Open Access

Steffen Ortmann

• Ubiquitous systems based on wireless sensor networks will amazingly increase our quality of life. These systems are to be deployed in large areas with high density where hundreds or thousands of nodes are used. Certainly that demands to use low cost devices with limited resources, which in turn are prone to faulty behaviour. This work introduces a novel concept for wireless sensor network configuration considering fault tolerance, energy efficiency and convenience as primary goals while being tailored to user needs. It allows to ignore low-level details like node resources, network structures, node availability etc. and enables the programmer to work on a high abstraction level, namely the event itself including event related constraints. The definition of events characterising real world phenomena is of prominent use in sensor networks. The presented concept autonomously configures and monitors events, even if it requires to organise collaboration between nodes to deliver the results. The contribution of this work is threefold. AnUbiquitous systems based on wireless sensor networks will amazingly increase our quality of life. These systems are to be deployed in large areas with high density where hundreds or thousands of nodes are used. Certainly that demands to use low cost devices with limited resources, which in turn are prone to faulty behaviour. This work introduces a novel concept for wireless sensor network configuration considering fault tolerance, energy efficiency and convenience as primary goals while being tailored to user needs. It allows to ignore low-level details like node resources, network structures, node availability etc. and enables the programmer to work on a high abstraction level, namely the event itself including event related constraints. The definition of events characterising real world phenomena is of prominent use in sensor networks. The presented concept autonomously configures and monitors events, even if it requires to organise collaboration between nodes to deliver the results. The contribution of this work is threefold. An intuitive XML-based ESL simplifies event configuration to a level that is even suitable for non-professionals. It features hardware independent description elements to define complex phenomena and enhances these by tailor-made voting schemes and application constraints. Based on that, a novel, fully decentralised mechanism to autonomously set up distributed event detection called EDT and a cost efficient means to maintain such EDT, are presented. EDTs can be efficiently constructed on every device by using a tiny generating finite state machine requiring eight states only. It enables every node to self-divide event queries according to its own resources and self-adapt to the tasks assigned. Simultaneously, the EDT provides the interface for efficient collaboration using a lease-based publish/subscribe approach. The simulations clearly show that this concept works well and the applied collaboration scheme outperforms even idealised acknowledgement-based approaches. On top of the EDT, a means is developed that enhances the reliability of detection beyond the scope of Boolean event decision. It examines behavioural trends in sensor readings to indicate the significance of actual measurements in relation to the configured event. Measured data is investigated in detail to finally attach a significance indicator "is" to each event. This automatically generated indicator shall support users or overlaying systems in decision-making. In the example scenario based on data of real test cases, the "is" indicates a flaming fire 88 seconds and a smouldering fire 48 seconds before the threshold-based method triggers the alarm.…
• Drahtlose Sensornetze stellen eine Informationstechnologie dar, deren ubiquitäre Verwendung unsere zukünftige Lebensweise entscheidend beeinflussen und verbessern kann. Der massenhafte Einsatz solcher Systeme bedingt strengste Einschränkungen in Kosten und Ressourcen und führt damit zu einer verringerten Zuverlässigkeit der einzelnen Sensorknoten und des gesamten Sensornetzes. Diese Arbeit führt ein neuartiges Konzept zur Konfiguration von drahtlosen Sensornetzen ein. Die Schwerpunkte liegen dabei auf Fehlertoleranz und Energieeffizienz unter besonderer Berücksichtigung von Verbraucherfreundlichkeit und Komplexität. Es erlaubt dem Nutzer auf einem hohen Abstraktionsniveau zu arbeiten, ohne niedrigstufige Details wie Sensor-Ressourcen, Netzwerkstrukturen, Verfügbarkeit der Knoten usw. beachten zu müssen. Die Beschreibung physikalischer Phänomene als Events findet breite Anwendung bei der Programmierung von Sensornetzen. Das vorgestellte Konzept konfiguriert und beobachtet einmalig definierte Events vollautomatisch, auch wenn dazuDrahtlose Sensornetze stellen eine Informationstechnologie dar, deren ubiquitäre Verwendung unsere zukünftige Lebensweise entscheidend beeinflussen und verbessern kann. Der massenhafte Einsatz solcher Systeme bedingt strengste Einschränkungen in Kosten und Ressourcen und führt damit zu einer verringerten Zuverlässigkeit der einzelnen Sensorknoten und des gesamten Sensornetzes. Diese Arbeit führt ein neuartiges Konzept zur Konfiguration von drahtlosen Sensornetzen ein. Die Schwerpunkte liegen dabei auf Fehlertoleranz und Energieeffizienz unter besonderer Berücksichtigung von Verbraucherfreundlichkeit und Komplexität. Es erlaubt dem Nutzer auf einem hohen Abstraktionsniveau zu arbeiten, ohne niedrigstufige Details wie Sensor-Ressourcen, Netzwerkstrukturen, Verfügbarkeit der Knoten usw. beachten zu müssen. Die Beschreibung physikalischer Phänomene als Events findet breite Anwendung bei der Programmierung von Sensornetzen. Das vorgestellte Konzept konfiguriert und beobachtet einmalig definierte Events vollautomatisch, auch wenn dazu kooperative Beziehungen zwischen verschiedenen Sensorknoten notwendig sind. Die Arbeit besteht aus 3 Hauptteilen. Eine intuitive auf XML basierende Sprache zur Definition von Events vereinfacht die Konfiguration der Sensornetze auf ein Niveau, das auch für konventionelle Nutzer angemessen ist. Es besitzt hardware-unabhängige Elemente zur Definition von komplexen Phänomenen (Events) und erweitert diese durch maßgeschneiderte Verfahren zum Mehrheitsentscheid (Voting) und verfeinerte Ausführungsbedingungen. Darauf aufbauend wird ein neuartiger, komplett dezentraler Mechanismus zur autonomen verteilten Event Erkennung, genannt Event Entscheidungsbaum (EDT), vorgestellt. EDTs werden auf sehr effiziente Weise auch auf kleinsten Geräten durch einen generierenden endlichen Automaten mit lediglich acht Zuständen erstellt und verwaltet. Der EDT ermöglicht es jedem Sensorknoten, sich auf Grundlage seiner verfügbaren Ressourcen die übermittelten Aufgaben selbstständig einzuteilen und zu konfigurieren. Gleichzeitig bildet er die Schnittstelle für effiziente Zusammenarbeit zwischen mehreren Knoten mittels eines Lease-basierten Publish/Subscribe Verfahrens. Die Aufwandsschätzungen und Simulationen zeigen deutlich, dass dieses Verfahren sehr effizient arbeitet und sogar idealisierte auf Bestätigungen (Acknowledgements) basierende Verfahren deklassiert. Zusätzlich wurde ein Verfahren entwickelt und getestet, das die Zuverlässigkeit in der Erkennung von Events über die üblichen, auf Schwellwerten basierenden, Methoden hinaus steigern kann. Es untersucht den Trend vergangener Messwerte um die Relevanz aktueller Messwerte in Relation zum Event zu ermitteln. Daraus ergibt sich ein Indikator für die Signifikanz des Messwerts ("is"). Dieser automatisch generierbare Indikator soll Nutzer oder höherrangige Systeme bei Entscheidungen und weiteren Aktionen unterstützen. In der vorgestellten Beispielanwendung, die auf Daten aus realen Testläufen basiert, indiziert "is" ein flammendes Feuer 88 Sekunden und einen Schwelbrand 48 Sekunden vor den auf Schwellwerten basierten Methoden, die erst entsprechend später einen Alarm auslösen.…