Open Source Platform Development in Wireless Automation under IEEE 802.15.4 Standard

Abstract

This doctoral dissertation focuses on open source platform development in wireless automation under IEEE 802.15.4 standard. Research method is empirical.

A platform based approach, which targets to the design of a generic open source sensor platform, was selected as a design method. The design targets were further focused by interviewing the experts from the academia and industry. Generic and modular sensor platform, the UWASA Node, was developed as an outcome of this process.

Based on the implementation results, a wireless sensor and actuator network based on the UWASA Node was a feasible solution for many types of wireless automation applications. It was also possible to interface it with the other parts of the system. The targeted level of sensor platform genericity was achieved. However, it was also observed that the achieved level of genericity increased the software complexity.

The development of commercial sensor platforms, which support IEEE 802.15.4 sensor networking, has narrowed down the role of open source sensor platforms, but they are not disappearing. Commercial software is usually closed and connected to a specified platform, which makes it unsuitable for research and development work. Even though there exits many commercial WSN solutions and the market expectations in this area are high, there is still a lot of work to do before the visions about Internet of Things (IoT) are fulfilled, especially in the context of distributed and locally centralized operations in the network. In terms of control engineering, one of the main research issues is to figure out how the well-known control techniques may be applied in wireless automation where WSN is part of the automation system. Open source platforms offer an important tool in this research and development work.

Tämä väitöskirja käsittelee avointa alustakehitystä IEEE 802.15.4 -standardin mukaisessa langattomassa automaatiossa. Tutkimusmenetelmä on empiirinen.

Työssä sovelletaan alustaperustaista suunnittelutapaa, joka tähtää yleiskäyttöisen avoimen anturialustan kehittämiseen. Suunnittelun tavoitteita tarkennettiin haastattelemalla alan asiantuntijoita teollisuudesta ja yliopistomaailmasta. Tuloksena suunniteltiin ja toteutettiin anturialusta, the UWASA Node.

Implementointituloksista voidaan vetää johtopäätös, että anturialustan tavoiteltu yleiskäyttöisyystaso saavutettiin. Toisaalta saavutettu yleiskäyttöisyystaso lisäsi alustan ohjelmistoarkkitehtuurin monimutkaisuutta. Kaupallisten IEEE 802.15.4 -standardia tukevien anturialustojen tulo markkinoille vähentää avointen anturialustojen käyttöä, mutta ne eivät ole katoamassa. Kaupalliset ohjelmistot ovat tyypillisesti suljettuja ja sidoksissa tiettyyn alustaan, mikä tekee niistä sopimattomia tutkimus- ja tuotekehityskäyttöön. Vaikka nykyään on saatavilla useita kaupallisia langattomia anturi- ja toimilaiteverkkoja, vaaditaan vielä paljon työtä ennen kun kaikki esineiden Internetiin (Internet of Things) liittyvät visiot voidaan toteuttaa. Tämä koskee erityisesti langattomassa anturi- ja toimilaiteverkossa hajautetusti tai paikallisesti toteutettavia toimintoja. Säätötekniikan näkökulmasta keskeinen kysymys on, miten tunnettuja säätömenetelmiä tulee soveltaa langattomassa automaatiossa, jossa langaton anturi- ja toimilaiteverkko on osa automaatiojärjestelmää. Avoimet anturialustat ovat tärkeä työkalu sen selvittämisessä.