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Designing Sensor Networks for Smart Spaces - Unified Interfacing and Energy-Efficient Communication between Wireless Sensor and Actuator Nodes

Reinhardt, Andreas :
Designing Sensor Networks for Smart Spaces - Unified Interfacing and Energy-Efficient Communication between Wireless Sensor and Actuator Nodes.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2011)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Designing Sensor Networks for Smart Spaces - Unified Interfacing and Energy-Efficient Communication between Wireless Sensor and Actuator Nodes
Language: English
Abstract:

Wireless sensor and actuator networks are comprised of embedded systems with sensing, actuation, computation, and wireless communication capabilities. Their untethered character provides installation flexibility and has in consequence led to their application in a large range of domains, e.g. environmental and habitat monitoring, or industrial process surveillance and control. Besides these traditional application areas, the vision of smart spaces foresees the transparent integration of sensing and actuation components into everyday environments. Smart services that rely on information about the current situation and the possibility of physical interaction are envisioned to emerge in versatile ways, such as context-aware building automation or support for ambient assisted living.

From a technological perspective, wireless sensor and actuator networks represent an adequate infrastructure for the realization of smart spaces. As a result of the different application scenarios however, concepts resulting from research on traditional sensor and actuator networks can only be applied to a limited extent. Most prominently, the heterogeneous nature of devices in smart environments necessitates dedicated means to cater for their interoperability. At the same time, the need for small-sized devices entails tight resource and energy constraints, which need to be carefully regarded during application design. Finally, the collection and wireless transmission of data from mobile entities play a vital role in smart environments, whereas they are rarely considered in traditional sensor network deployments.

We address the requirements of smart environments by presenting the Sensor-RPC framework, which enables the generic interoperability between diverse wireless sensor and actuator devices. The presented solution applies the remote procedure call paradigm to abstract from the underlying hardware platforms, i.e. sensing, processing, and actuation functionalities are encapsulated into remotely invocable functions. Sensor-RPC makes use of binary packet representations and a modular parameter serialization concept in order to ensure its efficient applicability on resource-constrained embedded systems.

In order to maximize the utilization of the available energy budget, Sensor-RPC is complemented by Squeeze.KOM, a framework for lossless packet payload compression. Squeeze.KOM takes temporal correlations between successive data packets into account and exploits the observed similarities in order to reduce the size of transmitted packets, and thus the energy demand of their transmission. Depending on the characteristics of the underlying data, the actual data compression step is realized by means of binary distance coding of packet differences, or by applying adaptive Huffman coding with a code tree of limited size. Both take advantage of the specific properties of real-world sensor data sets, in which strongly biased symbol distributions are frequent. Besides the lossless compression of packet payloads, the further reduction of packet sizes by means of header compression is presented. Our stateful header compression mechanism SFHC.KOM omits header fields with constant or deterministically changing values from their transmission by encapsulating them into so called compression contexts. Tailored to its application in smart spaces, SFHC.KOM adapts to the presence of both static and mobile nodes.

The practicality of the devised solutions is investigated through prototypical implementations and the validation of their function on widely adopted wireless sensor and actuator node platforms. We substantiate the evaluations of the presented solutions by detailed analyses of their resource and energy demands. In order to assess the applicability of the contributions in smart environments, real-world data traces from the envisioned application scenario have been collected and extensively used in simulations.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Drahtlose Sensor- und Aktor-Netzwerke setzen sich aus eingebettetten Systemen mit Sensor- und Aktor-Komponenten, sowie einem Prozessor und einer drahtlosen Kommunikationseinheit zusammen. Durch ihren drahtlosen Charakter bieten Sensor- und Aktor-Knoten eine hohe Flexibilität bei der Installation, was zu ihrem Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten geführt hat, etwa der Erfassung von Umgebungsparametern oder der Überwachung und Steuerung industrieller Prozesse und Anlagen. Neben diesen traditionellen Anwendungsfeldern für verteilte Sensorsysteme hat sich in den vergangenen Jahren zudem die Vision intelligenter Umgebungen, so genannter Smart Spaces, entwickelt. Die diesen zugrunde liegende Intelligenz beruht dabei auf der Nutzung heterogener Sensor- und Aktor-Komponenten, die unsichtbar in das alltägliche Umfeld integriert sind. Hierdurch werden neuartige Dienste ermöglicht, z.B. die Kontext-bewusste Automatisierung von Gebäuden oder die Unterstützung von selbstbestimmtem Leben im Alter. Aus technologischer Sicht stellen drahtlose Sensor- und Aktor-Netzwerke eine geeignete Plattform für die Realisierung intelligenter Umgebungen dar. Bedingt durch die unterschiedlichen Anwendungsszenarien lassen sich jedoch nicht alle bestehenden Forschungsergebnisse aus dem Bereich der konventionellen drahtlosen Sensornetzwerke direkt auf Smart Spaces übertragen. Insbesondere muss in intelligenten Umgebungen die Plattform-übergreifende Kommunikation zwischen multimodalen und heterogenen Systemen möglich sein, um eine langfristige Erweiterbarkeit sicherzustellen. Mit dem Bestreben nach der Miniaturisierung von Sensoren und Aktoren gehen zudem starke Beschränkungen der zur Verfügung stehenden Betriebsmittel und des Energiebudgets einher. Darüber hinaus sind die Erhebung und drahtlose Übertragung von Daten mobiler Entitäten grundlegend für intelligente Umgebungen, wohingegen diese in klassischen Anwendungsfeldern drahtloser Sensornetzwerke zumeist nicht betrachtet werden. In dieser Dissertation wird eine wesentliche Voraussetzung für die erfolgreiche Umsetzung intelligenter Umgebungen geschaffen, das Sensor-RPC-Verfahren für die Vereinheitlichung des Zugriffs auf heterogene Sensoren und Aktoren. Sensor-RPC setzt hierbei das Paradigma der entfernten Funktionsaufrufe ein, um Interoperabilität zwischen heterogenen Plattformen zu schaffen. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf den leichtgewichtigen Charakter der Lösung gelegt, um ihre Anwendbarkeit auch auf Ressourcen-beschränkten eingebetteten Systemen bei gleichzeitigem geringen Energiebedarf zu gewährleisten. Um eine möglichst lange Laufzeit der Sensor- und Aktorknoten zu erzielen, wird Sensor-RPC im Rahmen dieser Arbeit durch verlustlose Datenkompressionsverfahren ergänzt. Die Squeeze.KOM-Kompressionsschicht detektiert zeitliche Korrelationen in Datenströmen, um diese nachfolgend zu komprimieren und somit Energieeinsparungen durch die Reduktion der Betriebsdauer der Kommunikationseinheit zu erzielen. Squeeze.KOM ist speziell auf die Eigenschaften der Symbol-Verteilungen in Sensornetzwerken angepasst und setzt zur Kompression die Distanz-Kodierung von Paketdifferenzen sowie das adaptive Huffman-Coding-Verfahren mit beschränkten Baumgrößen ein. Als Ergänzung zur verlustfreien Kodierung von Paket-Nutzlasten wird in dieser Arbeit ebenfalls die zustandsbehaftete Kompression von Paket-Headern betrachtet. Das vorgestellte SFHC.KOM-Verfahren basiert auf der Verkapselung von Header-Informationen, die sich nicht oder nur deterministisch ändern, in so genannte Kompressions-Kontexte. Statt der kompletten Paket-Header werden bei Anwendung des Verfahrens nur Identifikationsmerkmale der Kompressions-Kontexte ausgetauscht. SFHC.KOM ist speziell auf den Einsatz in intelligenten Umgebungen abgestimmt und sowohl auf fest installierten als auch auf mobilen Knoten lauffähig. Die Praxistauglichkeit der vorgestellten Beiträge wird durch Proof-of-Concept-Umsetzungen untersucht, in denen insbesondere auch Datensätze aus realen Umgebungen zum Einsatz kommen. Zudem werden im Rahmen dieser Arbeit alle präsentierten Lösungen gezielt auf ihren Energiebedarf hin analysiert.German
Uncontrolled Keywords: wireless sensor networks, wireless sensor and actuator networks, smart spaces, internet of things, energy efficiency, remote procedure calls, lossless data compression, device heterogeneity, header compression
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Multimedia Kommunikation
Date Deposited: 21 Dec 2011 10:02
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28441
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Identification Number: P-0056
Referees: Steinmetz, Prof. Dr.- Ralf and Wolisz, Prof. Dr.- Adam and Hollick, Prof. Dr.- Matthias
Refereed: 12 December 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2844
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