Università degli studi di Modena e Reggio Emilia

1. Università degli studi di Modena e Reggio Emilia Facoltà d’Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica TINYDB: GESTIONE DEI DATI IN RETI DI SENSORI Candidato: Giorgia Loschi Relatore: Chiar.mo Prof. Sonia Bergamaschi materiale disponibile all’url http://www.dbgroup.unimo.it/tesi/indexNod.html

2. Reti di sensori: generalità 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 l’alimentazione • 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 dall’Università della California Berkeley (USA) • Scopo di una rete di sensori: monitoraggio e/o controllo di un ambiente Memoria di lavoro Memoria di massa Sensori: Temperatura Umidità Rumore … Microprocessore: Capacità di elaborazione Ottimizzazione dell’energia

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

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

5. Vantaggi Non presentano limitazioni di potenza Buoni livelli di sicurezza Svantaggi Impossibilità o difficoltà d’installazione in ambienti inospitali per l’uomo Alti costi d’installazione Struttura rigida: difficoltà d’installazione di nuovi nodi o modifica di quelli esistenti Reti cablate

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

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

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 dall’Università di Berkeley.

9. TinyDB Applicazione per la gestione dei dati in reti di sensori, sviluppata presso l’Intel Research Laboratory Berkeley e UC Berkeley. Al progetto hanno collaborato il ricercatore dell’Intel Wei Hong insieme a Samuel Madden, Micheal J. Franklin e Joseph M. Hellerstein dell’UC Berkeley. Caratteristiche:il sistemafornisce • un’interfaccia 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

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. Linguaggio e Modello dei dati • 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 sull’intero 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. Interrogazioni • 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 1) Ottimizzazione dell’interrogazione (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 dell’interrogazione nella rete Problema: riconoscimento dei nodi che non forniscono risultati per l’interrogazione Soluzione:Costruzione di un SRT (Semantic Routing Tree) Campo di applicazione: predicati di selezione applicati ad attributi costanti (nodeid, location)

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. Conclusioni e Sviluppi Vantaggi di TinyDB: • Fornisce un linguaggio semplice per l’interrogazione della rete • Dettagli implementativi nascosti all’utente • Ottimizzazione dei consumi Limiti: • 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)