KONICA MINOLTA

Aktuální vydání

celé číslo

11

2019

Využití robotů, dopravníků a manipulační techniky ve výrobních linkách

Průmyslové a servisní roboty

celé číslo

SensiNet a bezdrátové sítě typu mesh

SensiNet a bezdrátové sítě typu mesh

Použití bezdrátových senzorů dnes umožňuje přístup k veličinám, které dříve nebylo možné sledovat. To může vést k efektivnějšímu a bezpečnějšímu řízení procesů. Bezdrátové sítě typu mesh představují jednu z variant, jak realizovat senzorovou síť bez složité instalace kabelových spojení. Článek představuje komunikační standard SensiNet, určený pro bezdrátové sítě s topologií mesh. Kromě obecné charakteristiky sítí mesh a protokolu SensiNet je zde uvedeno i krátké srovnání s „konkurenčním“ standardem ZigBee.

Bezdrátové sítě mesh

Bezdrátové sítě založené na klasických architekturách mají komunikační páteř vytvořenou propojením několika přístupových bodů (access points). K nim se mohou připojovat další uzly sítě, tzv. klienty. Sítě mesh nemají žádnou komunikační páteř, představují totiž distribuovaný systém využívající topologii smyčky. Přístupové body jsou propojeny bezdrátově (nepotřebují jednotlivá připojení k pevné síti) a fungují jako směrovače (routery) paketů mezi koncovými stanicemi po nejlepší cestě sítí (multihop). Má-li být zaslána zpráva mezi dvěma zařízeními v síti, vytvoří se spojení mezi nimi prostřednictvím vybraných zařízení, která fungují jako uzly, z nichž se sestaví pomyslný komunikační most, který se po přenosu dat opět rozpojí.

Sítě mesh tedy pracují na principu peer-to-peer (princip rovnocenných zařízení), tzn. že každé zařízení v síti může vystupovat jako přístupový bod i jako klientská stanice. Všechna zařízení tudíž disponují stejnou sadou služeb. Popsaná topologie přináší tyto výhody:

  • redundance spojení – výpadek (nebo zničení) jednoho prvku sítě mesh nutně nemusí znamenat zánik možnosti komunikace připojených uzlů, chybějící článek může být nahrazen jedním, popř. skupinou jiných prvků,

  • menší šířka pásma – spojení v síti mesh se ustanoví jen v případě potřeby a pouze na nezbytně nutnou dobu, což podstatně méně zatěžuje komunikační pásmo,

  • nízké náklady na výstavbu – není nutné instalovat žádnou pevnou páteřní síť,

  • nízké náklady na údržbu – minimální požadavky na nastavování uzlů sítě, protože komunikace je především obsluhována transportním protokolem,

  • zvýšení dosahu sítě – zejména díky většímu počtu adaptérů využitelných ke komunikaci (všechny uzly sítě mohou být využívány kromě své základní funkce k přenosu dat z jiných zařízení).

Hlavní nevýhodou architektury mesh oproti klasickým sítím může být menší transparentnost komunikace, protože spojení lze většinou uskutečnit více způsoby a směrování datového toku musí být složitě plánováno. Další nevýhodou mohou být větší požadavky síťových prvků na odběr energie; to může zejména u mobilních zařízení představovat problém. Jedním z jeho řešení je zavedení tzv. módu economy, ve kterém je předávání signálu vypnuto. Blíže je možné seznámit se sítěmi typu mesh v [1].

Standard SensiNet

SensiNet je protokol pro sítě mesh od firmy Sensicast. Poskytuje systému přenosu dat robustnost a zároveň i flexibilitu, a proto je vhodný pro průmyslové a komerční využití vyžadující spolehlivost bezdrátového přenosu dat. S vývojem protokolu začala společnost Sensicast v roce 2002 a sledovala zejména tyto tři základní cíle:

  • spolehlivost spojení mezi síťovými uzly s možností snadného propojení s internetem,

  • robustnost – kontrola a automatické přesměrování spojení při výpadku některého z uzlů sítě,

  • bezpečná práce se zesilovači, které umožní hladký provoz i na delší vzdálenost a zároveň nenaruší omezení daná průmyslovými a zákonnými normami.

Tyto parametry vycházejí ze snahy umožnit spolehlivou funkci v podmínkách panujících zejména v průmyslových provozech s nepříznivým prostředím pro rádiovou komunikaci. S přihlédnutím k požadavkům četných technických směrnic byl proto vyvinut protokol pracující ve dvou frekvenčních pásmech – 900 MHz a 2,4 GHz.

Mezi základní vlastnosti protokolu patří:

  • schopnost provozu i při velkém radiofrekvenčním rušení,

  • využití vícekanálové diverzity k překonání problémů směrování v síti,

  • dynamické směrování zpráv zpět k přenosovým branám; tím lze obejít zastíněná nebo jinak vyřazená zařízení sítě,

  • velká vzdálenost, na kterou lze komunikovat (zařízení IEEE 802.15.4 vybavená zesilovači), a podpora až 256 směrovačů na jedné cestě (hops),

  • komunikace při větším výkonu ve shodě s požadavky ETSI zajišťovaná využitím frekvenční diverzity,

  • proces „srdečního pulsu“, která umožňuje rychle automaticky detekovat poruchy v rozsáhlých sítích, aniž by bylo nutné je zahltit nadměrnou přepravou diagnostických dat.

Topologie sítě SensiNet

Výhodou sítí SensiNet je značná variabilita jejich konfigurace, která umožňuje provozovat jak malé sítě s několika měřicími body, tak rozsáhlé sítě se stovkami zařízení. Síť SensiNet tvoří množství malých základních komponent; díky tomu ji lze rychle instalovat. Navíc se síť sama rekonfiguruje po jakékoliv změně ve své topologii. Časově náročná není ani aktualizace či instalace dalších zařízení.

Od klasických sítí se SensiNet liší v tom, že zapojená zařízení jsou rozdělena do tří typů. Architektura sítě sleduje myšlenku stavebních bloků, kde každé zařízení plní jednu ze tří základních skupin funkcí:

  • inteligentní senzory spojené přímo s měřícími prvky,

  • směrovače mesh (mesh router) jsou jádrem infrastruktury sítě SensiNet – obstarávají sběr dat ze senzorů a směrují je k přenosovým branám (gateways),

  • přenosové brány zajišťují základní komunikační schopnosti celé sítě a umožňují uživateli přístup k datům; navíc poskytují rozhraní k množství dalších aplikací dodávaných třetími stranami; brány umožňují i přístup ke standardním službám internetu, popř. k OPC nebo sběrnici Modbus.

Inteligentní bezdrátové senzory lze zapojit takřka kamkoliv, aniž je nutné instalovat kabeláž. Po uvedení do provozu se navíc samy automaticky spojí se sítí a začlení se do komunikace. Dodávaná čidla mohou monitorovat široké spektrum veličin, jakými jsou např. tlak, teplota, rychlost, osvětlení, elektrický proud a napětí, vlhkost a další.

Software zajišťující správu sítě a její monitorování je vestavěn do přenosových bran a je dostupný prostřednictvím běžných webových prohlížečů. Uživateli jsou tak zpřístupněny údaje ze senzorů a dalších zařízení v síti. Na webových aplikacích spočívá i dodávaný systém návrhu sítě. K dispozici je i podpora ODBC a XML a navíc jsou k dispozici i rozhraní umožňující propojení s dalšími řídicími aplikacemi s využitím sběrnic Modbus a rozhraní OPC. Dostupná softwarová podpora obsahuje i vizualizační nástroje.

Systém ZigBee

Bezdrátový protokol SensiNet společnosti Sensicast určený pro senzorové sítě typu mesh bývá často vzhledem ke své povaze srovnáván se standardem ZigBee, který je v Evropě podstatně známější. Pracuje se zařízeními obdobné ceny i složitosti, u IEEE je veden pod označením 802.15.4 WPAN Low Rate. Jde o specifikaci určenou pro vysokoúrovňové komunikační protokoly, které jsou orientovány na malá zařízení s nízkou spotřebou a provozované na malé vzdálenosti do 75 m. Standard Zigbee byl vyvíjen s cílem, aby zařízení vydržela v provozu s běžnými tužkovými bateriemi i několik měsíců až let a aby byl nový standard jednodušší a levnější než některé konkurenční sítě WPAN (např. Bluetooth). Protokol je primárně určen pro použití v průmyslu, zejména pro sítě senzorů.

Nízké spotřeby je dosahováno především využitím metody přímo rozprostřeného spektra (DSSS), na rozdíl od rozprostřeného spektra s frekvenčními přeskoky (FHSS) u standardu Bluetooth. Zařízení navíc mohou přejít do stavu hibernace, kdy modul pouze naslouchá a neúčastní se přenosu signálu. Tím lze snížit spotřebu na pouhý 1 až 2 μA (zařízení Bluetooth odebírají asi 100 μA).

Síťová topologie ZigBee

Zapojená zařízení se dělí do tří kategorií:

  • síťový koordinátor – nejsložitější zařízení, udržuje informace o celé síti,

  • plně funkční zařízení (FFD – Full Functionality Device) – podporuje kompletní funkce podle standardu IEEE 802.15.4 a velmi dobře může pracovat jako směrovač nebo v bodě spojení s jinou sítí,

  • zařízení se základní funkcí (RFD – Reduced Functionality Device) – obsahuje pouze omezenou sadu funkcí pro použití s koncovými zařízeními.

Jednotlivá zařízení jsou propojena buď přímo přes koordinátora nebo přes zařízení FFD. O tom, do jaké kategorie bude dané zařízení (nazývané mote) v síti zařazeno, převážně rozhoduje software implementovaný na čipu. Většina firem distribuující čipy ZigBee poskytuje k těmto součástkám i jednoduché operační systémy, popř. soubory funkcí umožňující bezdrátový přenos získaných dat.

Doba potřebná pro přidání nového členu do sítě je 30 ms, zařízení je schopno probudit se z hibernace do 15 ms a doba přístupu k aktivnímu zařízení je také 15 ms. Síť umožňuje propojení až 65 536 zařízení. I takto rozsáhlou síť spravuje jediný koordinátor, ke kterému jsou zařízení připojena v pozici FFD nebo RFD. Celá síť může pracovat v několika topologických režimech podle typu zařízení, které se zúčastňují přenosu dat (hvězda, shlukové stromy – cluster trees, shlukové hvězdy – cluster stars). Protokol ZigBee má tyto parametry:

  • přenos v pásmech 868/915 a 2 450 MHz,

  • v pásmu 2 450 MHz (pásmo ISM) je možné bezdrátově přenášet data rychlostí 250 Kb/s a v pásmu 868 MHz (jen pro Evropu) rychlostí 20 kb/s, v pásmu 915 MHz (ISM, jen pro Ameriku) rychlostí 40 kb/s,

  • šestnáct kanálů v pásmu 2 450 MHz, deset kanálů v pásmu 915 MHz a jeden kanál v pásmu 868 MHz,

  • dosah 30 m v uzavřených budovách, 100 m na volném prostranství,

  • pro zabezpečení je možné volitelně použít kódování komunikace za pomoci AES 128 (Advanced Encryption Standard).

Srovnání protokolů SensiNet a ZigBee

Oba protokoly jsou založeny na standardu IEEE 802.15.4, přičemž ZigBee je svou podstatou zaměřen obecněji než SensiNet, který byl vyvinut speciálně pro průmyslové aplikace v rozsáhlých provozech s četnými zdroji rušení. Oba protokoly využívají jak frekvence 2,4 GHz, tak i pásmo 900 MHz.

Bezdrátová zařízení firmy Sensicast mohou být provozována na obou protokolech a díky zesilovačům integrovaným na čipech dosahují třicetinásobného zesílení (15 dB) oproti původním čipům pro normu 802.15.4. Toto zesílení obecně vylepšuje vlastnosti jakéhokoliv protokolu používaného těmito zařízeními. Protokol SensiNet navíc může využívat různé cesty i frekvence; to může přinést zesílení o dalších 15 dB.

Tab. 1. Srovnání vlastností protokolů SensiNet a ZigBee

Vlastnosti sítě mesh

Zigbee

SensiNet

Rádiový přenos

frekvence

900 MHz a 2,4 GHz

900 MHz a 2,4 GHz*)

standard čipových sad

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 (při 2,4 GHz)

Radiofrekvenční (RF) modulační schémata

schémata použitá při RF přenosu dat

přímé rozmítání spektra (DSSS, 4 MHz)

900 MHz: frequency hopping (FHSS)
2,4 MHz: DSSS

Výkon RF

typické zesílení, výkon a operační vzdálenost

2,4 GHz: 0 dBm; 1 mW; 30 m

900 MHz: 12 dBm; 16 mW; 100 m
2,4 GHz: 15 dBm; 32 mW; 70 m

Sestavování sítě

automatická konfigurace sítě?

ano

ano

Pohyblivost uzlů

je povolen pohyb uzlů sítě?

do jisté míry, vyžaduje velké množství zdrojů

ano

Rušení

schopnost provozu při rušení v okolí

odolnost zajištěna použitím DSSS

odolnost zajištěna kromě DSSS i použitím FHSS

Aplikační oblast

 

řídicí aplikace

komerční a průmyslový monitoring


*) 900 MHz má lepší vlastnosti z hlediska radiofrekvenčního přenosu, 2,4 GHz je celosvětový frekvenční standard

Tyto tři faktory (zesílení, různé cesty a frekvence) poskytují aplikacím využívajícím SensiNet výhodu zhruba 30 dB (tisícinásobné zesílení) oproti protokolu ZigBee provozovanému na typických nízkoenergetických modulech. Výsledkem je tedy méně nákladná a preciznější instalace. Srovnání vlastností obou protokolů je přehledně shrnuto v tab. 1.

Příklad aplikace protokolu SensiNet

Podle odhadů utratí americké firmy přes 1,5 miliardy dolarů za energii potřebnou na kompresi vzduchu. Jednou ze společností, v jejímž účetnictví hraje energie stlačeného vzduchu nemalou roli, jsou i papírny Hollingsworth & Vose se sídlem v americkém státě Massachusetts. Cílem implementace soustavy senzorů bylo zvýšit celkovou efektivnost kompresního systému papíren a zejména snížit náklady na energii.

Nevýhodou kompresorových soustav je postupná ztráta výkonu způsobovaná zanášením a úniky tlaku v plynovém vedení. Snižování výkonu bylo kompenzováno zvyšováním výkonu kompresorů. Tím se prodlužovala doba jejich provozu, což vedlo ke kratší životnosti a většímu odběru. Vzhledem k nepravidelnosti a malé frekvenci inspekcí tak celý systém pracoval neefektivně a byl energeticky velmi náročný. Proto byly požadovány častější kontroly, které by byly automatické, bez nutnosti přibírání dalších zaměstnanců. Z několika variant pro bezdrátové monitorování kompresorových stanic byla zvolena nabídka firmy Sensicast fungující na bázi sítě SensiNet.

Absence pevných spojení v síti umožnila sedminásobně snížit celkovou cenu aplikace oproti navrženému klasickému řešení s kabelovým zapojením. Vzhledem k tomu, že bylo dosaženo úspory energie až 50 %, zkrátila se doba návratnosti této investice v řádu 10 tisíc USD na pouhých pět měsíců.

Soustava bezdrátově zapojených senzorů byla nastavena tak, aby monitorovala základní parametry systému jednou za minutu. Ve stejném intervalu byly zobrazovány výsledky, což umožnilo odhalit nejen dlouhodobé trendy, ale i okamžité výpadky částí systému.

Závěr

Bezdrátové sítě typu mesh jsou jednou z cest, jak se vyrovnat s malou spolehlivostí bezdrátového přenosu informací v průmyslu. Řešením může být právě přístup peer-to-peer, na němž jsou založeny sítě s topologií mesh, které využívají redundanci spojení. Nevýhodou je složitější směrování přenášených dat v síti, přínosem však je nesrovnatelně větší variabilita a flexibilita celé sítě, protože nová zařízení nemusí být připojována k omezenému počtu současných přístupových bodů.

SensiNet není jediný protokol svého typu, v Evropě mu konkuruje např. obdobně zaměřený protokol ZigBee. Hlavní rozdíl mezi nimi lze spatřovat v tom, že SensiNet byl vyvinut cíleně pro prostředí s velmi nepříznivými radiofrekvenčními podmínkami (hutě, ocelárny). Svými vlastnostmi je tedy patrně vhodnější pro senzorové sítě, které jsou jeho hlavní aplikační doménou.

Literatura:
[1] HYNČICA, O.: Bezdrátové sítě typu mesh. Automa, 2005, roč. 11, č. 12, s. 16.

Petr Buryan