A Dual-Mode Adaptive MAC Protocol for Process Control in Industrial Wireless Sensor Networks
Admar Ajith Kumar Somappa · BIBSYS Brage (BIBSYS (Norway)) · 2017
Wireless Sensor Networks (WSNs) consist of sensors and actuators operating together to provide monitoring and control services.These services are used in versatile applications ranging from environmental monitoring to industrial automation applications.Industrial Wireless Sensor Network (IWSN) is a sub domain of the WSN domain, focussing the industrial monitoring and automation applications.The IWSN domain differs from the generic WSN domains in terms of its requirements.General IWSN requirements include: energy efficiency and quality of service, and strict requirements are imposed on the quality of service expected by IWSN applications.Quality of service in particular relates to reliability, robustness, and predictability.Medium Access Control (MAC) protocols in an IWSN solution are responsible for managing radio communications, the main consumer of power in every IWSN element.With proper measures, MAC protocols can provide energy efficient solutions along with required quality of service for process control applications.The first goal of the thesis was to assess the possibility of creating a MAC protocol exploiting properties of the application domain, the process control domain.This resulted in the creation of the Dual-Mode Adaptive Medium Access Control Protocol (DMAMAC) which constitutes the main contribution of this thesis.The DMAMAC protocol is energy efficient, while preserving real-time requirements, and is robust to packet failure.This has been guaranteed by the thorough evaluation of the protocol via simulation, verification, and implementation with deployment testing.In parallel, we also investigated the possibility of using an alternative development approach for MAC protocols.Specifically, we have proposed a development approach based on MAC protocol model in CPN tools.The development approach consists of automatic code generation for the MiXiM simulation tool and the TinyOS platform..We used the related GinMAC protocol as a running example for the development approach.The generated code for MiXiM simulation platform and the TinyOS implementation platform are evaluated via simulation and deployment respectively.This results in a faster design to implementation time, and closely related protocol artifacts, improving on the traditional approach.v Oppsummering Wireless Sensor Network (WSN) består av sensorer og aktuatorer som opererer sammen for å gi overvåknings og kontrolltjenester.Disse tjenestene er brukt i allsidige applikasjoner med et spenn fra miljøovervåkning til industrielle overvåknings og automasjons applikasjoner.Industrial Wireless Sensor Network (IWSN) er et subdomene av WSN domene, med et fokus på overvåkning og automasjonsapplikasjonene. IWSN domene skiller seg fra de generiske WSN domene i form av sine krav.Generelt omfatter IWSN sine krav: energieffektivitet, kvaliteten på tjenesten som blir forventet av IWSN applikasjonene.Kvaliteten på tjenestene relateres spesielt til pålitelighet, robusthet og forutsigbarhet av de foreslåtte løsningene.Medium Acess Control (MAC) protokoller i en IWSN løsning er ansvarlig for å administrere radiokommunikasjon som er den viktigste hovedforbrukeren av kraft i hvert av IWSN elementene.Med en riktig styring kan MAC protokoller gi energieffektive løsninger sammen med ønsket effekt av kvalitet for tjenesten av prosesskontrollapplikasjonen.Det første med denne oppgaven var å vurdere muligheten for å skape en MAC protokoll til å utnytte egenskapene til prosesskontroll domenet.Dette resulterte i en etablering av Dual Mode Adaptive Medium Acess Controll (DMAMAC), som er utgjør hovedbidraget til denne avhandlingen.DMAMAC protokollen er energieffektiv, samtidig som den bevarer sanntidskravet samtidig som den er robust mot pakkefeil.Dette har blitt garantert via en grundig evaluering av protokollen gjennom simulering, verifisering og gjennomføring testing.Parallelt har vi også undersøkt muligheten fir bruken av en alternativ utviklet tilnærming for MAC protokollen.NtilnÊrmingrmere bestemt har vi foreslått en utviklet tilnærming basert på MAC -protokollens modell i CPN verktøyet.Denne utviklede tilnærmingen består av automatiske kodegenereringer for MiXiM simuleringsvertøyet og TinyOS plattformen.Vi brukte den relaterte GinMAC protokollen som en løpede eksempel for den utviklede tilnærmingen.Den genererte koden for MiXiM simuleringsplattformen og TinyOS gjennomføringsplattformen evalueres via en simulering og en henholdsvis distribusjon.Dette resulterte i en raskere design til implementeringstiden, en nærmere gjenstands protokoll og gav en bedring på den tradisjonelle tilnæmingen.