Drahtlose Sensor-Netzwerke Funk-Sensor mit niedriger Energieaufnahme

Für die Realisierung drahtloser Sensor-Netzwerke existieren viele unterschiedliche Konzepte und Systeme. Allen gemeinsam ist der Wunsch, eine Selbstversorgung der Anwendung bei möglichst geringer Stromaufnahme zu erreichen. In der Praxis aber ist oft ein großer Unterschied zwischen der angestrebten und der tatsächlichen Leistungsaufnahme eines Sensor-Knotens zu bemerken.

Mit Sensor-Knoten nach dem ZigBee-Standard (IEEE 802.15.4) lassen sich mit Sensoren verschiedene Umweltdaten erfassen, und das bei geringer Stromaufnahme. Der Standard IEEE 802.15.4 beschreibt die Funktionen zur Kommunikation von zwei Einheiten über die OSI-Schichten 1 und 2, die durch den Physical Layer (PHY) und den MAC Layer (Media Access Control) gegeben sind. Auf diese baut der dreischichtige ZigBee-Protokoll- Stapel auf mit „Network Layer“, „Transport Layer“ und „Application Layer“. Damit lässt sich eine Netzwerk-Topologie aufsetzen, in der mehrere Knoten (Nodes) über Zuordnungs-, Authentifizierungs- und Verschlüsselungsmechanismen miteinander kommunizieren können [1, 2].

Über 300 Hersteller unterstützen mittlerweile ZigBee, wobei unterschiedliche Implementierungen zu massiven Inkompatibilitäten geführt haben. Das liegt daran, dass die oberen Schichten nicht genau genug spezifiziert wurden. In der Praxis sind Zig-Bee-Einheiten deshalb meist nur zu Einheiten desselben Herstellers kompatibel.

 

Die Entwicklungsplattform

Eine ZigBee-Entwicklung wird in den meisten Fällen mit einem „Starter Kit“ begonnen, wovon am Markt verschiedene Schaltungen mit passender Entwicklungsumgebung und Beispiel- Software angeboten werden. In diesem Projekt wurden IRIS-Wireless-Module der Firma Crossbow [3] verwendet, die speziell als „Low Power“-Sensor- Knoten konzipiert sind. Die Module arbeiten im 2,4-GHz-ISM-Band mit einer Datenübertragungsrate von maximal 250 kbit/s. Das Kernstück eines Moduls ist der Mikrocontroller „ATmega 1281“ von Atmel, der in seinem internen Flash-Speicher die Software „MoteWorks“ [4] ausführt (Bild 1).

Ebenfalls von Atmel kommt die HF-Stufe des Moduls „AT86RF230“. MoteWorks setzt sich zusammen aus dem „Open Source“-Betriebssystem „TinyOS“ für drahtlose Sensor-Netze, einem von Crossbow geschriebenen „User Interface“ für die Konfiguration und Analyse der IRIS-Knoten und den Funktionen für „Ad-hoc Mesh Networking“ sowie die drahtlose Programmierung der Knoten (over the air programming). TinyOS bzw. MoteWorks erlaubt mit minimalen ZigBee-Kenntnissen und wenigen Zeilen Programmcode einen schnellen Einstieg in die Programmierung von individuellen Sensor- Knoten, deren Elektronik über einen 51-poligen Steckverbinder direkt am IRIS-Modul angeschlossen werden kann.

Eines der Module wird im Zig- Bee-Netz als Basis-Station definiert. Dieses Modul wird auf ein „Gateway Board“ gesteckt, das für die Verbindung mit einem PC mit einer USBSchnittstelle ausgerüstet ist. Auf dem PC findet neben der Programmentwicklung mit TinyOS auch eine Verarbeitung der Messdaten statt. Die hierfür erstellte Applikation setzt auf einen virtuellen Com-Port auf, der die USB-Schnittstelle der Basis-Station repräsentiert. Die Daten werden zyklisch in ein Log-File auf dem PC geschrieben und können von einem Matlab- Programm ausgewertet und als Grafik (Bild 2) dargestellt werden.

 

Datenübertagung mit dem Mesh-Netz SOMSED

Der Sensor-Knoten soll die Temperatur, die Feuchtigkeit (Humidity), den Luftdruck und die Lichtintensität erfassen und die Ergebnisse im Mesh-Netz SOMSED (Selbst Organisierende Mobile Sensor- und Datennetze) der Technischen Universität Hamburg- Harburg (TUHH) übertragen.

Im SOMSED-Projekt beschäftigen sich mehrere Institute der Nachrichtentechnik, Telematik und Mikrosystemtechnik mit Grundlagen und Verfahren einer flächendeckenden messtechnischen Erfassung physikalischer und biologischer Messgrößen mit drahtlosen Sensor-Netzwerken bei hoher Ortsauflösung. Die wesentlichen Anwendungen sind die Überwachung der Umwelt, medizinische und maritime Systeme, die Robotik sowie die Logistik. Die Basis bilden derzeit 30 IRIS-Wireless- Module, die auf dem TUHHCampus verteilt angebracht sind.