CSE 521S Final Review Set up and test your demo in - - PDF document

SLIDE 1

CSE ¡521S ¡Final ¡Review ¡

Chenyang ¡Lu ¡

Computer ¡Science ¡and ¡Engineering ¡

Final ¡Demo ¡

• This ¡Thursday, ¡4-­‑7 ¡
• Cupples ¡I ¡Room ¡218 ¡
• 15 ¡min ¡per ¡team ¡
• Set ¡up ¡and ¡test ¡your ¡demo ¡in ¡advance ¡
• All ¡expected ¡to ¡aEend ¡the ¡whole ¡session ¡
• Return ¡equipment ¡to ¡Greg ¡
• It’ll ¡be ¡fun! ¡ ¡

2 ¡

Final ¡Report ¡

• Submit ¡report/materials ¡to ¡Greg ¡by ¡11:59pm, ¡12/12. ¡
• Report ¡



Style: ¡Follow ¡conference ¡papers ¡in ¡the ¡reading ¡list. ¡



6 ¡pages, ¡double ¡column, ¡10 ¡pts ¡fonts. ¡



Use ¡templates ¡on ¡the ¡class ¡web ¡page. ¡

• Materials ¡



Slides ¡of ¡your ¡final ¡presentaWon ¡



Source ¡code ¡



Documents: ¡README, ¡INSTALL, ¡HOW-­‑to-­‑RUN ¡



Video ¡(if ¡any) ¡

3 ¡

Suggested ¡Report ¡Outline ¡

• Abstract ¡
• IntroducWon ¡
• Goals ¡(Problem ¡formulaWon) ¡
• Design ¡



Hardware ¡



Sobware ¡design ¡



ImplementaWon ¡

• Experiments ¡
• Related ¡Works ¡
• Lessons ¡Learned ¡
• Conclusion ¡and ¡Future ¡Works ¡

4 ¡

Peer ¡Review ¡

• Goal ¡is ¡to ¡encourage ¡fairness ¡in ¡projects. ¡
• Email ¡me ¡on ¡12/13 ¡



EsWmated ¡percentage ¡of ¡contribuWons ¡of ¡each ¡team ¡member. ¡



Brief ¡jusWficaWon. ¡

5 ¡

Now ¡let ¡the ¡fun ¡begin! ¡ ¡

• PracWce ¡and ¡set ¡up ¡your ¡demo ¡before ¡your ¡turn. ¡
• Grab ¡your ¡snack ¡and ¡soda ¡and ¡sit ¡back. ¡
• Greg ¡starts ¡the ¡Wmer ¡now. ¡
• Return ¡equipment ¡to ¡Greg. ¡

6 ¡

SLIDE 2

Syllabus ¡

• Hardware ¡plaform: ¡Motes ¡
• Sobware ¡plaform: ¡TinyOS ¡
• Low-­‑power ¡wireless ¡networking ¡



Link ¡properWes ¡



MAC ¡protocols ¡and ¡architecture: ¡MLA ¡



Topology ¡control: ¡ART ¡



Real-­‑Wme ¡scheduling: ¡RTQS ¡



Industrial ¡standard: ¡WirelessHART ¡

• Programming ¡models ¡



Mobile ¡agents: ¡Agilla ¡



Service ¡Oriented ¡CompuWng: ¡Servilla ¡

• ApplicaWons ¡



Smart ¡energy ¡



Healthcare: ¡Clinical ¡monitoring ¡



Civil ¡infrastructure: ¡Structural ¡health ¡monitoring ¡

7 ¡

Smart ¡Grid ¡

• Enables ¡both ¡wired ¡and ¡wireless ¡communicaWon ¡between ¡

uWlity ¡companies ¡and ¡household ¡devices ¡

• Home ¡Area ¡Network ¡



Power ¡meters, ¡smart ¡thermostats, ¡home ¡appliances. ¡

8 ¡ 8 ¡

Clinical ¡Monitoring ¡

• First ¡deployment ¡of ¡clinical ¡monitoring ¡

system ¡based ¡on ¡wireless ¡sensor ¡

• networks. ¡ ¡



Wireless ¡pulse ¡oximeter ¡



Low-­‑power ¡mesh ¡network ¡

• Barnes-­‑Jewish ¡Hospital ¡Deployment ¡



Orders ¡of ¡magnitude ¡higher ¡frequency ¡ than ¡current ¡pracWce ¡

• 1 ¡reading/min ¡vs. ¡several ¡readings/day. ¡



Highly ¡reliable ¡network ¡



Developing ¡early ¡detecWon ¡system ¡of ¡ clinical ¡deterioraWon ¡

• CollaboraWon ¡with ¡BJH ¡and ¡WUSM. ¡
• Funded ¡by ¡ICTS ¡(NIH ¡CTSA ¡and ¡BJH) ¡

9 ¡

Structural ¡Health ¡Monitoring ¡

• Co-­‑design ¡of ¡wireless ¡sensor ¡

networks ¡and ¡structural ¡engineering ¡ algorithms ¡

• Successful ¡damage ¡localizaWon ¡on ¡

lab ¡structures ¡

• Advantages ¡over ¡centralized ¡

approach ¡



reduce ¡latency ¡by ¡88% ¡



x3.4 ¡increase ¡in ¡baEery ¡life ¡under ¡ an ¡hourly ¡schedule ¡

• NSF ¡CPS ¡grant ¡(>$1M) ¡
• G. ¡Hackmann, ¡W. ¡Guo, ¡G. ¡Yan, ¡C. ¡Lu, ¡S. ¡Dyke, ¡Cyber-­‑Physical ¡Codesign ¡of ¡Distributed ¡

Structural ¡Health ¡Monitoring ¡with ¡Wireless ¡Sensor ¡Networks, ¡ICCPS'10. ¡

• G. ¡Hackmann, ¡F. ¡Sun, ¡N. ¡Castaneda, ¡C. ¡Lu ¡and ¡S. ¡Dyke, ¡A ¡HolisWc ¡Approach ¡to ¡

Decentralized ¡Structural ¡Damage ¡LocalizaWon ¡Using ¡Wireless ¡Sensor ¡Networks, ¡ RTSS’08. ¡ 10 ¡

Hardware ¡EvoluGon ¡

• Miniature ¡devices ¡manufactured ¡economically ¡



Microprocessors ¡



Sensors/actuators ¡



Wireless ¡chips ¡

1’’X1’’ 1 mm2 1 nm2 4.5’’X2.4’’

11 ¡

Mica2 ¡Mote ¡

• Processor ¡

 Microcontroller: ¡7.4 ¡MHz, ¡8 ¡bit ¡  Memory: ¡4KB ¡data, ¡128 ¡KB ¡program ¡

• Radio ¡

 Max ¡38.4 ¡Kbps ¡

• Sensors ¡

 Light, ¡temperature, ¡acceleraWon, ¡acousWc, ¡magneWc… ¡

• Power ¡

 <1 ¡week ¡on ¡two ¡AA ¡baEeries ¡in ¡acWve ¡mode ¡  >1 ¡year ¡baEery ¡life ¡on ¡sleep ¡modes! ¡

12 ¡

SLIDE 3

Hardware ¡Constraints ¡

Severe ¡constraints ¡on ¡power, ¡size, ¡and ¡cost ¡ ¡

• slow ¡microprocessor ¡
• low-­‑bandwidth ¡radio ¡
• limited ¡memory ¡
• limited ¡hardware ¡parallelism ¡ ¡CPU ¡hit ¡by ¡many ¡interrupts! ¡
• manage ¡sleep ¡modes ¡in ¡hardware ¡components ¡

13 ¡

SoHware ¡Challenges ¡

• Small ¡memory ¡footprint ¡
• Efficiency ¡-­‑ ¡power ¡and ¡processing ¡
• Concurrency-­‑intensive ¡operaWons ¡
• Diversity ¡in ¡applicaWons ¡& ¡plaform ¡ ¡efficient ¡modularity ¡



Support ¡reconfigurable ¡hardware ¡and ¡sobware ¡

14 ¡

TinyOS ¡SoluGons ¡

• Efficient ¡modularity ¡



ApplicaWon ¡= ¡scheduler ¡+ ¡graph ¡of ¡components ¡



Compiled ¡into ¡one ¡executable ¡



Only ¡needed ¡components ¡are ¡complied/loaded ¡ ¡

• Concurrency: ¡event-­‑driven ¡architecture ¡

Communication Actuating Sensing Communication Application (User Components) Main (includes Scheduler) Hardware Abstractions

Modified from D. Culler et. Al., TinyOS boot camp presentation, Feb 2001

15 ¡

Example: ¡Surge ¡

16 ¡

Two-­‑level ¡Scheduling ¡

• Events ¡handle ¡interrupts ¡

 Interrupts ¡trigger ¡lowest ¡level ¡events ¡  Events ¡can ¡signal ¡events, ¡call ¡commands, ¡or ¡post ¡tasks ¡

• Tasks ¡perform ¡deferred ¡computaWons ¡
• Interrupts ¡preempt ¡tasks ¡and ¡interrupts ¡

Hardware Interrupts events commands FIFO Tasks POST Preempt Time commands

17 ¡

Coverage ¡of ¡a ¡Radio ¡in ¡Jolley ¡

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Coverage using wall−class model (Jolley)

• Not ¡circles! ¡
• Visible ¡impact ¡of ¡walls ¡on ¡predicted ¡coverage ¡areas ¡

− 9 − 9 −90 − 9 − 9 − 9 −90 − 9 − 9 −80 −80 −80 − 8 −80 −80 − 8 − 8 −80 − 8 −70 −70 − 7 −70 −70 − 7 −60 − 6 −50 − 5 −85 − 8 5 − 8 5 −85 −85 − 8 5 − 8 5 −85 −85 RSS predictions using wall−class model (Jolley) −90 −80 −70 −60 −50 −40 −30 −20 −10 18 ¡

SLIDE 4

Spectrum ¡Usage ¡in ¡Homes ¡

• Collected ¡from ¡the ¡2.4 ¡GHz ¡spectrum ¡in ¡six ¡apartments ¡and ¡an ¡office

19 ¡

Types ¡of ¡Power-­‑Saving ¡MACs ¡

• Scheduled ¡contenWon: ¡nodes ¡periodically ¡wake ¡up ¡in ¡unison, ¡contend ¡

for ¡access ¡to ¡channel, ¡then ¡go ¡back ¡to ¡sleep ¡



S-­‑MAC ¡[Ye ¡2002], ¡T-­‑MAC ¡[van ¡Dam ¡2003] ¡ ¡

• Channel ¡polling: ¡nodes ¡independently ¡wake ¡up ¡to ¡sample ¡radio ¡

channel ¡



B-­‑MAC ¡[Polastre ¡2004], ¡X-­‑MAC ¡[BueEner ¡2006] ¡

• Time ¡Division ¡MulWple ¡Access ¡(TDMA): ¡nodes ¡maintain ¡schedule ¡of ¡

when ¡to ¡wake ¡and ¡when ¡they’re ¡allowed ¡to ¡transmit ¡



DRAND ¡[Rhee ¡2006] ¡

• Hybrid ¡protocols: ¡SCP ¡[Ye ¡2006], ¡Z-­‑MAC ¡[Rhee ¡2005], ¡Funneling ¡MAC ¡[Ahn ¡

2006], ¡802.15.4 ¡[IEEE ¡2003], ¡

20 ¡

MLA: ¡MAC ¡Layer ¡Architecture ¡

• SeparaWon ¡of ¡sleep ¡sleeping ¡from ¡radio ¡core ¡[IPSN‘07] ¡
• Components ¡for ¡sleep ¡scheduling ¡protocols ¡[SenSys’07] ¡



Reusable ¡ ¡ease ¡development ¡& ¡maintenance ¡of ¡protocols ¡



Plaform ¡independent ¡ ¡reduce ¡porWng ¡effort ¡

Radio ¡Core ¡ Timers ¡ Sleep ¡Scheduling ¡

21 ¡

Is ¡Topology ¡Control ¡Beneficial? ¡

Testbed ¡Topology ¡

0 ¡dBm ¡

• ­‑15 ¡dBm ¡
• ­‑25 ¡dBm ¡

22 ¡

Real-­‑Time ¡Sensor-­‑Actuator ¡Networks ¡

• WirelessHART ¡



Open ¡standard ¡for ¡wireless ¡sensor-­‑ actuator ¡networks ¡for ¡process ¡industries ¡



Commercial ¡deployment ¡in ¡real-­‑world ¡ environments ¡



Strong ¡support ¡by ¡Emerson ¡ ¡

• Real-­‑Wme ¡scheduling ¡algorithm ¡and ¡

analysis ¡for ¡WirelessHART ¡ ¡



Mapping ¡to ¡real-­‑Wme ¡CPU ¡scheduling ¡



Handle ¡conflicts ¡between ¡wireless ¡ transmissions ¡

• General ¡real-­‑Wme ¡scheduling ¡theory ¡for ¡

wireless ¡sensor-­‑actuator ¡networks ¡

23 ¡

Agilla’s ¡System ¡Architecture ¡

TinyOS ¡

Node ¡@ ¡(1,1) ¡

Tuplespace ¡

Agilla ¡Middleware ¡ Agents ¡ TinyOS ¡

Node ¡@ ¡(2,1) ¡

Tuplespace ¡

Agilla ¡Middleware ¡ Agents ¡

migrate ¡ remote ¡ ¡ access ¡

Neighbor ¡ ¡ List ¡ Neighbor ¡ ¡ List ¡ Middleware ¡Services ¡ Middleware ¡Services ¡

24 ¡

SLIDE 5

Agilla’s ¡ComputaGonal ¡Model ¡

Clone ¡

• r ¡ ¡

Migrate ¡ Code ¡ Stack ¡ Heap ¡ CondiWon ¡ Codes ¡ PC ¡ Two ¡variants ¡of ¡each: ¡ ¡ ¡1) ¡Strong ¡(code ¡+ ¡state) ¡ ¡ ¡2) ¡Weak ¡(code ¡only) ¡

25 ¡

Tuple ¡Space-­‑Based ¡CoordinaGon ¡

• Content-­‑addressable ¡shared ¡memory ¡



Tuple ¡– ¡A ¡set ¡of ¡data ¡fields ¡



Template ¡– ¡A ¡paEern ¡that ¡matches ¡parWcular ¡tuples ¡

• Provides ¡spaWotemporal ¡decoupling ¡in ¡unreliable ¡networks ¡

“out” ¡ “rout” ¡ “in” ¡

Tuplespace ¡ Tuplespace ¡

“in” ¡

26 ¡

Servilla’s ¡Programming ¡Model ¡

Building Automation Occupancy Sensor Structural Health Monitoring Door/Window Sensor Vibration Sensor HVAC Actuators DSP Energy Meter Medical Patient Monitoring Security

Application Scripts (Platform-Independent & Interpreted) Services (Platform-Specific & Native)

Service Service Service Service Service script script Dynamic discovery and binding using SOC Service

Patient Sensors

Service script script

Device Heterogeneity Network Dynamics Limited Resources

27 ¡

Good ¡Luck! ¡ ¡

28 ¡