基於OpenWSN之無線感測網路系統的實作 Speaker: Bo-Yu Huang Advisor: Dr. Ho-Ting Wu 2016/07/01

Outline 相關背景及技術介紹 系統分析與設計 系統實作 目前進度

WSN IEEE802.15.4 IEEE802.15.4e CoAP OpenWSN 相關背景技術介紹

WSN

IEEE802.15.4 IEEE802.15.4協定是針對短距離低功耗的無線通道所特別設計的MAC層 及PHY層架構，所以目前有許多利用此協定而開發完成的無線感測網路 系統

IEEE802.15.4e 為了使IEEE802.15.4的MAC層協定更加符合工業環境上低電耗與即時性 的要求，IEEE協會於2012年訂定新的IEEE802.15.4e標準，其中最重要 的是捨棄了原先IEEE802.15.4 MAC層的CSMA/CA機制，而採用TDMA 的傳輸模式來確保資料可以被送出，達到資料傳輸時間延遲的保證與工 業級無線感測網路中高可靠度的需求。

Slotted structure A slotframe repeats over time Number of slots in a slotframe is tunable

Schedule IEEE802.15.4e中指定MAC層執行TDMA的傳輸模式，但沒有指定如何實 現排程機制。

CoAP 由於物聯網中的很多設備都是資源受限的，只有少量的內存空間和有限 的計算能力，所以傳統的HTTP協議應用在物聯網上就顯得過於龐大而不 適用 因此IETF的CoRE工作組提出了一種基於REST(Representational State Transfer)架構的CoAP協議 應用程式通過URI標識來獲取伺服器上的資源，像HTTP協議對資源進行 GET、PUT、POST和DELETE等操作

CoAP URI scheme coap-URI = “coap:” ”//” host [:port] path-abempty [“?” query] 例: coap://[bbbb::1415:9200:116e:d9ab]:5683/temperature

Request/Response Model

Request/Response Model

OpenWSN The goal of the OpenWSN project is to provide open-source implementations of a complete protocol stack based on Internet of Things standards, on a variety of software and hardware platforms.

OpenWSN protocol stack

Cell type in schedule Cell Type Description CELLTYPE_OFF slot that doesn't do anything CELLTYPE_TXRX slot for sending/receiving CELLTYPE_TX slot for sending packet CELLTYPE_RX slot for receiving packet CELLTYPE_SERIALRX slot for listening data from serial port

OpenWSN default schedule table Offset Type Shared? Channel Nbr Type RX TX TX ACK Last ASN 3 (TXRX) 1 (anycast) 9 4 0x0000d8349b 4 (SERIALRX) (None) 0x0000000000 2 3 0 (OFF) 5 6

系統目標 系統架構 系統運作流程 系統設計與分析

系統目標 藉由CoAP實現集中式排程機制 確認排程依照演算法產生的schedule table安排 使用者能夠對各節點下指令(設定感測資訊回傳頻率) 感測資訊收集與呈現 拓樸改變時重新排程並傳送感測資訊

系統架構 Web Server Database Manager OpenVisualizer Sensor Nodes(Tmote Sky)

Web server 提供使用者操作介面，讓使用者能隨時隨地透過瀏覽器得知目前 mesh network中有哪些節點 針對各節點下達感測命令 觀看各節點回傳的資料

Database MySQL database server 儲存感測節點回傳的資料，包含時間、來源以及感測資訊(光度)

Manager 接收Web server指令 同時扮演CoAP Client 及 CoAP Server的角色 Schedule algorithm 對各節點發送安排時槽的訊息(Client) 檢查各節點schedule table是否正確安排(Client) 將各節點的schedule table重置(Client) 拓樸改變時重新排程 記錄各節點的task

Sensor nodes 同時扮演CoAP Client 及 CoAP Server的角色 接收Manger發出的request(Server) 根據request增加cell( slotoffset, channeloffset, celltype, neighbor address) 根據request檢查cell，並回傳檢查結果給Manager 根據request回傳感測資訊(Client)

OpenVisualizer 將 OpenWSN network 與 Internet 透過 virtual interface連接 顯示節點的內部狀態(neighbor table, scheduling table, queue, etc.)

系統運作流程 Toggle DAGroot state Network Formulation Routing Scheduling Set sensor period Data collection 拓樸改變時重新排程 OpenVisualizer Manager

系統實作 集中式排程機制 Client side Server side 排程結果檢查機制 拓樸改變重新排程機制 OpenVisualizer Manager 系統實作

集中式排程機制 由Network Manager負責建立、維護及管理網路的排程和拓樸資訊 藉由路由演算(RPL)來決定哪個節點為其它節點的父/子節點，依此建立 網路拓樸。 排程演算法產生scheduling table Manager將建立的排程表，分配時槽給網路中的各個節點 各節點只需按照排程表所分配的時槽執行傳輸、接收或睡眠的動作

Schedule table format Source address Destination address slotoffset channeloffset

Client side Cell information 包含 slotoffset celltype channeloffset neighbor

Server side

排程結果檢查機制 由於CoAP的傳輸層協定為UDP，儘管能夠以Confirmable message的形 式來傳送，仍無法100%保證訊息一定能送達 如此一來便有可能發生資料沒有辦法傳送或接收的問題

Client side

Server side

拓樸改變重新排程機制 在網路拓樸改變時（有任何一個新的節點加入或是離開此網路）， Network Manager會收到此通知並更新拓樸資訊，重新產生一個新的排 程表並通知受影響的節點。 當DODAGroot超過一定時間沒收到某個節點的DAO即可視該節點已經脫 離此網路。

OpenVisualizer DAO約每60秒發送一次 系統目前將threshold定為70秒

Manager

目前進度 已完成: 集中式排程機制實作 排程檢查機制實作 拓樸改變機制實作 感測資料收集與呈現 GUI

Thanks for listening