On the use of IEEE 802.15.4/Zigbee for time-sensitive wireless sensor network applications

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Severino, Ricardo
Data de Publicação: 2008
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.22/1970
Resumo: Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores
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spelling On the use of IEEE 802.15.4/Zigbee for time-sensitive wireless sensor network applicationsWireless Sensor NetworksCluster-Tree WSNReal-Time CommunicationsQuality of ServiceIEEE 802.15.4ZigBeeTinyOSERIKAMestrado em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresRecent advancements in information and communication technologies are paving the way for new paradigms in embedded computing systems. This, allied with an increasing eagerness for monitoring and controlling everything, everywhere, is pushing forward the design of new Wireless Sensor Network (WSN) infrastructures that will tightly interact with the physical environment, in a ubiquitous and pervasive fashion. Such cyber-physical systems require a rethinking of the usual computing and networking concepts, and given that the computing entities closely interact with their environment, timeliness is of increasing importance. This Thesis addresses the use of standard protocols, particularly IEEE 802.15.4 and ZigBee, combined with commercial technologies as a baseline to enable WSN infrastructures capable of supporting the Quality of Service (QoS) requirements (specially timeliness and system lifetime) that future large-scale networked embedded systems will impose. With this purpose, in this Thesis we start by evaluating the network performance of the IEEE 802.15.4 Slotted CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) mechanism for different parameter settings, both through simulation and through an experimental testbed. In order to improve the performance of these networks (e.g. throughput, energyefficiency, message delay) against the hidden-terminal problem, a mechanism to mitigate it was implemented and experimentally validated. The effectiveness of this mechanism was also demonstrated in a real application scenario, featuring a target tracking application. A methodology for modelling cluster-tree WSNs and computing the worst-case endto-end delays, buffering and bandwidth requirements was tested and validated experimentally. This work is of paramount importance to understand the behaviour of WSNs under worst-case conditions and also to make the appropriate network settings. Our experimental work enabled us to identify a number of technological constrains, namely related to hardware/software and to the Open-ZB implementation in TinyOS. In this line, a new implementation effort was triggered to port the Open-ZB IEEE 802.15.4/ZigBee protocol stack to the ERIKA real-time operating system. This implementation was validated experimentally and its behaviour compared with the TinyOS–based implementation.Os últimos avanços nas tecnologias de informação e comunicação (ICTs) estão a abrir caminho para novos paradigmas de sistemas computacionais embebidos. Este facto, aliado à tendência crescente em monitorizar e controlar tudo, em qualquer lugar, está a alimentar o desenvolvimento de novas infra-estruturas de Redes de Sensores Sem Fios (WSNs), que irão interagir intimamente com o mundo físico de uma forma ubíqua. Este género de sistemas ciber-físicos de grande escala, requer uma reflexão sobre os conceitos de redes e de computação tradicionais, e tendo em conta a proximidade que estas entidades partilham com ambiente envolvente, o seu comportamento temporal é de acrescida importância. Esta Tese endereça a utilização de protocolos normalizados, em particular do IEEE 802.15.4 e ZigBee em conjunto com tecnologias comerciais, para desenvolver infraestruturas WSN capazes de responder aos requisitos de Qualidade de Serviço (QoS) (especialmente em termos de comportamento temporal e tempo de vida do sistema), que os futuros sistemas embebidos de grande escala deverão exigir. Com este propósito, nesta Tese começamos por analisar a performance do mecanismo de Slotted CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) do IEEE 802.15.4 para diferentes parâmetros, através de simulação e experimentalmente. De modo a melhorar a performance destas redes (ex. throughput, eficiência energética, atrasos) em cenários que contenham nós escondidos (hidden-nodes), foi implementado e validado experimentalmente um mecanismo para eliminar este problema. A eficácia deste mecanismo foi também demonstrada num cenário aplicacional real. Foi testada e validada uma metodologia para modelizar uma WSN em cluster-tree e calcular os piores atrasos das mensagens, necessidades de buffering e de largura de banda. Este trabalho foi de grande importância para compreender o comportamento deste tipo de redes para condições de utilização limite e para as configurar a priori. O nosso trabalho experimental permitiu identificar uma série de limitações tecnológicas, nomeadamente relacionadas com hardware/software e outras relacionadas com a implementação do Open-ZB em TinyOS. Isto desencadeou a migração da pilha protocolar IEEE 802.15.4/ZigBee Open-ZB para o ERIKA, um sistema operativo de tempo-real. Esta implementação foi validada experimentalmente e o seu comportamento comparado com o da implementação baseada em TinyOS.Instituto Politécnico do Porto. Instituto Superior de Engenharia do PortoAlves, MárioKoubâa, AnisRepositório Científico do Instituto Politécnico do PortoSeverino, Ricardo2013-09-20T10:17:58Z20082008-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.22/1970enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-03-13T12:41:30Zoai:recipp.ipp.pt:10400.22/1970Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T17:23:06.091490Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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