Sensoren Drahtlose Sensornetzwerke: Herausforderungen und Lösungen Bild 1: Benötigte Energie, um ein kurzes 802.15.4-Datenpaket zu übertragen und eine Empfangsbestätigung zu erhalten Lance Doherty, Systems Engineer Jonathan Simon, Systems Engineering Director Thomas Watteyne, Systems Engineer Dust Networks Product Group Linear Technology Corporation www.linear.com Hintergrund Wir leben in einer Welt voller Sensoren. Die Gebäude in denen wir arbeiten haben Sensoren, die Temperatur, Belegung, Rauch und Feuer sowie die Sicherheit überwachen. Unsere Autos enthalten dutzende wenn nicht hunderte von Sensoren, die die Motorleistung, Bremsen und die Sicherheitsausrüstung für die Fahrgäste überwachen, um nur einige zu nennen. Produktionsumgebungen benötigen Sensoren, weil man nicht regeln kann, was man nicht messen kann. Das Herstellen von Produkten bei gleichzeitiger Erfüllung der Sicherheits-, Qualitäts- und Effizienzziele erfordert jede Menge Sensoren. Sensoren sind in den letzten Jahrzehnten wesentlich kleiner, preisgünstiger und verlustleistungsärmer geworden, getrieben zum Teil von Moore´s Gesetz und der MEMS-Revolution. Unglücklicherweise haben die Kosten für die Installation von Sensoren damit nicht Schritt gehalten. Die Kosten für Leitungen, die den Versorgungsstrom und Daten liefern, lassen die Kosten für den Sensor selbst gering erscheinen. Nimmt man z.B. den am nächsten gelegenen Lichtschalter: die Verdrahtung für einen 1-$-Schalter kann 50 $ kosten und selbst in Neubauten sehr arbeitsintensiv zu installieren sein. Wenn man diesen Schalter in die benachbarte Mauer umbauen möchte, sind die Kosten für diesen Umbau noch deutlich höher. In der industriellen Automatisierung ist ein anerkannter Daumenwert für die Installation eines Sensors .000 – selbst bei einem einfachen Schalter. Bei diesen Kostenstrukturen senden viele Sensoren ihre Daten an einen lokalen Controller – dabei gibt es jedoch nur einen kleinen Überblick, aber kein „großes Bild“, wenn hunderte oder gar tausende von Sensoren installiert sind. Was also benötigt wird, ist ein preisgünstiger, zuverlässiger Weg die Sensoren zu vernetzen. Schon seid Marconis Zeiten hat man mit unterschiedlichen Ergebnissen drahtlose Verbindungen benutzt, um Daten von Sensoren zu kommunizieren. Traditionell wurden diese Punktzu-Punkt-Verbindungen vom Stromnetz versorgt und waren wegen der Umwelteinflüsse in der Zuverlässigkeit häufig zeitlich schwankend. Dies ist zwar für einige Applikationen geeignet, aber für die meisten zu einschränkend. Die Märkte Märkte für drahtlose Sensor- Netzwerke (wireless sensor network = WSN) sind die Gebäudeautomation, Home-Automation, Smart-Grid und automatisierte Verbrauchsmessungs-Infrastruktur (AMI), Prozessautomatisierung, Umweltüberwachung, die Park- und Transit-Infrastruktur, Energieverbrauchsüberwachung und Bestandssteuerung. In den meisten Fällen sind dies asymmetrische bidirektionale Datensammelapplikationen – Eine große Anzahl von Sensorpunkten liefert Daten für einen zentralen Host und reagiert mit einem Prozess-Einstellpunkt oder weiteren Konfigurationsänderungen. Technologische Auswahl Die Anwender wünschen sich idealerweise eine Technik, die kostengünstig ist, keine Einschränkungen bei der Platzierung der Sensoren hat, zuverlässig periodisch Daten mit geringer Latenz empfängt und während der gesamten Lebensdauer ohne Batteriewechsel auskommt. Jüngste technologische Fortschritte haben es uns ermöglicht, diese Features für viele unterschiedliche Märkte zu liefern. Es gibt mehrere konkurrierende Technologien, um diese Rolle zu übernehmen, wie Satellitenkommunikation, Mobiltelefon, Wi-Fi und eine Vielzahl an Lösungen, die auf dem IEEE-802.15.4-Funk basieren. Alle diese Techniken erlauben es dem Anwender, WSNs zum Sammeln von Daten aufzubauen. Die Satelliten- und Mobiltelefonkommunikation arbeiten gut in vielen Applikationen, haben jedoch die höchsten Kosten pro Datenpaket. Die Gebühren der Netzbetreiber können ebenfalls unerschwinglich sein, obwohl sich dies ändert, da die Netzbe- 30 hf-praxis 3/2014
Sensoren treiber jetzt Abrechnungsmodelle entwickeln, die sich für relativ spärliche Datenflüsse eignen. Die Netzabdeckung kann ebenfalls ein Problem darstellen. Es ist klar, dass es für ein Signal eines Satelliten oder Mobiltelefons schwierig ist, den Weg aus einer stark blockiert (verbauten) Struktur zu finden, wobei der Sensor nicht die Möglichkeit hat, sich von einer Seite auf die andere zu bewegen und zu fragen: „Kannst Du mich nun hören?“ Für eine Anwendung, die mit einer sehr kleinen Datenrate sendet (d.h. ein Datenpaket pro Tag) und bei guter Verbindung, kann die Satelliten- oder Mobilfunkkommunikation jedoch sehr sinnvoll sein. Wi-Fi-Sensoren (IEEE 802.11g) sind heute sehr verbreitet. Die Energiekosten für ein Wi-Fi- Datenpaket sind wesentlich niedriger als bei Mobilfunk, und es gibt auch keine immer wiederkehrenden Gebühren für die Daten. Die Verbindung und die Netzabdeckung bleiben wichtige Angelegenheiten, da die Dichte der Zugriffspunkte, die für eine zuverlässige Kommunikation mit einem fest installierten Sensor nötig ist, üblicherweise höher ist, als die bei mobilen Mitarbeitern mit technischer Ausrüstung. Mit Referenz zum OSI-Layer- Modell, definiert der Standard 802.15.4 eine physikalische Lage (PHY) und eine Lage für Medium-Access-Control (MAC) für den Betrieb mit geringer Leistung über kurze Entfernungen, der sich sehr gut für drahtlose Sensornetzwerke eignet. Die Funkstrecke hat eine relativ geringe Datenrate (bis zu 250 KBit/s); die Datenpakete sind kurz (< 128 Byte) und haben eine geringe Energie. Das Senden einiger Byte an Daten, incl. Routing, Verschlüsselung und weiteren Headern benötigt unter 1 ms: Dieser Vorgang verbraucht, einschließlich des Empfangens eines Sicherheits-Link-Layer- Acknowledgements, weniger als 30 µC Ladung (Bild 1). Sensoren können Funkdatenpakete von benachbarten „Kollegen“ weiterleiten, was den Bereich des Netzwerks weit über den Bereich einer einzelnen Funkstrecke erweitert und das Netzwerk mit der nötigen Immunität für jeden Verbindungsfehler in einem einzelnen Link versorgt. Leistungsmessung Die Evaluierung von unterschiedlichen WSN-Lösungen basiert auf zwei Fragen: „Kann ich alle meine Daten schnell genug erhalten?“ und „Wie viel kostet es mich?“ WSNs müssen so entwickelt sein, dass sie in Umgebungen mit nur mehr rund 50 Prozent Link-Layer-PDR (packet delivery ratio) zuverlässig arbeiten. Wenn man ein drahtloses Datensammelsystem entwickelt, gibt es mehrere Leistungsziele, die man erreichen muss. Als erstes muss das System eine minimale Zuverlässigkeit aufweisen. Für industrielle Anwendungen ist das Ziel, typisch mindestens 99,9 Prozent der generierten Daten zu empfangen, da fehlende Daten teure Alarme auslösen können. Zweitens muss das System einen bestimmten Datendurchsatz unterstützen, d.h. eine bestimmte Anzahl an Datenpaketen vom Sensor in der Sekunde. Drittens sind diese Datenpakete nur dann nutzbar, wenn sie innerhalb einer maximalen Latenzperiode empfangen werden. Viele Prozesse hängen von ständigen Datenaktualisierungen ab – zur Regelung haben veraltete Daten keinerlei Nutzen. Viertens, müssen viele Systeme in herausfordernden Umgebungen mit großen Temperaturbereichen und immanenten Sicherheitsbedingungen arbeiten. Nur Systeme, die alle diese vier Anforderungen erfüllen, sind für eine weitere Evaluierung geeignet. Wenn man unterschiedliche Lösungen untersucht, die diese Anforderungen erfüllen, werden die Schlüsselentscheidungskriterien für die Auswahl die Betriebskosten insgesamt und die Flexibilität. Die gesamten Betriebskosten umfassen mehrere Bereiche: Produktentwicklung, Installation, Hardware und Energieversorgung über die gesamte Installationsdauer. Bild 2: Interferenz zwischen Wi-Fi und 802.15.4 im Frequenzband von 2,4 bis 2,485 GHz Drahtlose Techniken haben die Installationskosten im Vergleich zu verdrahteten Lösungen deutlich gesenkt, wobei batteriebetriebene drahtlose Geräte über die gesamte Betriebsdauer des Netzwerks einen Austausch der Batterie erfordern können. Es gibt auch noch einen Kompromiss zwischen dem Aufbau eines Netzwerks mit nur wenigen High-Power-Geräten, um die Hardwarekosten zu reduzieren, und dem mit einer größeren Anzahl an Low-Power- Geräten. Für Geräte, die von Energie erntenden Zellen (d.h. Solarzellen, Thermoelektrik) versorgt werden, kann die Kondensatorgröße einen wesentlichen Teil der Kosten bestimmen. Lösungen mit deterministischer Ablaufplanung, wie der Time-Division Multiple Access (TDMA), können helfen Hochstrom-Ereignisse so weit wie möglich zu separieren, um die Anforderungen an die Kondensatorgröße zu reduzieren. Weil die Bedingungen des Endeinsatzes unvorhersehbar sind, müssen die Netzwerke flexibel ausgelegt werden. Die Netzwerke müssen sich von wenigen bis sehr vielen Sensoren und von geringer bis hoher Dichte skalieren lassen. Um in diversen drahtlosen Umgebungen robust zu sein, sollte die Ressourcenbeschaffung sicherstellen, dass die Geräte mit moderaten Interferenzen zuverlässig kommunizieren, und dass das Netzwerk bei Ausfall einzelner Geräte „überlebt“. Zusätzliche Ressourcen wie weitere drahtlose Verbindungen, mehr Nachbarn für jedes Gerät, oder eine höhere Signalverstärkung verbessern die Zuverlässigkeit und Latenz. Alle diese Erweiterungen verursachen Mehrkosten, die mit dynamischer Allokation minimiert werden können. Lösungen, die auf Standards basieren, bieten Immunität gegenüber den Problemen in der Versorgungskette eines einzelnen Komponentenlieferanten und die Sicherheit, dass die Gemeinschaft den Grundsätzen des gemeinsamen Zusammenarbeitens zugestimmt hat, z.B. der Sicherheitsarchitektur. Herausforderungen Ein drahtloser Kanal ist von Natur aus unzuverlässig, und eine ganze Reihe von Phänomenen kann verhindern, dass ein gesendetes Datenpaket seinen Empfänger erreicht. Eines davon ist Interferenz. Wenn zwei unabhängige Sender auf demselben Kanal senden, so dass sich ihre Signale überlappen, können sich ihre Signale gegenseitig auf der Funkstrecke des Empfängers stören. Dies erfordert, dass der Sender erneut Daten überträgt, aber auf Kosten zusätzlicher Zeit und Energie. hf-praxis 3/2014 31
Laden...
Laden...
Laden...