What is Ubiquitous Computing? Nano OS for Ubi. Sensor Network Ubiquitous Computing 유비쿼터스네트워킹 인텔리전트천정 인텔리전트조명 인텔리전트공조시스템 커뮤니케이션머신 인텔리전트벽 외부네트워크 인텔리전트세면대 인텔리전트시큐리티 인텔리전트책상과의자 Source : Reference [4] 2 Oxygen (MIT CS Lab) Things That Think (MIT Media Lab) 인간중심 (human-centered) 의컴퓨팅환경 컴퓨터가산소와같이흔한것이되어언제어디서나쉽게이용 이용자가특별한지식없이도언어나시각과같은자연인터페이스를매개로언제어디서나목적에맞는서비스를이용할수있는컴퓨팅환경구현 응용분야 자연어에의한그룹작업 가전등의제어 정보엑세스등 컴퓨터가우리의일상생활속으로들어가그것들의협조를통해인간의삶을하는미래컴퓨팅비전을실현 인간중심의컴퓨터환경구축 인간을주인으로섬기는지능화된사물및컴퓨터연구 사물들은사용자의언어, 행동, 생활습관등을스스로이해하고, 적합한서비스제공 예 ) 사람들의커피기호를파악하는커피메이커, 수분조절하는화분 이용자를둘러싼복잡한현실세계환경으로부터상황인지를통해필요한행동을취할수있도록해주는 MIThril 추론엔진의아키텍처 현실세계 전자공간 센싱 특성추출 모델링 어플리케이션 MIThril 의추론엔진 상황분류 행동화 3 4
Smart Tag (MIT Auto-ID Center) Smart Dust (UCB) 21 세기형바코드연구개발을목적으로 MIT 와 UCC, P&G 등의 46 개협력사가공동으로설립 (1999), 현재협력사는 75 개로확대 스마트태그 (Smart Tag) 를각종상품에부착해사물을지능화하여사물간, 또는기업및소비자와커뮤니케이션을통해자동화된공급망관리시스템개발에기여 Smart Dust 1 mm3크기의실리콘모트 (silicon mote) 라는입방체안에 완전히자율적인센싱 (autonomous sensing) 과 통신플랫폼 (communication platforms) 능력을갖춘 보이지않는컴퓨팅시스템 가벼워떠다닐수있음 스마트태그 (Smart Tag) : - RFID tag. 해당상품의세부정보 (ID) 를담고있으며, 고주파 (RF) 신호를받으면내장된정보를전송 - 사물에지능 + ID + 인터넷연결성을식재 응용분야 에너지관리 제품의품질관리및유통경로관리 군사목적으로이용 ( 기상상태, 생화학적오염, 병력과장비의이동을감지 ) < 목표 > 5 6 Smart-Its Project (1) Smart-Its Project (2) 사라지는컴퓨터이니셔티브 (Disappearing Computer Initiative) 의 16 개연구프로젝트중에서가장대표적임 수행기관 ETH( 스위스 ) TecO( 독일 ) VTT( 핀란드 ) Interactive Institute( 스웨덴 ) 등 Smart-Its (a) (b) 목표 일상사물의지능화사물에소형의내장형디바이스인 Smart-Its 를삽입하여 감지, 인식, 컴퓨팅및무선통신등의기능을지닌정보인공물 (Information Artifacts) 개발 지능화된사물간의커뮤니케이션사물간의협력적인상황인식및활동 MediaCup (TecO) 일반컵에 Smart-Its 를탑재하여컵과관련한정보를인식, 처리및전달 사물의지능화를통해컵의이동경로및사용자정보와컵내용물의온도및상태등의정보제공 관련응용 (a) 컵의이동경로탐지응용 (b) 손목시계형컴퓨터를이용해컵과커뮤니케이션할수있음 7 8
PDA RFID meets Sensor Network Nano-Qplus Application Model RFID Research Sensor Network Research Internet // Other Other network Base Station Sensor field History (Read/Write) Automatic Identification (Read) Battery (Long range) Sensors (Sensing) Smart Sensors (Ad-hoc network) Passive RFID Active RFID Smart Active Label Sensor Network Wireless Sensor Nodes Low Power Ad-Hoc N/W Sensor node 9 10 Ubiquitous Sensor Network Smart Sensor Node Design: H/W Design Considerations Hospital Logistics, SCM Environment RFID Chipless tags Animal tracking Home network Telematics, ITS USN Smart Active Labels DMB DTV Celluar PCS Service and application BCN (IP based core network) IMT-2000 4G WLAN type Ubiquitous Sensor Network Wire-line xdsl Wireless Sensor Network New radio interface 에너지효율성 주요부품 (RF, MCU, ) 들에서에너지절약을위한방법을갖추고있어야함 하드웨어에너지가어느정도남아있는지측정가능해야함 무선통신신뢰성 무선통신방식이므로일정한조건내에서무선통신신뢰성이확보되어야함 확장성및상호운용성 다양한종류의응용들에적합한센서네트워크플랫폼을구성할수있어야함 쉬운프로그래밍및디버깅 센서네트워크를구성하기위해필요한응용및시스템프로그램을쉽게할수있어야함 최소크기 사물등에임베드되어수행될수있어야하기때문에그크기는작아야됨 최소비용 물론, 비용도하나의센서네트워크시스템을구축하기위해서는작게소요될수있도록해야함 RFID + Sensing 11 12
Smart Sensor Node Design: H/W Block Diagram Main, Base, Sensor, Actuator USN 용스마트센서노드 (SSN) 제작 3 cm 소형무선센서노드하드웨어제작 8Bit ATMega128 사용소형센서노드 - 4 x 6 cm, 3 x 3.5 cm 크기 - 128MB Flash, 4KB RAM, 8 채널 ADC, 저전력모드 CC2420 ZigBee 모듈적용 (Chipcon 사 ) - 2.4GHz, 250Kbps - IEEE 802.15.4 Compliant H/W MAC 저전력에너지관리기능 - 무손실전원안정기적용 - 배터리모니터링기능 - 모듈별전원공급제어기능 Serial Parallel 6 cm 다양한센싱기능 - 온도, 조도, 가스, 습도센서 - 초음파 ( 위치및거리인식기능 ) - 초전센서 ( 물체움직임감지기능 ) 4 cm 13 스마트센서노드 H/W Block 14 ETRI SSN(Smart Sensor Node) 구성 Sensor Nodes Sensor Module 온도, 조도센서 가스센서 적외선 ( 초전 ) 센서 초음파센서 제품명출시년도클럭스피드 mica2 2003 7MHz imote 2003 12MHz Telos 2003 20MHz ETRI -SSN 2004 8MHz Main & Comm. Module ATMega128+ZigBee RF 칩 CPU 플래시 (KB) ATmel 128 ARM 512 Motorola 60 ATmel 128 RAM(KB) 4 64 4 4 Actuator Module AC, DC relay 스위치 무선통신 (KBaud) Radio Type 40 Chipcon 460 Zeevo BT 250 Zigbee 250 Zigbee Base Interface Module Serial, Parallel I/F Adaptor Smart Sensor Node 운영체제 TinyOS TinyOS TinyOS nano-q + 15 16
Sensor OS Architecture IEEE 802.15.4 & ZigBee Development Environment Routing/ Addressing Task Mgmt. MCU Application Framework/Profile Nano Operating System Power Mgmt. Sensor Network Applications Middleware Object Tracking RF Message Handling nhal (nano Hardware Abstraction Layer) Hardware Platforms RF Module Sensing / Actuating Mobility Network Protocols NWK MAC PHY Sensor & Actuator Power Efficiency Security Localization/Synch. 커널레벨에서에너지효율을고려한무선통신프로토콜제공 네트워크동기를위한 Beacon 송수신및 Superframe 제어기술 네트워크 Association/Disassociation 및 PAN Coordinator 기능 최소무선통신을위한 Reduced Function Stack 제공 (3~4KB) ZigBee Industry standard based on IEEE 802.15.4 PHY & MAC Sensor networks, interactive toys, smart badges, remote controls, and home automation Low complexity: 26 primitives versus 131 primitives for 802.15.1 (Bluetooth) 17 18 PHY / Data Link Layers Network Layer PHY Frequency selection, carrier frequency generation, signal detection, modulation, data encryption 433MHz / 915 MHz / 2.4GHz ISM band widely suggested for sensor networks: Free radio, Global availability Not bound to a particular standard Data Link Multiplexing data streams, data frame detection, medium access, error control Periodic Listening and Sleep for power saving (S-MAC, IEEE 802.15.4) CSMA/CA Functions Routing (Ad-Hoc) Internetworking with external network: other sensor network, control system, Internet. Base nodes used as gateway to other network Design principles Power efficiency Data-centric Requires attribute-based naming Areas where temperature is over 30 0 C Than the temperature read by a certain node Data aggregation solve implosion and overlap problem in data-centric routing Ideal sensor network has attribute-based addressing & location awareness 19 20
Star-Mesh Dynamic Routing Nano-Qplus MAC Security IEEE 802.15.4 MAC 기반 Dynamic Routing 기술 무선센서네트워킹환경에적합한멀티홉무선통신 ZigBee는 1Hop의 Master/Slave 라우팅만 Cluster Header 기반의데이터전송기법네트워크구성및경로설정이유연하며홉카운터기반의최단경로설정전송경로장애발생시경로재설정에의한복구기능제공 Distance Vector를경유노드의에너지레벨로설정할경우에너지상태를고려한라우팅 Power Level, Hop Count, Physical Distance 등의 Cost Metric 적용 802.15.4 장치수준에서의보안이보장되는무선통신제공 단대단 MAC 프레임의안전한전송보장 AES(Advanced Enryption Standard) 128bit S/W, H/W 암호화제공 Menuconfig 를이용한 Link Key, 보안레벨조정 Point to Point Security Device Level Security Cluster 2 Cluster 3 Sink 고장 Cluster 1 Cluster 4 Cluster 5 Cluster Header Sink Node Sensor Node MAC Frame 보안 Menuconfig 보안옵션 21 22 nano-q + 운영체제 nano-q + 운영체제 USN 구축을위한초소형초절전스마트운영체제 : Modular & Layered Arch. Scalable & Static Reconfiguration GNU AutoConf & AutoMake Power Management IDLE, Power Save, Power Down Mode 1.8V, 1MHz 로동작시 Normal 에서 250μA 사용, Idle 에서 40μA 사용 OS 커널을최적화하여재구성가능 : 3~12KB 사이로 Scalable 함 센서응용에따른모듈별선택기능제공으로확장성및이식성을제공 Task Management 기능제공 (optional) Simple FIFO, Timed FIFO Priority-based & Preemption-RR Scheduler, etc. RF Message Handling 다양한종류의 RF 모듈 433MHz Radiometric RF 자체 MAC(CSMA-CA) 2.4GHz ZigBee (IEEE 802.15.4) MAC Dynamic Routing Tree-Based Routing IEEE 802.15.4 기반의 Star-Mesh Routing Hardware Abstract Layer 제공 운영체제의이식성을높이기위해정형화된하드웨어제어모듈제공 LED, Clock, Power, RF Module, UART, ADC 사용하기쉬운개발환경제공 Linux-style C Code, POSIX pthread API main template code, Build template 23 24
Linux-Style C Programming Static Reconfiguration 기술 Simple C APIs Main Template Code와 Build Script 파일을제공 초보자도쉽게테스트 Easy to program Store & Forward Algorithm POSIX PThread APIs 제공 Multi-threaded Programming 가능 Linux 개발자에게익숙한 C programming 기법제공 pthread_create, pthread_cancel, pthread_exit, pthread_join, pthread_ms_delay Simple TCP/IP API Subset 제공예정 Socket struct bind, connect sendto, receivefrom /* Create threads */ void *start(void *arg) { pthread_create(null,&attr,rf_send_data,0); // create application threads } /* Receive */ void rf_recv_data(macaddr srcaddr, BYTE nbyte, BYTE *data) { LED0_BLINKING(); } /* Send */ void *rf_send_data(void *arg) { LED1_BLINKING(); } /* Main */ int main (void) { initialize_nano_resources(); pthread_create(null,null,start,0); } bash$../../../configure --target=atmega128-etri-qplusn configure qplusn-0.2.1... select application resources... What kind of board do you want? Select one [NANO-X1 or NANO-X2]: NANO-X2 Whould you like to enable timer module (y/n): y Whould you like to enable adc module (y/n): n Whould you like to enable uart module (y/n): y Whould you like to enable led module (y/n): y Whould you like to enable scheduler (y/n): y Whould you like to enable SCHED_SIMPLE_FIFO (y/n): n Whould you like to enable SCHED_TIMED_FIFO (y/n): n Whould you like to enable SCHED_PREEMPTION_RR (y/n): y Whould you like to enable zigbee module (y/n): y Whould you like to enable printf module (y/n): y check build environment... checking for a BSD-compatible install... /bin/install -c checking whether build environment is sane... yes checking whether make sets $(MAKE)... yes bash$ ls Makefile.qplusn build-apps config.status readme.txt version Makefile.simple-blink config.h init.c simple-blink.c bash$./build-apps simple-blink simple-blink.rom bash$ avr-size simple-blink.elf text data bss dec hex filename 6822 732 459 8013 1f4d simple-blink.elf nhal Nano OS Task Mgmt Interrupt Handler 4KB Actuating (LED) Preemption RR Simple-Blink Application Msg (ZigBee) 4KB 25 26 초음파모듈을이용한위치추적기술 Java Web 모니터링기술 스마트센서노드 (SSN) 를이용한객체추적및위치기반상황인식미들웨어와의연동기술구현 위치계산원리 초음파와 RF 전파속도차이로인한거리정보및삼각측량법 위치추적을위한 H/W 및 S/W Beacon, Receiver, Sink 노드 자바기반의위치추적모니터링소프트웨어 오차정밀도 : 10cm 미만 듀얼모드채용 Handset 기반위치인식 : 개인 Privacy 보호, Security(MIT, Cricket) Network 기반위치추적 : 사용자의개입없이환경이능동적으로서비스를제공 (AT&T, Active Bat) Receiver의 Beacon Scheduling 무작위전송으로인해발생할수있는 beacon간의충돌방지 불필요한 beacon의전력소모방지 Java 기반의무선센서네트워크모니터링기술 센서노드의데이터전송정보및네트워크상태실시간모니터링 각센서노드의상태진단및센싱데이터분석에의한경보 SMS 메시지전송 멀티홉라우팅경로상태실시간모니터링 사용자지정방식의센서노드구성설정가능 올해 (2005 년 ) 에는상황인식미들웨어기능과통합예정 자바웹모니터링화면 단문전송서비스 27 28
H/W & S/W Module Configuration Nano Esto Node Type Anchor Moving Tag(with PDA) M M O O M M M O Moving Tag Only M O O O O M M O M : Mandatory, O : Option Main Node Main Module Hardware Module Base Module Sensor Node Sensor Module Actuator Module Node M M O O Sensing Node M O M O Actuator Node M O O M Task Mgmt Anchor Node PWR Mgmt RF M O M M M OS Module M Sensing (ADC) M M O M M Actuator Node UART M O 필요성 센서네트워크응용개발의용이성및생산성향상에대한요구 특징 풍부한기능의통합된응용개발도구제공 IDE with Fusing Tool Kernel Configuration Tool Emulator-based Debugger JTAG-based Debugger Ubiquitous Environment Simulator 이클립스기반의임베디드시스템개발도구 29 30 Nano Esto 구조 주요실행화면 Debugger Nano Esto : Eclipse-Based Integrated Development Environment for Nano-Qplus Eclipse Platform IDE Kernel Configuration Tool Emulator-based Debugger JTAG-based Debugger Ubiquitous Environment Simulator Nano Application Microsoft Windows Nano-Qplus 31 32
주요실행화면 Kernel Configuration Tool 주요실행화면 IDE 33 34 개발환경 Nano-Qplus(& SSN) 성능측정결과 개발호스트 윈도우가설치가능한 Any 호스트 타겟 CPU: ATmega128L(8 bit micro-controller) RF: CC2420, ZigBee RF Data Rate: 250 kbps Sensor: 조도, 온도, 습도, 적외선, 가스, 초음파센서등 Power: AA type 배터리및 Coin type 배터리 Success(%) Volt 1.1 1 0.9 0.8 0.7 3.1 2.9 2.7 2.5 2.3 2.1 1.9 1 3 6 12 20 30 40 50 Distance(m) 0 6 8 9 13 21 27 37 43 47 54 58 144 2500 pkt 5000 10000 1000 거리 vs. 통신 (indoor) 성능 12m 이내에서 99% 이상통신성공 45m 이내에서 80% 이상통신성공 최대통신거리 - 300m(Chipcon 발표, CC2420 ZigBee 2.4GHz), 장애물통과감쇄효과 : 30m 감쇄 배터리소모량측정 AA 배터리사용, 100% 실행조건 센싱가능시간 (2.7V 이상 ): 40 시간 최대시간 (2.58V 이상 ) : 70 시간 Mica2 의경우 : 2.7V 까지 6~8 시간 Hours 35 36
Sensor Network Standardization Standardization: Sensor Network Reference Architecture Model 표준의목적 센서네트워크응용시스템개발시활용가능한표준참조모델을제공함으로써, 센서및센서네트워크응용시스템개발을활성화 Sensor Nodes [A] [B] Sensor Nodes 표준화범위 센서네트워크정의 센서네트워크레퍼런스아키텍처정의 센서레퍼런스모델 센서노드간, 선서네트워크간연동프로토콜정의 센서노드플러그인규격정의 센서네트워크관련용어정의 Sensor Network Sensor Nodes [D] Sensor Network [C] Sensor Nodes Sensor Network [E] Internet [A] Sensor Node Reference Model [B] Protocol for interoperation among Sensor Nodes [C] Sensor Node Plug-in [D] Protocol for interoperation among Sensor Networks [E] Protocol for interoperation between Sensor Network and Internet net 37 38 활용예 : 가스안전모니터링시스템 활용예 : 가스안전모니터링시스템 센서노드 자바웹모니터 구동노드 실시간가스안전및환경 ( 온도, 조도, 습도 ) 모니터링 가스누출빛비상상황발생시 SMS를통한경보메시지발송 센서네트워크상태모니터링 ( 라우팅경로, 노드상태, 데이터전송경로 ) 가스누출발생시구동기를통한가스밸브자동차단 활용분야 산업용가스안전모니터링시스템 환경. 방재예방및모니터링시스템 단문전송서비스 39 40
Line Tracer Application 상용화 : 센서네트워크교육용키트 Simple Nano-Robot Application with Nano-Qplus OS & Smart Sensor Node 센서네트워크교육용키트 임베디드시스템교육과연계된프로젝트교육 각종센서응용제어프로젝트 교육용키트구성 Nano-24 패키지, 센서네트워크개발환경나노 Qplus V.1.0, 응용예제프로그램사용자매뉴얼, 센서네트워크프로그래밍가이드센서를이용한로봇완구 Nano-24 패키지구성 패키지 1: 메인모듈, 미니모듈, 초음파센서모듈, 인테페이스모듈패키지 2: 미니모듈, 미니센서모듈, 인터페이스모듈패키지 3: 메인모듈, 인터페이스모듈, 센서모듈패키지 4(Deluxe): 센싱노드 3 개, 구동노드 2 개, 싱크노드 1 개, 스마트태그노드 2 개 41 42 Future Works http://www.qplus.or.kr 연구목표 Version 1 안정화및성능개선 기존연구와의통합 Qplus/Esto TargetBuilder, USN 용센서미들웨어와의통합 2 차버전의스마트센서노드 (SSN) 개발 새로운플랫폼 2 차플랫폼에적합한나노 Qplus V.2.0 릴리즈 USN 의주요구성의표준화추진 다양한응용사례들개발 나노 Qplus 기술의보급확산 USN 분야는 IT839 프로젝트의 3 대인프라스트럭처중하나 센서네트워크는현재가장뜨거운연구분야중하나 미국, 유럽, 일본 한국은발달된 IT 인프라와함께 USN 분야에서충분히국제경쟁력있음 43 44
부록 : Qplus/Esto 감사합니다! LinuxBIOS : Fast Booting (x86 시스템용 ) 빠른부팅을하는 x86 시스템용 ROM BIOS LinuxBIOS 기반 기존의 BIOS 사용시요구되는부팅시간이 14 초정도임에비하여약 4 초정도소요 공개개발커뮤니티 (http://www.acl.lanl.gov/linuxbios/) 에공식릴리즈됨 분류 비교대상 Qplus BIOS 일반 BIOS (Award, AMI, ) BIOS 부팅시간 OS 부팅시간라이센스비용개발장비비용 Chipset 4초 5초 ~ 815EP, 440BX, SIS645 10 ~ 20 초 5초 ~ 개당 $15 $40,000/ Chipset 모든 Chipset 45 46 Kernel Enhancement: Real-Time 실시간스케줄링지연시간 실시간방향 POSIX 1003.1 따름 : 새로운기능혹은 API 정의가급적피함 성능및기능개선 X 축은경과시간이며 10 시간측정값 Y 축은스케줄링지연시간으로단위는 msec Preemptive kernel 커널을완전 Preemptive 하게수정 ( 커널빌드시옵션으로설정가능 ) Granularity: SMP spin-lock Better system response against vanilla linux(on x86) vanilla kernel : average 수십 ms, worst case 수백 ~ 1000ms 이상 preemptive kernel : average 10ms 이하, worst case 100ms Lock break preemptive kernel Break certain locks in high-latency regions throughout kernel O(1) scheduler Ready 태스크수에무관하게일정한시간에스케줄링 Posix Sporadic Server 홈서버에서 DVD 플레이어를구동시켰을때의스케줄링지연시간 47 48
Target Builder 비교 Target Builder 평가 분류 설정옵션의명세 (Configuration Description) 동적라이브러리최적화 의존성검사 RPM 자동크기이기 타겟환경설정 자동복사 (auto copy) 타겟이미지전송 패키지수 플랫폼 비교대상 명세방식 명세의용이성 커널과응용의통합설정 줄 Qplus Target Builder (ETRI) QPD+CML2 쉬움 ( 기존 RPM 스펙의확장 ) 기본 /etc 파일의자동생성 Ramdisk, NFS, Target Installer(by Ethernet) >30 x86, ARM 화일 통합설정 ( 커널설정 CML2 를응용설정에도사용 ) 소스, 바이너리 RPM 모두 Embedix Target Wizard (Lineo) ECD 매우어려움 통합설정 ( 커널설정 CML 파일을 ECD 로변환필요 ) 바이너리 RPM 만 Ramdisk, NFS, Target Installer(by floppy) >100 x86, PPC, ARM, SH, MIPS HardHat CDK (MontaVista) (binary prebuild) 루트파일시스템의 TAR 압축이미지만생성 >100 x86, PPC, ARM, SH, MIPS RedHat ELDS (RedHat) Ramdisk, NFS >100 x86, ARM, SH LinuxDevices.com 기사 http://www.linuxdevices.com/articles/at5640843706.html A developer's review of Qplus, an open source embedded Linux toolkit. Qplus is remarkably full-featured.. Target Builder itself is a quite well-designed and usable GUI even if judged by commercial toolkit standards -- truly a remarkable accomplishment for an early-stage open source project.. Qplus is one of the better-organized products reviewed in this series.. A look under the Qplus hood also reveals some good design decisions. - Jerry Epplin at LinuxDevices.com 49 50