Wer macht das Rennen: Standards oder proprietäre Systeme?
Der Wettstreit um drahtlose Sensor-Netzwerke
Ob Gebäudeautomatisierung, Fitness-Geräte oder Solar-Parks: Drahtlose Sensor-Netzwerke sind immer häufiger das Mittel der Wahl. Bei der Umsetzung ist die Entscheidung für ein Verfahren jedoch nicht leicht – es fehlt ein etablierter Standard.
Funkbasierte Sensor-Netzwerke („Wireless Sensor Networks“ – WSN) zeichnen sich aus durch geringen Energiebedarf und kostengünstige „Knoten“, bei denen Sensor, HF-Sender-Empfänger, Mikrocontroller sowie eine Batterie mit kleiner Kapazität in einem kompakten Gehäuse integriert sind. Damit bieten sie sich an für Überwachungs- und Regelungsprozesse in der Haustechnik, für gewerbliche oder industrielle Umgebungen. Als Kandidaten stehen Standards wie ZigBee, 6loWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) und WirelessHart sowie viele „proprietäre“ Verfahren in den Startlöchern. Bislang hat keines davon eine beherrschende Stellung erreicht.
Entscheidend ist der Wirkungsgrad
Eine der Hauptforderungen an ein WSN ist ein niedriger Energiebedarf. Dieser wird in erster Linie durch den Wirkungsgrad der Funk-Schnittstellen-Hardware und die Effizienz des Protokoll-Stacks bestimmt.
Jeder Knoten ist mit einem mikrocontroller-gesteuerten Funk-Chip ausgestattet, der auch als „physikalische Schicht“ (PHY) bezeichnet wird. Bei einigen modernen 2,4-GHz-Funkgeräten sind der Funk-Chip, die HF-Komponenten und der Mikrocontroller in ein Modul integriert. Nach dem Schichtenmodell liegen über der physikalischen Schicht der Protokoll-Stack und die Software der Anwendungsschicht. Letztere unterstützt den spezifischen Befehlssatz für die im Funk-Netzwerk betriebene Anwendung. An den Knoten können z.B. ein Sensor – etwa für die Messung von Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit –, ein Aktor und eine Anzeigeeinheit angeschlossen sein.
„Proprietäre“ Funk-Chips der neuesten Generation sind z.B. die Bausteine „nRF24AP2-1CH“ und „nRF24-AP2-8CH“ der Firma Nordic Semiconductor [1]. Die 2,4-GHz-Transceiver benötigen 25 % weniger Energie als der Vorgänger „nRF24AP1“, zu dem sie abwärtskompatibel sind. Auf den Chips ist das ANT-Protokoll von Dynastream [2] implementiert, ein integrierter 8-bit-Mikrocontroller steuert die Funkschnittstelle. Der nRF24AP2-1CH lässt sich direkt an einen Sensor anschließen, der nRF24AP2-8CH kann gleichzeitig acht Funk-Sensoren bedienen. Ein Beispiel für ein Standard-System ist eine Funkschnittstelle, die mit IEEE 802.15.4 definiert wurde. Die zugehörigen Protokolle wie der „ZigBee PRO Profile Stack“ wurden unter der Federführung der ZigBee Alliance [3] entwickelt. Weitere im Markt erhältliche Systeme kombinieren häufig die Schnittstelle nach IEEE 802.15.4 mit eigenen Protokollen.
Ein niedriger Energiebedarf ist entscheidend für ein praxistaugliches WSN, weil für den Betrieb der Knoten in der Regel Knopfzellen verwendet werden. Es gilt: Je länger die Batterien halten, desto geringer ist der Wartungsaufwand. Ein Beispiel: Der Chip „RF24AP1“ mit ANT-Stack benötigt im Sendebetrieb für eine Reichweite von rund 10 m etwa 16 mA, im Empfangsbetrieb 22 mA. In einer Anwendung, die eine Stunde pro Tag einmal pro Sekunde jeweils 8 byte sendet, beträgt die Batterielebensdauer für den Sender 6,4 Jahre, für den Empfänger 5,6 Jahre. Je nach Anwendung kann sie auch niedriger ausfallen. In einer Industrieumgebung etwa arbeitet ein Sensor 24 Stunden am Tag mit einer Meldeperiode von typischerweise 0,5 s. In diesem Fall reicht die Batterie für den Sender 7,2 Monate, für den Empfänger 6,3 Monate.
Höher ist die Lebensdauer der Batterien, wenn die neuen Nordic-Modelle „nRF24AP2-1CH“ bzw. „nRF24AP2-8CH“ verwendet werden (Bild 1). Doch auch der ältere Nordic-Chip ist im Vergleich zu den ZigBee-Systemen sehr sparsam. Deren typische Senderströme liegen bei einer Sendeleistung von 0 dBm mit Werten zwischen 25 und 28 mA oberhalb der Spitzenstromschwelle einer CR2032-Batterie, die Empfängerströme betragen zwischen 20 und 24 mA. Die Batterielebensdauer für typische Sender und Empfänger von ZigBee in der oben beschriebenen industriellen Anwendung wäre mit zwei bis drei Monaten nur etwa halb so lang wie die des proprietären Systems.
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