merjenje oddaljenosti objektov s pomo Čjo brezŽi … · 2018. 8. 24. · ozna čene vrvi, ozna...
TRANSCRIPT
-
Štefan Žagar
MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMOČJO BREZŽIČNEGA OMREŽJA
ZIGBEE
Diplomsko delo
Maribor, avgust 2009
-
I
Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa
MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV
S POMOČJO BREZŽIČNEGA OMREŽJA ZIGBEE
Študent: Štefan ŽAGAR
Študijski program: UN ŠP Elektrotehnika
Smer: Avtomatika
Mentor: red. prof. dr. Žarko ČUČEJ
Lektor: Sašo GOLOB
Maribor, avgust 2009
-
II
-
III
ZAHVALA
Zahvaljujem se mentorju za pomoč in vodenje
pri opravljanju diplomskega dela. Prav tako gre
posebna pohvala vsem zaposlenim v podjetju
Telargo d.o.o.
Posebna zahvala velja staršem, ki so mi
omogočili študij.
Lepo se zahvaljujem tudi vsem ostalim, ki so
kakorkoli pomagali, da ima moje diplomsko
delo takšno obliko, kot jo imate pred seboj.
-
IV
MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMOČJO
BREZŽIČNEGA OMREŽJA ZIGBEE
Ključne besede: telekomunikacije, brezžična senzorska omrežja, ZigBee tehnologija,
WPAN standard IEEE 802.15.4, identifikacija razdalje
UDK: 621.398:681.586(043.2)
Povzetek
Diplomsko delo obravnava merjenje oddaljenosti objektov oziroma merjenje razdalj
med objekti s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee. Na kratko opisuje standarde za
brezžična osebna omrežja (WPAN), ki jih definira delovna skupina IEEE 802.15.
Podrobno je obravnavan standard IEEE 802.15.4, ki je osnova tehnologije ZigBee.
Prav tako so na kratko opisana brezžična senzorska omrežja. V praktičnem delu
diplomskega dela so predstavljene meritve sprejete moči signala (RSSI) na ZigBee
modulu pri določenih razdaljah in na različnih lokacijah. Del diplomskega dela je bil
opravljen v podjetju Telargo d.o.o., kjer se je testiral senzor bližine osnovan na
tehnologiji ZigBee.
-
V
MEASUREMENT OF DISTANCES BETWEEN OBJECTS BY
WIRELESS SENSOR NETWORK ZIGBEE
Key words: telecommunication, wireless sensor networks, ZigBee technology, WPAN
standard IEEE 802.15.4, distance identification
UDK: 621.398:681.586(043.2)
Abstract
The diploma work deals with measurement of distances between objects by wireless
sensor network ZigBee. It also briefly describes the standards for wireless personal
networks (WPAN) that are defined by the IEEE 802.15 working group. The standard
IEEE 802.15.4, which is the basis for the ZigBee technology, is discussed in detail. In
addition, wireless sensor networks are also described. In the practical part of the
diploma work measurements of the received signal strength (RSSI) on the ZigBee
module are presented. This measurements were taken at various distances and at
different locations. Some part of the diploma work was done at company Telargo d.o.o.,
where the proximity sensor based on ZigBee technology was tested.
-
VII
VSEBINA
1 UVOD.................................................................................................................................................1
1.1 NAMEN IN CILJ ......................................................................................................................1
1.2 PREGLED POSAMEZNIH POGLAVIJ...................................................................................2
2 DELOVNA SKUPINA IEEE 802.15 ...............................................................................................3
2.1 WPAN STANDARDI IEEE 802.15.X IN PRIPADAJOČE OPRAVILNE SKUPINE .............3
2.2 PODROBNEJŠI OPIS WPAN STANDARDA IEEE 802.15.4 .................................................5
2.2.1 FIZIČNA PLAST...................................................................................................................6
2.2.2 MAC PODPLAST .................................................................................................................9
2.2.3 PROBLEMI KOEKSISTENČNOSTI V STANDARDU IEEE 802.15.4 ...............................15
2.2.4 OSTALI IEEE 802.15.4 STANDARDI IN OPRAVILNE SKUPINE....................................15
3 ZIGBEE TEHNOLOGIJA ............................................................................................................17
3.1 OMREŽNA PLAST ................................................................................................................19
3.2 APLIKACIJSKA PLAST........................................................................................................20
3.3 OMREŽNE TOPOLOGIJE.....................................................................................................21
3.4 ZIGBEE ALLIANCE..............................................................................................................22
3.5 BREZŽIČNO POVEZOVANJE IN ZIGBEE V INDUSTRIJSKIH OKOLJIH ......................23
4 BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA ....................................................................................25
4.1 KOMPONENTE BREZŽIČNEGA SENZORSKEGA VOZLIŠČA .......................................25
4.2 LOKALIZACIJA ....................................................................................................................28
4.3 ČASOVNA SINHRONIZACIJA ............................................................................................32
4.4 NASLAVLJANJE...................................................................................................................34
4.5 KONTROLIRANJE PORABE................................................................................................35
4.6 PROGRAMIRANJE IN APLIKACIJE BREZŽIČNIH SENZORSKIH OMREŽIJ................35
4.7 BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA V PRAKSI.............................................................37
5 UPORABLJENA STROJNA OPREMA ......................................................................................39
5.1 XBEE MODULI......................................................................................................................39
5.2 PODJETJE TELARGO D.O.O................................................................................................40
5.3 TELARGO MOBILNA ENOTA.............................................................................................42
5.4 JTAG EMULATOR ................................................................................................................45
5.5 SENZOR BLIŽINE .................................................................................................................46
6 UPORABLJENA PROGRAMSKA OPREMA............................................................................49
6.1 X-CTU.....................................................................................................................................49
-
VIII
6.2 RAZVOJNO OKOLJE CODE COMPOSER STUDIO...........................................................50
6.3 MICROSOFT VISUAL BASIC 2008 EXPRESS EDITION...................................................52
7 PRAKTIČNI DEL ..........................................................................................................................53
7.1 RADIJSKI KANALI ZA BREZŽIČNA KOMUNIKACIJSKA OMREŽJA...........................53
7.2 MERJENJE SPREJETE MOČI SIGNALA (RSSI) .................................................................58
7.3 NAVADEN MODUL XBEE S CHIP ANTENO.....................................................................62
7.4 PRO MODUL XBEE-PRO Z WHIP ANTENO ......................................................................68
7.5 SENZOR BLIŽINE .................................................................................................................74
8 SKLEP .............................................................................................................................................81
9 VIRI, LITERATURA.....................................................................................................................83
10 PRILOGE........................................................................................................................................85
10.1 SEZNAM SLIK.......................................................................................................................85
10.2 SEZNAM TABEL...................................................................................................................87
10.3 SEZNAM GRAFOV ...............................................................................................................88
10.4 NASLOV ŠTUDENTA...........................................................................................................89
10.5 KRATEK ŽIVLJENJEPIS ......................................................................................................89
-
IX
UPORABLJENI SIMBOLI
B – pasovna širina
c – hitrost svetlobe
Ct – izgube na kablih
d – razdalja med sprejemnikom in oddajnikom
d0 – vrednost odvisna od antene
D – največja dimenzija antene
f – frekvenca radijsko-frekvenčnega signala
fc – nosilna frekvenca radijsko-frekvenčnega signala
Gr – ojačitev sprejemne antene
Gt – ojačitev oddajne antene
I – fazni nosilec
k – Boltzmannova konstanta
L – izgubni faktor
n – vrednost, ki je odvisna od prostora v katerem se širi radijsko-frekvenčni signal
Pr – sprejeta moč
Pt – oddajna moč
R – radij Fresnelove cone
Q – pravokotni fazni nosilec
Tc – čas zakasnitve Q-faznega nosilca
Tsis – nadomestna temperatura šuma celotnega sistema
τ – zakasnitev prenosa
λ – valovna dolžina
-
XI
UPORABLJENE KRATICE
ACL – seznam za kontrolo dostopa
AES – napredni enkripcijski standard
APS – aplikacijska podplast
BPSK – binarna fazna modulacija
CAP – prvi časovni interval znotraj aktivne periode
CCA – dostop do prostega kanala
CFP – drugi časovni interval znotraj aktivne periode
CP – celoten časovni interval aktivne periode
CRC – ciklično preverjanje redundance podatkov
CSMA/CA – sodostop z zaznavanjem nosilca/izogibanje trka
CSS – razprostrta spektralna tehnika
CSV – format datoteke, ki vsebuje z vejico ločene vrednosti
DSP – digitalni signalni procesor
EEPROM - električno izbrisljiv programirljiv bralni pomnilnik
EIRP – ekvivalentna izotropična oddajna moč
FCS – sekvenca za preverjanje okvirja
FFD – polno-funkcionalna naprava
GPS – sistem za globalno pozicioniranje
GTS – zajamčena časovna reža
IEEE – inštitut inženirjev elektrotehnike in elektronike
LSB – najmanj pomemben bit
MAC – krmiljenje dostopa do prenosnega medija
MSB – najbolj pomemben bit
-
XII
O-QPSK – zamaknjena kvadraturna fazna modulacija
OEM – izdelek originalnega proizvajalca
PAN – osebno omrežje
PPDU – protokolna podatkovna enota fizične plasti
RAM – bralno-pisalni pomnilnik
RFD – reducirano-funkcionalna naprava
RSSI – sprejeta moč signala
SNR – razmerje signal/šum
TDoA – metoda merjenja razdalje s pomočjo merjenja razlike časov prihodov signalov
TG – opravilna skupina
ToA – metoda merjenja razdalje s pomočjo merjenja časa prihoda signala
UWB – ultra-širokopasovna radijska tehnologija
WLAN – brezžično lokalno omrežje
WPAN – brezžično osebno omrežje
WSN – brezžično senzorsko omrežje
ZDO – del ZigBee standarda (definira vloge ZigBee naprav)
-
1 UVOD
Zahteva po merjenju razdalje je zelo stara in se ni spremenila do današnjih dni, ko se
zahteve po hitrejših in točnejših meritvah razdalj samo stopnjujejo. Prvotno trgovanje je
potekalo predvsem znotraj mest, kjer so za izmenjavo blaga uporabljali neko enoto za
merjenje razdalj. S širjenjem trgovine med različnimi mesti in kulturami pa je nastala
težava zaradi neenotnosti merskih enot. To za trgovanje ni bilo ugodno, zato so se kmalu
uvedle merske enote. Da bi bile merske enote za razdaljo poenotene, so uvedli enoto meter.
Večina držav uporablja to enoto in njegove desetiške mnogokratnike, kot so: mm, cm, dm,
km itd. Hkrati so se razvijale tudi različne merilne naprave: palice z določeno dolžino,
označene vrvi, označeni trakovi itd. Danes za meritve razdalj uporabljamo tudi bolj
zapletene naprave, kot so sonar, radar in laserske naprave.
Rdeča nit diplomske naloge je merjenje oddaljenosti objektov oziroma merjenje razdalj
med objekti na brezkontaktni način s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee.
Potrebe po brezkontaktnem merjenju razdalj oziroma določanju prisotnosti objektov v
nekem območju, so vedno večje. Težave se pojavijo predvsem tam, kjer so objekti mobilni.
Ponavadi je težavna tudi identifikacija teh objektov. V nadaljevanju bomo predstavili, kako
lahko s pomočjo ZigBee tehnologije zgradimo takšen sistem, kjer se takšne težave ne
pojavijo.
1.1 NAMEN IN CILJ
Glavne značilnosti naprav, ki temeljijo na tehnologiji ZigBee so majhne dimenzije, poceni
izdelava, nizka poraba in enostavna realizacija, prav tako pa tudi nizka prenosna hitrost ter
krajši domet. Zaradi slednje lastnosti se bomo osredotočili samo na meritve oddaljenosti
objektov na razdaljah do 200 metrov.
Namen diplomskega dela je preučiti in predstaviti WPAN standard IEEE 802.15.4 ter na
njem temelječo tehnologijo ZigBee. Prav tako je namen na kratko predstaviti brezžična
senzorska omrežja.
-
2 Štefan Žagar, Diplomsko delo
Cilj diplomskega dela je zgraditi sistem dveh ZigBee naprav, s pomočjo katerega bomo
lahko določili razdaljo med dvema objektoma, ki imata pritrjeno vsak svojo ZigBee
napravo. Razdaljo bomo določili preko meritev sprejete moči signala (RSSI) ZigBee
naprave. Ugotavljali bomo tudi, kakšen vpliv imajo ovire na meritve razdalj ter ali je
takšno merjenje razdalj dovolj natančno (in v kakšnih pogojih) za uporabo v industriji.
Prav tako bomo s pomočjo senzorja bližine, osnovanim na tehnologiji ZigBee, prožili
dogodke, ki nam povedo, da je trenutno nek objekt v izbranem območju drugega objekta.
1.2 PREGLED POSAMEZNIH POGLAVIJ
V drugem poglavju diplomskega dela je na kratko predstavljen glavni namen delovne
skupine IEEE 802.15. Ob tem je podrobneje predstavljen standard IEEE 802.15.4 in na
njem osnovana tehnologija ZigBee, kar vključuje podajanje bistvenih lastnosti standarda
(fizična in MAC podplast) ter prednosti in pomanjkljivosti omrežij, ki so zgrajena na tej
osnovi in veliko več.
Tretje poglavje diplomskega dela opisuje zgradbo ZigBee standarda (omrežna in
aplikacijska plast) in omrežne topologije, ki jih podpira (peer to peer, zvezda, drevo in
mesh). Ob koncu tega poglavja smo se osredotočili še na združenje podjetij ZigBee
Alliance.
V četrtem poglavju diplomskega dela smo predstavili glavne značilnosti brezžičnih
senzorskih omrežij (WSN). Predstavili smo lokalizacijo, časovno sinhronizacijo,
naslavljanje in kontroliranje porabe v brezžičnih senzorskih omrežjih. Prav tako smo
pregledali področje uporabe brezžičnih senzorskih omrežij v praksi.
V petem in šestem poglavju diplomskega dela smo opisali uporabljeno strojno in
programsko opremo. Del te opreme je last podjetja Telargo d.o.o. Poudarek je prevsem na
opisu razvojnega okolja Code Composer Studio, uporabljenih XBee modulih, Telargo
mobilne enote in senzorja bližine, narejenim v podjetju Telargo d.o.o.
V sedmem in osmem poglavju diplomske naloge smo podrobneje predstavili praktični del
diplomskega dela in podali sklep. Glavni povdarek je na opisu določitve razdalj med
objektoma glede na meritev sprejete moči signala (RSSI). Opisane so tudi meritve s
senzorjem bližine osnovanim na tehnologiji ZigBee.
V zadnjih poglavjih so navedeni viri in literatura ter dodane priloge.
-
2 DELOVNA SKUPINA IEEE 802.15
Delovna skupina IEEE 802.15 se osredotoča na razvoj in objavo standardov, ki so
namenjeni brezžičnim osebnim omrežjem (WPAN - angl. Wireless Personal Area
Network) [5]. Omrežja WPAN se uporabljajo za prenos informacij na kratke razdalje med
prenosnimi napravami kot so dlančniki, mobilni telefoni, prenosni računalniki in
potrošniška elektronika. Za povezovanje preko WPAN omrežij potrebujemo zelo malo
infrastrukture, kar omogoča majhne, učinkovite in poceni rešitve.
Standard IEEE 802.15 definira specifikacijo fizične plasti in MAC podplasti brezžičnih
naprav v WPAN omrežju. Cilj skupine je objaviti standarde, priporočene prakse in
vodnike, ki imajo široko uporabo na trgu. Prav tako je pomembno povezovanje in
soobstajanje z drugimi žičnimi in brezžičnimi omrežji. Standarde in nekatere opravilne
skupine, tudi imenovane task group (v nadaljevanju TG), bomo na kratko opisali v
naslednjem poglavju. IEEE 802.15.4 standard in opravilna skupina TG4, temelj brezžičnih
omrežij, osnovanih na tehnologiji ZigBee, bosta podrobneje opisani v samostojnem
poglavju (2.2).
2.1 WPAN STANDARDI IEEE 802.15.X IN PRIPADAJOČE OPRAVILNE
SKUPINE
IEEE 802.15.1 standard temelji na specifikacijah brezžične tehnologije Bluetooth, ki jih je
osnoval konzorcij Bluetooh SIG (angl. Special Interest Group) [8]. Prvotni cilj opravilne
skupine TG1 je bil, da omogoči prenos podatkov med WPAN napravami in IEEE 802.11
razredom naprav. Čeprav se je ta cilj izkazal za nedosegljiv, IEEE 802.15.1 standard
opredeli mehanizme, ki omogočajo boljše sobivanje z IEEE 802.11b razredom naprav. Prvi
standard IEEE 802.15.1-2002 je bil zasnovan po specifikacijah Bluetooth-a verzije 1.1,
medtem ko je zadnji standard iz te skupine, IEEE 802.15.1-2005, bil zasnovan po
specifikacijah Bluetooth-a verzije 1.2. Leta 2005 se je opravilna skupina TG1 odločila, da
konča sodelovanje s konzorcijem Bluetooth SIG, ki sedaj sam nadzoruje razvoj vseh
-
4 Štefan Žagar, Diplomsko delo
Bluetooth standardov. Prav tako nadzoruje licenciranje tehnologije in blagovne znamke
Bluetooth za proizvajalce.
Slika 2.1: Konzorcij Bluetooth SIG
Cilj opravilne skupine TG2 je predlagati rešitve za vse IEEE 802.15 standarde z namenom
podati izboljšave glede souporabe več brezžičnih naprav v nelicenčnem frekvenčnem
območju. Za ta namen je opravilna skupina TG2 razvila model, ki ovrednoti medsebojne
motnje naprav v omrežju WPAN ter ostalimi omrežji, kot je recimo omrežje WLAN
(angl. Wireless Local Area Network), ki je osnovan po standardu IEEE 802.11.
Opravilna skupina TG3 ima nalogo, da razvije standard, ki poleg nizke porabe in nizke
cene omogoča visoko prenosno hitrost (več kot 20 Mbit/s) za potrebe multimedijskih
aplikacij. Tako se je razvil standard 802.15.3, ki pozna več podskupin. Iz standarda IEEE
802.15.3a izhaja tehnologija ultraširoke pasovne širine UWB (angl. Ultra Wideband). Ta
standard je trenutno zaradi nesoglasij med proizvajalci nedorečen. Opravilna skupina
TG3b išče učinkovite spremembe na MAC podplasti, TG3c pa na fizični plasti. Standard
IEEE 802.15.3c, ki še ni natančno dorečen, naj bi omogočal zelo visoko prenosno hitrost
(več kot 2 Gbit/s).
Opravilna skupina TG5 je zadolžena za določitev fizične plasti in MAC podplasti za
vzpostavitev mesh WPAN omrežja.
TG6 opravilna skupina razvija komunikacijski standard optimiziran za nizko porabo in
delovanje naprav v ali na človeškem telesu za različne potrebe, vključujoč medicinsko in
zabavno področje.
S standardom za komunikacijo s pomočjo vidne svetlobe VLC (angl. Visible Light
Communications) se ukvarja opravilna skupina TG7.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 5
2.2 PODROBNEJŠI OPIS WPAN STANDARDA IEEE 802.15.4
Pri razvoju Bluetooth-a je postalo jasno, da tehnologija, ki bi ugodila vsem zahtevam
različnih aplikacij, ni pravi način razvoja. Ker so nekatere aplikacije, uporabljene v
industriji, medicini in kmetijstvu, težile k nizki porabi in nizki ceni izdelave, se je pojavila
zahteva po novem standardu. Hiter prenos podatkov ni bil ključnega pomena za te
aplikacije in tako je nastal standard IEEE 802.15.4.
Standard IEEE 802.15.4 podaja specifikacijo fizične plasti in MAC podplasti [2], medtem
ko je za omrežno in aplikacijsko plast odgovorno združenje podjetij ZigBee Alliance.
Slika 2.2: Razpored plasti med standardom IEEE 802.15.4 in ZigBee Alliance
Glavni cilj standarda je enostaven, vendar učinkovit in fleksibilen protokol.
Omrežje IEEE 802.15.4 je lahko zgrajeno iz dveh vrst naprav, ki delujejo v različnih
načinih:
• polno-funkcionalna naprava FFD (angl. Full Function Device)
o omrežni koordinator
o koordinator
o omrežna naprava
• reducirano-funkcionalna naprava RFD (angl. Reduced Function Device)
Polno-funkcionalne naprave nadzorujejo omrežje in lahko menjujejo med tremi načini
delovanja. Reducirano-funkcionalne naprave ne morejo nadzorovati omrežja in lahko
komunicirajo samo s polno-funkcinonalnimi napravami.
-
6 Štefan Žagar, Diplomsko delo
Pomembna lastnost omrežij, zgrajenih po standardu IEEE 802.15.4, je majhna poraba, zato
veliko naprav v omrežju preživi v spanju (angl. sleep mode) in samo posluša na radijskem
kanalu, če so podatki namenjeni njej.
2.2.1 FIZIČNA PLAST
Glavne naloge fizične plasti so aktivacija in deaktivacija radijskega sprejemno-oddajnega
modula, izbira in nastavitev radijskega kanala ter zagotavljanje dostopa do prostega kanala
(CCA). Fizične plasti na katerem temelji standard IEEE 802.15.4 se med seboj razlikujejo
po frekvenčnem področju uporabe. Frekvenčni pas 2,4 GHz je v uporabi po celem svetu,
medtem ko sta nižja frekvenčna pasova v uporabi samo ponekod (868 Mhz v Evropi in
915 MHz v ZDA). Frekvenčni pas 2,4 GHz spada med ISM (angl. Industrial, Scientific
and Medical) frekvenčne pasove in ni licenčen ter je namenjen privatni in nelicenčni
uporabi z nekaterimi omejitvami glede oddajne moči in delovnih ciklov. Iz tabele 2.1 lahko
razberemo, da je na voljo 27 kanalov (0-26). 16 kanalov je na voljo v 2.4 GHz, 10 v
915 MHz in samo eden v 868 MHz frekvenčnem pasu. Srednje frekvence teh kanalov so:
• fc = 868,3 MHz v 868-868,8 MHz frekvenčnem pasu
• fc = 906 + 2(k – 1) MHz, k = 1,...,10, v 900 MHz frekvenčnem pasu
• fc = 2405 + 5(k – 11) MHz, k = 11,...,26, v 2400 MHz frekvenčnem pasu
Tabela 2.1: Frekvenčni pasi in prenosne hitrosti
Frekvenčni pas (MHz)
Kanal Vrsta
modulacije Čipna hitrost
(kchip/s) Simbolna
hitrost Prenosna
hitrost (kbit/s) 868-868,6 0 BPSK 300 20k 20 902-928 1-10 BPSK 600 40k 40
2400-2483,5 11-26 O-QPSK 2000 62,5k 250
Fizična plast je odgovorna za pošiljanje bitov med napravami po zraku. Če naprava oddaja,
fizična plast pretvori od MAC podplasti sprejete bite tako, da jih zakodira in modulira ter
pretvori v električni signal, namenjen anteni. Pri sprejemanju se zgodi obraten proces.
Torej sprejem električnega signala od antene, dekodiranje, demoduliranje in pretvorba v
bite, ki so namenjeni MAC podplasti. Blokovna shema na sliki 2.3 prikazuje celoten
postopek modulacije in razširitveno funkcijo.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 7
Slika 2.3: Razširitvene funkcije in O-QPSK modulacija
Binarni podatek, ki ga dobimo od PPDU-ja (angl. PHY Protocol Data Unit), gre skozi
blok, imenovan »Bit v simbol«, ki ga kodira v simbol. Vsak byte je razdeljen v dva
simbola. Prvi simbol vsebuje LSB bite b0-b3, drugi simbol pa MSB bite b4-b7. Nato
podatkovni simbol napreduje v blok, imenovan »Simbol v čip«, kjer je vsak simbol
razširjen v psevdo-naključno čip sekvenco dolgo 32 mest (tabela 2.2).
Tabela 2.2: Preslikava podatkovnega simbola v psevdo-naključno čip sekvenco
Simbol (decimalno)
Simbol (binarno b0-b3)
Čip sekvenca (c0-c31)
0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 2 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 3 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 4 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 5 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 6 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 7 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 8 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 9 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1
10 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 11 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 12 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 13 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 14 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 15 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0
Čip sekvenca je nato poslana v O-QPSK modulator, ki generira modulirni signal.
Sekvence, ki ponazarjajo posamezni podatkovni simbol, so modulirane na nosilec s
pomočjo O-QPSK modulacije s polsinusno pulzno obliko. Sodo indeksirane čip sekvence
so modulirane na I-fazni nosilec, medtem ko so liho indeksirane čip sekvence modulirane
-
8 Štefan Žagar, Diplomsko delo
na pravokotni Q-fazni nosilec. Ker je modulacija O-QPSK, je Q-fazni nosilec zakasnjen za
čas Tc oziroma polovico čip periode glede na I-fazni nosilec. Polsinusna pulzna oblika je
opisana z enačbo 2.1.
≤≤
=
drugace
TtT
t
tpc
c
,0
20,2
sin)(
π
(2.1)
Primer čip sekvence pri polsinusnem pulznem preoblikovanju vidimo na sliki 2.4.
Slika 2.4: Čip sekvenca pri polsinusnem pulznem preoblikovanju
Pri O-QPSK modulaciji je simbolna hitrost 62,5 tisoč simbolov na sekundo. Vsak simbol
je velik 4 bite, kar pomeni, da je prenosna hitrost 250 kbit/s, in ker je čip sekvenca dolga
32 mest, je čipna hitrost približno 2 milijona čipov na sekundo. Glava paketa, ki skrbi za
sinhronizacijo, je sestavljena iz 32 binarnih ničel in 8-bitnega začetnega razmejevalnika
okvirja (angl. start of frame delimiterja). Največja velikost paketa je 127 byte-ov.
Frekvenčna pasa 868 in 915 MHz uporabljata BPSK modulacijo. Pri tej modulaciji se biti
naprej diferencialno kodirajo z operacijo ekskluzivni ALI prejšnjega kodiranega bita. Nato
je vsak bit razširjen v čip sekvenco, dolgo 15 mest (tabela 2.3).
Tabela 2.3: Preslikava bita v čip sekvenco
Vhodni bit Čip sekvenca 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 9
Čip sekvenca je modulirana s pomočjo BPSK modulacije z dvignjeno kosinusno pulzno
obliko. To pulzno obliko opisuje enačba 2.2.
2
241
cossin
)(
c
c
c
c
T
t
T
t
T
t
T
t
tp
−
⋅=
π
π
π
(2.2)
2.2.2 MAC PODPLAST
Glavna naloga MAC (angl. Medium Access Control) podplasti je regulirati dostop do
skupnega komunikacijskega medija. Dodatne naloge MAC podplasti so generiranje
omrežnih beaconov, proženje CSMA/CA mehanizma ob dostopu do kanala, dinamična
izbira kanalov ter sprejemanje in zagotavljanje varnosti okvirjev.
Poznamo dve vrsti CSMA/CA (angl. Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)
mehanizmov ob dostopu do kanala. To sta unslotted in slotted CSMA/CA. Unslotted
CSMA/CA se večinoma uporablja v omrežjih, kjer oddajanje ene naprave opazijo vse
ostale naprave. Zaradi hkratnega oddajanja dveh ali več naprav, ki tekmujejo med seboj za
prost kanal, se lahko zgodi trk poslanih paketov. Rešitev opisanega problema je, da se
namerno ustvari zakasnitev. Pri metodi unslotted CSMA/CA naprava najprej počaka, da
preteče naključno izbran časovni interval, preden preveri, ali je kanal prost, nakar začne
oddajati. Unslotted CSMA/CA se večinoma uporablja v ne-beacon omrežjih. Omrežja z
beacon-i uporabljajo slotted CSMA/CA mehanizem ob dostopu do kanala. Naprava, ki želi
oddajati signal, najprej preveri, če je kanal prost. Če je kanal prost, počaka naključno
število časovnih oken, nakar ob naslednjem prostem robnem oknu začne oddajati. Robna
okna so poravnana z beacon-i. Beaconi so poslani na določen časovni interval in ne
uporabljajo CSMA/CA. Poleg beacon-ov obstajata še dve vrsti paketov, ki ne uporabljata
CSMA/CA. Eden takih je potrditveni okvir. Naprave v beacon omrežjih lahko uporabljajo
GTS reže, ki po definiciji ne uporabljajo CSMA/CA.
Pri WPAN omrežjih za kratke razdalje poznamo štiri vrste okvirjev. To so beacon,
podatkovni okvir, potrditveni ukaz in MAC ukaz. Vsak okvir je sestavljen iz MAC glave,
payload-a in MAC noge. MAC glava vsebuje polje za kontrolo okvirja in informacije o
naslavljanju, MAC noga pa sekvenco za preverjanje okvirja FCS (angl. Frame Check
Sequence). FCS vsebuje 16-bitni mehanizem CRC (angl. Cyclic Redundancy Check), ki je
-
10 Štefan Žagar, Diplomsko delo
namenjen odkrivanju bitnih napak v okvirju. Za odkrivanje bitnih napak se uporablja
polinomski generator 16. reda (2.3).
1)( 51216 +++= xxxxG (2.3)
Če hočemo, da naprave med seboj komunicirajo, moramo najprej postaviti omrežje. To
lahko storimo samo s polno-funkcionalnimi napravami, in sicer tako, da izvedemo aktivno
ali pasivno skeniranje kanalov. Pri aktivnem skeniranju kanalov se beacon zahteva pošlje v
vsak kanal in vsi aktivni koordinatorji se bodo odzvali z oddajo svojih beacon-ov. Pri
pasivnem skeniranju kanalov naprave samo čakajo na sprejem beacon-ov na vseh možnih
kanalih. Če naprava ni dobila odzivov na kanalu, kamor je poslala beacon-e, se lahko
prične obnašati kot omrežni koordinator. Po končanem skeniranju določimo, na katero
omrežje se želimo povezati. Izbira omrežja ni določena in je prepuščena aplikacijskemu
delu. Zahtevo za povezavo na omrežje pošljemo omrežnemu koordinatorju in ta nato
določi, če se lahko povežemo.
Obstajata dve vrsti mehanizmov za povezavo na omrežje. V omrežjih z beacon-i sam
beacon vsebuje podatke o strukturi naslednjega okvirja, dovoljeno velikost paketa, trenutno
delovno stanje kooordinatorja in dolžino periode CP (angl. Contention Period). Kjer se
uporablja CSMA/CA, se CP perioda začne takoj po oddaji beacon-a. V CP periodi vsi
okvirji, razen potrditvenega ukaza in GTS rež, uporabljajo CSMA/CA za dostop do kanala.
MAC podplast skrbi za štetje poskusov prenosa podatkov. Na začetku je števec postavljen
na 0. MAC podplast pošlje zahtevo fizični plasti za zagotovitev dostopa do prostega kanala
(postopek CCA), ki ugotovi, če je kanal prost. Če je kanal prost, se lahko prenos podatkov
začne. V nasprotnem primeru naprava počaka naključno dolg časovni interval in nato spet
poskusi s postopkom CCA. MAC podplast mora zagotoviti, da se celoten prenos podatkov,
vključno s potrditvenim ukazom (če je zahtevan), izvede znotraj CP periode. Števec se
povečuje za vsak neuspešen poskus prenosa podatkov. Ko števec preseže neko določeno
število poskusov, je prenos podatkov tretiran kot neuspešen. Če potrditveni ukazi niso
zahtevani, potem se ponovitev prenosa podatkov ne bo zgodila.
S standardom IEEE 802.15.4 je tudi dovoljena uporaba superokvirne strukture
(angl. superframe structure). Struktura superokvirja je definirana s strani koordinatorja.
Superokvir je sestavljen iz beacon-ov, CAP periode (angl. Contention Access Period) in
CFP periode (angl. Contention Free Period). Vsak superokvir ima enako dolžino in ga
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 11
delimo na aktivni in neaktivni del. Preden koordinator pošilje superokvir, pošje tudi
beacon, ki vsebuje informacije o superokvirju. Beacon-i so poslani od koordinatorja tudi za
sinhronizacijo in identifikacijo omrežja. Vsak beacon vsebuje informacijo o dolžini CAP in
CFP periode, ki pa ni obvezna. Med neaktivno periodo lahko naprave preidejo v spanje,
vendar se morajo zbuditi pred pošiljanjem ali sprejemanjem naslednjega beacona. Ker
lahko naprave v neaktivni periodi gredo spat, je energijska poraba teh naprav zelo majhna,
najmanjša med napravami, ki delujejo na IEEE 802 standardu. Aktivni del je razdeljen v
16 manjših rež. Najprej se pošlje beacon, kateremu sledijo reže namenjene CAP periodi in
zajamčene časovne reže GTS (angl. Guaranteed Time Slots) v CFP periodi. GTS reže so
del CFP periode in sledijo takoj za CAP periodo. Njihovo število je odvisno od omrežja.
Vse GTS reže niso enako dolge, zato lahko združujemo naprave, ki komunicirajo preko
različnih pasovnih širin. Koordinator alocira GTS reže samo takrat, ko se v CAP periodi
pošlje zahteva po alociranju. Določi se, ali so reže sprejemne ali oddajne, ter število samih
GTS rež. Koordinator je aktiven skozi celotno aktivno periodo, medtem ko so lahko ostala
naprave aktivne samo v GTS fazi namenjene njim. V vseh ostalih časovnih režah, ki niso
namenjene njim lahko preidejo v spanje.
Slika 2.5: Struktura superokvirja z aktivno in neaktivno periodo
Kot že rečeno, naprave med oddajanjem GTS rež ne uporabljajo CSMA/CA. GTS reže so
unikatne in so namenjene točno določeni napravi. Reducirano-funkcionalne naprave
nimajo GTS rež.
-
12 Štefan Žagar, Diplomsko delo
Koordinator se lahko na podatkovno-zahtevni paket (angl. data request) od omrežne
naprave odzove na dva načina. En način je, da najprej pošlje potrditveni paket, ki pa ne
vsebuje nobene informacije o tem, ali je zahteva po prenosu uspela ali ne. Ko omrežna
naprava sprejme potrditveni paket, posluša nek določen čas na sprejetje beacon-a od
koordinatorja. Ko koordinator alocira GTS reže, namenjene tisti omrežni napravi, pošlje
beacon, ki vsebuje GTS opisovalca (angl. descriptor). Ta pove število in lokacijo vseh
prostih GTS rež znotraj superokvirja. Nato lahko omrežna naprava kadarkoli uporabi te
GTS reže za prenos podatkov. Če koordinator nima dovolj prostih GTS rež, tvori GTS
opisovalca, ki to omrežni napravi tudi pove. Omrežna naprava se v tem primeru lahko
odloči za ponovno zahtevo po prenosu podatkov. To se zgodi tudi v primeru, ko poteče čas
po sprejetju potrditvenega paketa in ni nobenega odgovora od koordinatorja s
pričakovanim GTS opisovalcem. Dealociranje GTS rež se lahko zgodi na zahtevo omrežne
naprave s posebnim kontrolnim okvirjem. Lahko pa dealociranje GTS rež sproži tudi
koordinator, ki to omrežni napravi sporoči z novim GTS opisovalcem. Omrežna naprava
lahko zahteva alociranje ali dealociranje GTS-ov, kar pomeni da lahko pride do
defragmentacije znotrja CFP periode, ki se rešuje tako, da se obvesti vse vpletene omrežne
naprave o tem postopku. Ko koordinator ne more uporabljati GTS rež za prenos podatkov,
se izmenjava podatkov zgodi na način opisan v spodnjem odstavku (tudi prikazan na
sliki 2.6).
Poznamo dve smeri prenosa podatkov s pomočjo beacon-a:
• od FFD do RFD (od koordinatorja do omrežne naprave)
• od RFD do FFD (od omrežne naprave do koordinatorja)
Ko koordinator pošilja podatke do omrežne naprave, z beacon-i sporoči napravi, da bo
prišlo do prenosa posebnega paketa, ki vsebuje samo podatke. Omrežna naprava takoj, ko
sprejme ta beacon, pošlje nazaj koordinatorju podatkovno-zahtevni ukaz za sprejem
podatkov med CAP periodo. Koordinator se odzove nazaj z potrditvenim ukazom. Ko
omrežna naprava sprejme potrditveni ukaz, ve, da lahko pričakuje podatkovni paket, ki ga
tudi sprejme. Na koncu še omrežna naprava pošlje potrditveni ukaz o uspešnem sprejetju
podatkovnega paketa. V omrežjih brez beacon-a koordinator obdrži podatke tako dolgo,
dokler se omrežna naprava ne odzove in zahteva podatke.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 13
Slika 2.6: Prenos podatkov od koordinatorja do omrežne naprave
Pri prenosu podatkov od omrežne naprave do koordinatorja omrežna naprava najprej
posluša beacon okvirje, ki jih pošilja koordinator. Beacon je potreben, da omrežna naprava
lahko določi, kdaj poslati podatke. V omrežjih brez beacon-ov omrežna naprava direktno
uporablja CSMA/CA. Če je od koordinatorja zahtevano, da se odzove s potrditvenim
ukazom, se ta na koncu tudi tako odzove.
Slika 2.7: Prenos podatkov od omrežne naprave do koordinatorja
-
14 Štefan Žagar, Diplomsko delo
IEEE 802.15.4 protokol lahko uporablja tudi ne-beacon način. Glavne razlike so:
• koordinator ne pošilja beacon-ov, kar onemogoči časovno sinhronizacijo omrežnih
naprav s koordinatorjem (zaradi tega ni GTS rež)
• vsi paketi od omrežnih naprav so poslani s pomočjo unslotted CSMA/CA
• koordinatorji morajo biti vedno v delujočem stanju
V brezžičnih omrežjih se pogosto dogaja, da naprave postanejo nedosegljive. V teh
primerih nedosegljiva naprava izvede orphan skeniranje tako, da začne pošiljati orphan
obvestilo na vsak kanal. Če koordinator sprejme orphan obvestilo, preveri, če je bila
naprava del njegovega omrežja in če je bila, potem pošlje ukaz za ponovno pridružitev
omrežju. V nasprotnem primeru, ko orphan skeniranje ni uspešno, naprava predvidi izgubo
povezave z omrežjem.
MAC podplast je odgovorna tudi za varnost prenosa podatkov. Poznamo tri varnostne
načine, po katerih se prenašajo podatki. To so nezaščiten način, ACL način in zaščiten
način. Pri ACL (angl. Access Control List) načinu se preverja samo, če lahko ena naprava
komunicira z drugo. ACL način uporablja seznam naprav, ki pove, na katere se lahko
poveže in ne uporablja nobenih kriptografij pri komuniciranju z ostalimi napravami.
Zaščiten način lahko uporablja štiri varnostne postopke. To so kontrola dostopa, enkripcija
podatkov, preverjanje celovitosti okvirjev in sekvenčno preveranje svežih podatkov. Prav
tako kot ACL način tudi zaščiten način uporablja seznam naprav, na katere se lahko
poveže, s to razliko, da so podatki kriptografirani. Kljub tem načinom varnosti pa sta
rokovanje s ključi in avtentikacija naprav rešeni na višjih plasteh zunaj standarda
IEEE 802.15.4.
Vsaka naprava, ki ima implementirano varno prenašanje podatkov, mora podpirati
varnostno vrsto, ki uporabljaja enkripcijski standard AES (angl. Advanced Encryption
Standard). Če varnostna vrsta predpisuje kodo celovitosti (angl. integrity code), potem je ta
koda zapisana v MAC glavi in se preverja pri vsakem prenosu podatkov. S tem postopkom
zaščitimo celovitost podatkovnih, beacon in komandnih okvirjev. S sekvenčnim
preverjanjem podatkov zagotovimo pravilno časovno razvrstitev poslanih podatkov.
Varnostna vrsta je vrsta operacij, ki definira kriptografični algoritem, način varnosti in
velikost kode celovitosti.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 15
2.2.3 PROBLEMI KOEKSISTENČNOSTI V STANDARDU IEEE 802.15.4
Tehnologije, ki temeljijo na standardu IEEE 802.15.4, so ene izmed mnogih tehnologij, ki
delujejo v 2,4 GHz frekvenčnem območju. Takšne tehnologije so še tehnologije, ki
delujejo na standardu 802.15.1, 802.11b in podobne.
Koeksistenčne karakteristike standarda IEEE 802.15.4 vključujejo:
• CSMA/CA mehanizme ob dostopu do kanala, da se izognemo motnjam in
medsebojnim vmešavanjem. Z upoštevanjem razmerja signal/šum SNR
(angl. Signal to Noise Ratio) in moči sprejetega signala lahko še izboljšamo
koeksistenčno delovanje naprav
• dinamično izbiro kanalov, kjer je čim manj motenj in medsebojnih vmešavanj
• uporabo direktno-sekvenčne razprostrte spektralne modulacije (DSSS –
angl. Direct Sequence Spread Spectrum), ki je zelo robustna in zmanjša vpliv
ostalih brezžičnih omrežij
• da imajo naprave, ki temeljijo na standardu IEEE 802.15.4, kratek delovni cikel
(angl. duty cycle) in nizko oddajno moč, kar odpravi potrebo po filtru, ki zaduši
signal izven tega frekvenčnega območja
Če trenutni kanal, na katerem naprava prenaša podatke, ne zadostuje potrebam prenosa,
koordinator izvede dinamično izbiro kanala. Ta najprej poizve trenutno stanje na ostalih
prostih kanalih in nato s pomočjo algoritma določi najboljši kanal. Če algoritem predlaga
nov boljši kanal, koordinator pošlje beacon z informacijami o novem kanalu in kdaj se bo
preklop na nov kanal zgodil. Naprave, ki ne dobijo informacij o menjavi kanala, postanejo
zgubljene.
2.2.4 OSTALI IEEE 802.15.4 STANDARDI IN OPRAVILNE SKUPINE
Opravilna skupina TG4a, ki je oblikovala standard IEEE 802.15.4, je bila postavljena pred
nalogo, da poišče rešitev s spremembo fizične plasti tako, da bo možen hiter prenos
podatkov z možnostjo določitve razdalje (natančnost naj bo večja kot 1 meter) in zelo
nizko porabo. Tako standard IEEE 802.15.4a določa dve novi fizični plasti, ki sestojita iz
UWB in CSS (angl. Chirp Spread Spectrum) spektruma. UWB fizična plast deluje v treh
frekvenčnih pasovih (pod 1 GHz, med 3 in 5 GHz ter med 6 in 10 GHz), CSS pa v enem
frekvenčnem pasu (2,4 GHz). UWB tehnika je zelo robustna in omogoča natančno
določanje razdalje pri nizki porabi, medtem ko CSS tehnika omogoča prenos podatkov na
-
16 Štefan Žagar, Diplomsko delo
daljše razdalje, tudi ko se naprave gibljejo zelo hitro. Trenutno na trgu še ni nobene
naprave, ki bi uporabljala ta novi standard. Prvi primerki so načrtovani za leto 2010.
Opravilna skupina TG4b je bila ustanovljena, da poda izboljšave in pojasnila glede
standarda IEEE 802.15.4. Izboljšave in pojasnila, ki jih je podala opravilna skupina TG4b,
so zmanjšanje nepotrebne kompleksnosti, reševanje nekaterih dvoumnosti standarda,
povečanje prožnosti varnostnih ključev, preučevanje novih frekvenčnih območij in mnogo
več.
Vse preostale skupine, ki so opisane v spodnjih vrsticah, še določajo končno obliko svojih
standardov in bodo dobile končno obliko v prihodnjih letih. TG4c in TG4d skupina želi
določiti fizično plast, ki bo upoštevala kitajske oziroma japonske regulative. Nekatere
izboljšave na MAC podplasti so cilj skupine TG4e. Skupina TG4f je zadolžena za
določitev nove fizične plasti namenjeni aktivnim RFID (angl. Radio Frequency
Identification) aplikacijam. Naloga opravilne skupine TG4g je določiti spremembe na
fizični plasti, ki bo omogočala kontrolo nad zelo velikim obsegom aplikacij. Sem spada
predvsem uporaba pametnih omrežij, ki so sposobna podpirati velika, geografsko raznolika
omrežja, ki naj bi delovala z minimalno infrastrukturo in potencialno velikim številom
naprav.
-
3 ZIGBEE TEHNOLOGIJA
ZigBee je brezžična tehnologija, primerna za uporabo v nizko cenovnih brezžičnih
senzorskih omrežjih. Tehnologija je razvita kot odprti globalni standard opredeljen z IEEE
802.15.4 specifikacijami. Glavne značilnosti ZigBee tehnologije so:
• izredno nizka poraba
• nizka cena
• podpora različnim omrežnim topologijam, kot so peer to peer, zvezda, drevo in
mesh
• zanemarljive zakasnitve pri prenosu podatkov
• zagotovljena visoka varnost pri prenosih podatkov (128-bitna AES enkripcija)
• prenosne hitrosti do 250 kbit/s
• domet do 1500 m
ZigBee tehnologija je zelo primerna za širok spekter izdelkov, ki so namenjeni
učinkovitemu upravljanju z energijo za industrijske, medicinske in domače aplikacije.
Področja uporabe ZigBee tehnologije:
• kot optimalni nadomestek za žične povezave v zahtevnih okoljih
• hišna in industrijska avtomatizacija ter nadzor
• centralizirano upravljanje in nadzor naprav, objektov, vozil ter strojev
• avtomatsko oddaljeno merjenje (AMR – angl. Automatic Meter Reading)
• nadzorovanje okolja (temperatura, zvok, onesnaženost, vibracije, pritisk, premiki,
vlaga itd.)
• brezžični detektorji dima, CO in CO2
• nadzor osvetljevanja, ogrevanja in hlajenja
-
18 Štefan Žagar, Diplomsko delo
• medicinsko spremljanje bolnikov
• nadzor živali
• brezžična telemetrija
ZigBee standard je definiran v okviru združenja podjetij ZigBee Alliance (podrobneje
opisano v poglavju 3.4), ki je neprofitno svetovno združenje proizvajalcev polprevodnikov,
OEM (angl. Original Equipment Manufacturer) proizvajalcev in končnih uporabnikov.
Standard je bil specificiran z namenom, da omogoči OEM proizvajalcem in sistemskim
integratorjem rešitve brezžičnega povezovanja naprav. Te rešitve so enostavne za uporabo,
imajo nizko porabo, omogočajo gradnjo enostavno razširljivih omrežij in zagotavljajo zelo
varne povezave. ZigBee omrežja omogočajo izgradnjo cenovno ugodnih inteligentnih
sistemov za nadzor in upravljanje naprav v zahtevnih industrijskih okoljih ob nizki porabi
in nizkih stroških vzdrževanja. Posamezne naprave, osnovane na tehnologiji ZigBee,
morajo imeti svoje napajanje za obdobje vsaj dveh let, da uspešno prestanejo ZigBee
certificiranje. Pomankljivost ZigBee omrežij je le nižja prenosna hitrost, ki je tipično
manjša od 250 kbit/s. Za veliko večino aplikacij pri nadzoru in upravljanju naprav v
industrijskih okoljih pa je ta prenosna hitrost povsem zadovoljiva.
Glede na vloge, ki jih ZigBee naprave opravljajo v omrežjih jih lahko delimo na:
• ZigBee koordinator (FFD) - najbolj sposobna naprava. Navadno obstaja vsaj en
ZigBee koordinator v vsakem omrežju, ki je sposoben shranjevati informacije o
omrežju
• ZigBee usmerjevalnik (FFD) - poleg normalnega izvajanja določene aplikacije
lahko deluje kot vmesni usmerjevalnik, namenjen prenašanju podatkov od enih do
drugih naprav
• ZigBee končna naprava (RFD) - ima ravno dovolj funkcionalnosti za komunikacijo
z nadrejeno napravo (bodisi s koordinatorjem ali usmerjevalnikom). Končna
naprava večino časa spi, zaradi česar je poraba manjša kot pri koordinatorjih in
usmerjevalnikih. Prav tako lahko imajo manjšo količino pomnilnika, kar jih naredi
cenejše.
Splošen cilj ZigBee omrežij je povečati čas spanja naprav in tako zmanjšati porabo. V
beacon omrežjih so naprave aktivne samo takrat, ko se prenašajo beaconi. V ne-beacon
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 19
omrežjih pa so nekatere naprave vedno aktivne, medtem ko druge večino svojega časa
preživijo v spanju.
Značilnosti ZigBee standarda:
• kratki delovni cikli, ki zagotavljajo manjšo porabo
• nizke latence
• podpora statičnim in dinamičnim omrežjem ter omrežnim topologijam (peer to
peer, zvezda, drevo in mesh)
• 128-bitna AES enkripcija, ki zagotavlja varne povezave med napravami
• prikaz kakovosti povezave
• preprečevanje trkov paketov
• podpora režam GTS in paketna svežost
ZigBee standard temelji na fizični in MAC podplasti specificirani v standardu
IEEE 802.15.4. ZigBee standard tema plastema doda omrežno in aplikacijsko plast.
3.1 OMREŽNA PLAST
Zmogljivosti omrežij so običajno povezane z omrežno plastjo. Omrežna plast skrbi za
pridružitev naprav k omrežju ter tudi za njihovo zapustitev omrežja. Poleg tega skrbi za
varnost prenosa podatkov in usmerjanje (angl. routing) paketov znotraj omrežja. Prav tako
ima funkcijo, da omogoči pravilno uporabo MAC podplasti in zagotovi ustrezen vmesnik
za uporabo v aplikacijski plasti. Omrežna plast koordinatorja je odgovorna tudi za
ustanavljanje novih omrežij in dodeljevanje naslovov novo pridruženim napravam.
Omrežna plast podpira več omrežnih topologij, vključno s peer to peer, zvezdo, drevo in
mesh topologijo, ki so opisana v poglavju 3.3.
-
20 Štefan Žagar, Diplomsko delo
3.2 APLIKACIJSKA PLAST
Aplikacijska plast je najvišja plast, opredeljena v ZigBee standardu, in je učinkovit
vmesnik ZigBee tehnologije za svoje končne uporabnike. Zajema sestavne dele ZigBee
standarda, kot so ZDO, aplikacijska podplast APS in aplikacije določene od proizvajalca.
ZDO (angl. ZigBee Device Objects) je odgovorna za številne naloge, ki vključujejo
vodenje vlog naprav v omrežju. Prav tako ZDO opravlja nalogo odkrivanja novih naprav v
omrežju in identifikacijo njihovih ponujenih storitev. Z novimi napravami vzpostavi varne
povezave in odgovorja na njihove zahteve. ZDO je odgovorna za število samih nalog, ki
jih opravlja omrežje ter skrbi za varnost.
Aplikacijska podplast APS (angl. Application Support Sublayer) je drugi del aplikacijske
plasti, ki ponuja dobro opredeljen vmesnik in nadzorne usluge. Deluje kot most med
omrežno plastjo in drugimi sestavnimi deli aplikacijske plasti tako, da vodi ažurno tabelo v
obliki baze podatkov, ki se lahko uporabi za iskanje ustreznih naprav. Prav tako usmerja
sporočila med plastmi.
Pri komunikaciji med napravami je zelo pomembno naslavljanje, ki je tudi del aplikacijske
plasti. Komunikacija med napravami se lahko zgodi takoj po pridružitvi neke naprave že
obstoječemu omrežju. Da lahko naprave med seboj komunicirajo, morajo uporabljati nek
skupni aplikacijski protokol, kjer so določene vrste sporočil, oblike sporočil itd. Glede na
razpoložljive informacije o omrežju in napravah, lahko odkrivanje in naslavljanje naprav
poteka na več različnih načinov. Če je omrežni naslov znan, se pošlje zahteva po IEEE
naslovu s pomočjo unicast komunikacije. Če ni, se najprej oddajo zahteve, kjer je IEEE
naslov del odgovora. Končne naprave bodo preprosto odgovorile z zahtevanim naslovom,
medtem ko bodo koordinatorji in usmerjevalniki poslali naslove vseh naprav, ki so
povezane z njimi. Takšno odkrivanje naprav omogoča, da izvemo čimveč o napravah v
celotnem omrežju in njihovih storitvah, ki jih ponujajo. Pri neposrednem naslavljanju se
uporablja tako radijski naslov kot identifikator končne točke, medtem ko se pri posrednem
naslavljanju uporablja radijski naslov, identifikator končne točke in vsi ostali možni
atributi, ki lahko pomagajo pri naslavljanju. Pri posrednem naslavlanju so vse te
informacije poslane koordinatorju, ki nato skrbi za pridružitev teh naprav in razrešuje
zahteve za komunikacijo.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 21
3.3 OMREŽNE TOPOLOGIJE
V svojem bistvu je ZigBee omrežje topologije mesh. Kljub temu pa omrežna plast podpira
štiri vrste omrežnih topologij. To so peer to peer, zvezda, drevo in mesh. Vsaka omrežna
topologija, razen peer to peer, mora imeti vsaj enega koordinatorja. Omrežni topologiji
drevo in mesh dovoljujeta uporabo usmerjevalnikov za razširitev omrežij.
Slika 3.1: ZigBee omrežne topologije
V omrežjih peer to peer so vse naprave enakovredne. Ker lahko vse naprave medsebojno
komunicirajo, lahko uporabljamo samo polno-funkcionalne naprave.
Pri omrežni topologiji zvezda so vse naprave povezane v osrednje vozlišče (zvezdišče)
oziroma koordinator. Koordinator je odgovoren za zagon in vzdrževanje končnih naprav v
omrežju. Končne naprave neposredno komunicirajo s koordinatorjem. Prednost te omrežne
topologije je enostavnost, saj je usmerjevanje nepomembno. Slabost te omrežne topologije
je, da je zelo občutljiva na izpad osrednjega vozlišča, saj v primeru izpada zvezdišča ne
more komunicirati noben par končnih naprav v omrežju.
Kompleksnejše omrežne topologije kot je drevo imajo prednosti, da ni potrebno skrbeti za
nastavitve naprav. Omrežje se organizira in popravlja sproti, ko se naprave pridružujejo
omrežju oziroma ga zapuščajo.
-
22 Štefan Žagar, Diplomsko delo
V mesh topologiji je koordinator odgovoren za zagon omrežja in za izbiro ključnih
nastavitev omrežja. Podobno kot pri omrežni topologiji drevo, se omrežje organizira in
popravlja sproti, ko se naprave pridružujejo omrežju oziroma ga zapuščajo. Tako zgrajeno
omrežje je zelo prilagodljivo in razširljivo ter omogoča pokrivanje večjega območja.
Komunikacija med napravami, ki so v različnih omrežjih lahko poteka preko
kooordinatorjev ali usmerjevalnikov, ki so povezani med sabo z omrežno topologijo
peer to peer.
3.4 ZIGBEE ALLIANCE
ZigBee Alliance je svetovno združenje podjetij, ki poskuša zagotoviti zanesljive in
stroškovno učinkovite produkte za brezžično spremljanje in nadzor raznih procesov v
hišnih, komercialnih in industrijskih aplikacijah [16]. Vsi produkti temeljijo na odprtem
svetovnem standardu.
Slika 3.2: Združenje podjetij ZigBee Alliance
Cilj združenja podjetij ZigBee Alliance je, zagotoviti potrošniku prilagodljive, mobilne in
za uporabo enostavne vsakodnevne pripomočke. ZigBee tehnologija je vgrajena v širok
razpon produktov in aplikacij, ki so namenjene potrošnikom in industrijskim trgom.
ZigBee tehnologija je optimizirana za posebne potrebe daljinskega spremljanja in nadzora
ter je enostavna, zanesljiva, poceni in ima majhno porabo.
Združenje podjetij ZigBee Alliance se predvsem osredotoča na:
• definiranje omrežne in aplikacijske plasti
• testiranje in zagotavljanje skladnosti specifikacije
• promoviranje ZigBee blagovne znamke in graditi osveščenost na svetovenm trgu
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 23
• upravljanje z razvojem tehnologije ZigBee
3.5 BREZŽIČNO POVEZOVANJE IN ZIGBEE V INDUSTRIJSKIH OKOLJIH
Pri brezžičnem povezovanju naprav v industrijskih okoljih morajo biti zadovoljene
posebne zahteve, ki jih morajo produkti in rešitve za brezžično povezovanje v celoti
izpolnjevati. Le-te so: popolna varnost, zanesljivost, prilagodljivost in razširljivost. Vse
naprave morajo imeti brezžične povezave z mesta, kjer so postavljene, na način, da jih ni
potrebno premikati. Uporaba brezžičnega povezovanja mora biti ekonomsko upravičena,
torej cenejša od žičnega povezovanja. Prav tako morajo biti napake pri prenosu manjše od
nivoja napak, ki ga pričakujejo uporabniki. Zelo velike prenosne hitrosti niso potrebne. Če
razložimo na primeru: industrijski senzorji pošiljajo le nekaj bitov dolg podatek
(temperatura, pritisk, vlaga itd.) na nek časovni interval (ponavadi na sekundo ali minuto),
za kar ni potrebna velika prenosna hitrost, pomembno pa je, da se ti podatki prenesejo
varno in zanesljivo. Varen prenos podatkov je v industrijskih okoljih najpomembnejši in
brezžične povezave morajo zagotoviti enako varnost prenosa kot žične povezave. Produkti
in rešitve brezžičnih povezav se morajo enostavno prilagoditi in vključiti v obstoječe
okolje nameščene opreme, po možnosti brez njenega premikanja. Razširljivost mora
omogočiti enostavno povečanje števila naprav, vključenih v brezžične povezave.
Omogočeno mora biti tudi delovanje v razširjenem delovnem temperaturnem območju.
Zelo priporočljivo je tudi, da so produkti in rešitve enostavni za namestitev in vzdrževanje.
Razlog, da se zelo razširjeni in popularni brezžični tehnologiji Wi-Fi (IEEE 802.11) in
Bluetooth nikoli nista uspešno uveljavili v industrijskih aplikacijah, so ravno zgornje
zahteve. Ti dve tehnologiji tudi nista bili razviti za uporabo v zahtevnih industrijskih
okoljih, kjer je varnost in zanesljivost povezav bistvenega pomena. Vsem tem zahtevam pa
v največji možni meri zadostijo produkti in rešitve osnovane na tehnologiji ZigBee.
Prednosti brezžičnega povezovanja naprav v zahtevnih industrijskih okoljih:
• učinkovito nadomeščanje dragega žičnega povezovanja
• neobčutljivost na mehanske, fizične in kemijske poškodbe, na katere so zelo
občutljive žične povezave
-
24 Štefan Žagar, Diplomsko delo
• velika prilagodljivost ob premestitvah naprav in izredna poenostavitev dodajanja
novih naprav na obstoječe inštalacije
• omogočanje lokalnega ali oddaljenega nadzora in upravljanja naprav na
proizvodnih linijah ter v industrijskih obratih
• omogočanje avtomatizacije in nadzora javnih, zasebnih in poslovnih objektov,
čistilnih naprav, vodovodnih postaj, elektrodistribucijskih postaj, skladišč naftnih
derivatov, naftovodov, hidroelektrarn itd.
• omogočajo povezovanje premičnih strojev (bagerji, kamioni, žerjavi itd.)
V obstoječih zahtevnih industrijskih okoljih je ob namestitvi dodatnih naprav, ki jih je
potrebno centralizirano nadzirati in upravljati, dodatno polaganje povezovalnega ožičenja
zelo zahtevno in drago opravilo. Primernejša rešitev je uporaba brezžičnega povezovanja.
Implementacija produktov in rešitev za brezžično povezovanje je enostavna, hitra in
velikokrat cenovno ugodnejša. Naprave brezžično povežemo na centralni upravljalni
sistem z ustreznimi brezžičnimi napravami.
Brezžično povezovanje pa ima tudi nekaj slabosti. V svojem bistvu je brezžični prenos
manj varen kot žični prenos. Prav tako pokritost z brezžičnim signalom ni povsod ustrezno
zagotovljena, kvaliteta signala ni vedno stabilna in je podvržena motnjam.
Kljub nekaterim slabostim brezžičnega povezovanja pa sodobne brezžične tehnologije
(recimo ZigBee) omogočajo dovolj varno in zanesljivo lokalno in globalno povezovanje
naprav tudi v zahtevnih industrijskih okoljih.
-
4 BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA
Sprva je razvoj brezžičnih senzorskih omrežij zanimal predvsem vojaške institucije, ki so
nameravale uporabljati tehnologijo za nadzorovanje območij. Danes pa se brezžična
senzorska omrežja uporabljajo v industriji v procesno avtomatiziranih področjih, v hišni
avtomatizaciji, v varnostnih sistemih, v zdravstvu, pri opazovanju okolja in habitatov ter
pri kontroli prometa.
Glavni razlogi za vedno večjo uporabo brezžičnih senzorskih omrežjih so vsekakor
povezani z razvojem brezžičnih senzorskih vozlišč. Brezžična senzorska vozlišča so v
zadnjih letih v močnem razvoju, zato je njihova cena močno padla. Prav tako so se
dimenzije brezžičnih senzorskih vozlišč zelo zmanjšale, kar je posledica uporabe
integriranih vezij. Integrirano vezje je mikrovezje, sestavljeno iz množice elektronskih
elementov, ki so na skupnem substratu iz polprevodniškega materiala med seboj povezani
v električno vezje. Eden izmed pomembnih faktorjev za razširitev brezžičnih senzorskih
omrežij je tudi majhna poraba brezžičnih senzorskih vozlišč, saj lahko s svojim napajanjem
zdržijo več kot leto dni.
Nekateri sistemi so kot nalašč za implementacijo brezžičnih senzorskih omrežij, saj ostale
rešitve niso dovolj dobre za potrebe uporabnikov. Sistem, kjer potrebujemo veliko število
majhnih naprav, je eden takšnih. Brezžična senzorska vozlišča se uporabljajo tudi v
sistemih, kjer ni mogoča ali je zelo draga komunikacija preko kablov. Prav tako so zelo
primerna za dinamične sisteme, kjer so pogoji za delovanje težki in se močno spreminjajo.
Za avtonomno delovanje v teh težkih in dinamičnih sistemih morajo biti brezžična
senzorska omrežja zelo prilagodljiva in samo-konfiguracijska (angl. self-configuring).
4.1 KOMPONENTE BREZŽIČNEGA SENZORSKEGA VOZLIŠČA
Pri izbiri strojnih komponent za brezžično senzorsko vozlišče ključno vlogo igrajo
aplikacijske zahteve, pa tudi cena, velikost, priročnost in poraba. Osnovno brezžično
senzorsko vozlišče sestavlja 5 komponent [1]:
-
26 Štefan Žagar, Diplomsko delo
• kontroler – vsebuje sistemske protokole, analizira podatke, komunicira z
priklopljenimi senzorji
• pomnilnik – več vrst pomnilnika, za shranjevanje programov in podatkov
• senzorji in aktuatorji – povezava s fizičnim svetom. Komponente, ki opazujejo in
vplivajo na parametre v okolju
• komunikacijska komponenta – sprejema in oddaja podatke preko brezžičnega
omrežja
• napajalna komponenta – običajno baterije ali akumulatorji, včasih pa tudi dodatno
napajanje za obnovitev energije (recimo s sončnimi celicami)
Slika 4.1: Komponente brezžičnega senzorskega vozlišča
Vsaka od teh komponent mora delovati tako, da porabi čim manj energije, vendar mora še
vedno izpolnjevati vse naloge, ki so ji dane. Večina teh komponent ima v delovnem stanju
porabo okoli 1 mW, v spanju pa okoli 1 µW. Povezave med komponentami morajo
delovati tako, da zbudijo samo komponente, ki so pomembne za takratno delovanje.
Kontroler je jedro brezžičnega senzorskega vozlišča. Zbira podatke od senzorjev, jih
obdela ter določi kdaj in kam jih poslati. Prav tako določa, kako se obnašajo aktuatorji.
Poleg tega pa tudi sprejema podatke od ostalih brezžičnih senzorskih vozlišč. Za
opravljanje teh nalog so najprimernejši mikrokontrolerji, predvsem zaradi svoje
fleksibilnosti pri povezovanju z ostalimi komponentami (recimo senzorji), možnosti
uporabe instrukcijskih ukazov, ki so namenjeni signalnegemu procesiranju, nizke porabe in
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 27
možnosti prehoda v spanje, kjer imajo zelo majhno porabo. Zato se v večini brezžičnih
senzorskih vozliščih kot kontroler uporablja mikrokontroler.
Za pomnilnilniško komponento se večinoma uporablja RAM, EEPROM ali flash
pomnilnik. RAM je hiter pomnilnik, vendar ima to slabost, da se podatki izgubijo ob
izgubi napajanja. Program je navadno shranjen v EEPROM-u ali flash pomnilniku,
medtem ko so podatki za shrambo ponavadi shranjeni samo v flash pomnilniku.
Za komunikacijski medij v brezžičnih senzorskih omrežjih se najpogosteje uporabljajo
radijske frekvence, redkeje pa optična komunikacija ali ultrazvok. Da lahko brezžično
senzorsko vozlišče komunicira z ostalimi vozlišči, potrebujemo sprejemnik in oddajnik.
Komponento, ki združuje oboje, imenujemo transiver. Ta pretvarja bite iz kontrolerja v
radijsko-frekvenčni signal in obratno. Pri tem uporablja modulacijo, demodulacijo,
ojačanje, filtriranje itd. Pri izbiri transiverja za brezžično senzorsko vozlišče moramo biti
pozorni na karakteristike, kot so:
• dostopnost in uslužnost do višjih nivojev (predvsem do MAC podplasti)
• poraba (celotna, pri oddajanju, pri sprejemanju itd.)
• čas in poraba pri preklaplanju med načini delovanja (oddajanje, sprejemanje,
mirovanje, spanje)
• prenosna hitrost in domet
• možnost kodiranja podatkov
• šumna slika
• katera je nosilna frekvenca in število možnih radijskih kanalov za oddajanje ter
sprejemanje
• kakšna je ojačitev oddajnega signala in občutljivost sprejemnika ter s tem
povezana možnost merjenja sprejete moči signala (RSSI – angl. Received Signal
Strength Indicator)
Komunikacija s fizičnim svetom je vzpostavljena s pomočjo senzorjev in aktuatorjev, ki so
v zadnjem času doživeli revolucijo v obliki MEMS (angl. Micro-electro-mechanical
Systems) tehnologije. Zaradi minituarizacije senzorjev, aktuatorjev in čipov, ki jih
uporabljamo v brezžičnih senzorskih vozliščih, je prišlo do večjega razvoja le-teh, kar je
posledično znižalo cene samih vozlišč. V brezžičnih senzorskih vozliščih se večinoma
-
28 Štefan Žagar, Diplomsko delo
uporabljajo pasivni senzorji, v redkih primerih pa se uporabljajo tudi aktivni senzorji.
Senzorji morajo biti natančni, zanesljivi, poceni, majhni in imeti majhno porabo.
Napajalna komponenta je velikokrat kritična komponenta brezžičnih senzorskih vozlišč.
Najpogostejši viri električne energije so baterije ali akumulatorji, ki jih lahko uporabljamo
v kombinaciji s sončnimi celicami kot električni generator.
4.2 LOKALIZACIJA
Lokalizacija je mehanizem za avtonomno odkrivanje in vzpostavljanje povezav med
vozlišči [3]. Avtonomna lokalizacija vozlišč je zelo pomembna za aplikacije, ki se
uporabljajo v brezžičnih senzorskih omrežjih. Ker so brezžična senzorska omrežja
velikokrat uporabljena za opazovanje okolja, je določanje točne fizične lokacije zelo
pomemben del teh omrežij. Zahteve aplikacij glede lokalizacije so lahko zelo različne.
Razdelimo jih glede na:
• velikost območja (majhna soba ali prostrano zunanjo okolje)
• točnost in natančnost določanja lokacije
• relativno ali absolutno pozicioniranje
• lokalno ali centralno računanje lokacije
• dinamičnost okolja (statično ali dinamično okolje)
• velikost, ceno in porabo vozlišč
• komunikacijske omejitve
Celoten proces lokalizacije vozlišča navadno poteka v treh korakih. Najprej predvidimo
omejitve, ki karakterizirajo absolutne ali relativne relacije med pari vozlišč. Nato te
omejitve združimo tako, da lahko določimo koordinate posameznih vozlišč. Na koncu naše
meritve vključimo v večjo skupino vozlišč, da dobimo natančnejše rezultate.
Najenostavnejša tehnika za določanje lokacije oziroma bližine brezžičnega senzorskega
vozlišča, je izkoriščanje komunikacijskih zmogljivosti vozlišč (dometa vozlišč). Takšno
določanje lokacije je precej robustno in manj natančno, vendar še vedno dovolj dobro za
nekatere aplikacije.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 29
Lokacijo vozlišč lahko določimo tudi s pomočjo meritvenih tehnik. Pri grobo-zrnati tehniki
je pomembna samo bližina oziroma prisotnost vozlišča v nekem določenem območju. Pri
tej tehniki uporabimo majhno število postaj, ki imajo različne geometrijske omejitve
zaznavanja. Postaje so tista vozlišča, katere lokacije so znane. Tako lahko s pomočjo teh
postaj približno določimo koordinate neznanih vozlišč.
Slika 4.2: Geometrijske omejitve zaznavanja: (a) krožno, (b) kotno, (c) kvadrantno,
(d) trapezoidno
Druga meritvena tehnika za referenčno vrednost uporablja razdaljo do objekta in za
meritev uporablja sprejeto moč signala (RSSI). Ta tehnika se imenuje fino-zrnata in je bolj
natančna od grobo-zrnate tehnike. Lokacijo določamo s pomočjo geometričnih meritev
(triangulacija in trilateracija). Triangulacija je način določanja lokacije s pomočjo kotov,
medtem ko se pri trilateraciji uporabljajo razdalje. Pri triangulaciji potrebujemo
medsebojno razdaljo med postajama z znanimi lokacijami in oba kota do vozlišča. Na tak
način lahko z uporabo trigonometričnih funkcij določimo lokacijo vozlišča (slika 4.3)
-
30 Štefan Žagar, Diplomsko delo
Slika 4.3: Triangulacija
Pri trilateraciji potrebujemo tri nekolinearne postaje z znanimi lokacijami in tri medsebojne
razdalje do vozlišča, kot kaže slika 4.4.
Slika 4.4: Trilateracija
Kot je že bilo omenjeno, lahko razdaljo merimo na več načinov:
• s pomočjo merjenja sprejete moči signala (RSSI)
• metoda merjenja časa prihoda ToA (angl. Time of Arrival)
• metoda merjenja razlike časov prihodov TDoA (angl. Time Difference of Arrival).
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 31
Če merimo razdaljo s pomočjo merjenja sprejete moči signala (RSSI), lahko upoštevamo,
da se dušenje sprejetega signala povečuje s povečevanjem razdalje med oddajnim in
sprejemnim vozliščem. Ta metoda je zelo enostavna, saj ne potrebujemo nobene dodatne
opreme. Pomankljivosti te metode so v nekonstantni RSSI vrednosti, ki se lahko zelo
spreminja glede na merjeno razdaljo, kot bomo videli v praktičnem delu diplomskega dela
(poglavje 7). Prav tako na RSSI vrednosti vplivajo ovire, ki podaljšujejo razdalje glede na
njihovo realno vrednost.
Čas, potreben za potovanje signala med oddajnim in sprejemnim vozliščem, je lahko
referenca za merjenje razdalje med dvema vozliščema. Ta metoda se uporablja v GPS
sistemih. Pri metodi merjenja razlike časov prihodov ToA in metodi merjenja razlike časov
prihodov TDoA merimo čas, ki je potreben za premostitev razdalje nekega signala do
vozlišča. Če vemo za hitrost širjenja signala, lahko izračunamo razdaljo do tega vozlišča.
Razlika med obema metodama je v tem, da morajo biti pri ToA metodi vozlišča časovno
sinhronizirana, pri TDoA metodi pa to ni potrebno. Pri ToA metodi se uporablja samo en
signal, medtem ko se pri TDoA metodi uporabljata dva signala, poslana po dveh različnih
komunikacijskih medijih (recimo ultrazvok in radijsko-frekvenčni signal).
Tehnike, ki se uporabljajo za ocenitev lokacije, so:
• Monte Carlo lokalizacija – uporablja se pri avtonomnih mobilnih robotih in
temelji na statističnih tehnikah
• konveksna optimizacija – predstavijo se relacije med pari vozlišč kot sklop
njihovih omejitev (bližina, koti). Za uspešno delovanje ta tehnika potrebuje
postaje z znanimi lokacijami v kotih omrežja.
• iterativna multiliteracija – multiliteracija je postopek, pri katerem ocenimo
lokacijo vozlišča glede na tri ali več postaj z znanimi lokacijami. Če vozlišča
nimajo dostopa do vsaj treh postaj, se lokacija oceni s pomočjo iterativne
multiliteracije. Vozlišča imajo dva načina delovanja:
o lokalizacijski način – vozlišča oddajajo informacije o svoji lokaciji
o nelokalizacijski način – vozlišča poslušajo
Če vozlišče dobi tri ali več informacij o svoji lokaciji, se preklopi v lokalizacijski
način. Vidimo, da je iterativna multiliteracija decentralizirana.
-
32 Štefan Žagar, Diplomsko delo
• večdimenzionalno skaliranje – uporabljajo se tehnike, ki temeljijo na
večdimenzionalnih matrikah razdalj med vozlišči
Slika 4.5: Določanje lokacije s pomočjo iterativne multiliteracije
4.3 ČASOVNA SINHRONIZACIJA
Za dobro delovanje brezžičnih senzorskih omrežij je zelo pomembna časovna
sinhronizacija, ki lahko vpliva na:
• sinhronizacijo delovnih ciklov
• natančnost lokalizacije
• precizno merjenje časovnih intervalov
• toleranco napak
• porabo, ki je odvisna od količine izmenjanih paketov in zahtevnosti procesiranja
paketov za časovno sinhronizacijo
• pomnilniške zahteve. Če je v pomnilniku shranjena zgodovina prejšnjih časovnih
sinhronizacij, se lahko določi bolj natančna časovna sinhronizacija
Zaradi specifičnih zahtev brezžičnih senzorskih omrežij mora biti časovna sinhronizacija
enostavna, razširljiva, fleksibilna in energijsko varčna, kljub temu pa ohraniti določeno
mero natančnosti. Štirje modeli časovne sinhronizacije so primerni za brezžična senzorska
omrežja:
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 33
• virtualne ure – najenostavnejši model, ki se uporablja za relativno sinhronizacijo
med vozlišči. Lahko tudi samo med nekaj vozlišči ali celo samo takrat, ko se zgodi
nek dogodek
• notranja sinhronizacija – relativna sinhronizacija med vozlišči v celotnem omrežju
• zunanja sinhronizacija – najkompleksnejša sinhronizacija, kjer se vozlišča
sinhronizirajo glede na referenčno vozlišče. Glavni cilj je zagotovitev enotnega
časa preko celotnega omrežja, kar pomeni, da so ure vozlišč absolutno
sinhronizirane. Takšna sinhronizacija je energijsko potratna, vendar omogoča
časovno konsistenčnost, kar je pomembno za arhiviranje podatkov
• hibridna sinhronizacija – kombinacija notranje in zunanje sinhronizacije
Na sliki 4.6 je ponazorjena zakasnitev paketa, ki se zgodi pri prenašanju paketov od
oddajnika do sprejemnika čez brezžični medij in je direktna posledica sinhronizacijske
napake.
Slika 4.6: Zakasnitev paketa pri brezžičnem prenosu
Zakasnitev paketa je nedeterministično določena in jo lahko opišemo z naslednjimi časi:
• čas pošiljanja – čas, ki je odvisen od same aplikacije in operacijskega sistema. To je
čas, potreben za generiranje paketa na aplikacijskem nivoju, nakar je posredovan
nižjim plastem za prenos
• dostopni čas – čas, ko paket doseže MAC podplast in čaka, da lahko dostopi do
kanala. Ta čas je v veliki meri odvisen od zasedenosti kanala in je eden izmed
kritičnih dejavnikov za dobro časovno sinhronizacijo
• čas prenosa – čas, ko se paket pošilja preko fizične plasti
-
34 Štefan Žagar, Diplomsko delo
• čas širjenja signala – dejanski čas, ki je potreben za prenos paketa od oddajnika do
sprejemnika. Navadno je zanemarljivo majhen glede na ostale čase
• čas prejemanja – celoten čas, ki je potreben za pretvorbo signala na fizični plasti in
MAC podplasti, pretvorbi v paket ter posredovanju aplikacijskemu delu
4.4 NASLAVLJANJE
V brezžičnih senzorskih omrežjih ima lahko eno vozlišče več imen in naslovov. Poznamo
naslednje tipe imen, naslovov in identifikatorjev:
• MAC naslov, namenjen razlikovanju bližnjih vozlišč
• omrežni naslov, namenjen razlikovanju vozlišč, ki so bolj oddaljene. Ponavadi je
povezan z usmerjanjem
• omrežni identifikator, namenjen razlikovanju omrežij, ki delujejo v istih
frekvenčnih pasovih
• unikatni identifikator UID (angl. Unique Node Identifier), ki je unikaten za vsako
vozlišče posebej
• identifikator vira. Ime identifikatorja vira je uporabnikom prijazno. Poimenuje
lahko posamezna vozlišča, skupino vozlišč, podatke itd.
Unikatnost imen in naslovov delimo na:
• globalno – ime ali naslov se lahko pojavita samo enkrat (zaželjeno po celem svetu)
• mrežno – isto ime ali naslov se lahko pojavita samo enkrat znotraj določenega
omrežja
• lokalno – ime ali naslov se lahko pojavita večkrat v istem omrežju, vendar morata
biti unikatna v določeni soseščini (pomembno za MAC naslavljanje)
Za brezžična senzorska omrežja je dovolj lokalna unikatnost imen in naslovov. Zato je
lahko velikost imen in naslovov majhna, kar zmanjšuje velikost poslanih podatkov, s tem
pa tudi porabo.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 35
4.5 KONTROLIRANJE PORABE
Najosnovnejše varčevanje porabe pri brezžičnih senzorskih omrežjih je na nivoju moči, ki
jo oddajamo. Pri porabi je zelo pomembna tudi možnost in učinkovitost prehajanja v
spanje in obratno. S kontroliranim spreminjanjem oddane moči spreminjamo povezljivost
do ostalih vozlišč, pa tudi na nasičenost omrežja ter s tem posledično na motnje v omrežju,
ki lahko vplivajo na ostala vozlišča. Moč, ki jo naprava oddaja, je velikokrat povezana s
samim MAC protokolom in usmerjevalnim protokolom. Na nivoju MAC podplasti lahko
zmanjšamo porabo na naslednje načine:
• preprečimo trke paketov, ki poškodujejo zdrave pakete ter tako povzročijo
ponovno oddajanje in sprejemanje
• pri poslušanju v mirovnem stanju, ko vozlišče pričakuje paket, lahko preidemo v
spanje
• ne detektiramo in ne sprejmemo paketov, ki niso namenjeni vozlišču
• zmanjšamo presežek (angl. overhead) protokola, kot so nekateri kontrolni okvirji
in glave paketov
• kontroliramo porabo, ko paketi za vozlišče niso pomembni
Usmerjevalni protokol definira povezave med vozlišči in usmerja podatke, ko potujejo
preko omrežja. Osredotoča se na dva glavna vidika zmanjševanja porabe. To sta
zmanjševanje porabe glede na sam paket in na uravnoteženje celotne porabe omrežja.
Protokoli, ki kontrolirajo omrežne topologije, so protokoli, postavljeni med MAC protokoli
in usmerjevalnimi protokoli. Ti protokoli varčujejo energijo tako, da popolnoma izklopijo
čim več vozlišč, tako da ne vplivajo na povezano omrežno topologijo. Te omejitve vseeno
omogočajo, da lahko paketi še vedno normalno potujejo po omrežju in da se lahko vsako
vozlišče še vedno poveže na omrežje.
4.6 PROGRAMIRANJE IN APLIKACIJE BREZŽIČNIH SENZORSKIH
OMREŽIJ
Programiranje brezžičnih senzorskih omrežij je zelo težavno, saj moramo pri
programiranju poleg omejenih možnosti samih senzorjev in aktuatorjev ter zaželjene čim
-
36 Štefan Žagar, Diplomsko delo
manjše porabe, upoštevati tudi nezanesljivo komunikacijo med vozlišči in možnost okvare
ali izpada vozlišča iz omrežja. Vozlišča so ponavadi enostavna in poceni ter nimajo veliko
procesorskih in pomnilniških zmogljivosti, zato morajo biti operacije in algoritmi
enostavni. Zaradi teh problemov se programiranja raje lotimo iz perspektive celotnega
omrežja kot pa iz perspektive individualnega vozlišča. Takšno programiranje se imenuje
makroprogramiranje. Zaradi zgoraj omenjenih specifičnosti so ponavadi programi za
vozlišča napisani v nizkem jeziku (angl. low-level language) ter so zelo kompleksni.
Zaradi čim manjše porabe se podatki ponavadi ne zbirajo na nekem centralnem mestu, kjer
bi jih lahko obdelovali, ampak podatke obdelujemo lokalno in se zanašamo samo na nekaj
podatkov okoliških vozlišč. Vseeno pa vozlišča lahko podatke pošiljajo, če so ključni za
delovanje celotnega omrežja oziroma so pomembni za uporabnika. Modeli programiranja
se lahko zelo razlikujejo glede na potrebe in namen brezžičnih senzorskih omrežij. Eden
izmed bolj znanih makroprogramskih okolij, ki je namenjen brezžičnim senzorskim
omrežjem, je TinyDB [9].
Tipe aplikacij za brezžična senzorska omrežja lahko delimo glede na povezavo med izvori
in uporabniki informacij. Izvor je naprava v omrežju od koder izvirajo informacije,
ponavadi kar vozlišče. Na drugi strani uporabniki informacij sprejemajo te informacije od
izvorov. Uporabniki informacij lahko pripadajo istemu omrežju kot izvori, ali pa tudi ne.
Ko uporabniki informacij pripadajo drugemu omrežju (recimo internetu), se informacije
posredujejo preko usmerjevalnika.
Direktna komunikacija med izvori in uporabniki informacij ni vedno mogoča, kar je še
posebej značilno za brezžična senzorska omrežja. Zato za komunikacijo uporabljamo
vmesna povezovalna vozlišča. Takšna omrežja imenujemo tudi multihop omrežja. Ta
omrežja so energijsko varčna, posebej pri prenosu informacij na daljše razdalje, saj je
poraba manjša, če informacijo prenesemo preko vmesnih povezovalnih vozlišč kot pa
direktno do ciljnega uporabnika informacij.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 37
Slika 4.7: Multihop omrežje
Aplikacije brezžičnih senzorskih omrežij lahko opravljajo:
• detekcijo dogodkov
• periodično merjenje
• aproksimacijo več meritev in iskanje mejnih vrednosti
• sledenje
Aplikacije tudi vplivajo na možnosti montaže oziroma namestitve samih vozlišč. Prav tako
pa tudi na same možnosti vzdrževanja vozlišč ter na izbiro napajalnega sistema.
4.7 BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA V PRAKSI
Možnosti brezžičnih senzorskih omrežij so velike predvsem za dejavnosti, ki delujejo v
zunanjih okoljih. Velika prednost brezžičnih senzorskih omrežij pred drugimi omrežji
predstavlja predvsem odsotnost kablov.
Oktobra leta 2001 se je začelo novo obdobje za brezžična senzorska omrežja, saj je NASA
prva objavila spletno stran, kjer je bilo mogoče opazovati in spremljati podatke zunanjega
okolja, ki so bili generirani s pomočjo njihovega brezžičnega senzorskega omrežja Sensor
Web [4]. Izraz Sensor Web opisuje posebno vrsto brezžičnega senzorskega omrežja, ki je
primerna za spremljanje zunanjega okolja in deluje nekoliko drugače kot druga brezžična
senzorska omrežja. Senzorji so prostorsko porazdeljeni in brezžično komunicirajo drug z
drugim. Omrežje nima usmerjevalnika oziroma centralnega vozlišča in omogoča, da vsako
vozlišče ve, kaj se dogaja z vsemi drugimi vozlišči v vsakem merilnem ciklu.
-
38 Štefan Žagar, Diplomsko delo
Slika 4.8: Primera Sensor Web vozlišč
Brezžična senzorska omrežja se uporabljajo tudi v notranjosti pisarn in poslovnih objektih,
kjer lahko izboljšajo avtomatizirane procese, varnostno kontrolo in vzdrževanje stavbe.
Naprave, ki sestavljajo brezžična senzorska omrežja v pisarnah in poslovnih objektih v
grobem delimo na štiri tipe. To so senzorske naprave, prikazovalniki (navadno majhni
LCD zasloni), usmerjevalniki (angl. gateway nodes) in ročni upravljalniki. Namenjene so
zaznavanju okolice, človeški interakciji z brezžičnim senzorskim omrežjem, povezovanju z
ostalimi dosegljivimi omrežji itd.
Slika 4.9: Senzorska naprava (levo) in prikazovalnik v kombinaciji z ročnim
upravljalnikom (desno)
-
5 UPORABLJENA STROJNA OPREMA
Za merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee smo uporabili
XBee module podjetja Maxstream (sedaj Digi International) in produkte podjetja Telargo
d.o.o., ki jih bomo na kratko opisali v naslednjih poglavjih. Prav tako si posebno poglavje
zasluži podjetje Telargo d.o.o, saj je bil del diplomskega dela opravljen v tem podjetju.
5.1 XBEE MODULI
Za merjenje sprejete moči signala (RSSI) smo uporabili XBee module podjetja Maxstream,
ki je sedaj v lasti podjetja Digi International. Digi International je član združenja podjetij
ZigBee Alliance in je razvil OEM rešitev, ki temelji na ZigBee standardu.
Za potrebe diplomskega dela smo uporabili dve vrsti XBee modulov: navaden modul XBee
s chip anteno in pro modul XBee-PRO z whip anteno [10]. Razvojne plošče, na katere se ti
moduli pritrdijo, so prav tako bile od proizvajalca Maxstream. Razvojna plošča ima serijski
RS232 priključek.
Slika 5.1: Razvojna plošča (levo), modul XBee-PRO z whip anteno (sredina),
modul XBee s chip anteno (desno)
-
40 Štefan Žagar, Diplomsko delo
Značilnosti modulov XBee in XBee-PRO:
• priključi-in-komuniciraj (angl. plug-and-communicate) brezžična zmogljivost
• nizka cena
• nizka prenosna hitrost
• majhna poraba
• robustna varnost
• visoka zanesljivost pri prenosu podatkov
• enostavna zamenjava in združljivost z moduli iste družine
Tabela 5.1: Tehnični podatki modulov XBee in XBee-PRO
Tehnični podatki XBee XBee-PRO doseg v zaprtih prostorih
/urbanih okoljih 30 m 100 m
doseg v odprtih okoljih, ko se vozlišči vidita
100 m 1500 m
moč oddajnika 1 mW (0 dBm) 100 mW (20 dBm) prenosna hitrost 250 kbit/s 250 kbit/s tokovna poraba 50 mA (3,3V) 200 mA (3,3V)
občutljivost sprejemnika -92 dBm -100 dBm delovno temperaturno območje od -40°C do 85°C od -40°C do 85°C
5.2 PODJETJE TELARGO D.O.O.
Podjetje Telargo d.o.o. je globalni ponudnik storitev za upravljanje z mobilnimi sredstvi, ki
z uporabo naprednih tehnologij občutno izboljša upravljanje voznega parka, dvigne raven
storitev, poveča učinkovitost in zniža operativne stroške vozil [11].
Slika 5.2: Podjetje Telargo d.o.o.
-
Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 41
Podjetje je bilo ustanovljeno leta 2005 pod okriljem Ultra d.o.o. in NTT DoCoMo Inc.
Trenutno družba uspešno implementira svojo storitev na mednarodnih trgih, kot so
Hong Kong, Italija, Latvija, Meksiko, Savdska Arabija, ZAE in ZDA ter tudi na domačih
tleh.
Storitve, ki jih trži podjetje Telar