V magistrskem delu je predstavljena razˇsiritev ˇze obstojeˇcega sistema za upra-vljanje s testnim omreˇzjem LOG-a-TEC, s sistemom za spremljanje in nadzor eksperimentov v realnem ˇcasu. V uvodu so predstavljeni osnovni pojmi in na-membnosti testnih omreˇzij ter njihova delitev. Nakazan je tudi razlog, zakaj smo se za razˇsiritev odloˇcili. V poglavju 2 je predstavljena strojna oprema testnega omreˇzja LOG-a-TEC, na katerem je predstavljena implementirana razˇsiritev, ter njegova postavitev v okolje. Za laˇzje razumevanje postopka umestitve razˇsiritve je v poglavju 3 je prikazan sistem za upravljanje s testnim omreˇzjem in njegov sple-tni portal. Poglavje 4 opisuje zahteve in izpolnitve zadanih ciljev med postopnim prikazom izdelave same nadgradnje in uporabljenih orodij. V poglavju 5 je na podlagi eksperimentov podana evalvacija delovanja implementirane nadgradnje, poglavje 6 pa ob podanih moˇznih nadgradnjah zakljuˇci delo.
10https://jfed.ilabt.imec.be/
2 Testno omreˇ zje LOG-a-TEC
Vsebina magistrskega dela temelji na brezˇziˇcnem testnem omreˇzju LOG-a-TEC.
Nahaja se v parku Instituta “Joˇzef Stefan” in pokriva obmoˇcje veliko pribliˇzno 3000 kvadratnih metrov. Sestavljeno je iz 77 brezˇziˇcnih senzorskih vozliˇsˇc, razde-ljenih v zunanje in notranje testno okolje. Namenjeno je izvajanju eksperimentov za opazovanje frekvenˇcnega spektra, testiranju novih radijskih tehnologij in proto-tipnih naprav, razvoju brezˇziˇcnih protokolov in opravljanju primerjalnih meritev, testiranju strojne komunikacije med napravami, lokalizaciji naprav itd.
Testno omreˇzje je bilo v zadnjih letih veˇckrat nadgrajeno ter posodobljeno in se je izkazalo za zelo uporaben instrument [29]. S pristopi DevOps, kot je na primer mehanizem neprekinjene integracije (ang. continuous integration, CI), je v omreˇzju omogoˇceno efektivno razvijanje programske opreme [16]. Z vnosom spremembe v kodo eksperimenta se ta samodejno zbere in avtomatsko testira na dejanskih napravah, rezultate testa pa vrne uporabniku. Na podoben naˇcin, z me-hanizmom neprekinjene dostave (ang. continious deployment, CD), je omogoˇcen sistem za samodejni zagon eksperimentov, ki ponuja hitre rezultate in zanesljivo povratno informacijo raziskovalcem. Fleksibilnost testnega omreˇzja omogoˇca pri-lagajanje zahtevam uporabnika; v testno omreˇzje lahko enostavno vkljuˇcimo nove naprave, spremenimo njihovo lokacijo ali pa dodamo nov tip radijske tehnologije.
Postavitev vozliˇsˇc v parku instituta prikazuje slika 2.1. Zunanji del je se-stavljen iz 56 naprav, pritrjenih na drogove luˇci in razporejenih po pisarniˇskih okenskih policah na 2 do 9,3 metrov viˇsine. V notranjem okolju je v pisarnah dodatno razporejenih 21 naprav. Barve pik prikazujejo razliˇcne tipe radijskih teh-nologij, s katerimi je opremljeno vozliˇsˇce. Nekatere kljuˇcne informacije vozliˇsˇcnih naprav in razpoloˇzljivih tehnologij so navedene v tabeli 2.1 [16].
11
Slika 2.1: Postavitev vozliˇsˇc v parku (levo) in primer postavitve vozliˇsˇcnih naprav na drog uliˇcne svetilke - poloˇzaj 6 (desno).
Tabela 2.1: Brezˇziˇcne tehnologije v testnem omreˇzju.
Vrsta vozliˇsˇca Radio ˇcipi Obmoˇcje delovanja ˇSt. naprav
SRD A Atmel AT86RF212 868 MHz
21 zunaj
TI CC2500 2,4 GHz
SRD B Atmel AT86RF231 2,4 GHz
21 zunaj
TI CC1101 868 MHz
LPWA Semtech SX1272 868 MHz 3 zunaj
1 znotraj UWB DecaWave DW1000 3,5-6,5 GHz 11 zunaj
(6 kanalov) 20 znotraj
BLE TI WL1837 2,4 GHz 56 zunaj
21 znotraj
Arhitektura testnega omreˇzja LOG-a-TEC spada v kategorijo ˇcetrte stopnje.
Vozliˇsˇce v testnem omreˇzju je sestavljeno iz dveh delov: eksperimentalna na-prava in infrastrukturna naprava. Prva je zadolˇzena za izvajanje testnih aplikacij in meritev, druga pa skrbi za zagon in izvedbo eksperimentov, zbira-nje podatkov meritev in vraˇcanje le-teh uporabniku. Takˇsna delitev omogoˇca uporabo ene infrastrukturne naprave v kombinaciji z razliˇcnimi
eksperimental-13
nimi napravami, kar omogoˇca izvajanje raznovrstnih eksperimentov z enotnim sistemom upravljanja in podobno konfiguracijo [16].
Slika 2.2: Arhitektura testnega omreˇzja LOG-a-TEC.
Infrastrukturne naprave so med seboj povezane v infrastrukturnem omreˇzju in uporabniku dosegljive preko interneta. Uporabljajo tehnologijo Wi-Fi, ki deluje v 5 GHz frekvenˇcnem obmoˇcju zato, da ne povzroˇca radijskih motenj v eksperimen-talnem omreˇzju [16]. Vsa vozliˇsˇca nadzira in kontrolira skupen ponor imenovan streˇznik za upravljanje, kot prikazuje slika 2.2.
V testnem omreˇzju LOG-a-TEC se za infrastrukturno napravo uporablja vgra-jeni raˇcunalnik SNA-LGTC (opisan v podpoglavju 2.1), lahko bi pa uporabili tudi kakˇsen drugi raˇcunalnik (na primer popularen Raspberry Pi1). Eksperimentalno napravo najpogosteje predstavlja platforma VESNA (opisana v podpoglavju 2.2), nadgrajena z izbranim radijskim modulom. Za namene eksperimentiranja bi lahko uporabili tudi kakˇsno drugo napravo, na primer USB mreˇzno kartico ali pa popularno platformo Arduino2. Primer vozliˇsˇca v testnem omreˇzju LOG-a-TEC
1https://www.raspberrypi.org/
2https://www.arduino.cc/
prikazuje slika 2.3. V vodoodporno ohiˇsje je vstavljen raˇcunalnik SNA-LGTC, na katerem je pritrjena platforma VESNA, nadgrajena z radijsko ploˇsˇco ISMTV.
Slika 2.3: Vozliˇsˇcna naprava v testnem omreˇzju LOG-a-TEC.
2.1 Vgrajeni raˇ cunalnik SNA-LGTC
Vgrajeni raˇcunalnik SNA-LGTC (v nadaljevanju LGTC) je po meri izdelan enojni raˇcunalnik z moˇznostjo priklopa in kontrole razvojne platforme VESNA [30]. Raz-vit je bil v Laboratoriju za omreˇzene vgrajene sisteme (LOVS) na Institutu “Joˇzef Stefan”, Ljubljana. Njegovo jedro je modul BeagleCore3, ki temelji na ˇcipu Te-xas Instruments AM3358; to je osrednja procesorska enota (ang. central proces-sing unit, CPU) ARM Cortex-M8 s 512 MB pomnilnika z nakljuˇcnim dostopom (ang. random access memory, RAM) in 8 GB vgrajenega veˇcpredstavnostnega pomnilnika (ang. embeded multimedia controller, eMMC). Za dodaten po-mnilnik raˇcunalnik ponuja podporo za spominsko kartico mikro-SD [30]. Cipˇ WL1837MOD na vgrajenem raˇcunalniku omogoˇca brezˇziˇcno povezljivost s tehno-logijo Bluetooth in tehnotehno-logijo Wi-Fi v obmoˇcju 2,4 GHz in 5 GHz, ˇcip LAN8710 pa ponuja oˇziˇceno povezavo z ethernet omreˇzjem. Raˇcunalnik LGTC podpira tudi gostovanje naprav USB in asinhrono serijsko povezavo (ang. universal
asyn-3http://beaglecore.com/
2.1 Vgrajeni raˇcunalnik SNA-LGTC 15
chronous receiver transmitter, UART). Napajamo ga lahko z omreˇzno napetostjo (110 V / 230 V), 12 V napajalnikom ali pa preko ethernet povezave (ang. po-wer over ethernet, PoE) [30]. Za varno zaustavitev v primeru izpada elektriˇcne energije je na modulu dodana moˇznost priklopa baterije.
Slika 2.4: Vgrajeni raˇcunalnik SNA-LGTC.
Vgrajeni raˇcunalnik LGTC obiˇcajno poganja operacijski sitem Debian GNU/Linux4 in je prvotno namenjen nadzoru nad razvojno platformo VESNA.
Napravi sta med seboj povezani preko povezave UART, programiranje in od-pravljanje programskih napak pa poteka preko povezave JTAG (ang. joint test action group) [30]. Tako lahko vgrajeni raˇcunalnik iz izvorne kode zgradi (ang.
build) izvrˇsilno kodo in ji naloˇzi (ang. flash) na platformo VESNA in nato nadzira potek aplikacije preko serijske povezave.
Slika 2.5: Povezljivost med raˇcunalnikom LGTC in platformo VESNA.