• prenose male količine podataka sa vremena na vreme (npr. senzori klimatskih parametara),

• dok neke u kontinuitetu prenose velike količine podataka (npr. snimak sa kamere).4

M2M – primene

– Većina M2M sistema funkcioniše tako što uređaj na konkretnoj lokaciji:

• automatski očitava neke podatke i

• šalje ih na centralnu lokaciju koristeći javnu telekomunikacionu mrežu.

– Primeri:

• pametna merenja,

• udaljeno praćenje zdravstvenog stanja pacijenata,

• upravljanje i praćenje vozila,

• automatizacija industrije.

5

M2M – primene

– Na primeru pametnog vozila, u komunikaciji učestvuju sledeći moduli:

• Lokacijski modul – određuje geografsku lokaciju vozila;

• Komunikacioni modul – komunikacija između modula u vozilu i računara;

• Procesorski modul:

– obrađuje sve informacije,

– računa najbolju rutu,

– upravlja celim sistemom.

• Korisnički interfejs – omogućuje komunikaciju vozača sa sistemom pametnog

vozila, udaljenim računarskim sistemom i kontrolorom saobraćaja.

6

M2M – primene

7

– Pametno vozilo:

• Lokacijski modul

• Komunikacioni modul

• Procesorski modul

• Korisnički interfejs

Pametna vozila – IoT

8

M2M – kapilarne mreže

– Relativno nova paradigma definisana od strane firme Erikson, čija je ideja

povezivanje bežičnih tehnologija kratkog dometa sa mrežom mobilne telefonije.

9

Bežične senzorske mreže (WSN)

10

Bežične senzorske mreže

– Bežične senzorske mreže (eng. Wireless Sensor Network, WSN) su distribuirani

sistemi koji se sastoje od prostorno distribuiranih i autonomnih senzora povezanih

bežičnom komunikacionom mrežom.

– Koriste za prikupljanje neobrađenih podataka iz fizičkog okruženja u koje su

postavljeni kao što su:

• temperatura

• zvuk

• vibracija

• pritisak

• pokret

• zagađivači.

11

Bežične senzorske mreže

– Male, jeftine i multifunkcionalne platforme koje samostalno formiraju ad hoc bežičnu

mrežu i prikupljene podatke iz senzora dostavljaju korisniku.

– Bežične senzorske mreže se primenjuju u:

• ekologiji,

• e-zdravstvu,

• pametnom saobraćaju i drugim oblastima.

– Za merenje i prikupljanje rezultata merenja služe odgovarajući tipovi pasivnih ili

aktivnih senzora koji su deo multifunkcionalnih platformi, tj. senzorskih čvorova (eng.

Sensor Nodes, SN).

12

Sensor Nodes – Čvorovi senzora

– ADC - analog-to-digital converter.

13

Mikrokontroler

Eksterna memorija

Primopredajnik

Izvor e

nerg

ije

Senzor 1

Senzor 2

Bežične senzorske mreže – karakteristike

– Bežične senzorske mreže se razlikuju od ostalih bežičnih mreža po:

1. velikom broju minijaturnih senzorskih čvorova;

2. proizvoljnom i nepredvidljivom rasporedu senzorskih čvorova;

3. senzorskim čvorovima koji su podložni greškama i otkazima;

4. čestim promenama topologije senzorskih mreža;

5. senzorskim čvorovima koji su ograničeni u pogledu napajanja;

6. komunikacionoj i računarskoj snazi.14

Bežične senzorske mreže

15

Bežične senzorske mreže – karakteristike

– Osnovne operativno-ekonomske karakteristike bežičnih mreža su:

1. Visoka pouzdanost u radu;

2. Relativno visoka tačnost;

3. Fleksibilnost;

4. Niska cena;

5. Lako raspoređivanje senzora u prostoru.16

Koordinator

Ruter

Krajnji čvor

Bežične senzorske mreže

17

Bežične senzorske mreže

– Postavljanjem velikog broja

senzorskih mreža:

• raspoređenih na malim

rastojanjima (obično do 10 m),

• u samoj blizini ili unutar oblasti

koji se posmatra,

• formira se senzorsko polje.18

– Pristupni uređaj može da komunicira sa agregatnim čvorovima, koji predstavlja

jednu grupu senzora.

Pristupni

uređaj

Pristupni

uređaj

Tok

informacijaTok

informacija

Senzorsko

polje sa

čvorovima

Bežični senzorski čvorovi

– Senzorski čvorovi su obično gusto raspoređeni u senzorskom polju i prikupljaju i

prosleđuju prikupljene podatke iz neposrednog okruženja u kome se nalaze.

– Zavisno od toga da li su implementirani u proaktivnim ili reaktivnim bežičnim

senzorskim mrežama, postoje dve grupe senzorskih čvorova:

1. Senzorski čvorovi koji periodično uključuju senzore, prikupljaju i obrađuju podatke

iz okruženja i informacije od interesa prosleđuju korisnicima. Ovakvi čvorovi čine

proaktivne mreže.

2. Senzorski čvorovi koji u realnom vremenu reaguju na svaku promenu u mreži.

Ovakvi čvorovi čine reaktivne mreže. 19

Bežični senzorski čvorovi

– Strukturu pametnog senzorskog čvora čine:

1. Senzorska jedinica – digitalizuje signal i upućuje ga na obradu.

Senzor može biti:

– pasivno-omnidirekcioni,

– pasivno-uskosnopni ili

– aktivni.

2. Primopredajnik – odgovoran za komunikaciju između čvorova i sa pristupnim

uređajem. Načini prenosa:

– radio-talasima, laserski, infracrvenim signalnom i dr.

3. Procesorska jedinica;

4. Memorija – RAM, ROM, EEPROM;

5. Baterijsko napajanje. 20

Arhitektura bežične senzorske mreže

– Svaki čvor u bežičnoj senzorskoj mreži ima dve funkcije:

• Da prikupi podatke merenjem ili preuzimanjem od suseda;

• Da realizuje rutiranje podataka ka pristupnom uređaju.

21

Pristupni

uređaj

KorisnikSenzorsko polje sa

čvorovima

Internet

Arhitektura bežične senzorske mreže

– Ad hoc bežične senzorske mreže:

• čine ih ravnopravni i međusobno povezani senzorski čvorovi koji imaju dodatnu

inteligenciju za obradu signala i umrežavanje.

– Nije potrebno da postoji infrastruktura u kojoj bi bili definisani odnosi između čvorova.

• Neispravni senzori se automatski isključuju iz mreže.

– Klasterizovane senzorske mreže: sastoje se iz klastera, celine koje čine agregatori

čvorovi. Prednosti:

• manja količina saobraćaja ka pristupnom uređaju i veća tačnost kombinovanjem

podataka sa više čvorova.

22

Klasterska organizacija čvorova

23

– Klaster je organizaciona celina koju čine agregator klastera sa pripadajućim

senzorskim čvorovima.

– Agregator:

• koordinira proces prikupljanja podataka,

• agregira podatke i

• rutira ih ka pristupnom uređaju.

Slojevita arhitektura bežične senzorske mreže

24

Aplikacioni sloj

Transportni sloj

Mrežni sloj

Sloj veze:

IEEE 802.15.4 MAC podsloj

IEEE 802.15.4

868/915 MHz

Fizički sloj

IEEE 802.15.4

2,4 GHz

Fizički sloj

Realizacija bežičnih senzorskih mreža

– Najčešći razlozi prekida rada čvorova:

• nestanak energije,

• interferencija sa susednim čvorovima,

• fizičko oštećenje i

• prelazak u neaktivno stanje.

– Otkaz čvorova izaziva:

• promene u topologiji mreže i

• zahteva njenu reorganizaciju i ponovno rutiranje paketa.

– Sličan problem predstavlja i slučaj kada su čvorovi pasivno ili aktivno mobilni.

25

Realizacija bežičnih senzorskih mreža

– Upravljanje otkazima:

1. detekcija,

2. dijagnostika,

3. oporavak.

– Može se izvoditi: 1) centralizovano ili 2) distribuirano.

– Većom gustinom senzora na nekom prostoru postiže se:

• bolja pokrivenost i

• otpornost na kvarove,

• ali i veći trošak. 26

Broj čvorova u bežičnoj senzorskoj mreži

– Zavisno od tipa okruženja broj čvorova u mreži varira od nekoliko desetina do

nekoliko stotina hiljada i zavisi od:

1. Potrebe za boljim pokrivanjem teritorije – gustim „pakovanjem“ senzora

smanjuje se potrošnja energije u komunikacione svrhe.

2. Funkcija senzorskih čvorova koje su ograničene po dometu i tačnosti merenja.

3. Opsega delovanja mreže – povećanjem opsega se loše utiče na kvalitet rada

senzora i efikasnost algoritama za obradu podataka i samoorganizovanje u mreži.

27

Broj čvorova u bežičnoj senzorskoj mreži

– Zavisno od tipa okruženja broj čvorova u mreži varira od nekoliko destina do nekoliko

stotina hiljada i zavisi od:

4. Ograničenja u pogledu hardvera i softvera:

– memorijski kapacitet,

– mala procesorska snaga i

– ograničena energija.

5. Ekonomičnosti primenjenog rešenja - za velike mreže je bitno da jedinična

cena senzorskog čvora bude niska i niža od cene drugih bežičnih uređaja, kako bi

ekonomski bilo opravdano koristiti ovakva rešenja.

28

Primena bežičnih senzorskih mreža

– Opšta primena:

• Pojedinačna i periodična merenja na osnovu kojih je moguća aproksimacija

vremenskih ili prostornih funkcija,

• Praćenje promena ili određivanje graničnih vrednosti posmatrane veličine.

– Primena bežičnih senzorskih mreža u industriji ogleda se u:

1. Nadgledanju i kontroli industrijske opreme;

2. Nadgledanju proizvodnje;

3. Kontroli fabričkih procesa;

4. Automatizaciji industrije.

29

Primena bežičnih senzorskih mreža

– Bežične senzorske mreže se često koriste za:

• Praćenje ljudi, dobara i drugih pokretnih objekata u raznim okruženjima:

– Industrijsko,

– Skladišta,

– Prodajni,

– Poslovni i

– Stambeni prostor)

• Uz održavanje komunikacije za potrebe nadgledanja, javljanja i kontrole.

30

Primena bežičnih senzorskih mreža

– Bežične senzorske mreže se koriste za različite svrhe u vojsci i javnoj bezbednosti:

• Detekcija hemijskih i bioloških pretnji;

• Nadgledanje bojišta;

• Sistemi za komandu, kontrolu i komunikacije;

• Sistemi osmatranja, nadgledanja i navođenja;

• Detekciju jedinica i pokreta na kopnu i moru;

• Praćenje, detekcija i lokalizacija mesta nesreća.

31

Primena bežičnih senzorskih mreža

– Bežične senzorske mreže se u poljoprivredi koriste za nadgledanje zemljišta:

• Vlaga,

• Pesticidi i

• Stočarskih objekata.

– Bežične senzorske mreže se u medicini koriste za:

• Nadgledanje lokacije i zdravstvenog stanja osoba;

• Nadgledanje stanja pacijenata (pritisak, ECG, puls, procenat kiseonika i sl.);

• Pomoć nepokretnim i hendikepiranim osobama;

• Biomedicinske primene i umrežavanje medicinskih instrumenata;

• Brzu reakciju i praćenje nastradalih u nesrećama (izbor kritičnih slučajeva).32

Literatura

– Cirani, S., Ferrari, G., Picone, M., & Veltri, L. (2018). Internet of Things: Architectures,

Protocols and Standards. John Wiley & Sons.

– Božidar Radenković, Marijana Despotović-Zrakić, Zorica Bogdanović, Dušan Barać,

Aleksandra Labus, Živko Bojović, (2017). Internet inteligentnih uređaja, Fakultet

organizacionih nauka. Univerzitet u Beogradu.

– Doc. dr Miloš Milutinović, (2017). Internet inteligentnih uređaja, Visoka škola

akademskih studija „Dositej“, Beograd.

33