Cri$que ¡#5 ¡ Due ¡November ¡27 th ¡(Tuesday) ¡ O. ¡Chipara, ¡C. ¡Lu, ¡T.C. ¡Bailey ¡and ¡G.-‑C. ¡Roman, ¡Reliable ¡Clinical ¡ Monitoring ¡using ¡Wireless ¡Sensor ¡Networks: ¡Experience ¡in ¡a ¡Step-‑ down ¡Hospital ¡Unit, ¡ACM ¡Conference ¡on ¡Embedded ¡Networked ¡Sensor ¡ Systems ¡(SenSys'10), ¡November ¡2010. ¡ 1 ¡
Video ¡of ¡the ¡Day ¡ Cisco ¡to ¡Buy ¡Meraki ¡for ¡$1.2 ¡Billion ¡ CEO ¡Sanjit ¡Biswas ¡talks ¡about ¡founding ¡and ¡developing ¡Meraki ¡ 2 ¡
Cyber-‑Physical ¡Codesign ¡of ¡ ¡ Distributed ¡Structural ¡Health ¡Monitoring ¡ with ¡Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡ Chenyang ¡Lu ¡ Computer ¡Science ¡and ¡Engineering ¡
Structural ¡Health ¡Monitoring ¡ Wireless ¡Sensor ¡Networks ¡ Detect ¡and ¡localize ¡damages ¡ to ¡structures ¡ Wireless ¡sensor ¡networks ¡ monitor ¡at ¡high ¡temporal ¡and ¡ spaWal ¡granulariWes ¡ Key ¡Challenges ¡ ComputaWonally ¡intensive ¡ Resource ¡constraints ¡ Long-‑term ¡monitoring ¡ ¡ 4 ¡
Related ¡Work ¡ Wisden ¡[Xu, ¡SenSys ¡04] ¡ Services ¡for ¡reliable ¡transmission ¡of ¡raw ¡data ¡ Golden ¡Gate ¡Bridge ¡[Kim, ¡IPSN ¡07] ¡ 46-‑hop ¡network ¡deployed ¡along ¡Golden ¡Gate ¡Bridge ¡ BriMon ¡[Chebrolu, ¡MobiSys ¡08] ¡ Trains ¡as ¡data ¡mules ¡ Torre ¡Aquila ¡[Ceriob, ¡IPSN ¡09] ¡ Heterogeneous ¡sensors, ¡most ¡with ¡low ¡data ¡rate ¡ Key ¡limitaWon: ¡separate ¡the ¡designs ¡of ¡ Cyber ¡ (data ¡transport) ¡components ¡ Physical ¡(damage ¡detecWon) ¡components ¡ 5 ¡
Cyber-‑Physical ¡Codesign ¡Approach ¡ Centralized ¡approaches ¡suffer ¡high ¡energy ¡consumpWon ¡ But ¡damage ¡detecWon ¡is ¡too ¡complex ¡to ¡run ¡enWrely ¡on ¡ sensors ¡ Co-‑design ¡WSN ¡architecture ¡and ¡SHM ¡approach ¡ Embed ¡processing ¡into ¡a ¡hierarchical ¡architecture ¡ Send ¡(smaller!) ¡parWal ¡results ¡between ¡layers ¡of ¡hierarchy ¡ MulW-‑level ¡damage ¡localizaWon ¡ 6 ¡
Prior ¡Work: ¡DLAC ¡ ¡ Pushed ¡porWons ¡of ¡Damage ¡LocaWon ¡Assurance ¡Criterion ¡ (DLAC) ¡algorithm ¡into ¡network ¡[Hackmann, ¡RTSS ¡08] ¡ Highlights ¡potenWal ¡gains ¡for ¡cyber-‑physical ¡co-‑design ¡ 66% ¡lower ¡latency ¡and ¡71% ¡lower ¡energy ¡consumpWon ¡than ¡ centralized ¡scheme ¡ But ¡a ¡limited ¡architecture ¡with ¡no ¡collaboraWon ¡among ¡ sensors ¡=> ¡limitaWons ¡in ¡SHM ¡capabiliWes ¡ 7 ¡
Flexibility-‑Based ¡Methods ¡ Structures ¡flex ¡slightly ¡when ¡a ¡force ¡is ¡applied ¡ ¡ Structural ¡weakening ¡=> ¡decreased ¡sWffness ¡ Flexibility ¡acts ¡as ¡a ¡“signature” ¡of ¡the ¡structure’s ¡health ¡ Two ¡flexibility-‑based ¡methods ¡of ¡interest ¡for ¡our ¡work ¡ Beam-‑like ¡structures: ¡Angles-‑Between-‑String-‑and-‑Horizon ¡ flexibility ¡method ¡(ASHFM) ¡[Duan, ¡ J. ¡Structural ¡Engineering ¡and ¡ Mechanics ¡09] ¡ Truss-‑like ¡structures: ¡Axial ¡Strain ¡flexibility ¡method ¡(ASFM) ¡[Yan, ¡ J. ¡ Smart ¡Structures ¡and ¡Systems ¡09] ¡ θ 8 ¡
Hierarchical ¡Architecture ¡1 ¡ Sensors ¡form ¡physically ¡co-‑located ¡ Base ¡ groups ¡ Sta$on ¡ Group ¡members ¡ collect ¡raw ¡ vibraWon ¡data ¡ ¡power ¡spectrum ¡ Group ¡ Group ¡ Group ¡leaders ¡ collect ¡and ¡ Leader ¡ Leader ¡ correlate ¡power ¡spectrum ¡from ¡ children ¡ ¡modal ¡parameters ¡ Group ¡ (natural ¡frequencies ¡+ ¡mode ¡ Group ¡ Member ¡ Member ¡ shapes) ¡ Group ¡ Member ¡ Group ¡ Group ¡ Member ¡ Member ¡ 9 ¡
Hierarchical ¡Architecture ¡2 ¡ Base ¡sta<on ¡collects ¡modal ¡ parameters ¡from ¡group ¡ leaders ¡ ¡structural ¡ flexibility ¡ Output ¡is ¡compared ¡against ¡ “baseline” ¡collected ¡when ¡ structure ¡was ¡known ¡to ¡be ¡ healthy ¡ Differences ¡in ¡flexibility ¡can ¡ be ¡used ¡to ¡detect ¡and ¡ localize ¡damage ¡ 10 ¡
Distributed ¡Data ¡Flow ¡ Group Member Group Leader Base Station Sensing ¡ Flexibility ¡ Cross ¡Spectral ¡ 2 x D Density ¡ ints FFT ¡ D matrices D: # of samples D P: # of natural freq. floats Singular ¡Value ¡ (D » P) Power ¡Spectrum ¡ DecomposiWon ¡ D P natural frequencies + floats mode shapes 11 ¡
Enhanced ¡Distributed ¡Data ¡Flow ¡ Group Member Group Leader Base Station Sensing ¡ 2 x D Flexibility ¡ Cross ¡Spectral ¡ ints Density ¡ FFT ¡ P D matrices D: # of samples floats P: # of natural freq. Singular ¡Value ¡ Power ¡Spectrum ¡ (D » P) DecomposiWon ¡ D floats P Peak ¡Picking ¡ P natural frequencies + floats mode shapes 12 ¡
Mul$-‑Level ¡Damage ¡Localiza$on ¡ Under ¡ASHFM ¡and ¡ASFM, ¡only ¡a ¡handful ¡of ¡sensors ¡are ¡ needed ¡to ¡ detect ¡ damage ¡ As ¡more ¡sensors ¡are ¡added, ¡localizaWon ¡gets ¡more ¡fine-‑ grained ¡ Significant ¡energy ¡savings ¡by ¡exploiWng ¡localized ¡nature ¡of ¡ flexibility-‑based ¡approach ¡ 13 ¡
Implementa$on ¡ Hardware ¡platorm: ¡Intel/Crossbow ¡ Imote2 ¡+ ¡ITS400 ¡sensorboard ¡ 13 ¡– ¡416 ¡MHz ¡PXA271 ¡XScale ¡CPU ¡ 32 ¡MB ¡ROM, ¡32 ¡MB ¡SDRAM ¡ CC2420 ¡802.15.4-‑compliant ¡radio ¡ 3-‑axis ¡accelerometer ¡on ¡sensor ¡board ¡ Sowware ¡platorm ¡ TinyOS ¡1.1 ¡operaWng ¡system ¡ UIUC’s ¡ISHM ¡toolsuite ¡used ¡for ¡sensing, ¡ reliable ¡communicaWon, ¡and ¡Wme ¡sync ¡ ¡ 14 ¡
Evalua$on: ¡Truss ¡ SimulaWon ¡of ¡5.6 ¡m, ¡14-‑member ¡steel ¡truss ¡structure ¡at ¡ UIUC ¡ Simulated ¡sensor ¡data ¡generated ¡in ¡MATLAB ¡and ¡injected ¡ into ¡live ¡applicaWon ¡using ¡“fake” ¡sensor ¡driver ¡ Intact ¡data ¡set: ¡no ¡damages ¡ Damaged ¡data ¡set: ¡three ¡members ¡reduced ¡on ¡lew ¡side ¡of ¡truss, ¡ four ¡on ¡right ¡side ¡ 15 ¡
Evalua$on: ¡Truss ¡ Level ¡1: ¡nine ¡sensors ¡at ¡uniform ¡points ¡along ¡truss’s ¡length ¡ − 6 4x 10 Damage identified on right half Damage Indicator 3 2 Damage identified on left half 1 0 0 2 4 6 8 Element Number 16 ¡
Evalua$on: ¡Truss ¡ Level ¡2: ¡move ¡all ¡nine ¡sensors ¡to ¡respecWve ¡halves ¡(higher ¡ density) ¡ 3 3 Damage Indicator Damage Indicator 2 2 Damage localized correctly to all seven members 1 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213 Element Number Element Number 17 ¡
Evalua$on: ¡Truss ¡ Codesigned ¡architecture ¡reduces ¡ Cluster ¡Member ¡ communicaWon ¡latency ¡from ¡ SynchronizaWon ¡ 12.1 ¡J ¡ esWmated ¡87 ¡s ¡to ¡0.21 ¡s ¡ Sensing ¡ 23.0 ¡J ¡ ComputaWon ¡ 9.28 ¡J ¡ 78.9% ¡of ¡energy ¡axributable ¡to ¡ CommunicaWon ¡ 0.08 ¡J ¡ synchronizaWon ¡and ¡sensing ¡ Cluster ¡Head ¡ SynchronizaWon ¡ 16.2 ¡J ¡ Compare ¡to ¡theoreWcal ¡energy ¡ Sensing ¡ 21.2 ¡J ¡ supply ¡of ¡20,250 ¡J ¡(3x ¡1.5 ¡V, ¡1250 ¡ ComputaWon ¡ 8.52 ¡J ¡ mAh ¡AAA ¡baxeries) ¡ CommunicaWon ¡ 0.76 ¡J ¡ 18 ¡
Image source: Zhuoxiong Sun, Purdue University Full-‑Scale ¡Truss ¡ 19 ¡
Test ¡Results: ¡Full-‑Scale ¡Truss ¡ Two ¡levels ¡of ¡damage ¡localizaWon ¡ − 6 2 x 10 Level ¡1: ¡localized ¡ 1.8 1.6 damage ¡to ¡bay ¡9 ¡ AS Flexibility Damage Indicator 1.4 1.2 Level ¡2: ¡localized ¡ 1 damage ¡to ¡element ¡42 ¡ 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2 3 4 5 6 7 8 910 20 31 32 42 Truss Element Number 20 ¡
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