IoT-Plattform
Funkknoten, die sich selbst konfigurieren
Fortsetzung des Artikels von Teil 3
Industrielle IoT-Funknetzwerke auf der Basis von TSCH
Funksysteme mit geringem Leistungsbedarf sind besonders gut für industrielle Anwendungen geeignet, da sie eine einfache Installation ermöglichen – ohne erst Kabel verlegen zu müssen. Industrielle Applikationen benötigen Funknetzwerke, die die gleiche Zuverlässigkeit bieten wie ihre per Kabel verbundenen Gegenstücke und dabei auch mehrere Jahre Batterielebenszeit bieten. Eine Reihe neuer Standards und neue Produkte kommen jetzt auf den Markt, die speziell auf das industrielle IoT [10] abzielen. Diese Standards wurzeln auf dem TSCH-Verfahren, das sich besonders gut für Funk-IoT-Geräte mit geringem Leistungsbedarf eignet. In einem TSCH-Netzwerk sind alle Knoten eng miteinander synchronisiert und ein Ablaufplan steuert die gesamte Kommunikation im Netzwerk. Der Ablaufplan gibt an, was in jedem Zeitschlitz zu tun ist: senden, hören oder schlafen. Durch die Zeitsynchronisation wachen Knoten nur dann auf, wenn sie auch tatsächlich kommunizieren, was zu einer sehr geringen Leistungsaufnahme führt. Aufeinander folgende Datenpakete, die zwischen zwei benachbarten Knoten ausgetauscht werden, werden auf unterschiedlichen Frequenzen übertragen. Die Kanalsprung-Kommunikation reduziert externe Interferenzen und Signaldämpfung durch Mehrwegeausbreitung.
SmartMesh IP ist eine kommerzielle Implementierung von TSCH, in der Netzwerke aus einem Gateway-Knoten – dem Manager – und bis zu 100 „Staubkörnchen“ (Knoten) bestehen. Die Staubkörnchen bilden ein redundant vermaschtes Funknetzwerk mit geringem Leistungsbedarf. Der Manager ist verantwortlich für das Erstellen und Aufrechterhalten des TSCH-Ablaufplans. Jeder Knoten sendet seine Kommunikationsanforderung an den Manager. Der Manager berechnet einen TSCH-Ablaufplan, der die Bedürfnisse der unterschiedlichen Knoten berücksichtigt und gleichzeitig den Energiebedarf insgesamt minimiert. Er injiziert den berechneten Ablaufplan dann zurück in das Netzwerk. Durch die kontinuierliche Überwachung des Netzwerks und Anpassen des TSCH-Ablaufplans an topologische Änderungen oder unterschiedliche Kommunikationsanforderungen arbeitet ein SmartMesh-IP-Netzwerk autonom ohne jede menschliche Eingriffe.
Die Eigenschaften des SmartMesh IP wurden hinsichtlich des Energiebedarfs optimiert [11]. In einer typischen urbanen Anwendung, in der 100 Knoten ein vermaschtes Netzwerk mit acht Vermittlungsstufen bilden, von denen jeder pro Stunde ein Datenpaket mit 90 Byte Nutzdaten sendet, benötigen die Knoten zwischen 8,4 µA (Knoten, die am weitesten entfernt vom Manager sind) und 22,2 µA (Knoten, die am nächsten am Manager sind). Aus dieser Stromaufnahme lässt sich eine Batterielebenszeit von über zehn Jahren errechnen, wenn eine 2200-mAh-Zelle verwendet wird.
Literatur:
[1] Yang, F.; et al.: μPnP: Plug and Play Peripherals for the Internet of Things. European Conference on Computer Systems (EuroSys ‘15), 21.–24. April 2015, Konferenzband, Artikel Nr. 25, DOI: 10.1145/2741948.2741980.
[2] Matthys, N.; et al.: μPnP-Mesh: the plug-and-play mesh network for the internet of things. IEEE World Forum on Internet of Things (IEEE WF-IoT), 14.–16. Dezember 2015, Konferenzband, S. 311–315.
[3] The 2015 IPSO Challenge. IPSO Alliance, http://challenge.ipso-alliance.org/ipso-challenge-2015.
[4] The IPSO Alliance, www.ipso-alliance.org.
[5] SmartMesh IP. Linear Technology Corporation, www.linear.com/products/smartmesh_ip.
[6] T. Watteyne, T.; et al.: Technical Overview of SmartMesh-IP. International Workshop on Extending Seamlessly to the Internet of Things (esIoT), 3.–5. Juli 2013, Konferenzband, DOI: 10.1109/IMIS.2013.97.
[7] Watteyne, T.; Mehta, A.; Pister, K.: Reliability Through Frequency Diversity: Why Channel Hopping Makes Sense. 6th ACM International Workshop on Performance Evaluation of Wireless Ad Hoc, Sensor, and Ubiquitous Networks (PE-WASUN 2009), 29.– 30. Oktober 2009, Konferenzband, DOI: 10.1145/1641876.1641898.
[8] ATmega1284p. Microchip Atmel, www.atmel.com/devices/atmega1284p.aspx.
[9] Dunkels, A.; Gronvall, B.; Voigt, T.: Contiki – a Lightweight and Flexible Operating System for Tiny Networked Sensors. 29th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks (LCN 2004), 16.–18. November 2004, Konferenzband, DOI: 10.1109/LCN.2004.38.
[10] Dujovne, D, et al.: 6TiSCH: Deterministic IP-enabled Industrial Internet (of Things). IEEE Communications Magazine, 2014, Heft 12, S. 36–41.
[11] Watteyne, T.; et al.: Industrial IEEE802.15.4e Networks: Performance and Trade-offs. IEEE International Conference on Communications (ICC), 8.–12. Juni 2015, Konferenzband, DOI: 10.1109/ICC.2015.7248388.
Die Autoren:
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| Nelson Matthys |
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| führt als CEO das Unternehmen VersaSense N.V., das die Technik des MicroPnP entwickelt hat. Er verfügt über zehn Jahre Erfahrung in der Konzeption und Entwicklung auf dem Gebiet des Internets der Dinge, ausgehend von akademischen Forschungsergebnissen. Matthys hat sein Studium im Bereich IoT-Software-Technologien an der Katholischen Universität Leuven, Belgien, mit dem Doktorgrad (Ph.D) abgeschlossen. |
nelson@versasense.com
| Jackie Rutter |
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| leitet den Bereich Marketing in Europa bei der Linear Technology Corporation. Sie hat mehr als 15 Jahre Erfahrung bei der Vermarktung innovativer Produkte, die zumeist von führenden Halbleiterunternehmen entwickelt wurden, in einem breiten Marktspektrum. Ihr Elektrotechnikstudium an der University of Surrey in Guildford, England, hat Rutter mit Auszeichnung abgeschlossen, BEng (Hons). Anschließend hat sie ein Studium in Marketing an der Ashridge Business School in London mit dem Master abgeschlossen. |
jrutter@linear.com
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