Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska Zygmunt Kubiak 1
Kierunki rozwoju sieci sensorowych Wprowadzenie do sieci WSN Protokół EnOcean Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Przykłady zastosowań Podsumowanie Zygmunt Kubiak 2
Wprowadzenie do sieci WSN Bezprzewodowa sieć sensorowa (BSS, ang. WSN Wireless Sensor Network) Sieć radiowa małej mocy nadawczej Niski pobór prądu przez węzły sieci Węzły realizowane na najnowszych, monolitycznych radiowych układach nadawczo odbiorczych Węzły bezpośrednio współpracują z jednym lub wieloma sensorami (lub prostymi układami wykonawczymi) Węzły sieci BSS (WSN) często w uproszczeniu nazywane są sensorami Zygmunt Kubiak 3
Wprowadzenie do sieci WSN BSS coraz częściej stosowane są w systemach przemysłowych Ocenia się, że sieci tej klasy będą stopniowo wypierać okablowanie wejść/wyjść w systemach sterowania Zasięg stosowalności rozwiązań BSS nie ogranicza się oczywiście tylko do zastosowań przemysłowych ale dotyczy właściwie wszystkich obszarów działalności człowieka, w tym zastosowań medycznych, wojskowych, inteligentnych budynków, gospodarstw domowych itp. Zygmunt Kubiak 4
Wprowadzenie do sieci WSN Coraz więcej rozwiązań radiowych spotykamy w życiu codziennym Zygmunt Kubiak 5
Wprowadzenie do sieci WSN Szczególne znaczenie dla sieci sensorowych miała standaryzacja sieci WPAN (ang. Wireless Personal Area Networks) a dokładniej opracowanie protokołów IEEE 802.15.4 dla sieci WPAN Low Rate a później ZigBee Pierwsza wersja standardu ZigBee, opartego na IEEE 802.15.4 dostępna była w 2005 roku Zygmunt Kubiak 6
Wprowadzenie do sieci WSN To co wyróżnia rozwiązania ZigBee wśród innych sieci bezprzewodowych to następujące parametry: bardzo niski pobór mocy (baterie starczają od 6 miesięcy do kilku (-nastu) lat); urządzenie ZigBee ma tylko dwa tryby pracy: albo jest active (nadawanie/odbieranie) albo sleep; w przypadku Bluetooth występuje wiele różnych trybów co zdecydowanie utrudnia optymalizację poboru mocy; niski koszt urządzeń, instalacji i eksploatacji; możliwa duża gęstość węzłów sieci; prosty protokół i łatwa implementacja; stos kodu protokołu jest szacowany na około ¼ w stosunku np. do Bluetooth; niezawodny transfer danych; wysoki poziom bezpieczeństwa transmisji. Zygmunt Kubiak 7
Wprowadzenie do sieci WSN Obszary zastosowań rozwiązań IEEE 802.15.4/Zig-Bee; oznaczenia: AMR (ang. Automatic Meter Reading) automatyczny odczyt liczników, HVAC (ang. Heating, Ventilation and Air Conditioning) - klimatyzacja Monitorowanie Sensoryka Diagnostyka Monitorowanie Sensoryka Systemy AMR Automatyzacja Sterowanie Bezpieczeństwo Systemy HVAC Systemy AMR Oświetlenie Osobista ochrona zdrowia Przemysł Rolnictwo Ochr.środow. Automatyzacja budynków Urządzenie radiowe o małej prędkości transmisji danych IEEE 802.15.4/ZigBee Sprzęt RTV TV VCR CD/DVD Zdalne sterowanie Urządzenia peryferyjne PC Gry i zabawki Mysz Klawiatura Palmtop Tablet Edukacyjne Konsole do gier Zabawki mechaniczne Zygmunt Kubiak 8
Protokół EnOcean EnOcean GmbH jest niewielką niemiecką firmą powstałą w 2001 roku. Jest ona producentem i dostawcą modułów do transmisji bezprzewodowej dla takich firm jak Siemens, Osram, Wieland Electric, Wago itd., przeznaczonych do automatyzacji budynków (np. klimatyzacja, oświetlenie) a także w przemyśle motoryzacyjnym. Główne założenie tych produktów to bezbateryjne zasilanie (tzw. samo-zasilające bezprzewodowe sensory). Do zasilania wykorzystuje się różne rozwiązania jak mikrogeneratory elektromagnetyczne, piezoelektryczne, baterie słoneczne czy termoogniwa. Zygmunt Kubiak 9
Protokół EnOcean Sieć EnOcean może zawierać trzy podstawowe typy węzłów, tzn. bezbateryjne radiosensory (nadajniki), układy wykonawcze (odbiorniki) oraz węzły nadawczo-odbiorcze, które mogą pełnić rolę m.in. urządzeń końcowych, retransmisyjnych jak i bram do innych sieci (np. LON, EIB, Modbus, ZigBee) Zygmunt Kubiak 10
Protokół EnOcean Architektura systemu EnOcean Zygmunt Kubiak 11
Protokół EnOcean Typowy format ramki EnOcean Zygmunt Kubiak 12
Protokół EnOcean Zależności czasowe w protokole EnOcean dla różnych typów węzłów Zygmunt Kubiak 13
Protokół EnOcean Skuteczność metody arbitrażu przyjętej w EnOcean Zygmunt Kubiak 14
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Zjawiska fizyczne przewidziane do wytwarzania energii dla potrzeb modułów nadawczych w systemie EnOcean liniowy ruch/nacisk (elektrodynamiczny konwerter energii - np. PTM 200), oświetlenie (ogniwo słoneczne np. STM 110), zmiana temperatury (element Peltiera np. ECT 100), rotacja (np. przepływomierze gazu, wody), wibracja (np. maszyny, silniki pojazdów). Zygmunt Kubiak 15
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Elektrodynamiczny konwerter energii Zygmunt Kubiak 16
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Elektrodynamiczny konwerter energii ECO 100 Zygmunt Kubiak 17
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Elektrodynamiczny konwerter energii Zygmunt Kubiak 18
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Elektrodynamiczny konwerter energii Zygmunt Kubiak 19
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Elektrodynamiczny konwerter energii Zygmunt Kubiak 20
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Ogniwo słoneczne Zygmunt Kubiak 21
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Ogniwo słoneczne Zygmunt Kubiak 22
Rozwiązania sprzętowe w systemie EnOcean Element Peltiera Zygmunt Kubiak 23
Przykłady zastosowań Hotel Platzl w Monachium (2006 r.) Użyto tam 1300 przełączników (nadajników) radiowych EnOcean oraz 180 przełączników wykonawczych (odbiorników) Zygmunt Kubiak 24
Przykłady zastosowań Wieżowiec Tore Espacio w Madrycie 57 kondygnacji, 223 m. Użyto tam 4000 przełączników punktów świetlnych i sterowników żaluzji Zygmunt Kubiak 25
Podsumowanie Sieć EnOcean bazuje na zdecydowanie prostszym protokole od ZigBee. Istotną cechę EnOcean stanowią rozwiązania bezbateryjnego zasilania nadajników. Do zalet protokołu należy też przyjęta metoda dostępu do medium transmisyjnego polegająca na trzykrotnym powtórzeniu nadawanej ramki, w tym jednej z pseudolosowym odstępem. Mimo braku kontroli stanu medium w nadajnikach, sposób ten zapewnia bardzo wysoką skuteczność poprawnego odbioru ramki w systemie. Wadę natomiast stanowi brak zabezpieczeń poufności transmisji (brak szyfrowania). Zygmunt Kubiak 26
Podsumowanie Sieć EnOcean bazuje na zdecydowanie prostszym protokole od ZigBee. Istotną cechę EnOcean stanowią rozwiązania bezbateryjnego zasilania nadajników. Do zalet protokołu należy też przyjęta metoda dostępu do medium transmisyjnego polegająca na trzykrotnym powtórzeniu nadawanej ramki, w tym jednej z pseudolosowym odstępem. Mimo braku kontroli stanu medium w nadajnikach, sposób ten zapewnia bardzo wysoką skuteczność poprawnego odbioru ramki w systemie. Wadę natomiast stanowi brak zabezpieczeń poufności transmisji (brak szyfrowania). Zygmunt Kubiak 27
Podsumowanie Sieć EnOcean bazuje na zdecydowanie prostszym protokole od ZigBee. Istotną cechę EnOcean stanowią rozwiązania bezbateryjnego zasilania nadajników. Do zalet protokołu należy też przyjęta metoda dostępu do medium transmisyjnego polegająca na trzykrotnym powtórzeniu nadawanej ramki, w tym jednej z pseudolosowym odstępem. Mimo braku kontroli stanu medium w nadajnikach, sposób ten zapewnia bardzo wysoką skuteczność poprawnego odbioru ramki w systemie. Wadę natomiast stanowi brak zabezpieczeń poufności transmisji (brak szyfrowania). Zygmunt Kubiak 28
Podsumowanie Sieć EnOcean bazuje na zdecydowanie prostszym protokole od ZigBee. Istotną cechę EnOcean stanowią rozwiązania bezbateryjnego zasilania nadajników. Do zalet protokołu należy też przyjęta metoda dostępu do medium transmisyjnego polegająca na trzykrotnym powtórzeniu nadawanej ramki, w tym jednej z pseudolosowym odstępem. Mimo braku kontroli stanu medium w nadajnikach, sposób ten zapewnia bardzo wysoką skuteczność poprawnego odbioru ramki w systemie. Wadę natomiast stanowi brak zabezpieczeń poufności transmisji (brak szyfrowania). Zygmunt Kubiak 29
Zygmunt Kubiak 30