Experimental analysis of an IEEE 802.15.4e Wireless Sensor Network (Master thesis)
Κέντρας, Σοφοκλής
The technological development of the days and the creation of powerful microcontrollers have helped to build small-size devices that communicate with each other both at short distances and remotely using the internet. To define the network that creates this type of device, the term Internet of Thinks (IoT) was born. These devices are usually sensors that simply collect data such as the temperature of a region or a person and then process that data from the end user or exchange the data they collect to achieve a purpose such as activating the heating. Communication between sensors and the end user can be achieved by cable and wireless connection. In the case of wireless communication, create a new class of networks of Wireless Sensor Network (WSN).
With the emergence of WSN, new communication needs are created in terms of energy consumption during communication, speed of data transfer and security issues. To meet all these requirements, a new IEEE 802.15.4 communication protocol was created. In addition, a series of open source operating systems have been developed for the operation of the sensors as the requirements for system resources of the existing ones could not be covered by the sensors. In order to better understand the operation of wireless sensor networks, an experimental layout was created using the OpenMote and OpenWSN operating systems.
| Institution and School/Department of submitter: | Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών/ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής |
| Subject classification: | IEEE 82.15.4 Συστήματα ασύρματης επικοινωνίας Wireless communication systems |
| Keywords: | IEEE 82.15.4;WSN;IoT;OpenMote;OpenWSN |
| Description: | Η τεχνολογική ανάπτυξη των ημερών μας και η δημιουργία ισχυρών μικροελεγκτών βοήθησαν στη κατασκευή μικρών σε μέγεθος συσκευών που επικοινωνούν μεταξύ τους τόσο σε κοντινές αποστάσεις όσο και απομακρυσμένα κάνοντας χρήση του διαδικτύου. Για τον προσδιορισμό του δικτύου που δημιουργούν αυτού του είδους συσκευές γεννήθηκε ο όρος Διαδίκτυο των Πράγματων (Internet of Thinks-IoT). |
| URI: | http://195.251.240.227/jspui/handle/123456789/12069 |
| Item type: | masterThesis |
| General Description / Additional Comments: | Μεταπτυχιακή |
| Subject classification: | IEEE 82.15.4 Συστήματα ασύρματης επικοινωνίας Wireless communication systems |
| Item language: | el |
| Item access scheme: | account |
| Institution and School/Department of submitter: | Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών/ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής |
| Publication date: | 2017-10-18 |
| Bibliographic citation: | <<Σοφοκλή Κέντρα>>, <<Experimental analysis of an IEEE 802.15.4e Wireless Sensor Network>>, <<Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών/ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής>>, <<Τ.Ε.Ι. Θεσσαλονίκης>>, <<2017>> |
| Abstract: | Η τεχνολογική ανάπτυξη των ημερών μας και η δημιουργία ισχυρών μικροελεγκτών βοήθησαν στη κατασκευή μικρών σε μέγεθος συσκευών που επικοινωνούν μεταξύ τους τόσο σε κοντινές αποστάσεις όσο και απομακρυσμένα κάνοντας χρήση του διαδικτύου. Για τον προσδιορισμό του δικτύου που δημιουργούν αυτού του είδους συσκευές γεννήθηκε ο όρος Διαδίκτυο των Πράγματων (Internet of Thinks-IoT). Οι συσκευές αυτές συνήθως είναι αισθητήρες που είτε απλά συλλέγουν δεδομένα όπως η θερμοκρασία μιας περιοχή ή ενός ατόμου, και στην συνέχεια αυτά τα δεδομένα επεξεργάζονται από τον τελικό χρήστη είτε ανταλλάσσουν μεταξύ τους τα δεδομένα που συλλέγουν για την επίτευξη ενός σκοπού όπως ενεργοποίηση της θέρμανσης. Η επικοινωνία μεταξύ των αισθητήρων και του τελικού χρήστη μπορεί να επιτευχθεί ενσύρματα και ασύρματα. Στη περίπτωση της ασύρματης επικοινωνίας δημιουργείτε μια νέα κατηγορία δικτύων τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (Wireless Sensor Network – WSN).
Με την εμφάνιση των WSN δημιουργούνται νέες ανάγκες στην επικοινωνία που αφορούν την κατανάλωση ενέργειας κατά την επικοινωνία, την ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων καθώς και θέματα ασφάλειας. Για την κάλυψη όλων αυτών των απαιτήσεων δημιουργήθηκε ένα νέο πρωτόκολλο επικοινωνίας το IEEE 802.15.4. Για την λειτουργία των αισθητήρων αναπτύχθηκαν μια σειρά από λειτουργικά συστήματα ανοιχτού κώδικα μιας και οι απαιτήσεις για πόρους συστήματος των ήδη υπαρχόντων δεν μπορούσαν να καλυφθούν από τους αισθητήρες. Για την καλύτερη κατανόηση της λειτουργίας των WSN δημιουργήθηκε μια πειραματική διάταξη με την χρήση των αισθητήρων OpenMote και του λειτουργικού συστήματος OpenWSN. The technological development of the days and the creation of powerful microcontrollers have helped to build small-size devices that communicate with each other both at short distances and remotely using the internet. To define the network that creates this type of device, the term Internet of Thinks (IoT) was born. These devices are usually sensors that simply collect data such as the temperature of a region or a person and then process that data from the end user or exchange the data they collect to achieve a purpose such as activating the heating. Communication between sensors and the end user can be achieved by cable and wireless connection. In the case of wireless communication, create a new class of networks of Wireless Sensor Network (WSN). With the emergence of WSN, new communication needs are created in terms of energy consumption during communication, speed of data transfer and security issues. To meet all these requirements, a new IEEE 802.15.4 communication protocol was created. In addition, a series of open source operating systems have been developed for the operation of the sensors as the requirements for system resources of the existing ones could not be covered by the sensors. In order to better understand the operation of wireless sensor networks, an experimental layout was created using the OpenMote and OpenWSN operating systems. |
| Table of contents: | 1 Εισαγωγή ............................................................................................................................. 1 1.1 Το διαδίκτυο των πραγμάτων- IoT ..............................................................................1 1.1.1 Τεχνολογίες του IoT ...............................................................................................1 1.2 Αντικείμενο της διπλωματικής εργασίας .....................................................................3 1.3 Οργάνωση κειμένου .....................................................................................................3 2 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (Wireless Sensor Network-WSN) ................................ 4 2.1 Σχεδιασμός του δικτύου ...............................................................................................4 2.1.1 Σύγκριση με τα ad hoc ...........................................................................................5 2.1.2 Τύποι ασύρματων δικτύων αισθητήρων ................................................................5 2.1.3 Προκλήσεις για τον σχεδιασμό του δικτύου ...........................................................5 2.1.4 Στόχοι του σχεδιασμού των δικτύων......................................................................7 2.1.5 Κόμβοι του δικτύου ...............................................................................................9 2.1.6 Αρχιτεκτονική του δικτύου ...................................................................................10 2.1.7 Τρόποι ανταλλαγής πακέτων ...............................................................................12 2.2 Λειτουργικά συστήματα ............................................................................................13 2.2.1 Contiki ................................................................................................................13 2.2.2 TinyOs .................................................................................................................14 2.2.3 RIOT ...................................................................................................................15 2.2.4 OpenWSN ............................................................................................................15 2.3 Εφαρμογές των Ασύρματων δικτύων αισθητήρων ....................................................17 2.3.1 Στρατιωτική χρήση ..............................................................................................17 2.3.2 Υγεία ....................................................................................................................17 2.3.3 Χρήση στο περιβάλλον .........................................................................................18 2.3.4 Οικιακή χρήση .....................................................................................................18 2.3.5 Έλεγχος κτηριακών εγκαταστάσεων ....................................................................18 2.3.6 Γεωργία και κτηνοτροφία ....................................................................................18 2.4 Ενέργεια .....................................................................................................................19 2.5 Ασφάλεια ...................................................................................................................21 vi 3 Το πρωτόκολλο 802.15.4 .................................................................................................. 24 3.1 Τεχνικές προδιαγραφές του IEEE 802.15.4 ...............................................................25 3.1.1 Δομή πλαισίου .....................................................................................................25 3.1.2 Δομή του πλαισίου Superframe ...........................................................................27 3.1.3 Το φυσικό επίπεδο- PHY .....................................................................................28 3.1.4 Το επίπεδο MAC..................................................................................................32 3.1.5 Τοπολογίες και Εκπομπή δεδομένων ...................................................................38 3.2 Ασφάλεια ...................................................................................................................41 3.2.1 Απειλές ................................................................................................................41 3.2.2 Λειτουργία του μηχανισμού ασφαλείας ................................................................43 3.2.3 Μηχανισμοί ασφάλειας ........................................................................................46 3.3 Ενέργεια .....................................................................................................................48 3.4 Το πρωτόκολλο IEEE 802.15.4e ................................................................................48 3.4.1 Χαρακτηριστικά του ΙΕΕΕ 802.15.4e ..................................................................49 3.4.2 Το επίπεδο MAC..................................................................................................49 4 Πρακτική εφαρμογή ......................................................................................................... 54 4.1 Αισθητήρας OpenMote CC-2538 ..............................................................................54 4.1.1 Τεχνικά Χαρακτηριστικά Αισθητήρα OpenMote CC-2538 ..................................55 4.1.2 Τεχνικά Χαρακτηριστικά OpenBase ....................................................................57 4.1.3 Τεχνικά χαρακτηριστικά OpenBattery ................................................................58 4.2 Πρωτόκολλο Εφαρμογών με Περιορισμούς (Constrained Application Protocol-CoAP) ...................................................................................................................................58 4.2.1 Αποστολή και λήψη μηνυμάτων ...........................................................................60 4.2.2 Universal Resource Identifier- URI ....................................................................61 4.2.3 ΟιμέθοδοιGET, POST, PUT καιDELETE .......................................................62 4.2.4 Ασφάλεια .............................................................................................................63 4.2.5 Californium .........................................................................................................66 4.3 Πειραματική Διάταξη.................................................................................................66 4.3.1 Εγκατάσταση OpenWSN ......................................................................................67 4.3.2 Μετρήσεις ............................................................................................................68 5 Επίλογος ............................................................................................................................ 71 vii 5.1 Συμπεράσματα ...........................................................................................................71 5.2 Μελλοντική έρευνα ....................................................................................................72 6 Βιβλιογραφία ..................................................................................................................... 74 |
| Advisor name: | Χατζημίσιος, Περικλής |
| Examining committee: | Χατζημίσιος, Περικλής |
| Publishing department/division: | Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών/ Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής |
| Publishing institution: | teithe |
| Appears in Collections: | Μεταπτυχιακές Διατριβές |
Files in This Item:
There are no files associated with this item.
Please use this identifier to cite or link to this item:
This item is a favorite for 0 people.
http://195.251.240.227/jspui/handle/123456789/12069
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
