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1. tecnica pesata ancoreNodes mote double sommaPesi 0 pesata su 1 d 1 5 double sommaPesataX 0 0 for int i 0 i lt ancoreNodes length i if ancoreNodes i null double sommaPesataY double exp A ancoreNodes i getRssi 10 np double distanza Math pow 10 exp c double pesiDistanze Math pow distanza expPesoDistanza sommaPesi pesiDistanze 1 d expPesoDistanza sommaPesataX pesiDistanze ancoreNodes i getX sommaPesataY pesiDistanze ancoreNodes i getY x sommaPesataX sommaPesi y sommaPesataY sommaPesi if D Log d TAG x y return new PointF float x float y 97 APP C BLUETMOTE TRACKING 98 Bibliografia 1 Reto Meier Professional Android 2 application developement p 426 427 430 433 434 Marabese Daniele Tesi di laurea Analisi delle principali piattaforme mobile ai fini del loro impiego per la gestione dell assistenza clienti di una ditta informatica pagine 29 31 34 37 116 119 145 152 Moteiv Corporation T mote sky http www cs uvm edu crobinso mote tmote sky quickstart 110 pdf Rev B April 2005 Document 7430 0021 06 Chipcon AS Products CC2420 Datasheet www chipcon com Sena Technologies Inc Parani ESD100V2 110V2 USER GUIDE ver 2 19 11 2009 Documentazione Smartphone http www lg com it mobile mobile phones LG smartphone android LG Optimus One jsp LG Electronics Italia S p A
2. Send and receive done radio event gt event void AMSend sendDone message_t msg error_t error if error SUCCESS printf AM Send Done success seqno i n seqno 1 printfflush else printf AM Send Done FAIL Nn printfflush if amp pkt msg 80 busy FALSE event message t Receive receive message t msg void payload uint8 t len char str 30 char stri 3 uinti6 t rx seqno 0 uint 6 t nodeid 0 uint8 t tx pow 0 0 0 bool is pos FALSE uinti6_t x 0 int8 t rssi uint8 t lqi uinti6 t y 0 cc2420 header t header call ResBlue request call ResRadio release if len sizeof RadioBluetoothMsg 1 RadioBluetoothMsg rbpkt RadioBluetoothMsg payload rx seqno rbpkt gt segno tx pow rbpkt tx power rssi rbpkt gt rssi lqi rbpkt gt lgi is_pos rbpkt gt im_pos x rbpkt gt x y rbpkt gt y header cc2420_header_t msg gt header nodeid header gt src 81 APP B COMUNICAZIONE SERIALE itoa rx seqno stri 10 strcat str stri strcat str itoa nodeid stri 10 strcat str stri strcat str itoa tx_pow stri 10 strcat str stri strcat str itoa rssi stri 10 strcat str stri strcat str itoa lgi stri 10 strcat str stri strcat str itoa is pos stri 10 strcat str stri strcat str itoa x stri 10 strcat str stri strcat str itoa y
3. 4 oes cupa uarrreaayiosens m_ e __ ipa uanrceartosena 7A e ovo mu ocmu oss P 7 rms mea Paring np ace n e ooo omit Buvom comect erect acivetomy m e o owe passen i 3 io sm oupa oaa Temara __ m Loser oes reset ose Porco com Figura 2 5 Descrizione dei connettori presenti sulla scheda Parani ESD100V2 Gli utenti possono creare una connessione tra un unit Parani ESD e altri dispositivi bluetooth seguendo le seguenti fasi e Fase 1 Accendere ESDI e impostare i parametri di default usando il segnale RST 30 2 3 SMARTPHONE e Fase 2 Impostare il segnale di accoppiamento di ESD1 ad uno stato basso e mantenere cosi il segnale per 2 secondi e Fase 3 Gli utenti possono scoprire e connettersi a ESD1 utilizzando il software oppure l interfaccia utente di altri dispositivi bluetooth con cui si vuole connettere e Fase 4 Attendere che il dispositivo ESDI e gli altri dispositivi bluetoo th si connettano tra loro Questa attivit pu richiedere circa 10 secondi per stabilire una connessione Se ci sono molti dispositivi bluetooth nelle vicinanze il tempo di connessione pu aumentare e Fase 5 Ora ESDI in attesa di una connessione dall ultimo dispositivo bluetooth connesso L ultimo dispositivo bluetooth collegato pu connet tersi al ESDI In figura 2 6 vien
4. BlueTmoteC nc include Timer h include SerialBluetooth h include printf h module BlueTmoteC uses interface Leds led0 red ledi green led2 blu interface Boot interface SerialBluetooth interface Timer lt TMilli gt as BootTimer interface Timer lt TMilli gt as MilliTimer 74 LCD screen interface StdControl as BluetoothControl for communication sending interface Packet interface AMPacket interface AMSend interface SplitControl as AMControl for receiving interface Receive Resource arbiter interface Resource as ResRadio interface Resource as ResBlue implementation uint8_t counter 1 bool busy FALSE message_t pkt uint16_t segno 0 uint8_t send_node_id uint8_t send_x uint8_t send_y bool send_pos FALSE uint8 t countRx 0 uint8 t rxRssi 6 uint 6 t sumRssi 0 uint 6 t totRssi 0 event void Boot booted 1 75 APP B COMUNICAZIONE SERIALE TOSH MAKE UTXDO OUTPUTO TOSH SET UTXDO PINO call ResBlue request call BootTimer startOneShot BOOT SHOT TIME x resources xoc event void ResBlue granted 1 call BluetoothControl start call AMControl stopO event void ResRadio granted call BluetoothControl stop call AMControl start event void AMControl stopDone error t err 4 event void AMControl startDone error t err if err SUCCESS else call
5. Documentazione Android http developer android com guide basics what is android html David Gay David Culler and Philip Levis Nesc language reference manual settembre 2002 David Gay Philip Levis Robert von Behren Matt Welsh Eric Brewer Da vid Culler The nesC Language A Holistic Approach to Networked Embedded Systems giugno 2003 99 BIBLIOGRAFIA 10 Crossbow Technology TinyOS Getting Started Guide Rev A October 2003 document 7430 0022 03 tmote sky datasheet 11 Documentazione TinyOS http docs tinyos net tinywiki index php 12 Documentazione API Bluetooth per Android http developer android com guide topics wireless bluetooth html 13 Dakai Zhu Ali Tosun RF Communication for LEGO Handy Board with Tmote Department of Computer Science University of Texas at San Antonio 2008 14 TinyOS Enhancement Proposals TEP 108 Resource Arbitration http www tinyos net tinyos 2 x doc html tep108 html 15 TinyOS Enhancement Proposals TEP 113 Serial Communication http www tinyos net tinyos 2 x doc html tep113 html 16 A Smith H Balakrishnan M Goraczko N Priyantha Tracking Moving Devices with the Cricket Location System Technical report MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory The Stata Center 32 Vassar Street Cambridge MA 02139 2004 17 N B Priyantha A Chakraborty H Balakrishnan The Cricket Location Support System 6th ACM International Confere
6. UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PADOVA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL INFORMAZIONE TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA INFORMATICA PROGETTAZIONE DI UN SISTEMA DI NAVIGAZIONE INDOOR PER PALMARE TRAMITE RETI DI SENSORI WIRELESS RELATORE Ch mo Prof Luca Schenato LAUREANDO Stefano Dazzo Padova 24 ottobre 2011 il UNIVERSIT DEGLI STUDI DI PADOVA DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL INFORMAZIONE TESI DI LAUREA IN INGEGNERIA INFORMATICA DESIGNING AN INDOOR NAVIGATION SYSTEM FOR HANDHELD USING WIRELESS SENSOR NETWORKS RELATORE Ch mo Prof Luca Schenato LAUREANDO Stefano Dazzo Padova 24 ottobre 2011 iii lv Alla mia famiglia vi Indice Sommario Introduzione 1 Ambiente Software 1 1 1 2 1 3 Introduzione a Google Android Jl Android SOR paro ae of 5S et X EA ES NS 1 1 2 D architettura di Android 222 04e XE E em 1 1 3 Fondamenti delle applicazioni per Android 1 1 4 Android Bluetooth soc e na DORT Den M P rrp Boe oe ETVOS vati aid Ya eo aee o te A ee pe aee s 2 Componenti hardware 2 1 2 2 2 3 dinum pcm Parani ESD100V2 ls Smartphone ou MeN B sat ou seat LC E Lion ai ina d 3 Sviluppo 3 1 3 2 3 3 Schema di collegamento si gd so wees eeu we hE ee S ES L applicazione per TmoteSky acea ea do ea Y Maps Sile Bhebmole warner Bik ook OR UP RE Oe P eed 3 2 2 SerialBluetooth gal sa th X Eck X xem L applic
7. per effettuare il setup della scheda e le seconde per effettuare il forwarding dei messaggi verso lo smartphone Questo perch pur avendo la stessa modalit per l invio dei messaggi attraverso il bus seriale richiedono esecuzioni in risposta agli eventi differenti Per quanto concerne l invio in entrambi i casi vengo effettuate le stesse procedure ovvero la configurazione del buffer di ricezione l abilitazione dei segnali di interrupt ed infine l invio del messaggio come mostrato rispettivamente nelle linee di codice che seguono call UartStream receive rxStrBuffer rxBufferLength resultRXEI call UartStream enableReceiveInterrupt result call UartStream send txStrBuffer txBufferLength 44 3 8 L APPLICAZIONE PER ANDROID Una volta ottenuta la risposta verr disabilitato l interrupt rilasciata la risorsa e segnalato al componente di livello pit alto la ricezione di una risposta In fase di ricezione come gi spiegato c una gestione differente degli eventi generati che si tratti di risposte a comandi di setup di Parani o di forwarding verso lo smartphone Nel caso in cui si stia effettuando il forwarding dei messaggi si deve porre attenzione ad una particolarit della trasmissione bluetooth descritta nel manuale utente di Parani 5 Nella trasmissione bluetooth viene descritto un tempo di delay dovuto alla necessit fisica di Parani di inviare il messaggio ed alla qualit del link di comunicazione Quindi ques
8. SerialBluetoothP StdControl components new TimerMilliC as MilliTimer SerialBluetoothP DelayTimer gt MilliTimer SerialBluetoothP nc include SerialBluetooth h include printf h module SerialBluetoothP uses interface Resource interface UartStream interface Timer lt TMilli gt as DelayTimer provides interface Msp430UartConfigure interface SerialBluetooth interface StdControl 84 implementation 1 msp430 uart union config t msp430 uart tmote config utxe 1 urxe 1 ubr UBR_1MHZ_9600 umctl UMCTL_1MHZ_9600 ssel 0x02 pena 0 pev 0 spb 0 clen 1 listen 0 mm 0 ckpl 0 urxse 0 urxeie 1 urxwie 0 utxe 1 urxe 1 F uinti6 t txBufferLength 0 char txStrBuffer BUFFER SIZE uint8 t rxBufferLength 6 char rxStrBuffer BUFFER SIZE bool attendConnection FALSE TRUE attend bluetooth connection bool forwarding FALSE TRUE it s in forwarding state bool busy FALSE TRUE bluetooth is sending the msg attend 30 ms 85 APP B COMUNICAZIONE SERIALE task void sendDoneSuccessTask signal SerialBluetooth sendCommandDone SUCCESS if DBG_INT printf UartStream send SUCCESS n printfflush task void sendDoneFailTask signal SerialBluetooth sendCommandDone FAIL call UartStream disableReceiveInterrupt if DBG_INT printf UartStream send FAIL n p
9. articolo 23 che utiliz za tecniche di correzione dell errore L algoritmo che andremo a utilizzare per risolvere il problema della localizzazione molto intuitivo e di semplice imple mentazione restituendo dei risultati accettabili in termini di errore assoluto tra la posizione reale e quella calcolata La tecnica utilizzata effettua la media pesata delle coordinate dei nodi ancora rispetto alla distanza di quest ultimi dal nodo mobile Distanza calcolata in base alla potenza del segnale radio ricevuto Que sta soluzione risente tuttavia dei disturbi presenti nell ambiente quali riflessioni diffrazioni e scattering e quindi necessita di un ulteriore fase di studio Nei capitoli 1 e 2 andremo a descrivere rispettivamente gli strumenti software 5 INTRODUZIONE Bluetooth mote sky Depositio Smartphone Figura 3 Schema di connessione tra Tmote sky e un dispositivo smartphone attraverso comunicazione bluetooth e hardware utilizzati per la realizzazione del sistema ponendo particolare atten zione alle caratteristiche del sistema Android che presenta delle caratteristiche interessanti nella sua architettura Nel capito 3 verr descritto il collegamento seriale tra il Tmote e la scheda bluetooth per proseguire con la descrizione del programma di comunicazione In fine nel capitolo 4 dopo una breve descrizione di alcune tecniche di localizzazione note presenteremo una soluzione implementata e i risult
10. che non rispetta lo standard di idle high sul pin di trasmissione cosa che invece viene mantenuta dalla scheda bluetooth Parani Il collegamento effettuato risulta soddisfacente rimangono tuttavia alcu ni aspetti su cui porre attenzione come la condivisione del bus seriale da parte del Tmote che pu portare a perdita di messaggi in quanto l utilizzo del bus per le comunicazioni bluetooth esclude la ricezione di messaggi dal resto della rete e viceversa Mentre dal lato dello smartphone la ricezione dei messaggi risulta discontinua infatti in certi casi arrivano per intero in altri spezzati in due o pi parti Tuttavia vi siano alcuni problemi nelle comunicazioni il sistema cosi come e stato implementato permette la ricezione delle informazioni necessarie per effet tuare l operazione di localizzazione descritta nella seconda parte della tesi Dopo una breve presentazione dei parametri RSSI e LOI e alcuni esempi di sistemi di 69 5 CONCLUSIONI localizzazione presenti in letteratura viene descritta una tecnica intuitiva per il calcolo della posizione del nodo mobile Tecnica basata sulla media pesata delle coordinate dei nodi ncora rispetto alle distanze degli stessi dal nodo mobile In questa parte conclusiva a completamento del progetto stato presentato l algo ritmo implementato per la localizzazione e i risultati ottenuti Questa tecnica presenta due vantaggi fondamentali ovvero non richiede informazioni a priori dell ambient
11. linux Android avvia il processo quando ciascuna parte del codice dell ap plicazione necessita di essere eseguita e chiude il processo quando non pi necessario e le risorse del sistema sono richieste da altre applicazioni e Ogni processo ha una sua propria macchina virtuale VM per cui il codice dell applicazione viene eseguito separatamente dal codice di tutte le altre applicazioni e Per impostazione predefinita ad ogni applicazione assegnato un unico Linux User ID I permessi sono impostati in modo che i files dell applicazione siano visibili soltanto a quell utente e solo all applicazione stessa sebbene ci siano modi per esportarli in altre applicazioni possibile organizzare due applicazioni affinch condividano lo stesso User ID nel qual caso esse saranno in grado di vedere i rispettivi file Per risparmiare risorse di sistema le applicazioni con lo stesso ID possono anche essere eseguite nello stesso processo Linux e condividono la medesima VM Componenti delle applicazioni Una caratteristica chiave di Android che una applicazione pu fare uso di ele menti di altre applicazioni purch tali applicazioni lo consentano Ad esempio se l applicazione deve visualizzare un elenco a scorrimento di immagini e in un al tra applicazione stata sviluppata una barra a scorrimento pi adatta e resa disponibile agli altri possibile richiamare quella barra quando serve piuttosto di svilupparne una per
12. 24 Capitolo 2 Componenti hardware 2 1 Tmote Sky Figura 2 1 Tmote Sky 3 I mote utilizzati nell esperimento a cui faremo riferimento nel testo sono i Tmote Sky 3 prodotti della Motelv corporation fig 2 1 sono dispositivi a bassissima potenza dotati di diversi sensori ambientali Vediamo nei particolari di cosa composto Microprocessore Prodotto dalla Texas Instruments l MSP430 e caratterizzato da 10kB di RAM 48kB di flash ROM e un architettura 16bit RISC Ha un oscillatore DCO che opera sopra gli 8 MHz e un oscillatore al quarzo utile alla calibrazione del primo E dotato inoltre di 8 porte ADC interne e altrettante esterne necessarie per leggere i valori dei sensori o dei livelli di batterie Radio Tmote utilizza il Chipcon CC2420 fornisce tutto il necessario per comunicazioni 25 2 COMPONENTI HARDWARE Livello di potenza Potenza in uscita dBm Consumo corrente mA 3l 0 17 4 27 1 16 5 23 3 15 2 19 5 13 9 15 7 12 5 11 10 11 2 T 15 9 9 3 25 8 5 Tabella 2 1 Potenza di trasmissione radio e relativi consumi di corrente wireless affidabili basate sullo standard IEEE 802 15 4 Il chip radio viene con trollato dall MSP430 tramite il bus SPI e possono essere programmati i parametri fondamentali per la trasmissione potenza frequenza e gruppo La radio lavora infatti attorno ai 2 4GHz con una modulazione O QPSK ma possibile selezio nare tra 16 canali differenti
13. Link Quality Indicator LQI e ritornato direttamente dal chip radio il quale lo genera nel blocco di sincronizza zione e di correlazione dei dati Il valore di LQI rappresenta dunque la facilit col quale stato possibile associare la sequenza di simboli ricevuti ad una parola di quattro bit e quindi dipende in una certa misura dalla quantit di rumore presente nel canale nella banda in cui avviene la trasmissione 59 4 LOCALIZZAZIONE RF antennae Ultrasound sensors Figura 4 2 Esempio di nodi utilizzati dal sistema radar 4 3 Esempi di sistemi di localizzazione 4 3 1 Cricket Il sistema di localizzazione Cricket 16 17 nato dal progetto Oxygen del MIT Scopo del progetto era la realizzazione di un sistema di localizzazione completo a basso costo e con un elevato grado di robustezza in funzione dello spegnimento dei nodi ncora della rete La tecnica di localizzazione di un nodo mobile sfrutta la differenza tra il tempo del segnale elettromagnetico ed il segnale ultrasonico con una precisione compresa nell ordine del centimetro Tuttavia una soluzione di questo tipo poco utilizzata perch i componenti utilizzati per generare il segnali ultrasonici sono molto sensibili alle vibrazioni meccaniche e soggetti a frequenti rotture Un esempio di nodo e riportato in figura 4 2 4 3 2 Radar Il progetto RADAR 18 19 uno dei primi a non utilizzare nodi dedicati per realizzare un sistema di localizzazio
14. TX pin 4 Uart TX pin 3 Uart RX pin 9 Ground pin 1 Ground pin 5 Clear To Send CTS pin 12 Ground Tabella 3 1 Collegamento tra i pin del Tmote e della scheda Parani Per quanto riguarda l alimentazione la scheda Parani viene alimentata da un pacchetto di due batterie stilo da 1 5V collegate in serie Le batterie sono unite ai pin 1 e 9 della scheda Parani Si osserva che tuttavia la scheda gi collegata al pin di ground del Tmote questo tipo di collegamento utile per mantenere stabile il valore di tensione sul canale di comunicazione tra le due schede e facilitare la loro sincronizzazione Inoltre necessario collegare il pin 11 di reset della scheda Parani con il pin di alimentazione Vcc quando il pin di reset viene cortocircuitato con il ground la scheda Parani si resetta alle impostazioni di fabbrica Un ulteriore aspetto da tenere presente perch non ben documentato nei ma nuali del Tmote e nella documentazione del TinyOs la caratteristica operativa del pin 4 ovvero il pin di trasmissione Tale pin opera nello stato di idle low come descritto in 13 ci significa che nei periodi di idle il pin mantiene la tensione sul pin di trasmissione bassa e nel momento in cui avviene la trasmissione del segnale la porta allo stato alto Questo causa la mancata sincronizzazione con altri dispositivi che richiedono la tensione sul pin corrispondente a livello alto come richiesto dallo standard di comu
15. call BootTimer startOneShot BOOT SHOT TIME telse call Leds led20n event void SerialBluetooth connectionDone error t error call ResRadio request call ResBlue release 78 call MilliTimer startPeriodic 3000 event void SerialBluetooth forwardingDone error t error if error SUCCESS call ResRadio request call ResBlue release else call MilliTimer stop call SerialBluetooth setAttendConn event void SerialBluetooth sendPosToMote char str char s 4 int i RadioBluetoothMsg rbpkt for i 0 i lt 4 i s i str i send_node_id atoi s for i 0 i lt 4 i s i send x atoi s str i 4 for i 0 i lt 4 i s i send y atoi s rbpkt RadioBluetoothMsg call Packet getPayload amp pkt NULL str i 8 rbpkt gt segno segno rbpkt gt im_pos TRUE rbpkt gt x send_x rbpkt gt y send_y send_pos TRUE event void MilliTimer fired 79 APP B COMUNICAZIONE SERIALE 1 if send pos if call AMSend send send node id amp pkt Sizeof RadioBluetoothMsg SUCCESS send_pos FALSE if busy RadioBluetoothMsg rbpkt RadioBluetoothMsg call Packet getPayload amp pkt NULL rbpkt gt segno segno rbpkt gt im_pos FALSE rbpkt gt x 0 rbpkt gt y 0 if call AMSend send AM BROADCAST ADDR amp pkt sizeof RadioBluetoothMsg SUCCESS 1 busy TRUE seqno seqno 1
16. come strumento per il calcolo e la presentazione della posizione del nodo mobile Il codice scritto viene presentato in appendice C La soluzione adottata si basa sul modello del campo 4 3 gi adottato nel l articolo 23 e presentato nel paragrafo 4 3 5 Dove si fa notare che P d una variabile gaussiana con media P d P do 10n log d do e varianza o ed possibile una sua riformulazione come segue P d Pry A 10n log d Xo 4 5 dove Prx una potenza di trasmissione ben conosciuta well know transmission power e A un fattore di attenuazione E possibile quindi calcolare la distanza d tra nodo mobile indicato con indice 1 e nodo fisso j 2 n ee dij e 210 4 6 64 4 4 IMPLEMENTAZIONE SULLO SMARTPHONE dove e il fattore che interviene nel calcolo della media della variabile aleatoria d P 24 fa pee deis uia Cc 4 7 Con queste informazioni possiamo presentare l algoritmo che esegue alla fine il calcolo della posizione del nodo mobile come la media delle coordinate x e y dei nodi ncora pesata sulle distanze degli stessi nodi ncora dal nodo mobile L algoritmo segue i seguenti passi 1 inizializzazione dei nodi ncora con le loro posizioni x y rispetto ad un punto di riferimento stabilito a priori il nodo mobile una volta connesso allo smartphone manda dei messaggi di ping in broadcast ai nodi ncora permettendo
17. fine della chiamata allora il comando termina e ritorna un valore che indica se la chiamata ha avuto successo o meno Gli eventi sono direttamente o indirettamente dei gestori delle inter 19 1 AMBIENTE SOFTWARE ruzioni hardware Il componente di livello pi basso trasforma un interruzione hardware in un evento che pu essere provocato da un interruzione esterna da timer o dal contatore e poi propaga tale richiesta ai livelli pi alti Similmente ai comandi un evento pu depositare dei parametri nel frame e pu attivare un task Un evento pu richiamare altri eventi e alla fine chiamare un comando come a formare una catena che prima sale e poi scende Per evitare che questa catena si possa chiudere viene impedito ai comandi di generare eventi Ad esempio un comando o un evento f in un interfaccia i chiamato i f questo viene definito premettendo la parola chiave commad o event Una command call come una normale chiamata di una funzione con la premessa della parola chiave call allo stesso modo event signal come una chiamata di una funzione con premessa la parola chiave signal I componenti Un applicazione NesC un insieme di componenti collegati tramite interfacce tra i componenti che formano un applicazione ci sono anche quelli dello stesso sistema operativo Questo approccio separa la costruzione dei componenti dalla composizione degli stessi La scomposizione di un applicazione in componenti
18. il bus deve disabilitare l utilizzo della radio Il secondo problema strettamente connesso a quello appena descritto in quanto la risposta dei nodi della rete al ping da parte del nodo collegato allo smartphone legata alla capacit dello stesso a gestire il bus seriale Infatti il Tmote riesce a comunicare in modo separato o attraverso il canale bluetooth o attraverso il canale radio Nel caso in cui arrivino dei messaggi da parte dei nodi della rete durante la comunicazione bluetooth questi non potranno essere rilevati e di conseguenza potrebbero essere perduti Il software stato sviluppato in modo tale che quando al Tmote arrivi un messaggio da parte dei nodi della rete questo venga immediatamente inoltrato via bluetooth Tuttavia questa tecnica presenta degli svantaggi nel senso che se pi nodi rispondono al ping nello stesso momento o in un lasso di tempo molto breve comunque si verifica una perdita di informazioni Si potrebbe pensare a una soluzione che prevede il salvataggio delle risposte ai ping in una tabella e successivamente il suo invio allo smartphone Anche in questo modo c da pensare e prevedere quale dimensione deve avere la tabella nel programma Nesc in quanto non prevede l utilizzo di allocazione dinamica della memoria In fine un aspetto al quale porre attenzione e il sistema di comunicazione di Parani Nei test di comunicazione tra T mote e smartphone si osservato un com portamento strano nella ricezione d
19. messaging potrebbe avere un attivit che mostra un elenco di contatti a cui inviare messaggi una seconda attivit per scrivere il messaggio al contatto scelto e altre attivit per rivedere vecchi messaggi o modificare le impostazioni Anche se lavorano insieme per for implementata come una sottoclasse della classe base Activity Un applicazione potrebbe consistere di una sola attivit o come le applicazioni di messaging sopra menzionate ne pu contenere parecchie Quali sono le attivit e quante ce ne sono dipende dall applicazione e dalla sua struttura In genere una delle attivit contrassegnata come la prima che dovrebbe essere presentata all utente quando 14 11 INTRODUZIONE A GOOGLE ANDROID l applicazione viene avviata Services Un servizio non dispone di una interfaccia visiva ma viene eseguito in background per un periodo di tempo indefinito Ad esempio un servizio potrebbe eseguire un brano musicale in background mentre l utente si occupa di altre attivit oppure potrebbe recuperare i dati attraverso la rete o qualcosa da calcolare e fornire il risultato ad un attivit che ne ha bisogno Ogni servizio estende la classe di base Service Broadcast receivers Un ricevitore broadcast un componente che non fa altro che ricevere e reagire alle notifiche Molte notifiche sono generate dal codice di sistema per esempio gli annunci che il fuso orario cambiato che il livello della batteria basso che
20. myIntent putExtra mote_pos_x Integer toString mote index getXO myIntent putExtra mote pos y Integer toString mote index getYO startActivityForResult myIntent REQUEST POSITION MOTE Una volta stabilita la posizione del nodo fisso premendo il pulsante per l invio del messaggio l activity corrente crea un nuovo oggetto Intent con i dati da inviare l activity chiamante ovvero quella principale e a questo punto termina la sua esecuzione public void onClick View v Send a message using content of the edit text widget TextView pos x TextView findViewById R id mote pos x TextView pos_y TextView findViewById R id mote pos y send the position Intent intent new Intent intent putExtra EXTRA_SEND_POS_X pos_x getText toString trim 50 3 8 L APPLICAZIONE PER ANDROID Rmo Bae WO B amp Ch afl 16 00 teconnected ESD100V2 v2 0 0 0BD683 Mote ID 2 TX POW O0 RSSI 14 LQI 107 Pos x y 0 poe a Selezione di un nodo b Dialog activity con i para metri del nodo selezionato Figura 3 4 Interfaccia principale intent putExtra EXTRA_SEND_POS_Y pos_y getText toString trim intent putExtra EXTRA_MOTE_ID moteID getText toString trim Set result and finish this Activity setResult Activity RESULT OK intent finish A questo punto una volta chiamata la funzione setResult l activity chiaman te viene avvisata che il risultato dispon
21. nella sezione 3 2 2 components SerialBluetoothC App SerialBluetooth gt SerialBluetoothC App BluetoothControl gt SerialBluetoothC StdControl 40 3 2 L APPLICAZIONE PER TMOTESKY Implementazione Questo modulo di configurazione viene implementato nel file BlueTmoteC nc Do ve possiamo notare due fasi dell esecuzione del programma la prima che consente la configurazione di Parani e la seconda che utilizza le funzioni forwarding dei pacchetti radio ricevuti dalla rete dei nodi disposti nell ambiente da monitorare verso lo smartphone L invio degli AT COMMAND permette la configurazione l interrogazione e la gestione dei collegamenti bluetooth di Parani come descritto in 5 Nello sviluppo della nostra applicazione ci serviremo esclusivamente di tre comandi e AT che permette di testare la presenza e il funzionamento del collegamento seriale tra il Tmote e il Parani la risposta a tale comando un semplice ok e AT BTMODE 3 per cambiare il modo operativo della scheda e consen tire la ricezione di richieste di connessione da parte di dispositivi bluetooth e ATZ il comando di reset software ma che deve essere inviato a Pa rani dopo l invio di particolari comandi come ad esempio i comandi che modificano il modo operativo della scheda perch i cambiamenti effettuati possano diventare effettivi Il frammento di codice seguente evidenzia l esecuzione di questi comandi event void BootTimer fired 1
22. numerati da 11 a 26 con i quali ci si pu spostare dalla frequenza base con step di 5 MHz per canale Per quanto riguarda la po tenza in trasmissione sono disponibili 32 diversi livelli quantizzati in 8 possibili valori elencati in tabella 2 1 dal pi elevato 31 al pi debole 3 L integrato CC2420 fornisce un indice di robustezza del segnale ricevuto RS SI e un indicatore di qualit della connessione LQI L interfaccia USB Tmote Sky utilizza un USB controller per gestire la comunicazione seriale col PC Una volta inserito sulla relativa borchia il Tmote Sky verr visualizzato come dispo sitivo nelle macchine Linux o OSX e come COM in Windows gli verr inoltre assegnato un indirizzo identificativo univoco Ad esempio col comando motelist si verifica quali dispositivi sono collegati al computer esempio in tabella 2 2 in questo caso siamo in ambiente Linux e abbiamo due Tmote collegati al primo viene assegnato l identificativo dev ttyUSBO al secondo dev ttyUSB1 la pri ma colonna indica invece il codice che identifica il singolo nodo Antenna L antenna interna posta parallelamente alla superficie della piastra ma esiste la possibilit di montarne di esterne tramite il connettore apposito Ha un range di copertura di 50 metri indoor e oltre 125 metri outdoor ma non e perfetta 26 2 1 TMOTE SKY gt motelist Reference Device Description NAVO00065 dev ttyUSBO DEI NAVLAB mote NAV00063 de
23. plugin per l IDE Eclipse Google Android fu inizialmente sviluppato da Android Inc startup acquisita nel 2005 da Google I cofondatori di Android Inc Andy Rubin a sua volta cofondatore di Danger Rich Miner cofondatore di Wildfire Communications Inc Nick Sears vice presidente di Tmobile e Chris White principale autore dell interfaccia grafica di WebTV iniziarono a lavorare per Google e svilupparo no una piattaforma basata sul Kernel Linux Il 5 novembre 2007 l Open Handset Alliance present Android costruito sulla versione 2 6 del Kernel Linux La piat taforma basata sul database SQLite la libreria dedicata SGL per la grafica bidimensionale e supporta lo standard OpenGL ES 2 0 per la grafica tridimen sionale Le applicazioni vengono eseguite tramite la Dalvik virtual machine una Java virtual machine adattata per l uso su dispositivi mobili Android fornito di una serie di applicazioni preinstallate un browser basato su WebKit una rubrica e un calendario 1 1 1 Android SDK Google gi dalle prime versioni di Android distribuisce il cosiddetto Android SDK 2 giunto ormai alla versione 2 2 un insieme di tool di sviluppo multipiat taforma compatibile con Windows Mac e Linux in grado di mettere a dispo sizione degli sviluppatori tutti gli strumenti utili per conoscere e usare Android L SDK fondamentalmente comprende l emulatore che consente agli sviluppatori di provare le applicazioni come se le stessero vi
24. una foto stata scattata o infine che l utente ha modificato la lingua di preferenza Le applicazioni possono anche avviare le notifiche ad esempio per far consentire ad altre applicazioni che alcuni dati sono stati scaricati sul dispositivo e sono disponibili per l uso Content providers Un fornitore di contenuti rende uno specifico insieme di dati di un applicazione disponibile ad altre applicazioni I dati possono essere memorizzati nel file sy stem in un database SQLite o in qualsiasi altro modo Tuttavia le applicazioni non chiamano questi metodi direttamente ma fanno uso di un oggetto di tipo ContentResolver e si limitano a chiamarne i propri metodi Un ContentResol ver pu parlare con qualsiasi provider di contenuto collabora con il provider per gestire tutte le comunicazioni interprocesso in cui coinvolto Il manifest file Prima che Android possa avviare una componente applicativa deve sapere che la componente esiste pertanto le applicazioni dichiarano le loro componenti in un file manifesto che si trova nel pacchetto Android ovvero il file APK che contiene anche il codice dell applicazione stessa i files e le risorse Il manifesto un file XML strutturato ed sempre chiamato AndroidManifest xml per tutte le applicazioni Oltre a dichiarare i componenti dell applicazione il manifesto svolge molte altre funzionalit come la denominazione di tutte le librerie alle quali l applicazione deve essere linkata oltr
25. 3 96 5 99 4 1 19 3 2 3 96 0 39 2 14 3 35 1 6 3 96 2 63 3 99 1 03 1 6 5 94 1 29 7 13 1 23 3 2 5 94 2 52 6 3 0 77 4 8 5 94 5 88 7 46 1 86 Tabella 4 1 Posizione calcolata rispetto alla posizione reale con rispettivo errore p ancore node C 9 real pos gt lt V Pic NES cebat pds scs ee ai 6 Ye x 4 panna rr X RAPE X oS ees ee 8r AE ACD E OBERT RPS E X x 1 as zel re qd 0 1 2 3 4 5 6 Figura 4 6 Esempio di di localizzazione relativo ai dati riportati in tabella 4 1 67 4 LOCALIZZAZIONE 68 Capitolo 5 Conclusioni Nella tesi si 6 presentato un sistema per la navigazione indoor per palmare tra mite una rete di sensori wireless Il progetto stato sviluppato in due parti la prima relativa l interfacciamento del palmare ad un nodo della rete attraverso una connessione bluetooth mentre la seconda riguardante la realizzazione di un semplice sistema di localizzazione del nodo mobile collegato al palmare La prima parte giustificata dal fatto che ancora sul mercato non sono pre senti palmari con integrato il protocollo di comunicazione IEEE 802 15 4 stato necessario quindi collegare un nodo della rete ad una scheda bluetooth per inter facciare la rete al palmare Nella prima parte si sono dovute affrontare diverse difficolt come ad esempio la mancanza di documentazione relativa alle caratteri stiche della porta seriale del Tmote sky
26. AMControl start f bluetooth device setup send and receive done event Joke 76 event void BootTimer fired t error t error SUCCESS if counter 1 error call SerialBluetooth sendCommand AT printf n post sendcmd s n AT printfflush else if counter 2 error call SerialBluetooth sendCommand BTMODE3 printf n post sendcmd s n BTMODE3 printfflush else if counter 3 error call SerialBluetooth sendCommand ATZ printf n post sendcmd s n ATZ printfflush else if counter 4 error call SerialBluetooth setAttendConn printf n post sendcmd attend Connection n printfflush countert if error FAIL call Leds led00n event void SerialBluetooth sendCommandDone error t error if error FAIL call Leds led00n call Leds ledi0ff call ResBlue release call BluetoothControl stop TT APP B COMUNICAZIONE SERIALE else call Leds led00ff call Leds ledi0n event void SerialBluetooth receiveCommandDone error t error 1 if error FAIL if counter 3 in this case the bluetooth is just on mode 3 call Leds ledOOff call Leds lediO0nO call BootTimer startOneShot BOOT_SHOT_TIME telse call Leds led00n call Leds ledi0ff call ResBlue release call BluetoothControl stop else call Leds ledi0nO if counter 5
27. Buffer i printfflush printf n printfflush receive OK if rxStrBuffer 2 OK 0 amp amp rxStrBuffer 3 0K 1 signal SerialBluetooth forwardingDone SUCCESS telse receive CONN if rxStrBuffer 2 CONN 0 amp amp rxStrBuffer 3 CONN 1 88 setForwarding TRUE setAttendConnection TRUE A signal SerialBluetooth forwardingDone SUCCESS signal SerialBluetooth connectionDone SUCCESS else xeceive DISC if rxStrBuffer 2 DISC 0 amp amp rxStrBuffer 3 DISC 1 setForwarding FALSE setAttendConnection TRUE signal SerialBluetooth forwardingDone FAIL Jelsei the possible message is the position of a mote signal SerialBluetooth forwardingDone SUCCESS signal SerialBluetooth sendPosToMote rxStrBuffer call UartStream disableReceiveInterrupt task void send O1 int i error t result error t resultRXEI call UartStream receive rxStrBuffer rxBufferLength resultRXEI call UartStream enableReceiveInterrupt result call UartStream send txStrBuffer txBufferLength if DBG for i 0 i txBufferLength i printf c txStrBuffer i printfflush printf n printfflush if DBG_INT 89 APP B COMUNICAZIONE SERIALE if resultRXEI SUCCESS printf UartStream ERI SUCCESS n else printf UartStream ERI FAIL n printfflush if result FAIL post sendDoneFailTask command e
28. IME async command msp430_uart_union_config_t Msp430UartConfigure getConfig return amp msp430_uart_tmote_config async event void UartStream receivedByte uint8_t byte async event void UartStream receiveDone uint8_t buf uint16_t len error_t error if attendConnection post receiveDoneTask else if forwarding post connectionDoneTask else post forwardingDoneTask 92 SerialBluetooth h ifndef SERIAL BLUETOOTH H define SERIAL BLUETOOTH H enum 1 BUFFER SIZE 256 i typedef nx struct RadioBluetoothMsg 1 nx uint 6 t segno nx uint8 t tx power nx uint8 t rssi nx uint8 t lgi nx bool im pos nx uint 6 t x nx uint 6 t y RadioBluetoothMsg enum 1 AM RADIOMSG 6 TIMER RADIO PING 1000 T3 uinti6 t BOOT SHOT TIME 250 uinti6 t DELAY TIME 32 bool DBG INT 0 O disable 1 enable debug msg for interrupt to pc bool DBG 1 O disable 1 enable debug msg to pc Test comunication over UART to Bluetooth char AT AT Change Bluetooth chipset mode read for connaction char BTMODE3 AT BTMODE 3 93 APP B COMUNICAZIONE SERIALE Reset software char ATZ ATZ char char char char OK ER CONN DISC endif OK result exec comand OK ER result exec comand ERROR CONN result exec comand CONNECT DISC result exec comand DISCONNECT 94 Appendice C BlueT mote Tracking Di
29. IO 2 Sensor P4 1 5 6 00 PAR ADC 0 36 7 6 Sensor TIMSP430 Microcontroller SP O 4 Japeau DAI uid 9 UId QT Sensor JTAG 8 pin SVSin 2mm IDC header PL1 P22 TCK I d0 SPi 0 ST Flash 1024k 2 7V USB 2 0 Write Protection UART RS232 Functionality Figura 2 2 Diagramma a blocchi del Tmote sky 28 2 2 PARANI ESD100V2 2 2 Parani ESD100V2 Figura 2 3 Parani ESD100V2 Per ottenere una connessione tra il TmoteSky e il cellulare Android e ne cessario utilizzare una scheda Bluetooth da collegare al mote per effettuare il forwarding dei messaggi in entrambe le direzioni A questo scopo 6 stata scelta la scheda Parani ESD 2 3 una scheda Bluetooth commercializzata dalla SENA Technologies Inc Parani ESD un dispositivo per le comunicazioni wireless che sfrutta lo stan dard Bluetooth ha dunque la possibilit di comunicare con altri dispositivi Blue tooth che supportano il profilo SPP Serial Port Profile Pu essere utilizzata per sostituire un cavo RS232 con la possibilit di aumentare la distanza di co municazione Il protocollo Bluetooth implementato supporta FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum sistema utilizzato per minimizzare le interferenze radio quando diminuisce la probabilit di intercettazione dei dati Parani ESD supporta inoltre l autenticazione e la crittografia dei dati Tutti i parametri di questo dispositivo possono e
30. PIs OpenGL ES 1 0 le librerie usano sia accelerazione hardware 3D quando disponibile sia quella inclusa un rasterizer software 3D altamente ottimizzato e FreeType rendering di bitmap e vector font e SQLite un motore di database relazionale potente e leggero disponibile per tutte le applicazioni Runtime Android comprende un set di librerie centrali che forniscono la maggior parte 11 1 AMBIENTE SOFTWARE JONONA jar dx javac aapt Figura 1 2 Catena di compilazione di un programma per un sistema Android delle funzionalit disponibili nelle librerie di base del linguaggio di programma zione Java Ogni applicazione di Android gira col suo proprio processo con la sua propria istanza sulla virtual machine Dalvik Dalvik stata scritta in modo che un dispositivo possa eseguire VMs multiple in modo efficiente La VM Dalvik esegue i files nel formato Dalvik Executable dex che ottimizzato per utiliz zare un minimo spazio di memoria A differenza dello stack based della classica JVM la VM register based e funziona con classi compilate da un compilatore Java trasformate in un formato dex dallo strumento interno dx La VM Dalvik si appoggia sul kernel Linux per funzioni di base come la gestione di threading e situazioni di livelli minimi di memoria Bytecode interpreter pu essere eseguito su sistemi con CPU lente 250 500 Mhz con poca RAM 64MB e senza swap La compilazione del codice crea un f
31. RSSI rispetto alla potenza del campo elettroma ONECO lt a ined Sera ae adt a tek p a a ba E a eS dar ont amc ee 59 xi 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 A 1 Esempio di nodi utilizzati dal sistema radar Esempio di raccolta di signature di un nodo mobile M I nodi ancora sono indicati come nodi beacon Principio di funzionamento del sistema di localizzazione interfero METrO paci pa he Paideia erp Eu ee x Presentazione della posizione del nodo mobile sullo smartphone Esempio di di localizzazione relativo ai dati riportati in tabella 4 1 Foto del collegamento ottenuto 00000 60 62 63 66 67 xli Sommario Nella tesi verr affrontata la progettazione di un sistema di navigazione indoor per un palmare attraverso l utilizzo di una rete di sensori wireless sfruttando solamente le informazioni derivanti dalle comunicazioni radio fra i nodi della rete Il progetto si compone di due parti principali una legata alla realizzazione del collegamento tra un nodo della rete con un palmare che come vedremo nel seguito corrisponder ad uno smartphone Android di ultima generazione Il colle gamento diretto purtroppo non fattibile a causa dei limiti imposti dall hardware utilizzato sia dal nodo della rete sia dal palmare Verr descritto come strumen to di collegamento tra i due dispositivi una scheda bluetooth che permette di inoltrare i messaggi dalla rete al palmare e viceversa a
32. a fattispecie strettamente legato all architettura del sistema TinyOS tanto da influenzarne la filosofia Per alcuni versi questo linguag gio rappresenta un estensione del C introducendo un modello di programmazione orientato agli eventi mentre per altri ne riduce le funzioni come ad esempio limi tando l utilizzo dei puntatori L utilizzo della sintassi del linguaggio C ha come vantaggio quello di produrre un codice efficiente per tutti i microcontrollori utiliz zati nei motes rendendo disponibili tutte le istruzioni necessarie per interfacciarsi con l hardware dei dispositivi e come ulteriore vantaggio la famigliarit di molti programmatori Le propriet base che dettano le linee guida dell architettura del NesC sono 9 18 12 NESC e un linguaggio statico non c e allocazione dinamica della memoria nei pro grammi scritti in NesC di conseguenza l albero delle chiamate e comple tamente conosciuto in fase di compilazione In questo modo l analisi e l ottimizzazione del programma sono rese pi semplici e accurate L alloca zione dinamica viene evitata grazie all architettura modulare del linguaggio e l utilizzo di interfacce parametrizzate e analisi dell intero programma i programmi scritti in NesC sono soggetti a un analisi e un ottimizzazione completa del codice per motivi di sicurezza e per migliorare le performance dell applicazione e supporta e riflette l architettura del TinyOS il NesC basato sul concetto del
33. a quest ultimi di ricevere il messaggio nello stesso istante i nodi ncora rilevano il valore di RSSI dal messaggio ricevuto e lo inoltrano in risposta al ping verso il nodo mobile con le seguenti informazioni seq no tx pow RSSI LQI x y dove seq no il sequence number del ping inviato dal nodo mobile tx power il livello di potenza utilizzato secondo la tabella 2 1 il valore LQI e la posizione x e y del nodo una volta ricevuto il pacchetto di risposta al ping e lette le informazioni in esso contenuto il nodo mobile inoltra utilizzando il protocollo bluetooth tali informazioni allo smartphone secondo quanto descritto nel capitolo 3 nello smartphone i valori vengo salvati in un array e si procede con il calcolo della posizione x1 y1 del nodo mobile da prima stimando la distanza dei nodi ancora j 2 n secondo la 4 6 e successivamente calcolando la media pesata delle coordinate v e y come u 255 di 52 m D dijyj t yY ES 4 8 a Md al termine del calcolo la posizione ottenuta viene visualizzata sullo schermo dello smartphone In figura 4 5 viene riportato un esempio di visualizzazione 65 4 LOCALIZZAZIONE Figura 4 5 Presentazione della posizione del nodo mobile sullo smartphone del programma di localizzazione sullo smartphone rispetto ad uno dei test effettuati In tabella 4 1 e in figura 4 6 vengo riportati alcuni dei valo
34. altrimenti detti nodi ancora cio nodi di cui nota la posizione e che rimango fissi nell ambiente e di calcolare e visualizzare la posizione corretta del nodo mobile Nella fattispecie andremo a descrive il collegamento tra un nodo di una WSN del tipo Tmote Sky con uno smartphone Android ll collegamento non pu essere effettuato direttamente a causa dei limiti imposti dall hardware purtroppo la porta USB presente sullo smartphone ne consente l utilizzo solo come slave si dunque pensato di frapporre tra i due dispositivi una scheda bluetooth connessa alla porta seriale del Tmote Sky Realizzando uno schema di connessione come mostrato nella figura 3 Ad ora non ancora stato presentato un sistema commerciabile per la loca lizzazione in ambienti indoor Il contributo di questo progetto quello di creare un prototipo che per dimensioni e caratteristiche costi e capacit di calcolo sia conveniente da produrre su larga scala In ambito accademico il problema della localizzazione viene studiato gi da alcuni anni e sono state proposte diverse solu zioni alcune che sfruttano le propriet degli ultrasuoni come il sistema presentato nell articolo 16 altri che utilizzano un sitema interferometrico si veda l articolo 22 Algoritmi come Motetrack 20 o Radar 18 sfruttano le caratteristiche del campo elettromagnetico Di particolare interesse un algoritmo recentemente sviluppato presso l Universit di Padova presentato nell
35. ati ottenuti Capitolo 1 Ambiente Software 1 1 Introduzione a Google Android Android 7 una piattaforma per dispositivi mobili che include un sistema opera tivo un middleware e alcune applicazioni di base L Android SDK ovvero il kit per lo sviluppo del software offre gli strumenti e le API necessarie per iniziare a sviluppare le applicazioni utilizzando il linguaggio Java Basato sul kernel Linux ad oggi arrivato alla versione 2 3 Gingerbread del 21 ottobre 2010 basata sulla versione del kernel Linux 2 6 35 Le sue caratteristiche principali sono e Framework per le applicazioni che consente il riutilizzo e la sostituzione delle componenti e Dalvik la virtual machine ottimizzata per dispositivi mobili e Browser integrato basato sul motore del browser open source WebKit e Grafiche ottimizzate alimentate da una library grafica 2D personalizza ta e grafiche 3D basate sulla specificazione OpenGL ES 1 0 hardware acceleration opzionale e SQLite per l immagazzinamento dei dati e Media support per comuni formati audio video e immagini MPEGA H 264 MP3 AAC AMR JPG PNG GIF e Telefonia GSM dipendente dall hardware 7 1 AMBIENTE SOFTWARE e Bluetooth EDGE 3G e Wi Fi dipendente dall hardware e Fotocamera GPS bussola ed accelerometro dipendente dall hardware e hicco ambiente di sviluppo che include un emulatore strumenti per de bugging profiling della memoria e delle prestazioni e un
36. azione per Android oo a a a a a 3 3 1 BlueTmote java cuore td e fe A RR AL Sd eos 9 2 JNoteP aram SAVE c secur Co x peo TR PES LR x pA RD ERN 3 3 3 Bl etoothChatbervice Java a pian e gle x xe vil c oo N N 16 18 23 25 25 29 3l 3 4 Problematiche da risolvere 4 Localizzazione 4 1 Classificazione delle tecniche di localizzazione 4 2 Received Signal Strength Indicator RSSI 4 9 Esempi di sistemi di localizzazione 41 Qrneketoe ics 4 3 2 Radar ccs sd 4 9 5 MoteTrack 4 3 4 Interferometrico 4 3 5 ARIANNA e TESEO 4 4 Implementazione sullo smartphone 5 Conclusioni A BlueTmote B Comunicazione seriale C BlueTmote Tracking Bibliografia 57 57 58 60 60 60 61 62 63 64 69 71 73 95 99 vili Elenco delle tabelle 2 1 2 2 2 3 2 4 2 9 2 6 2 7 3 1 4 1 Potenza di trasmissione radio e relativi consumi di corrente 26 Esempio output del comando motelist 27 Range di tensione dw vou Yee ue par Se ROROE ie ay 28 Caratteristiche principali di Parani ESD100V2 5 34 Modi operativi della scheda Parani ESD100V2 5 35 Stati di esecuzione dei comandi della scheda Parani ESD100V2 5 35 Dati tecnici dello smartphone LG Optimus One 36 Collegamento tra i pin del Tmote e della scheda Parani 38 Posizione calcolata rispetto alla posizione
37. conto proprio La propria applicazione non deve integrare il codice dell altra o essere collegata ad essa piuttosto esegue semplicemente quel pezzo di codice quando lo necessita Affinch tutto ci funzioni il sistema deve essere in grado di avviare un processo di un applicazione quando ogni sua parte necessaria e istanziare gli oggetti Java per quella specifica parte Pertanto a differenza della maggior parte delle applicazioni presenti su altri sistemi operati vi le applicazioni di Android non hanno un punto di accesso unico per ciascun oggetto funzione non c una funzione main al contrario ci sono componenti essenziali che il sistema pu istanziare ed eseguire al momento opportuno Ci 13 1 AMBIENTE SOFTWARE Android App Activity Intent Chiama un azione richiesta Services Broadcast Intent Receiver Notifica l esecuzione di un azione Content Doiii Content Resolver Intent Filter Figura 1 3 Principali componenti di un applicazione per sistemi Android sono quattro tipi di componenti come si pu osservare nello schema in figura 1 3 e che vengono descritti in dettaglio di seguito Activities Un attivit presenta un interfaccia utente visuale per ciascuna azione che l utente intenda intraprendere Ad esempio un attivit potrebbe presentare un elenco di voci di men che gli utenti possono scegliere o potrebbe mostrare una collezio ne di foto con le loro didascalie Un applicazione di
38. di consensus Tesi di Laurea Universit degli Studi di Padova 2007 101 BIBLIOGRAFIA 102 Ringraziamenti Nell ultima facciata di questa tesi ringrazio il Professore Luca Schenato che mi ha dato la possibilit di lavorare a questo progetto e poter giungere al traguardo della laurea lo ringrazio per la disponibilit e la fiducia Ringrazio anche i proprietari del locale in cui ho potuto effettuare gli espe rimenti e le riprese per testare il progetto che ho realizzato perch ho potuto disporre di una stanza sufficientemente grande Ringrazio i miei genitori e la mia famiglia che mi ha dato i mezzi per affrontare questo cammino verso la laurea Mezzi non solo economici ma anche morali nei momenti di sconforto erano sempre presenti Ringrazio infine i miei pit cari amici sempre vicini nei momenti difficili ma anche nei momenti di gioia e festa perch qualche volta bisogna pur sgombrare la mente e aprire lo sguardo a nuovi orizzonti A tutte quelle persone che hanno avuto un peso nella mia carriera universitaria ma che ora sono lontane o irraggiungibili insomma un grazie di cuore a tutti 103
39. distinguono le applicazioni l una dall altra In questo modo si pu pensare ad una applicazione senza doversi preoccupare di sviluppare ogni volta le funzioni di comunicazione 39 3 SVILUPPO 3 2 1 BlueTmote L applicazione per TinyOs composta dal file di configurazione BlueT moteAp pC nc appendice B nel quale si possono osservare le componenti di cui necessit l applicazione per l esecuzione Mettiamo in evidenza di seguito le componenti per l arbitraggio del bus define TEST ARBITER RESOURCE Test Arbiter Resource Resource arbiter components new FcfsArbiterC TEST_ARBITER_RESOURCE as Arbiter enum RESRADIO_ID unique TEST_ARBITER_RESOURCE RESBLUE_ID unique TEST_ARBITER_RESOURCE E App ResRadio gt Arbiter Resource RESRADIO ID App ResBlue gt Arbiter Resource RESBLUE ID Per la gestione della risorsa bus viene utilizzato un protocollo di tipo First Come First Serve FCFS che d in gestione la risorsa al primo componente che ne fa la richiesta Il sistema TinyOs mette a disposizione anche un protocollo di Round Robin RB per l accesso alla risorsa Un aspetto importante da sottolineare che viene lasciato al programmatore e quindi al programma il compito di rilasciare la risorsa una volta che sono state terminate le operazione di cui si necessita su di essa Nello stesso file vengono fatti i collegamenti con le componenti di configura zione e comunicazione del bus che analizzeremo
40. e a quelle predefinite nella libreria Android e l identificazione di tutte le autorizzazioni che l applicazione si aspetta 15 1 AMBIENTE SOFTWARE siano concesse Componenti di attivazione intents I Content Provider si attivano quando sono interessati da una richiesta provenien te da un ContentResolver Gli altri tre componenti ovvero le attivit i servizi e i Broadcast Receivers sono attivati da messaggi asincroni chiamati Intents Un intent un oggetto di tipo Intent che contiene il contenuto del messaggio Per quanto riguarda le attivit e i servizi un intent tra le altre cose chiama l azione richiesta e specifica l URI dei dati su cui operare Ad esempio potrebbe tra smettere la richiesta da parte di un attivit di fornire un immagine all utente o lasciare che l utente modifichi il testo Al contrario per quanto riguarda i Broad cast Receivers l oggetto Intent chiama l azione annunciata ad esempio potrebbe annunciare alle componenti interessate che il pulsante della fotocamera stato premuto Intent filters Un oggetto intent pu esplicitamente nominare un componente obbiettivo se accade ci Android trova quel componente in base alle dichiarazioni nel file manifest e lo attiva Se il componente obbiettivo target component non e esplicitamente indicato Android deve necessariamente individuare il componen te migliore per rispondere all intent Ci viene eseguito mettendo a confronto l oggetto intent co
41. e e riduce drasticamente la mole di calcoli da effettuare Dai test effettuati si osserva che i valori di posizione ottenuti con questa tecni ca risentono della variabilit del RSSI dovuto ai fenomeni di riflessione diffrazione e scattering Un miglioramento potrebbe essere introdotto correggendo il valore di RSSI tramite algoritmi di consensus come proposto nella tesi 25 I Risultati tuttavia sono da considerarsi indicativi e utili per stabilire la fattibilit del utiliz zo di un algoritmo di localizzazione su di un palmare dotato di risorse limitate Aspetto quest ultimo che porter in futuro alla realizzazione di un sistema di lo calizzazione di dimensioni e con caratteristiche adatte alla commercializzazione Si fa notare infatti che fino ad oggi questo tipo di sistemi di localizzazione non sono ancora stati commercializzati anche se le reti di sensori sono ampiamente uti lizzate gi da diversi anni nel monitoraggio ambientale industriale e nell ambito della domotica In conclusione il progetto svolto deve essere migliorato sotto il punto di vista delle comunicazioni soprattutto nell uso del bus e della comunicazione bluetooth mentre l algoritmo di localizzazione proposto ancora poco preciso e richiede un ulteriore studio 70 Appendice A BlueT mote Di seguito in figura A 1 vengono mostrate alcune foto del collegamento tra Tmote Sky fig A 1 a e Parani fig A 1 b a formare quello che abbiamo chiamato al l interno di
42. e last connected Bluetooth device Mode3 Waiting for the connection from another Bluetooth device Tabella 2 5 Modi operativi della scheda Parani ESD100V2 5 Operation Status Status Description Standby Waiting for AT commands Pending Executing tasks Connect Transmitting data Tabella 2 6 Stati di esecuzione dei comandi della scheda Parani ESD100V2 5 35 COMPONENTI HARDWARE MISURE E DIMENSIONI Peso 129 gr Altezza 114 mm Larghezza 59 mm Profondit 13 mm AUTONOMIA Batteria Li Ion 1500 mAh Standby 100 h Conversazione 4h HARDWARE E SO S O Android OS Versione 2 2 Froyo Processore Qualcomm MSM7227 a 600 MHz RAM 512 MB ROM 256 MB DATI E CONNETTIVITA Usb Si 2 0 Miniusb Si Pc Syne Si Bluetooth Si 2 1 con A2DP Wifi Si 802 11 b g MEMORIA Interna 150 Mb Esterna microSD e microSDHC fino a 32 GB Tabella 2 7 Dati tecnici dello smartphone LG Optimus One 36 Capitolo 3 Sviluppo In questo capitolo andremo ad analizzare nel dettaglio lo schema di collegamen to elettrico e le principali caratteristiche del software sviluppato Il software si compone di tre applicazioni due sviluppate in Nesc per la programmazione del Tmote e una in Java per la programmazione sul sistema Android Le applicazioni prendono il nome dal progetto BlueTmote e la prima applicazione BlueTmoteAppC nc stata svi
43. e schematizzato il processo di accoppiamento con un dispo sitivo bluetooth generico con l utilizzo di segnali di accoppiamento lespt Status Pairing signal Other Bluetooth Deivce Status Re wes Jaen T_T 3 Inquiry and connect to ESD1 Figura 2 6 Schema del processo di accoppiamento di una scheda Parani ESD100V2 Inoltre in figura 2 7 riportiamo lo schema elettrico di collegamento tra parani ESD100 e un generico dispositivo nel caso in cui il livello di alimentazione di MICOM sia di 3 3V e non venga utilizzato il controllo di flusso 2 3 Smartphone Per completare questa parte introduttiva degli strumenti hardware utilizzati per lo sviluppo del progetto diamo una breve panoramica dello smartphone utiliz zato Nel caso particolare si dispone dello smarphone LG Optimun One della 3l 2 COMPONENTI HARDWARE MICOM PARANI ESD MICRO vDDL J voc MICOM TXD i AX i Tx MICOM GNDI Figura 2 7 Schema delle connessioni fisiche dei connettori tra una scheda Parani ESD100V2 e un generico dispositivo serie P500 6 dotato di sistema operativo Google Android 2 2 fig 2 8 E impor tante sottolineare tuttavia che una qualsiasi altra marca e modello di cellulare puo essere utilizzato purch cosa indispensabile abbiano installato lo stesso sistema operativo con versione equivalente o maggiore e abbiano in dotazione una scheda per il collegamento bluetooth In tabella 2 7 elenchiamo le principali ca
44. e signature gt lt reference signature gt M mobile node Pd Il VA B1 RSSI RSSI pa mobile node s c B2 RSSI RSSI gt current signature reference signature 83 RSS RSS signature B1 RSSI RSI gt en lt B3 RSS RSS gt coordinates e e x y 2 Figura 4 3 Esempio di raccolta di signature di un nodo mobile M I nodi ncora sono indicati come nodi beacon state raccolte In figura 4 3 riportato un esempio di raccolta di una signature da parte di un nodo mobile M e l invio di alcune reference signature da parte dei nodi ncora 4 3 4 Interferometrico Il sistema interferometrico utilizza come grandezza fisica per la localizzazione la fase di un segnale elettromagnetico di che si genera dall interferenza di due segnali sinusoidali emessi da alcuni nodi ancora Questa soluzione proposta dall Univer sit di Vanderbilt con il nome Radio Interferometric Positioning System RIPS viene descritto in 22 La localizzazione effettuata su vaste aree privi di ostacoli come campi da calcio ottengono errori inferiori a 3 cm L idea dei ricercatori della Vanderbilt stata dunque di utilizzare il fenomeno del battimento di due segnali sinusoidali ad alta frequenza per ottenere un segnale d interferenza a bassa frequenza di cui fosse possibile misurare la fase anche con l hardware a basso costo presente nei nodi La localizzazione dei nodi della rete avviene qui
45. ei messaggi provenienti dal chip bluetooth Il messaggio inviato da Parani verso lo smartphone in qualche caso viene ricevuto in pi parti generalmente due Questa situazione facilmente risolvibile ponendo un flag di fine messaggio e ricomponendolo al termine della ricezione Tuttavia questo comportamento aleatorio non trova spiegazione nella documentazione del 54 3 4 PROBLEMATICHE DA RISOLVERE dispositivo pertanto si pu solo ipotizzare che sia dovuta a comportamenti com binati da parte del Tmote e Parani Pi precisamente si pensa che il T mote invii il messaggio verso Parani e che in qualche caso la trasmissione venga interrotta da altri interrupt da parte del sistema TinyOs provocando il parziale riempimento del buffer di Parani Nel frattempo Parani riceve segnalazione che il buffer si sta riempiendo e comincia la trasmissione dei dati verso lo smartphone Con questa ipotesi si pensa che le interruzioni nello stream possano provocare l invio parziale del messaggio che in realt deve essere ancora terminato da parte del Tmote 59 3 SVILUPPO 56 Capitolo 4 Localizzazione In questo capitolo verranno presentati alcuni progetti di localizzazione presenti in letteratura Tra le innumerevoli tecniche sviluppate negli ultimi anni si scelto di descrivere solo le tecniche che pit delle altre si sono distinte per un approccio originale e un elevato grado di accuratezza per risolvere il problema della locali
46. error t error SUCCESS if counter 1 error call SerialBluetooth sendCommand AT else if counter 2 error call SerialBluetooth sendCommand BTMODE3 telse if counter 3 error call SerialBluetooth sendCommand ATZ else if counter 4 error call SerialBluetooth setAttendConn Al 3 SVILUPPO All invio di ogni comando segue l attesa della risposta di Parani la cui ricezione viene segnalata con un evento dal modulo per la comunicazione e fatto scattare il timer per l invio del comando successivo Dopo l invio dell ultimo comando che rende effettivo il cambiamento del modo operativo il programma si mette in attesa della connessione con lo smartphone e dunque che Parani si connetta allo smartphone e segnali al Tmote che la con nessione stabilita Da questo momento ogni informazione inviata dal Tmote a Parani viene inoltrata via bluetooth verso lo smartphone e viceversa Dunque una volta ottenuta la connessione bluetooth parte la scoperta dei nodi della rete e l invio delle informazioni ottenute allo smartphone Un ultimo aspetto da analizzare la gestione della risorsa bus questa viene garantita dall utilizzo dell interfaccia Resourse di TinyOs 14 Questa interfaccia collegata al bus UART permette attraverso il metodo di request di richiedere il bus per le differenti operazioni da eseguire Nel nostro caso siamo chiamati a gestire le comunicazioni verso la scheda bluetooth e quelle in d
47. ibili per essere elaborato attraverso l override della funzione seguente public void onActivityResult int requestCode int resultCode Intent data 3 3 3 BluetoothChatService java Questa classe si occupa della gestione delle connessioni Bluetooth con altri di spositivi E composta da un thread che rimane in ascolto per le connessioni in ingresso un thread per stabilire la connessione con un altro dispositivo bluetooth 51 3 SVILUPPO ed un ultimo thread che si occupa di gestire le trasmissioni quando lo smartphone gi connesso con altri dispositivi Bluetooth Presentiamo brevemente i thread di seguito e AcceptThread Finch il dispositivo bluetooth non e connesso il codice con trolla che ci siano delle richieste di connessione in caso affermativo la pro cedure controlla in modo sincronizzato lo stato attuale del bluetooth indi viduando due casi sensibili da gestire Il primo che il bluetooth sia nella condizione di poter accettare la connessione e di conseguenza avviare il me todo per la connessione Il secondo caso che il bluetooth sia gi connesso con un altro dispositivo dunque si ritiene che la nuova richiesta di connessione sia da ignorare e chiudere il socket private class AcceptThread extends Thread e ConnectThread Una volta ricevuta la richiesta di connessione o creato il socket viene attivato questo thread per collegare il socket di comunicazione Se la connessione fallisce il socket
48. ice esecutivo implementando una o pi interfacce Il modulo implementa inoltre gli eventi e i comandi in modo molto simile a come vengono implementati i sottoprogrammi in C Esistono due differenza sostanziali la prima riguarda la definizione dell evento o del comando che viene preceduta dal nome della relativa interfaccia Mentre la seconda riguarda il valore di ritorno degli eventi e dei comandi da una particolare macro funzione che indica la corretta o meno terminazione della chiamata Le configurazioni sono usate per legare insieme altre componenti collegando le interfacce usate da alcune componenti alle interfacce fornite da altre in questo modo risultano essere gli unici punti di accesso al codice per la costruzione delle applicazioni Infatti ogni applicazione in NESC descritta da una configurazione detta toplevel configuration che lega insieme i componenti usati Si crea in questo modo una sorta di stratificazione dell applicazione dove a livello pi basso si posso individuare i componenti che realizzano le operazioni legate alla piattaforma hardware Mentre salendo nella stratificazione si evidenziano le astrazioni di particolari servizi fino a giungere alla configurazione che collega i diversi servizi Assemblaggio e compilazione dei componenti Per realizzare un applicazione necessario collegare i vari componenti Que sta operazione viene definita wiring produce il cosiddetto grafo dei componenti In figura 1 4 viene mostrato un e
49. ile Quando il sistema viene sollecitato da un evento questo viene gestito immediatamente e rapidamente In effetti non sono permesse condizioni di bloccaggio n attese attive che spreche rebbero energia inutilmente Quando invece non ci sono attivit da eseguire il sistema mette a riposo il microprocessore che viene risvegliato all arrivo di un evento Nei tradizionali modelli infatti necessario allocare una certa quantit di memoria sullo stack per ogni attivit in esecuzione in questo modo il sistema soggetto a frequenti commutazioni di contesto per servire ogni tipo di richiesta come l invio di pacchetti la lettura di un dato su un sensore etc Naturalmente i nodi non dispongono di grosse quantit di memoria ed il modello ad eventi ben si addice ad un sistema continuamente sollecitato Dunque per le applicazioni non viene effettuato alcun cambio di contesto la memoria viene infatti conside rata come un unico e lineare spazio fisico che viene assegnato alle applicazioni a compile time viene cosi eliminato qualsiasi tipo di overhead che causerebbe inutile spreco di energia Per soddisfare il requisito della modularit TinyOS favorisce lo sviluppo di una serie di piccoli componenti ognuno con una ben precisa funzione che realizza un qualche aspetto dell hardware del sistema o di un applicazione Ogni componente poi definisce un interfaccia che garantisce la riusabilit del componente ed eventualmente la sua sostituzione
50. ile Dalvik Executable Format di ridotte di mensioni senza nessun tipo di compressione che nel caso medio sono minori dei un file JAR ed una sostanziale differenza semantica con il bytecode Java In particolare il codice viene compilato con il compilatore standard Java in seguito viene convertito nel formato dex con l utility dx Il passo conclusivo come schematizzato in figura 1 2 la creazione del package apk che include le risorse di cui necessit l applicazione Kernel Linux Android si appoggia sulla versione 2 6 di Linux per servizi del sistema centrale come sicurezza gestione della memoria esecuzione network stack e driver model Il kernel funziona anche da abstraction layer tra l hardware e il resto del software le varie Mobile Manufacters inseriscono i drivers per i propri Hardwares 1 1 3 Fondamenti delle applicazioni per Android Le applicazioni Android 2 sono scritte nel linguaggio di programmazione Java Il codice Java compilato insieme con tutti i dati e files di risorse richiesti dall ap plicazione viene salvato in un archivio di files contrassegnati da un suffisso APK 12 11 INTRODUZIONE A GOOGLE ANDROID Il file il veicolo per distribuire l applicazione e installarlo sui dispositivi mobili Ad ogni modo ogni applicazione Android ha un esistenza propria indipendente dalle altre con le seguenti caratteristiche e Di default ogni applicazione viene eseguita all interno del proprio processo
51. io e un emettitore di ultrasuoni l an golo di arrivo Angle of Arrival AoA la potenza del segnale ricevuto Received Signal Strength Indicator RSSI I metodi sviluppati nelle prime tre tecniche di localizzazione richiedono tuttavia dispositivi hardware dedicati come antenne direzionali emettitori di ultrasuoni sistemi per la sincronizzazione dei nodi ma gnetometri infrarossi o videocamere Questo tipo di sistemi sono tuttavia poco utilizzati perch sfruttano un hardware dispendioso e molto sensibile Sistemi basati sulla lettura del RSSI sono invece pi diffusi perch hanno costi pi contenuti in quanto ciascun nodi di una WSN monta un antenna per le comunicazioni dalla quale e possibile effettuare questa lettura Tuttavia questi sistemi in un ambiente indoor soffrono di problemi di riflessione diffrazione interferenza che vanno ad alterare la lettura del RSSI rendendola poco affidabile Molti algoritmi che utilizzano RSSI possono essere raggruppati in due diffe renti classi e RSSI map based questi algoritmi generano una mappa del valore del RSSI per ogni nodo ncora vengono in oltre incluse nella mappa la morfologia dell ambiente compresi i muri Una volta calcolata la mappa off line la stima della posizione viene effettuata on line cercando il valore pi vicino alla misura rilevata e RSS channel model based il vantaggio di questi algoritmi quello di non richiedere nessuna informazione a priori dell ambiente Dun
52. irezione del chip radio CC2420 Nel frammento di codice che segue si fa vedere l utilizzo di due istanze dell interfaccia Resource di TinyOs per la gestione della Radio e del Bluetooth Attraverso questa interfaccia e possibile eseguire la request o effettuare il release della risorsa di cui si ha necessit La chiamata di richiesta viene messa in una coda con le altre richieste e gestita secondo il protocollo FCFS Resource arbiter interface Resource as ResRadio interface Resource as ResBlue call ResRadio request call ResBlue release Una volta che la risorsa disponibile viene segnalato un evento granted che ci da la garanzia di un utilizzo esclusivo della risorsa Al termine dell utilizzo sar compito dell utente di rilasciare la risorsa e renderla cosi disponibile ad altri utilizzi 42 3 2 L APPLICAZIONE PER TMOTESKY 3 2 2 SerialBluetooth Questa componente mette a disposizione i metodi per la configurazione del bus e comunicazione con il chip bluetooth Nel file di configurazione SerialBluetoo thC nc appendice B osserviamo che vengono messe a disposizione due interfac ce StdControl per avviare e fermare le attivit che richiedono l utilizzo del bus questo in un ottica di programmazione di tipo split operarion e l interfaccia Se rialBluetooth mostrata nel frammento di codice che segue che definisce i metodi relativi alla gestione e comunicazione del bus configuration SerialBluetoothC 1 pr
53. izzo del bus seriale da parte del Tmote e la risposta della rete ai ping del sistema centrale e l invio dei messaggi via bluetooth da parte di Parani Il primo aspetto relativo alla gestione del bus da parte del Tmote probabil mente l aspetto pi complesso da trattare e riguarda la difficolt di gestire le comunicazioni Come gi osservato l architettura del Tmote sviluppata attor no alla condivisione del bus USARTO al quale sono collegati degli ingressi per l acquisizione di dati da sensori esterni un bus I2C il bus UART che andiamo ad utilizzare e molto importante collegato pure il bus di collegamento con il chip CC2420 per le comunicazioni con gli altri mote In questo contesto il soft ware deve poter collegare e impostare i parametri per le diverse comunicazioni al momento opportuno Questo e reso possibile con l utilizzo delle interfacce e componenti resi disponibili dal TinyOs Nel nostro caso il problema si verifica quando l utente in possesso dello smartphone volesse comunicare con il Tmote In questa situazione ci si trova nella difficolt di sapere se il bus e abilitato per la comunicazione seriale oppure no Ricordiamo inoltre che in questo schema di collegamento una volta che il Parani impostato nella modalit 3 di funziona mento tutti i messaggi che riceve vengono inoltrati al destinatario Nel caso in cui l utente invii dei messaggi mentre il bus non abilitato questi andrebbero persi senza aver la possibili
54. l alimentazione a batterie d obbligo tenere in considerazione il livello minimo per il quale il dispositivo funziona cor rettamente Tale livello non lo stesso per tutti i componenti come mostrato in tabella 2 3 Il T mote ha a disposizione due vie di comunicazione seriale UART1 e UARTO la prima viene utilizzata per la connessione del dispositivo con il PC per un suo utilizzo come Base Station e quindi monitoraggio della rete di sensori Questa 21 2 COMPONENTI HARDWARE MIN MAX Unit Tensione al microcontrollore durante l esecuzione 1 8 3 6 V del programma Tensione al microcontrollore durante la program 2 7 3 6 V mazione della flash Tensione di alimentazione radio 2 1 3 6 V Tabella 2 3 Range di tensione porta inoltre connessa al JTAG che ne rende possibile la riprogrammazione del microcontrollore La seconda UARTO come si pu osservare nello schema a blocchi fig 2 2 che descrive le connessioni del microcontrollore E possibile accedere a questa porta dal blocco di 10 pin di estensione del Tmote dunque puo essere utilizzata per la connessione e lo scambio di messaggi con un modulo Bluetooth esterno Il protocollo per la comunicazione seriale viene descritto nella documentazione di TinyOs in TEP113 15 Block Diagram CC2420 Radio 24 GHz IEEE 802 15 4 compliant Silicon Serial ID SPI yo 1 wire Humidity Temperature SPI O P1 0 3 4 UART
55. l dispositivo Bluetooth per identificare i dispositivi associati e stabilire canali RFCOMM e collegarsi ad altri dispositivi attraverso la scoperta di servizio e trasferimento dei dati da e verso altri dispositivi e gestione di connessioni multiple In Android i dispositivi Bluetooth e le connessioni sono gestite secondo le seguenti classi 12 e BluetoothAdapter Il Bluetooth Adapter rappresenta il dispositivo Bluetoo th locale cio il dispositivo Android su cui l applicazione in esecuzione e BluetoothDevice Ogni dispositivo remoto con cui si desidera comunicare e rappresentato come BluetoothDevice e BluetoothSocket La chiamata createRfcommSocketToServiceRecord su un oggetto Bluetooth Device crea un Bluetooth Socket che permette di ef fettuare una richiesta di connessione al dispositivo remote e iniziare una comunicazione e BluetoothServerSocket Creando un Bluetooth Server Socket utilizzando il metodo listenUsingRfcommWithServiceRecord sul dispositivo locale possibile ricevere le richieste di connessione in entrata da un Bluetooth Sockets su dispositivi remoti Un oggetto Bluetooth Adapter offre metodi per la lettura e l impostazione delle propriet del hardware Bluetooth Se l hardware Bluetooth acceso e se si dispone dei permessi per la gestione del Bluetooth definiti sul file Manifest e 17 1 AMBIENTE SOFTWARE possibile ad esempio accedere al nome di presentazione del dispositiv
56. le componenti e supporta il modello di concorrenza guidato agli eventi del TinyOS Inoltre il NesC utilizza indirizzi assoluti per l accesso ai dati rendendo possibile un analisi sulle possibili condizioni di concorrenza nel codice Sviluppare un applicazione in NesC significa realizzare una serie di componenti che verranno poi assemblati per produrre il codice eseguibile Ogni componente ha due obbiettivi da realizzare deve definire le specifiche del suo comportamento e deve implementare tali specifiche Linguaggio ad eventi Per realizzare l obbiettivo del risparmio energetico il NesC permette di definire un elaborazione event driven in cui le componenti di un applicazione vengono man date in esecuzione solo al verificarsi dell evento associato a ciascun componente All interno di un implementazione possibile sollevare eventi event tipicamente verso moduli di livello pit alto tramite la parola chiave signal mentre possibile invocare comandi command tipicamente su componenti pi vicini all hardware tramite la parola chiave call I comandi sono richieste di un servizio fornito da un componente di livello pit basso e non sono bloccanti Generalmente un co mando deposita dei parametri nel frame con questo termine si indica un area di memoria riservata per eseguire i calcoli e pu attivare un task ma possibile anche che questo chiami un altro comando In quest ultimo caso il componente non pu attendere per un tempo indeterminato la
57. luppata per testare la funzionalit della comunicazione bluetooth tra il cellulare Android e il T mo te valutarne i punti che richiedono maggiore attenzione e un particolare sviluppo e la seconda componente sviluppata SerialBluetoothC nc in Nesc si occupa della gestione della comunicazione sul bus USARTO del Tmote collegato al dispositivo bluetooth Parani e BlueTmote java dal lato dello smatphone la terza applicazione sviluppata per la gestione della comunicazione bluetooth attraverso le API messe a disposizione dal sistema Android per lo scambio di informazioni con il Tmote Nella Fattispecie realizza l operazione di deployment dei nodi fissi impostando per ciascuno di essi le coordinate x y Nelle prossime sezione andremo per tanto ad analizzare il software come elenca to in precedenza evidenziando le problematiche che richiedono una particolare attenzione e i punti di interesse nello sviluppo 3T 3 SVILUPPO 3 1 Schema di collegamento La scheda bluetooth Parani mette a disposizione diversi pin per la comunicazione e il controllo delle scheda come si pu osservare in figura 2 4 Ai fini di questo progetto si segue lo schema di connessione descritto nella figura 2 7 tra Parani e un dispositivo generico Nella tabella seguente 3 1 vediamo la connessione tra i pin delle due schede mentre si riporta in appendice A l immagine del collegamento ottenuto Tmote pin Parani pin pin 2 Uart RX pin 2 Uart
58. m P do la potenza ricevuta a una determinata distanza do np il fattore di path loss mentre Xo una variabile aleatoria gaussiana di media nulla e varianza oc 63 4 LOCALIZZAZIONE L algoritmo pu essere costruito sia in modo centralizzato che decentralizzato per risolvere problemi di scalabilit del sistema La localizzazione del modo mo bile composta nella sua parte principale dalla stima della posizione attraverso uno stimatore a massima verosimiglianza e una seconda parte di recovery che entra in gioco quando la connessione viene interrotta e adotta uno stimatore ai minimi quadrati Pi precisamente ogni nodo ncora riceve un certo numero di messaggi in broadcast dal nodo mobile e se questi superano una certa soglia di potenza Pj e LQl vengono salvati In base a questi valori ciascun nodo ancora j 2 N calcola la potenza media P e dunque la distanza dal nodo mobile d attraverso lo stimatore a massima verosimiglianza Si viene a creare una cella di nodi vicini al nodo mobile descritta come segue A j gt 1 P gt Pin di lt Range LQ gt LQIn 4 4 dove Range indica la distanza massima dal nodo mobile Infine tutti nodi in 4 4 inviano la distanza calcolata al nodo mobile che effettua il calcolo della posizione 4 4 Implementazione sullo smartphone Presentiamo di seguito una semplice tecnica di localizzazione ideata per testare la fattibilit dell utilizzo dello smartphone
59. ma l avvio e lo scambio di parametri tra le activity Dalla parte dell activity principale BlueTmote java viene creato un oggetto Intent per lanciare l esecuzione della nuova interfaccia della classe MoteParam Prima della sua attivazione vengono memorizzati nell Intent i valori dei parametri che questa nuova interfaccia deve visualizzare L avvio della nuova activity viene effettuato 48 3 8 L APPLICAZIONE PER ANDROID Ro Bade ED B amp ae 19 28 a device to connect Paired Devices 0 0 0BD683 Q e Connect a device Make discoverable a Men contestuale b Lista dispositivi bluetooth a B amp male 19 29 Paired Devices Other Available Devices No devices found c Ricerca altri dispositivi Figura 3 3 Ricerca di dispositivi bluetooth 49 3 SVILUPPO attraverso la funzione startActivityForResult che stabilisce anche il messaggio di risposta una volta terminata la sua esecuzione public void onItemClick AdapterView lt gt parent View view int position long id Intent myIntent new Intent view getContext MoteParam class int index Mote mConversationView getItemAtPosition position getNodeId myIntent putExtra mote_id Integer toString index myIntent putExtra mote_tx_pow Integer toString mote index getTxPow myIntent putExtra mote_rssi Integer toString mote index getRssi myIntent putExtra mote_lqi Integer toString mote index getLgi
60. mamente pervasiva e di ridotti costi in figura 1 riportiamo alcuni esempi di nodi che compongono le WSN Le WSN date le loro caratteristiche stanno sempre pi prendendo piede non solo nell ambito accademico per il gran numero di applicazioni possibili e per il coinvolgimento di diverse discipline scientifiche ma anche in ambito industriale e commerciale per le svariate possibilit di impiego strumenti di analisi molto robusti i costi ridotti di questi dispositivi e la facilit di controllo anche in zone inaccessibili direttamente Le applicazioni si possono distinguere in tre diverse categorie e monitoraggio una rete costruita per tenere traccia con continuit di gran dezze fisiche relative ad una certa area geografica in ambienti aperti oppure in ambienti chiusi come gli edifici o fabbriche alcuni esempi possono esse re il monitoraggio dell acqua dell aria temperatura ma anche di possibili incendi in zone boschive e localizzazione applicazioni di questo tipo sfruttano le propriet della rete di sensori per stabilire la posizione di un nodo mobile all interno della rete Queste tecniche vengono studiate sia in ambito militare che in quello civile 3 INTRODUZIONE Figura 2 Esempio di nodo per applicazioni elettromedicali per esempio il controllo di zone a rischio di un cantiere la localizzazione di vigili del fuoco all interno di un edificio in fiamme oppure il monitoraggio dei degenti di un ospedale conse
61. n interfaccia per l utente che deve monitorare la rete di sensori ed composta da tre parti fondamentali sviluppate come Activity delle applicazione per Android Oltre a testare le funzioni di co municazione bluetooth con il Tmote questa applicazione permette di impostare 45 3 SVILUPPO Padova e ba 20 36 d o 17 08 2011 MER 31 O MEO Google Tal Gmail Market Fotocamer Gg B Figura 3 2 Desktop cellulare android le coordinate x y dei nodi della rete rispetto un punto di riferimento stabilito 3 3 1 BlueTmote java La classe BlueTmote java rappresenta la classe principale di inizializzazione del programma sul dispositivo Android Si compone di due parti principali una per configurare l interfaccia grafica del programma e l altra per configurare la componente per la gestione del Bluetooth Per prima cosa vengono inizializzate le componenti grafiche della finestra principale che composta da una lista che presenta all utente i mote scoperti nelle sue vicinanze e da un men contestuale fig 3 3 a che permette di eseguire alcuni semplici comandi come ad esempio la possibilit di effettuare il discover di altri dispositivi bluetooth La parte pi interessate rappresentata dalla gestione della componente blue tooth All avvio del programma viene controllato se il bluetooth attivo o meno e in questo caso viene chiesto all utente di attivarlo per proseguire l esecuzione Una volta at
62. n gli intent filters dei potenziali obbiettivi Gli intent filters di un componente informano Android circa i tipi di intent che il componente e in grado di gestire Come accade per tutte le altre informazioni essenziali del componente sono dichiarati nel file manifesto 1 1 4 Android Bluetooth Le librerie Bluetooth 1 sono disponibili in Android solo dalla versione Android 2 0 SDK API livello 5 E anche importante ricordare che non tutti i dispositivi Android necessariamente includono l hardware Bluetooth L hardware Bluetooth permette di cercare e connettersi ad altri dispositivi nel raggio d azione del dispositivo L inizializzazione di un link di comunicazione avviene mediante Sockets Bluetooth con il quale possibile trasmettere e rice vere flussi di dati tra applicazioni installate su dispositivi differenti Bluetooth un protocollo di comunicazione progettato per brevi distanze per comunica zioni peer to peer con un larghezza di banda ridotta Gi nella versione 2 1 di 16 11 INTRODUZIONE A GOOGLE ANDROID Android supportata solo la comunicazione cifrata ci significa che possibile effettuare solo delle connessioni tra dispositivi associati Il quadro di applica zione consente di accedere alle funzionalit Bluetooth tramite le API Bluetooth Android Utilizzando le API Bluetooth un applicazione Android e in grado di eseguire le seguenti operazioni e cercare altri dispositivi Bluetooth e interrogare i
63. nce on Mobile Computing and Networking ACM MOBICOM August 2000 18 P Bahl V N Padamanabhan RADAR An In Building RF based User Location and Tracking System INFOCOM pages 775 784 2000 19 P Bahl V N Padamanabhan A Balachandran Enhancements to the RADAR User Location and Tracking System Technical report Microsoft Corporation One Microsoft Way Redmond WA 98052 February 2000 20 K Lorincz M Welsh MoteTrack A Robust Decentralized Approach to RFBased Location Tracking Division of Engineering and Applied Sciences Harvard University 21 K Lorincz M Welsh A Robust Decentralized Approach to RF Based Location Tracking Technical report Harvard University 2004 100 22 24 25 M Maroti B Kusy G Balogh P Volgyesi A Nadas K Molnar S Dora A Ledeczi Radio Interferometric Positioning Technical report Institute for Software Integrated Systems Vanderbilt University November 2005 M Bertinato G Ortolan F Maran R Marcon A Marcassa F Zanella P Zambotto L Schenato A Cenedese RF Localization and tracking of mobile nodes in Wireless Sensors Networks Architectures Algorithms and Experiments DEI Department of Information Engineering University of Padua Italy Luca Parolini Metodi di Localizzazione per Reti di Sensori Wireless Tesi di Laurea Universit degli Studi di Padova 2006 Simone Cieno Calibrazione d i sensori distribuiti tramite algoritmi
64. ndi come illustrato in figura 4 4 attraverso il confronto delle fasi misurate dai singoli nodi Il fenomeno del battimento attraverso cui generata un onda a bassa frequenza partendo dall interferenza di due sinusoidi ad alta frequenza 62 4 3 ESEMPI DI SISTEMI DI LOCALIZZAZIONE k gt I 2005 Vanderbilt University phase offset 277 A dap dap Age dac mod A Figura 4 4 Principio di funzionamento del sistema di localizzazione interferometrico 4 3 5 ARIANNA e TESEO Recentemente sono stati proposti due nuovi algoritmi per la localizzazione pres so l Universit di Padova denominati come ARIANNA e TESEO 23 Il primo ARIANNA si sviluppa attorno alla costruzione di una mappa a priori dell am biente mentre il secondo TESEO rientra nella categoria di algoritmi basati sul modello di campo elettromagnetico ARIANNA si basa sulla lettura del RSSI da parte del nodo mobile rispetto i nodi ncora per creare una mappa a priori della distribuzione del RSSI nell area di interesse Il nodo mobile viene modellato come un processo Markoviano omo geneo del primo ordine in modo tale da poter permettere un filtraggio Bayesiano per stimare e localizzare la posizione del nodo mobile TESEO adotta un modello del canale radio per legare il valore del RSS con la distanza del nodo mobile espresso in 4 3 P d P do 10n log oe 4 3 Dove P d la potenza ricevuta RSS in dB
65. ne Si concentra sulla localizzazione di schede WiFi e l utilizzo come nodi ncora degli Access Point AP della rete In questo contesto le trasmissioni radio sono sensibilmente differenti da quelle rilevate in una WSN perci il confronto non immediato Il sistema sfrutta la potenza del segnale ricevuto per ottenere informazioni utili alla localizzazione del nodo mobile Dalle prove effettuare venne osservato 60 4 3 ESEMPI DI SISTEMI DI LOCALIZZAZIONE che il valore non dipendeva solo dalla distanza del nodo ma anche dall orientazione dell antenna Il sistema utilizza l equazione 4 2 che lega la potenza del campo elettromagnetico P d alla distanza d e al numero di muri C compresi tra il nodo mobile e i nodi ncora P d P do 10n log C WAF 4 2 Con P do si indica il valore della potenza del segnale elettromagnetico rilevata ad una distanza do n il fattore di decadimento del segnale elettromagnetico mentre W AF indica l attenuazione del segnale causata dal passaggio attraverso 1 muri 4 3 3 MoteTrack MoteTrack 20 21 un sistema di localizzazione decentralizzato sviluppato dal l Universit di Harvard Il sistema non utilizza alcun tipo di modello che leghi la potenza del segnale RSS ricevuto ad un qualche valore di distanza Si tratta di un sistema di localizzazione decentralizzato che si basa sulla misura della potenza del segnale elettromagnetico prodotto dai nodi ncora La posizione del nod
66. nicazione RS232 Per modificare questa caratteristica del Tmote e sufficiente eseguire due istruzioni elencate di seguito messe a disposizione dal TinyOs nella fase di inizializzazione del dispositivo 38 3 2 L APPLICAZIONE PER TMOTESKY Smartphone Mote Android network USARTO BUS 802 15 4 Bluetooth Figura 3 1 Schema del collegamento tra Tmote e Parani in cui si evidenzia la condivisione del bus TOSH MAKE UTXDO OUTPUTO TOSH SET UTXDO PINO Il risultato della connessione tra i dispositivi T mote e Parani schematizzato nella figura 3 1 nella quale viene messo in risalto la condivisione del bus tra i due chip radio uno integrato e l altro esterno al Tmote e la collocazione di questo dispositivo all interno di una rete di sensori 3 2 L applicazione per TmoteSky L applicazione formata da due componenti principali la prima BlueTmote che si occupa della gestione della condivisione del bus USARTO dove sono collegati il chip radio e i pin di comunicazione seriale RS232 e a quest ultimi il chip bluetooth esterno Mentre la seconda componente SerialBluetooth si occupa della configurazione dei parametri del bus come porta seriale e di implementare i metodi di invio e ricezione dei pacchetti al chip bluetooth Questo tipo di implementazione stata pensata per rendere indipendente la parte applicativa che necessita di comunicare attraverso il chip bluetooth e quelle operazioni che
67. ntendo al medico un costante controllo del paziente lasciandolo libero di muoversi all interno della struttura in figura 2 si riporta il un nodo per applicazioni elettromedicali e controllo quest ultimo gruppo di applicazioni e finalizzato al riconoscimen to di determinati eventi da parte dei nodi della rete ed il successivo adatta mento delle strutture a questi eventi basti pensare al controllo in ambito agricolo della temperatura e dell umidit di una serra e l adattamento di questi valori aumentando o diminuendo la ventilazione oppure il controllo della strumentazione di una fabbrica o nel campo della videosorveglianza Il problema che andremo a trattare nel seguito di questa tesi riguarda la localizzazione che si distingue dal tracking Quest ultimo infatti volto a stabilire una traiettoria cio un percorso che l agente mobile nel nostro caso un nodo mobile della rete all interno di un certo ambiente deve seguire per raggiungere 4 INTRODUZIONE una determinata destinazione partendo da un punto conosciuto come ad esempio i sistemi GPS Mentre la localizzazione si occupa di stabilire la posizione attuale dell agente mobile all interno dell ambiente Andremo ad affrontare il problema con l obbiettivo di costruire un sistema di localizzazione per un palmare Ovvero andremo a costruire un architettura di comunicazione tra il nodo mobile ed il palmare che consenta a quest ultimo di ricevere i dati dai nodi fissi
68. o friendly name una stringa arbitraria che gli utenti possono impostare e quindi utilizzare per identificare il dispositivo e all indirizzo hardware Il processo con il quale due dispositivi possono trovarsi per connettersi chia mato discovery Prima di poter stabilire un Bluetooth Socket per le comunica zioni il Bluetooth Adapter locale deve essere associato con il dispositivo remoto ovvero autorizzato per effettuare il collegamento Ancor prima di collegarsi due dispositivi hanno prima bisogno di scoprirsi l un l altro In questo caso per iniziare un operazione di discovery il dispositivo deve impostare le propriet del Bluetooth Adapter come visibile ad altri dispositivi Una volta individuato il dispositivo e stabilita la connessione e possibile effet tuare la comunicazione e lo scambio di informazioni Le API di comunicazione Bluetooth sono contenute nel protocollo RFCOMM Radio Frequency COMMu nications protocol per bluetooth RFCOMM supporta la comunicazione seriale RS232 attraverso il livello L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol layer Quando si crea un applicazione che utilizza Bluetooth come connessione peer to peer necessario implementare sia un Bluetooth Server Socket per la ricezione delle connessioni che un Bluetooth Socket per avviare e gestire un nuovo canale di comunicazioni 1 2 NesC Il NesC 8 una variante del linguaggio di programmazione C per lo sviluppo di applicazione enbedded e nell
69. o imparare a programmare per An droid trovano un ampia documentazione che spiega in modo approfondito come usufruire di tutte le librerie di sistema e anche come funziona il sistema opera tivo stesso al fine di ottimizzare le app e generare prodotti che seguano criteri di efficienza massime performance e stabilit operativa per favorire il riutilizzo e la portabilit tra differenti versioni e terminali Recentemente GoogleLab ha reso disponibile AppInventor per Android un ambiente di sviluppo online che consente di sviluppare applicazioni Android in modo rapido semplice e intuiti vo grazie alla programmazione a blocchi di codice Per utilizzare AppInventor non e necessario essere uno sviluppatore AppInventor non richiede alcuna cono scenza di programmazione questo perch invece di scrivere codice si progetta tramite un interfaccia visuale il modo in cui devono apparire gli oggetti e gli sti li dell app e tramite l editor di blocchi di codice si definisce il comportamento dell applicazione stessa 1 1 2 L architettura di Android Il diagramma seguente fig 1 1 mostra le componenti principali del sistema operativo di Android 7 Le sezioni che lo compongono sono descritte pi detta gliatamente di seguito Applicazioni Android funziona con un set di applicazioni di base che comprende un email client un programma SMS un calendario le mappe il browser i contatti e altro Tutte le applicazioni sono scritte in linguaggio Ja
70. o mobile viene calcolato sulla base di una mappa creata dalla raccolta di misure svolte a priori sul campo L insieme dei valori di RSS rilevati da un nodo mobile unitamente all identi ficativo ID del nodo ncora che ha generato il campo elettromagnetico a cui si riferiscono i dati detta signature L insieme di una signature e delle coordinate spaziali in cui essa stata raccolta detto invece reference signature L insieme delle reference signature raccolte sono memorizzate fra i nodi della rete in modo da minimizzare l occupazione di memoria per il singolo nodo e contemporanea mente massimizzare la ridondanza dei dati Durante la fase di localizzazione un nodo mobile M dopo aver raccolto una propria signature utilizza le reference signature memorizzate nei nodi ncora da esso rilevabili per stimare la propria posizione La posizione del nodo dunque determinata attraverso una media pe sata delle distanze dalle coordinate contenute nelle reference signature utilizzate e i pesi utilizzati nella media sono proporzionali alle distanze fra la signature rilevata dal nodo M e quelle contenute nelle reference signature La tecnica di localizzazione del progetto MoteTrack suppone dunque che due signature siano tanto pi simili fra loro quanto pi vicine sono le coordinate in cui queste sono 61 4 LOCALIZZAZIONE beacon node s local reference signature database reference signature database lt referenc
71. ovides interface SerialBluetooth provides interface StdControl Mentre di seguito mettiamo in evidenza il wiring con le componenti messe a disposizione dal TinyOs per l utilizzo del bus con lo standard seriale RS232 15 In particolare UartC UartStream per l invio e la ricezione delle informazioni come stream di byte e UartC Msp430UartConfigure per modificare i parametri del bus e rendere possibile la sincronizzazione tra Tmote e Parani implementation 1 components new Msp430UartOC as UartC SerialBluetoothP UartStream gt UartC UartStream SerialBluetoothP Msp430UartConfigure lt UartC Msp430UartConfigure Implementazione Prima cosa vengono settati i parametri del bus con la definizione della struttura dati seguente msp430_uart_union_config_t msp430_uart_tmote_config 43 3 SVILUPPO utxe 1 urxe 1 ubr UBR 1MHZ 9600 umctl UMCTL 1MHZ 9600 ssel 0x02 pena 0 pev 0 spb 0 clen 1 listen 0 mm 0 ckpl 0 urxse 0 urxeie 1 urxwie 0 F I parametri sono impostati secondo le esigenze di Parani per la comunicazione seriale con riferimento a 5 Nei campi ubr e umctl vendono impostati la fre quenza del clock del Tmote pari a 1 MHz e il baud rate con riferimento alle impostazioni di fabbrica di Parani a 9600 bps 5 Nell implementazione mettiamo in evidenza due gruppi di funzioni command e event distinti Le prime funzioni per l invio dei comandi AT COMMAND
72. pplicazioni come i Contatti o di condividere i propri dati e Un Manager delle risorse che offre l accesso a risorse non code come strings localizzate grafica files di layout 10 11 INTRODUZIONE A GOOGLE ANDROID e Un Manager delle notifiche che permette a tutte le applicazioni di mostrare avvisi personalizzati nella status bar e Un Manager delle attivit che gestisce il ciclo di vita delle applicazioni e fornisce un backstack di navigazione comune Librerie Android comprende un set di librerie C C usate da varie componenti del sistema di Android Questi elementi sono presentati allo sviluppatore attraverso il framework per applicazioni di Android Sono elencate di seguito alcune delle librerie principali e System C library un implementazione BSD derived della libreria standard C system libc disegnata per dispositivi basati su Linux e Media Libraries basate sull OpenCORE di PacketVideo le librerie sup portano la riproduzione e la registrazione di molti popolari formati audio e video compresi file di immagini inclusi MPEG4 H 264 MP3 AAC AMR JPG e PNG e Surface Manager gestisce l accesso al display subsystem e compone layer grafici 2D e 3D da applicazioni multiple e LibWebCore un motore di browser moderno che fa funzionare sia il browser Android sia la visualizzazione web implementata e SGL il motore grafico 2D sottostante e 3D libraries un implementazione basata su A
73. que grazie ad un modello del canale cercano di calcolare la distanza del nodo mobile dai nodi ncora e successivamente di triangolare la posizione 4 2 Received Signal Strength Indicator RSSI Il chip radio CC2420 4 presente sul Tmote Sky in grado di fornire fra diversi indici anche il valore di RSSI Received Signal Strength Indicator che significa letteralmente Indicatore di Forza del Segnale Ricevuto L RSSI un numero che 58 43 RECEIVED SIGNAL STRENGTH INDICATOR RSSI RSSI Register Value RF Level dBm Figura 4 1 Andamento del RSSI rispetto alla potenza del campo elettromagnetico la radio ci fornisce in un registro di 8 bit in complemento a 2 RSSI RSSI VAL che legato alla potenza del campo elettromagnetico RF level ossia alla forza del segnale ascoltato da cui il nome RSS L RSS puo essere ricavato direttamente dal valore del registro RSSI RSSI VAL mediante l utilizzo della seguente equazione Prr RSS RSSI VAL RSSI OFFSET dBm 4 1 dove RSSI OFFSET un valore trovato empiricamente durante lo sviluppo del sistema radio e dato quindi dal costruttore di circa 45 dBm L andamento generale del RSSI VAL in funzione della potenza del segnale ricevuto riportato in figura 4 1 Il valore di RSSI nel registro RSSI RSSI VAL viene continuamente calcolato ed aggiornato dal chip radio ad ogni arrivo di un nuovo pacchetto di dati Legato al valore di RSSI anche il valore di
74. questa tesi come BlueTmote fig A 1 c c BlueTmote Figura A 1 Foto del collegamento ottenuto Tl APP A BLUETMOTE 72 Appendice B Comunicazione seriale Proponiamo di seguito il programma sviluppato per la comunicazione seriale tra Tmote sky e Parani scritto in Nesc per TinyOs BlueTmoteA ppC nc define TEST_ARBITER_RESOURCE Test Arbiter Resource configuration BlueTmoteAppC implementation components BlueTmoteC as App LedsC MainC components SerialBluetoothC components new TimerMilliC as BootTimer components new TimerMilliC as MilliTimer App Boot gt MainC Boot App SerialBluetooth gt SerialBluetoothC App Leds gt LedsC App BootTimer gt BootTimer App MilliTimer gt MilliTimer App BluetoothControl gt SerialBluetoothC StdControl for communication sending 73 APP B COMUNICAZIONE SERIALE components ActiveMessageC components new AMSenderC AM_RADIOMSG App Packet gt AMSenderC App AMPacket gt AMSenderC App AMSend AMSenderC App AMControl gt ActiveMessageC for receiving components new AMReceiverC AM RADIOMSO App Receive gt AMReceiverC Resource arbiter components new FcfsArbiterC TEST ARBITER RESOURCE as Arbiter enum 1 RESRADIO_ID unique TEST ARBITER RESOURCE RESBLUE ID unique TEST ARBITER RESOURCE lg App ResRadio gt Arbiter Resource RESRADIO ID App ResBlue gt Arbiter Resource RESBLUE ID
75. ratteristiche di nostro interesse 32 2 8 SMARTPHONE Figura 2 8 Smartphone LG Optimus One P500 33 2 COMPONENTI HARDWARE Serial Interface Serial UART speed up to 921 6kbps CTS RTS flow control DTR DSR for loop back amp full transfer 2 54mmPin Header 2X6 12pin Bluetooth Interface Bluetooth v2 0 EDR Profile Serial Port Profile Class 1 Working distance Nominal 100m Power Supply voltage 3 3V DC Supply current 10mA 60mA Environmental Operating temperature 30 80 C Storage temperature 40 85 C Humidity 90 Non condensing Physical properties Dimension 27 5 mm L 1 08 in 30 0 mmW 1 18 in 14 0 mm H 0 55 in Weight 6 g RF Information Radio Frequency Range 2 402 2 480GHz Number of Frequency Channel 79 channels Transmission Method FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Modulation Method 1Mbps GFSK Gaussian Frequency Shift Keying 2Mbps p 4 DQPSK pi 4 rotated Differential Qua ternary Phase Shift Keying 3Mbps 8DPSK 8 phase Differential Phase Shift Keying Radio Output Power 18dBm Receiving Sensitivity 90dBm Tabella 2 4 Caratteristiche principali di Parani ESD100V2 5 34 2 3 SMARTPHONE Operation Mode Mode Description Mode Waiting for AT commands Model Attempting to connect to the last connected Bluetooth device Mode2 Waiting for a connection from th
76. reale con rispettivo errore 67 ix Elenco delle figure 1 Alcuni tipi di nodi che formano le WSN 2 Esempio di nodo per applicazioni elettromedicali 3 Schema di connessione tra Tmote sky e un dispositivo smartphone attraverso comunicazione bluetooth 6 1 1 Dettaglio dell architettura di un sistema Android 7 10 1 2 Catena di compilazione di un programma per un sistema Android 12 1 3 Principali componenti di un applicazione per sistemi Android 14 1 4 Esempio di wiring di un applicazione sviluppata in NesC 22 DIL UDpiobe Sky See ct undis edo iren voe 9i ded eod ED ENTE Pe ERES 25 2 2 Diagramma a blocchi del Tmotesky 28 2 3 Paran t ESDIOOV Z uu un emp s ene nao ALe 29 2 4 Connettori presenti sulla scheda Parani ESD100V2 30 2 5 Descrizione dei connettori presenti sulla scheda Parani ESD100V2 30 2 6 Schema del processo di accoppiamento di una scheda Parani ESD100V2 31 2 7 Schema delle connessioni fisiche dei connettori tra una scheda Parani ESD100V2 e un generico dispositivo 32 2 8 Smartphone LG Optimus One P500 0 33 3 1 Schema del collegamento tra Tmote e Parani in cui si evidenzia la condivisione del bus wp ein exte ER LAT Y 39 3 2 Desktop cellulare android 46 3 3 Ricerca di dispositivi bluetooth s 0a a0 a a RAS 49 3 4 Interfaccia principale osa ee he we rare ur ede 51 4 1 Andamento del
77. ri di posizione reale e posizione calcolata con il rispettivo errore di alcuni test condotti Sono stati utilizzati sei nodi disposti lungo il perimetro di una stanza di 6x8 mq L algo ritmo sfrutta i parametri gi presentati in 23 ovvero n 2 12 A 63 67 ec T 57 dBm mentre non viene imposta nessuna soglia e non viene fatta nessuna media sul valore di RSSI Si osserva che tuttavia l algoritmo non molto preciso questo perch risente in modo sostanziale dell instabilit del valore di RSSI rilevato in fase di ricezione Instabilit dovuta a riflessioni diffrazioni e scattering che il segnale subisce in ambienti indoor ma anche dall errore sistema tico nella lettura della misura Doveroso osservare che possono interferire anche le comunicazioni attraverso il protocollo bluetooth e quelle dovute all antenna dello smartphone Inoltre da alcuni test condotti si ottenuto un risultato differente a seconda della disposizione dei nodi ncora nell ambiente Ad esempio nel caso in cui i nodi ncora siano disposti solo lungo il perimetro oppure che siano posizio nati anche all interno dell area di interesse Purtroppo non si potuto analizzare pi precisamente tale comportamento 66 4 4 IMPLEMENTAZIONE SULLO SMARTPHONE Posizione Reale m Posizione calcolata m Errore m 1 6 1 98 3 13 10 9 3 99 2 57 3 2 1 98 1 58 3 93 2 54 4 8 1 98 5 73 3 52 1 8 4 8
78. rintfflush task void receiveDoneTask if DBG int i for i20 i lt rxBufferLength i printf Ac rxsprButfer i printfflush printf Nn printfflush 86 receive OK if rxStrBuffer 2 OK 0 amp amp rxStrBuffer 3 OK 1 signal SerialBluetooth receiveCommandDone SUCCESS else receive ERR if rxStrBuffer 2 ER 0 amp amp rxStrBuffer 3 ER 1 signal SerialBluetooth receiveCommandDone FAIL call UartStream disableReceiveInterrupt void setAttendConnection bool state atomic attendConnection state void setForwarding bool state atomic forwarding state command bool SerialBluetooth isForwarding return forwarding task void connectionDoneTask 1 if DBG int i printf Connection done for i20 i lt rxBufferLength it printf c rxStrBuffer i printfflush printf n printfflush 87 APP B COMUNICAZIONE SERIALE receive CONN if rxStrBuffer 2 CONN O amp amp rxStrBuffer 3 CONN 1 setForwarding TRUE else receive DISC if rxStrBuffer 2 DISC 0 amp amp rxStrBuffer 3 DISC 1 setForwarding FALSE setAttendConnection FALSE call UartStream disableReceiveInterrupt signal SerialBluetooth connectionDone SUCCESS task void forwardingDoneTask if DBG int i printf Forwarding done for i20 i lt rxBufferLength i printf Ac rxStr
79. rror t StdControl start return call Resource immediateRequest command error t StdControl stop call Resource release return SUCCESS command error t SerialBluetooth setAttendConn setAttendConnection TRUE rxBufferLength 6 call UartStream receive rxStrBuffer rxBufferLength call UartStream enableReceiveInterrupt return SUCCESS command error_t SerialBluetooth sendCommand char str txBufferLength strlen str if txBufferLength gt BUFFER_SIZE 1 90 return FAIL memcpy txStrBuffer str txBufferLength txStrBuffer txBufferLength 0x0D add carrige return to command txBufferLength txBufferLength 1 rxBufferLength 6 post send return SUCCESS command error t SerialBluetooth forwardMsg char str 1 if busy busy TRUE txBufferLength strlen str if txBufferLength gt BUFFER_SIZE 1 return FAIL memcpy txStrBuffer str txBufferLength rxBufferLength 12 post send return SUCCESS else signal SerialBluetooth forwardingDone FAIL return FAIL event void Resource granted respect the min delay of bluetooth transmition event void DelayTimer fired busy FALSE 91 APP B COMUNICAZIONE SERIALE async event void UartStream sendDone uint8 t buf uinti16 t len error t error if forwarding if error SUCCESS post sendDoneSuccessTask else post sendDoneFailTask telse call DelayTimer startOneShot DELAY_T
80. saggio Tale messaggio pu essere una semplice conferma quindi un ok oppure un messaggio pi articolato che composto dall id del nodo e la sua posizione x y stabilita dall utente Questa tecnica di invio dei messaggi viene attuata perch non c la possibilit da parte dello smartphone di AT 3 SVILUPPO saper quando il Tmote attivo sul canale Bluetooth in questo modo appena lo sente attivo gli invia le informazioni che ha a disposizione case MESSAGE READ byte readBuf byte msg obj String readMessage new String readBuf 0 msg argl Elab received string receivedMessage readMessage if send_pos String send_msg mote_id pos_x pos_y mChatService write send msg getBytes send pos false else String replay OK x byte send replay getBytes mChatService write send i break Alla ricezione di ogni nuovo messaggio viene controllato l id del nodo e que sto viene memorizzato in un array e visualizzato nell interfaccia utente dalla quale si possono interrogare le varie entry per leggerne i parametri e le posizio ni dei nodi fig 3 4 Nella prossima sezione andremo a vedere l activity per la visualizzazione dei parametri di ciascun nodo 3 3 2 MoteParam java Questa classe java permette di visualizzare i parametri di un nodo della rete fig 3 4 b selezionato dalla lista dei nodi nell activity principale Di Interesse in questo program
81. seguito viene proposto il codice sviluppato per l applicazione di localizzazione scritto in Java per lo smartphone Android Solver java La classe Solver java offre il metodo per il calcolo della posizione del nodo mobile package com navlab android BlueTmoteTracking import android graphics Point import android graphics PointF import android util Log Qauthor Stefano Dazzo public class Solver extends Thread Debugging private static final String TAG BlueTmote private static final boolean D true private Mote ancoreNodes private RoomView display 95 APP C BLUETMOTE TRACKING parametri utilizzati dal sistema Teseo public static final double sigma 7 57 public static final double A 63 67 public static final double np 2 12 public double expPesoDistanza 2 public double gamma public double c public double exp public PointF position private int seqno 1 public Solver RoomView view display view gamma Math pow sigma Math 1og 10 10 np 2 c Math pow Math E gamma 2 public void run while true position tracking display mobileNode position Delay try i Thread sleep 2000 catch InterruptedException e public void cancel 96 public void setAncoreNode Mote mote synchronized this ancoreNodes mote double x 0 double y 0 public synchronized PointF tracking Mote mote
82. sempio che ora analizzeremo in dettaglio I componenti e ComponentD e ComponentF e Application sono delle configurazioni e come abbiamo gi spiegato servono a collegare tra loro componenti preesistenti Il resto dei componenti sono dei moduli Il componente ComponentD fornisce un interfaccia che verr usata dal componen te Application indicato in giallo e utilizza un interfaccia che sar fornita da ComponentF Il componente ComponentF fornisce una sola interfaccia che cor risponde a quella fornita dal componente Radio La configurazione Application 21 1 AMBIENTE SOFTWARE Application Component Component configuration configuration Figura 1 4 Esempio di wiring di un applicazione sviluppata in NesC costituisce l applicazione vera e propria Non utilizza ne fornisce interfacce ma effettua il semplice collegamento tra i componenti Application ComponentD e ComponentF Come possiamo notare la ragione per cui un componente si distin gue in moduli e configurazioni per favorire la modularit di un applicazione Ci permette allo sviluppatore di assemblare velocemente le applicazioni In effetti si potrebbe realizzare un applicazione solo scrivendo un componente di configurazio ne che assembli componenti gi esistenti D altra parte questo modello incoraggia l aggiunta di librerie di componenti tali da implementare algoritmi e protocolli che possano essere utilizzati in una qualsiasi applicazione Il
83. sistema operativo TinyOS programmato in NesC e nel momento in cui un applicazione viene compilata i componenti di TinyOS vengono compilati insie me ad essa e il risultato costituisce l intero software del sensore Questo approccio consente un ingente risparmio di energia e di memoria tuttavia limita molto la versatilit infatti non possibile installare pi applicazioni indipendenti sullo stesso sensore e non possibile effettuare linking dinamico di librerie esterne o riconfigurazione dinamica di parte del codice presente sul sensore 22 13 TINYOS 1 3 TinyOS Il TinyOS 11 un sistema operativo open source sviluppato dalla University of California at Berkeley Data la possibilit di modificarne il codice questo sistema operativo e diventato un importante piattaforma di sviluppo per ogni soluzione proposta nel campo delle reti di sensori In effetti grossi contributi sono stati forniti dalla comunit di sviluppatori lo testimonia la lunga lista di progetti at tivi relativi a tutti i campi della ricerca da protocolli per l instradamento dei pacchetti alla localizzazione dalla realizzazione di un interfaccia grafica per lo sviluppo delle applicazioni all estensione del compilatore ncc per il supporto di nuove piattaforme hardware A differenza delle tradizionali architetture hard ware dove disponiamo di grandi quantit di memoria complessi sottosistemi per la gestione dei dati in ingresso e per quelli in uscita for
84. ssere impostati e controllati attraverso degli AT command questi possono essere impostati attraverso un terminale ad esempio HyperTerminal di Windows e utilizzare la comunicazione Bluetooth senza do ver modificare i programmi di comunicazione seriale gi esistenti Elenchiamo in tabella 2 4 alcune caratteristiche princilpali della scheda L insieme di comandi AT command di fatto un linguaggio standard per il controllo dei modem e sono riconosciuti da tutti i modem per computer Parani ESD mette a disposizione un insieme di AT command esteso per consen tire il controllo e la configurazione dei parametri per la comunicazione Bluetooth Parani ESD risponde ai comandi con quattro tipi di messaggio OK ERROR 29 2 COMPONENTI HARDWARE CONNECT e DISCONNECT La scheda possiede quattro modi operativi e tre stati per l esecuzione dei comandi che vengono elencati nella tabelle 2 5 In figura 2 4 riportiamo lo schema e in figura 2 5 la descrizione dei connettori utilizzati per il collegamento della scheda parani ESD100 con altri dispositivi Vt 4 t1 4 PairingDCD DSR DTR RST GND GR QU Q0 Q0 9 E O GET EP CO 9 GND TXD RXD RTS CTS VDD bh 2 I t 4 1 lOmoooco o Figura 2 4 Connettori presenti sulla scheda Parani ESD100V2 Fina sem ores necem Siac _ i ee eese emm La ome oe ueromows m L3 oe ma eroana m
85. stri 10 strcat str stri call SerialBluetooth forwardMsg str call Leds led2Toggle return msg SerialBluetooth nc interface SerialBluetooth command bool isForwarding command error_t setAttendConn VESTI Send AT command to Bluetooth device Joke command error_t sendCommand char str VESTI 82 Send AT command to Bluetooth device xk command error t forwardMsg char str VESTI Receive the response on send command AR event void sendCommandDone error t error VESTI Receive the response on receive command AR event void receiveCommandDone error t error Receive the response on established connection xo event void connectionDone error t error VESTI Receive the response on forwarding XA event void forwardingDone error_t error VESTI Receive the position from cellular and forward to a mote xk event void sendPosToMote char str SerialBluetoothC nc configuration SerialBluetoothC provides interface SerialBluetooth provides interface StdControl 83 APP B COMUNICAZIONE SERIALE implementation components SerialBluetoothP components new Msp430UartOC as UartC SerialBluetoothP Resource gt UartC Resource SerialBluetoothP UartStream gt UartC UartStream SerialBluetoothP Msp430UartConfigure lt UartC Msp430UartConfigure SerialBluetooth SerialBluetoothP StdControl
86. sualizzando ed utilizzando in un terminale Android vero e proprio eccezion fatta per particolari funzioni quali l accelerometro che necessita dell hardware L SDK comprende inoltre apposite sottosezioni ricche di esempi ed implementazioni di oggetti e temi standard per Android dai quali gli sviluppatori possono trarre spunti utili o addirittura riuti lizzare il codice senza ricopiarlo all interno delle loro applicazioni ma come verr spiegato in seguito sar sufficiente richiamare quel segmento di codice da un app 8 11 INTRODUZIONE A GOOGLE ANDROID all altra cosi da risparmiare spazio e rendere pi efficienti le applicazioni Elemen to di forza dell SDK che non dipende da alcun tipo di ide si liberi di utilizzare l ide che pi si preferisce Google consiglia di utilizzare Eclipse per il quale esiste un apposito plugin da installare separatamente che consente di integrare tutta una serie di funzionalit aggiuntive molto comode per sviluppare in particolare progetti Android Tra gli altri software che si possono utilizzare come ide si pu citare NetBeans forse il pi diffuso ide per java o in alternativa qualsiasi altro ide che supporti java e che consenta la compilazione e l archiviazione in collabo razione con l SDK del file progetto all interno dell archivio apk l estensione di tutte le app Android Tramite l SDK e il sito http developer Android com tutti gli sviluppatori esperti di java che voglion
87. t di recuperarli E plausibile tuttavia pensare ad un sistema di ACK per verificare la disponibilit del bus Ma anche in questo caso il messaggio di ACK inviato dallo smartphone al mote potrebbe andare perso se in bus non abilitato Dal lato dello smartphone andremmo a inviare degli ACK finch il bus non viene abilitato dal Tmote ma nel momento in cui questo avviene significa che gi il mote ha delle informazioni da inviare allo smartphone Questo spiega la soluzione adottata in questo progetto per la quale se l utente dello smartphone ha dei messaggi da inviare al Tmote questi vengono inviati solo 53 3 SVILUPPO quando si ricevono dei messaggi dallo stesso perch in questo modo si consape voli che il Tmote sta utilizzando il bus ed in grado di inviare e ricevere Questa soluzione tuttavia risulta di scarsa efficienza perch limita le possibilit di operare dell utente dello smartphone e potrebbe introdurre dei ritardi nelle comunicazio ni con gli altri nodi fissi della rete per esempio nel caso in cui l utente si sia spostato e il nodo fisso della rete diventi irraggiungibile Una possibile soluzione una gestione di tipo time division del bus in cui il bus divenga disponibile per un certo intervallo di tempo questo caso potrebbe essere utile solo nella fase di labeling dei nodi fissi Facendo cosi il Tmote non sarebbe pit in grado di ascoltare i messaggi provenienti dai nodi fissi della rete perch per utilizzare
88. ti capacit di elaborazione e sorgenti di energia praticamente illimitate nelle reti di sensori ci troviamo a confronto con sistemi di piccole dimensioni fonti di energia limitate scarsa quan tit di memoria modeste capacit di elaborazione etc Sono necessarie quindi soluzioni molto semplici ed efficienti e che soprattutto riducano alla massimo i consumi di energia Lo scopo dichiarato dei progettisti di TinyOS era infatti quello di 10 e ridurre i consumi di energia e ridurre il carico computazionale e le dimensioni del sistema operativo e supportare intensive richieste di operazioni che devono essere svolte in con correnza e in maniera tale da raggiungere un alto livello di robustezza ed un efficiente modularit Tutto ci si pu riassumere in alcuni aspetti fondamentali dell architettura del TinyOS che vengono elencati di seguito e sistema basato su componenti Component based architecture e modello di concorrenza orientato ai processi e agli eventi Tasks and event based concurrency e utilizzo della tecnica split phase operations ogni funzione viene portata a termine senza aspettarne il risultato finale questo verr successivamente segnalato da un evento 23 1 AMBIENTE SOFTWARE Quello che si ottiene un sistema con un nucleo molto snello Il consumo di energia rappresenta un fattore critico e l approccio basato sugli eventi utilizza il microprocessore nella maniera pi efficiente possib
89. tivato il dispositivo bluetooth sullo smartphone possibile gestire le connesioni e trasmettere dei dati Per questo scopo viene creato un oggetto della classe BluetoothChatService che si occupa della gestione del bluetooth Al momento della creazione chiede gli venga passato un oggetto di tipo handle con lo scopo di notificare all applicazione principale i cambiamenti di stato del blue tooth e l eventuale arrivo di nuovi messaggi Di seguito si osserva la struttura del 46 3 8 L APPLICAZIONE PER ANDROID Handler e la diversa elaborazione dei messaggi ricevuti e la notifica del cambio di stato private final Handler mHandler new Handler 1 0verride public void handleMessage Message msg switch msg what case MESSAGE_STATE_CHANGE switch msg arg1 case BluetoothChatService STATE CONNECTED case BluetoothChatService STATE CONNECTING case BluetoothChatService STATE LISTEN case BluetoothChatService STATE NONE break case MESSAGE_DEVICE_NAME case MESSAGE_TOAST All Handler viene inoltre notificata la ricezione dei messaggi via bluetooth da parte del Tmote come descritto dal frammento di codice che segue Alla ricezione del messaggio proveniente dal Tmote viene estrapolato l id del nodo che stato scoperto e i valori di potenza di trasmissione rispettivamente Rssi e Lqi Per come stata pensata l architettura di comunicazione alla ricezione di ogni messaggio lo smartphone risponde con un mes
90. to delay pu essere variabile e assumere un valore minimo di 30 ms in presenza di un link di comunicazione buono senza interferenze Per questo motivo stato necessario introdurre un timer che gestisca questo ritardo e non permetta a componenti di livello superiore l immediato invio di un nuovo messaggio prima che quello precedente sia stato trasmesso In caso contrario il nuovo messaggio andrebbe a sovrascrivere il buffer di invio nella scheda bluetooth Un ulteriore aspetto da sottolineare relativo alle funzioni messe a disposizio ne dal TinyOs per l invio dei byte nel bus di comunicazione UART in particolare nel momento della ricezione Il messaggio ricevuto attraverso il bus seriale viene salvato in un buffer impostato dall utente come abbiamo visto poc anzi Tutta via deve essere impostata anche la lunghezza di tale buffer e di conseguenza tale lunghezza deve essere corrispondente al messaggio da ricevere Questa rappresen ta una grossa limitazione in quanto si deve sapere in anticipo quando lungo in termini di byte il messaggio che ci aspettiamo di ricevere Questo aspetto deve essere ben gestito altrimenti c la possibilit di perdere delle informazioni Nel nostro caso le risposte sono state gestite nel modo pi semplice considerando le risposte ricevute tutte di una lunghezza prestabilita senza comunque perdere di efficienza nel programma 3 9 L applicazione per Android L applicazione per Android pensata come u
91. ttraverso il protocollo blue tooth Tale scheda verr connessa ad un nodo della rete grazie alla presenza di una porta seriale su entrambi i dispositivi La seconda parte della tesi presenta una breve descrizione di alcuni progetti proposti in letteratura per risolvere il problema della localizzazione ed in fine verr descritto un semplice ed intuitivo algoritmo di localizzazione per validare la fattibilit di una sistema cosi costruito Il risultato finale un prototipo che per dimensioni e caratteristiche potrebbe essere considerato un prodotto commercializzabile anche se l accuratezza dell al goritmo di localizzazione proposto non sempre elevata e richiede ulteriori studi a riguardo Introduzione Le reti di sensori Wireless Sensor Network WSN sono composte da dispositi vi senza fili per il monitoraggio dei parametri ambientali in luoghi naturali ma anche industriali In realt questo tipo di dispositivi non sono semplicemente sensori dotati di un antenna per la comunicazioni senza fili ma sono composti da una hardware e software dedicato capace di integrarsi nell ambiente in cui sono dislocati L idea nasce alla fine dello scorso secolo dai laboratori della NASA con il proposito di creare un insieme di piccolissimi elementi in grado di configurarsi e comunicare tra di loro creando una rete di comunicazione Il desiderio era quel lo di creare una smart dust letteralmente polvere intelligente un rete di piccoli elementi estre
92. v ttyUSB1 DEI NAVLAB mote Tabella 2 2 Esempio output del comando motelist mente omnidirezionale e l irragiamento pu risentire della presenza o meno delle batterie e persino della posizione del mote si ha un incremento delle prestazioni posizionandolo in verticale piuttosto che disteso Flash esterna L ST M25P80 40MHz fornisce 1024kB per memorizzare dati 6 composta di 16 segmenti di 64kB l uno ed collegata al microcontrollore tramite l SPI lo stesso bus che collegava calcolatore e radio Questa condivisione delle risorse richiede un minimo di gestione infatti lo stesso mezzo puo essere utilizzato da un unico com ponente alla volta e non possibile per esempio scrivere nella flash e ascoltare la radio contemporaneamente Sensori Come gi detto c la possibilit di integrare questi mote con dei sensori am bientali Sensirion AG SHT11 o SHT15 tra i due la differenza principale e l accuratezza e per entrambi la misura ottenuta per conversione dall ADC a 14 bit L MSP430 dispone comunque anche in assenza dei sensori suddetti di un indicatore del livello delle batterie e uno per la temperatura interna del microcontrollore entrambi non sono molto precisi e richiedono di essere calibrati Connettori per l espansione I connettori per l espansione sono utili per controllare tramite T mote altri di spositivi per esempio rel display LCD e altre periferiche digitali ce ne sono due uno a 6 e uno a 10 pin Considerando
93. va 9 1 AMBIENTE SOFTWARE Applications or vr Browser ceo Application Framework WW Activity MT Window f Content I Manager Manager Providers System ON Package O Felephony AT Resource OM Location WWotification Manager Manager Manager Manager Manager Libraries Android Runtime M urtace 5777 Media m Libraries Core Manager Framework o ee OpenGL ES FreeType m nd SGL SSL Linux Kernel s Camera Flash Memory Binder IPC Driver Driver 7 Keypad rn Audio I Power Driver Driver Management Figura 1 1 Dettaglio dell architettura di un sistema Android 7 Framework per applicazioni Gli sviluppatori hanno pieno accesso alle stesse framework API usate dalle ap plicazioni di base L architettura delle applicazioni progettata per semplificare il riutilizzo dei componenti ogni applicazione pu rendere pubbliche le sue capa cit e tutte le altre applicazioni possono quindi farne uso sono soggette ai limiti imposti dalla sicurezza del framework Questo stesso meccanismo consente all u tente di sostituire le componenti standard con versioni personalizzate Alla base di ogni applicazione si trova un set di servizi e sistemi tra cui e Un gruppo ricco ed estensibile di viste che possono essere usate per costruire un applicazione contiene liste caselle di testo pulsanti e addirittura un browser web integrato e Dei Content Providers che permettono alle applicazioni di accedere a dati da altre a
94. vantaggiosa in quanto permette di creare un livello di astrazione sulle componenti hardware del dispositivo specialmente in un ambiente in cui le applicazioni fanno abbondante uso di istruzioni a basso livello Interfacce Un interfaccia dichiara una serie di funzioni che possono essere di due tipi co mandi ed eventi I comandi devono essere implementati dal componente che li fornisce mentre gli eventi devono essere implementati dal componente che li usa Un comando generalmente una richiesta di servizio mentre l evento segnala il completamento di un servizio Gli eventi possono essere generati anche in modo asincrono per esempio in seguito ad un interruzione hardware o all arrivo di un pacchetto di una comunicazione radio Ogni interfaccia bidirezionale e modella un servizio offerto utilizzato dal componente Si possono usare o fornire pi di un interfaccia e istanze multiple di una stessa interfaccia ovviamente rinominan dole L aspetto importante che le interfacce sono bidirezionali rendendo pi facile la gestione delle interruzioni hardware A differenza di interfacce unidirezio nali basate su procedure calls che costringono ad un sistema di hardware polling o ad avere due interfacce separate per le operazioni hardware e la gestione delle 20 12 NESC corrispondenti interruzioni I tipi di componenti Esistono due tipi di implementazione di componenti i moduli e le configurazioni I moduli forniscono il cod
95. viene chiuso e viene fatto ripartire in thread descritto in precedenza in attesa di una nuova connessione Mentre se la connessione del socket ha successo il thread viene reinizializzato il dispositivo si trova nello stato connected e parte il thread successivo private class ConnectThread extends Thread e ConnectedThread Una volta connesso il socket si passa a gestire il flusso di dati proveniente dal dispositivo a cui si connessi Vengo dunque inizializ zati i flussi di ingresso e uscita del socket e il thread legge il flusso in ingresso se arrivano nuovi messaggi questi vengono notificati dall handler alla fine stra principale Inoltre il thread fornisce un metodo non sincronizzato per l invio dei messaggi private class ConnectedThread extends Thread Come mostrato in figura 3 3 una volta premuto il pulsante per la ricerca di nuovi dispositivi bluetooth appare una nuova schermata che distingue i disposi tivi gi accoppiati dai nuovi dispositivi scoperti E possibile cosi selezionare il dispositivo desiderato ed effettuare il collegamento 52 3 4 PROBLEMATICHE DA RISOLVERE 3 4 Problematiche da risolvere Il programma cosi implementato funziona e risponde alle richieste attese tuttavia presenta alcuni aspetti problematici che richiedono particolare attenzione Questi aspetti toccano aspetti come la scalabilit e il fault tollerance del sistema Si evidenziano tre problematiche principali e l util
96. zzazione Al termine di questa breve presentazione verr proposto una tecnica di lo calizzazione gready implementata sullo smartphone Android come esempio per testare la fattibilit del progetto 4 1 Classificazione delle tecniche di localizzazio ne Le tecniche di localizzazione possono essere classificate in diversi modi possono essere suddivise in base alle informazioni a priori per la localizzazione dei nodi come ad esempio l utilizzo o meno di nodi ancora nodi di cui nota la posizione e utilizzati per determinare la posizione di nodi rimanenti Differenti classificazioni possono essere effettuate in base alle ipotesi a priori sulla propagazione nel mezzo e della grandezza fisica utilizzata nel caso di onde elettromagnetiche si pu sup porre un decadimento quadratico della potenza di trasmissione in funzione della distanza oppure si pu apprendere il modello che meglio descrive la propagazio ne del campo direttamente dalle misure effettuate Altre classificazioni possono essere fatte sulla base dell architettura dell algoritmo utilizzato 57 4 LOCALIZZAZIONE Un approccio molto diffuso per la classificazione delle tecniche di localizza zione effettuato in base ai parametri utilizzati per ottenere la posizione dei nodi come ad esempio la misura del tempo di volo Time of Arrival ToA la differenza del tempo di volo Time Difference of Arrival TDoA l intervallo che intercorre tra la ricezione del segnale rad

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