In der vorliegenden Arbeit wird ein System vorgestellt, das Daten aus drahtlosen Sensornetzwerken verarbeitet und zur Verfügung stellt. Dabei lässt es sich durch die leichte Anpassbarkeit für jedes Anwendungsgebiet nutzen. Eine benutzerfreundliche Oberfläche bietet eine Reihe von Funktionen mit denen der Nutzer die Daten unterschiedlich darstellen kann.

This paper presents a system which can work with data from wireless sensor networks and provides them for the user. It can be used in every application area, as it’s easily adaptable. A userfriendly interface offers a set of features for the different display of the data.

Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung  1

2  Grundlagen  2

2.1  Begriffsdefinition  2

2.2  Bestehende Projekte  2

2.2.1  MoteView  3

2.2.2  jWebDust  3

2.2.3  Feit Wireless Sensor Network  4

2.2.4  Fazit  5

3  Anforderungen  6

3.1  Funktionale Anforderungen  7

3.2  Nichtfunktionale Anforderungen  8

4  Entwurf  9

5  Feinentwurf und Implementierung  11

5.1  Server  11

5.1.1  Schnittstellen zwischen Client und Server  11

5.1.2  Sensornetzwerk  12

5.1.3  Datenbank  14

5.2  Client  17

5.2.1  Data  18

5.2.2  Analysis  20

5.2.3  Topology  21

5.2.4  Query  23

5.2.5  Alert  26

5.2.6  Export  26

5.2.7  Adapter über Client  27

5.2.8  Properties  28

5.2.9  Weitere Funktionen  29

6  Test und Evaluation  30

6.1  Komponenten- und Integrationstest  30

6.2  Systemtest  31

7  Fazit und Ausblick  33

Literaturverzeichnis   35

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Abbildungsverzeichnis   

3.1  Anwendungsfalldiagramm  6

4.1  Gesamtüberblick über das System  9

5.1  Package server.interfaces  11

5.2  Package server.wsn  12

5.3  ER-Diagramm  14

5.4  Package server.database  16

5.5  Package client  18

5.6  Package client.data  19

5.7  Package client.analysis  20

5.8  Package client.topology  22

5.9  Anfragetypen  23

5.10  Package client.query  25

5.11  Package client.alert  26

5.12  Package client.adapter  27

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1 Einleitung

Sensornetzwerke finden in immer mehr Gebieten Anwendung. Einzelne Komponenten werden jedes Jahr kleiner und günstiger und somit interessanter für Bereiche wie beispielsweise das Gesundheitswesen, die Industrie oder in unterschiedlichen Lebensräumen [CES04]. Um die vom Sensornetzwerk erfassten Daten zugänglich zu machen, werden Benutzeroberflächen benötigt, die die Daten in einer geeigneten Form darstellen. Viele Sensornetzwerksysteme haben dafür ein speziell auf sie zugeschnittenes Graphical User Interface (GUI), das jedoch einen zusätzlichen Entwicklungs- und Implementierungsaufwand bedeutet. Die vorliegende Arbeit stellt ein System vor, das Daten aus Sensornetzwerken verarbeitet und dem Nutzer bereitstellt. Dabei kann es ohne großen Aufwand an die unterschiedlichen Anwendungsgebieten angepasst werden. Das System stellt kein Sensornetzwerk zur Verfügung sondern lediglich eine Möglichkeiten mit diesem über Schnittstellen zu kommunizieren.

Kapitel 2 der Arbeit führt den Begriff des Sensornetzwerks ein und beschreibt einige Anwendungsgebiete genauer um die Vielfältigkeit des Einsatzes zu verdeutlichen. Darüber hinaus werden Projekte vorgestellt, die den gleichen Anspruch, wie das in dieser Arbeit vorgestellte System, erheben, nämlich unabhängig von einem bestimmten Sensornetzwerk zu arbeiten. Diese werden anschließend miteinander verglichen. In Kapitel 3 werden die Anforderungen für das System festgelegt, die als Grundlage für den Entwurf in Kapitel 4 dienen. Kapitel 4 betrachtet den gesamten Aufbau des Systems und die Abhängigkeit einzelner Komponenten in Form von Packages. Dabei wird die Beziehung zwischen Client und Server verdeutlicht. Das folgende Kapitel 5 beschreibt die einzelnen Komponenten detaillierter mit ihren Aufgaben und Funktionen. Dazu werden Klassendiagramme zur Verdeutlichung hinzugezogen. Im anschließenden Teil 6 wird das System auf Fehler geprüft und insbesondere die Anforderungen evaluiert. Das abschließende Kapitel 7 zieht einen Vergleich zwischen dem System und den in Kapitel 2 vorgestellten bestehenden Projekten. Zusätzlich gibt es einen Ausblick in Form von Verbesserungsmöglichkeiten des Systems.

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2 Grundlagen

Damit im Folgende von dem gleichen Verständnis eines Sensornetzwerks ausgegangen werden kann, wird dieser mit denen für diese Arbeit wichtigen Aspekten definiert.

2.1 Begriffsdefinition

Ein Sensornetzwerk ¹ besteht aus vielen Sensorknoten, die drahtlos miteinander verbunden sind und mit denen Messungen durchgeführt werden [Sto05]. Ein einzelner Sensorknoten beinhaltet einen oder mehrere Sensoren, eine Energiequelle, einen Speicher, einen Prozessor und ein Kommunikationsmittel. Die Sensoren führen die eigentlichen Messungen durch und sind beispielsweise Temperatur- , Licht- und Feuchtig-keitssensoren. Als Energiequelle werden in der Regel Batterien verwendet, es sind aber auch Alternativen wie Solarenergie denkbar. Das Kommunikationsmittel, ein Transceiver, ist für das Senden und Empfangen der gemessenen Daten zuständig. Die Übertragung erfolgt meistens über Funk, andere Möglichkeiten wären Schall oder Laser [RM04]. Die Größe der Knoten kann sich nach Anwendung und Kosten unterscheiden [CES04].

Sensornetzwerke weisen keine feste Struktur auf, da Knoten neu hinzukommen, ausfallen oder versetzt werden können. Jeder Sensorknoten kann mit mehreren anderen Sensorknoten in Funkkontakt stehen und so Informationen hop-by-hop, d.h. von Knoten zu Knoten, weitergeben. Ein Sensornetzwerk kann entweder homogen, d.h. es besteht aus gleichen Knoten, oder heterogen sein, d.h. die Knoten unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Komponenten, insbesondere der Art und Anzahl der Sensoren. Sensornetzwerke können in vielen unterschiedlichen Bereichen wie dem Gesundheitswesen, der Überwachung von unterschiedlichen Lebensräumen und in der Industrie eingesetzt werden. Smart Condo [SCB ⁺ 09]

ist ein Projekt aus dem Gesundheitswesen, das eine Wohnanlage mit einem Sensornetzwerk ausstattet. Dadurch soll älteren Menschen ermöglicht werden ihre Unabhänigkeit zu erhalten und trotzdem die Sicherheit zu haben, dass jemand automatisch alarmiert wird, wenn gesundheitsschädliche Ereignisse auftreten. Fire-WxNet [HHSH06] überwacht die Wetterbedingungen in Umgebungen mit Waldbränden. Dadurch können Vorhersagen über das Verhalten des Feuers getroffen werden und bessere Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden. Ein weiterer Einsatz von Sensornetzwerken ist bei Überwachung von Kühlketten von Lebensmitteln denkbar [RV04]. Durch die permanente Speicherung der Temperaturen kann sichergestellt werden, ob die Kühlkette während des Transports vom Hersteller über den Laden zum Kunden unterbrochen wurde oder nicht.

2.2 Bestehende Projekte

Es wurden bereits einige Systeme entwickelt, die nicht auf ein konkretes Sensornetzwerk zugeschnitten sind, sondern für unterschiedliche eingesetzt werden können. Drei dieser Systeme werden im Folgenden, in Bezug auf ihre Funktionen und ihren Aufbau, betrachte.

¹ Damit ist ein drahtloses Sensornetzwerk gemeint, im Folgenden wird nur der Begriff Sensornetzwerk verwendet. Oft findet sich auch die Abkürzung WSN (wireless sensor network).

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2.2 Bestehende Projekte

2.2.1 MoteView

MoteView [Tur05] [Cro07] ist ein Teil des von Crossbow ² entwickelten MoteWorks und hat die Aufgabe Daten zu analysieren und darzustellen ³ . In mehreren Registerkarten (Tabs) werden die Daten in einer Tabelle und als unterschiedliche Graphen angezeigt. Die Tabelle zeigt für jeden Knoten eine Zeile an, die Sensoren werden als Spalten umgesetzt. Der Nutzer hat die Möglichkeit die Daten eines bestimmten Zeitpunkts aufzurufen, indem ein Scrollbalken bewegt wird. Alle vorliegenden Daten können automatisch abgespielt werden. Weitere Darstellungsarten liegen in Form von Histogrammen ⁴ (Histogram), Streudiagrammen ⁵ (Scatterplots) und Graphen für einzelne Sensorarten vor. Für diese Anzeige lassen sich Knoten auswählen, die miteinbezogen werden sollen. Bei der Erstellung der Graphen ist zusätzlich eine Auswahl von Sensoren möglich. Darüber hinaus können alle Daten in XML exportiert werden. Bei einer weiteren Exportart in CSV können die Daten auf einen bestimmten Knoten und Zeitraum beschränkt werden. Außerdem hat der Nutzer die Möglichkeit die Graphen als Bild im JPG-Format abzuspeichern. In dem Topology-Tab werden alle Knoten, die per Drag and Drop ⁶ verschoben werden können, und ihre Verbindungen zueinander auf einer Ebene angezeigt. Bei dem Drüberfahren mit dem Mauszeiger über einen Knoten werden die Werte der einzelnen Sensoren zu dem auf der Leiste ausgewählten Zeitpunkt an der rechten Fensterseite angezeigt. Ein Bild in unterschiedlichen Formaten lässt sich als Gebäudeplan ⁷ im Hintergrund hochladen. Darüber kann eine Schicht gelegt werden, die beispielsweise die Temperatur farblich visualisiert. Knoten können zur Benutzeroberfläche hinzugefügt oder von dieser entfernt werden. MoteWorks setzt sich aus drei Ebenen zusammen:

• Die Sensorschicht (sensor tier) enthält das Sensornetzwerk mit dem von Crossbow entwickelten Knoten und läuft mit XMesh, der ebenfalls von Crossbow entwickelten Software für Sensornetzwerke.

• Die Server-Schicht (server tier) ist für das automatische Erfassen und Übersetzen (Parsen) der Messdaten sowie deren Abspeicherung in einer relationalen Datenbank zuständig. Die verwendete Software ist das von Crossbow entwickelte XServe.

• Die Client-Schicht (client tier) verwaltet und visualisiert die Daten für den Nutzer und besteht aus dem schon erwähnten MoteView. MoteView wird in vier weitere Ebenen unterteilt, auf die hier nicht eingegangen wird, da sie für den weiteren Verlauf der Arbeit irrelevant sind.

2.2.2 jWebDust

jWebDust [CMN05] ist eine webbasierte Java-Anwendung, die mit mehreren Sensornetzwerken gleichzeitig arbeiten kann. Diese werden in jWebDust als ein Sensornetzwerk interpretiert, unabhängig davon ob sie heterogen sind und aus welchen Anwendungsgebieten sie stammen. Dementsprechend werden alle Daten in einer Datenbank gespeichert und die einzelnen Sensornetzwerke durch einen Identifikator (Id) gekennzeichnet. Die Knoten registrieren sich selbstständig mit der Information welche Sensoren sie beinhalten bei jWebDust und werden in die Datenbank geschrieben. Knoten können während das System läuft ausgetauscht werden. Anfragen an das Sensornetzwerk werden periodisch oder eventbasiert gestellt (siehe 5.2.4 für Anfragetypen). Der Nutzer kann Knoten festlegen, an die die Anfrage gehen soll. Darüber hinaus können Attribute in der Anfrage angegeben werden, die an das komplette Sensornetzwerk geschickt werden.

² Crossbow ist eine Hersteller von Sensorsystemen.

³ Die hier vorgestellten Funktionen sind nur eine Auswahl aus MoteView, die im Hinblick auf das in dieser Arbeit vorgestellte System ausgewählt wurden.

⁴ Histogramme stellen die Häufigkeitsverteilung graphisch dar.

⁵ Streudiagramme werden für die graphische Darstellung zweier Merkmale verwendet.

⁶ Drag and Drop bedeutet, dass ein Element mit dem Mauszeiger von einer Position auf eine andere Position gezogen (drag) und dort fallengelassen (drop) wird.

⁷ Ein Gebäudeplan meint eine Ansicht der Umgebung in der das Sensornetzwerk platziert ist.

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