ΔΙΜΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Μελέτη, σχεδίαση και υλοποίηση συστήματος αυτοματισμού με χρήση μικροελεγκτή και ασύρματου δικτύου αισθητήρων
Copyright Statement. Αθανάσιος Ε. Τασόγλου Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Α.Π.Θ. Γεώργιος Κ. Τσιμπλίδης Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών Α.Π.Θ Copyright Αθανάσιος Ε. Τασόγλου, 2010 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Copyright Γεώργιος Κ. Τσιμπλίδης, 2010 Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τους συγγραφείς. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τους συγγραφείς και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Αριστοτέλειου Πολυτεχνείου Θεσσαλονίκης. Επικοινωνία: Αθανάσιος Ε. Τασόγλου Γεώργιος Κ. Τσιμπλίδης tasoglou@gmail.com gtsimpli@gmail.com i
ii
Περίληψη Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκε, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα σύστημα αυτοματισμού με χρήση μικροελεγκτή και ασύρματου δικτύου αισθητήρων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και στο πρωτόκολλο IEEE 802.15.4 Zigbee. Για την μελέτη των παραπάνω σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε ένα σύστημα οικιακού αυτοματισμού που εκτός της αύξησης των ανέσεων του τελικού χρήστη, δίνει έμφαση στην ενσωμάτωση ενεργειακής συνείδησης στην κατοικία, με τελικό στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας. Ως κεντρική μονάδα ελέγχου του συστήματος χρησιμοποιήθηκε μικροελεγκτή. Για την αναγνώριση του περιβάλλοντος αναπτύχτηκαν ασύρματοι κόμβοι αισθητήρων των οποίων τα δεδομένα αποτελούν είσοδο του συστήματος. Για τον έλεγχο των ηλεκτρικών φορτίων και συσκευών αναπτύχτηκαν ασύρματοι κόμβοι ενεργοποιητών οι οποίοι υλοποιούσαν τις εξόδους του συστήματος. Η διασύνδεση της μονάδας ελέγχου και των ασύρματων κόμβων έγινε με την βοήθεια του πρωτοκόλλου Zigbee. Η επίβλεψη και η διαχείριση του συστήματος πραγματοποιείται με σύστημα οθόνης και πληκτρολογίου. Το σύνολο των επιμέρους στοιχείων συνέβαλλε στην δημιουργία ενός πλήρως ενοποιημένου συστήματος. Με το πέρας της υλοποίησης, το σύστημα δοκιμάστηκε σε πραγματικές συνθήκες. Με αυτόν τον τρόπο, δοκιμάστηκαν στην πράξη η αξιοπιστία και η ευρωστία του ασύρματου δικτύου αισθητήρων και του πρωτοκόλλου Zigbee. Μέσω πειραματικών μετρήσεων, καταγράφτηκαν τα ποσοστά εξοικονόμησης ενέργειας που οφείλονταν στην εφαρμογή του συστήματος στο οικιακό περιβάλλον. Λέξεις κλειδιά: Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων(WSN), Zigbee, IEEE 802.15.4, Οικιακός Αυτοματισμός, Κτιριακός Αυτοματισμός, Εξοικονόμηση Ενέργειας, Μικροελεγκτή, Έξυπνο Σπίτι, Πράσινο Σπίτι iii
iv
Abstract The main aim of the current diploma thesis is the study, the design and the implementation of an automated system with use of a microcontroller and a wireless sensor network (WSN). The wireless sensor networks and the IEEE 802.15.4 Zigbee protocol were in the center of interest. For further study of the above mentioned, a home automation system was designed and developed. Home automation not only provides comfort but also provides a mean of saving and conserving energy. A microcontroller was used as the main control unit. On the one hand, wireless sensor nodes were responsible for sensing the environment and providing the inputs for the control system. On the other hand, wireless actuator nodes were controlling the output of the system. The interconnection of the main control unit and the wireless nodes was implemented through the Zigbee technology and protocol. The system was monitored and supervised with the use of an LCD monitor and a keypad. The final result was a fully integrated system. Finally, the system was tested in real world conditions to study the reliability and the robust of wireless sensor networks and the Zigbee protocol. The energy savings percentages of the home automation were determined through experimental measurements. Keywords: Wireless Sensor Networks (WSN), Zigbee, IEEE 802.15.4, Home Automation, Domotics, Building Automation, Energy Saving, Microcontroller, Smart Home, Green Home v
vi
Περιεχόμενα Περιεχόμενα ΛΊΣΤΑ ΣΧΗΜΆΤΩΝ... IX ΑΚΡΩΝΎΜΙΑ... X ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1... 1 ΕΙΣΑΓΩΓΉ... 1 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ... 1 1.2 ΣΤΟΧΟΙ... 4 1.3 ΠΡΟΣΔΟΚΙΕΣ... 4 1.4 ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ... 4 1.5 ΔΟΜΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ... 5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2... 7 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΉ ΑΝΑΣΚΌΠΗΣΗ... 7 2.1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ... 7 2.1.1 Βασικά Στοιχειά Συστήματος Αυτοματισμού... 7 2.2 ΟΙΚΙΑΚΟΣ ΚΑΙ ΚΤΙΡΙΑΚΟΣ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΣ... 8 2.2.1 Τι είναι Οικιακός και Κτιριακός Αυτοματισμός... 8 2.2.2 Οικιακός Αυτοματισμός... 9 2.2.3 Συστατικά Στοιχεία του Συστήματος... 11 2.2.4 Πρωτόκολλα Οικιακού Αυτοματισμού... 13 2.3 ΚΕΝΤΡΙΚΗ ΜΟΝΑΔΑ ΕΛΕΓΧΟΥ... 15 2.3.1 Μικροελεγκτής... 18 2.4 ΑΣΥΡΜΑΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ... 20 2.4.1 Ορισμός... 20 2.4.2 Βασικές Κατηγορίες Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων... 21 2.4.3 Βασικά Αρχιτεκτονικά Στοιχεία... 22 2.5 IEEE 802.15.4 : ZIGBEE... 28 2.5.1 Εισαγωγή στα Χαρακτηριστικά του IEEE 802.15.4 : Zigbee... 30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3... 37 ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΊΑ... 37 3.1 ΜΕΛΕΤΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 37 3.1.1 Δομή Συστήματος Οικιακού Αυτοματισμού... 38 3.1.2 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου... 38 3.1.3 Δίκτυο Πρωτόκολλο Επικοινωνίας... 40 3.1.4 ZigBee Transceivers... 41 3.2 ΣΧΕΔΙΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 44 3.2.1 Τεχνικά Χαρακτηριστικά... 44 vii
Περιεχόμενα 3.2.2 Προδιαγραφές... 47 3.2.3 Δομή και Λειτουργία Συστήματος... 48 3.3 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ... 51 3.3.1 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου... 52 3.3.2 Αισθητήρες/Ενεργοποιητές... 62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4... 71 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΆ ΑΠΟΤΕΛΈΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΣΥΖΉΤΗΣΗ... 71 4.1 ΑΞΙΟΠΙΣΤΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ... 71 4.1.1 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου... 71 4.1.2 Αισθητήρες Ενεργοποιητές... 71 4.1.3 Δίκτυο Πρωτόκολλο Επικοινωνίας... 73 4.2 ΕΞΟΙΚΟΝΟΜΗΣΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ... 73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5... 75 ΣΥΜΠΕΡΆΣΜΑΤΑ ΚΑΙ ΠΡΟΤΆΣΕΙΣ... 75 5.1 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ... 75 5.2 ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ... 77 5.2.1 Προτάσεις για περαιτέρω ανάπτυξη... 77 5.2.2 Προτάσεις για εφαρμογές... 78 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΊΑ... 79 ΠΑΡΑΡΤΉΜΑΤΑ... 81 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Α... 81 Datasheets... 81 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Β... 94 Οδηγίες Χρήσης... 94 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Γ... 97 Λίστα Υλικών... 97 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δ... 99 Φωτογραφιες του συστηματος... 99 viii
Λίστα Σχημάτων Λίστα Σχημάτων 1.1 Τυπικό μέγεθος ασύρματου αισθητήρα 1.2 Στοίβα πρωτοκόλλου Zigbee 1.3 Ένα πλήρως ενοποιημένο σύστημα 1.4 Σύστημα Οικιακού Αυτοματισμού 2.1 Δομή Συστήματος Ελέγχου 2.2 Οικιακός Αυτοματισμός 2.3 Τυπικό Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων Multihop Single Sink 2.4 Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων τύπου C1WSN 2.5 Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων τύπου C2WSN 2.6 Αρχιτεκτονική Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων τύπου 2.7 Τυπική Δομή Υλικού και Λογισμικού Κόμβου Αισθητήρα 2.8 Πίνακας με Πρωτόκολλα Στοίβας 2.9 Πίνακας με Πρωτόκολλα Χαμηλού Επιπέδου 2.10 Διάγραμμα Εφαρμογών Ασύρματων Τεχνολογιών 2.11 Διάγραμμα Ρυθμού Μετάδοσης Εμβέλειας Ασύρματων Τεχνολογιών 2.12 Πίνακας Χαρακτηριστικών Φυσικού Επιπέδου Προτύπου ΙΕΕΕ 802.15.4 2.13 Τοπολογίες Δικτύου Zigbee 2.14 Χαρακτηριστικό Πλαίσιο 2.15 Συνύπαρξη Καναλιών στα 2.4 GHz 2.16 Συνύπαρξη και Παρεμβολή στα 2.4 GHz 3.0 Κατά προσέγγιση κύκλος ζωής ενός project 3.1 Δομή Συστήματος Οικιακού Αυτοματισμού 3.2 Πίνακας Σύγκρισης Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων 3.3 Πίνακας Σύγκρισης Δικτύων 3.4 Πίνακας Χαρακτηριστικών Zigbee 3.5 Γράφος ροής της κεντρικής Μονάδας ελέγχου 3.6 Δομή τυπικού κόμβου αισθητήρα 3.7 Δομή του συστήματος 3.8 Κυκλωματικό Διάγραμμα Μικροελεγκτή 3.9 Κυκλωματικό Διάγραμμα Εξωτερικής Τροφοδοσίας 3.10 Κυκλωματικό Διάγραμμα Μονάδας USB 3.11 Κυκλωματικό Διάγραμμα Ρυθμιστή Τάσης στα 3.3V 3.12 Κυκλωματικό Διάγραμμα Ταλαντωτών 3.13 Κυκλωματικό Διάγραμμα Οθόνης 3.14 Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU Ρυθμίσεις Υπολογιστή 3.15 Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU Range Test 3.16 Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU Terminal 3.17 Περιβάλλον Προγράμματος X-CTU Modem Configuration 3.18 Κυκλωματικό Διάγραμμα Αισθητήρα Θερμοκρασίας 3.19 Κυκλωματικό Διάγραμμα Αισθητήρα Κίνησης και Φωτεινότητας 3.20 Η θεωρία του Dimming 3.21 Κυκλωματικό Διάγραμμα Κυκλώματος Dimming 3.22 Κυκλωματικό Διάγραμμα Relay Στερεάς Κατάστασης 4.1 Διάγραμμα Διάρκειας Ζωής Μπαταρίας 4.2 Πίνακας Πειραματικών Μετρήσεων Δικτύου 4.3 Πίνακας Εξοικονόμησης Ενέργειας με Dimming 5.1 Υπέρ και Κατά των Ασυρμάτων Δικτύων 5.2 Προνόμια Οικιακού Αυτοματισμού 5.3 Προκλήσεις Συστημάτων Οικιακού Αυτοματισμού ix
Ακρωνύμια Ακρωνύμια ADC AES ASIC BPSK CISC CMOS DDC EEPROM FFD FPGA HVAC IC ISM MAC NRE O-QPSK PAN PHY PIR PLC PLD QPSK RF RFD RISC SNR SPI UART WLAN WPAN WSN Analog to Digital Converter Advanced Encryption Standard Application-specific Integrated Circuit Binary Phase-Shift Keying Complex Instruction Set Computing Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Direct Digital Controller Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory Full Function Device Field-programmable Gate Array Heating, Ventilating, and Air Conditioning Integrated Circuit Industrial, Scientific and Medical Medium Access Control Non Reverse Engineering Offset Quadrature Phase-Shift Keying Personal Area Network Physical Layer Passive Infrared Sensor Programmable Logic Controller Programmable Logic Device Quadrature Phase-Shift Keying Radio Frequency Reduced Function Device Reduced Instruction Set Computing Signal to Noise Ratio Serial Peripheral Interface Bus Universal Asynchronous Receiver/Transmitter Wireless Local Area Network Wireless Personal Area Network Wireless Sensor Network x
(Η σελίδα αυτή αφέθηκε κενή σκοπίμως)
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Εισαγωγή Κεφάλαιο 1 1.1 Εισαγωγή Οι ασύρματες κινητές επικοινωνίες άλλαξαν δραστικά την καθημερινότητα του μέσου πολίτη, αποτέλεσαν παγκοσμίως την ατμομηχανή της ανάπτυξης και της αγοράς εργασίας τις τελευταίες δεκαετίες και έθεσαν ανεξίτηλα τη σφραγίδα τους στην ταυτότητα της σύγχρονης εποχής. Η ποιοτική, αδιάλειπτη διασύνδεση και επικοινωνία, οποτεδήποτε και οπουδήποτε, αποτελεί πλέον αδιαπραγμάτευτη απαίτηση κάθε συνδρομητή εφοδιασμένου με κινητές τερματικές συσκευές. Ως άμεση συνέπεια αυτής της κατάστασης μια νέα πραγματικότητα διαμορφώνεται σήμερα μέσα από την ανάπτυξη των Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων (WSN) είτε λειτουργούν αυτοτελώς, είτε διασυνδεδεμένα στα μεγαλύτερα δίκτυα τηλεπικοινωνιών ή στο διαδίκτυο. Τα δίκτυα αυτά αποτελούνται από μεγάλο αριθμό μικρών ηλεκτρονικών διατάξεων (αισθητήρων), κινητών ή μη, που αποστέλλουν σε μια κεντρική μονάδα πληθώρα δεδομένων προς επεξεργασία και λήψη αποφάσεων. Η ταχύτατη ανάπτυξη της μικροηλεκτρονικής και των υλικών επέτρεψε την κατασκευή πολύ μικρών αισθητήρων, οι οποίοι έχουν την ικανότητα να μετρούν και να καταγράφουν μια κυριολεκτικά ατέλειωτη σειρά από περιβαλλοντολογικά ή βιολογικά μεγέθη, όπως τη θερμοκρασία, την ατμοσφαιρική πίεση, την υγρασία, τη φωτεινότητα, τη στάθμη υδάτων, την ωρίμανση καρπών, την ανίχνευση χημικών στοιχείων, την πίεση αίματος, τους σφυγμούς καρδιάς, την κίνηση αντικειμένων και ανθρώπων και πολλές ακόμα παραμέτρους που προστίθενται διαρκώς στον παραπάνω κατάλογο. Αξιοσημείωτο είναι ότι σε μία διάταξη ίση με ένα νόμισμα 2 ευρώ μπορούν να συμπεριληφθούν πολλά από τα παραπάνω αισθητήρια και να γίνεται συγχρόνως καταμέτρηση διαφόρων μεγεθών. Σχήμα 1.1 Τυπικό μέγεθος ασύρματου αισθητήρα. 1
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Πρόκειται για μια πολύ σημαντική τεχνολογία που θα γνωρίσει μεγάλη ανταπόκριση από πληθώρα εφαρμογών τα επόμενα χρόνια. Οι ερευνητές βλέπουν τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων ως ένα γρήγορα αναδυόμενο πεδίο δικτυακών συστημάτων χαμηλής κατανάλωσης ισχύος με ελάχιστη υπολογιστική ισχύ και μνήμη, που ενσωματώνονται σε μικροσκοπικούς κόμβους και μεγάλων συνενωμένων δικτύων για ανάλυση και ανάγνωση του περιβάλλοντος. Ένα δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από τέσσερα βασικά στοιχεία: τους κόμβους(nodes) που μπορούν να είναι είτε αισθητήρες ή ενεργοποιητές, τα σημεία αναφοράς(sinks), τις πύλες (gateways) και το δίκτυο διασύνδεσης. Στις αρχές του 2000, ξεκίνησαν έρευνες για την εύρεση τρόπου προτυποποίησης του δικτύου. Το πρωτόκολλο Wi- Fi (IEEE 802.11b) απορρίφτηκε αμέσως λόγω της πολυπλοκότητας του και της χρήσης μεγαλύτερου εύρους ζώνης απ' ότι χρειάζονταν οι τυπικοί αισθητήρες. Τα συστήματα υπερύθρων απαιτούν οπτική επαφή που δεν είναι πάντοτε εφικτή. Τέλος, το Bluetooth (IEEE 802.15.1) έμοιαζε να είναι μια πιθανή επιλογή, αλλά σύντομα προέκυψε πολύπλοκη και ακριβή. Έτσι, άνοιξε η πόρτα για ένα νέο πρότυπο, τo IEEE 802.15.4, μαζί με το Zigbee. Σχήμα 1.2 Στοίβα πρωτοκόλλου Zigbee. Ο πυρήνας του συστήματος Zigbee αποτελείται από έναν RF πομποδέκτη και την στοίβα πρωτοκόλλου όπως φαίνεται στο Σχήμα 1.2. Το φυσικό επίπεδο (PHY) του προτύπου ορίζει 27 κανάλια half-duplex κατά μήκος των συχνοτήτων 868, 915 MHz και 2.4 GHz (ISM Band). Η κατανάλωση ενέργειας αποτελεί πρωταρχική μέριμνα. Ωστόσο, για να για να επιτευχτεί μεγαλύτερος χρόνος ζωής μπαταρίας, η κατανάλωση ενέργειας πρέπει να κυμαίνεται συνεχώς σε πολύ χαμηλά επίπεδα είτε μα χαμηλούς ρυθμούς μετάδοσης είτε με μικρό κύκλο λειτουργίας (duty-cycle). Αυτό σημαίνει ότι οι συμβατές συσκευές παραμένουν ενεργές για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Το πρότυπο υποστηρίζει κύκλους λειτουργίας της τάξεως του 1%. Γι αυτό το λόγο, οι διαθέσιμοι ρυθμοί μετάδοσης των 20, 40, 250 kbps είναι αρκετά υψηλοί σε σχέση με τις απαιτήσεις που ορίζει η τεχνολογία των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων. Για να ξεπεραστεί η πεπερασμένη εμβέλεια εκπομπής, απαιτούνται τοπολογίες πολλαπλών αναπηδήσεων και αυτό-οργανωσης (self-organizing). Το επίπεδο MAC του 2
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή προτύπου ορίζει τρεις διαφορετικές τοπολογίες: star, mesh και cluster tree. Αυτές οι τοπολογίες υλοποιούνται με δυο ειδών συσκευές: τις συσκευές πλήρους λειτουργίας (FFD) και τις συσκευές περιορισμένης λειτουργίας (RFD) με δυο διαφορετικές μεθόδους λειτουργίες, τις μεθόδους Beaconed και Unbeaconed. Η ασφάλεια και η ακεραιότητα των δεδομένων αποτελούν βασικά προνόμια της τεχνολογίας Zigbee. Το Zigbee ενδυναμώνει το μοντέλο ασφάλειας που ορίζει το υπό-επίπεδο MAC του προτύπου IEEE 802.15.4 το οποίο ορίζει υπηρεσίες ασφαλείας έλεγχου πρόσβασης, κρυπτογράφησης δεδομένων (128-bit AES) και ακεραιότητας πλαισίου. Οι παραπάνω τεχνολογίες εφαρμόζονται επιτυχώς σε πληθώρα εφαρμογών όπως οι βιομηχανικές εφαρμογές, ηλεκτρονικά καθημερινής χρήσης, περιφερειακά υπολογιστή και γραφείου, υγειονομικές εφαρμογές, οικιακό και κτιριακό αυτοματισμό. Σχήμα 1.3 Ένα πλήρως ενοποιημένο σύστημα Με την εισαγωγή του Zigbee στον οικιακό αυτοματισμό, μπόρεσαν να ξεπεραστούν βασικοί περιορισμοί στην μέχρι τώρα σχεδίαση και υλοποίηση συστημάτων και εισήρθαν νέα, υψηλής τεχνολογίας, ευέλικτα εμπορικά προϊόντα οικιακού αυτοματισμού. Η τεχνολογία Zigbee παρέχει μια οικονομική και προτυποποιημένη προσέγγιση, που επιτρέπει την ανάπτυξη εύρωστων, απλών αλλά και οικονομικών λύσεων που παρέχουν άνεση, ασφάλεια, αποτελεσματικότητα και εξοικονόμηση ενέργειας στον μέσο ιδιοκτήτη. Με τον όρο συστήματα οικιακού αυτοματισμού περιγράφονται ηλεκτρικές εγκαταστάσεις που τοποθετούνται σε σπίτια με σκοπό να προσφέρουν άνεση, ασφάλεια και εξοικονόμηση ενέργειας κα χρημάτων στους ενοίκους. Οι έξυπνες εγκαταστάσεις αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον χρησιμοποιώντας ένα μέσο επικοινωνίας με την βοήθεια του οποίου ανταλλάσσουν δεδομένα προκειμένου να διεξάγουν κάποιες λειτουργίες όπως να ενεργοποιήσουν το φωτισμό ενός χώρου ή να ρυθμίσουν τη θερμοκρασία. Εκτός από τον έλεγχο ηλεκτρολογικών και μηχανολογικών εγκαταστάσεων στις λειτουργίες του συστήματος περιλαμβάνονται και ο έλεγχος οικιακών συσκευών και συσκευών πολυμέσων δημιουργώντας ένα ενοποιημένο σύστημα. Τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τον αποτελεσματικό συντονισμό των συστημάτων αφορούν την διευκόλυνση της καθημερινότητας των χρηστών. Η βελτίωση της ποιότητας ζωής συνοδεύεται από εξοικονόμηση ενέργειας και χρημάτων. 3
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Σχήμα 1.4 Σύστημα Οικιακού Αυτοματισμού 1.2 Στόχοι Κύριος στόχος της διπλωματικής αυτής είναι η μελέτη, η σχεδίαση και η υλοποίηση ενός συστήματος αυτοματισμού το οποίο θα βασιζόταν σε μικροελεγκτή και σε ασύρματο δίκτυο αισθητήρων. Στόχος είναι η ανακάλυψη των δυνατοτήτων των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων με την εφαρμογή τους σε ένα σύστημα οικιακού αυτοματισμού. Τέλος, ένας στόχος ήταν η μετάβαση από τη θεωρία στην πράξη και η παρατήρηση του ασυρμάτου δικτύου αισθητήρων. 1.3 Προσδοκίες Οι προσδοκίες αυτής της διπλωματικής περιλαμβάνουν την επιβεβαίωση της ευρωστίας και της αξιοπιστίας των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων που βασίστηκε στο πρότυπο IEEE 802.15.4 και στο πρωτόκολλο Zigbee. Όσον αφορά τον οικιακό αυτοματισμό, κύριο μέλημα είναι η εξοικονόμηση ενέργειας αλλά και η άνεση. 1.4 Περιορισμοί Η ανάπτυξη ενός σύνθετου συστήματος όπως αυτό που υλοποιήθηκε συνοδευόταν από πολλούς περιορισμούς που αφορούν την ανάπτυξη και την υλοποίηση. Πιο συγκεκριμένα οι περιορισμοί της παρούσας διπλωματικής ήταν οι εξής: Το μέγεθος αυτού του project απαιτεί μεγάλο χρονικό διάστημα για την μελέτη, την σχεδίαση και την υλοποίηση από δυο άτομα μόνο. 4
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή Η εξαγωγή συμπερασμάτων βασίστηκε σε σχετικά μικρό χρονικό διάστημα λειτουργίας του συστήματος Ο διαθέσιμος προϋπολογισμός περιόρισε την υλοποίηση του συστήματος μόνο σε συγκεκριμένες λειτουργίες και με εξαρτήματα χαμηλού κόστους και περιορισμένων λειτουργιών. Ο ορισμός του συστήματος προκαθορίστηκε από την έναρξη του Project και έτσι η ανάπτυξη των εφαρμογών περιορίστηκε στις προκαθορισμένες λειτουργίες. Η περιορισμένη ελληνική αγορά κατέστησε δύσκολη την πρόσβαση σε ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Δεν έγινε εφαρμογή του συστήματος σε πραγματικό περιβάλλον. 1.5 Δομή Διπλωματικής Η διπλωματική χωρίζεται σε πέντε κεφάλαια. Επιπλέον πληροφορίες για την διπλωματική παρέχονται στα παραρτήματα στο τέλος της διπλωματικής. Πιο συγκεκριμένα: Κεφάλαιο 1. Παρουσιάζει μια σύντομη εισαγωγή και μερικές πληροφορίες για τους τομείς έρευνας της διπλωματικής. Παρουσιάζεται ο το θέμα και τονίζονται τα σημεία που θα καλυφτούν. Τέλος, γίνεται αναφορά των στόχων, των προσδοκιών και των περιορισμών της διπλωματικής. Κεφάλαιο 2. Σε αυτό το κεφάλαιο έγινε επιθεώρηση και κριτική βασικών ζητημάτων των συστημάτων αυτοματισμού, του οικιακού και κτιριακού αυτοματισμού, των μικροελεγκτή, των ασυρμάτων δικτύων αισθητήρων και του Zigbee. Δόθηκαν ορισμοί και αναλύθηκαν οι σχετικές έννοιες. Κεφάλαιο 3. Σε αυτό το κεφάλαιο αναλύθηκε η μεθοδολογία υλοποίησης της διπλωματικής και του project και ο διαχωρισμός της διαδικασίας σε τρεις επιμέρους φάσεις. Δόθηκαν εκτενή τεχνικά χαρακτηριστικά των εναλλακτικών επιλογών και δικαιολογήθηκε η επιλογή των εξαρτημάτων που επιλέχτηκαν έπειτα από εκτενή μελέτη. Έγινε αναφορά στον διαδικασία σχεδίασης του συστήματος και στην στρατηγική που εφαρμόστηκε και τέλος έγινε αναφορά στην υλοποίηση όλων των παραπάνω και στην μετάβαση από την θεωρητική μελέτη και σχεδίαση στην πρακτική υλοποίηση του συστήματος. Κεφάλαιο 4. Παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων που προέκυψαν από την εφαρμογή του συστήματος βασισμένη σε θεωρητικά στοιχεία αλλά και σε πρακτικά καθώς και σύντομη συζήτηση και σχολιασμός. Κεφάλαιο 5. Εξαγωγή συμπερασμάτων από την ολοκλήρωση του project και ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Προτάσεις για περαιτέρω έρευνα και μελέτη για εφαρμογή σε μελλοντικές διπλωματικές. 5
Κεφάλαιο 1 - Εισαγωγή (Η σελίδα αυτή αφέθηκε κενή σκοπίμως) 6
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Κεφάλαιο 2 Αυτό το κεφάλαιο αποσκοπεί στο να παρουσιάσει τα σχετικά ζητήματα με τα συστήματα αυτοματισμού, τον οικιακό και κτιριακό αυτοματισμό, την κεντρική μονάδα ελέγχου, τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και το πρωτόκολλο Zigbee. Η συζήτηση επικεντρώνεται στον ορισμό των επιμέρους θεμάτων και στα βασικά τους στοιχεία και χαρακτηριστικά, καθώς και στην παρουσίαση των διαθέσιμων εναλλακτικών επιλογών. Έπειτα από ανάλυση και αντιπαράθεση, αναλύονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα της εκάστοτε εναλλακτικής επιλογής. 2.1 Συστήματα Αυτοματισμού Αυτοματισμός είναι η τεχνολογία με την οποία διεκπεραιώνεται μια διεργασία ή μια διαδικασία χωρίς την ανθρώπινη βοήθεια. Η διαδικασία αυτή υλοποιείται με τη χρήση ενός προγράμματος εντολών σε συνδυασμό με ένα σύστημα έλεγχου το οποίο εκτελεί τις εντολές αυτές [1]. Στο πεδίο εφαρμογής της εκβιομηχάνισης, ο αυτοματισμός, είναι ένα βήμα μετά την μηχανοποίηση. Ενώ η μηχανοποίηση παρέχει στον άνθρωπο εργαλεία για να ξεπεράσει τις σωματικές απαιτήσεις της δουλειάς, ο αυτοματισμός μείωσε κατά πολύ τις ανάγκες για ανθρωπινή παρέμβαση και πνευματική κόπωση. Ο όρος αυτοματισμός επινοήθηκε πρώτη φορά από τον Del Harder το 1946 ως αναφορά στις πολλές αυτόματες συσκευές που είχε αναπτύξει η Ford Motor Company για τις γραμμές παράγωγης της. [1] Οι ιδέες, όμως, για τρόπους αυτοματοποίησης διεργασιών υπήρχαν από την αρχαία Ελλάδα. Στην σύγχρονη εποχή, η πιο εξελιγμένη μορφή συστημάτων αυτοματισμού είναι η τεχνητή νοημοσύνη, που σχεδιάστηκε για να αναπαράγει τις ανθρώπινες διαδικασίες σκέψης. Ένα μεγάλο κύμα ανάπτυξης θα επέλθει μέσω της νέας τεχνολογίας (ίσως αισθητήρες νανοτεχνολογίας ή ασύρματοι), της παράγωγης στο χαμηλότερο κόστος για παγκόσμια διανομή και γρήγορο χρόνο εισαγωγής του προϊόντος στην αγορά (fast time-to-market), που δεν εμποδίζεται από τα πρότυπα των επίτροπων και τις απαρχαιωμένες διαχειρίσεις συντηρητισμού. Οι διαχειριστές(managers), οι καινοτόμοι και οι οραματιστές, που αναγνωρίζουν τις δυνατότητες, θα γίνουν οι νέοι ηγέτες του αύριο. [2] 2.1.1 Βασικά Στοιχειά Συστήματος Αυτοματισμού Ένα σίτεμα αυτοματισμού αποτελείται από τρία βασικά στοιχεία: 1. Ενέργεια, για να διεκπεραιωθεί η διαδικασία αυτοματισμού και να λειτούργει το σύστημα (Power). 2. Πρόγραμμα εντολών, για να διευθετείται η διαδικασία (Program of Instructions). 7
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση 3. Σύστημα ελέγχου για να ενεργοποιεί τις εντολές (Control System). Σχήμα 2.1 Δομή Συστήματος Ελέγχου Στην σύγχρονη εποχή ο αυτοματισμός εφαρμόζεται σε πολλές πτυχές της καθημερινής ζωής και της βιομηχανίας. Μια γενική κατηγοριοποίηση των εφαρμογών του αυτοματισμού είναι: Αυτοματοποιημένη επιτήρηση με βίντεο (video surveillance). Αυτοματοποιημένα συστήματα αυτοκινητόδρομων (Automated Highway Systems). Αυτοματοποιημένη παράγωγη. Οικιακός και Κτιριακός Αυτοματισμός (Home and Building Automation). 2.2 Οικιακός και Κτιριακός Αυτοματισμός 2.2.1 Τι είναι Οικιακός και Κτιριακός Αυτοματισμός Το επίπεδο αυτοματισμού σε οικιακά και εμπορικά κτίρια αυξάνεται σταθερά με την πάροδο του χρόνου. Αυτό δεν οφείλεται μόνο στην ολοένα και αυξανομένη απαίτηση για άνεση, ευκολία και ασφάλεια, αλλά και στην απαίτηση για σωστή διαχείριση της ενεργείας. Όταν μιλάμε για αυτοματοποιημένες λειτουργιές σε κτίρια, πολλές φορές χρησιμοποιούνται οι έννοιες «κτιριακός αυτοματισμός» και «κτιριακός έλεγχος». Παρότι αυτές οι δυο έννοιες μοιάζουν για συνώνυμες, η Ένωση Γερμανών Μηχανικών (Verein Deutscher Ingenieure) ορίζει τον κτιριακό αυτοματισμό ως εξής: Κτιριακός αυτοματισμός είναι η μέτρηση, ο έλεγχος και η οργάνωση μέσω υπολογιστή των κτιριακών υπηρεσιών. [3] 8
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Από τον ορισμό μπορούμε να συμπεράνουμε ότι ο κτιριακός έλεγχος είναι κομμάτι του κτιριακού αυτοματισμού. Ο κτιριακός έλεγχος είναι ένα συγκεκριμένο κομμάτι του κτιριακού αυτοματισμού που επικεντρώνεται, κυρίως, στις ηλεκτρικές εγκαταστάσεις. Ο κτιριακός έλεγχος αναφέρεται στη χρήση ενός εγκατεστημένου δίαυλου για την σύνδεση των εξαρτημάτων και συσκευών σ ένα σύστημα για μια συγκεκριμένη ηλεκτρική εγκατάσταση, που ελέγχει και συνδέει όλες τις λειτουργίες και τις διαδικασίες σ ένα κτίριο. Όλα τα εξαρτήματα έχουν την δική τους «νοημοσύνη» και ανταλλάσσουν πληροφορίες μεταξύ τους. [3] Ο οικιακός αυτοματισμός επικεντρώνεται κυρίως στην: Μείωση κόστους/περιορισμός κατανάλωσης ενέργειας. Άνεση και ευκολία. Ασφάλεια. Ο κτιριακός αυτοματισμός επικεντρώνεται στην: Μείωση κόστους/περιορισμός κατανάλωσης ενέργειας. Επικοινωνία μέσω συστημάτων επικοινωνίας και δικτύων. Άνεση και ευκολία. Ευελιξία. 2.2.2 Οικιακός Αυτοματισμός Οι κύριες διεργασίες που αναλαμβάνει να διεκπεραιώσει ένα σύστημα οικιακού αυτοματισμού είναι: Θέρμανση, Εξαερισμός, Κλιματισμός (HVAC) Περιλαμβάνει τον έλεγχο της θερμοκρασίας και της υγρασίας. Είναι από τους πιο σημαντικούς τομείς ελέγχου και συμβάλλει στην εξοικονόμηση χρημάτων και στην προστασία του περιβάλλοντος. Φωτισμός Περιλαμβάνει τον έλεγχο του φωτισμού σε όλο το σπίτι. Μπορεί να σβήσει όλα τα φώτα, να αντικαταστήσει τον χειροκίνητο έλεγχο των διακοπτών με αυτοματοποιημένα σήματα, να ρυθμίσει την φωτεινότητα των λαμπτήρων σύμφωνα με τα διαθέσιμα επίπεδα φωτεινότητας στον χώρο και να αλλάξει το χρώμα του περιβάλλοντος χώρου, μέσω ελέγχου φωτοφόρων ή ηλεκτρονικών dimmer. 9
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Ήχος και Εικόνα Περιλαμβάνει την ενεργοποίηση και τη διανομή ήχου και εικόνας. Πολλαπλές πήγες ήχου και εικόνας μπορούν να επιλεχτούν και να διανεμηθούν σ ένα ή περισσότερα δωμάτια. Ασφάλεια Περιλαμβάνει τον έλεγχο και την ενσωμάτωση συστημάτων ασφαλείας. Στην κατηγορία αυτή περιέχονται συστήματα ασφαλείας που αφορούν πιθανή εισβολή, προσομοίωση παρουσίας, εντοπισμός φωτιάς, διαρροής αερίου ή νερού, συναγερμό ιατρικών περιστατικών και ακριβές και ασφαλές κλείσιμο στα στόρια. Συστήματα διεπικοινωνίας Περιλαμβάνει συστήματα που επιτρέπουν την επικοινωνία μέσω μικροφώνου και μεγαφώνου ανάμεσα σε δωμάτια. Ρομποτική Περιλαμβάνει τον έλεγχο οικιακών ρομπότ και την επικοινωνία των ρομπότ με το οικιακό δίκτυο και τα υπόλοιπα ρομπότ. Αλλά συστήματα Με ειδικό υλικό εξοπλισμό μπορεί να ελεγχθεί οποιαδήποτε συσκευή αυτόματα ή απομακρυσμένα. 10
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Σχήμα 2.2 Οικιακός Αυτοματισμός (http://www.netsysconsultants.com/content/default.aspx?categorycode=hmeautsol1) Όλες αυτές οι διεργασίες εκτελούνται από μια προγραμματισμένη αλληλουχία ενεργειών που ενεργοποιούνται είτε από την ώρα της ημέρας, είτε ως απόκριση σε εξωτερικά γεγονότα που εντοπίζονται από τους αισθητήρες. 2.2.3 Συστατικά Στοιχεία του Συστήματος Τα βασικά συστατικά στοιχεία ενός συστήματος οικιακού αυτοματισμού είναι: Κεντρική μονάδα ελέγχου. Ενεργοποιητές. Αισθητήρες. Μέσο διασύνδεσης. 11
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Κεντρική μονάδα ελέγχου Η κεντρική μονάδα ελέγχου είναι η καρδιά του συστήματος. Οι ενδείξεις των αισθητήρων αποτελούν είσοδο στην μονάδα, ενώ τα σήματα ελέγχου αποστέλλονται στους ενεργοποιητές. Το σπίτι μπορεί να διαιρεθεί σε ξεχωριστές ζώνες και να ελέγχονται ξεχωριστά. Αλλά τα πραγματικά οφέλη ενός συστήματος οικιακού αυτοματισμού μπορούν να γίνουν κατανοητά μόνο μ ένα πλήρως ολοκληρωμένο σύστημα. Η κεντρική μονάδα ελέγχου περιέχει το πρόγραμμα αυτοματοποιημένου ελέγχου του σπιτιού. Ο χρήστης μπορεί να αλληλεπιδράσει με το πρόγραμμα μέσω μιας συσκευής εισόδου, ώστε να κάνει αλλαγές στις παραμέτρους του συστήματος και στις προγραμματισμένες δράσεις. Η αλληλεπίδραση με το πρόγραμμα ελέγχου μπορεί να γίνεται, επίσης, μέσω υπολογιστή ή μέσω απομακρυσμένου ελέγχου με συσκευή χειρός. Ενεργοποιητές Οι ενεργοποιητές αποτελούν την έξοδο του συστήματος ελέγχου και περιλαμβάνουν έλεγχο relays για οποιαδήποτε ηλεκτρική συσκευή, dimmers για έλεγχο φωτεινότητας λαμπτήρων και εξαερισμού, ηλεκτρικές βαλβίδες και κινητήρες για έλεγχο σε τέντες και ρολά. Αισθητήρες Οι αισθητήρες μετρούν φυσικά μεγέθη όπως η θερμοκρασία, το επίπεδο φωτεινότητας, ο ήχος, η κίνηση, η υγρασία και η ποσότητα νερού, αερίου και ενέργειας, που καταναλώθηκε. Οι ενδείξεις των αισθητήρων αποτελούν την είσοδο του συστήματος ελέγχου. Μέσο διασύνδεσης Οι ενδείξεις των αισθητήρων και τα σήματα ελέγχου από και προς την κεντρική μονάδα ελέγχου μπορούν να μεταφερθούν είτε μέσω καλωδίου είτε ασύρματα. Το ενσύρματο δίκτυο είναι πιο αξιόπιστο, όσον αφορά τη μεταφορά δεδομένων, είναι πιο ανθεκτικό στην παρεμβολή και στον θόρυβο και υπάρχει η δυνατότητα τροφοδοσίας των αισθητήρων μέσω του ίδιου του δικτύου καλωδίωσης. Ωστόσο, το ασύρματο δίκτυο προσφέρει ελευθερία, όσον αφορά την εγκατάσταση του δικτύου, αλλά με το τίμημα της περιορισμένης δυνατότητας εύρεσης εξωτερικής τροφοδοσίας. Όσον αφορά την μετάδοση δεδομένων και πληροφορίας, το ασύρματο δίκτυο δεν είναι τόσο αξιόπιστο και τόσο ανθεκτικό στο θόρυβο, όσο το καλώδιο, αλλά με την εξέλιξη των δικτύων και των πρωτοκόλλων η ασύρματη επικοινωνία γίνεται ολοένα και πιο αξιόπιστη. 12
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση 2.2.4 Πρωτόκολλα Οικιακού Αυτοματισμού Η επικοινωνία ανάμεσα στην κεντρική μονάδα ελέγχου και στους αισθητήρες και ενεργοποιητές αποτελείται από ψηφιακά δεδομένα και η επικοινωνία προσαρμόζεται σ' ένα δομημένο μοντέλο επιπέδων. Το χαμηλότερο επίπεδο ορίζει τις φυσικές ιδιότητες του σήματος, όπως τα επίπεδα σήματος, η συχνότητα και η μέθοδος διαμόρφωσης και κωδικοποίησης των δεδομένων. Το μεσαίο επίπεδο ορίζει τη μέθοδο υπολογισμού ελέγχου του αθροίσματος, την κρυπτογράφηση των δεδομένων και τη διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση για να εξασφαλιστεί η μετάδοση των δεδομένων στο σωστό προορισμό. Το υψηλότερο επίπεδο (επίπεδο εφαρμογής) χειρίζεται την αλληλεπίδραση με το χρηστή, τη διερμηνεία των εισόδων ελέγχου και την απεικόνιση της κατάστασης του συστήματος. Για να γίνεται σωστά η λειτουργία όλων των στοιχείων του συστήματος, όλα τα επίπεδα του πρωτόκολλου πρέπει να είναι καλά ορισμένα. Υπάρχει πληθώρα διαφορετικών δικτύων και πρωτοκόλλων, μερικά εκ των οποίων ορίζουν μόνο, το χαμηλό και το μεσαίο επίπεδο, ενώ υπάρχουν αλλά, που ορίζουν μόνο τα ανώτερα επίπεδα και προσφέρουν προτάσεις στο πως μπορεί να υλοποιηθεί το φυσικό επίπεδο, με βάση το μέσο διασύνδεσης που χρησιμοποιείται. Τα πιο διαδεδομένα πρωτόκολλα στην αγορά είναι τα παρακάτω: EIB/KNX Ένα από τα παλιότερα πρωτόκολλα για οικιακό αυτοματισμό βασισμένο σε καλώδια είναι το EIB (European Installation Bus). Υφίσταται εδώ και 20 χρόνια, αλλά δεν αφομοιώθηκε και δεν διαδόθηκε, όπως αναμενόταν. Στο μεταξύ, ένα πιο περιεκτικό πρωτόκολλο, το KNX [4], εμφανίστηκε και βασίζεται στο EIB. Παρότι τα πρωτόκολλα προορίζονταν για ενσύρματες εφαρμογές, αναπτύχτηκαν και ασύρματες εφαρμογές. Υπάρχει μεγάλο εύρος εξαρτημάτων και εξοπλισμού για αυτό το πρωτόκολλο, τα περισσότερα εκ των οποίων κυμαίνονται σε υψηλές τιμές. Το πρωτόκολλο KNX έχει εγκριθεί ως: Ευρωπαϊκό Πρότυπο (CENELEC EN 50090 and CEN EN 13321-1). Διεθνές Πρότυπο (ISO/IEC 14543-3). Κινέζικο Πρότυπο (GB/Z 20965). Αμερικανικό Πρότυπο (ANSI/ASHRAE 135). Ethernet Τα δίκτυα Ethernet έχουν εξέχουσα θέση στον οικιακό αυτοματισμό. Ο όρος ουσιαστικά περιγράφει το χαμηλότερο επίπεδο του πρωτόκολλου, έτσι, καθίσταται πιθανό να αποσταλούν δεδομένα KNX, μέσω ενός δικτύου Ethernet. Το πρωτόκολλο TCP/IP, που χρησιμοποιείται για διαδικτυακές επικοινωνίες, θα μπορούσε σε γενικές γραμμές να 13
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση χρησιμοποιηθεί ως βάση για ένα οικιακό δίκτυο, αλλά για την πλήρη αυτοματοποίηση του σπιτιού θα χρειαζόταν ένα καλώδιο Ethernet σε κάθε λάμπα και διακόπτη. Επίσης, θα ήταν υποχρεωτικό, να ενσωματωθεί το πρωτόκολλο TCP/IP σε κάθε κόμβο. Η απαίτηση αυτή καθιστούσε υποχρεωτική την εύρεση φθηνών 8-bit μικροελεγκτών. Μια εφαρμογή υπάρχει ήδη, οπού το καλώδιο Ethernet διατρέχει τις κεντρικούς άξονες ενός κτιρίου με το καλώδιο να καταλήγει στους αισθητήρες και στους ενεργοποιητές. Z-Wave Το πρωτόκολλο Z-Wave [5] αναπτύχτηκε από την Δανική εταιρία Zensys και βασίζεται στην ασύρματη επικοινωνία των κόμβων. Την εταιρία Zensys πρόσφατα ανέλαβε η US Company Sigma Designs. Προς το παρόν, υπάρχουν πάνω από 160 κατασκευαστές εγγεγραμμένοι στην Z-Wave Alliance. Στην Ευρώπη το σύστημα λειτούργει στα 868 MHz στην ISM-Band, κάνει ευφυή χρήση κάθε κόμβου στο σύστημα, με την προσέγγιση «πολυπλεγματικού δικτύου» (meshed network). Το πρωτόκολλο Z-Wave χρησιμοποιεί παρόμοιε μέθοδο δρομολόγησης με το Zigbee, που είναι και ο άμεσος ανταγωνιστής. Παρόλα αυτά, το πρωτόκολλο αυτό σχεδιάστηκε κατά κύριο λόγο για οικιακό αυτοματισμό και δεν έχει την ικανότητα να μεταφέρει δεδομένα ήχου και εικόνας, λόγω χαμηλού ρυθμού μετάδοσης (9.6-40 kbit/s) η οποία, όμως, αρκεί για συστήματα οικιακού αυτοματισμού. Το εύρος των επιλογών για προϊόντα δεν είναι ακόμη τόσο περιεκτικό, όσο αυτό του KNX. Zigbee Το πρωτόκολλο Zigbee [6] ορίζει μια ασύρματη επικοινωνία στην ISM-Band στα 2.4 GHz και στα 868 MHz, με ρυθμό μετάδοσης δεδομένων πάνω από 250kbit/s. Όπως και στο Z- Wave, τα πακέτα δρομολογούνται στους κόμβους του δικτύου και αυτό σημαίνει ότι απαιτείται περισσότερη επεξεργαστική ισχύς σε σχέση με τα απλουστέρα ασύρματα δίκτυα και αύξηση της πολυπλοκότητας υλοποίησης. Για να υπερκεραστεί αυτό το πρόβλημα, κάποιοι κατασκευαστές προσφέρουν μόνο έναν πλήρη πομποδέκτη RF, που μπορεί να ενσωματωθεί σε προϊόν. Για να βγάλει μια εταιρία ένα προϊόν βασισμένο στο πρωτόκολλο, πρέπει να είναι μέρος της Zigbee Alliance και το προϊόν πρέπει να πληρεί συγκεκριμένες προδιαγραφές, πριν να χρησιμοποιηθεί το λογότυπο Zigbee. Τα ετησία κόστη πιστοποίησης είναι υψηλοτέρα από αυτά της Z-Wave Alliance. Οι επικοινωνίες που βασίζονται σε Zigbee χρησιμοποιούν προηγμένες τεχνικές διαμόρφωσης και περιλαμβάνουν αλγορίθμους εντοπισμού/διόρθωσης σφαλμάτων, για να διασφαλιστεί η επικοινωνία μεταξύ κόμβων. Το πρωτόκολλο απέδωσε άψογα, σύμφωνα με τους εκπροσώπους της Zigbee Alliance, κατά τη διάρκεια του Consumer Electronics Show στο Λας Βέγκας, παρά τα πολλά τηλεφωνά και Bluetooth που χρησιμοποιούνταν μέσα στο χώρο. 14
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Απλουστέρα Πρωτόκολλα Εκτός από τα προτυποποιημένα πρωτόκολλα ασύρματης επικοινωνίας που αναφέρθηκαν, υπάρχει πληθώρα διαθέσιμων λειτουργικών συστημάτων στα 434 MHz και στα 868 MHz. Για εφαρμογές οικιακού αυτοματισμού με χαμηλές απαιτήσεις σε ρυθμό μετάδοσης δεν απαιτούνται μηχανισμοί δρομολόγησης και αποφυγής σύγκρουσης. Ένα αποδεκτό επίπεδο ασφαλείας επιτυγχάνεται με επαναλαμβανόμενες εντολές. Ένα παράδειγμα τέτοιου συστήματος είναι το HomeMatic που αναπτύχτηκε από τη Γερμανική εταιρία ELV. Υπάρχει, επίσης, και το FS20 το οποίο, όμως, στέλνει μηνύματα επιβεβαίωσης. Επίσης, υπάρχουν και ενσύρματα συστήματα που βασίζονται στο πρωτόκολλο RS485, όπως το HomeMatic wired system. Είναι ένα εύκολα επεκτάσιμο δίκτυο και σε πολύ λογικές τιμές. Ένα από τα πιο γνωστά και από τα πρώτα συστήματα οικιακού αυτοματισμού είναι και το X10, που χρησιμοποιείται κυρίως στην Αμερική, αλλά και στην Ευρώπη σε μικρότερη κλίμακα. Το Χ10 είναι ένα δίκτυο PLC το οποίο έχει μερικές αδυναμίες: οι ενεργοποιητές δεν αποστέλλουν μηνύματα επιβεβαίωσης και έτσι, πολλές φορές, οι εντολές χάνονται και έτσι το σύστημα απέκτησε τη φήμη χαμηλής αξιοπιστίας. Επίσης, το σύστημα επιδέχεται διευθυνσιοδότηση, μόνο μέχρι 256 διευθύνσεων στο δίκτυο, και έτσι επέρχεται γρήγορα ο κορεσμός του συστήματος. Παρά τις αδυναμίες του, το X10 παραμένει το πιο διαδεδομένο σύστημα κυρίως λόγω της απλότητας και του χαμηλού κόστους των εξαρτημάτων. Η αμερικανική εταιρία SmartLabs επανέφερε τη δημοσιότητα του X10 με το πρόσφατο Insteon το οποίο είναι συμβατό και με το X10. Το Insteon μπορεί να μεταδώσει δεδομένα ασύρματα στα 904 MHz και αυτό βελτιώνει κατά πολύ την αξιοπιστία της επικοινωνίας. 2.3 Κεντρική Μονάδα Ελέγχου Ηλεκτρικά κυκλώματα, επεξεργαστές ψηφιακού σήματος και μικροελεγκτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για υλοποίηση συστημάτων ελέγχου στα συστήματα αυτοματισμού. Εξετάζοντας κάθε φορά τις ανάγκες που προκύπτουν από μια εφαρμογή, θα πρέπει να αναζητηθεί η βέλτιστη δυνατή λύση με γνώμονα την απλότητα. Οι πιθανές εναλλακτικές λύσεις μπορούν να είναι: 1. Χρήση ενός ψηφιακού κυκλώματος, ειδικού σκοπού, 2. Χρήση ψηφιακών κυκλωμάτων που περιλαμβάνει ένα PLD (Programmable Logic Device), 3. Υλοποίηση βασισμένη σε ολοκληρωμένα κυκλώματα εξειδικευμένων εφαρμογών (ASIC). 4. Χρήση μικροελεγκτών ειδικών ή γενικών εφαρμογών, 5. Χρήση προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών (PLC). 15
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Κατά τη διαδικασία ανάπτυξης μιας εφαρμογής που βασίζεται σε κάποια συγκεκριμένη προδιαγραφή, η ανάγκη υλοποίησης με χρήση διακριτών ψηφιακών κυκλωμάτων, ή ολοκληρωμένων κυκλωμάτων PLD ή ακόμη και μικροελεγκτών, προσδιορίζεται πάντα από τον ίδιο τον σχεδιαστή της εφαρμογής. [7] Ψηφιακά Κυκλώματα Ειδικού Σκοπού Τα ψηφιακά κυκλώματα ειδικού σκοπού αποτελούν την απλούστερη λύση για υλοποίηση συστημάτων ελέγχου σε συνδυασμό με χαμηλό κόστος. Το τίμημα βεβαία είναι ότι μπορούν να επιτελούν μόνο το συγκεκριμένο σκοπό για τον οποίο σχεδιαστήκαν, καθιστούν δύσκολη την επέκταση του συστήματος, σε περιπτώσεις αλλαγής του συστήματος ελέγχου, και καθιστούν υποχρεωτική την πλήρη αντικατάσταση τους, σε περίπτωση αναβάθμισης. Εν ολίγοις: Είναι μόνο για μικρές εφαρμογές, έχουν χαμηλό κόστος, είναι απλά στην υλοποίηση, Δεν είναι ευέλικτα, δεν είναι επεκτάσιμα, επιτέλλουν μόνον το σκοπό για τον όποιον υλοποιήθηκαν, απαιτούν αντικατάσταση, σε περίπτωση αναβάθμισης. Χρήση Ψηφιακών Κυκλωμάτων που Περιλαμβάνουν ένα PLD Σύμφωνα με τους S.Brown και Z.Vranesic [8] μια προγραμματιζόμενη λογική συσκευή είναι ένα ηλεκτρονικό εξάρτημα που χρησιμοποιείται για την κατασκευή επαναπρογραμματιζόμενων ψηφιακών κυκλωμάτων. Σε αντίθεση με μια λογική πύλη, που έχει μια καθορισμένη λειτουργιά, το PLD έχει αόριστη λειτουργιά κατά τη διαδικασία παράγωγης. Πριν να χρησιμοποιηθεί ως μέρος ενός συστήματος, πρέπει να προγραμματιστεί. Ο μονός τύπος PLD που υποστηρίζει πολύ μεγάλη χωρητικότητα λογικής είναι τα FPGA, που είναι και υπεύθυνα για την κύρια πρόοδο του τρόπου με τον οποία σχεδιάζονται τα ψηφιακά κυκλώματα [9]. Τα PLD χαρακτηρίζονται από: Αυξημένο βαθμό ενσωμάτωσης, βελτιωμένη αξιοπιστία, χαμηλό κόστος, ευκολία στη χρήση, ευκολία σε αλλαγές και επεκτάσεις, εφαρμογή σε προϊόντα με μεγάλο βαθμό πολυπλοκότητας Εφαρμογές χαμηλών απαιτήσεων, μεγάλη κατανάλωση ισχύος, μεγάλο χρόνο εισαγωγής προϊόντος στην αγορά, για προϊόντα με μικρή ζήτηση. Υλοποίηση βασισμένη σε ολοκληρωμένα κυκλώματα εξειδικευμένων εφαρμογών (ASIC) Τα ASICs αναφέρονται σε ενσωματωμένα κυκλώματα που έχουν υλοποιηθεί για συγκεκριμένες διεργασίες. Τα συστατικά εξειδικευμένων εφαρμογών μπορούν να 16
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση κατηγοριοποιηθούν σε full-custom ASICs, Semi-custom ASICs και field programmable ICs [10]. Όσο τα μεγέθη των χαρακτηριστικών συρρικνώνονται και τα σχεδιαστικά εργαλεία βελτιώθηκαν, η μεγίστη πολυπλοκότητα στα ASIC αυξήθηκε από 5000 πύλες σε παραπάνω από 100 εκατομμύρια. Κύρια χαρακτηριστικά των ASICs: Μεγάλες ταχύτητες, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, χαμηλό κόστος παραγωγής για μαζικές παραγωγές, ασφαλέστερη σχεδίαση, δύσκολη αντιγραφή, καλύτερο έλεγχο των χαρακτηριστικών εισόδων/εξόδων και πιο συμπαγή κατασκευή. Μεγάλος χρόνος επιστροφής από διανομείς πυριτίου, μεγάλο κόστος για χαμηλής ποσότητας παραγωγές, πολύ μεγάλο κόστος NRE(Non Reverse Engineering) και τέλος, από τη στιγμή που το σχέδιο περαστεί στο πυρίτιο, δεν μπορεί να αλλαχθεί. Χρήση μικροελεγκτών ειδικών ή γενικών εφαρμογών Η ενσωμάτωση μέσα στο σώμα του ίδιου ολοκληρωμένου κυκλώματος ενός μικροεπεξεργαστή μαζί με τα απαραίτητα κυκλώματα υποστήριξης, τις περιφερειακές μονάδες εισόδου-εξόδου και την μνήμη προγράμματος και δεδομένων συντελεί στη δημιουργία μιας διάταξης που καλείται μικροελεγκτής.[7] Ένας άλλος όρος για την περιγραφή ενός μικροελεγκτή είναι ενσωματωμένος ελεγκτής γιατί ο μικροελεγκτής και τα κυκλώματα υποστήριξης είναι ενσωματωμένα σε συσκευές τις οποίες ελέγχουν. [11] Χαρακτηριστικά μικροελεγκτών: Χαμηλό κόστος, single-chip computer, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, γρήγορος χρόνος εισαγωγής προϊόντος στην αγορά. Προσηλωμένα σε μια μόνο διεργασία, χρήση σε μικρά συστήματα, περιορισμένο εύρος μνήμης, μικρή ευελιξία. Χρήση προγραμματιζόμενων λογικών ελεγκτών (PLC) Οι προγραμματιζόμενοι λογικοί ελεγκτές είναι μελή της οικογένειας των υπολογιστών, που χρησιμοποιούν ενσωματωμένα κυκλώματα αντί για ηλεκτρομηχανικές συσκευές, για να πραγματοποιήσουν έλεγχο διεργασιών. Είναι ικανά για αποθήκευση εντολών, όπως χρονισμός, αρίθμηση, πράξεις, διαχείριση δεδομένων και επικοινωνίας, για να ελέγξουν βιομηχανικές διεργασίες. Μπορούν να θεωρηθούν ως βιομηχανικοί υπολογιστές με ειδικά σχεδιασμένη αρχιτεκτονική [12]. Τα PLC χαρακτηρίζονται από: Μεγάλη ανθεκτικότητα σε καταπόνηση, σκόνη, υψηλές θερμοκρασίες, σχεδιασμένοι για τις αντίξοες συνθήκες της βιομηχανίας, χαμηλό κόστος υλικών, εύκολη συντήρηση. Δεν μπορούν να επιλύσουν προβλήματα με μεγάλη πολυπλοκότητα καθώς και δεν μπορούν να ανταπεξέλθουν σε εφαρμογές που απαιτούν μεγάλη ταχύτητα και ακρίβεια. 17
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση 2.3.1 Μικροελεγκτής Βασικά Χαρακτηριστικά Μικροελεγκτή Σύμφωνα με τον V.Gadre[7] οι κυριότερες ιδιότητες και χαρακτηριστικά των μικροελεγκτών είναι συνοπτικά οι εξής: 1. Συνδυάζουν την αρχιτεκτονική RISC με ως επί το πλείστον σταθερού μήκους εντολές, διαδικασίες αποθήκευσης-φόρτωσης στη μνήμη και 32 καταχωρητών γενικής χρήσης. 2. Μηχανισμό συνεχούς διοχέτευσης εντολών (instruction pipeline) σε δυο στάδια, που επιταχύνει σημαντικά τη διαδικασία εκτέλεσης. 3. Οι περισσότερες από τις εντολές, που περιλαμβάνει το ρεπερτόριο του, εκτελούνται στη διάρκεια μιας περιόδου ρολογιού. 4. Λειτουργούν σε συχνότητες χρονισμού μέχρι τους 10 MΗz. 5. Διαθέτουν μεγάλη ποικιλία, σε ότι αφορά ενσωματωμένες περιφερειακές μονάδες, όπως ψηφιακές εισόδους-εξόδους, μετατροπείς αναλογικού σήματος σε ψηφιακό ή ADC, μνήμη τύπου EEPROM, χρονιστές, μονάδες ασύγχρονης σειριακής επικοινωνίας ή UART, ρολόγια πραγματικού χρόνου, μονάδες διαμόρφωσης εύρους παλμού και άλλα. 6. Ενσωματωμένες μνήμες προγράμματος και δεδομένων. 7. Δυνατότητα προγραμματισμού εντός του συστήματος. 8. Διατίθενται συσκευασίες των 8 έως 64 ακροδεκτών, οπότε κρίνονται κατάλληλοι για έναν μεγάλο αριθμό διαφορετικών εφαρμογών. 9. Είναι περίπου 12 φορές ταχύτεροι και πιο αποδοτικοί σε σχέση με τους ελεγκτές αρχιτεκτονικής CISC. 10. Ευρεία περιοχή τάσεων λειτουργιάς από 2.7 V ως 6 V. 11. Η σχετικά απλή αρχιτεκτονική τους δίνει το πλεονέκτημα στους αρχάριους του μικρού, σε απαίτηση, κύκλου εκμάθησης. Βασικά Συστατικά Μικροελεγκτή Τα βασικά εσωτερικά σχέδια των μικροελεγκτών είναι περίπου τα ιδία. Όλα τα συστατικά του μικροελεγκτή συνδέονται μέσω ενός εσωτερικού διαύλου και είναι όλα ενσωματωμένα σ ένα μόνο chip. Τα συστατικά που περιέχονται τυπικά σ έναν μικροελεγκτή είναι τα εξής [13]: 18
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Πυρήνας επεξεργαστή. Είναι η κεντρική μονάδα επεξεργασίας. Περιέχει την αριθμητική λογική μονάδα, τη μονάδα ελέγχου και τους καταχωρητές. Μνήμη. Η μνήμη, πολλές φορές, χωρίζεται σε μνήμη προγράμματος και μνήμη δεδομένων. Ελεγκτής διακοπών. Οι διακοπές είναι χρήσιμες, για να διακόπτουν την κύρια λειτουργιά του προγράμματος, σε περίπτωση εξωτερικών η εσωτερικών γεγονότων. Σε συνδυασμό με τις λειτουργιές ύπνου, βοηθούν στην εξοικονόμηση ενέργειας. Χρονιστές/Απαριθμητές. Οι περισσότεροι ελεγκτές έχουν τουλάχιστον έναν και τις περισσότερες φορές δυο με τρεις χρονιστές/απαριθμητές, που χρησιμοποιούνται για να σηματοδοτήσουν γεγονότα, να καταγράψουν διαστήματα και να μετρήσουν γεγονότα. Πολλοί ελεγκτές περιέχουν, επίσης, και παλμούς διαμόρφωσης πλάτους, που χρησιμοποιούνται για οδήγηση κινητήρων ή ως μετατροπείς από ψηφιακό σε αναλογικό. Ψηφιακές είσοδοι/έξοδοι. Παράλληλες ψηφιακές πόρτες εισόδων/εξόδων είναι το κύριο χαρακτηριστικό των μικροελεγκτών. Ο αριθμός των Pins ποικίλλει από τρία με τέσσερα ως και 90, ανάλογα με την οικογένεια και τον τύπο του ελεγκτή. Αναλογικές είσοδοι/έξοδοι. Με εξαίρεση μερικούς μικρούς μικροελεγκτές, οι περισσότεροι μικροελεγκτές έχουν ενσωματωμένους μετατροπείς από αναλογικό σε ψηφιακό, που διαφέρουν από τον αριθμό των καναλιών και την ακρίβεια. Επίσης, περιλαμβάνει και λειτουργιά αναλογικού συγκριτή. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ο μικροελεγκτής περιλαμβάνει μετατροπείς από ψηφιακό σε αναλογικό. Διεπαφές. Οι μικροελεγκτές κατά κόρον έχουν τουλάχιστον μια σειριακή διεπαφή που χρησιμοποιείται για να κατέβει το πρόγραμμα και για ανάπτυξη μέσω υπολογιστή. Από τη στιγμή βεβαία που η σειριακή διεπαφή μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για επικοινωνία με εξωτερικές περιφερειακές συσκευές οι περισσότεροι ελεγκτές προσφέρουν ποικίλες διεπαφές. Watchdog Timer. Από τη στιγμή που τα συστήματα ασφαλείας είναι ένα πεδίο δράσης των μικροελεγκτών, είναι σημαντικό να προστατεύονται από λάθη στο πρόγραμμα η στο υλικό. Ο χρονιστείς ελέγχου επαναφέρει τον μικροελεγκτή σε περίπτωση σφάλματος λειτουργικού. Μονάδα αποσφαλμάτωσης. Μερικοί ελεγκτές είναι εξοπλισμένοι με επιπλέον υλικό που επιτρέπει την απομακρυσμένη αποσφαλμάτωση του chip από τον υπολογιστή. Έτσι δεν είναι απαραίτητη η κατοχή προγράμματος αποσφαλμάτωσης που έχει το μειονέκτημα ότι εσφαλμένος κώδικας εφαρμογής δεν μπορεί να αντιγράψει το πρόγραμμα αποσφαλμάτωσης. 19
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Επιλέγοντας τον Σωστό Μικροελεγκτή Όλοι οι μικροελεγκτές περιέχουν κεντρική μονάδα επεξεργασίας. Σε κάθε οικογένεια μικροελεγκτών υπάρχουν μελή, το καθένα με διαφορετικό συνδυασμό χαρακτηριστικών και επιλογών. Έτσι, λοιπόν, ο σχεδιαστής διαλέγει την έκδοση που ταιριάζει καλυτέρα με τις απαιτήσεις της διεργασίας και του συστήματος. Οι μικροελεγκτές κατηγοριοποιούνται, όμως, και ως προς το πόσα bit δεδομένων, που μπορούν να επεξεργαστούν, με δεδομένο βεβαία ότι, όσα περισσότερα bits, τόσο πιο γρήγορος και αποδοτικός θεωρείται ο μικροελεγκτής. Οι πιο δημοφιλείς μικροελεγκτές είναι οι 8-bit αλλά υπάρχουν διαθέσιμοι και με αρχιτεκτονικές 4-bit, με 16-bit και με 32-bit. Ένα άλλο κριτήριο, που πρέπει να έχει υπόψη του ο σχεδιαστής, είναι η κατανάλωση ισχύος του μικροελεγκτή, ιδίως για συστήματα που βασίζονται σε τροφοδοσία από μπαταρία. Τα chip, που βασίζονται σε τεχνολογία CMOS, έχουν χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας από αυτά που βασίζονται σε NMOS. Πολλές συσκευές CMOS έχουν λειτουργιές αναμονής και ύπνου, που περιορίζουν κατά πολύ την κατανάλωση ενέργειας, όταν τα κυκλώματα είναι ανενεργά. 2.4 Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων 2.4.1 Ορισμός Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων, στην απλούστερη του μορφή, μπορεί να οριστεί ως ένα δίκτυο από συσκευές επονομαζόμενες ως κομβόι, που μπορούν να αισθανθούν το περιβάλλον και να μεταδώσουν την πληροφορία που συλλέγεται από το πεδίο ελέγχου μέσω ασύρματης ζεύξης. Η πληροφορία προωθείται, πιθανόν, μέσω πολλαπλών μεταπηδήσεων, σε μια πισινά (επονομαζόμενη συνήθως ως ελεγκτής) που μπορεί να τη χρησιμοποιήσει τοπικά ή είναι συνδεδεμένο με αλλά δίκτυα μέσω μιας πύλης. Οι κομβόι μπορεί να είναι στατικοί ή κινούμενοι. Μπορούν να έχουν επίγνωση της θέσης τους, μπορεί να είναι ομογενείς, αλλά μπορεί και να μην είναι. [14] 20
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Σχήμα 2.3 Τυπικό Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων Multihop Single Sink[15] 2.4.2 Βασικές Κατηγορίες Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων και τα συστήματα στις εμπορικές εφαρμογές μπορών να ταξινομηθούν σε δυο βασικές κατηγορίες: C1WSN: σχεδόν αμετάβλητα συστήματα βασισμένα σε πολυπλεγματικά δίκτυα με συνδεσιμότητα πολλαπλών αναπηδήσεων ανάμεσα στα ασύρματα δίκτυα, χρησιμοποιώντας δυναμική δρομολόγηση και στις ασύρματες αλλά και στις ενσύρματες ζεύξεις του δικτύου. Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές ανήκουν σ' αυτήν την κατηγορία. Σχήμα 2.4 Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων τύπου C1WSN [15] 21
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση C2WSN: συστήματα βασισμένα σε επικοινωνία ένας-προς-έναν ή πολλοί-σε-έναν (τοπολογία αστέρα) κυρίως με συνδεσιμότητα με μια μόνο αναπήδηση, χρησιμοποιώντας στατική δρομολόγηση μέσω του ασύρματου δικτύου. Τυπικά, υπάρχει μόνο μια δρομολόγηση από το ασύρματο δίκτυο στο συνεργαζόμενο επίγειο/ενσύρματο προωθητικό κόμβο. Τα συστήματα οικιακού αυτοματισμού ανήκουν σ' αυτήν την κατηγορία Ασύρματων Δικτύων Αισθητήρων.[15] Σχήμα 2.5 Ασύρματο Δίκτυο Αισθητήρων τύπου C2WSN [15] 2.4.3 Βασικά Αρχιτεκτονικά Στοιχεία Βασικά στοιχεία ενός ασύρματου δικτύου αισθητήρων είναι οι κομβόι (nodes), είτε αισθητήρες είτε ενεργοποιητές, τα σημεία αναφοράς (sinks) και οι πύλες (gateways). Τα σημεία αναφοράς, οι πύλες και πολλές φορές ακόμη και οι ενεργοποιητές έχουν πιο πολύπλοκη δομή από τους αισθητήρες λόγω των λειτουργιών που προσφέρουν ή, και πολλές φορές, χάριν του τύπου ενεργοποίησης που πραγματοποιούν. Ο κόμβος αισθητήρα είναι η πιο απλή συσκευή στο δίκτυο και, στις περισσότερες εφαρμογές, ο αριθμός των κόμβων αισθητήρων είναι κατά πολύ μεγαλύτερος από όλες τις υπόλοιπες συσκευές. Γι αυτό και το κόστος τους πρέπει να παραμένει όσο γίνεται χαμηλότερο. Η πυκνότητα των κόμβων ορίζει το επίπεδο κάλυψης του επιβλέποντος χώρου καθώς επίσης και τον βαθμό συνδεσιμότητας και του βαθμού προσέγγισης. Η πυκνότητα των σημείων αναφοράς ορίζει την απόδοση του δικτύου σε επίπεδο ποσοστού επιτυχίας μετάδοσης της πληροφορίας.[14] 22
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Σχήμα 2.6Αρχιτεκτονική Ασύρματου Δικτύου Αισθητήρων τύπου [14] Βασικά Χαρακτηριστικά Κόμβων Αισθητήρων Ένα δίκτυο αισθητήρων αποτελείται από μεγάλο αριθμό κόμβων αισθητήρων, που είναι πυκνά και τυχαία κατανεμημένα. Οι κομβόι αισθητήρων είναι διασκορπισμένοι σε μια περιοχή που καλείται πεδίο αισθητήρων (sensor field). Καθένας από τους διανεμημένους κόμβους αισθητήρων έχει τυπικά την ικανότητα να συλλέγει, να αναλύει και να δρομολογεί δεδομένα στο σημείο αναφοράς (sink point). Ένας κόμβος αισθητήρα έχει τυπικά ενσωματωμένες ικανότητες επεξεργασίας και αποθήκευσης δεδομένων, οι οποίες, όμως, είναι περιορισμένες. Ο κόμβος μπορεί να περιλαμβάνει έναν ή και περισσότερους αισθητήρες. Οι αισθητήρες μπορεί να είναι είτε ενεργητικές ή παθητικές συσκευές. Συμπερασματικά, κάποια από τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των δικτύων αισθητήρων περιλαμβάνουν τα παρακάτω: Πυκνή και τυχαία δομή και κατανομή Είναι επιρρεπή στην αποτυχία και την αστοχία Η τοπολογία τους αλλάζει συχνά Έχουν περιορισμένη παροχή ενέργειας, υπολογιστικές δυνατότητες και μνήμη Μπορεί να μην έχουν παγκόσμια ταυτοποίηση λόγω της μεγάλης ποσότητας αισθητήρων. 23
Κεφάλαιο 2 Βιβλιογραφική Ανασκόπηση Υλικό και Λογισμικό Αισθητήρα Οι αισθητήρες κατά κύριο λόγο έχουν μια τυπική δομή και τέσσερα βασικά υποσυστήματα υλικού: 1. Ενέργεια. Ένα κατάλληλο σύστημα παροχής ενέργειας είναι απαραίτητο για την υποστήριξη της λειτουργιάς από μερικές ώρες μέχρι μερικά χρονιά, ανάλογα με την εφαρμογή. 2. Υπολογιστική λογική και αποθήκευση. Αυτά τα υποσυστήματα χρησιμοποιούνται για να χειριστούν, να επεξεργαστούν και να ελέγξουν τα δεδομένα που καταφθάνουν. Χαρακτηριστικές λειτουργιές είναι κρυπτογράφηση, η προώθηση, διόρθωση σφαλμάτων, ψηφιακή διαμόρφωση και ψηφιακή μετάδοση. Για επεξεργαστική ισχύ χρησιμοποιούνται μικροεπεξεργαστές από 8-bit ως και 64-bit ενώ η αποθηκευτική ικανότητα κυμαίνεται από 0.01 ως 100 GigaBytes. 3. Μεσολαβητής αισθητήρα. Η διεπαφή ανάμεσα στο περιβάλλον και στο ασύρματο δίκτυο είναι ο αισθητήρας που παίζει και το ρολό του μεσολαβητή και μετατροπέα ενός φυσικού μεγέθους σε μετρήσιμη μονάδα και δεδομένο για το δίκτυο. 4. Επικοινωνία. Τα ασύρματα δίκτυα πρέπει να έχουν την ικανότητα να επικοινωνούν είτε ως C1WSN είτε ως C2WSN. Έχουν αναπτυχτεί πολλά πρωτόκολλα από τους ερευνητές, όπως εύρος μετάδοσης, τεχνικές διαμόρφωσης, δρομολόγηση και τοπολογίες δικτύων. Επιπλέον οι αισθητήρες έχουν πέντε βασικά υποσυστήματα λογισμικού: 1. Μικροκώδικας λειτουργικού συστήματος. Είναι ο μικροκώδικας που χρησιμοποιείται σε όλους τους κόμβους για να υποστηριχτούν συγκεκριμένες λειτουργίες. Κύριος σκοπός είναι η διασφάλιση του λογισμικού. 2. Οδηγοί των αισθητήρων. Είναι το λογισμικό που αναλαμβάνει τις βασικές λειτουργιές των πομποδεκτών. 3. Επεξεργαστές επικοινωνίας. Αναλαμβάνει τις λειτουργιές επικοινωνίας συμπεριλαμβανόμενων της δρομολόγησης, της προώθησης πακέτων, της συντήρησης της τοπολογίας. 4. Οδηγοί επικοινωνίας. Αναλαμβάνει τις λεπτομέρειες του καναλιού μετάδοσης συμπεριλαμβανομένων του χρονισμού, του συγχρονισμού, του επίπεδου του σήματος, της διαμόρφωσης και της κωδικοποίησης. 5. Μικρές εφαρμογές επεξεργασίας δεδομένων. Είναι εφαρμογές αριθμητικές, επεξεργασίας δεδομένων, αποθήκευσης και χειραγώγησης για επεξεργασία μέσα στο δίκτυο. 24