Εργαστήριο Προγραμματισμού και Επεξεργασίας Πληροφοριών
Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων αποτελούν μια κατηγορία συστημάτων που αξιοποιούνται σε πολλές πτυχές της ζωής. Είναι δίκτυα αποτελούμενα από αισθητήρες-κόμβους με δυνατότητες συλλογής δεδομένων των συστημάτων που παρακολουθούν. Παρουσιάζουν ωστόσο αρκετές προκλήσεις ανάλογα με το πεδίο εφαρμογής τους, οι οποίες καθιστούν την επικοινωνία μεταξύ των κόμβων και κατ’ επέκταση τη μεταφορά των δεδομένων που συλλέγουν μια απαιτητική διαδικασία. Για το λόγο αυτό, ανάλογα με την εφαρμογή γίνονται κάθε φορά στοχευμένες προσπάθειες ώστε να βρεθούν λύσεις που να καλύπτουν τις εκάστοτε ανάγκες. Η παρούσα διατριβή ασχολείται με τη μελέτη της αξιοποίησης δικτύων αισθητήρων για την παρακολούθηση άγριων ζώων. Πιο συγκεκριμένα, αφορά την αξιολόγηση περασμάτων που έχουν δημιουργηθεί για τη διέλευση αρκούδων κατά μήκος τμήματος της Εγνατίας οδού στην περιοχή Σιάτιστα-Κρυσταλοπηγή, καθώς και την παρακολούθηση της δραστηριότητας των αρκούδων στην ευρύτερη περιοχή του τμήματος αυτού. Το συγκεκριμένο σενάριο χαρακτηρίζεται από μια σειρά δικτυακών προκλήσεων κυρίως επειδή τα δεδομένα που μας ενδιαφέρουν παράγονται από κόμβους που κινούνται με μη-προβλέψιμο τρόπο μέσα σε μια αχανή έκταση. Ύστερα από διεξοδική μελέτη της σχετικής βιβλιογραφίας, προτείνεται ένα ειδικά διαμορφωμένο υποστηρικτικό διαδικτυακό σύστημα επικοινωνίας, βασισμένο στην αρχιτεκτονική των δικτύων ανεκτικών στην καθυστέρηση και στις διακοπές, ικανό να αξιολογεί τα περάσματα καθώς και να συμβάλλει στη βελτίωση των τεχνικών ιχνηλασιμότητας της άγριας πανίδας. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της παροχής ενός πλαισίου αποδοτικής μεταφοράς των παραγόμενων/συλλεχθέντων δεδομένων από κινητούς και σταθερούς κόμβους ενός δικτύου αισθητήρων προς κάποιο κεντρικό σταθμό βάσης. Για την αξιολόγηση του προτεινόμενου συστήματος χρησιμοποιήθηκε ο προσομοιωτής ONE, και μάλιστα τροποποιήθηκε καταλλήλως όπου κρίθηκε απαραίτητο με σκοπό τη ρεαλιστική προσομοίωση του σεναρίου. Από τα αποτελέσματα τα οποία εξήχθησαν αποδεικνύεται ότι το προτεινόμενο σύστημα επικοινωνίας καλύπτει ικανοποιητικά τις απαιτήσεις του σεναρίου παρακολούθησης άγριας ζωής που εξετάζεται. Επιπλέον, για την περίπτωση των σταθερών κόμβων, στην προσπάθεια να διασφαλιστεί η καλύτερη δυνατή συνδεσιμότητα μεταξύ των και να μεταφέρονται επιτυχώς τα δεδομένα τους, υλοποιήθηκε ένα πρωτόκολλο διαχείρισης σφαλμάτων συνδεσιμότητας. Πιο συγκεκριμένα, μια απλή δυσλειτουργία υλικού ή λογισμικού ενός κόμβου, όπως μια κατεστραμμένη κεραία, θα μπορούσε να οδηγήσει σε απώλεια της επαφής με το υπόλοιπο δίκτυο. Εάν μάλιστα αυτή η δυσλειτουργία επηρεάζει έναν κόμβο που μεταδίδει τα πακέτα μιας ομάδας κόμβων, ουσιαστικά όλοι οι κόμβοι απομονώνονται από τους υπόλοιπους κόμβους του δικτύου. Προκειμένου να προσδιοριστεί σωστά η έκταση των αστοχιών επικοινωνίας και να αντιμετωπιστεί κατάλληλα, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου η μηχανισμού πανικού όπως ονομάστηκε. Με σκοπό να δίνεται η δυνατότητα στο δίκτυο να επιλύει αυτόματα τυχόν προβλήματα, ο μηχανισμός πανικού βασίζεται στις μεμονωμένες αντιδράσεις των κόμβων κατά την ανίχνευση αστοχιών επικοινωνίας. Αυτές οι αντιδράσεις προκαλούν μια σειρά αλληλεπιδράσεων για την αντιμετώπιση των προβλημάτων μεταξύ των κόμβων του δικτύου. Με βάση αυτή την σειρά αλληλεπιδράσεων επιτρέπεται στο σύστημα είτε να ανακάμψει είτε να παράγει ειδοποιήσεις με σκοπό να ενημερωθούν οι χρήστες και να προβούν σε περαιτέρω ενέργειες. Ο μηχανισμός αυτός υλοποιήθηκε σε bash και δοκιμάστηκε για την εύρυθμη λειτουργιά του σε πραγματικούς κόμβους οι οποίοι δημιουργηθήκαν από Arietta G25 board. Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την αποκατάσταση της επικοινωνίας μεταξύ των κόμβων σε περιπτώσεις προβλημάτων και την επιτυχή αποστολή των δεδομένων τους στον κεντρικό σταθμό βάσης. Τέλος, να σημειωθεί ότι τόσο η προτεινόμενη αρχιτεκτονική όσο και το σταθερό τμήμα αυτής από μόνο του σε συνδυασμό με τον μηχανισμό πανικού μπορεί να αξιοποιηθεί αποτελεσματικά σε πληθώρα εφαρμογών που αναπτύσσονται σε εξωτερικό περιβάλλον και όχι μόνο στο συγκεκριμένο σενάριο.
Βιβλιογραφία: σ. 135-141
144 σ.
Wireless Sensor Networks are incredibly diverse and useful systems, which consist of sensor nodes that can collect information via the monitoring of physical or environmental conditions. They are dynamic systems, providing a gateway to various research areas, while maintaining an active field of their own. However, according to their scope, they present a series of challenges, which render the communication between the nodes and thus the transfer of the data, a demanding process. For this reason, when a workable sensor network is set up, efforts are made to find solutions that meet the corresponding needs. The focal point of this thesis is the study of the utilization of wireless sensor networks for wildlife monitoring. More specifically, it concerns the evaluation of already created wildlife crossings along the section of the Egnatia road in the area of Siatista-Krystallopigi, as well as the monitoring of the bears’ activity in the wider region of this section. This scenario faces a number of network challenges, mainly because the data we are interested in is produced by nodes that are unpredictably moving within a vast area. After thorough study of the relevant literature, a specially formulated supportive communication system based on the architecture of delay tolerant networks is proposed, which is capable of successfully evaluating the wildlife crossings and contributing to the improvement of technical traceability of wildlife. This is achieved by providing a framework for efficient transfer of generated/collected data from mobile and static nodes of a sensor network to a central base station. The Opportunistic Network Simulator (ONE) was used to evaluate the proposed system, and it was appropriately modified, where it was necessary, in order to meet the needs of the studied scenario. The obtained results clearly indicate that the proposed communication system meets satisfactorily the requirements of the under-consideration wildlife monitoring scenario. Moreover, for the case of topological static nodes, in an effort to ensure optimal connectivity and successful transmission of their data, a fault management protocol was implemented. More precisely, a simple hardware or software malfunction, such as a damaged antenna, could lead to loss of contact with the rest of the network. If that malfunction affects a vital node that relays a network cluster's traffic, eventually all cluster nodes will be isolated from the rest of wireless sensor network nodes. In order to properly identify the extent of communication failures and act accordingly to recover from such failures, the development of a panic mechanism is considered essential. To preserve the dynamic nature of the network and, thus, allowing the network to recover, the panic mechanism is based on the individual reactions of nodes upon detecting communication failures. These local reactions cause a chain of troubleshooting interactions among the nodes. Based on this chain of interactions, a systematic response is formed that allows the system to either recover gracefully or produce warnings that allow the administrative entity to proceed with further actions. This mechanism was implemented in bash and tested for its proper operation on real nodes created by the Arietta G25 x board. The results indicate that in all the studied cases the communication was successfully restored and all the data transmitted to the central base station. Finally, it should be highlighted that either the proposed architecture or the static part of it in combination with the panic mechanism, can be utilized in a variety of applications that are deployed in an external environment.
Democritus University of Thrace
