Messtechnik Einfacher Zugang zu drahtlosen Sensoren Zuverlässige, drahtlose Low-Power- Sensornetzwerke für das Internet der Dinge ermöglichen den Zugang zu drahtlosen Sensoren so einfach wie zu Web-Servern Die Revolution durch das Internet der Dinge fängt gerade an und bis zum Jahr 2020 soll es über 30 Milliarden vernetzte Geräte in der Welt geben. Mit der anwachsende Weltbevölkerung und weil dadurch die vorhandenen Ressourcen immer wertvoller werden, verspricht diese Verbindung, durch die Bereitstellung von Daten aus der realen Welt, die Geschäftspraktiken zu optimieren. Mit der weiten Akzeptanz des Internet-Protokolls (IP), ist es einfacher geworden, Daten zu verarbeiten und nützlichen Gebrauch von Informationen zu machen. Fortune-500-Unternehmen liefern Datenbasis-Lösungen auf Unternehmensebene für die Datenspeicherung und Softwarewerkzeuge zur Beschleunigung von Geschäftsprozessen, wie Teileverfolgung, Prozesssteuerungssysteme und Gebäudemanagementsysteme (Bild 1). Smart-Phones und Tablet-Computer versorgen die Menschen mit nützlichen und umsetzbaren Informationen, wie z. B. über freie Parkplätze oder die Zustandsanalyse von Maschinen in Echtzeit, um Wartungsintervalle festzulegen. Und obwohl es heute bereits drahtlose Sensoren im Einsatz gibt, ist der Bild 1: Indem man IP-fähige drahtlose Sensoren zuverlässig macht und für sehr geringen Leistungsverbrauch auslegt, werden sie weite Einsatzgebiete finden Hunger nach noch mehr Sensordaten unstillbar, um Prozesse, die bislang noch nicht gemessen wurden, zu erfassen und damit optimieren zu können. Um die weitere Anwendung von Sensoren zu ermöglichen, werden Anstrengungen bezüglich der IP-Standards gemacht, mit dem Ziel, kleine drahtlose Sensoren ebenso leicht zugänglich zu machen wie Web-Server. Diese Bemühungen werden von zwei Kräften getrieben: der bewährten und sehr zuverlässigen Leistungsfähigkeit von zeitsynchronisierten Mesh-Netzwerken und den kontinuierlichen Standardisierungsbemühungen für die nahtlose Integration in das Internet. Zusammen werden diese Kräfte relativ kleine verlustleistungsarme Sensoren realisieren, die zuverlässig kommunizieren und IP-fähig sind. Herausforderungen von drahtlosen Sensornetzwerken Da eine drahtlose Verbindung von Hause aus unzuverlässig ist, ist es wichtig, die Quellen der Unzuverlässigkeit zu verstehen, um sie in Kommunikationssystemen berücksichtigen zu können. In drahtlosen Low-Power-Netzwerken, sind die Hauptursachen der Unzuverlässigkeit externe Interferenzen und Multipfad-Fading. Interferenzen treten auf, wenn ein externes Signal (z.B. WiFi) zeitweise verhindert, dass zwei Sender/Empfänger miteinander kommunizieren können. Dies erfordert, dass sie erneut senden, was jedoch mehr Leistung benötigt. Multipath-Fading tritt auf, wenn ein drahtlos übertragenes Signal von Objekten im Bereich des Senders zurückgeworfen wird und verschiedene Echos störend an der Empfängerantenne eintreffen. Dieses Phänomen ist eine Funktion der Position des Gerätes, der benutzten Frequenz und der Umgebung. Da sich die Umgebung eines jeden Von Ross Yu, Product Marketing Manager, und Thomas Watteyne, Senior Networking Design Engineer, Dust Network Product Group, Linear Technology Corporation Bild 2: Streetline Networks hat zeitsynchronisierte Netzwerke mit Kanalwechsel eingesetzt, um die Parksituation in Städten wie Hollywood in Kalifornien zu entschärfen 48 hf-praxis 4/2015
Messtechnik Bild 3: IP-Protokoll-Stack für zuverlässige drahtlose Sensor- Netzwerke mit geringem Leistungsbedarf drahtlosen Kommunikationssystems mit der Zeit ändert, wird nur ein einziger HF-Frequenzkanal Probleme über die Betriebszeit eines drahtlosen Kommunikationssystems verursachen. MultiPath-Fading ist hingegen frequenzunabhängig. Deswegen können, während eine bestimmte Frequenz ein Problem generiert, einige andere HF-Frequenzen problemlos arbeiten. Auf Grund von Interferenzen und Multipath-Fading ist der Schlüssel zu einem zuverlässigen drahtlosen Kommunikationssystem eine große Kanal- und Pfad-Vielfalt zu nutzen, ohne dafür den Low- Power-Betrieb aufzugeben. Ein derartiges System wurde erstmals von Dust Networks (jetzt Teil von Linear Technology) mit seinem zeitsynchronisierten, Channel-hopping-Mesh- Netzwerk vorgestellt. Zeitsynchronisierte, Mesh-Netzwerke mit Kanalwechsel (Channel hopping) In einem zeitsynchronisierten, Mesh-Netzwerk mit Kanalwechsel sind alle drahtlosen Knoten über ein so genanntes Multihop-Netzwerk innerhalb einiger weniger zehn Mikrosekunden synchronisiert wobei die Zeit in Zeitschlitze eingeteilt wird. Die Kommunikation wird über einen Ablaufplan abgestimmt, der jedem Knoten angibt, was in jedem Timeslot zu tun ist (senden, empfangen, schlafen). Da sie synchronisiert sind, schaltet jeder Knoten seinen Funk nur dann ein, wenn er kommuniziert, was den Arbeitszyklus ihrer Funkverbindung signifikant reduziert (< 1 Prozent ist üblich) und damit auch die Lebensdauer der Batterie verlängert. Darüber hinaus ist der Ablaufplan flexibel, so dass das Netzwerk stets für die Applikation verfügbar ist, während andere „schlafende“ Netzwerkarchitekturen, das Netzwerk für längere Zeitspannen komplett abschalten. Jedes Datenpaket, das zwischen zwei Knoten gesendet wird ist für eine Frequenz unter Nutzung eines pseudozufälligen Hopping- Musters berechnet. Die resultierende Frequenzvielfalt ist eine effektive Methode Interferenzen und Multi-Path-Fading zu bekämpfen. Zeitsynchronisierte Mesh-Netzwerke ermöglichen Jahrzehnte an Batterielebenszeit und eine Zuverlässigkeit von > 99,999 Prozent Zeitsynchronisierte Mesh-Netzwerke sind erfolgreich Zeitsynchronisierte Mesh-Netzwerke mit Kanalwechsel sind bereits seit mehreren Jahren erfolgreich im Einsatz. Dust Networks stellte sein erstes Smart- Mesh-System im Jahr 2004 vor, und die verarbeitende Industrie war einer der ersten Anwender. Industrielle Anwendungen weisen einige der härtesten Betriebsumgebungen auf, haben jedoch gleichzeitig auch die strengsten Anforderungen an die Datenintegrität, welche, wenn sichergestellt, die Effizienz, Produktivität und Sicherheit industrieller Fabriken signifikant verbessert. Da traditionelle bedrahtete Sensoren teuer zu installieren sind, ist nur ein kleiner Teil der potentiellen Messpunkte in einer Fabrik mit Messstellen ausgestattet. Obwohl dies zu einer große Nachfrage für die drahtlose Kommunikation in industriellen Anwendungen führte, fehlte traditionellen drahtlosen Punkt-zu-Punkt-Systemen die benötigte Zuverlässigkeit, und sie waren schwierig zu installieren, was ihren Einsatz auf kleine, isolierte Anwendungen beschränkte. Mit der Einführung von zeitsynchronisierten Mesh-Netzwerken wurden drahtlose Low-Power- Kommunikationssysteme zur Realität, die eine Zuverlässigkeit haben, wie sie normalerweise nur drahtgebundene Systeme haben. Ihre Standardisierung im Industrie-Standard IEC62591 (auch als WirelessHART bekannt) sicherte die Interoperabilität innerhalb der verarbeitenden Industrie. Die meisten Produzenten, wie Emerson Process, Siemens, ABB, Endress & Hauser, Pepperl & Fuchs und Phoenix Contact haben WirelessHart-Produkte in ihrem Portfolio. Heute sind SmartMesh-Netzwerke, mit 30.000 Netzwerken, die in über 120 Ländern eingesetzt sind, breit akzeptiert. Damit wird die Sicherheit und Effizienz in vielen Anwendungen verbessert, die von Stahlwerken und Raffinerien über Offshore-Plattformen bis hin zu Nahrungs- und Getränkefabriken reichen. Über die verarbeitende Industrie hinaus wurden SmartMesh- Systeme bereits erfolgreich in Datenzentren und gewerblich genutzten Gebäuden eingesetzt, um die Kosten für die Klimatisierung zu senken. Streetline Networks ist ein Anbieter von intelligenten Parksystemen, die in Echtzeit die Verfügbarkeit von Parkplätzen in Städten anzeigen (Bild 2). Fahrzeugerkennungssysteme sind dazu im Boden der Parkplätze installiert und werden vom Verkehrsfluss überrollt. Dies bringt große Herausforderungen mit sich, da die Antenne im Boden untergebracht ist, und dann noch von einem Fahrzeug aus Metall bedeckt ist, wenn der Parkplatz belegt ist. Anwendungen wie diese, von denen man bisher annahm, dass sie unmöglich oder nicht praktikabel zu realisieren wären, können mit zeitsynchronisierten Mesh-Netzwerken mit Kanalwechsel aufgebaut werden. Eine auf Standards basierende Welt Standards spielen eine wichtige Rolle in der Netzwerktechnik, da die Endanwender, die Ent- Bild 4: Kleine TSCH basierte drahtlose Knoten, wie der LTP5901- IPM von Linear Technology, ermöglichen fünf bis zehn Jahre Batterielebenszeit und > 99,999 Prozent Übertragungssicherheit der Daten hf-praxis 4/2015 49
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