Drahtlose Sensor-Netzwerke
Funk-Sensor mit niedriger Energieaufnahme
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Funk-Sensor mit niedriger Energieaufnahme
Ermittlung der Energieaufnahme
Die Angaben von Crossbow für die Stromaufnahme der IRIS-Module selbst, also ohne eine zusätzliche Sensor-Elektronik, sind als sehr vage anzusehen. Bei einer genaueren Betrachtung von ZigBee-Modulen anderer Hersteller (ZMD, MeshNetics) stellt sich dies als generelles Problem heraus. Es wird nicht deutlich, unter welchen Bedingungen die Angaben etwa für Sleep-, Standby- und Active-Modus gelten und auf welche Komponenten sie sich beziehen. Die vom Hersteller angegebenen Daten sind nicht so wiedergegeben, wie es für die Praxis verwertbar wäre. Sie gelten eben nicht für den gesamten Knoten mitsamt dem jeweiligen Mikrocontroller, der HF-Schnittstelle (Transceiver) sowie de Firmware und im Idealfall noch einer Beispiel-Applikation.
Vielmehr werden wohl besonders günstig erscheinende Werte herausgestellt, die möglicherweise für den Mikrocontroller allein gelten. Im ZigBee-Standard sind keine Angaben über die Betriebs- und Stromspar-Modi definiert, geschweige denn, wie die Tests hierfür zu gestalten wären. Daher sind die jeweiligen Herstellerangaben weder nachzuvollziehen noch untereinander vergleichbar.
Dieser Umstand kann bereits die Auswahl eines „ZigBee Starter Kits“ zu einem recht aufwendigen Vorgang werden lassen, zumal es neben dem Energiebedarf noch eine ganze Reihe weiterer Kriterien (Frequenzbereich, Software, Interface) zu beachten gilt. Letztendlich können nur eigene Messungen einen genauen Aufschluss über die effektive Energieaufnahme geben. Dies aber erfordert umfassende Detailkenntnisse der Standards (IEEE 802.15.4, ZigBee) und des jeweiligen Systems.
Die typische Betriebsart eines drahtlosen Sensor-Knotens ist nicht der Dauerbetrieb, sondern ein Schlaf- Modus. Dafür sollten möglichst viele Komponenten abschaltbar sein. Der Anwendung entsprechend sollten die Messzeiten und die Übertragungsintervalle der Daten in das Netz möglichst gering gehalten werden können. Durch eine geschickte Kombination dieser Kriterien lässt sich der Energiebedarf minimieren.
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Messknoten und Sensoren
Die hier näher betrachtete Elektronik für die Messtechnik zur Erfassung der vier genannten Umwelt- Parameter ist zwar für einen ZigBee-Knoten, also für IRIS-Module von Crossbow, entwickelt worden, gleichwohl lässt sich die Schaltung als universelles, stromsparendes Sensor-Messsystem mit seriellem Interface verwenden (Bild 3). Die Sensoren sollten Standardtypen entsprechen, die sich leicht beschaffen lassen, dabei (relativ) kostengünstig sind und mit einer möglichst geringen Energieaufnahme eingesetzt werden können. Bei der Auswahl stellte sich heraus, dass dann nicht – wie ursprünglich geplant – ein einziges serielles I2C-Interface verwendet werden kann.
Da das IRIS-Modul am 51-poligen Steckverbinder Anschlüsse in ausreichender Zahl zur Verfügung stellt, wurde ein Kompromiss gewählt. Was die Software-Entwicklung betrifft, hat dies keinen nennenswerten Mehraufwand zur Folge. Neben dem I2C-Bus werden ein zweiter (I2C-Bus-kompatibler) serieller Bus sowie drei spezielle Steuersignale für den Druck-Sensor eingesetzt. Alle erforderlichen Signale werden an einen 2×5-poligen Pfostenanschluss geführt. Die Verbindung zum IRIS-Modul wird dann über ein Flachbandkabel hergestellt.
Für die Messung von Temperatur und Feuchtigkeit wird der Sensor SHT75 der Firma Sensirion verwendet. Dieser wird über ein serielles Interface angesteuert, das laut Hersteller „I2Cähnlich“ ist [5]. Die beiden Schnittstellen- Signale müssen dem Sensor nämlich exklusiv zur Verfügung stehen, weshalb der Sensor in einer I2C-Bus- Topologie nicht verwendet werden kann. Prinzipiell wird der Sensor jedoch entsprechend des I2C-Bus-Protokolls angesteuert, wofür am Interface zwei UART-Pins genutzt werden.
Der Sensor SHT75 benötigt im „Power Down“-Modus typisch 300 nA. Die durchschnittliche Stromaufnahme (2 bis 28 μA) richtet sich nach der gewählten Auflösung und dem eingestellten Messintervall. Der Sensor bestimmt die Temperatur im Bereich von –40 bis +120 °C mit einer maximal möglichen Auflösung von 14 bit. Zusätzlich wird die relative Feuchtigkeit im typischen Bereich 10 bis 90 % mit einer maximalen Auflösung von 12 bit gemessen.
Für die Messung des absoluten Luftdrucks wurde der Typ SCP1000-D11 der Firma VTI Technologies [6] gewählt, der durchschnittlich 25 μA Strom aufnimmt. In einem runden Gehäuse von etwa 5 mm Durchmesser befindet sich neben dem kapazitiven Sensor-Element die vollständige Signalverarbeitungskette mit 19-bit-A/D-Umsetzer, Linearisierung und Temperatur- Kompensation, so dass die Daten direkt über eine serielle Schnittstelle übergeben werden können (Bild 4). Je nach Sensor-Ausführung (D01, D11) ist als Interface SPI oder TWI (Two Wire Interface) integriert, das dem I2C-Interface entspricht und deshalb per SDAund SCL-Leitung (Serial DAta, Serial CLock) mit dem I2C-Bus der IRIS-Modul-Schnittstelle verbunden wird.
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