P15 Réseau de capteurs temps réel : Différence entre versions

Version du 20 décembre 2017 à 16:53

• Etudiant : Edmur Lopes
• Encadrants : Alexandre Boé / Xavier Redon / Thomas Vantroys

Cahier des charges

Présentation générale du projet

Le projet réseau de capteurs temps réel consiste à développer et évaluer la possibilité de contrôler en temps réel un moteur par liaison sans fil.

Contexte

L'industrie 4.0 propose d'organiser les moyens de production de façon agile et autonome. Pour cela, on peut envisager de créer des ilots de travail interconnectés. Chaque ilot pourrait être déplacé pour optimiser soit l'utilisation des ressources soit la production. Dans le cas d'ilots identiques, pour faciliter la mise à jour des systèmes et le contrôle des machines, il peut être intéressant de faire la régulation sur un système "serveur". Les ilots deviennent alors les clients et envoient leurs données au serveur qui renvoie par la suite la commande.

Objectif du projet

L'objectif du projet consiste à mettre en place un réseau radio multi-saut classique (temps réel). Pour cela il va falloir:

- Développer un réseau non temps réel basé sur des cartes STM32 et des radios à 868 MHz, embarquant un système d'exploitation Riot OS,

- Évaluer les temps de propagation de l'information en fonction de l'environnement (perturbations, distance, ...),

- Modifier la partie MAC de Riot OS pour garantir les temps de latence.

Description du projet

Ce projet consiste à la mise en place d'un réseau sans fil de capteurs temps réel, afin de pouvoir envoyer/recevoir des commandes/informations d'un serveur vers la cible (un robot dans ce cas). Le réseau qu'on va mettre en place va devoir être capable d’effectuer le chemin le plus court vers le nœud cible dans le but de diminuer le temps de propagation de l'information. Comme montre la figure ci-après:

Architecture matérielle

Liste des tâches à effectuer

1. Faire des recherches bibliographiques: temps réel, MAC, RIOT OS...
2. Prise en main de RIOT OS et de la carte STM32F4
3. Mettre en Place un réseau non temps réel
4. Étudier les caractéristiques de ce réseau non temps réel: le temps de latence, des éventuels erreurs lors de l'émission...
5. Rendre le réseau non temps réel en réseau temps réel
6. Mise en place d'une commande automatique en cas de défaut sur le réseau

Première semaine (18/09/17 : 24/09/17)

• Premier Rendez-vous de présentation du projet avec les encadrants
• Analyse du besoin et élaboration du cahier des charges

Deuxième semaine (25/09/17 : 01/10/17)

• Élaboration de la page wiki (présentation du projet)
• Initiation à la recherche bibliographique (RIOT OS, Réseau temps réel, microcontrôleurs ARM (stm32), MAC protocol, RPL, etc.)

Calendrier prévisionnel

Travail réalisé

Récupération du code et installation des outils de compilation

Avant de commencer à programmer une application, il faut tout d'abord cloner le code source de RIOT OS depuis GitHub:

git clone https://github.com/RIOT-OS/RIOT.git RIOT

Il faudra aussi installer les outils nécessaires à la compilation et au débogage de la famille de microcontrôleurs ARM:

sudo apt-get install build-essential g++-multilib gtkterm openocd

Le paquetage g++-multilib est uniquement nécessaire si le système hôte est 64bits.

Installation des compilateurs et ses outils associés:

sudo apt-get install gcc-arm-none-eabi gdb-arm-none-eabi binutils-arm-linux-gnueabi

Prise en main de RIOT OS et STM32F4discovery

RIOT est un système d'exploitation construit autour d'un micro-noyau temps-réel, développé pour les besoins de l'Internet des objets et des réseaux sans fil. Initialement lancé en Europe par INRIA, Freie Universität Berlin, et l'Université de Hambourg en 2013, RIOT est actuellement développé par une large communauté du logiciel libre rassemblant des développeurs du monde entier.

Pour prendre à main RIOT et la carte STM32, On a commencé par réaliser une application basé sur l'exemple "hello_world" de RIOT: cette simple application "gpio_to_serial" est capable d'allumer/éteindre une led dès qu'une interruptions est générée lors qu'on appuie sur le bouton "user" et affiche l'état de la led au terminal:

  # GPIO Callback
  # Message received, LED is ON
  # GPIO Callback
  # Message received, LED is OFF
  # GPIO Callback 
  # Message received, LED is ON
  # GPIO Callback
  # Message received, LED is OFF
  # GPIO Callback
  # Message received, LED is ON
  # GPIO Callback
  # Message received, LED is OFF

Cette application m'a permit de comprendre comment fonctionne le système riot et de passer à la mise en place d'un premier réseau.

Mise en place d'un réseau statique entre 3 nœuds

Maintenant on vais réaliser la mise en place d'un réseau multi-point avec 3 nœuds (2 sauts); Pour que cela soit possible chaque carte ayant un module radio doit avoir son adresse ipv6 global qui va permettre d'échanger des paquets entre elles. On a défini une adresse global du type baad:a555::Hwaddr.

Le réseau statique à 3 nœuds se comporte comme un réseau linéaire avec un nœud central se chargeant uniquement de router les paquets vers la destination:

Pour mettre en place cette structure réseau, RIOT OS dispose des nombreuses fonctions telles quelles:

• ifconfig: permet configurer l'interface réseau.
• fibroute: table dynamique qui lie les adresses MAC aux ports
• pingv6: permet de tester l'accessibilité d'une autre machine à travers un réseau IP en envoyant de paquet ICMPv6
• udp: permet de démarrer un serveur udp et d'envoyer des paquets via le protocole udp sur un port prédéfini

L'exemple gnrc_networking de RIOT, permet de mettre en place la pile réseau GNRC IPv6/6LoWPAN qui est dédié à l'internet des objets. Cet exemple agit comme un routeur et permet de définir des routes statiques ainsi que d'utiliser RPL. On va donc utiliser cet exemple afin de mettre en place le réseau, il suffira de rajouter le module at86rf231 dans le Makefile.

Le node1/client, enverra des paquets avec des ordres de commande vers le node3/serveur (qui correspond au robot avec des moteurs). Ces informations vont tout d'abord passer par le node2 qui est responsable au routage de ces paquets vers le node2. Le node2 va aussi pouvoir retourner des informations vers le node1, par exemple la vitesse de rotation des roues.

Test, communication réseau

Une fois le réseau mis en place, on a fait des tests afin de voir si les cartes arrivaient à communiquer entre-elles. Les résultats ont étés satisfaisants comme le montre les figures ci-dessous:

ping node1 vers node3

ping node3 vers node1

Après on a éteint node2 et on a essayé de faire un ping à nouveau afin de tester si les paquets ne passaient pas directement du node1 vers node3, sans passer par le deuxième. D'après l'image on voit bien qu'il maintenant impossible de faire un ping:

ping node1 vers node3

Server/Client UDP

Tout d'abord on a démarré un serveur upd au node3:

> udp server start 12345
  #  udp server start 12345
  # Success: started UDP server on port 12345

Ensuite on a envoyé un message ("test") UDP du node1 vers le node3:

 udp send baad:a555::1736 12345 test 
 #  udp send baad:a555::1736 12345 test
 # Success: sent 4 byte(s) to [baad:a555::1736]:12345

Le message a été bien reçu par le node3, cela montre que le réseau a été bien mis en place:

#  PKTDUMP: data received:
# ~~ SNIP  0 - size:   4 byte, type: NETTYPE_UNDEF (0)
# 00000000  74  65  73  74
# ~~ SNIP  1 - size:   8 byte, type: NETTYPE_UDP (4)
#    src-port: 12345  dst-port: 12345
#    length: 12  cksum: 0xc94b
# ~~ SNIP  2 - size:  40 byte, type: NETTYPE_IPV6 (2)
# traffic class: 0x00 (ECN: 0x0, DSCP: 0x00)
# flow label: 0x00000
# length: 12  next header: 17  hop limit: 63
# source address: baad:a555::1702
# destination address: baad:a555::1736
# ~~ SNIP  3 - size:  24 byte, type: NETTYPE_NETIF (-1)
# if_pid: 7  rssi: 21  lqi: 255
# flags: 0x0
# src_l2addr: 10:10:64:32:14:0f:17:32
# dst_l2addr: 10:10:64:2d:14:39:17:36
# ~~ PKT    -  4 snips, total size:  76 byte

Routage dynamique avec le protocole RPL

Les progrès technologiques permettent maintenant d’envisager la connexion des objets du quotidien à l’Internet. Des solutions ouvertes et interopérables doivent cependant être utilisées pour garantir une communication optimum entre ces objets. Le protocole de routage est un élément clé de cet objectif, car il permet pour chaque objet de décider comment joindre un autre objet. Les contraintes s’appliquant aux objets (faible puissance, communications instables) doivent être prises en compte pour le développement de protocole de routages adaptés.

Brève introduction au protocole RPL

Les périphériques réseau exécutant le protocole RPL sont connectés de manière acyclique. Ainsi, un graphe acyclique DODAG (Destination-Oriented Directed Acyclic Graph) est crée comme montre la figure ci-après:

DODAG RPL

Chaque nœud choisit le meilleur chemin pour arriver jusqu'au nœud racine, chaque nœud utilise un objectif function (OF) afin de trouver le mieux chemin pour arriver au nœud racine, cette fonction définie le metric de routage qui va être appliqué.

Le processus de routage commence avec la création d'un DAG, le nœud racine envoie son DODAG à tout les noeuds accecible. A chaque niveau de l'arbre de routage les nœuds font le routage en se basant sur l'OF. Une fois qu'un noeud joint le DODAG, il choisit une racine comme son parent et calcule son rank, ce rank correnspond au metric qui indique les coordonnées du nœud dans la hiérarchie du réseau. Les autres noeuds vont répéter ce processus de sélection des parents et de notification des informations DODAG pour de nouveaux appareils possibles. Lorsque ce processus se stabilise, le routage des données peut alors commencer. Le processus crée des routes ascendantes (des nœuds à une racine). Pour construire les routes descendantes, le protocole RPL envoie des messages ICMPv6 telles quelles:

1. DAG Information Object (DIO) - transmet des informations qui permettent à un nœud de découvrir une instance RPL, d'apprendre ses paramètres de configuration et de choisir des parents dans le DODAG
2. DAG Information Solicitation (DIS) - sollicite un DIO à partir d'un noeud RPL
3. Destination Advertisement Object (DAO) - utilisé pour propager les informations de destination vers le haut le long du DODAG.

Application dans RIOT OS

Le protocole RPL est présent dans RIOT OS. On s'est basé sur le travail de nos collègues de l'année dernier (PFE 7) pour mettre en place ce réseau dynamique. En effet ils ont changé les fichiers de base de l’implémentation du protocole RPL dans RIOT OS afin d'améliorer le choix du parent avec lequel un nœud communique. Le fichier sont les suivant:

 Dans RIOT/sys/net/gnrc/routing/rpl:
    gnrc_rpl.c
    gnrc_rpl_control_messages.c
    of0.c
 Dans RIOT/sys/include/net/gnrc/rpl:
    struct.h

La fonction qui calcul le rang d'un noeud, en fonction des indicateurs LQI (Link Quality Indicator) et le RSSI (Received Signal Strength Indication):

//Avec base_rank=256, rssi <= 28 et <=255
add = 256 - (parent->mc.rssi + parent->mc.lqi)/10;
my_rank = base_rank + add;

De cette manière, on se rendre miuex compte de la distance d'un noeud par rapport au DODAG racine diminuant son rang en fonction de ces deux facteurs.

Pour lancer le routage RPL dans sur le cartes il suffit de choisir un noeud comme racine (avec la fonction gnrc_rpl_root_init ) et ajouter les lignes suivant dans le fichier Makefile du projet:

USEMODULE += gnrc_rpl
USEMODULE += auto_init_gnrc_rpl

Une telle solution permrt de choisir le parent avec le rang le plus faible et autorise un choix plus objectif du parent:

 #  rpl
 # instance table:	[X]	
 # parent table:	[X]	[ ]	[ ]	
 # 
 # instance [1 | Iface: 7 | mop: 2 | ocp: 0 | mhri: 229 | mri 0]
 # 	dodag [baad:a555::1702 | R: 485 | OP: Router | PIO: on | CL: 0s | TR(I=[8,20], k=10, c=11, TC=4088s)]
 # 		parent [addr: fe80::1210:642c:1432:1702 | rank: 256 | lifetime: 256s]

Implémentation d'un driver sur RIOT OS

Les cartes STM32 n'ont pas la puissance nécessaire pour piloter les deux moteurs DC utilisés sur le robot. Pour cela on utilise un module driver de moteur afin d'accomplir cette tâche.

Le driver TB6612FNG est un driver de moteur à courant continue, qui possède deux entrées IN1 et IN2 permettant de choisir l'un de quatre mode suivant: mode CW ( tourner dans le sens des aiguilles de la montre), mode CCW (tourner dans le sens anti horaire), frein court et mode d'arrêt.

Dans RIOT OS, on trouve plusieurs driver déjà implémenté mais le TB6612FNG n'en fait pas partie. Alors on a mise en place un module qui l'on a appelé robot incluant le driver de moteur + un codeur infrarouge. Le codeur infrarouge va nos permettre, avec la roue codeuse, de donner la distance que le robot va devoir parcourir.

Conception d'un nouveau module Radio

Mesure du Round Trip Time

La latence, fait référence au RTT (Round Trip Time/Delay) d'une requête c'est à dire le temps que met un signal pour parcourir l'ensemble d'un circuit fermé. En particulier ça correspond à l'heure à laquelle le paquet doit atteindre la destination. La machine de destination doit répondre à cette requête et cette réponse doit parvenir au demandeur.

Chaque réseau a une latence. La quantité totale de latence, que l'on obtient lors de la connexion à un hôte distant donné, peut varier considérablement en fonction des conditions du réseau. C'est alors que on s’intéresse dans cette partie à l'étude de la latence du notre réseau (le temps de transmission d'un paquet à partir de la couche MAC jusqu'au récepteur en fonction de la taille du paquet ou de la distance émetteur/récepteur).

Il faut savoir qu'il y a plusieurs autres facteurs qui peuvent ajouter une latence supplémentaire en plus de la latence de la couche MAC:

1. les délais de routage: Si les paquets doivent passer par un saut de réseau très encombré, ce délai de buffer peut ajouter une latence considérable.
2. la retransmission des paquets
3. retards de propagation du signal dans le matériel qui reçoit, transmet ou répète des paquets.

Afin de calculer la latence du réseau on a procédé de la manière suivante:

1. Lors de l'envoi d'un paquet, le client calcule le temps T1 (en milliseconde) et attend la réponse du serveur (temps d'attente = 1 seconde).
2. Le serveur reçoit le message et le retransmet au client.
3. Lors que le client reçoit la réponse du client il calcule le temps de réception T2 du paquet (en milliseconde). Si la réponse arrive après 1 seconde, on considère que le paquet a été perdu.
4. le round-trip time est calculé donc de cette manière: rtt = T2 - T1

Les fonctions implémentées, pour le calcul du temps de latence:

calculate the time diff between start and end (in ms)

float delay(uint32_t t1, uint32_t t2)
{
 float d;
 d = (float)(t2 - t1)/1000000;
 return(d); 
}

calculate the min/max/average value from an array

void rttd(float t[], int size, uint32_t time)
{
 float avg;
 float min = t[0];
 float max = 0.0;
 float sum=0.0;
 int i;
 for(i=0; i< size; i++){
  sum += t[i];
   if(t[i] > max) {max = t[i];}
   if(t[i] < min) {min = t[i];}
   }
   avg = sum/(float)size;
   if(size!=0)printf("Round-trip delay: min/avg/max = %f/%f/%f ms, time = %f s\n",min*1000,avg*1000,max*1000,(float)time/1000000);
 }
 

Le temps de latence entre 2 et 3 nœuds

Afin d'obtenir un meilleur résultat, le rtt a été calculer à partir de la moyenne de l'envoie de 100 paquets à la fois. On calcule aussi le temps minimum et maximum sur le 100 paquets:

 # Packets: Size: 1 bytes, Sent = 100, Received = 100, Lost = 0
 # Round-trip delay: min/avg/max = 7.919001/9.907592/12.389999 ms, time = 0.990927 s

 # Packets: Size: 32 bytes, Sent = 100, Received = 100, Lost = 0
 # Round-trip delay: min/avg/max = 10.057000/12.173100/14.198999 ms, time = 1.217735 s

 # Packets: Size: 1024 bytes, Sent = 100, Received = 99, Lost = 1
 # Round-trip delay: min/avg/max = 130.070007/144.760742/157.856995 ms, time = 14.486991 s

 # Packets: Size: 2048 bytes, Sent = 100, Received = 0, Lost = 100

D'après le résultat ci-dessus, on constate que le temps de latence augmente selon la taille du message. A partir de 1024 bytes on commence à perdre quelques paquets et à 2048 bytes il n'y en plus des paquets qui sont envoyés.

Pour mieux comprendre la latence de ce réseau, on a fait plusieurs mesures et on a trace la courbe du rtt en fonction de la taille du paquet:

2 noeuds

3 noeuds

On compte envoyer des requêtes avec une taille de 32 octets, ayant le message suivant: [cmd,speed,distance], la commande (cmd) a une taille de 8 bytes, la vitesse (speed) 16 octets et la distance que le robot doit parcourir, a une taille de 8 octets. Le temps total qu'un paquet de 32 octets met pour faire le tour d'un réseau avec de 2 nœuds est compris entre 10 et 14 millisecondes; Pour un réseau avec 3 noeuds le temps de latence est le double de celui avec 2, si un rajoute un quatrième noued il va falloir multiplier le temps de basse par trois et ainsi de suite.

Temps N nœuds = (N-1) x Temps de 2 nœuds

La prochaine tache à faire sera donc de diminuer ce temps de propagation de données en modifient la couche MAC de RIOT OS.

Conclusion

Archive Git

https://archives.plil.fr/elopes/PFE15.git