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1 Università degli studi di Modena e Reggio Emilia Facoltà dIngegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica TINYDB: GESTIONE DEI DATI IN RETI DI SENSORI.

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1 1 Università degli studi di Modena e Reggio Emilia Facoltà dIngegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica TINYDB: GESTIONE DEI DATI IN RETI DI SENSORI Relatore: Chiar.mo Prof. Sonia Bergamaschi Candidato: Giorgia Loschi materiale disponibile allurl

2 2 Reti di sensori: generalità Rete di sensori: rete costituita da un numero elevato di nodi collegati tra loro mediante cavi multipli. Ogni nodo è dotato di un microprocessore e di uno o più sensori collegati mediante interfacce proprietarie. Rete di sensori wireless: le WSN sono reti formate da tanti piccoli elementi chiamati mote, dal nome utilizzato per i primi prototipi di WSN sviluppati dallUniversità della California Berkeley (USA) Scopo di una rete di sensori: monitoraggio e/o controllo di un ambiente Memoria di massa Memoria di lavoro Microprocessore: Capacità di elaborazione Ottimizzazione dellenergia Sensori: Temperatura Umidità Rumore … Mote: Mote: è un dispositivo di elaborazione in miniatura dotato di microprocessore, memorie e di un apparato ricetrasmittente; presenta inoltre sensori per la rilevazione di dati ambientali e una batteria per lalimentazione

3 3 Applicazioni - 1 Applicazioni militari: Applicazioni militari: -Primo utilizzo: Guerra Fredda - controllo campi di battaglia - rilevazione spostamenti truppe nemiche - operazioni di localizzazione dei bersagli - Riconoscimento di agenti chimico fisici nellambito di battaglie chimico biologiche Applicazioni industriali: Applicazioni industriali: - Controllo processi produttivi - Controllo processi produttivi Controllo ambientale: Controllo ambientale: - sistemi di previsione degli incendi - agricoltura di precisione - controllo dellinquinamento - controllo dellinquinamento - statistiche relative alla fauna protetta

4 4 Applicazioni - 2 Applicazioni mediche: Applicazioni mediche: - trasmissione dei parametri fisiologici dei pazienti allinterno di ospedali - attività diagnostiche - somministrazione di medicinali - personal healtcare Home and Building Automation: Home and Building Automation: - sistema human centered - sistema technology centered - sistema Heating, Ventilation and Hair Conditioning

5 5 Reti cablate Vantaggi Non presentano limitazioni di potenza Buoni livelli di sicurezzaSvantaggi Impossibilità o difficoltà dinstallazione in ambienti inospitali per luomo Alti costi dinstallazione Struttura rigida: difficoltà dinstallazione di nuovi nodi o modifica di quelli esistenti

6 6 Reti Wireless Soluzione ai problemi delle reti cablate: Riduzione dei costi dinstallazione dei sensori I cavi necessitano dellutilizzo di connettori, soggetti ad usura Realizzazione di ambienti con alta densità di sensoriMa… Presentano svantaggi in termini di: Problemi di propagazione del segnale Interferenze Sicurezza Requisiti di Potenza Norme legislative Aumento della complessità della rete

7 7 Scelte tecnologiche capacità della rete di riconfigurarsi a seguito di guasti o malfunzionamenti in alcuni nodi Tolleranza al guasto: capacità della rete di riconfigurarsi a seguito di guasti o malfunzionamenti in alcuni nodi capacità della rete di acquisire nuovi nodi Scalabilità: capacità della rete di acquisire nuovi nodi non devono superare quelli di una normale struttura cablata Costi produttivi: non devono superare quelli di una normale struttura cablata è necessario tener conto dellambiente, spesso inospitale nel quale sarà dispiegata la rete Ambienti operativi: è necessario tener conto dellambiente, spesso inospitale nel quale sarà dispiegata la rete posizione che i diversi dispositivi vengono ad occupare nello spazio (rete a stella, peer to peer, mesh) Topologia della rete: posizione che i diversi dispositivi vengono ad occupare nello spazio (rete a stella, peer to peer, mesh) Mezzi trasmissivi: - sistemi induttivi - sistemi ottici - ultrasuoni - Radio Frequenza (RF)

8 8 Software dei mote Mote: risorse hardware limitate Sistemi operativi ad hoc TinyOS e Nesc: Primo sistema operativo e primo linguaggio di programmazione per reti di sensori, sviluppati dallUniversità di Berkeley.

9 9 TinyDB Caratteristiche: il sistema fornisce uninterfaccia che consente di recuperare informazioni dai sensori eseguendo interrogazioni espresse in un linguaggio SQL-like Sensor Network = Database Una semplice API Java per la scrittura di applicazioni che consentono di interrogare la rete ed estrarre i dati dai sensori Scopo: facilitare il compito del programmatore Scrittura di centinaia di linee di codice C per ogni dispositivo Query SQL-like su tutta la rete Applicazione per la gestione dei dati in reti di sensori, sviluppata presso lIntel Research Laboratory Berkeley e UC Berkeley. Al progetto hanno collaborato il ricercatore dellIntel Wei Hong insieme a Samuel Madden, Micheal J. Franklin e Joseph M. Hellerstein dellUC Berkeley.

10 10 Architettura Il sistema è costituito da due macrosezioni: - Software eseguito sui singoli sensori (sviluppato in NesC) - Interfaccia client (sviluppata in Java) Componenti: - Sensor Catalog: tiene traccia delle misure disponibili e di alcune proprietà caratteristiche del singolo sensore - Query Processor: gestisce tutte le fasi di esecuzione della query (ottimizzazione, disseminazione e raccolta dati, elaborazione) - Network Topology Manager: interfaccia per i componenti di livello sottostante

11 11 Linguaggio e Modello dei dati Sensors Unica tabella Sensors Righe: contengono i dati letti da ciascun dispositivo in un certo istante Colonne: identificano i vari attributi (tipo di misurazione, nodeid, timestamp,..) Illimitata, costituita da un flusso continuo di tuple Distribuita sullintero insieme di nodi TinySQL Operatori di SELECT, FROM, WHERE, GROUP BY per operazioni di selezione, proiezione, join e aggregazione Ulteriori clausole rispetto a SQL SAMPLE PERIOD, FOR SELECT nodeid, temp FROM sensors SAMPLE INTERVAL 1s FOR 10s LIFETIME SELECT … LIFETIME 10 days MIN SAMPLE INTERVAL 1s Impossibili operazioni di join e di ordinamento Materialization Point CREATE STORAGE POINT recentlight SIZE 8 AS (SELECT nodeid, light FROM sensors SAMPLE PERIOD 10s)

12 12 Interrogazioni 1) Ottimizzazione dellinterrogazione (basestation) Problema: ridurre le operazioni costose (campionamento) Ordinamento delle operazioni ( capionamento, predicati e operatori) in base a: Ordine parziale Selettività Costo di acquisizione (metadati) 2) Disseminazione dellinterrogazione nella rete Problema: riconoscimento dei nodi che non forniscono risultati per linterrogazione Soluzione: Costruzione di un SRT (Semantic Routing Tree) Campo di applicazione: predicati di selezione applicati ad attributi costanti (nodeid, location) SRT build request Parent selection message: Random Closest parent Clustered Mantenimento: Nuovi nodi Guasti Scelte di nuovi padri Problemi: Attributi non costanti Alto tasso di cambiamenti

13 13 Interrogazioni 3) Esecuzione delle interrogazioni 1. sensori in stato di sleep 2. si svegliano (evento o dati in arrivo) 3. Campionano i sensori 4. Applicazione degli operatori Gestione della sincronizzazione tra padri e figli: suddivisione delle epoch in intervalli Priorità di consegna dei dati e identificazione dei dati rilevanti: Interrogazioni di selezione: Naive Winavg Delta Aggregazioni: Snooping Adattamento al traffico e al livello energetico Eseguite da ogni sensore In ogni epoch

14 14 Conclusioni e Sviluppi Vantaggi di TinyDB: Fornisce un linguaggio semplice per linterrogazione della rete Dettagli implementativi nascosti allutente Ottimizzazione dei consumiLimiti: Difficilmente riutilizzabile in nuove tipologie di ambiente Linguaggio molto semplice: non adatto per applicazioni sofisticate Si ignora la possibilità di inserire la rete in vasti ecosistemi di raccolta dati Non supporta le reti mobili Obiettivi futuri per le reti di sensori: Migliorare le risorse energetiche Sviluppo di reti di sensori intelligenti (video sorveglianza)


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