Pieter Edelman
21 September 2010

UT-hoogleraar Paul Havinga stond in Nederland aan de wieg van het onderzoek naar draadloze sensornetwerken. Zijn werk kwam onder meer al bij het Great Barrier Reef en sporters terecht, en via spin-off Ambient Systems in de logistiek. De technologie sijpelt steeds meer door vanuit research naar praktische toepassingen. Maar er blijven nog onderzoeksvragen genoeg over, met name in het coöperatieve gedrag van kleine sensorknooppunten.

Afgelopen juni sprak hoogleraar Paul Havinga van de Pervasive Systems-onderzoeksgroep aan de UT zijn oratie uit. De groep, nu zo‘n anderhalf jaar oud, richt zich op draadloze sensornetwerken in allerlei omgevingen. ’Maar Pervasive Systems is eigenlijk iets breder‘, zet Havinga meteen een misverstand recht. ’Sensornetwerken, dat is meten. Vaak komt daar ook nog actueren bij, dingen doen. Bij pervasive systems zijn ook mensen betrokken; hoe gaan die ermee om, body area-netwerken. Het is dus een iets breder dan alleen maar sensornetwerken.‘

’Draadloze sensornetwerken‘ is eigenlijk een beetje een losse term voor een visie die is gebaseerd op het smart dust-concept van Berkeley-onderzoeker Kris Pister. Rond de eeuwwisseling positioneerde hij dit idee van minuscule, zeer eenvoudige Mems-systeempjes die je als stof rond zou kunnen strooien, waarna ze door samenwerken van alles kunnen bereiken. Havinga bezocht in 1999 een presentatie van onder meer Pister over het onderwerp op de Mobicom-conferentie in Seattle en werd daar sterk door geïnspireerd. Hij nam het onderwerp mee de oceaan over en startte het Europese Eyes-programma samen met Nedap, het Italiaanse CNIT, de universiteiten van Berlijn en Rome, en Infineon. ’Dat was al heel snel een groot succes omdat we konden pionieren. We moesten met alles beginnen. We moesten printplaatjes maken, netwerkprotocollen maken, diensten maken. Daar hadden we de vrijheid om research te doen, bijna in zijn pure vorm. Dat was heel aantrekkelijk.‘

In feite is het onderwerp een logische samensmelting van alles wat Havinga tot dan toe had gedaan. Hij begon in 1985 bij wat toen nog de Technische Hogeschool Twente was aan parallelle systemen. Begin jaren negentig wisselde hij dat in voor gedistribueerde systemen en multimedia. Een paar jaar later ging hij aan de slag met draadloze-netwerkprotocollen voor efficiënt hardwaregebruik in embedded multimediasystemen. In 2000 promoveerde hij op dit onderwerp.

Bij slim stof of sensornetwerken spelen al deze onderwerpen een rol. In feite zijn er twee belangrijke thema‘s: de gedistribueerde processing en het netwerk. De nodes zelf zijn vrij eenvoudig en kunnen niet zo gek veel rekenwerk uitvoeren. De dataverwerking moet daarom komen uit het slim samen werken. Wat betreft de communicatie praten de knooppunten alleen met hun buren, op korte afstanden. Informatie geven ze via elkaar door. Daardoor ontstaat een robuust zelfreparerend netwerk. Als een node uitvalt, nemen omliggende nodes die rol over. Overkoepelend over beide onderwerpen ligt het thema efficiënt hardwaregebruik. De nodes zijn, althans in de smart dust-visie, klein en goedkoop. Rekenkracht, geheugen en energie zijn beperkt.

Bits&Chips event sponsor registration

In de praktijk is slim stof echter lang niet altijd het gewenste eindpunt. ’Het is maar een van de visies. Niet alles hoeft per se klein of goedkoop te zijn. Je kunt ook denken aan the internet of things, RFID, transport en logistiek. Op vrachtwagens, op treinen, in schepen, daar hoeft het niet per se klein te zijn, maar je gebruikt wel dezelfde technieken en methodieken. Het zelforganiserende, zelfreddende, dat zit er wel altijd in. We zijn net begonnen met twee projecten voor de offshore. Als je daarmee een dag werk kan besparen scheelt dat 100 duizend euro. Dan interesseert het niet als je apparaatje 50 duizend kost. Dust is de ultieme uitdaging, maar voor heel veel echte toepassingen hoeft het echt niet zo dusterig te zijn.‘

Op een gegeven moment zag de universiteit dat het een onderwerp steeds belangrijker werd in academische kringen en een eigen onderzoeksgroep verdiende. Uit de Computer Architecture for Embedded Systems-groep, waar Havinga en het onderwerp tot dan toe waren gehuisvest, werd de Pervasive Systems-groep gesponnen. Nog altijd lopen er warme contacten tussen de twee en ze delen een verdieping. In totaal telt de Pervasive Systems-groep dertig koppen. Ruim de helft daarvan bestaat uit promovendi.

Havinga imgp3284

Vliegveld

De term ’draadloze sensornetwerken‘ zal veel mensen nog academisch in de oren klinken. Gedeeltelijk terecht, alhoewel dat snel aan het veranderen is, vindt Havinga. ’Voor specifieke onderwerpen heb je al wel veel praktische toepassingen en die werken ook best wel goed, al dan niet draadloos. Maar de hele visie van draadloze sensornetwerken, dat zit toch nog een beetje in de onderzoeksfase.‘

Hij kan er over meepraten. In 2004 richtte hij samen met zijn promovendi Stefan Dulman en Lodewijk van Hoesel de spin-off Ambient Systems op, dat met sensornetwerktechnologie onder meer goederen in logistieke ketens monitort. Kratten en pallets krijgen een kleine oranje sensornode mee, die ongeveer zo groot als een fors luciferdoosje zijn en een paar tientjes per stuk kosten. Dat houdt parameters zoals de temperatuur bij tijdens de reis, en let speciaal op omstandigheden die buiten de gestelde limieten komen. Als het in de buurt komt van een netwerk – doorgaans in een distributiecentrum – kan het zijn gegevens daar kwijt. Bovendien kunnen de nodes dan ook worden gebruikt voor locatiebepaling, door de contactpunten met het externe netwerk als baken te gebruiken. ’Dit komt onder andere terecht bij luchthavens. Bij het vliegveld van Luxemburg staat bijvoorbeeld een groot systeem. Goederen komen daar binnen met het vliegtuig en worden vervolgens overgeladen op vrachtauto‘s. Met de infrastructuur heb je het daar over een gebied van een vierkante kilometer of zo. Dat leg je in een dag neer. Je gaat ‘s morgens met de auto naar Luxemburg met je spulletjes achterin, je hangt ze op en ‘s avonds rijd je terug en dan hangt alles en krijg je alle informatie binnen.‘

Langzaam aan begint de markt dan ook te wennen aan het idee van sensornetwerken, observeert Havinga. ’Het wordt eigenlijk best veel gebruikt, alleen is het niet zo prominent naar voren gebracht onder de naam sensornetwerken. Als je vier jaar geleden naar de industrie stapte met de mededeling dat je in draadloze sensornetwerken doet, dan wisten ze niet waar je het over had. Dat werd beschouwd als iets in de onderzoekshoek. Maar zodra je zei: ’We doen iets met RFID- systemen‘, dan was de reactie: ’Ah, dat ken ik‘. Dus dan zeiden we dat dit de de volgende, actieve, generatie RFID is. Dat is de laatste jaren veranderd, als je nu sensornetwerken zegt, dat kent men dat. Dat is snel gegaan, maar aan de andere kant ook langzamer dan verwacht.‘

Schaduwzijde

In de koffieruimte van Havinga‘s afdeling slingert een sensorknooppunt rond – twee AA-batterijen, drie ledjes en antennetje. ’Onderdeel van een een project naar power control‘, zegt Havinga. ’Op de parkeerplaats hebben we nog meer van die knooppunten liggen.‘

Dit onderzoek richt zich op het netwerkgedeelte. Deze poot van draadloze sensornetwerken begint langzaam aan volwassen te worden. Vooral de onderste lagen. ’Oorspronkelijk waren draadloze sensornetwerken gericht op specifieke functionaliteit, dus had je heel veel verschillende netwerklagen. Of het werd aangepakt vanuit de telecomblik, dat ze telecommunicatie wilden transformeren naar sensornetwerken. Je ziet nu dat de ontwikkelingen steeds meer naar hogere niveaus gaat. Meer richting de processing. Vragen als ’wat voor soort abstracties heb je nodig?‘ en ’hoe ga je dat soort dingen programmeren?‘ Daarboven is het nog steeds een open speelveld, maar die onderste laag begint toch wel behoorlijk stabiel te raken. Er wordt nog steeds heel veel onderzoek naar verricht. Heel veel. Maar het zijn toch vaak variaties op een thema.‘

Dat komt gedeeltelijk door standaardisatie, waardoor iedereen in de wereld zo‘n beetje hetzelfde gebruikt voor zijn netwerk. Hiervoor is dat er vandaag de dag een standaard beschikbaar die aan de eisen voldoet voor energiezuinigheid, kleine hoeveelheden data en korte afstanden: Zigbee. Of liever gezegd, 802.15.4 en Zigbee, corrigeert Havinga. ’Het wordt heel vaak door elkaar gebruikt, maar dat is een misverstand.‘ 802.15.4 specificeert de fysieke laag (Phy en Mac) om de radiosignalen te verzenden. Zigbee is een van de netwerkprotocollen die daarop is gebouwd. ’Commercieel zeg je wel meestal Zigbee, want dat klinkt gewoon leuk. Maar wij gebruiken eigenlijk alleen 15.4. Dat is gestandaardiseerd, dus daar ben ik best wel blij mee. Het is zeker niet de beste, maar wel eentje die er is en ook wel geschikt is.‘

Havinga imgp3300

De schaduwzijde is dat er alsmaar meer netwerkverkeer komt, dat elkaar aardig in de weg zit. Een van de volgende grote vraagstukken is dan ook hoe dat allemaal netjes met elkaar kan samenwerken. ’Als we bij conferenties zijn of workshops, dan zie je dat heel veel demo‘s last hebben van interferentie. Problemen die je tot nu toe niet had, die komen nu. Je wilt eigenlijk meer cognitieve radio‘s gebruiken, die kijken waar en wanneer ze het beste een web kunnen bouwen.‘

Wat ook niet helpt, is dat er toch ook spelers zijn die grote hoeveelheden data proberen te verzenden, iets wat eigenlijk haaks staat op het idee van draadloze sensornetwerken. ’Nieuwkomers in dit veld, en dat zijn er heel veel, die denken toch nog vaak in streaming data. Dat is niet de goede aanpak. Wat wij altijd hebben gedaan, is dingen lokaal berekenen en alleen zenden als dat echt nodig is. Je gaat eerst beredeneren met jezelf en met je buren en pas als je zeker weet dat er iets belangrijks aan de hand is, dan pas mag je op het netwerk. Het is vele malen goedkoper om een bitje te berekenen dan te versturen.‘

De ultieme toekomstvisie is zelfs dat sensornetwerken elkaar niet alleen niet in de weg zitten, maar zelfs met elkaar gaan samenwerken. ’Op laag niveau heb je dan adaptieve systemen nodig die begrijpen wat er aan de hand is en zich aan elkaar aanpassen. Op hoog niveau ga je kijken naar de gedistribueerde dataprocessing, hoe netwerken elkaar kunnen versterken.‘

Tour de France

Havinga heeft zijn hele carrière bij de UT gezeten. Voorlopig heeft hij het er ook nog prima naar zijn zin en ziet hij zichzelf niet vertrekken. Zolang hij maar nieuwe dingen kan onderzoeken. ’Ambient bestaat intussen ruim vijf jaar en ik heb daar ook best wel veel geleerd qua industriële visie. Ik weet nu dus ook wat ik niet wil gaan doen. Producten maken is allemaal heel leuk en heel leerzaam, maar alle rompslomp die daar bij komt kijken, dat is niet het werk dat ik echt ambieer.‘

Het onderzoek van Havinga en collega‘s heeft al ruim toepassingen gevonden. Ambient, nu een bedrijf van 23 man, is natuurlijk het bekendste voorbeeld. Naarmate deze technologie volwassener wordt en er minder onderzoek bij komt kijken, trekt Havinga zich hier steeds verder uit terug. ’Maar er is nog steeds een leuke symbiose. Wij kunnen op de UT zien wat nou de echte problemen zijn en waar we op moeten letten. Andersom als wij hier iets hebben bedacht, dan kan Ambient dat makkelijk opnemen.‘

Er zijn meer toepassingen. Nedap ontwikkelde naar aanleiding van het Eyes-project een sensornetwerk voor gebruik in parkeergarages. Het systeem kan zo precies in de gaten houden welk plekje vrij is en welke bezet. Een heel andere toepassing is het monitoren van de temperatuur op het Great Barrier Reef. Een netwerk van boeien, waaraan kabels met sensoren hangen, meet van tijd tot tijd de temperatuur rond het koraalrif. Weer een andere toepassing is het gebruik van sensornodes op het lichaam, om de bewegingen te monitoren. In eerste instantie richtte dat onderzoek zich op de gezondheidszorg. Een sensornetwerk hielp COPD-patiënten om zo veel mogelijk te bewegen binnen de verantwoorde grenzen. Anderhalf jaar geleden is deze technologie uitgesponnen in het bedrijf Inertia Technology. ’Dat richt zich op sport, fitness en gezondheidszorg. Een body area-netwerk van bewegingssensoren monitort de beweging van de personen. Of een hand omhoog gaat, of dat je door je knieën gaat, of dat je aan het fietsen bent maar dat jeknie te veel naar binnen gaat. En dat gebeurt realtime terwijl iemand actief is, waardoor hij direct feedback krijgt. Dat kan je gebruiken in de Tour de France, maar je kunt het ook gebruiken voor revalidatie, zodat je niet alleen in een revalidatiecentrum gemonitord en begeleid wordt, maar ook in je thuissituatie.‘

Een derde spin-off, Smart Signs, houdt zich bezig met het aanpassen aan de bewegwijzering in gebouwen aan individuele bezoekers, die via een tag herkend worden. ’Dat is wat minder sensornetwerkenhoek, maar wel typisch een voorbeeld van pervasive systems.‘

Zuinig

Deze applicaties hebben op het eerste gezicht vrij weinig met elkaar te maken. Toch vindt Havinga het niet gek dat hij bij zo veel verschillende toepassingen betrokken is. ’Er is bijna geen onderwerp waar niet iets gemeten moet worden of waar niet iets geregeld moet worden. En daar kunnen wij al heel snel bij helpen. De toepassingen komen dan ook bijna altijd op ons af. Ik vertel dan ergens een verhaal, en dan komen er mensen naar mij toe met hun probleem.‘

’Natuurlijk moet je dan kijken welke generieke methoden je eruit kunt halen. Het blijkt dan dat de vraagstukken die je hebt bij verschillende domeinen best wel divers zijn, net als de omstandigheden. Op sommige plekken heb je bijvoorbeeld heel veel nodes nodig, op andere plekken heel weinig. Die bepalen behoorlijk wat voor dingen je moet toepassen en hoe de netwerkstructuur er uitziet. Maar onderlinge technieken zijn vaak wel gelijkwaardig. Bijvoorbeeld een van de dingen die wij heel vaak hebben gedaan, is heel nauwkeurig de tijd in de gaten houden. Als je uit bent, ben je zuinig, als je aan bent, verbruik je energie. Dus je wil zorgen dat je een beetje gecoördineerd weet wanneer de ander aan is, zodat je kunt versturen. Je kunt de tijd dus gebruiken om heel zuinig te zijn. Maar je kunt de tijd ook juist gebruiken om maximale throughput te krijgen. Door alles keurig te coördineren, kun je collisions vermijden.‘

’Op die manier kun je best wel veel generieke methoden gebruiken. Het is echt hartstikke leuk om van die toepassingen te leren en het helpt ons om uit te leggen wat we doen. Maar vanuit onderzoeksoogpunt interesseert de toepassing ons eigenlijk helemaal niet.‘

Tijdens Bits&Chips 2010 Embedded Systemen op 11 november geeft Paul Havinga een lezing over draadloze sensornetwerken onder water.