Transcript Ubiquitous Computing Practice Part 1

Spring Semester, 2011
Ubiquitous Computing Practice
- Part 3(RF통신, MAC 프로토콜) Laboratory of Intelligent Networks @ KUT
(http://link.kut.ac.kr)
Yong-hwan Kim
5. Photo 센서 제어(RF 통신)
BS520 Photo 센서를 이용하여 빛과 적외선을 측정하고
그 결과를 RF 무선통신을 통해 다른 노드에 전송
2
Ubiquitous Computing
적외선 센서 BS520
적외선 센서 BS520


3
적 외 선 센 서 인 BS520 은 ATmega128 의 ADC1 과
연결되어 있다.
적외선의 강약에 따라 BS520의 출력 AD가 변화하기
때문에, ADC1로 들어오는 전류 변화량에 따라 적외선
값을 측정할 수 있다.
Ubiquitous Computing
OscilloscopeUltraredRF 예제의 구성도
무선통신


4
ZigbeX 1
ZigbeX 0
OscilloscopeUltraRF
BaseStation
시리얼케이블
1번 노드 – 256ms 마다 측정한 Photo 값을 10번 모아
RF 무선통신을 통해 주위에 broadcast
0번 노드 – RF 데이터를 수신하여 serial 전송
Ubiquitous Computing
OscilloscopeUltraredRF 예제의 구성

RF 로 전송하기 위해 필요한 컴포넌트
 ActiveMessageC : RF 상태 관련 초기화(SplitControl 사용)
 AMSender, AMReceiverC : message 전송, 수신

AM_OSILLOSCOPE는 메시지 type 설정됨
 message type이 AM_OSCILLOSCOPE일 경우만 receive
5
Ubiquitous Computing
OscilloscopeApp.nc
configuration OscilloscopeAppC { }
implementation
{
components OscilloscopeC, MainC, LedsC,
new TimerMilliC (), new SensirionSht11C() as Sensor,
SerialActiveMessageC , new AMSenderC (AM_OSCILLOSCOPE),
new AMReceiverC (AM_OSCILLOSCOPE);
}
6
OscilloscopeC.Boot -> MainC;
OscilloscopeC.RadioControl -> ActiveMessage;
Oscilloscope.AMSend ->AMSenderC;
Oscilloscope.Receive ->AMReceiverC;
Oscilloscope.Timer ->TimerMilliC;
Oscilloscope.Read ->Sensor;
Oscilloscope.Leds ->LedsC;
Ubiquitous Computing
OscilloscopeC.nc
OscilloscopeC.nc 파일

경로:
 /opt/tinyos-2.x/contrib/zigbex/
OscilloscopeUltraredRF/OscilloscopeC.nc

함수 실행순서
 Boot.booted() → RadioControl.start ()
 RadioControl.startDone () → startTimer ()
 startTimer () → Timer.startPeriodic ()
 반복 Timer.fired () → Read.read () → 적외선값 측정 →
AMSend.send ()
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Ubiquitous Computing
OscilloscopeC.nc
1:
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21:
8
#include "Timer.h"
#include "Oscilloscope.h"
module OscilloscopeC
{
uses {
interface Boot;
interface SplitControl as RadioControl;
interface AMSend;
interface Receive;
interface Timer<TMilli>;
interface Read<uint16_t>;
interface Leds;
}
}
implementation
{
message_t sendbuf;
bool sendbusy;
oscilloscope_t local;
uint8_t reading;
bool suppress_count_change;
1~2: OscilloscopeC.nc 에서는 먼저 include 명령어
를 통해 Timer.h, Oscilloscope.h 에 있는 내용을
참조한다.
3~14: Module파일에 uses에는 사용할 인터페이스
들을 기술하고 있다.
Ubiquitous Computing
OscilloscopeC.nc
22:
void report_problem() {
call Leds.led0Toggle(); }
void report_sent() {
call Leds.led1Toggle(); }
void report_received() {
call Leds.led2Toggle(); }
event void Boot.booted() {
local.interval = DEFAULT_INTERVAL;
local.id = TOS_NODE_ID;
If (call RadioControl.start() !=
SUCCESS) report_problem();
}
void startTimer() {
call Timer.startPeriodic(local.interval);
reading = 0;
}
event void RadioControl.startDone
(error_t error) {
startTimer();
}
event void RadioControl.stopDone
(error_t error) {
}
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25~30: Boot.booted함수에서는 oscilloscope.h
헤더 파일에 있는 oscilloscope_t 구조체 변수 local의
interval 과 id를 초기화 하고, ActiveMessageC에서
제공하는 RadioControl.start()를 호출하여 RF통신을
위한 초기화를 수행한다.
35~37: 시리얼 컴포넌트의 초기화가 완료되면
RadioControl.startDone 이벤트 함수가 호출되고,
이제 시리얼이 초기화되어 통신이 가능하므로 여기에
센서 데이터를 읽어올 Timer를 시작한다.
Ubiquitous Computing
OscilloscopeC.nc
40:
event message_t* Receive.receive
(message_t* msg, void* payload,
uint8_t len) {
oscilloscope_t *omsg = payload;
report_received();
if (omsg->version > local.version)
{
local.version = omsg->version;
local.interval = omsg->interval;
startTimer();
}
if (omsg->count > local.count)
{
local.count = omsg->count;
suppress_count_change = TRUE;
}
return msg;
}
event void Timer.fired() {
if (reading == NREADINGS)
{
If (!sendbusy && sizeof local <= call
AMSend.maxPayloadLength())
41:
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40~55: AM_OSCILLOSCOPE type을 갖는 데이터를
RF로부터 수신했을 경우 Receive.receive이벤트 함
수가 호출되며, 수신한 메시지의 Payload영역에 저
장한 oscilloscope_t 구조체의 데이터에 따라 센싱
타이머 주기와 count필드의 값을 수동으로 변경 하게
된다.
56~75: 타이머 이벤트가 발생할 때 마다
Timer.fired() 이벤트 함수가 호출된다. 이 함수에서는
oscilloscope_t 구조체의 데이터를 저장하는
readings변수에 10개의 데이터가 다 입력됐을 경우,
AMSend.send함수를 통해 데이터를 전송한다. 성공
시 bool형 변수인 sendbusy에 TRUE 값을 준다.
성공 하지 못했을 경우에는 report _problem()를
호출하여 적색 LED를 토글시킨다.
Ubiquitous Computing
OscilloscopeC.nc
61:
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{
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75:
memcpy(call AMSend.
getPayload(&sendbuf), &local,
sizeof local);
if (call AMSend.send
(AM_BROADCAST_ADDR,
&sendbuf, sizeof local) ==
SUCCESS)
sendbusy = TRUE;
}
if (!sendbusy)
report_problem();
reading = 0;
if (!suppress_count_change)
local.count++;
suppress_count_change = FALSE;
}
if (call Read.read() != SUCCESS)
report_problem();
}
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Ubiquitous Computing
OscilloscopeC.nc
76:
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92: }
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event void AMSend.sendDone(message_t*
msg, error_t error) {
if (error == SUCCESS)
report_sent();
else
report_problem();
sendbusy = FALSE;
}
event void Read.readDone(error_t
result, uint16_t data) {
if (result != SUCCESS)
{
data = 0xffff;
report_problem();
}
local.readings[reading++] = data;
report_received();
}
76~82: 메시지 전송이 완료 되었을 경우 성공하면
report_sent() 함수를 호출하여 녹색LED를 토글시
키고, 실패 시에는 report_problem() 함수를 호출하
여 적색LED를 토글시킨다.
83~91: 데이터 전송이 완료되면 Read.readDone
이벤트 함수가 호출되고 ADC값을 local구조체의
readings 필드에 입력한다. 그런 후 report_received()
함수를 호출하여 황색 LED를 토글시킨다.
Ubiquitous Computing
BaseStation
BaseStation



13
경로 /opt/tinyos-2.x/contrib/zigbex/BaseStation/
무선으로 받은 데이터는 시리얼로 전송
시리얼로 받은 데이터는 무선으로 전송
Ubiquitous Computing
Group Id


Broadcast 전송이므로 다른 조의 AM_OSCILLOSCOPE
타입의 패킷이 나의 BaseStation으로 전송 가능
Makefile에 다음 줄을 추가 후 컴파일
CFLAGS += -DDEFINED_TOS_AM_GROUP=0x22
그룹을 나눔으로써 그룹 아이디가 다를 경우 패킷이 CPU
쪽으로 올라오지 않도록 하는 방법이지만 RF채널을 변경한
것은 아니므로 충돌문제나 기타 성능향상은 되지 않음
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Ubiquitous Computing
OscilloscopeUltraredRF 예제 실습
BaseStation 컴파일 및 포팅
$ cd /opt/tinyos-2.x/contrib/zigbex/BaseStation
$ make zigbex
OscilloscopeUltraredRF 컴파일 및 포팅
$ cd /opt/tinyos-2.x/contrib/zigbex/OscilloscopeUltraredRF
$ make zigbex
java program을 이용하여 데이터 확인
$ java net.tinyos.sf.SerialForwarder –comm serial@COMX:57600 &
$ cd java
$ make
$ ./run
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Ubiquitous Computing
6. 기본 무선통신 프로토콜
MAC 프로토콜의 특징과 사용법을
실제 무선 송수신 예제를 통해 연습
Ubiquitous Computing
OSI 7계층





실제 서비스 구현
HTTP, SMTP, 채팅 프로그램
상호간의 접속이 이루어지도록 함
TCP, UDP
네트워크 라우팅, 흐름 제어
IP
신뢰성 있는 정보 수단 제공(에러 검출,
재전송, 충돌 회피)
연속적 비트 스트림 전송
Ubiquitous Computing
기본 지식
TinyOS의 기본 MAC 프로토콜


TinyOS에서는 무선 RF 칩 CC2420의 제어를 위해 CC2420Radio
컴포넌트를 제공하고 있으며, CC2420Radio 컴포넌트에는 TinyOS에서
사용되는 간단한 MAC 프로토콜도 함께 구현됨
앞에서 사용한 ActiveMessageC, AMSenderC, AMReceiverC 중
AMSenderC는 Queue를 가지고 CC2420ActiveMessageC 컴포넌트에게
전송할 데이터를 하나씩 처리하는 스케줄링 기능 지원
무선 MAC 형태
CSMA/CA 방식
반송파 감지
RSSI 기반의 CCA(Clear Channel Assessment :
RSSI 값이 일정 threshold 값 이상이면 전송안함)
랜덤 Backoff
MacBackoff 및 Random 컴포넌트 제공(데이터
전송 전에 [0,N] 숫자 중 하나를 랜덤 선택하여
그 시간만큼 기다린 후 전송)
재전송 기법
DATA/ACK 형태의 패킷 전송(DATA에 대한 ACK
가 오지 않으면 충돌으로 간주하고 재전송)
Ubiquitous Computing
BasicMAC.nc


1초마다 조도 센서로부터 측정값을 받은 후 그
내용을 RF 무선 통신을 위해 주변 노드에게 전달
내용 전달시 MAC 프로토콜에 근거하여 순서 정함
Ubiquitous Computing
BasicMAC.nc
configuration BasicMAC { }
implementation
{
components MainC, BasicMACM, new TimerMilliC(), LedsC
, new PhotoSensorC() as Photo, ActiveMessageC
, new AMSenderC(AM_BMACMSG), new AMReceiverC(AM_BMACMSG);
}
BasicMACM.Boot -> MainC;
BasicMACM.Packet ->ActiveMessageC;
BasicMACM.Timer -> TimerMilliC;
BasicMACM.Leds -> LedsC;
BasicMACM.Photo -> Photo;
BasicMACM.CommControl -> ActiveMessageC;
BasicMACM.RecvMsg -> AMReceiverC;
BasicMACM.DataMsg -> AMSenderC;
Ubiquitous Computing
BasicMACM.nc
BasicMACM.nc 파일

경로:
 /opt/tinyos-2.x/contrib/zigbex/BasicMAC/BasicMACM.nc

함수 실행순서
 Boot.booted() → SerialControl.start ()
 SerialControl.startDone () → startTimer ()
 startTimer () → Timer.startPeriodic ()
 반복
Timer.fired () → Read.read () → 조도값 측정 → Read.read
Done() → AMSend.send ()
Ubiquitous Computing
BasicMACM.nc
1: module BasicMACM
2: {
3: uses {
4:
interface Timer<TMilli>;
5:
interface Leds;
6:
interface Read<uint16_t> as Photo;
7:
interface SplitControl as CommControl;
8:
interface AMSend as DataMsg;
9:
interface Receive as RecvMsg;
10: interface Packet;
11: interface Boot;
12: }
13: }implementation{
14: struct BasicMAC_Msg *pack;
15: message_t sendmsg;
16: uint8_t recvNumber;
17: uint16_t seq_;
18: event void Boot.booted() {
19: call CommControl.start();
20: recvNumber = 0;
21: seq_ = 0;
22: }
18: Main 컴포넌트에 의해 먼저 시작되는
Boot.booted() 함수에서는 CommControl 인터페이
스를 start하고 이 예제에서 사용할 여러 변수들을
초기화한다.
Ubiquitous Computing
BasicMACM.nc
23: event void CommControl.startDone
(error_t error) {
24: call Timer.startPeriodic(1000);
25: }
26: event void CommControl.stopDone
(error_t error) {
27: }
23: RF의 초기화가 완료되면
CommControl.startDone( ) 이벤트 함수가 호출되면
1초마다 주기적인 동작을 수행하도록
Timer.startPeriodic(1000) 함수를 호출한다.
28: event void Photo.readDone
(error_t result,uint16_t data) {
29: if(result == SUCCESS){
30:
struct BasicMAC_Msg BasicMAC_M;
31:
BasicMAC_M.seq = seq_++;
32:
BasicMAC_M.TTL = Default_TTL;
33:
BasicMAC_M.SenderID = TOS_NODE_ID;
34:
BasicMAC_M.data[0] = data ;
35:
memcpy(call DataMsg.getPayload(
&sendmsg), (uint8_t *)&BasicMAC_M,
sizeof(struct BasicMAC_Msg));
36:
call Packet.setPayloadLength(&sendmsg,
sizeof(struct BasicMAC_Msg));
28: 조도 센서값의 측정이 끝나면 Photo.readDone( )
함수호출되고, 이 함수 내에서는 받은 조도 데이터를
BasicMAC_M 구조체 변수에 저장한다. 그리고
DataMsg.send(...) 함수를 통해 무선으로 해당 데이
터를 브로드 캐스팅(AM_BROADCAST_ADDR)한다.
하지만 AM_BROADCAST_ADDR 대신 특정 번호를
주소 필드에 기입하게 되면, 해당 번호를 아이디로
갖는 노드만 데이터를 받게 되는 유니캐스팅이 일어
난다.
Ubiquitous Computing
BasicMACM.nc
37:
if (call DataMsg.send(AM_BROADCAST_ADDR,
&sendmsg, call Packet.payloadLength
(&sendmsg)) == SUCCESS){
call Leds.led2On();
//Yellow On
}
38:
39:
40: }
41: }
42: event void DataMsg.sendDone(message_t*
msg, error_t error) {
43: if (error == SUCCESS){
44:
call Leds.led2Off();
//Yellow Off
45: }
46: }
47: event void Timer.fired() {
48: call Leds.led1Toggle();
//Green Toggle
49: call Photo.read();
50: }
51: event message_t* RecvMsg.receive
(message_t* msg, void* payload,
uint8_t len) {
52: call Leds.led0Toggle();
//Red Toggle
53: return msg;
54: }
55: }
47: Timer에 의해 1초마다 Timer.fired()가 호출되면,
Photo.read() 함수를 호출하여 ADC[0]에 있는 조도
센서값을 Photo 컴포넌트에게 요청한다.
51: 다른 노드로부터 무선 데이터를 받게 될 경우,
RecvMsg.receive (...) 함수가 호출된다. 프로그래머
는 받은 데이터의 처리를 위해, RecvMsg.receive (...)
함수 내에 기술하여 수신 프로그램을 작성할 수 있다.
Ubiquitous Computing
BMAC.h
BMAC.h 에 정의된 데이터 포멧
#define DATA_MAX 10
struct BasicMAC_Msg
{
uint16_t seq;
uint16_t TTL;
};
uint16_t SenderID;
uint16_t data[DATA_MAX];
//패킷 번호
//무한 루프를 방지하기 위한 값
(현재 예제에서는 사용 안됨)
//소스 노드의 address
//측정된 조도값
enum {
AM_BMACMSG = 10
};
Ubiquitous Computing
BasicMAC 예제 실습
BasicMAC 컴파일 및 포팅
$
$
$
$



cd /opt/tinyos-2.x/contrib/zigbex/BasicMAC
make zigbex
make zigbex reinstall.0
//0번 아이디
make zigbex reinstall.1
//1번 아이디
AVR Studio를 이용하여 두 개의 센서 노드에 각각
reinstall된 hex파일을 program 함.
두 개의 센서 노드의 전원을 on하게 되면 1초마다 Green
LED와 Yellow LED의 빛이 깜박 거리는 것을 확인
한쪽 Yellow LED가 순간 깜박 거릴 때 (데이터를 송신한
후), 다른 쪽 노드의 Red LED (송신된 데이터를 모두
수신한 후)가 on/off를 반복함을 확인
Ubiquitous Computing