Σχεδίαση και υλοποίηση συστήματος συλλογής, επεξεργασίας και απεικόνισης περιβαλλοντικών δεδομένων από δίκτυο ασύρματων αισθητήρων

Abstract

Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων(Wireless Sensor Networks-WSN) αποτελούνται από χωρικά κατανεμημένους αυτόνομους αισθητήρες με καθήκον την παρακολούθηση διάφορων συνθηκών. Σήμερα, τα WSN χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές βιομηχανικές και καταναλωτικές εφαρμογές. Ειδικά στην επιστήμη υπολογιστών και στις τηλεπικοινωνίες, αποτελούν ένα ενεργό τομέα έρευνας με μεγάλη δραστηριότητα. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη της ασύρματης μετάδοσης περιβαλλοντικών δεδομένων από ένα τέτοιο δίκτυο προς ένα κέντρο συλλογής, η περαιτέρω επεξεργασία, αποθήκευση και τελικά απεικόνιση τους σε μορφή φιλική προς το χρήστη και ευνοϊκή για την εξαγωγή συμπερασμάτων. Τα μεγέθη τα οποία μετρούνται είναι η θερμοκρασία, η υγρασία, η ολική ηλιακή ακτινοβολία, η ενεργή φωτοσυνθετικά ακτινοβολία και η εσωτερική τάση και θερμοκρασία της μονάδας-αισθητήρα. Αρχικά πραγματοποιείται μια σύντομη μελέτη πάνω στον κόμβο-αισθητήρα και τα συστατικά του μέρη, η οποία στη συνέχεια επεκτείνεται στο δίκτυο αισθητήρων. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο, έπειτα από σύντομη αναφορά των εφαρμογών αυτών στη σύγχρονη εποχή, γίνεται μια ανάλυση της επικοινωνίας και της κατανάλωσης ενέργειας σε τέτοια δίκτυα, όπως και των τεχνικών προκλήσεων και απαιτήσεων τους. Εν συνεχεία, γίνεται παρουσίαση της πλατφόρμας Tmote Sky της εταιρείας Moteiv, η οποία θα αποτελέσει τη μονάδα που θα χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία του ασύρματου δικτύου της εργασίας. Αυτό περιλαμβάνει την περιγραφή των συστατικών και χαρακτηριστικών, αλλά και τον τρόπο μετατροπής των τιμών που λαμβάνονται σε μορφή σύμφωνη με το διεθνές σύστημα μονάδων SI. Για τη διαχείριση των πλατφορμών χρησιμοποιήθηκε το λειτουργικό TinyOS που χρησιμοποιεί τη γλώσσα προγραμματισμού NesC, η οποία βασίζεται πάνω στη C. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στο πρωτόκολλο Tymo, δεδομένου ότι θα χρησιμοποιηθεί για την επικοινωνία πολλαπλών κόμβων στο δίκτυο. Στην εφαρμογή που υλοποιήθηκε διακρίνονται τρία επίπεδα: Μονάδες Tmote Sky, Βάση Δεδομένων και Server. Στο πρώτο επίπεδο αναπτύχθηκε μια εφαρμογή σε nesC για την λήψη μετρήσεων από τις μονάδες του δικτύου και προώθηση τους στη μονάδα-βάση. Στο δεύτερο επίπεδο δημιουργήθηκε μια βάση δεδομένων MySQL σε ένα server για την αποθήκευση των δεδομένων και μια εφαρμογή Java για τη σύνδεση του αισθητήρα-βάση με αυτήν. Στο τελευταίο επίπεδο παρουσιάζονται γραφικά οι μετρήσεις που έχουν γίνει, μαζί με το κινούμενο μέσο όρο, σε κατάλληλη ιστοσελίδα, με τη χρήση PHP, JavaScript, Google Charts Api και Google Maps Api. Η εργασία κλείνει με παρατηρήσεις επί των αποτελεσμάτων και προτάσεις για περαιτέρω ανάπτυξη της εφαρμογής.

A Wireless Sensor Network (WSN) consists of spatially distributed autonomous sensors to monitor various conditions. Nowadays, such networks are used in many industrial and consumer applications. In computer science and telecommunications, in particular, wireless sensor networks are a highly active research area. The scope of this Diploma Thesis is to develop an application in order to acquire environmental data which are wirelessly transmitted through a WSN and then process, store and eventually display them in a user-friendly way. During this application, temperature, humidity, total solar radiation (TSR), photosynthetically active radiation (PAR) and internal voltage and temperature of the sensor-node are measured. First of all, the components of a sensor-node are presented. The next logical step is analyzing WSN, starting by WSN applications and then going on to describe communication, energy consumption, technical challenges and requirements. Subsequently, the components and features of the platform Moteiv Tmote Sky are provided. This is the kind of node that will be used to form the WSN needed. Furthermore, it is shown how to convert prices received in a form consistent with the international system of units SI. Node management is achieved by using the TinyOS operating system and the programming language NesC, which is based on C. An essential part of this thesis is also the Tymo Protocol, which is used for multi-hop routing. The developed application consists of three distinct levels: Sensor-node Tmote Sky, Database and Server. The first level is a nesC application that samples the sensors of the WSN and then passes the data through the network to the base station. The second level is composed of a MySQL database located on a server and a Java application that obtains the values needed from the base-station and connects to the database to store them. In the final level, PHP is used to retrieve data along with moving average values from the database, in order to be represented graphically in a site, using JavaScript, the Google Charts Api and the Google Maps Api. In conclusion, some final observations about the results and suggestions for further development of the application are noted.