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Linear Technology

Wir leben in einer Welt von Sensoren. Überall dort, wo Sicherheit, Qualität oder Effizienzanforderungen überwacht und eingehalten werden müssen sind Sensoren anzutreffen – beispielsweise in Autos, Gebäuden, Fabriken. In den letzten Jahren wurden sie immer kleiner, preiswerter und energieeffizienter. Mit den sinkenden Preisen der Sensoren konnten jedoch die Installationskosten nicht Schritt halten. Sie betragen schon bei einfachen Applikationen mindestens das 10-fache. Der Aufbau eines preiswerten und zuverlässigen Sensornetzes ist hier gefragt.

Bei drahtlosen Sensornetzen (WSNs) kommen oftmals Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zum Einsatz. Nachteilig ist hierbei, je nach Umgebungsbedingungen, die zeitabhängige Zuverlässigkeit. Für einige Applikationen reicht dies völlig aus, aber bei Weitem nicht für alle.

Gebäudeautomation, Industriesteuerungen, Smartgrid, automatisierte Messinfrastruktur (AMI), Prozessautomation, Umweltmesstechniken, Park- und Verkehrsinfrastruktur, Energiemonitoring und Inventarüberwachung sind Märkte für drahtlose Netze.

Drahtlose Sensornetze

Mehrkanalige zeitsynchrone Maschennetze auf Basis von IEEE-802.15.4-Funk-Verbindungen bewältigen die meisten Herausforderungen beim Aufbau von flexiblen, zuverlässigen, drahtlosen Sensornetzen mit geringem Leistungsbedarf. Die Dust-Networks-Smart Mesh-Produkte von Linear beinhalten Bauelemente nach Wireless HART und auch 6LoWPAN-konforme IPv6-Produkte, die dem IEEE-Standard 802.15.4 entsprechen.

In den meisten Fällen sind dies Applikationen mit bidirektionaler asymmetrischer Datenerfassung, das heißt eine große Mengen von Sensoren sendet Daten zu einem zentralen Host, der die Prozesse steuert oder Änderungen in den Gerätekonfigurationen vornimmt.

Auswahl an Technologien

Idealerweise wünscht sich der Kunde preiswerte Technologien, die einen beliebigen Einbau der Sensoren zulassen, die Daten periodisch und zuverlässig mit geringer Latenz senden und das über die gesamte Lebensdauer des Gerätes hinweg ohne Batteriewechsel. Es gibt verschiedene in Wettbewerb zueinander stehende Technologien wie Satelliten- und Mobilfunk, Wi-Fi und eine Vielzahl an Lösungen auf Basis von IEEE-802.15.4-Funk.

Satelliten und Mobilfunk eignen sich zwar sehr gut für einen Großteil der Applikationen, nachteilig sind jedoch die hohen Kosten pro Datenpaket. Ein Tarifwechsel kann sehr teuer sein, selbst wenn der Serviceprovider für geringen Datenfluss eigene Zahlmodelle entwickelt hat. Ein weiteres Problem ergibt sich teilweise durch die Funkabdeckung. Für Applikationen mit geringem Datendurchsatz bei hoher Verbindungsqualität machen Satelliten- oder Mobilfunk jedoch durchaus Sinn.

Eine weitere Möglichkeit sind Wi-Fi-(IEEE 802.11b, g)-Sensoren. Sie sind gut verfügbar und die Energiekosten für ein Wi-Fi-Paket liegen viel niedriger als die beim Mobilfunk, monatliche Gebühren entfallen ebenfalls. Die größten Probleme bei dieser Lösung sind Verbindungsqualität und Abdeckung, da die Anzahl der notwendigen Accesspoints für eine zuverlässige Kommunikation mit fixen Sensoren höher liegt, als bei einem normalen Handytelefonat.

Bild 1: Energie, die erforderlich ist, um ein kurzes IEEE-802.15.4-Datenpaket zu übertragen und den Empfang zu bestätigen.

Bild 1: Energie, die erforderlich ist, um ein kurzes IEEE-802.15.4-Datenpaket zu übertragen und den Empfang zu bestätigen.Linear Technology

Im Vergleich dazu definiert der 802.15.4-Standard einen Physical Layer (PHY) und einen Medium Access Control (MAC) Layer für Kurzstreckenbetrieb mit geringem Energiebedarf. Durch verwendete Datenraten (bis 250 kbit/s), Paketgrößen (kleiner 128 Byte) und geringe Energieaufnahme eignet sich dieser Standard gut für WSNs. Werden beispielsweise einige Byte an Sensordaten versendet, einschließlich Routing, Verschlüsselung und so weiter dauert dies weniger als 1 ms. Dazu werden, die Bestätigung der sicheren Übertragung eingeschlossen, weniger als 30 µC benötigt (Bild 1). Die Sensoren können Datenpakete von Peers übertragen und erweitern so die Reichweite von Netzen weit über die Reichweite einfacher Funkverbindungen hinaus. Auch ist ein solches Netz im Vergleich zu einfachen Funkverbindungen, unempfindlicher gegenüber Übertragungsfehlern.

Ein drahtloses Datenerfassungssystem muss einige Leistungsmerkmale erfüllen. Dazu gehört eine hohe Zuverlässigkeit. Bei Industrie-Applikationen können fehlende Daten beispielsweise einen teuren Alarm auslösen. Ein bestimmter Datendurchsatz pro Sekunde gehört ebenfalls auf die Liste der Forderungen. Die empfangenen Datenpakete sind nur dann von Nutzen, wenn sie innerhalb einer gewissen Latenzzeit empfangen werden. Viele Prozesse beruhen auf ständigen Daten-Updates. Veraltete Daten sind für Steuerungen unbrauchbar. Und nicht zuletzt müssen viele Systeme rauen Umgebungsbedingungen standhalten, mit weiten Temperaturbereichen und hohen Sicherheitsrestriktionen.

Gesamtkosten und Flexibilität sind die Hauptauswahlkriterien für eine in Frage kommende Lösung. Die Gesamtkosten betreffen die Bereiche Produktentwicklung, Installation, Hardware und Energieverbrauch, bezogen auf die gesamte Lebensdauer der Installation. Drahtlose Technologien reduzieren die Installationskosten im Vergleich zu Kabelnetzen enorm. Batteriebetriebene drahtlose Geräte benötigen über die gesamte Lebensdauer des Netzes betrachtet einen Batteriewechsel.

Weiterhin muss abgewogen werden, ob es hinsichtlich der Hardware-Kosten sinnvoller ist, wenige Hochleistungskomponenten einzusetzen oder viele Komponenten mit niedrigerer Leistung. Beim Energy Harvesting ist weiterhin die Größe des Speicherkondensators ein wesentlicher Kostenfaktor.

Herausforderungen

Bild 2: Interferenz zwischen Wi-Fi und IEEE-802.15.4 im Frequenzband 2,400...2,485 GHz.

Bild 2: Interferenz zwischen Wi-Fi und IEEE-802.15.4 im Frequenzband 2,400…2,485 GHz.Linear Technology

Aus Gründen von Interferenzen und Mehrwegeausbreitung ist drahtlose Übertragung von Natur aus nicht so zuverlässig. Arbeiten zwei Sender auf demselben Kanal beeinträchtigen sich die Signale gegenseitig und müssen nochmals gesendet werden. Interferenz kann auch innerhalb eines Netzes auftreten sowie bei benachbarten Netzen, die im selben Funkband arbeiten oder bei Funkapplikationen, die auf derselben Frequenz arbeiten. Diese „externe“ Interferenz tritt besonders im lizenzfreien 2,400…2,485 GHz ISM-Band (Instrumentation-, Scientific- und Medical-Band) auf, in dem sich auch Wi-Fi, Bluetooth und IEEE-802.15.4 tummeln.

Bild 2 zeigt eine Büro-Anwendung wo 45 Funkknoten zwölf Millionen Pakete austauschen, die gleichzeitig über 16 Kanäle nach IEEE-802.15.4 übertragen werden. Gezeigt wird das durchschnittliche Datenübertragungsverhältnis des Kanals über den gesendet wird; ein Kanal wird von Wi-Fi überlappt und hat dadurch ein niedriges Übertragungsverhältnis.

Bild 3: Multipath-Fading beeinflusst die Qualität einer Verbindung sehr stark, selbst wenn man den Empfänger nur einige Zentimeter bewegt.

Bild 3: Multipath-Fading beeinflusst die Qualität einer Verbindung sehr stark, selbst wenn man den Empfänger nur einige Zentimeter bewegt. Linear Technology

Das zweite Phänomen ist das Multipath Fading, zu sehen in Bild 3. Ein gesendetes Datenpaket erreicht den Empfänger auf direktem Weg oder über Reflexion. Störungen dieser Art werden „self-interference“ genannt und sind schwieriger zu quantifizieren. Laufzeitunterschiede führen dabei zu einem Schwund zwischen 20 und 30 dB. Bild 3 wurde von einem Sender aufgenommen, der 1000 Pakete zu einem 5 m entfernten Empfänger sendet und auf einer Fläche von 35 cm x 20 cm unterschiedlich positioniert ist. Die z-Achse zeigt das Datenübertragungsverhältnis der Funkstrecke. An einigen Positionen gibt es keinen Empfang. Abhilfe schafft hier die wiederholte Aussendung der Pakete auf einer anderen Frequenz.

Bild 4: Die Entwicklung des Datenübertragungsverhältnisses einer drahtlosen Verbindung über die Zeit.

Bild 4: Die Entwicklung des Datenübertragungsverhältnisses einer drahtlosen Verbindung über die Zeit.Linear Technology

In Bild 4 ist das Datenübertragungsverhältnis einer Funkstrecke zwischen zwei Sensoren dargestellt, gemessen über 26 Tage und für jeden der 16 verwendeten Kanäle. Es gibt Unterschiede zwischen Arbeitstag und Wochenende. Die Zuverlässigkeit der Kanäle variiert sehr stark. Selbst Kanal 17, der generell gut ist, zeigt eine Periode, mit schlechtem Datenempfang. Das Verhalten sämtlicher Netzpfade ist einheitlich jedoch mit unterschiedlicher Kanal-Performance, und nicht jeder Kanal eignet sich für jede Stelle im Netz gleich gut.

Lösungen

Eine gut geeignete Lösung für WSN ist also IEEE-802.15.4 im 915-MHz-Band für die USA und im 2,4-GHz-ISM-Band weltweit. Immun gegen Störungen ist der 2,4-GHz-Band Spreadspectrum-PHY. Gerade für Niedrigenergie-Komponenten, die im überfüllten ISM-Band arbeiten ein sehr wichtiges Kriterium. Auch definiert dieser Standard einen zuverlässigen, bestätigten und Paket-(oderFrame)-basierten MAC-Layer mit optionaler Verschlüsselung und Authentifizierung. Diese flexible Lösung ist die Basis verschiedener Proprietäts- und auf Standards basierender Protokolle. Dazu gehört auch Zig Bee, das verwendet wird, um ein nichtsynchrones Einkanal-Netz zu realisieren. IEEE 802.15.4 ist auch die Basis des Wireless HART-Protokolls, das bei synchronen Mehrkanal-Netzen eingesetzt wird.

Das Wireless HART-Protokoll wurde entwickelt, um drahtlose Geräte in bestehende, kabelgebundene HART-Installationen integrieren zu können. Wireless HART erweitert den HART-Application-Layer-Befehlssatz. Befehle zum Managen von drahtlosen Funktionen und zur Überwachung der korrekten Netzwerkfunktionen wurden hinzugefügt. Diese sehr zuverlässig arbeitenden Netzwerke werden zentral verwaltet. Die Wireless-Sensoren senden die Statusinformationen an den Manager, der mit diesen Informationen das Netzwerk aufbaut und optimiert.

Im Frühjahr diesen Jahres wurde der IEEE-802.15.4e-Standard um Zeitschlitz- und Kanal-Hopping, wie sie im Wireless-HART 802.15.4-MAC-Layer vorhanden sind, ergänzt. Der Standard definiert Mechanismen, die zum Synchronisieren der Netzkomponenten für die Anzeige der Synchronisations-Informationen erforderlich sind. Außerdem wird die zeitbasierte Sicherheit bereitgestellt und Zeitschlitz-Kommunikation und Hopping-Sequenz definiert. Durch die Dateneinkapselung in so genannte „Informationselemente“ kann der Anwender den MAC erweitern, ohne auf Updates des Standards warten zu müssen. Geplant ist eine vereinfachte Entwicklung des Multilayer-Protokolls und die Ankopplung an den 6LoWPAN-compressed IPv6 Network-Layer wie er in IETF RFCs 4944 und 6282 definiert ist.

Anwendungen

Bild 5: Blockdiagram des LTC5800 Dust Eterna.

Bild 5: Blockdiagram des LTC5800 Dust Eterna. Linear Technology

Die Dust-Networks-Smart Mesh-Produkte von Linear Technology beinhalten Bauteile nach Wireless HART und auch 6LoWPAN-konforme IPv6-Produkte, die dem Standard 802.15.4 entsprechen. Diese WSN-Lösungen sind sehr zuverlässig und sparsam. Bei den sehr kleinen Dust-Eterna-Bauteilen der LTC5800-Familie handelt es sich um Single-Chip-Bausteine mit Mikroprozessorkern Cortex-M3, Speicher und Peripherie (Bild 5). Der Dust-Manager skaliert bis zu Tausende von Komponenten, die Daten bereitstellen und Schnittstellen zum Netz bieten. Beide Produktfamilien bilden ein hoch zuverlässiges Multihop-Maschennetz für jede konfigurierbare Datenrate.

Zur Veranschaulichung dienen einige Applikationsbeispiele. Streetline ist ein Parkplatzanbieter, der die Verfügbarkeit von Parkplätzen in Echtzeit übermittelt. Die Detektoren sind unter dem Parkplatz im Pflaster platziert. Die Antennen befinden sich somit unter der Oberfläche und werden durch das Fahrzeug abgedeckt. Um eine Sichtverbindung zu den verdeckten Sensoren herstellen zu können, wurden Repeater an den Straßenlaternen in erhöhter Position angebracht. Die Repeater bilden ein Multihop-Maschennetz zur Übermittlung der Daten über die Parkplatzbelegung an einen lokalen Netzwerkmanager, der die Daten an eine Stadt-übergreifende Datenbank weiterleitet. Von dort aus werden die komprimierten Daten an Kunden und die Verwaltung weitergeleitet. Da es unmöglich wäre, zu jedem Parkplatz ein Kabel zu legen, ist hier eine Wireless-Applikation optimal geeignet. Eine Wireless-Lösung mit geringem Energieverbrauch reduziert zudem die Anzahl der erforderlichen Batteriewechsel.

Bild 6: Netzarchitektur der Prozess-Steuerung in einer Raffinerie.

Bild 6: Netzarchitektur der Prozess-Steuerung in einer Raffinerie.Linear Technology

Chevron nutzt Wireless-Netze zur Überwachung von Ölextraktion und Raffination. Bei derart rauen Umgebungsbedingungen ist es unmöglich, Rohre für Sensorleitungen zu legen. Die drahtlosen Sensoren sind an verschiedenen Stellen der Raffinerie installiert (Bild 6). Zum Sammeln und Übertragen der Daten an eine Steuerzentrale wurde ein Cisco IEEE-802.11a-Wireless-Maschennetz installiert. Die von den Niedrigenergie-Sensoren gesammelten Daten werden vom zentralen Manager zusammengefasst und zuverlässig weitergeleitet.