Relatório do Projeto da implementação do VibSense para TinyOS 2.x

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1 Redes de Sensores Relatório do Projeto da implementação do VibSense para TinyOS 2.x Docente: Professor Rui Rocha Aluno: Francisco Salgado MEE 57508

2 Índice Introdução... 3 Abordagem ao Projeto (Parte 1)... 4 Convenções utilizadas VibSense Implementação TinyOS 1.x para 2.x Atualização à parte Java do VibSense Environmental Interaction Implementação TinyOS 1.x para 2.x Atualização à parte Java do Environmental Interaction Atualização à parte Java Wireless Sensor- Net Application Resultados obtidos (Parte 1)... 8 Abordagem ao Projeto (Parte 2) VibSense nova Abordagem Environmental Interaction nova abordagem Resultados obtidos (Parte 2) Conclusões Referência para futuros trabalhos Tabela de Figuras Referências Bibliográficas

3 Introdução Este trabalho consiste na atualização de um projeto previamente realizado no Instituto Superior Técnico para uma tese de mestrado, de nome VibSense Vibration Monitor. Este projeto consistia na medição das vibrações de uma ponte, que se encontrava equipada com sensores de uma rede de sensores instalada nas instalações do campus TagusPark- IST. A rede de sensores das instalações do TagusPark consistia de 23 nós espalhados por todo o campus, que integrava várias redes distintas, onde cada uma era independente das restantes, e na qual três delas (VibSense, Environmental Interaction e SARDA), embora independentes, foram desenvolvidas de modo modular para poderem ser integradas numa rede de sensores de nome Wireless Sensor Network. Esta aplicação foi desenvolvida com o intuído de criar um padrão de comunicação entre várias redes de sensores, normalizando assim as mensagens trocadas entre as varias redes, e fazendo a gestão destas. 3

4 Abordagem ao Projeto (Parte 1) O VibSense foi desenvolvido para fazer a monitorização de um ponte que se encontra no campus TagusPark, e posteriormente foi integrado no projeto Tagus Sensor- Net, que foi uma framework que tinha como objectivo integrar graficamente duas redes de sensores, a VibSense (Vibration Monitor) que servia para monitorizar a vibração de uma das pontes pedestres existentes no TagusPark- IST, e o Environmental Interaction para a aquisição de dados de uma rede com múltiplos sensores, controlando o modo de aquisição de dados. Como ainda hoje a Tagus Sensor- Net se encontra online, o primeiro passo na abordagem a este projeto foi realizar o download do projeto Tagus Sensor- Net do repositório no GEMS, seguir as instruções na secção FAQ da página Tagus- SensorNet - WSN Testbed, e verificou- se que apenas a rede Environmental Interaction estava online, que foi o suficiente para entender o funcionamento da framework Tagus Sensor- Net. Convenções utilizadas Agora explica- se algumas das convenções adotadas neste relatório para não criar confusão ao leitor. Quando se falar dos ficheiro alterados o caminho é sempre em relação ao caminho Tagus- SensorNet/trunk. Nas imagens que mostram código, a convenção utilizada será o código do lado direito é relativo ao ficheiro original, o código do lado esquerdo será relativo ao ficheiro alterado para cumprir os objectivos do projeto. 4

5 1. VibSense 1.1 Implementação TinyOS 1.x para 2.x Começou- se por fazer o upgrade do VibSense de TinyOS da versão 1.x para a versão 2.x. Para se entender melhor como se fez o upgrade mostra- se a estrutura da pasta VibSense em TinyOS, que se encontrava no caminho Tagus- SensorNet/trunk/VibSense: Figura 1 - Estrutura da pasta VibSense para TinyOS. E das bibliotecas adicionais que foram criadas para interligar duas aplicações no mesmo nó, que se encontrava no caminho Tagus- SensorNet/trunk/lib: Figura 2 - Estrutura da raiz da pasta das bibliotecas adicionais para TinyOS. Estas bibliotecas adicionais, MHop.h, e UnicastRouterC.nc, foram criadas para servirem de canal de comunicação base entre rede, ou seja todas a rede de sensores num mesmo local, comunicam pelo mesmo canal de mensagens mas cada nó decide se fica ou não com a mensagem consoante o ID e o destinatários da mensagem. E assim podem estar a correr num mesmo local duas ou mais redes de sensores distintas, e as mensagens passarem de uns nós para os outros, mesmo que não pertençam à rede de sensores do nó por onde está a passar e assim fazendo a transmissão de dados entre nós. Como primeira tentativa, tentou- se compilar o VibSense em TinyOS, obteve- se um erro de compilação, que foi resolvido apenas atualizando o ficheiro TagusLPLC.nc que utilizava o interface LowPowerListening onde os nomes das funções na versão de TinyOS 1.x eram diferentes de versão 2.x, apenas teve- se que atualizar os nomes destas funções (Figura 3). Figura 3 /lib/taguslplc.nc Ficheiro Atualizado (Esquerda), Ficheiro Original (Direita). 5

6 Seguidamente compilou- se e não houve qualquer tipo de erros. Com a parte de TinyOs sem erros, passou- se para a parte Java do VibSense Atualização à parte Java do VibSense Começou- se por compilar usando o makefile, ocorreram alguns erros na definição do valor da variável TOS_MSG_SIZE, que apontava para o local errado, devido aos comando utilizados para resgatar esse valor terem sido modificados nas versões mais recentes de Linux (primeira linha da Figura 4). Figura 4 java/vibsense/makefile MakeFile Vibsense Atualizado (Esquerda), Original (Direita). Também se verificou que que as ferramentas disponibilizadas pelo TinyOS, o MIG (message interface generator for TinyOS) e o NCG (extract constants from nesc files), foram atualizadas bastando para corrigi- las, adicionar apenas o campo - target=null junto dos comandos correspondentes, como se pode ver nas linhas 2 e 3 da Figura 4. Após a última compilação verificou- se que o NCG não conseguia encontrar duas variáveis, a MICAZ_MIN_TXPWR e a MICAZ_MAX_TXPWR, e isto deveu- se ao ficheiro em que estas se encontravam estarem definidas num formato não reconhecível pelo pré- processador, para resolver isto bastou colocar- se no formato correto Figura 5. Figura 5 - java/vibsense/vsmicaz.h - Formato Atualizado (Esquerda), Original (Direita) Continuando com a compilação, verificou- se que os novos erros obtidos eram devido a dependências de outras classes que não eram encontradas, para resolver isto foi- se à procura das localizações destas classes e adicionaram- se os caminhos à variável MHFILES, Figura 6. Figura 6 - java/vibsense/makefile Caminhos MHDIR, Atualizado (Esquerda), Original (Direita). Com os novos caminhos definidos, ocorrem outros erros, que dependem da aplicação onde o VibSense se encontra integrado. Destes novos erros verificou- se que a sua maioria eram da segunda aplicação integrada no WSN, na parte do Environmental Interaction. 6

7 2. Environmental Interaction 2.1. Implementação TinyOS 1.x para 2.x Tal como na parte do VibSense, nesta segunda parte começou- se por compilar a parte de TinyOS do Environmental Interaction usando o makefile, como seria de esperar houve a ocorrência de erros. Na Figura 7 encontra- se a estrutura da pasta da aplicação do Environmental Interaction para TinyOS. O erro a resolver foi apenas o de adicionar uma PFLAG extra para definir no momento da compilação do NesC, a placa de sensores que o Environmental Interaction utilizava, visto que o modo de como estava anteriormente definido já não ser suportado, devido ao aparecimento de várias placas de sensores, como pode ser visto na Figura 8 linha 3. A PFLAG a adicionar foi a de MTS310CA, que é a placa que tem sensores de luz, temperatura, pressão, som, acelerómetro e magnético. Figura 7 - Estrutura da raiz da pasta do Environmental Interaction para TinyOS Figura 8 EnvironmentalInteraction/makefile Makefile Atualizado(Esquerdo), Original (Direito). Seguidamente voltou- se a compilar e obteve- se um erro de um componente no protocolo CTP que utilizava um Timer na versão TinyOS 1.x que foi depreciado na versão 2.x, para isto bastou comentar duas linhas de código, tendo o devido cuidado de observar que não era utilizado por toda a aplicação do Environmental Interaction Figura 9. Figura 9 EnvironmentalInteraction/CtpP.nc Protocolo CTP Atualizado (Esquerda), Original (Direita) Atualização à parte Java do Environmental Interaction Como aconteceu na Secção 1.2 começou- se por compilar usando o makefile, e ocorreram os mesmos erros, para tal bastou apontar para o local correto da variável TOS_MSG_SIZE, e adicionar o campo - target=null ao comando MIG. Figura 10 - java/environmentalinteraction/makefile - Atualizado(Esquerda), Original (Direita) 7

8 Depois de corrigido o makefile, voltou- se a compilar, os novos erros eram devido ao comando MIG não conseguir encontrar a definição de algumas estruturas (SensorReadingConfiguration, AggregationFunctionConfiguration e TriggerConfiguration), no momento da compilação. Para corrigi- los bastou adicionar três constantes num formato reconhecível pelo o comando MIG. Figura 11 - EnvironmentalInteraction/EnvironmentalInteractionMsgs.h - Actualizado (Esquerda), Original (Direita) 3. Atualização à parte Java Wireless Sensor- Net Application Com a parte Java das duas aplicações atualizadas, compilou- se a aplicação Java do WSN (Wireless Sensor- Net Application), que integra as duas aplicações anteriores (VibSense e Environmental Interaction), e não ocorreu nenhum erro. 4. Resultados obtidos (Parte 1) Após todos o erros corrigidos testou- se uma rede de sensores com a aplicação VibSense instalada nos nós (um nó sink e um nó Vibsense), e fez- se correr a aplicação WSN num terminal. Inicialmente os nós são reconhecidos pela aplicação, as mensagens são enviadas e recebidas tanto pelos nós como pela aplicação, como é possível ver pela seguinte figura: Figura 12 Environmental Interection e VibSense a correrem no terminal 8

9 Na aba General Configurations consegue- se colocar os nós nos modos acordado e dormir, escolher a potência de transmissão, e colocá- los em modo de debug. Após estabelecer estas opções a rede está pronta a ser usada. Quando passamos para a aba Data Aquisition, primeiro temos que definir o tipo de dados que queremos receber e calibrar o nó para os receber, carregando no botão Setup Sensor. Após definir estas opções, poder- se- á começar a adquirir os dados do acelerómetro, carregando no botão Start, da mesma aba. Após adquirir o primeiro conjunto de dados, carregando no botão de Stop, o nó entra no modo dormir como era de esperar. Nesta fase tudo parecia correr como estava escrito no código, até se tentar adquirir novos dados do nó. Aqui o nó enviava uma mensagem para o terminal dizendo que encontrava- se ocupado, não saindo deste estado, até ao momento que enviava uma mensagem não reconhecível pelo terminal, que resultava no bloqueamento da rede e do terminal. Descoberto este erro foi- se tentar resolve- lo, e aferiu- se que o erro ocorria na camada comum a ambas as aplicações. Camada esta, que descapsulava as mensagens vindas da rede e as encaminhava para a aplicação correspondente, mais precisamente nos ficheiros MHopRouter.java na parte do terminal e no ficheiro MHop.h na parte do nós. Verificou- se que o terminal ao receber as mensagens enviadas pela rede, quando tentava fazer a identificação destas, e saber o seu tamanho acedia a uma posição de um vector que não existia, e isto fazia com que tanto o terminal e a rede bloqueassem. Posto isto, foi- se observar mais atentamente esta parte do código e chegou- se à conclusão que estava tudo correto, então supôs- se que, ou era a parte do terminal do VibSense que não reconhecia o tamanho da mensagem corretamente, ou era o nó (TinyOS) que não enviava corretamente as mensagens. Descobriu- se que o tamanho da mensagem em TinyOS era definida apenas como um vector de uma única posição de 2 Bytes, em vez de 20 Bytes, que corresponde ao o tamanho de uma mensagem de leitura do acelerómetro, como demonstram as figuras seguintes: Figura 13 Definição do cabeçalho da Messagem DataMsg (Nota: encontra- se comentado ) Figura 14 - Tamanho da amostra do Acelerómetro igual a 2 Bytes Esta falha sugere que quem desenvolveu o VibSense anteriormente, começou com uma abordagem de envio de mensagens da rede para o terminal de tamanho variável, ou seja, apenas eram enviados para o terminal os Bytes significantes da leitura dos acelerómetros, poupando na quantidade de Bytes a transmitir. Posto isto, foi- se à procura do problema e chegou- se à conclusão que a suposição anteriormente referida estava correta. Agora segue- se com a explicação do erro. Primeiro apresenta- se a estrutura do pacote da Mensagem DataMsg, com a seguinte figura: 9

10 Figura 15 Estrutura da Mensagem DataMsg Chama- se a atenção para as variáveis NumSamples e Data[0], porque estas desempenham o papel principal para a ocorrência do erro. Como foi dito anteriormente após carregar no botão Stop, o terminal envia uma mensagem para o nó para deixar de adquirir e enviar dados do acelerómetro, e o nó muda para o estado dormir. Se quisermos voltar a ler do acelerómetro vai- se à aba General Configurations e carrega- se no botão Wake. Agora vai- se explicar o modo de como as mensagens são trocadas até a ocorrência do erro. Portanto como foi dito carrega- se no botão Wake, o terminal envia uma mensagem para o nó, dizendo para este acordar, este acorda e envia uma mensagem de volta para o terminal dizendo que está pronto e começa a adquirir dados do acelerómetro, entretanto o terminal ativa o gráfico do nó na aba Data Aquisition e ao mesmo tempo recebe mensagens do nó do tipo DataMsg. Ao receber estas mensagens, vai tentar interpreta- las, mas como o nó passou do modo de repouso para o modo de leitura, a função de leitura do acelerómetro irá ter no buffer alguns dados que não foram lidos, logo quando é feita a leitura do acelerómetro, estes dados a mais do buffer irão ser postos na mensagem que é enviada para o terminal, quando o terminal a recebe, vai descapsular a mensagem e irá tentar ler os dados do acelerómetro percorrendo o vector Data[0], o número de vezes do valor que estiver dentro da variável NumSamples, mas como o número de vezes do valor da variável NumSamples (como mostra a figura seguinte)é superior ao tamanho do vector Data[0], aquando da definição da estrutura na altura da compilação usando a ferramenta MIG e do automatismo de Garbage collection que o Java possui, o terminal então acede a uma posição do vector Data[0], que não existe. 10

11 Figura 16 java/vibsense/graphpanel.java Modo de comparação para aceder aos dados do acelerómetro (linha 8). Com o erro descoberto, e onde foi despendido a maior parte tempo para a realização deste projeto, chegou- se à conclusão que a versão que se estava a utilizar como base não era a mais recente, então seguiu- se uma mais atualizada. Abordagem ao Projeto (Parte 2) Como foi descoberto que a versão que se estava a usar como base não era a mais recente, através da ajuda de um programa de gestão de repositório SVN, achou- se uma versão mais atualizada do projeto VibSense, e com isto também do Environmental Interaction e do WSN. Primeiro foi- se comparar com a versão anterior, se o problema da secção anterior se mantinha, e verificou- se que não. Nesta versão atualizada, as mensagens DataMsg entre o terminal e o VibSense já eram estáticas com tamanhos de 32 Bytes por mensagem. Figura 17 tinyos/apps/vibsense/vsmsgs.h Nova definição das mensagens DataMsg Figura 18 tinyos/apps/vibsense/vsmsgs.h Nova definição do campo Data das mensagens DataMsg As figuras anteriores mostram que nesta versão, o campo Data[] (linha 72) já é definido com um tamanho estático, de 20 Bytes, e reconhecível por ambos os lados da aplicação VibSense (Java e TinyOS). Na parte do Java a mensagem ao 11

12 contrário da versão anterior já não era acedida através da variável NumSamples mas pelo tamanho real da mensagem, como mostra a figura seguinte: Figura19 - Tagus- SensorNet/tags/1.0.1/Tagus- SensorNet- TNG/src/main/java/pt/org/leme/gems/ts n/apps/vibsense/graphpanel.java (linha 13) Nesta nova versão, refere- se o facto de já haver sincronização nas mensagens trocadas entre a aplicação no terminal e os nós. Esta nova versão do TinyOS, encontra- se no caminho Tagus- SensorNet /tags/1.0.1/tagus- SensorNet- TNG/src/main. Tal como na abordagem anterior procedeu- se a corrigir os erros da parte TinyOS das aplicações, VibSense e do Environmental Interection. 5. VibSense nova Abordagem Nesta nova abordagem tal como tinha sido feito na secção 1.1 começou- se pela Makefile e adicionou- se os comandos MIG, para converter as estruturas de TinyOS para Java, visto que no mesmo ficheiro também encontrava- se os comandos NCG, apenas para uma boa organização lógica do código, e o argumento - target=null para o comando NCG. Figura 20 tinyos/apps/vibsense/makefile 12

13 Compilou- se e obteve- se um erro, este erro era de um componente de TinyOS, criado para a aplicação WSN que não estava wired ao componente principal VSNodeC, para isto bastou fazer as devidas ligações, como mostra a seguinte figura: Figura 21 tinyos/apps/vibsense/nvnode.nc 6. Environmental Interaction nova abordagem Para esta parte como na secção anterior começou- se pelo Makefile e fez- se o mesmo que na secção anterior, e pelas mesmas razões, com a devida particularidade de se adicionar uma PFLAG que no momento da compilação em TinyOS, se poder identificar a placa de sensores, como mostra a seguinte figura: Figura tinyos/apps/environmentalinteraction/makefile Compilou- se e obteve- se os mesmos erros tal como na secções 2.1 e 2.2, para os ficheiro CtpP.nc e o ficheiro EnvironmentalInteractionMsgs.h respectivamente, e fez- se as devidas correções, tal como é demonstrado nas seguintes figuras: Figura 23 tinyos/apps/environmentalinteraction/environmentalinteraction/ctpp.nc Figura 24 tinyos/apps/environmentalinteraction/environmentalinteractionmsgs.h Depois dos erros corrigidos, fez- se o upload para os nós, carregando- os com o VibSense e verificou- se, que não bloqueava, através do não acender do led amarelo, que significava que a rede estava a trocar mensagens. 13

14 Resultados obtidos (Parte 2) Nesta segunda abordagem, não se pôde obter resultados mais práticos, devido à falta de tempo para acabar o projeto. A única maneira de se concluir que a rede está a funcionar por parte dos nós, além da compreensão do código, é através do piscar dos vários leds, que quando a rede de sensores está carregada com a aplicação VibSense, significam que as mensagens estão a passar pelos vários nós da rede, até ao terminal. Pela parte do Java não foi possível obter um programa a correr no terminal, devido à falta de melhor compreensão da linguagem Java. Mas pode- se supor, visto que o código não foi alterado, que a aplicação também está funcional, visto que os problemas obtidos nesta parte foram devidos ao apontar, erradamente os diretórios no momento da compilação Conclusões Os objectivos deste projeto passava por fazer o upgrade da aplicação VibSense, atualizando a parte Java da aplicação, e converter a parte de TinyOS da versão 1.x para 2.x. Com a primeira abordagem, conseguiu- se compreender o funcionamento do programa, para na segunda abordagem se poder concluir que tanto na parte do terminal como dos nós, a aplicação VibSense se encontra a funcionar corretamente. Além destes objectivos, com o decorrer do projeto foi necessário compreender a aplicação do Environmental interaction, visto que este se encontra relacionado com o VibSense, então, também se fez as devidas alterações para o atualizar, com as mesmas conclusões a que se chegou para o VibSense. A falta de melhores resultados deste trabalho poderá ter sido ao facto de ter sido necessário aprender duas novas linguagens de programação (TinyOS, Java) entre outras ferramentas, e à falta de experiência em utiliza- las, mas contudo conseguiu- se obter os resultados pretendidos. Referência para futuros trabalhos Para quem quiser utilizar, e resolver o problema do Java, foi deixada em cada uma das pastas com o caminho Tagus- SensorNet v2/tags/1.0.1/tagus- SensorNet- TNG/src/main/tinyos/apps que contêm as aplicações para TinyOS do VibSense e do Environmental Interaction, uma Makefile, que bastará corre com o comando make micaz para gerar as classes para Java das estruturas e constantes da aplicação dos nós. Estas classes depois de geradas encontrar- se- ão dentro das pastas com os caminhos: /build/java/pt/org/leme/gems/tsn/core/ e /build/java/pt/org/leme/gems/tsn/apps/vibsense/ para o Makefile do VibSense, e dentro das pastas com os caminhos: /build/java/pt/org/leme/gems/tsn/core/ e /build/java/pt/org/leme/gems/tsn/apps/environmentalinteraction/ para o Makefile do Environmental Interaction. 14

15 Tabela de Figuras Figura 1 - Estrutura da pasta VibSense para TinyOS Figura 2 - Estrutura da raiz da pasta das bibliotecas adicionais para TinyOS Figura 3 /lib/taguslplc.nc Ficheiro Atualizado (Esquerda), Ficheiro Original (Direita) Figura 4 java/vibsense/makefile MakeFile Vibsense Atualizado (Esquerda), Original (Direita) Figura 5 - java/vibsense/vsmicaz.h - Formato Atualizado (Esquerda), Original (Direita)... 6 Figura 8 EnvironmentalInteraction/makefile Makefile Atualizado(Esquerdo), Original (Direito) Figura 9 EnvironmentalInteraction/CtpP.nc Protocolo CTP Atualizado (Esquerda), Original (Direita) Figura 11 - EnvironmentalInteraction/EnvironmentalInteractionMsgs.h - Actualizado (Esquerda), Original (Direita)... 8 Figura 12 Environmental Interection e VibSense a correrem no terminal... 8 Figura 13 Definição do cabeçalho da Messagem DataMsg (Nota: encontra- se comentado )... 9 Figura 14 - Tamanho da amostra do Acelerómetro igual a 2 Bytes... 9 Figura 15 Estrutura da Mensagem DataMsg Figura 16 java/vibsense/graphpanel.java Modo de comparação para aceder aos dados do acelerómetro (linha 8) Figura19 - Tagus- SensorNet/tags/1.0.1/Tagus- SensorNet- TNG/src/main/java/p t/org/leme/gems/tsn/apps/vibsense/graphpanel.java (linha 13) Referências Bibliográficas [1] P. Levis e D. Gay, «TinyOS Programming», ReVision, vol. 28, p. 2006, [2] M. Barroso, «Wireless Sensor Networks Tagus SensorNet Integration», pp [3] M. Barroso, «Service Augmented Resource Description Architecture», Group. [4] L. D. Pedrosa, P. Melo, R. M. Rocha, e R. Neves, «A flexible approach to WSN development and deployment», Int. J. Sens. Networks, vol. 6, n. 3/4, p. 199,