| Περίληψη: | Τα δίκτυα αισθητήρων είναι μια εξειδικευμένη κατηγορία κατανεμημένων δικτύων, η οποία τα τελευταία χρόνια έχει συγκεντρώσει το ενδιαφέρον της ερευνητικής κοινότητας, λόγω του ευρύτατου πεδίου εφαρμογών της. Τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από συσκευές που διαθέτουν αισθητήρες (sensors) και ενδεχομένως μηχανισμούς δράσης (actuators) και είναι διασκορπισμένες στο χώρο, με δυνατότητα επικοινωνίας μεταξύ τους και επεξεργασίας σε ένα βαθμό της πληροφορίας που διακινούν στο δίκτυο. Στόχος των δικτύων αυτών είναι η παρακολούθηση της εξέλιξης ενός φαινόμενου, ή η ανίχνευση περιβαλλοντικών συνθηκών και η αποστολή των δεδομένων που συλλέγονται σε έναν κεντρικό κόμβο, το κέντρο ελέγχου. Οι δυνατότητες των συσκευών είναι κατά κανόνα περιορισμένες, λόγω του μικρού μεγέθους τους, του χαμηλού κόστους τους και ενίοτε του αναλώσιμου ρόλου τους.
Οι εφαρμογές των δικτύων αυτών ποικίλουν, από εφαρμογές στην επιστήμη γεωργίας ακριβείας, στην πυρανίχνευση και την παρακολούθηση συνθηκών περιβάλλοντος σε κτιριακές εγκαταστάσεις, μέχρι εφαρμογές ανίχνευσης κίνησης των εχθρικών μονάδων σε πεδίο μάχης, ή παρακολούθησης φαινόμενου που εξελίσσεται σε δυσπρόσιτη περιοχή. Μερικές από τις βασικές προκλήσεις που προκύπτουν σε αυτά τα δίκτυα, λόγω της φύσης τους, είναι η βέλτιστη διαχείριση των ενεργειακών πόρων κάθε κόμβου, η αποδοτική συνδυαστική επεξεργασία των διακινούμενων μηνυμάτων και η αξιόπιστη δρομολόγηση της πληροφορίας που συλλέγεται προς το κέντρο ελέγχου, καθώς και η δυναμική και αυτόνομη οργάνωση του δικτύου.
Η εξέλιξη των δικτύων αισθητήρων σε συνδυασμό με την επιθυμία υλοποίησης περίπλοκων και περισσότερο ολοκληρωμένων εφαρμογών, οδήγησε σε δίκτυα που περιέχουν ετερογενείς κόμβους, όπως για παράδειγμα κόμβους με διαφορετική αρχιτεκτονική, διαφορετικούς αισθητήρες, με διαφορετικές επεξεργαστικές και επικοινωνιακές ικανότητες ή και κόμβους με δυνατότητες κίνησης ή επιτέλεσης εργασιών (actuators) σε απόκριση εντολών που λαμβάνουν από το κέντρο ελέγχου. Επιπρόσθετα, σε πολλές εφαρμογές διαφαίνεται η ανάγκη για διασύνδεση πολλαπλών δικτύων αισθητήρων και διάδοση της πληροφορίας που συλλέγουν μέσω του διαδικτύου προς απομακρυσμένους εξυπηρετητές με αυξημένες επεξεργαστικές ικανότητες, προς βάσεις δεδομένων, συσκευές pda ή κινητά τηλέφωνα, σταθμούς εργασίας τελικών χρηστών και άλλες συσκευές. Δημιουργείται με αυτόν τον τρόπο ένα ευρύτερο ετερογενές δίκτυο επικάλυψης (overlay sensor network), η διαχείριση και αποδοτική χρήση του οποίου απαιτεί νέες αρχιτεκτονικές οργάνωσης των επιμέρους δικτύων, προσαρμοσμένα πρωτόκολλα διάδοσης πληροφορίας και πλατφόρμες που διευκολύνουν τον προγραμματισμό των δικτύων αυτών.
Για το λόγο αυτό η επιστημονική κοινότητα επικεντρώνει το ενδιαφέρον της στο σχεδιασμό ειδικών περιβαλλόντων λογισμικού που μεσολαβούν ανάμεσα στον προγραμματιστή εφαρμογών και τα ετερογενή δίκτυα αισθητήρων, τα οποία ανήκουν στην κατηγορία των middleware. Τα περιβάλλοντα αυτά αναλαμβάνουν να διαχειριστούν θέματα χαμηλού επιπέδου ή και ανώτερων επιπέδων στα δίκτυα αισθητήρων, που δεν θα έπρεπε να απασχολούν τον προγραμματιστή κάθε φορά που επιθυμεί να υλοποιήσει μια εφαρμογή. Απώτερος σκοπός είναι να παρέχουν υπηρεσίες υψηλού επιπέδου και ομοιογενείς λογικές αφαιρέσεις πάνω στα ετερογενή δίκτυα, ενώ είναι επιθυμητή η αποδοτική λειτουργία τους σε παγκόσμια κλίμακα όπου πολλά γεωγραφικά διάσπαρτα δίκτυα συνεργάζονται για να παρέχουν τις υπηρεσίες τους με οργανωμένο και καλά ορισμένο τρόπο.
Η δική μας συνεισφορά στην έρευνα του πεδίου αυτού, έγκειται πρώτα στη μελέτη ήδη διαθέσιμων προτάσεων middleware για τον προγραμματισμό και τη διασύνδεση πολλαπλών και ετερογενών δικτύων αισθητήρων, με σκοπό τον εντοπισμό των θεμάτων και προβλημάτων που αντιμετώπισαν κατά το σχεδιασμό τους, την ανάλυση της αρχιτεκτονικής τους και την αξιολόγηση της απόδοσής τους. Επιθυμώντας να δώσουμε τη δική μας πρόταση στο πεδίο των middleware για δίκτυα αισθητήρων και αξιοποιώντας τα συμπεράσματά μας από την μελέτη των άλλων προτάσεων, σχεδιάσαμε και υλοποιήσαμε το middleware σύστημα ShareSense II. Το σύστημα ShareSense II προέρχεται από τον επανασχεδιασμό τού αρχικού και απλούστερου ShareSense και ενσωματώνει το middleware jWebDust επεκτείνοντας κατά ένα τρόπο την αρχιτεκτονική του, ώστε να υποστηρίζει δίκτυα επικάλυψης (overlay sensor networks) μεγάλης κλίμακας.
Η πλατφόρμα του ShareSense II σχεδιάστηκε για να παρέχει λογική αφαίρεση των δικτύων αισθητήρων, ώστε ο προγραμματιστής να μπορεί εύκολα να ρυθμίσει τις υπηρεσίες που παρέχει ένα δίκτυο επικάλυψης, να διαχειρίζεται τις λειτουργίες των επιμέρους δικτύων, να μπορεί να προγραμματίσει δυναμικά τη συμπεριφορά τους και να καθορίσει τον τρόπο παρουσίασης της χρήσιμης πληροφορίας που αποκομίζει από αυτά, στον τελικό χρήστη. Βασιζόμενοι στην ευέλικτη υποδομή των peer-to-peer δικτύων, προτείνουμε μια λύση για τη διασύνδεση πολλαπλών ετερογενών δικτύων αισθητήρων με συσκευές και σταθμούς εργασίας πάνω από το διαδίκτυο. Δώσαμε έμφαση στην επεκτασιμότητα της αρχιτεκτονικής ως προς τις υποστηριζόμενες υπηρεσίες και τύπους δικτύων, την αξιοποίηση και τη συνεργασία με υπάρχοντα middleware που διαχειρίζονται κάποια επιμέρους δίκτυα και την παροχή χρήσιμων διεπαφών για την εύκολη υλοποίηση πρακτικών εφαρμογών.
Υλοποιήσαμε, τέλος, μια εφαρμογή η οποία στηρίζεται στην πλατφόρμα του ShareSense II για να τεκμηριώσουμε την επάρκεια της αρχιτεκτονικής του συστήματός μας και να εντοπίσουμε τα σημεία όπου απαιτείται βελτίωσή της. Η εφαρμογή χρησιμοποιεί το περιβάλλον του Google Earth για την παρακολούθηση των επιμέρους δικτύων που συμμετέχουν στο σύστημα, επιτρέποντας παράλληλα τη δυναμική υποβολή ερωτημάτων και την αντιστοίχιση των δικτύων σε τρισδιάστατα μοντέλα κτιρίων και άλλων περιοχών, ώστε να είναι άμεση και εύληπτη η παρουσίαση της πληροφορίας στον τελικό χρήστη.
|
|---|
