D ́ esign ́ e, d ́ evelopement et ́ evaluation les performances d’un syst` eme l’autonome de r ́ eseaux capteurs sans fil pour la surveilance de l’environnement

l’Insittute de la Francophonie pour l’Informatique ´seaux et Syste `me Rapport de stage - Master Re Communication D´ esign´ e, d´ evelopement et ´ evaluation les performances d’un syst` eme l’autonome de r´ eseaux capteurs sans fil pour la surveilance de l’environnement Supervisor: Etudiant: M Han Mingding La Thanh Tam March 2015 Remerciements Je souhaite tout d’abord remercier mon encadrant de stage, monsieur Han Mingding, pour m’avoir accueilli dans l’´equipe, pour son soutien tout au long du stage, sa disponibilit´e, et ses conseils nombreux et ´eclair´es Merci ´egalement ` a Ma Xiaoping pour m’avoir aid´e `a me familiariser avec l’environnement de d´eveloppement ` a I2R, mais surtout pour sa gentillesse et son implication dans mon stage Un grand merci ` a Brian et Alvin pour leurs conseils dans des nombreux probl`emes de technique Enfin, merci ` a tous les mebres de SNS pour la gentillesse de m’aider `a familier avec le nouvel environnement de travail et le nouveau pays i R´esume Ce travail vise ` a ´elaborer un ensemble de capteurs sans fil pour recueillir le signal de luminance de l’environnement Ce syst`eme sera attach´e `a la voiture ou en bus voyage autour de la ville et envoyer les donn´ees recueillies sur le serveur par la connexion 3G / 4G en temps r´eel L’analyse des donn´ees recueillies peut aider `a donner un plan pour le syst`eme de lumi`ere maintenir, l’´economie d’´energie ou d’assurer la s´ecurit´e Le syst`eme va g´erer les donn´ees bas´ee sur les signaux des capteurs de lumi`ere qui indiquent l’´etat de brillant, Unit´e de Mesure Inertielle(Inertial Measurement Unit) avec la comination d’acc´el´erom`etres, gyroscopes, magn´etom`etres et un GPS pour donner la potition et l’heure de ces donn´ees, enfin une modem 3G avec la 3G SIM carte fournir une connexion ` a envoyer les donn´ees vers le serveur Pour les transfert de donn´ees, nous avons con¸cu un contrˆoleur pour surveiller l’intensit´e du signal 3G et d´ecider quand les donn´ees seraint envoi´ees L’objectif de ce contrˆoleur est de sauver des ressources et de l’´energie tout en ´eviter la cause de r´eexp´edition inutile de la mauvaise connexion En fin, les r´esultats de l’exp´erimentation nous aideront ` a construire un ensemble de r`egles pour obtient un contrˆoleur plus ”int´elligent” Dans ce projet, on utilise technologies de ”Message Queuing Telemetry Transport”, un protocole l´eger pour le r´eseau de capteurs sans fil et son utilisation dans le domaine de l’Internet des Objets (Internet of Things) - la future de l’Internet Abstract This work aims to develop a wireless sensor package to collect the luminance signal from the environment This package can be binded to the car or bus travel around the city and send the data collected to the server via 3G/4G connection in real time The analysis from data collected can help to give a plan for light system maintain, saving energy or ensure a safe city, etc The package conducted data with the signals from the light sensors which show status of shiny, Inertial Measurement Unit combination of accelerometers, gyroscopes, magnetometers and a GPS to give the location and time for these data, finally an 3G dongle with 3G simcard provide connection to send the data to server For the data transferring, we have designed a controller to monitoring the 3G signal strength and decide whether to send data or not The objective of this controller is saving resource and energy while avoid the unnecessary resending cause of the bad connection In the end, results from experimentation will help us to build a set of rules for the intelligent controller Contents Acknowledgements i R´ esume ii Contents iii Liste des Figures v Liste des Tableaux vii Abbreviations viii Introduction 1.1 Introduction 1.2 Les exigences du projet 1 2 Context 2.1 Internet des objets - la future de Internet 2.2 Les protocoles dans la domain IoT 2.2.1 Hypertext Transfer Protocol, un protocole bien connu 2.2.2 CoAP - Contrainte Application Protocol, le protocole pour le web des objets 2.2.3 Message Queuing Telemetry Transport 2.2.4 Quel est le meilleur protocole? 3 4 D´ eveloppement 3.0.5 Equipement 3.0.5.1 Mat´eriel n´ecessaire 3.0.6 Logiciel et environnement de configuration 3.0.6.1 Configuration de l’environnement de d´eveloppement 3.0.6.2 BeagleBone Black syst`eme configuration 3.0.7 Architecture du syst`eme 3.0.7.1 Noeud de capteur 3.0.7.2 Server Backend 3.0.8 Autres outils pour le d´eveloppement 3.0.8.1 Git - gratuit et open source syst`eme de contrˆole de version distribu´e iii 10 12 12 12 17 17 20 21 21 26 27 27 Contents iv 3.0.8.2 Trello - Outil pour garder trace de projet 28 Exp´ erimentation et analyse 4.0.9 Background 4.0.10 Objectif exp´erimentation 4.0.11 Exp´erimental configuration 4.0.12 La collecte des donn´ees 4.0.13 Analyse du rendement 4.0.13.1 En comparant avec MQTT QoS0 DTN contrˆole vs MQTT QdS1 4.0.13.2 D´elai en comparaison avec RTT 4.0.13.3 Conclusion 30 30 30 31 32 33 Conclusion et perspectives 40 A Installer Archlinux dans BBB ` a partir de z´ ero 42 Bibliography 49 33 35 38 List of Figures 2.1 Protocole CoAP activer les services Web en int´egrant `a l’architecture Web et HTTP 2.2 CoAP diagramme 2.3 Un acc`es web demande l’utilisation de CoAP exemple `a l’aide de ressources a distance via URI ` 2.4 Observer ressources dans CoAP.3 2.5 un message CoAP avec l’en-tˆete seulement octets (en-tˆete, option, donn´ee) la source RFC 7252 2.6 MQTT sch´ema, Publisher et abonn´e 2.7 Format d’un message MQTT 2.8 MQTT Qos = 0, un message sera envoy´e au plus un fois 2.9 MQTT Qos = 1, un message sera envoy´e au moins une fois 2.10 MQTT Qos = 2, un message sera envoy´e exactement une fois 10 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 BeagleBone Black Capteur de lumi`ere (BH1750) Les capteurs de lumi`ere sont r´epartis le long de la voiture Inertial Measurement Unit (LSM303D) Acc´el´erom`etre R´ecepteur GPS (EM506) GPS shield Cˆ ables et fils USB modem avex 3G simcard fournir une connexion `a Beagle Beagle Bone Black et des capteurs connexion via des fils Architecture du syst`eme Architecture du syst`eme MBI file d’attente et base de donn´ees en attente Perturbation tol´erant le streaming de donn´ees de capteurs Trello board pour LiteSense projet Exemple d’un ”Card” dans Trello 4.1 4.2 4.3 4.4 Experiment avec deux noeud L’exp´erimentation pour collecter les donn´ees Comparison le nombre de messages envoy´ees en utilisant Qos Comparison le nombre de messages envoy´ees en utilisant (i) QoS0 + DTN, et (ii) QoS1 Comparison le taux de nombre de messages envoy´ees (i) QoS0 + DTN, against (ii) QoS1 4.5 v Bone Black 13 13 14 14 15 15 15 16 16 17 21 22 25 25 28 29 31 32 33 34 34 Liste des figures 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 Comparison le d´elais en utilisant (i) QoS0 + DTN, against (ii) QoS1 Message Livraison D´elais avec temps pour QoS Message Livraison D´elais avec temps pour QoS Message Retard de livraison en fonction du temps ´ecoul´e pour QoS Quelque messages peut ˆetre transf´erer dans un paquet TCP vi 35 35 36 37 38 List of Tables 3.1 Fr´equence de message (en seconde) g´en´eration pour les sujets dans la couche de donn´ees 24 vii Abbreviations BBB BeagleBone Black Recv - Le mat´eriel pricipale pour d´eployer le syst`eme DTN Disruption-Tolerant Networking - R´eseaux Tol´erants aux Perturbations MBI Message Broker Interface - L’interface pour les Messages de broker DAQ Data Acquisition Module - Module communique directment avec les capteurs MQTT Message Queuing Telemetry Transport IMU Inertial Measurement Unit - Unit´e pour Measurer l’Inertielle SNS Sense and Sense abilities I2R Institute for Infocomm Research IoT Internet of Things - R´eseaux des Objets M2M Mobile To Mobile WSN Wireless Sensors Network viii Chapter Introduction 1.1 Introduction Mon stage a ´et´e ´effectu´e au laboratoire ”Sense and Sens abilities” - Institute de Recherche pour Infocomm de Singapour Le sujet est de partir des exigences de Cosmiqo , une compagnie locale, qui a d´eploy´e des capteurs sur un v´ehicule syst`eme-attach´e pour mesurer r´everb`ere luminance la nuit Les donn´ees recueillies par une unit´e d’acquisition de donn´ees seraient stock´ees dans un ordinateur portable qui est manuellement ramen´e `a leur administrateur pour les stockage et l’analyse Les donn´ees sont stocqu´ees dans des fichiers au format CSV (valeurs s´epar´ees par des virgules ), et manipul´es manuellement pour l’analyse des donn´ees et la g´en´eration de rapports Ce projet vise ` a am´eliorer le syst`eme existant avec transmission en temps r´eel de donn´ees de mesures de capteurs d’intensit´e lumineuse Toutefois, compte tenu de la connectivit´e intermittente de cellulaire 3G / 4G dans les villes denses, la liaison sans fil peut parfois ˆetre supprim´ee, ce qui entraˆıne la perte de packets L’objectif de la recherche de ce projet est de d´evelopper des protocoles r´eseaux tol´erants aux perturbations qui s’adaptent aux changements dynamiques de la liaison de donn´ees, et ´egalement de mettre en place un m´ecanisme de mise en m´emoire tampon de donn´ees pour stocker temporairement des donn´ees localement lorsque la connecxion est en bas www.cosmiqo.com Chapter Exp´erimentation et analyse 35 Figure 4.6: Comparison le d´elais en utilisant (i) QoS0 + DTN, against (ii) QoS1 La figure 4.6 montre le retard de livraison sur divers sujets de MQTT, qui correspondent `a des donn´ees diff´erentes g´en´eration et de publication des taux Plus le taux d’envoi, plus le message retard de livraison, en raison de messages accumul´es stock´es dans le tampon de message local 4.0.13.2 D´ elai en comparaison avec RTT Figure 4.7: Message Livraison D´elais avec temps pour QoS Chapter Exp´erimentation et analyse 36 Figure 4.8: Message Livraison D´elais avec temps pour QoS Figure 4.7 et Figure 4.8 montrent le retard de livraison de message contre le temps de g´en´eration de message, pour (i) QoS0 avec contrˆole DTN, et (ii) QdS1 respectivement, superpos´ee ` a la RTT valeurs re¸cues par le module DTN dans ses messages ’ping’ sur le serveur Bien que les valeurs de RTT sont toujours pas plus de 300 ms pour les deux noeuds pour la plupart du temps au cours de l’exp´erience, la performance de retard de livraison de message variait consid´erablement Pour le noeud avec QoS0 et contrˆole DTN, lorsque le composant DTN n’a pas re¸cu de r´eponse RTT (soit 0), il consid`ere la qualit´e de la liaison 3G comme pauvres et a envoy´e un signal pour ´eteindre le MBI, r´esultant en les messages ´etant stock´es dans la m´emoire tampon Lorsque la qualit´e de la liaison 3G r´ecup´er´e, la remise du message repris et l’abonn´e MQ re¸cu des messages en succession rapide - transmission a pu r´ecup´erer tr`es rapidement, entraˆınant le retard de livraison de message indiquant les lignes verticales En revanche, la configuration du nœud QdS1 subi une accumulation de messages en m´emoire tampon, ce qui entraˆıne augmente de fa¸con exponentielle retard et la livraison de seulement environ 27 % des messages g´en´er´es au point lorsque l’exp´erience ´etait termin´ee Chapter Exp´erimentation et analyse 37 A noter que le temps de syst`eme sur le serveur et le noeud n’est pas ˆetre synchronis´ee, donc la relation entre le temps a plus de sense en comparaison avec les absolutes valeurs Figure 4.9: Message Retard de livraison en fonction du temps ´ecoul´e pour QoS Figure 4.9 sont les donn´ees de la figure 4.7 qui Zoom dans le point RTT est Il montre que, lorsque RTT est (le point dans le bas de la ligne de bleu-point A ) , le retard sera triagle forme En raison de taux de g´en´eration de donn´ees, le message n’a pas ´et´e envoyer est d’accumuler dans la file d’attente c’est pourquoi le temps de retard est en augmentation Du haut de triangle, il restera comme le lien devenir assez bon pour envoyer des donn´ees de sorte que le MBI peut envoyer des donn´ees `a distance courtier Apr`es cette dur´ee, la RTT se convergent, nous pouvons voir le point vert est 200ms arround, et le temps de retard devenir aussi convergente Sur la figure 4.9, nous pouvons voir la valeur n´egative en cas de retard, parce que de temps sur le serveur et sur le noeud sont pas synchronis´ees Heure serveur est plus petit que le temps actuel dans le noeud Mais le total des temps de retard ont encore un sens pour montrer le retard total de messages ` propos de la forme de triangle, de la taille gauche, nous pouvons voir l’´ecart (entre les A points A et B , parce que la liaison 3G est en baisse les paquets sont accumulent dans Chapter Exp´erimentation et analyse 38 la file d’attente et ne peuvent pas ˆetre envoy´es Le temps perdu est environ 35 secondes, et le temps de retard entre A et B devenir plus grand que la normale Apr`es cela, la connexion 3G est bonne, le retard ´etait diminution (du point C le d´elai est lin´eaire jusqu’` a coresspond ` a la diminution de la taille des donn´ees de file d’attente Il est pas un horizontal ligne car un paquet TCP peut contenir plus d’un message et la diminution de la taille de la file rapidement et lorsque la taille de la file d’attente devient 0, le d´elai devient une ligne horizontale (` a partir du point D ) que chaque message est stock´e dans un paquet TCP Figure 4.10: Quelque messages peut ˆetre transf´erer dans un paquet TCP Cette image est un paquet TCP captur´e par tcpdump dans le nœud BBB apr`es connexion 3G devenir bon Il existe au moins deux messages complets dans un paquet TCP 4.0.13.3 Conclusion De nos premi`eres exp´eriences et l’analyse des donn´ees, la qualit´e de service avec contrˆole DTN atteint 100 % Ratio de livraison - Tous les messages ont ´et´e livr´es avec succ`es QoS sans contrˆ ole DTN effectu´ee mal - seulement 27 % de messages ont ´et´e livr´es d’ici la fin de l’exp´erience A partir de ces r´esultats, peut-ˆetre en raison de la fiabilit´e du m´ecanisme de transmission int´egr´e, ` a l’aide du noeud QdS1 une surcharge de la transmission importante, r´esultant Chapter Exp´erimentation et analyse 39 en un taux d’envoi effective r´eduite, ainsi que retard important dans la r´eception des messages Cela implique que l’utilisation QdS1 pourrait ne pas ˆetre appropri´e pour les applications sensibles au temps continu comme il peut incapable de livrer tous ses messages dans un d´elai de temps Chapter Conclusion et perspectives Nous avons d´evelopp´e un syst`eme qui peut ˆetre attach´e `a la voiture pour courir autour de la Singapour pour mesurer la lumi`ere Comme le test de l’exp´erience du cˆot´e de d´eveloppement et le client (cosmiqo) le nœud est stable pour le streaming de donn´ees Il perte de la 3G et GPS signaux lorsque aller `a ascenseur mais peut r´ecup´erer apr`es sortir Le syst`eme est fourni avec un manuel et automatique de script (installer ArchLinux, compiler les codages et mettre `a jour de nouveaux programmes dans le syst`eme) permet d’´economiser le temps de d´eployer le nœud Dans l’aspect mat´eriel, nous devons cr´eer une boˆıte pour mettre le noeud `a l’int´erieur de la rendre facile de se lier `a la voiture Syst`eme d´evelopp´e est r´epondre `a quatre exigences technique (comme le montrent cidessus) et les exigences du client En raison de systemd contrˆole, programme de streaming peut ˆetre red´emarrer automatiquement tant que le nœud avoir baterry Le taux de donn´ees pour la livraison est de 100 % avec QoS = Qos = assurer que les donn´ees fiables mais ne peut pas adapt´e le taux de g´en´eration de paquet et le streaming en temps voulu Il peut ˆetre une option quand ex´ecuter le nœud mauvais environnement de connexion Certains test par d´ebrancher et rebrancher le modem 3G, on voir que le syst`eme peut ˆetre avoir une perte 3-5 message avec QoS = et pas de perte de message avec QoS = Pour l’avenir, le client veut d´eployer ce syst`eme en Malaisie Mais le chalenge est: sur la gestion des liens DTN, il a un rˆole `a acc´eder au p´eriph´erique 3G pour obtenir la valeur 40 Chapter Conclusion et perspectives 41 RSSI et r´ecup´erer la 3G quand il est d´ebrancher ou connexion de perte Chaque fois connexion est perte dans un temps d´efinit ou d´ebrancher 3G, nous essayons de recharger le pilote et utiliser un script de chat pour r´eactiver la 3G Ce script chat est diff´erent avec chaque op´erateur de r´eseau mobile Alors, quand nous voulons d´eployer ce syst`eme sur un autre pays, il est n´ecessaire d’utiliser le script correspondre pour re-activer le 3G connexion En travaillant dans un projet avec un vrai client et le d´elai sont fix´es, j’ai appris comment obtenir l’exigence du client et analyser l’exigence technique `a la tˆache et le calendrier La partie principale que je suis a particip´e a sont DAQ et MBI Le travail de conducteur d’int´egration ` a DAQ me montre une exp´erience `a utiliser le pilote I2C sur Linux pour fonctionner avec des dispositifs capteurs Sur la partie MBI, j’apprendre la mise en œuvre du protocole con¸cu pour le syst`eme et de travailler avec MQTT publication et d’abonnement mechanisme Le script j’utiliser pour tester et d´eveloppement est aussi utilis´e par le client pour d´eployer le nœud Processus de test et d’analyse des donn´ees me donnent reconnaˆıt sur script shell et un outil de r´eseau de linux pour transfert de donn´ees de surveillance Appendix A Installer Archlinux dans BBB ` a partir de z´ ero Cette document est utilis´e pour utilisateur du projet LiteSense `a installer ArchLinux pour BBB SD Card Cr´eation • Au d´ebut on a besoin de cr´eer le premier partition dans SD card pour stoquer le ”bootloader” fichiers et kernel uImage Pour le fichiers de ”root” on peut choisir un USB ou la seconde partition dans le SD card Cette example va diviser un SD card Remplacer le texte /dev/sdX par le appropri´e partition dans chaque machine • Lancer la command fdisk pour diviser le SD Card: fdisk /dev/sdX (X peut ˆetre diff´erent dans chaque machine, normalement il est sdb) 42 Appendix A Installer Archlinux dans BBB ` a partir de z´ero 43 • Appuyez o Cette command va ´effacer tous les partitions dans le SD card • Mainternant, appuyez n et apr`es p pour cr´eer la primaire partition dans le SD card pour le premier partition Entrez pour accepter le d´efault pour la premiere sector, apr`es +64M pour configurer la taille de 64 Mega octets Appendix A Installer Archlinux dans BBB ` a partir de z´ero 44 • Appuyez t pour changer le type de partition et e pour le configurer `a W95 FAT16 (LBA) • Appuyez a, et pour configurer le parm`etre ”bootable” dans la premier partition Appendix A Installer Archlinux dans BBB ` a partir de z´ero 45 • Appuyez n, et p pour le primaire partition, pour la seconde partition, et entrer deux fois pour utiliser les d´efaults sectors pour la dexi`eme partition • Confirmer les configuration et sortir par la commande w • Lister les partition apr`es configurer le SD Card Appendix A Installer Archlinux dans BBB ` a partir de z´ero 46 • Identifier le format pour la partition: mkfs.vfat -F 16 /dev/sdX1 • Identifier le format pour la partition:mkfs.ext4 /dev/sdX2 • T´el´echarger le ”BeagleBone bootloader” et extrait les fichier dans la premier partition dans le SD carte Ces fichiers contient le ”bootloader” n´ecessaire pour charge le ”kernel” Appendix A Installer Archlinux dans BBB ` a partir de z´ero 47 • T´el´echarger les fichier root et extrait dans la deux`eme partition Il est n´ecessaire de le faire avec le droit d’acc`es ”root” car les fichiers sp´ecifies ont besoin de cr´eer comme un part de syste`eme exploitation et ils sont seulement cr´eer par le ”root” • Lancer le syst`eme Branchez l’´energie et le cable en appuyant le buoton S2 • Comte pour acc´eder le BBB (username: root Password: root) + En utilisant le cable s´erial screen / dev / ttyUSB0 115200 Utilisez le d´efault compte (user/pass: root/root) + SSH login: A partir de la premier acc`es (par s´erial cable) appuyez ”ifconfig” pour attirer l’address IP Exemple, dans ce case, IP de BBB est 10.217.138.126 Dans notre ordinateur, ouvrir un terminale et appuyez les commande suivant: ssh root@ < ip \ _address > ( on this case : ssh root@10 217.138.126) password : root Appendix A Installer Archlinux dans BBB ` a partir de z´ero 48 Bibliography [1] Friedemann Mattern and Christian Floerkemeier From the Internet of Computers to the Internet of Things, Friedemann Mattern and Christian Floerkemeier [2] Rob van Kranenburg, Erin Anzelmo, Alessandro Bassi, Dan Caprio, Matt Ratto The Internet of Things, Paper Prepared for the 1st Berlin Symposium on Internet and Society, October 25-27, 2011 [3] Jeong-Yong Byun, Aziz Nasridinov Internet of Things for Smart Crime Detection [4] L Haiyan, C Song, W Dalei, N Stergiou, S Ka-Chun, A remote markerless human gait tracking for e-healthcare based on content-aware wireless multimedia communications, IEEE Wireless Communications 17 (2010) 44–50 [5] Rajeev Piyare, Internet of Things: Uniquitous Home Control and Monitoring System using Android based Smart Phone, International Journal of Internet of Things 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