WSN für das Bauwerksmonitoring – Teil 1
Wahl des Funkprotokolls
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Mesh-Netzwerk mit IQRF-Funktechnik
Die IQRF-Funktechnik wurde 2004 auf der RFM-Konferenz in Malaga, Spanien, von der tschechischen Firma Microrisc vorgestellt, die sich in erster Linie mit Alarmanlagen für Kraftfahrzeuge beschäftigt hat. Seit 2017 ist die tschechische Firma IRQF Tech für diese Funktechnik verantwortlich. Außer für die eigenen Produkte ist IQRF Tech auch für die IQRF Alliance zuständig, in der sich zahlreiche Firmen sowie Institute und Universitäten, wie beispielsweise die Technische Universität Hamburg, engagieren. Die Mitglieder der IQRF Alliance arbeiten an kompatiblen Anwendungen und der Weiterentwicklung der IQRF-Funktechnik in den Bereichen Cloud & Services (O2, Microsoft Azure, IBM Cloud), Home & Industrial (Gateways) sowie End Devices (Sensoren, Aktoren, Transceiver).
Für ein vermaschtes IQRF-Netzwerk kommt das eigene IQMESH genannte Routingprotokoll [5] zum Einsatz. Es benötigt einen Koordinator und erlaubt bis zu 239 Knoten anzusteuern. Erweiterungen sind durch die Implementierung von so genannten Sub Coordinators möglich, die dann wiederum mit bis zu 239 Knoten kommunizieren können. IQRF arbeitet in Europa im 868-MHz-Frequenzband mit der FSK-Modulation (10 mW) auf maximal 62 Kanälen und mit einer Paketgröße von maximal 56 Byte. Die Pakete werden synchron innerhalb definierter Zeitschlitze übertragen, wie es ebenfalls beim Dust Network der Fall ist, was prinzipiell eine Kalkulation der Schlafmodi für die Knoten ermöglicht. Für die Datenübertragungsrate wird 19 kbit/s angegeben, was für typische Sensoranwendungen ausreichend ist.
Für die Konfigurierung und Programmierung der Funkknoten wird eine spezielle IQRF-IDE zur Verfügung gestellt. In dieser Umgebung lassen sich im Grunde genommen alle anfallenden Arbeiten für den Aufbau eines vermaschten Funknetzwerks durchführen. Mithilfe von verschiedenen Plug-ins ist die IDE zudem erweiterbar. Die sehr ausführliche Dokumen-tation sowie die Lehrvideos von IQRF für den Aufbau und die Programmierung eigener Netzwerke, machen die IQRF-Technik auch für Entwickler, die bisher noch keine Erfahrungen auf dem Gebiet der Funkvernetzung haben, vergleichsweise leicht anwendbar.
Auf jedem IQRF-Gerät (Transceiver) befindet sich standardmäßig ein Betriebssystem (OS, Operation System). Die in der IDE erstellte Software setzt auf dieses OS funktionstechnisch auf. Grundsätzlich ist eine direkte Programmierung (in C) möglich, was einfache Peer-to-Peer-Konfigurationen erlaubt. Üblicherweise wird jedoch DPA (Direct Peripheral Access) verwendet, was über das DPA Framework zur Verfügung gestellt wird. DPA ist ein spezielles Transportprotokoll, über das Befehle gesendet und Nachrichten empfangen werden. Es sorgt zudem für die Verbindung der Knoten mit dem Netzwerk und die Paarbildung der Knoten mit dem Koordinator.
Die Firma IQRF Tech bietet verschiedene Hardwarekomponenten sowie Evaluation Kits [6] an. Im hier beschriebenen Projekt für das Bauwerksmonitoring wurde das Evaluation Kit DS-IOT-01 eingesetzt, das vier Transceiver, drei TR-Module mit integriertem 400-mAh-LiPo-Akku, einen Programmer/Debugger (USB) sowie eine Sensor- und eine Relais-Platine nebst den notwendigen Adaptern und Kabeln beinhaltet. Quasi als Besonderheit gehört ein USB-Speicherstick dazu, auf dem alle notwendigen Datenblätter und auch die Software mit Beispielprogrammen gespeichert sind, sodass das mitunter doch recht zeitraubende Zusammensuchen der benötigten Dokumente und Programme entfällt. Selbst der Aufbau der Transceiver, auf dem das patentierte IQRF-Funkverfahren arbeitet, ist ausführlich dokumentiert. Die Transceiver sind auf die TR-Module und den Programmer zu stecken, und die Sensor- sowie die Relais-Platine lässt sich über eine Pfostenleiste jeweils mit einem TR-Modul verbinden.
Funksysteme im Praxisvergleich
Grundsätzlich erhöht sich die Übertragungszeit in einem vermaschten Netzwerk mit steigender Knotenanzahl und beträgt bei IQRF für zehn Knoten etwa 3 s und bei 100 Knoten bis zu 5 min. Einflüsse wie die Position der Knoten, die Paketlänge, Störungen und Rauschen machen die jeweils benötigte Übertragungszeit nur schwer kalkulierbar. Das gilt allgemein für vermaschte Netzwerke, weshalb in der Praxis entsprechende Trainingsphasen mit Optimierungsmethoden in der konkreten Anwendung notwendig sind. Die verschiedenen Funktechniken – Bluetooth Mesh, Dust Network, IQRF – lösen dieses Problem innerhalb der dazugehörigen Entwicklungsumgebungen unterschiedlich gut.
Aufgrund der Tatsache, dass Bluetooth Mesh das jüngste der drei untersuchten Funkprotokolle ist, ist es nicht verwunderlich, dass hierfür vergleichsweise wenig Beispiele und Tools zur Optimierung zu finden sind, wie sie beispielsweise für die Konfigurierung einer möglichst geringen Stromaufnahme notwendig sind.
Wie erwähnt, sind bei Bluetooth Mesh alle Knoten gleichberechtigt und es gibt hier keinen zentralen Manager oder Koordinator wie bei Dust Network oder IQRF. Das macht das Netzwerk einerseits weniger anfällig für einen Totalausfall. Andererseits können jedoch keine Netzwerkinformationen zentral aufgezeichnet und gespeichert werden, um die Leistungsfähigkeit für die jeweilige Anwendung und Topologie optimieren zu können.
In einem Testszenario mit jeweils drei Knoten, plus Manager bzw. Coordinator liegt die durchschnittliche Stromaufnahme eines Knotens beim Dust Network mit 22 mA erstaunlicherweise am höchsten, gefolgt von Bluetooth Mesh mit 13 mA, und bei IQRF beträgt sie lediglich 2,3 mA. Die durchschnittliche Stromaufnahme ist innerhalb einer Stunde bei der Ausführung kontinuierlicher Sende- und Empfangszyklen für die Übertragung von Sensorwerten ermittelt worden, was somit einer praxisorientierten und vergleichbaren Anwendung entspricht.
Die hohe Stromaufnahme der Motes beim Dust Network erklärt sich aus den verwendeten Modulen vom Typ Dustino, die im Gegensatz zu den teureren Originalmodulen von Analog Devices (DC9003) einen zweiten Mikrocontroller sowie weitere Peripherie verwenden. Grundsätzlich haben sich bei allen drei Kandidaten die Datenblattangaben zur Stromaufnahme, die letztlich auf unterschiedlichen Randbedingungen basieren, nicht in der Praxis (s.o.) eingestellt, sie lagen teilweise weit darüber, was sicher auch an einer nicht optimalen Programmierung liegt.
Für den Test wurden jeweils die zur Verfügung gestellten Beispielprogramme eingesetzt, ohne nachträglich eigene Anpassungen für eine optimale Stromaufnahme vorzunehmen – z.B. durch das Abschalten von Komponenten und dem effektiven Einsatz von Schlafmodi. Ohne einen erheblichen Arbeitsaufwand zu betreiben, wird ein Entwickler deshalb weder beim Dust Network (mit Dustino-Modulen) noch bei Bluetooth Mesh (mit STM-Modulen) zu einem energieeffizienten Funksensornetzwerk kommen. Weil IQRF zudem in der Handhabung, der Programmierung und der Ankopplung von Sensoren am einfachsten und auch noch das kostengünstigste Funksystem ist, wird es für das Bückenmonitoringprojekt ausgewählt.
In einem zweiten Beitrag werden Funktechniken (LPWAN, Low Power Wide Area Network) untersucht, die sich eignen, um die Daten des lokalen Funksensornetzwerks in eine Cloud zu übertragen. Für das Projekt zum Monitoring einer Brücke werden also zwei Funktechniken ausgewählt – für ein gemischtes Funknetzwerk, verbunden über ein Gateway. Der Aufbau der Funksensorknoten, ihre Installation an einer Brücke und erste Messergebnisse werden dann vorgestellt.
Literatur
[1] Intelligente Brücke, Gesamtkonzeption und Rolle im Erhaltungsmanagement. Bundesanstalt für Straßenwesen, www.intelligentebruecke.de/ibruecke/DE/Konzeption/ konzeption_node.html.
[2] BlueNRG-1, BlueNRG-2 DK SW package. STMicroelectronics, www.st.com/content/st_com/en/products/embedded-software/evaluation-tool-software/stsw-bluenrg1-dk.html.
[3] SmartMesh IP Solutions. Analog Devices, www.analog.com/en/applications/technology/smartmesh-pavilion-home/smartmesh-ip.html.
[4] ITM-DOUF-B-01 | DUSTINO PCB U.FL Connector. Arrow, www.arrow.de/products/itm-douf-b-01/arrow-development-tools.
[5] Spurna, I.: Funknetzwerk für IoT-Applikationen: IQRF – zuverlässig und sicher. elektronik.de, 25.4.2018, www.elektroniknet.de/elektronik/kommunikation/iqrf-zuverlaessig-und-sicher-153002.html.
[6] Dembowski, K.: Embedded Entwicklungstools: IoT-Entwicklungssystem mit Gateway-Funktion. elektroniknet.de, 6. Juni 2018, www.elektroniknet.de/design-elektronik/embedded/iot-entwicklungssystem-e-mit-gateway-funktion-154267.html.
Der Autor
Klaus Dembowski
ist Wissenschaftlicher Angestellter am Institut für Mikrosystemtechnik an der Technischen Universität Hamburg. Sein Zuständigkeitsbereich beinhaltet die Entwicklung von Hard- und Software für Mikrosysteme mit dem Schwerpunkt auf Anwendung von Energy-Harvesting-Techniken.
Er wurde 2011 und 2017 von der Redaktion der Elektronik für seine Fachaufsätze »Sensornetze mit energiesparender Funktechnik« und »Funkelektroden zur Messung bioelektrischer Signale: EKG ohne Kabel« als »Autor des Jahres« ausgezeichnet.
dembowski@tuhh.de
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