Μοντέλο Ανάπτυξης Ασύρµατων Αισθητήρων και Πληροφοριακού Ελέγχου µέσω Ενσωµατωµένων Συστηµάτων Development Model of Wireless Sensor and Information Control via Embedded Systems Ανάγκη χρήση ασύρµατων αισθητήρων και διεργασιών πληροφοριακού ελέγχου σε ζητήµατα µετρήσεων και ανίχνευσης φυσικών µεγεθών σε εφαρµογές µε κινούµενα µέρη. Πεδία Μετρήσεις και εφαρµογές στη Βιοµηχανία Εφαρµογή Στην Τηλεµατική Αυτοκινήτων Εφαρµογή στην παρακολούθηση ζωντανών όντων Παρακολούθηση της οµικής Κατάστασης Κατασκευών Υγειονοµική Περίθαλψη Μετρήσεις και παρακολούθηση στη Γεωργία 1
Λύση. ηανάπτυξηασύρµατων Αισθητήρων και Πληροφοριακού Ελέγχου µέσω Ενσωµατωµένου Συστήµατος µέσω πρωτοκόλλου IEEE 802.15.4 2
Τεχνολογικά χαρακτηριστικά πρωτοκόλλου ZigBee Ρυθµός µεταφοράς δεδοµένων: 250 kb/s, 40 kb/s, και 20 kb/s Λειτουργία σε τοπολογία αστέρα (star) ή p2p διατιθέµενες διευθύνσεις 16-bit ή 64-bit Πρόσβαση στο κάθε κανάλι µε πολλαπλή προσπέλαση ακρόασης φέροντος και αποφυγή συγκρούσεων (CSMA-CA) Πλήρως αναγνωρισµένο πρωτόκολλο για την αξιοπιστία µεταφοράς Μικρή κατανάλωση ισχύος Ενεργειακή ανίχνευση (ED Energy Detection) Ποιοτική ένδειξη σύνδεσης (LQI Link Quality Intication) 16 κανάλια στη ζώνη 2.450 MHz, 10 κανάλια στους 915 MHz και 1 κανάλι στη ζώνη 868 MHz Αρχιτεκτονική ΙΕΕΕ 802.15.4 8-bit ΜCU, Εφαρµογή Πρωτόκολλο στοίβας <32k ZigBee Απλός σωρός κόµβων µόνο ~4k IEEE 802.15.4 MAC Συντονιστής απαιτεί RAM IEEE 802.15.4 868/915 MHz PHY IEEE 802.15.4 2400 MHz PHY 3
Αρχιτεκτονική του LR-WPAN IEEE 802.15.4 Αρχιτεκτονική στοίβας ZigBee 4
Το φυσικό επίπεδο (PHY) Λειτουργίες Ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του ραδιο ποµποδέκτη Ενεργειακή ανίχνευση µέσα στο τρέχον κανάλι Ποιοτική ένδειξη συνδέσεων για τα λαµβανόµενα πακέτα Σαφής αξιολόγηση των καναλιών για CSMA-CA Επιλογή συχνότητας καναλιών Μετάδοση στοιχείων και υποδοχή Ζώνες συχνότητας και ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων Τα πρότυπα διευκρινίζουν δύο PHYs : 868 MHz/915 MHz άµεση ακολουθία φάσµατος (DSSS) PHY (11 κανάλια) 1 κανάλι (20Kb/s) 868MHz 10 κανάλια(40kb/s) 915 (902-928)MHz ISM 2450 MHz άµεση ακολουθία επέκτασης φάσµατος (DSSS) PHY (16 κανάλια) 16 κανάλια(250kb/s) 2.4GHz 5
IEEE 802.15.4 και ζώνες συχνότητας 868MHz / 915MHz PHY Channel 0 Channels 1-10 2 MHz 868.3 MHz 902 MHz 928 MHz 2.4 GHz PHY Channels 11-26 5 MHz 2.4 GHz 2.4835 GHz Πακέτα PHY Preamble (32 bits) συγχρονισµού Έναρξη οριοθέτη πακέτων delimiter (8 bits) 11100101 PHY επικεφαλίδα (8 bits) Μήκος PSDU PSDU (0 σε 127 bytes) δεδοµένα Sync Header Preamble Start of Packet Delimiter PHY Header Frame Length (7 bit) Reserve (1 bit) PHY Payload PHY Service Data Unit (PSDU) 4 Octets 1 Octets 1 Octets 0-127 Bytes 6
Με αναγνωριστικά σήµατα (beacon) έναρξη superframes Επίπεδο πρόσβασης στο Μέσο (MAC) συγχρονισµός µε τις σχετικές συσκευές αναγγελία της ύπαρξης ενός PAN πληροφόρηση στους συντονιστές ίχως αναγνωριστικά σήµατα (non- beacon) Οι συσκευές χρησιµοποιούν CAMA/CA µηχανισµό για να υποστηρίξει τη χρήση των καναλιών Χρήση σταθερού χρονου µετάδοσης (GTS) προς το συντονιστή Beacon Επίπεδο πρόσβασης στο Μέσο (MAC) Beacon GTS 0 GTS 1 Inactive 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 SD = abasesuperframeduration (Active ) BI = abasesuperframeduration Ένα superframe διαιρείται σε δύο τµήµατα Ανενεργό τµήµα όλες οι RFD ανενεργές Ενεργό τµήµα Ηενεργόςπερίοδος θα διαιρεθεί σε 16 τµήµατα 16 τµήµατα διαιρούνται σε δύο τµήµατα» Περίοδος πρόσβασης» Ελεύθερη περίοδος 7
Επίπεδο πρόσβασης στο Μέσο (MAC) ίχως αναγνωριστικά σήµατα (non- beacon) Με αναγνωριστικά σήµατα (beacon) RFD σε FFD συντονιστή Επίπεδο πρόσβασης στο Μέσο (MAC) ίχως αναγνωριστικά σήµατα (non- beacon) Με αναγνωριστικά σήµατα (beacon) συντονιστής FFD σε RFD 8
Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τύποι συσκευών ZigBee ZigBee coordinator(zc) Η ικανότερη συσκευή, ο συντονιστής διαµορφώνει τη ρίζα του δέντρου δικτύων και γεφυρώνει άλλα δίκτυα. Είναι σε θέση να αποθηκεύσει τις πληροφορίες για το δίκτυο. Υπάρχει ακριβώς ένας συντονιστής ZigBee σε κάθε δίκτυο. Ενεργείεπίσηςωςαποθήκηγια τα κλειδιά ασφάλειας. ZigBee Router (ZR) Ο δροµολογητής ενεργεί ως ενδιάµεσος σταθµός περάσµατος των πληροφοριών από άλλες συσκευές. ZigBee End Device (ZED) Περιέχει την απαιτούµενη ισχύ λειτουργίας για να επικοινωνήσει µε το συντονιστή, µη µπορώντας να αναµεταδώσει στοιχεία από άλλες συσκευές. IEEE 802.15.4 MAC Τοπολογία Αστέρα Συντονιστής FFD Επικοινωνία RFD 9
IEEE 802.15.4 MAC Τοπολογία Peer-Peer Σηµείο σε σηµείο FFD Συστάδα Επικοινωνία IEEE 802.15.4 MAC Τοπολογία Πλέγµατος 10
Προσδιορισµός Υλικού Μέρους (Hardware Specification) O µικροελεγκτής του ενσωµατωµένου υπολογιστικού συστήµατος Microchip PIC 18f4620 11
Αρχιτεκτονική του µικροελεγκτή της Microchip PIC 18f4620 O κάρτα RF της Chipcon CN2420 RFID Radio Frequency Identification Περιέχουν: Μικρές ενσωµατωµένες ετικέτες Κεραία RF για την επικοινωνία Η ετικέτα αποθηκεύει έναν µοναδικό αριθµό ταυτότητας Τα αιτήµατα αναγνωστών καλούν την ταυτότητα 12
ιαγραµµατικό µπλοκ της κάρτας RF Chipcon CN2420 ΚΑΛΟΒΡΕΚΤΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΓΚΟΤΣΙΝΑΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ Πλήρη Μονάδα Ενσωµατωµένου Υπολογιστικού Συστήµατος πρωτοκόλλου ΙΕΕΕ 802.15.4 -ZigBee Κεραία 2,4 GHz Πηγή Αισθητήρες Μικροελεγκτής & ZigBee 13
Μοντέλο Ανάπτυξης Ασύρµατων Αισθητήρων και Πληροφοριακού Ελέγχου µέσω Ενσωµατωµένων Συστηµάτων και διασύνδεσης ΗΜΙ LabVIEW Human Μachine Interface LabVIEW Controller (FFD module) Environment Flow Meter +Valve RF Data Modem (RFD module ) Σταθµός Βάσης Ελέγχου Επικοινωνία Ασύρµατων Αισθητήρων Ενσωµατωµένου Υπολογιστικού Συστήµατος και LabIEW µέσω RS232 Σειριακή επικοινωνία Μονάδα RFD 14
Front Panel κώδικα σε LabVIEW Αλγόριθµος ελέγχου στο σταθµό βάσης 15
Αποτελέσµατα H ανάπτυξη της παραπάνω µεθόδου ασύρµατων αισθητήρων και πληροφοριακού ελέγχου µέσω ασύρµατων ενσωµατωµένων υπολογιστικών συστηµάτων και LabVIEW παρουσιάζει: 1. χαµηλό κόστος σε συνάρτηση των ειδικών καλωδίων διασύνδεσης αισθητήρων για κάλυψη αποστάσεων µεγαλύτερη των 30m 2. χαµηλή κατανάλωση ισχύος και αποφυγή φαινόµενου λευκού θορύβου λόγω µη χρήσης ενδιάµεσων ενισχυτών σήµατος που χρησιµοποιούνταν έως τώρα. 3. αποδέσµευσης του χώρου από ενσύρµατες διασυνδέσεις και της ελευθερία κινήσεων του ανθρώπου µέσα στο περιβάλλον εργασίας του 4. άµεση Ad-hoc διασύνδεση αισθητήρων σε RDF µονάδα προς επέκταση του συστήµατος 5. ασφαλή µεταφορά των δεδοµένων λόγω χρήσης 11-chip (PN) Barker κώδικα στο πρωτόκολλο του συστήµατος. ΚΑΛΟΒΡΕΚΤΗΣ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ--ΓΚΟΤΣΙΝΑΣ ΑΝΤΩΝΙΟΣ www.zigbee.org Βιβλιογραφία www.airbee.com 802.15.4TM IEEE Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems Local and metropolitan area networks Specific requirements Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs CC2420 RF Tranceiver Manual pdf IEEE Std 802.15.4-2003 Microchip PIC18LF4620 DataSheet pdf Microchip Stack For ZigBee Protocol Kalovrektis Konstantinos, Development Wireless Sensors and Information Control via Embedded Information System of protocol IEEE 802.15.4 ZigBee Master Thesis. University of Piraeus Καλοβρέκτης Κωνσταντίνος, LabVIEW για Μηχανικούς - Προγραµµατισµός Συστηµάτων DAQ I Εκδόσεις Τζίολα 2004 ISBN: 960-418-054-1 Καλοβρέκτης Κωνσταντίνος, LabVIEW για Μηχανικούς - Προγραµµατισµός Συστηµάτων DAQ II Τζίολα 2004 ISBN: 960-418-100-9 Εκδόσεις 16