MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMO ČJO BREZŽI … · 2018. 8. 24. · ozna čene vrvi, ozna čeni trakovi itd. Danes za meritve razdalj uporabljamo tudi bolj zapletene naprave,

Štefan Žagar

MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMOČJO BREZŽIČNEGA OMREŽJA

ZIGBEE

Diplomsko delo

Maribor, avgust 2009

I

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV

S POMOČJO BREZŽIČNEGA OMREŽJA ZIGBEE

Študent: Štefan ŽAGAR

Študijski program: UN ŠP Elektrotehnika

Smer: Avtomatika

Mentor: red. prof. dr. Žarko ČUČEJ

Lektor: Sašo GOLOB

Maribor, avgust 2009

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju za pomoč in vodenje

pri opravljanju diplomskega dela. Prav tako gre

posebna pohvala vsem zaposlenim v podjetju

Telargo d.o.o.

Posebna zahvala velja staršem, ki so mi

omogočili študij.

Lepo se zahvaljujem tudi vsem ostalim, ki so

kakorkoli pomagali, da ima moje diplomsko

delo takšno obliko, kot jo imate pred seboj.

IV

MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMOČJO

BREZŽIČNEGA OMREŽJA ZIGBEE

Ključne besede: telekomunikacije, brezžična senzorska omrežja, ZigBee tehnologija,

WPAN standard IEEE 802.15.4, identifikacija razdalje

UDK: 621.398:681.586(043.2)

Povzetek

Diplomsko delo obravnava merjenje oddaljenosti objektov oziroma merjenje razdalj

med objekti s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee. Na kratko opisuje standarde za

brezžična osebna omrežja (WPAN), ki jih definira delovna skupina IEEE 802.15.

Podrobno je obravnavan standard IEEE 802.15.4, ki je osnova tehnologije ZigBee.

Prav tako so na kratko opisana brezžična senzorska omrežja. V praktičnem delu

diplomskega dela so predstavljene meritve sprejete moči signala (RSSI) na ZigBee

modulu pri določenih razdaljah in na različnih lokacijah. Del diplomskega dela je bil

opravljen v podjetju Telargo d.o.o., kjer se je testiral senzor bližine osnovan na

tehnologiji ZigBee.

V

MEASUREMENT OF DISTANCES BETWEEN OBJECTS BY

WIRELESS SENSOR NETWORK ZIGBEE

Key words: telecommunication, wireless sensor networks, ZigBee technology, WPAN

standard IEEE 802.15.4, distance identification

UDK: 621.398:681.586(043.2)

Abstract

The diploma work deals with measurement of distances between objects by wireless

sensor network ZigBee. It also briefly describes the standards for wireless personal

networks (WPAN) that are defined by the IEEE 802.15 working group. The standard

IEEE 802.15.4, which is the basis for the ZigBee technology, is discussed in detail. In

addition, wireless sensor networks are also described. In the practical part of the

diploma work measurements of the received signal strength (RSSI) on the ZigBee

module are presented. This measurements were taken at various distances and at

different locations. Some part of the diploma work was done at company Telargo d.o.o.,

where the proximity sensor based on ZigBee technology was tested.

VII

VSEBINA

1 UVOD.................................................................................................................................................1

1.1 NAMEN IN CILJ ......................................................................................................................1

1.2 PREGLED POSAMEZNIH POGLAVIJ...................................................................................2

2 DELOVNA SKUPINA IEEE 802.15 ...............................................................................................3

2.1 WPAN STANDARDI IEEE 802.15.X IN PRIPADAJOČE OPRAVILNE SKUPINE .............3

2.2 PODROBNEJŠI OPIS WPAN STANDARDA IEEE 802.15.4 .................................................5

2.2.1 FIZIČNA PLAST...................................................................................................................6

2.2.2 MAC PODPLAST .................................................................................................................9

2.2.3 PROBLEMI KOEKSISTENČNOSTI V STANDARDU IEEE 802.15.4 ...............................15

2.2.4 OSTALI IEEE 802.15.4 STANDARDI IN OPRAVILNE SKUPINE....................................15

3 ZIGBEE TEHNOLOGIJA ............................................................................................................17

3.1 OMREŽNA PLAST ................................................................................................................19

3.2 APLIKACIJSKA PLAST........................................................................................................20

3.3 OMREŽNE TOPOLOGIJE.....................................................................................................21

3.4 ZIGBEE ALLIANCE..............................................................................................................22

3.5 BREZŽIČNO POVEZOVANJE IN ZIGBEE V INDUSTRIJSKIH OKOLJIH ......................23

4 BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA ....................................................................................25

4.1 KOMPONENTE BREZŽIČNEGA SENZORSKEGA VOZLIŠČA .......................................25

4.2 LOKALIZACIJA ....................................................................................................................28

4.3 ČASOVNA SINHRONIZACIJA ............................................................................................32

4.4 NASLAVLJANJE...................................................................................................................34

4.5 KONTROLIRANJE PORABE................................................................................................35

4.6 PROGRAMIRANJE IN APLIKACIJE BREZŽIČNIH SENZORSKIH OMREŽIJ................35

4.7 BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA V PRAKSI.............................................................37

5 UPORABLJENA STROJNA OPREMA ......................................................................................39

5.1 XBEE MODULI......................................................................................................................39

5.2 PODJETJE TELARGO D.O.O................................................................................................40

5.3 TELARGO MOBILNA ENOTA.............................................................................................42

5.4 JTAG EMULATOR ................................................................................................................45

5.5 SENZOR BLIŽINE .................................................................................................................46

6 UPORABLJENA PROGRAMSKA OPREMA............................................................................49

6.1 X-CTU.....................................................................................................................................49

VIII

6.2 RAZVOJNO OKOLJE CODE COMPOSER STUDIO...........................................................50

6.3 MICROSOFT VISUAL BASIC 2008 EXPRESS EDITION...................................................52

7 PRAKTIČNI DEL ..........................................................................................................................53

7.1 RADIJSKI KANALI ZA BREZŽIČNA KOMUNIKACIJSKA OMREŽJA...........................53

7.2 MERJENJE SPREJETE MOČI SIGNALA (RSSI) .................................................................58

7.3 NAVADEN MODUL XBEE S CHIP ANTENO.....................................................................62

7.4 PRO MODUL XBEE-PRO Z WHIP ANTENO ......................................................................68

7.5 SENZOR BLIŽINE .................................................................................................................74

8 SKLEP .............................................................................................................................................81

9 VIRI, LITERATURA.....................................................................................................................83

10 PRILOGE........................................................................................................................................85

10.1 SEZNAM SLIK.......................................................................................................................85

10.2 SEZNAM TABEL...................................................................................................................87

10.3 SEZNAM GRAFOV ...............................................................................................................88

10.4 NASLOV ŠTUDENTA...........................................................................................................89

10.5 KRATEK ŽIVLJENJEPIS ......................................................................................................89

IX

UPORABLJENI SIMBOLI

B – pasovna širina

c – hitrost svetlobe

Ct – izgube na kablih

d – razdalja med sprejemnikom in oddajnikom

d0 – vrednost odvisna od antene

D – največja dimenzija antene

f – frekvenca radijsko-frekvenčnega signala

fc – nosilna frekvenca radijsko-frekvenčnega signala

Gr – ojačitev sprejemne antene

Gt – ojačitev oddajne antene

I – fazni nosilec

k – Boltzmannova konstanta

L – izgubni faktor

n – vrednost, ki je odvisna od prostora v katerem se širi radijsko-frekvenčni signal

Pr – sprejeta moč

Pt – oddajna moč

R – radij Fresnelove cone

Q – pravokotni fazni nosilec

Tc – čas zakasnitve Q-faznega nosilca

Tsis – nadomestna temperatura šuma celotnega sistema

τ – zakasnitev prenosa

λ – valovna dolžina

XI

UPORABLJENE KRATICE

ACL – seznam za kontrolo dostopa

AES – napredni enkripcijski standard

APS – aplikacijska podplast

BPSK – binarna fazna modulacija

CAP – prvi časovni interval znotraj aktivne periode

CCA – dostop do prostega kanala

CFP – drugi časovni interval znotraj aktivne periode

CP – celoten časovni interval aktivne periode

CRC – ciklično preverjanje redundance podatkov

CSMA/CA – sodostop z zaznavanjem nosilca/izogibanje trka

CSS – razprostrta spektralna tehnika

CSV – format datoteke, ki vsebuje z vejico ločene vrednosti

DSP – digitalni signalni procesor

EEPROM - električno izbrisljiv programirljiv bralni pomnilnik

EIRP – ekvivalentna izotropična oddajna moč

FCS – sekvenca za preverjanje okvirja

FFD – polno-funkcionalna naprava

GPS – sistem za globalno pozicioniranje

GTS – zajamčena časovna reža

IEEE – inštitut inženirjev elektrotehnike in elektronike

LSB – najmanj pomemben bit

MAC – krmiljenje dostopa do prenosnega medija

MSB – najbolj pomemben bit

XII

O-QPSK – zamaknjena kvadraturna fazna modulacija

OEM – izdelek originalnega proizvajalca

PAN – osebno omrežje

PPDU – protokolna podatkovna enota fizične plasti

RAM – bralno-pisalni pomnilnik

RFD – reducirano-funkcionalna naprava

RSSI – sprejeta moč signala

SNR – razmerje signal/šum

TDoA – metoda merjenja razdalje s pomočjo merjenja razlike časov prihodov signalov

TG – opravilna skupina

ToA – metoda merjenja razdalje s pomočjo merjenja časa prihoda signala

UWB – ultra-širokopasovna radijska tehnologija

WLAN – brezžično lokalno omrežje

WPAN – brezžično osebno omrežje

WSN – brezžično senzorsko omrežje

ZDO – del ZigBee standarda (definira vloge ZigBee naprav)

1 UVOD

Zahteva po merjenju razdalje je zelo stara in se ni spremenila do današnjih dni, ko se

zahteve po hitrejših in točnejših meritvah razdalj samo stopnjujejo. Prvotno trgovanje je

potekalo predvsem znotraj mest, kjer so za izmenjavo blaga uporabljali neko enoto za

merjenje razdalj. S širjenjem trgovine med različnimi mesti in kulturami pa je nastala

težava zaradi neenotnosti merskih enot. To za trgovanje ni bilo ugodno, zato so se kmalu

uvedle merske enote. Da bi bile merske enote za razdaljo poenotene, so uvedli enoto meter.

Večina držav uporablja to enoto in njegove desetiške mnogokratnike, kot so: mm, cm, dm,

km itd. Hkrati so se razvijale tudi različne merilne naprave: palice z določeno dolžino,

označene vrvi, označeni trakovi itd. Danes za meritve razdalj uporabljamo tudi bolj

zapletene naprave, kot so sonar, radar in laserske naprave.

Rdeča nit diplomske naloge je merjenje oddaljenosti objektov oziroma merjenje razdalj

med objekti na brezkontaktni način s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee.

Potrebe po brezkontaktnem merjenju razdalj oziroma določanju prisotnosti objektov v

nekem območju, so vedno večje. Težave se pojavijo predvsem tam, kjer so objekti mobilni.

Ponavadi je težavna tudi identifikacija teh objektov. V nadaljevanju bomo predstavili, kako

lahko s pomočjo ZigBee tehnologije zgradimo takšen sistem, kjer se takšne težave ne

pojavijo.

1.1 NAMEN IN CILJ

Glavne značilnosti naprav, ki temeljijo na tehnologiji ZigBee so majhne dimenzije, poceni

izdelava, nizka poraba in enostavna realizacija, prav tako pa tudi nizka prenosna hitrost ter

krajši domet. Zaradi slednje lastnosti se bomo osredotočili samo na meritve oddaljenosti

objektov na razdaljah do 200 metrov.

Namen diplomskega dela je preučiti in predstaviti WPAN standard IEEE 802.15.4 ter na

njem temelječo tehnologijo ZigBee. Prav tako je namen na kratko predstaviti brezžična

senzorska omrežja.

2 Štefan Žagar, Diplomsko delo

Cilj diplomskega dela je zgraditi sistem dveh ZigBee naprav, s pomočjo katerega bomo

lahko določili razdaljo med dvema objektoma, ki imata pritrjeno vsak svojo ZigBee

napravo. Razdaljo bomo določili preko meritev sprejete moči signala (RSSI) ZigBee

naprave. Ugotavljali bomo tudi, kakšen vpliv imajo ovire na meritve razdalj ter ali je

takšno merjenje razdalj dovolj natančno (in v kakšnih pogojih) za uporabo v industriji.

Prav tako bomo s pomočjo senzorja bližine, osnovanim na tehnologiji ZigBee, prožili

dogodke, ki nam povedo, da je trenutno nek objekt v izbranem območju drugega objekta.

1.2 PREGLED POSAMEZNIH POGLAVIJ

V drugem poglavju diplomskega dela je na kratko predstavljen glavni namen delovne

skupine IEEE 802.15. Ob tem je podrobneje predstavljen standard IEEE 802.15.4 in na

njem osnovana tehnologija ZigBee, kar vključuje podajanje bistvenih lastnosti standarda

(fizična in MAC podplast) ter prednosti in pomanjkljivosti omrežij, ki so zgrajena na tej

osnovi in veliko več.

Tretje poglavje diplomskega dela opisuje zgradbo ZigBee standarda (omrežna in

aplikacijska plast) in omrežne topologije, ki jih podpira (peer to peer, zvezda, drevo in

mesh). Ob koncu tega poglavja smo se osredotočili še na združenje podjetij ZigBee

Alliance.

V četrtem poglavju diplomskega dela smo predstavili glavne značilnosti brezžičnih

senzorskih omrežij (WSN). Predstavili smo lokalizacijo, časovno sinhronizacijo,

naslavljanje in kontroliranje porabe v brezžičnih senzorskih omrežjih. Prav tako smo

pregledali področje uporabe brezžičnih senzorskih omrežij v praksi.

V petem in šestem poglavju diplomskega dela smo opisali uporabljeno strojno in

programsko opremo. Del te opreme je last podjetja Telargo d.o.o. Poudarek je prevsem na

opisu razvojnega okolja Code Composer Studio, uporabljenih XBee modulih, Telargo

mobilne enote in senzorja bližine, narejenim v podjetju Telargo d.o.o.

V sedmem in osmem poglavju diplomske naloge smo podrobneje predstavili praktični del

diplomskega dela in podali sklep. Glavni povdarek je na opisu določitve razdalj med

objektoma glede na meritev sprejete moči signala (RSSI). Opisane so tudi meritve s

senzorjem bližine osnovanim na tehnologiji ZigBee.

V zadnjih poglavjih so navedeni viri in literatura ter dodane priloge.

2 DELOVNA SKUPINA IEEE 802.15

Delovna skupina IEEE 802.15 se osredotoča na razvoj in objavo standardov, ki so

namenjeni brezžičnim osebnim omrežjem (WPAN - angl. Wireless Personal Area

Network) [5]. Omrežja WPAN se uporabljajo za prenos informacij na kratke razdalje med

prenosnimi napravami kot so dlančniki, mobilni telefoni, prenosni računalniki in

potrošniška elektronika. Za povezovanje preko WPAN omrežij potrebujemo zelo malo

infrastrukture, kar omogoča majhne, učinkovite in poceni rešitve.

Standard IEEE 802.15 definira specifikacijo fizične plasti in MAC podplasti brezžičnih

naprav v WPAN omrežju. Cilj skupine je objaviti standarde, priporočene prakse in

vodnike, ki imajo široko uporabo na trgu. Prav tako je pomembno povezovanje in

soobstajanje z drugimi žičnimi in brezžičnimi omrežji. Standarde in nekatere opravilne

skupine, tudi imenovane task group (v nadaljevanju TG), bomo na kratko opisali v

naslednjem poglavju. IEEE 802.15.4 standard in opravilna skupina TG4, temelj brezžičnih

omrežij, osnovanih na tehnologiji ZigBee, bosta podrobneje opisani v samostojnem

poglavju (2.2).

2.1 WPAN STANDARDI IEEE 802.15.X IN PRIPADAJOČE OPRAVILNE

SKUPINE

IEEE 802.15.1 standard temelji na specifikacijah brezžične tehnologije Bluetooth, ki jih je

osnoval konzorcij Bluetooh SIG (angl. Special Interest Group) [8]. Prvotni cilj opravilne

skupine TG1 je bil, da omogoči prenos podatkov med WPAN napravami in IEEE 802.11

razredom naprav. Čeprav se je ta cilj izkazal za nedosegljiv, IEEE 802.15.1 standard

opredeli mehanizme, ki omogočajo boljše sobivanje z IEEE 802.11b razredom naprav. Prvi

standard IEEE 802.15.1-2002 je bil zasnovan po specifikacijah Bluetooth-a verzije 1.1,

medtem ko je zadnji standard iz te skupine, IEEE 802.15.1-2005, bil zasnovan po

specifikacijah Bluetooth-a verzije 1.2. Leta 2005 se je opravilna skupina TG1 odločila, da

konča sodelovanje s konzorcijem Bluetooth SIG, ki sedaj sam nadzoruje razvoj vseh


Bluetooth standardov. Prav tako nadzoruje licenciranje tehnologije in blagovne znamke

Bluetooth za proizvajalce.

Slika 2.1: Konzorcij Bluetooth SIG

Cilj opravilne skupine TG2 je predlagati rešitve za vse IEEE 802.15 standarde z namenom

podati izboljšave glede souporabe več brezžičnih naprav v nelicenčnem frekvenčnem

območju. Za ta namen je opravilna skupina TG2 razvila model, ki ovrednoti medsebojne

motnje naprav v omrežju WPAN ter ostalimi omrežji, kot je recimo omrežje WLAN

(angl. Wireless Local Area Network), ki je osnovan po standardu IEEE 802.11.

Opravilna skupina TG3 ima nalogo, da razvije standard, ki poleg nizke porabe in nizke

cene omogoča visoko prenosno hitrost (več kot 20 Mbit/s) za potrebe multimedijskih

aplikacij. Tako se je razvil standard 802.15.3, ki pozna več podskupin. Iz standarda IEEE

802.15.3a izhaja tehnologija ultraširoke pasovne širine UWB (angl. Ultra Wideband). Ta

standard je trenutno zaradi nesoglasij med proizvajalci nedorečen. Opravilna skupina

TG3b išče učinkovite spremembe na MAC podplasti, TG3c pa na fizični plasti. Standard

IEEE 802.15.3c, ki še ni natančno dorečen, naj bi omogočal zelo visoko prenosno hitrost

(več kot 2 Gbit/s).

Opravilna skupina TG5 je zadolžena za določitev fizične plasti in MAC podplasti za

vzpostavitev mesh WPAN omrežja.

TG6 opravilna skupina razvija komunikacijski standard optimiziran za nizko porabo in

delovanje naprav v ali na človeškem telesu za različne potrebe, vključujoč medicinsko in

zabavno področje.

S standardom za komunikacijo s pomočjo vidne svetlobe VLC (angl. Visible Light

Communications) se ukvarja opravilna skupina TG7.

Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 5

2.2 PODROBNEJŠI OPIS WPAN STANDARDA IEEE 802.15.4

Pri razvoju Bluetooth-a je postalo jasno, da tehnologija, ki bi ugodila vsem zahtevam

različnih aplikacij, ni pravi način razvoja. Ker so nekatere aplikacije, uporabljene v

industriji, medicini in kmetijstvu, težile k nizki porabi in nizki ceni izdelave, se je pojavila

zahteva po novem standardu. Hiter prenos podatkov ni bil ključnega pomena za te

aplikacije in tako je nastal standard IEEE 802.15.4.

Standard IEEE 802.15.4 podaja specifikacijo fizične plasti in MAC podplasti [2], medtem

ko je za omrežno in aplikacijsko plast odgovorno združenje podjetij ZigBee Alliance.

Slika 2.2: Razpored plasti med standardom IEEE 802.15.4 in ZigBee Alliance

Glavni cilj standarda je enostaven, vendar učinkovit in fleksibilen protokol.

Omrežje IEEE 802.15.4 je lahko zgrajeno iz dveh vrst naprav, ki delujejo v različnih

načinih:

• polno-funkcionalna naprava FFD (angl. Full Function Device)

o omrežni koordinator

o koordinator

o omrežna naprava

• reducirano-funkcionalna naprava RFD (angl. Reduced Function Device)

Polno-funkcionalne naprave nadzorujejo omrežje in lahko menjujejo med tremi načini

delovanja. Reducirano-funkcionalne naprave ne morejo nadzorovati omrežja in lahko

komunicirajo samo s polno-funkcinonalnimi napravami.


Pomembna lastnost omrežij, zgrajenih po standardu IEEE 802.15.4, je majhna poraba, zato

veliko naprav v omrežju preživi v spanju (angl. sleep mode) in samo posluša na radijskem

kanalu, če so podatki namenjeni njej.

2.2.1 FIZIČNA PLAST

Glavne naloge fizične plasti so aktivacija in deaktivacija radijskega sprejemno-oddajnega

modula, izbira in nastavitev radijskega kanala ter zagotavljanje dostopa do prostega kanala

(CCA). Fizične plasti na katerem temelji standard IEEE 802.15.4 se med seboj razlikujejo

po frekvenčnem področju uporabe. Frekvenčni pas 2,4 GHz je v uporabi po celem svetu,

medtem ko sta nižja frekvenčna pasova v uporabi samo ponekod (868 Mhz v Evropi in

915 MHz v ZDA). Frekvenčni pas 2,4 GHz spada med ISM (angl. Industrial, Scientific

and Medical) frekvenčne pasove in ni licenčen ter je namenjen privatni in nelicenčni

uporabi z nekaterimi omejitvami glede oddajne moči in delovnih ciklov. Iz tabele 2.1 lahko

razberemo, da je na voljo 27 kanalov (0-26). 16 kanalov je na voljo v 2.4 GHz, 10 v

915 MHz in samo eden v 868 MHz frekvenčnem pasu. Srednje frekvence teh kanalov so:

• fc = 868,3 MHz v 868-868,8 MHz frekvenčnem pasu

• fc = 906 + 2(k – 1) MHz, k = 1,...,10, v 900 MHz frekvenčnem pasu

• fc = 2405 + 5(k – 11) MHz, k = 11,...,26, v 2400 MHz frekvenčnem pasu

Tabela 2.1: Frekvenčni pasi in prenosne hitrosti

Frekvenčni pas (MHz)

Kanal Vrsta

modulacije Čipna hitrost

(kchip/s) Simbolna

hitrost Prenosna

hitrost (kbit/s) 868-868,6 0 BPSK 300 20k 20 902-928 1-10 BPSK 600 40k 40

2400-2483,5 11-26 O-QPSK 2000 62,5k 250

Fizična plast je odgovorna za pošiljanje bitov med napravami po zraku. Če naprava oddaja,

fizična plast pretvori od MAC podplasti sprejete bite tako, da jih zakodira in modulira ter

pretvori v električni signal, namenjen anteni. Pri sprejemanju se zgodi obraten proces.

Torej sprejem električnega signala od antene, dekodiranje, demoduliranje in pretvorba v

bite, ki so namenjeni MAC podplasti. Blokovna shema na sliki 2.3 prikazuje celoten

postopek modulacije in razširitveno funkcijo.


Slika 2.3: Razširitvene funkcije in O-QPSK modulacija

Binarni podatek, ki ga dobimo od PPDU-ja (angl. PHY Protocol Data Unit), gre skozi

blok, imenovan »Bit v simbol«, ki ga kodira v simbol. Vsak byte je razdeljen v dva

simbola. Prvi simbol vsebuje LSB bite b0-b3, drugi simbol pa MSB bite b4-b7. Nato

podatkovni simbol napreduje v blok, imenovan »Simbol v čip«, kjer je vsak simbol

razširjen v psevdo-naključno čip sekvenco dolgo 32 mest (tabela 2.2).

Tabela 2.2: Preslikava podatkovnega simbola v psevdo-naključno čip sekvenco

Simbol (decimalno)

Simbol (binarno b0-b3)

Čip sekvenca (c0-c31)

0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 2 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 3 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 4 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 5 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 6 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 7 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 1 8 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 9 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1

10 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 11 1 1 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 12 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 13 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 14 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 15 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0

Čip sekvenca je nato poslana v O-QPSK modulator, ki generira modulirni signal.

Sekvence, ki ponazarjajo posamezni podatkovni simbol, so modulirane na nosilec s

pomočjo O-QPSK modulacije s polsinusno pulzno obliko. Sodo indeksirane čip sekvence

so modulirane na I-fazni nosilec, medtem ko so liho indeksirane čip sekvence modulirane


na pravokotni Q-fazni nosilec. Ker je modulacija O-QPSK, je Q-fazni nosilec zakasnjen za

čas Tc oziroma polovico čip periode glede na I-fazni nosilec. Polsinusna pulzna oblika je

opisana z enačbo 2.1.

≤≤

=

drugace

TtT

t

tpc

c

,0

20,2

sin)(

π

(2.1)

Primer čip sekvence pri polsinusnem pulznem preoblikovanju vidimo na sliki 2.4.

Slika 2.4: Čip sekvenca pri polsinusnem pulznem preoblikovanju

Pri O-QPSK modulaciji je simbolna hitrost 62,5 tisoč simbolov na sekundo. Vsak simbol

je velik 4 bite, kar pomeni, da je prenosna hitrost 250 kbit/s, in ker je čip sekvenca dolga

32 mest, je čipna hitrost približno 2 milijona čipov na sekundo. Glava paketa, ki skrbi za

sinhronizacijo, je sestavljena iz 32 binarnih ničel in 8-bitnega začetnega razmejevalnika

okvirja (angl. start of frame delimiterja). Največja velikost paketa je 127 byte-ov.

Frekvenčna pasa 868 in 915 MHz uporabljata BPSK modulacijo. Pri tej modulaciji se biti

naprej diferencialno kodirajo z operacijo ekskluzivni ALI prejšnjega kodiranega bita. Nato

je vsak bit razširjen v čip sekvenco, dolgo 15 mest (tabela 2.3).

Tabela 2.3: Preslikava bita v čip sekvenco

Vhodni bit Čip sekvenca 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1


Čip sekvenca je modulirana s pomočjo BPSK modulacije z dvignjeno kosinusno pulzno

obliko. To pulzno obliko opisuje enačba 2.2.

2

241

cossin

)(

c

c

c

c

T

t

T

t

T

t

T

t

tp

−

⋅=

π

π

π

(2.2)

2.2.2 MAC PODPLAST

Glavna naloga MAC (angl. Medium Access Control) podplasti je regulirati dostop do

skupnega komunikacijskega medija. Dodatne naloge MAC podplasti so generiranje

omrežnih beaconov, proženje CSMA/CA mehanizma ob dostopu do kanala, dinamična

izbira kanalov ter sprejemanje in zagotavljanje varnosti okvirjev.

Poznamo dve vrsti CSMA/CA (angl. Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)

mehanizmov ob dostopu do kanala. To sta unslotted in slotted CSMA/CA. Unslotted

CSMA/CA se večinoma uporablja v omrežjih, kjer oddajanje ene naprave opazijo vse

ostale naprave. Zaradi hkratnega oddajanja dveh ali več naprav, ki tekmujejo med seboj za

prost kanal, se lahko zgodi trk poslanih paketov. Rešitev opisanega problema je, da se

namerno ustvari zakasnitev. Pri metodi unslotted CSMA/CA naprava najprej počaka, da

preteče naključno izbran časovni interval, preden preveri, ali je kanal prost, nakar začne

oddajati. Unslotted CSMA/CA se večinoma uporablja v ne-beacon omrežjih. Omrežja z

beacon-i uporabljajo slotted CSMA/CA mehanizem ob dostopu do kanala. Naprava, ki želi

oddajati signal, najprej preveri, če je kanal prost. Če je kanal prost, počaka naključno

število časovnih oken, nakar ob naslednjem prostem robnem oknu začne oddajati. Robna

okna so poravnana z beacon-i. Beaconi so poslani na določen časovni interval in ne

uporabljajo CSMA/CA. Poleg beacon-ov obstajata še dve vrsti paketov, ki ne uporabljata

CSMA/CA. Eden takih je potrditveni okvir. Naprave v beacon omrežjih lahko uporabljajo

GTS reže, ki po definiciji ne uporabljajo CSMA/CA.

Pri WPAN omrežjih za kratke razdalje poznamo štiri vrste okvirjev. To so beacon,

podatkovni okvir, potrditveni ukaz in MAC ukaz. Vsak okvir je sestavljen iz MAC glave,

payload-a in MAC noge. MAC glava vsebuje polje za kontrolo okvirja in informacije o

naslavljanju, MAC noga pa sekvenco za preverjanje okvirja FCS (angl. Frame Check

Sequence). FCS vsebuje 16-bitni mehanizem CRC (angl. Cyclic Redundancy Check), ki je


namenjen odkrivanju bitnih napak v okvirju. Za odkrivanje bitnih napak se uporablja

polinomski generator 16. reda (2.3).

1)( 51216 +++= xxxxG (2.3)

Če hočemo, da naprave med seboj komunicirajo, moramo najprej postaviti omrežje. To

lahko storimo samo s polno-funkcionalnimi napravami, in sicer tako, da izvedemo aktivno

ali pasivno skeniranje kanalov. Pri aktivnem skeniranju kanalov se beacon zahteva pošlje v

vsak kanal in vsi aktivni koordinatorji se bodo odzvali z oddajo svojih beacon-ov. Pri

pasivnem skeniranju kanalov naprave samo čakajo na sprejem beacon-ov na vseh možnih

kanalih. Če naprava ni dobila odzivov na kanalu, kamor je poslala beacon-e, se lahko

prične obnašati kot omrežni koordinator. Po končanem skeniranju določimo, na katero

omrežje se želimo povezati. Izbira omrežja ni določena in je prepuščena aplikacijskemu

delu. Zahtevo za povezavo na omrežje pošljemo omrežnemu koordinatorju in ta nato

določi, če se lahko povežemo.

Obstajata dve vrsti mehanizmov za povezavo na omrežje. V omrežjih z beacon-i sam

beacon vsebuje podatke o strukturi naslednjega okvirja, dovoljeno velikost paketa, trenutno

delovno stanje kooordinatorja in dolžino periode CP (angl. Contention Period). Kjer se

uporablja CSMA/CA, se CP perioda začne takoj po oddaji beacon-a. V CP periodi vsi

okvirji, razen potrditvenega ukaza in GTS rež, uporabljajo CSMA/CA za dostop do kanala.

MAC podplast skrbi za štetje poskusov prenosa podatkov. Na začetku je števec postavljen

na 0. MAC podplast pošlje zahtevo fizični plasti za zagotovitev dostopa do prostega kanala

(postopek CCA), ki ugotovi, če je kanal prost. Če je kanal prost, se lahko prenos podatkov

začne. V nasprotnem primeru naprava počaka naključno dolg časovni interval in nato spet

poskusi s postopkom CCA. MAC podplast mora zagotoviti, da se celoten prenos podatkov,

vključno s potrditvenim ukazom (če je zahtevan), izvede znotraj CP periode. Števec se

povečuje za vsak neuspešen poskus prenosa podatkov. Ko števec preseže neko določeno

število poskusov, je prenos podatkov tretiran kot neuspešen. Če potrditveni ukazi niso

zahtevani, potem se ponovitev prenosa podatkov ne bo zgodila.

S standardom IEEE 802.15.4 je tudi dovoljena uporaba superokvirne strukture

(angl. superframe structure). Struktura superokvirja je definirana s strani koordinatorja.

Superokvir je sestavljen iz beacon-ov, CAP periode (angl. Contention Access Period) in

CFP periode (angl. Contention Free Period). Vsak superokvir ima enako dolžino in ga


delimo na aktivni in neaktivni del. Preden koordinator pošilje superokvir, pošje tudi

beacon, ki vsebuje informacije o superokvirju. Beacon-i so poslani od koordinatorja tudi za

sinhronizacijo in identifikacijo omrežja. Vsak beacon vsebuje informacijo o dolžini CAP in

CFP periode, ki pa ni obvezna. Med neaktivno periodo lahko naprave preidejo v spanje,

vendar se morajo zbuditi pred pošiljanjem ali sprejemanjem naslednjega beacona. Ker

lahko naprave v neaktivni periodi gredo spat, je energijska poraba teh naprav zelo majhna,

najmanjša med napravami, ki delujejo na IEEE 802 standardu. Aktivni del je razdeljen v

16 manjših rež. Najprej se pošlje beacon, kateremu sledijo reže namenjene CAP periodi in

zajamčene časovne reže GTS (angl. Guaranteed Time Slots) v CFP periodi. GTS reže so

del CFP periode in sledijo takoj za CAP periodo. Njihovo število je odvisno od omrežja.

Vse GTS reže niso enako dolge, zato lahko združujemo naprave, ki komunicirajo preko

različnih pasovnih širin. Koordinator alocira GTS reže samo takrat, ko se v CAP periodi

pošlje zahteva po alociranju. Določi se, ali so reže sprejemne ali oddajne, ter število samih

GTS rež. Koordinator je aktiven skozi celotno aktivno periodo, medtem ko so lahko ostala

naprave aktivne samo v GTS fazi namenjene njim. V vseh ostalih časovnih režah, ki niso

namenjene njim lahko preidejo v spanje.

Slika 2.5: Struktura superokvirja z aktivno in neaktivno periodo

Kot že rečeno, naprave med oddajanjem GTS rež ne uporabljajo CSMA/CA. GTS reže so

unikatne in so namenjene točno določeni napravi. Reducirano-funkcionalne naprave

nimajo GTS rež.


Koordinator se lahko na podatkovno-zahtevni paket (angl. data request) od omrežne

naprave odzove na dva načina. En način je, da najprej pošlje potrditveni paket, ki pa ne

vsebuje nobene informacije o tem, ali je zahteva po prenosu uspela ali ne. Ko omrežna

naprava sprejme potrditveni paket, posluša nek določen čas na sprejetje beacon-a od

koordinatorja. Ko koordinator alocira GTS reže, namenjene tisti omrežni napravi, pošlje

beacon, ki vsebuje GTS opisovalca (angl. descriptor). Ta pove število in lokacijo vseh

prostih GTS rež znotraj superokvirja. Nato lahko omrežna naprava kadarkoli uporabi te

GTS reže za prenos podatkov. Če koordinator nima dovolj prostih GTS rež, tvori GTS

opisovalca, ki to omrežni napravi tudi pove. Omrežna naprava se v tem primeru lahko

odloči za ponovno zahtevo po prenosu podatkov. To se zgodi tudi v primeru, ko poteče čas

po sprejetju potrditvenega paketa in ni nobenega odgovora od koordinatorja s

pričakovanim GTS opisovalcem. Dealociranje GTS rež se lahko zgodi na zahtevo omrežne

naprave s posebnim kontrolnim okvirjem. Lahko pa dealociranje GTS rež sproži tudi

koordinator, ki to omrežni napravi sporoči z novim GTS opisovalcem. Omrežna naprava

lahko zahteva alociranje ali dealociranje GTS-ov, kar pomeni da lahko pride do

defragmentacije znotrja CFP periode, ki se rešuje tako, da se obvesti vse vpletene omrežne

naprave o tem postopku. Ko koordinator ne more uporabljati GTS rež za prenos podatkov,

se izmenjava podatkov zgodi na način opisan v spodnjem odstavku (tudi prikazan na

sliki 2.6).

Poznamo dve smeri prenosa podatkov s pomočjo beacon-a:

• od FFD do RFD (od koordinatorja do omrežne naprave)

• od RFD do FFD (od omrežne naprave do koordinatorja)

Ko koordinator pošilja podatke do omrežne naprave, z beacon-i sporoči napravi, da bo

prišlo do prenosa posebnega paketa, ki vsebuje samo podatke. Omrežna naprava takoj, ko

sprejme ta beacon, pošlje nazaj koordinatorju podatkovno-zahtevni ukaz za sprejem

podatkov med CAP periodo. Koordinator se odzove nazaj z potrditvenim ukazom. Ko

omrežna naprava sprejme potrditveni ukaz, ve, da lahko pričakuje podatkovni paket, ki ga

tudi sprejme. Na koncu še omrežna naprava pošlje potrditveni ukaz o uspešnem sprejetju

podatkovnega paketa. V omrežjih brez beacon-a koordinator obdrži podatke tako dolgo,

dokler se omrežna naprava ne odzove in zahteva podatke.


Slika 2.6: Prenos podatkov od koordinatorja do omrežne naprave

Pri prenosu podatkov od omrežne naprave do koordinatorja omrežna naprava najprej

posluša beacon okvirje, ki jih pošilja koordinator. Beacon je potreben, da omrežna naprava

lahko določi, kdaj poslati podatke. V omrežjih brez beacon-ov omrežna naprava direktno

uporablja CSMA/CA. Če je od koordinatorja zahtevano, da se odzove s potrditvenim

ukazom, se ta na koncu tudi tako odzove.

Slika 2.7: Prenos podatkov od omrežne naprave do koordinatorja


IEEE 802.15.4 protokol lahko uporablja tudi ne-beacon način. Glavne razlike so:

• koordinator ne pošilja beacon-ov, kar onemogoči časovno sinhronizacijo omrežnih

naprav s koordinatorjem (zaradi tega ni GTS rež)

• vsi paketi od omrežnih naprav so poslani s pomočjo unslotted CSMA/CA

• koordinatorji morajo biti vedno v delujočem stanju

V brezžičnih omrežjih se pogosto dogaja, da naprave postanejo nedosegljive. V teh

primerih nedosegljiva naprava izvede orphan skeniranje tako, da začne pošiljati orphan

obvestilo na vsak kanal. Če koordinator sprejme orphan obvestilo, preveri, če je bila

naprava del njegovega omrežja in če je bila, potem pošlje ukaz za ponovno pridružitev

omrežju. V nasprotnem primeru, ko orphan skeniranje ni uspešno, naprava predvidi izgubo

povezave z omrežjem.

MAC podplast je odgovorna tudi za varnost prenosa podatkov. Poznamo tri varnostne

načine, po katerih se prenašajo podatki. To so nezaščiten način, ACL način in zaščiten

način. Pri ACL (angl. Access Control List) načinu se preverja samo, če lahko ena naprava

komunicira z drugo. ACL način uporablja seznam naprav, ki pove, na katere se lahko

poveže in ne uporablja nobenih kriptografij pri komuniciranju z ostalimi napravami.

Zaščiten način lahko uporablja štiri varnostne postopke. To so kontrola dostopa, enkripcija

podatkov, preverjanje celovitosti okvirjev in sekvenčno preveranje svežih podatkov. Prav

tako kot ACL način tudi zaščiten način uporablja seznam naprav, na katere se lahko

poveže, s to razliko, da so podatki kriptografirani. Kljub tem načinom varnosti pa sta

rokovanje s ključi in avtentikacija naprav rešeni na višjih plasteh zunaj standarda

IEEE 802.15.4.

Vsaka naprava, ki ima implementirano varno prenašanje podatkov, mora podpirati

varnostno vrsto, ki uporabljaja enkripcijski standard AES (angl. Advanced Encryption

Standard). Če varnostna vrsta predpisuje kodo celovitosti (angl. integrity code), potem je ta

koda zapisana v MAC glavi in se preverja pri vsakem prenosu podatkov. S tem postopkom

zaščitimo celovitost podatkovnih, beacon in komandnih okvirjev. S sekvenčnim

preverjanjem podatkov zagotovimo pravilno časovno razvrstitev poslanih podatkov.

Varnostna vrsta je vrsta operacij, ki definira kriptografični algoritem, način varnosti in

velikost kode celovitosti.


2.2.3 PROBLEMI KOEKSISTENČNOSTI V STANDARDU IEEE 802.15.4

Tehnologije, ki temeljijo na standardu IEEE 802.15.4, so ene izmed mnogih tehnologij, ki

delujejo v 2,4 GHz frekvenčnem območju. Takšne tehnologije so še tehnologije, ki

delujejo na standardu 802.15.1, 802.11b in podobne.

Koeksistenčne karakteristike standarda IEEE 802.15.4 vključujejo:

• CSMA/CA mehanizme ob dostopu do kanala, da se izognemo motnjam in

medsebojnim vmešavanjem. Z upoštevanjem razmerja signal/šum SNR

(angl. Signal to Noise Ratio) in moči sprejetega signala lahko še izboljšamo

koeksistenčno delovanje naprav

• dinamično izbiro kanalov, kjer je čim manj motenj in medsebojnih vmešavanj

• uporabo direktno-sekvenčne razprostrte spektralne modulacije (DSSS –

angl. Direct Sequence Spread Spectrum), ki je zelo robustna in zmanjša vpliv

ostalih brezžičnih omrežij

• da imajo naprave, ki temeljijo na standardu IEEE 802.15.4, kratek delovni cikel

(angl. duty cycle) in nizko oddajno moč, kar odpravi potrebo po filtru, ki zaduši

signal izven tega frekvenčnega območja

Če trenutni kanal, na katerem naprava prenaša podatke, ne zadostuje potrebam prenosa,

koordinator izvede dinamično izbiro kanala. Ta najprej poizve trenutno stanje na ostalih

prostih kanalih in nato s pomočjo algoritma določi najboljši kanal. Če algoritem predlaga

nov boljši kanal, koordinator pošlje beacon z informacijami o novem kanalu in kdaj se bo

preklop na nov kanal zgodil. Naprave, ki ne dobijo informacij o menjavi kanala, postanejo

zgubljene.

2.2.4 OSTALI IEEE 802.15.4 STANDARDI IN OPRAVILNE SKUPINE

Opravilna skupina TG4a, ki je oblikovala standard IEEE 802.15.4, je bila postavljena pred

nalogo, da poišče rešitev s spremembo fizične plasti tako, da bo možen hiter prenos

podatkov z možnostjo določitve razdalje (natančnost naj bo večja kot 1 meter) in zelo

nizko porabo. Tako standard IEEE 802.15.4a določa dve novi fizični plasti, ki sestojita iz

UWB in CSS (angl. Chirp Spread Spectrum) spektruma. UWB fizična plast deluje v treh

frekvenčnih pasovih (pod 1 GHz, med 3 in 5 GHz ter med 6 in 10 GHz), CSS pa v enem

frekvenčnem pasu (2,4 GHz). UWB tehnika je zelo robustna in omogoča natančno

določanje razdalje pri nizki porabi, medtem ko CSS tehnika omogoča prenos podatkov na


daljše razdalje, tudi ko se naprave gibljejo zelo hitro. Trenutno na trgu še ni nobene

naprave, ki bi uporabljala ta novi standard. Prvi primerki so načrtovani za leto 2010.

Opravilna skupina TG4b je bila ustanovljena, da poda izboljšave in pojasnila glede

standarda IEEE 802.15.4. Izboljšave in pojasnila, ki jih je podala opravilna skupina TG4b,

so zmanjšanje nepotrebne kompleksnosti, reševanje nekaterih dvoumnosti standarda,

povečanje prožnosti varnostnih ključev, preučevanje novih frekvenčnih območij in mnogo

več.

Vse preostale skupine, ki so opisane v spodnjih vrsticah, še določajo končno obliko svojih

standardov in bodo dobile končno obliko v prihodnjih letih. TG4c in TG4d skupina želi

določiti fizično plast, ki bo upoštevala kitajske oziroma japonske regulative. Nekatere

izboljšave na MAC podplasti so cilj skupine TG4e. Skupina TG4f je zadolžena za

določitev nove fizične plasti namenjeni aktivnim RFID (angl. Radio Frequency

Identification) aplikacijam. Naloga opravilne skupine TG4g je določiti spremembe na

fizični plasti, ki bo omogočala kontrolo nad zelo velikim obsegom aplikacij. Sem spada

predvsem uporaba pametnih omrežij, ki so sposobna podpirati velika, geografsko raznolika

omrežja, ki naj bi delovala z minimalno infrastrukturo in potencialno velikim številom

naprav.

3 ZIGBEE TEHNOLOGIJA

ZigBee je brezžična tehnologija, primerna za uporabo v nizko cenovnih brezžičnih

senzorskih omrežjih. Tehnologija je razvita kot odprti globalni standard opredeljen z IEEE

802.15.4 specifikacijami. Glavne značilnosti ZigBee tehnologije so:

• izredno nizka poraba

• nizka cena

• podpora različnim omrežnim topologijam, kot so peer to peer, zvezda, drevo in

mesh

• zanemarljive zakasnitve pri prenosu podatkov

• zagotovljena visoka varnost pri prenosih podatkov (128-bitna AES enkripcija)

• prenosne hitrosti do 250 kbit/s

• domet do 1500 m

ZigBee tehnologija je zelo primerna za širok spekter izdelkov, ki so namenjeni

učinkovitemu upravljanju z energijo za industrijske, medicinske in domače aplikacije.

Področja uporabe ZigBee tehnologije:

• kot optimalni nadomestek za žične povezave v zahtevnih okoljih

• hišna in industrijska avtomatizacija ter nadzor

• centralizirano upravljanje in nadzor naprav, objektov, vozil ter strojev

• avtomatsko oddaljeno merjenje (AMR – angl. Automatic Meter Reading)

• nadzorovanje okolja (temperatura, zvok, onesnaženost, vibracije, pritisk, premiki,

vlaga itd.)

• brezžični detektorji dima, CO in CO2

• nadzor osvetljevanja, ogrevanja in hlajenja


• medicinsko spremljanje bolnikov

• nadzor živali

• brezžična telemetrija

ZigBee standard je definiran v okviru združenja podjetij ZigBee Alliance (podrobneje

opisano v poglavju 3.4), ki je neprofitno svetovno združenje proizvajalcev polprevodnikov,

OEM (angl. Original Equipment Manufacturer) proizvajalcev in končnih uporabnikov.

Standard je bil specificiran z namenom, da omogoči OEM proizvajalcem in sistemskim

integratorjem rešitve brezžičnega povezovanja naprav. Te rešitve so enostavne za uporabo,

imajo nizko porabo, omogočajo gradnjo enostavno razširljivih omrežij in zagotavljajo zelo

varne povezave. ZigBee omrežja omogočajo izgradnjo cenovno ugodnih inteligentnih

sistemov za nadzor in upravljanje naprav v zahtevnih industrijskih okoljih ob nizki porabi

in nizkih stroških vzdrževanja. Posamezne naprave, osnovane na tehnologiji ZigBee,

morajo imeti svoje napajanje za obdobje vsaj dveh let, da uspešno prestanejo ZigBee

certificiranje. Pomankljivost ZigBee omrežij je le nižja prenosna hitrost, ki je tipično

manjša od 250 kbit/s. Za veliko večino aplikacij pri nadzoru in upravljanju naprav v

industrijskih okoljih pa je ta prenosna hitrost povsem zadovoljiva.

Glede na vloge, ki jih ZigBee naprave opravljajo v omrežjih jih lahko delimo na:

• ZigBee koordinator (FFD) - najbolj sposobna naprava. Navadno obstaja vsaj en

ZigBee koordinator v vsakem omrežju, ki je sposoben shranjevati informacije o

omrežju

• ZigBee usmerjevalnik (FFD) - poleg normalnega izvajanja določene aplikacije

lahko deluje kot vmesni usmerjevalnik, namenjen prenašanju podatkov od enih do

drugih naprav

• ZigBee končna naprava (RFD) - ima ravno dovolj funkcionalnosti za komunikacijo

z nadrejeno napravo (bodisi s koordinatorjem ali usmerjevalnikom). Končna

naprava večino časa spi, zaradi česar je poraba manjša kot pri koordinatorjih in

usmerjevalnikih. Prav tako lahko imajo manjšo količino pomnilnika, kar jih naredi

cenejše.

Splošen cilj ZigBee omrežij je povečati čas spanja naprav in tako zmanjšati porabo. V

beacon omrežjih so naprave aktivne samo takrat, ko se prenašajo beaconi. V ne-beacon


omrežjih pa so nekatere naprave vedno aktivne, medtem ko druge večino svojega časa

preživijo v spanju.

Značilnosti ZigBee standarda:

• kratki delovni cikli, ki zagotavljajo manjšo porabo

• nizke latence

• podpora statičnim in dinamičnim omrežjem ter omrežnim topologijam (peer to

peer, zvezda, drevo in mesh)

• 128-bitna AES enkripcija, ki zagotavlja varne povezave med napravami

• prikaz kakovosti povezave

• preprečevanje trkov paketov

• podpora režam GTS in paketna svežost

ZigBee standard temelji na fizični in MAC podplasti specificirani v standardu

IEEE 802.15.4. ZigBee standard tema plastema doda omrežno in aplikacijsko plast.

3.1 OMREŽNA PLAST

Zmogljivosti omrežij so običajno povezane z omrežno plastjo. Omrežna plast skrbi za

pridružitev naprav k omrežju ter tudi za njihovo zapustitev omrežja. Poleg tega skrbi za

varnost prenosa podatkov in usmerjanje (angl. routing) paketov znotraj omrežja. Prav tako

ima funkcijo, da omogoči pravilno uporabo MAC podplasti in zagotovi ustrezen vmesnik

za uporabo v aplikacijski plasti. Omrežna plast koordinatorja je odgovorna tudi za

ustanavljanje novih omrežij in dodeljevanje naslovov novo pridruženim napravam.

Omrežna plast podpira več omrežnih topologij, vključno s peer to peer, zvezdo, drevo in

mesh topologijo, ki so opisana v poglavju 3.3.


3.2 APLIKACIJSKA PLAST

Aplikacijska plast je najvišja plast, opredeljena v ZigBee standardu, in je učinkovit

vmesnik ZigBee tehnologije za svoje končne uporabnike. Zajema sestavne dele ZigBee

standarda, kot so ZDO, aplikacijska podplast APS in aplikacije določene od proizvajalca.

ZDO (angl. ZigBee Device Objects) je odgovorna za številne naloge, ki vključujejo

vodenje vlog naprav v omrežju. Prav tako ZDO opravlja nalogo odkrivanja novih naprav v

omrežju in identifikacijo njihovih ponujenih storitev. Z novimi napravami vzpostavi varne

povezave in odgovorja na njihove zahteve. ZDO je odgovorna za število samih nalog, ki

jih opravlja omrežje ter skrbi za varnost.

Aplikacijska podplast APS (angl. Application Support Sublayer) je drugi del aplikacijske

plasti, ki ponuja dobro opredeljen vmesnik in nadzorne usluge. Deluje kot most med

omrežno plastjo in drugimi sestavnimi deli aplikacijske plasti tako, da vodi ažurno tabelo v

obliki baze podatkov, ki se lahko uporabi za iskanje ustreznih naprav. Prav tako usmerja

sporočila med plastmi.

Pri komunikaciji med napravami je zelo pomembno naslavljanje, ki je tudi del aplikacijske

plasti. Komunikacija med napravami se lahko zgodi takoj po pridružitvi neke naprave že

obstoječemu omrežju. Da lahko naprave med seboj komunicirajo, morajo uporabljati nek

skupni aplikacijski protokol, kjer so določene vrste sporočil, oblike sporočil itd. Glede na

razpoložljive informacije o omrežju in napravah, lahko odkrivanje in naslavljanje naprav

poteka na več različnih načinov. Če je omrežni naslov znan, se pošlje zahteva po IEEE

naslovu s pomočjo unicast komunikacije. Če ni, se najprej oddajo zahteve, kjer je IEEE

naslov del odgovora. Končne naprave bodo preprosto odgovorile z zahtevanim naslovom,

medtem ko bodo koordinatorji in usmerjevalniki poslali naslove vseh naprav, ki so

povezane z njimi. Takšno odkrivanje naprav omogoča, da izvemo čimveč o napravah v

celotnem omrežju in njihovih storitvah, ki jih ponujajo. Pri neposrednem naslavljanju se

uporablja tako radijski naslov kot identifikator končne točke, medtem ko se pri posrednem

naslavljanju uporablja radijski naslov, identifikator končne točke in vsi ostali možni

atributi, ki lahko pomagajo pri naslavljanju. Pri posrednem naslavlanju so vse te

informacije poslane koordinatorju, ki nato skrbi za pridružitev teh naprav in razrešuje

zahteve za komunikacijo.


3.3 OMREŽNE TOPOLOGIJE

V svojem bistvu je ZigBee omrežje topologije mesh. Kljub temu pa omrežna plast podpira

štiri vrste omrežnih topologij. To so peer to peer, zvezda, drevo in mesh. Vsaka omrežna

topologija, razen peer to peer, mora imeti vsaj enega koordinatorja. Omrežni topologiji

drevo in mesh dovoljujeta uporabo usmerjevalnikov za razširitev omrežij.

Slika 3.1: ZigBee omrežne topologije

V omrežjih peer to peer so vse naprave enakovredne. Ker lahko vse naprave medsebojno

komunicirajo, lahko uporabljamo samo polno-funkcionalne naprave.

Pri omrežni topologiji zvezda so vse naprave povezane v osrednje vozlišče (zvezdišče)

oziroma koordinator. Koordinator je odgovoren za zagon in vzdrževanje končnih naprav v

omrežju. Končne naprave neposredno komunicirajo s koordinatorjem. Prednost te omrežne

topologije je enostavnost, saj je usmerjevanje nepomembno. Slabost te omrežne topologije

je, da je zelo občutljiva na izpad osrednjega vozlišča, saj v primeru izpada zvezdišča ne

more komunicirati noben par končnih naprav v omrežju.

Kompleksnejše omrežne topologije kot je drevo imajo prednosti, da ni potrebno skrbeti za

nastavitve naprav. Omrežje se organizira in popravlja sproti, ko se naprave pridružujejo

omrežju oziroma ga zapuščajo.


V mesh topologiji je koordinator odgovoren za zagon omrežja in za izbiro ključnih

nastavitev omrežja. Podobno kot pri omrežni topologiji drevo, se omrežje organizira in

popravlja sproti, ko se naprave pridružujejo omrežju oziroma ga zapuščajo. Tako zgrajeno

omrežje je zelo prilagodljivo in razširljivo ter omogoča pokrivanje večjega območja.

Komunikacija med napravami, ki so v različnih omrežjih lahko poteka preko

kooordinatorjev ali usmerjevalnikov, ki so povezani med sabo z omrežno topologijo

peer to peer.

3.4 ZIGBEE ALLIANCE

ZigBee Alliance je svetovno združenje podjetij, ki poskuša zagotoviti zanesljive in

stroškovno učinkovite produkte za brezžično spremljanje in nadzor raznih procesov v

hišnih, komercialnih in industrijskih aplikacijah [16]. Vsi produkti temeljijo na odprtem

svetovnem standardu.

Slika 3.2: Združenje podjetij ZigBee Alliance

Cilj združenja podjetij ZigBee Alliance je, zagotoviti potrošniku prilagodljive, mobilne in

za uporabo enostavne vsakodnevne pripomočke. ZigBee tehnologija je vgrajena v širok

razpon produktov in aplikacij, ki so namenjene potrošnikom in industrijskim trgom.

ZigBee tehnologija je optimizirana za posebne potrebe daljinskega spremljanja in nadzora

ter je enostavna, zanesljiva, poceni in ima majhno porabo.

Združenje podjetij ZigBee Alliance se predvsem osredotoča na:

• definiranje omrežne in aplikacijske plasti

• testiranje in zagotavljanje skladnosti specifikacije

• promoviranje ZigBee blagovne znamke in graditi osveščenost na svetovenm trgu


• upravljanje z razvojem tehnologije ZigBee

3.5 BREZŽIČNO POVEZOVANJE IN ZIGBEE V INDUSTRIJSKIH OKOLJIH

Pri brezžičnem povezovanju naprav v industrijskih okoljih morajo biti zadovoljene

posebne zahteve, ki jih morajo produkti in rešitve za brezžično povezovanje v celoti

izpolnjevati. Le-te so: popolna varnost, zanesljivost, prilagodljivost in razširljivost. Vse

naprave morajo imeti brezžične povezave z mesta, kjer so postavljene, na način, da jih ni

potrebno premikati. Uporaba brezžičnega povezovanja mora biti ekonomsko upravičena,

torej cenejša od žičnega povezovanja. Prav tako morajo biti napake pri prenosu manjše od

nivoja napak, ki ga pričakujejo uporabniki. Zelo velike prenosne hitrosti niso potrebne. Če

razložimo na primeru: industrijski senzorji pošiljajo le nekaj bitov dolg podatek

(temperatura, pritisk, vlaga itd.) na nek časovni interval (ponavadi na sekundo ali minuto),

za kar ni potrebna velika prenosna hitrost, pomembno pa je, da se ti podatki prenesejo

varno in zanesljivo. Varen prenos podatkov je v industrijskih okoljih najpomembnejši in

brezžične povezave morajo zagotoviti enako varnost prenosa kot žične povezave. Produkti

in rešitve brezžičnih povezav se morajo enostavno prilagoditi in vključiti v obstoječe

okolje nameščene opreme, po možnosti brez njenega premikanja. Razširljivost mora

omogočiti enostavno povečanje števila naprav, vključenih v brezžične povezave.

Omogočeno mora biti tudi delovanje v razširjenem delovnem temperaturnem območju.

Zelo priporočljivo je tudi, da so produkti in rešitve enostavni za namestitev in vzdrževanje.

Razlog, da se zelo razširjeni in popularni brezžični tehnologiji Wi-Fi (IEEE 802.11) in

Bluetooth nikoli nista uspešno uveljavili v industrijskih aplikacijah, so ravno zgornje

zahteve. Ti dve tehnologiji tudi nista bili razviti za uporabo v zahtevnih industrijskih

okoljih, kjer je varnost in zanesljivost povezav bistvenega pomena. Vsem tem zahtevam pa

v največji možni meri zadostijo produkti in rešitve osnovane na tehnologiji ZigBee.

Prednosti brezžičnega povezovanja naprav v zahtevnih industrijskih okoljih:

• učinkovito nadomeščanje dragega žičnega povezovanja

• neobčutljivost na mehanske, fizične in kemijske poškodbe, na katere so zelo

občutljive žične povezave


• velika prilagodljivost ob premestitvah naprav in izredna poenostavitev dodajanja

novih naprav na obstoječe inštalacije

• omogočanje lokalnega ali oddaljenega nadzora in upravljanja naprav na

proizvodnih linijah ter v industrijskih obratih

• omogočanje avtomatizacije in nadzora javnih, zasebnih in poslovnih objektov,

čistilnih naprav, vodovodnih postaj, elektrodistribucijskih postaj, skladišč naftnih

derivatov, naftovodov, hidroelektrarn itd.

• omogočajo povezovanje premičnih strojev (bagerji, kamioni, žerjavi itd.)

V obstoječih zahtevnih industrijskih okoljih je ob namestitvi dodatnih naprav, ki jih je

potrebno centralizirano nadzirati in upravljati, dodatno polaganje povezovalnega ožičenja

zelo zahtevno in drago opravilo. Primernejša rešitev je uporaba brezžičnega povezovanja.

Implementacija produktov in rešitev za brezžično povezovanje je enostavna, hitra in

velikokrat cenovno ugodnejša. Naprave brezžično povežemo na centralni upravljalni

sistem z ustreznimi brezžičnimi napravami.

Brezžično povezovanje pa ima tudi nekaj slabosti. V svojem bistvu je brezžični prenos

manj varen kot žični prenos. Prav tako pokritost z brezžičnim signalom ni povsod ustrezno

zagotovljena, kvaliteta signala ni vedno stabilna in je podvržena motnjam.

Kljub nekaterim slabostim brezžičnega povezovanja pa sodobne brezžične tehnologije

(recimo ZigBee) omogočajo dovolj varno in zanesljivo lokalno in globalno povezovanje

naprav tudi v zahtevnih industrijskih okoljih.

4 BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA

Sprva je razvoj brezžičnih senzorskih omrežij zanimal predvsem vojaške institucije, ki so

nameravale uporabljati tehnologijo za nadzorovanje območij. Danes pa se brezžična

senzorska omrežja uporabljajo v industriji v procesno avtomatiziranih področjih, v hišni

avtomatizaciji, v varnostnih sistemih, v zdravstvu, pri opazovanju okolja in habitatov ter

pri kontroli prometa.

Glavni razlogi za vedno večjo uporabo brezžičnih senzorskih omrežjih so vsekakor

povezani z razvojem brezžičnih senzorskih vozlišč. Brezžična senzorska vozlišča so v

zadnjih letih v močnem razvoju, zato je njihova cena močno padla. Prav tako so se

dimenzije brezžičnih senzorskih vozlišč zelo zmanjšale, kar je posledica uporabe

integriranih vezij. Integrirano vezje je mikrovezje, sestavljeno iz množice elektronskih

elementov, ki so na skupnem substratu iz polprevodniškega materiala med seboj povezani

v električno vezje. Eden izmed pomembnih faktorjev za razširitev brezžičnih senzorskih

omrežij je tudi majhna poraba brezžičnih senzorskih vozlišč, saj lahko s svojim napajanjem

zdržijo več kot leto dni.

Nekateri sistemi so kot nalašč za implementacijo brezžičnih senzorskih omrežij, saj ostale

rešitve niso dovolj dobre za potrebe uporabnikov. Sistem, kjer potrebujemo veliko število

majhnih naprav, je eden takšnih. Brezžična senzorska vozlišča se uporabljajo tudi v

sistemih, kjer ni mogoča ali je zelo draga komunikacija preko kablov. Prav tako so zelo

primerna za dinamične sisteme, kjer so pogoji za delovanje težki in se močno spreminjajo.

Za avtonomno delovanje v teh težkih in dinamičnih sistemih morajo biti brezžična

senzorska omrežja zelo prilagodljiva in samo-konfiguracijska (angl. self-configuring).

4.1 KOMPONENTE BREZŽIČNEGA SENZORSKEGA VOZLIŠČA

Pri izbiri strojnih komponent za brezžično senzorsko vozlišče ključno vlogo igrajo

aplikacijske zahteve, pa tudi cena, velikost, priročnost in poraba. Osnovno brezžično

senzorsko vozlišče sestavlja 5 komponent [1]:


• kontroler – vsebuje sistemske protokole, analizira podatke, komunicira z

priklopljenimi senzorji

• pomnilnik – več vrst pomnilnika, za shranjevanje programov in podatkov

• senzorji in aktuatorji – povezava s fizičnim svetom. Komponente, ki opazujejo in

vplivajo na parametre v okolju

• komunikacijska komponenta – sprejema in oddaja podatke preko brezžičnega

omrežja

• napajalna komponenta – običajno baterije ali akumulatorji, včasih pa tudi dodatno

napajanje za obnovitev energije (recimo s sončnimi celicami)

Slika 4.1: Komponente brezžičnega senzorskega vozlišča

Vsaka od teh komponent mora delovati tako, da porabi čim manj energije, vendar mora še

vedno izpolnjevati vse naloge, ki so ji dane. Večina teh komponent ima v delovnem stanju

porabo okoli 1 mW, v spanju pa okoli 1 µW. Povezave med komponentami morajo

delovati tako, da zbudijo samo komponente, ki so pomembne za takratno delovanje.

Kontroler je jedro brezžičnega senzorskega vozlišča. Zbira podatke od senzorjev, jih

obdela ter določi kdaj in kam jih poslati. Prav tako določa, kako se obnašajo aktuatorji.

Poleg tega pa tudi sprejema podatke od ostalih brezžičnih senzorskih vozlišč. Za

opravljanje teh nalog so najprimernejši mikrokontrolerji, predvsem zaradi svoje

fleksibilnosti pri povezovanju z ostalimi komponentami (recimo senzorji), možnosti

uporabe instrukcijskih ukazov, ki so namenjeni signalnegemu procesiranju, nizke porabe in


možnosti prehoda v spanje, kjer imajo zelo majhno porabo. Zato se v večini brezžičnih

senzorskih vozliščih kot kontroler uporablja mikrokontroler.

Za pomnilnilniško komponento se večinoma uporablja RAM, EEPROM ali flash

pomnilnik. RAM je hiter pomnilnik, vendar ima to slabost, da se podatki izgubijo ob

izgubi napajanja. Program je navadno shranjen v EEPROM-u ali flash pomnilniku,

medtem ko so podatki za shrambo ponavadi shranjeni samo v flash pomnilniku.

Za komunikacijski medij v brezžičnih senzorskih omrežjih se najpogosteje uporabljajo

radijske frekvence, redkeje pa optična komunikacija ali ultrazvok. Da lahko brezžično

senzorsko vozlišče komunicira z ostalimi vozlišči, potrebujemo sprejemnik in oddajnik.

Komponento, ki združuje oboje, imenujemo transiver. Ta pretvarja bite iz kontrolerja v

radijsko-frekvenčni signal in obratno. Pri tem uporablja modulacijo, demodulacijo,

ojačanje, filtriranje itd. Pri izbiri transiverja za brezžično senzorsko vozlišče moramo biti

pozorni na karakteristike, kot so:

• dostopnost in uslužnost do višjih nivojev (predvsem do MAC podplasti)

• poraba (celotna, pri oddajanju, pri sprejemanju itd.)

• čas in poraba pri preklaplanju med načini delovanja (oddajanje, sprejemanje,

mirovanje, spanje)

• prenosna hitrost in domet

• možnost kodiranja podatkov

• šumna slika

• katera je nosilna frekvenca in število možnih radijskih kanalov za oddajanje ter

sprejemanje

• kakšna je ojačitev oddajnega signala in občutljivost sprejemnika ter s tem

povezana možnost merjenja sprejete moči signala (RSSI – angl. Received Signal

Strength Indicator)

Komunikacija s fizičnim svetom je vzpostavljena s pomočjo senzorjev in aktuatorjev, ki so

v zadnjem času doživeli revolucijo v obliki MEMS (angl. Micro-electro-mechanical

Systems) tehnologije. Zaradi minituarizacije senzorjev, aktuatorjev in čipov, ki jih

uporabljamo v brezžičnih senzorskih vozliščih, je prišlo do večjega razvoja le-teh, kar je

posledično znižalo cene samih vozlišč. V brezžičnih senzorskih vozliščih se večinoma


uporabljajo pasivni senzorji, v redkih primerih pa se uporabljajo tudi aktivni senzorji.

Senzorji morajo biti natančni, zanesljivi, poceni, majhni in imeti majhno porabo.

Napajalna komponenta je velikokrat kritična komponenta brezžičnih senzorskih vozlišč.

Najpogostejši viri električne energije so baterije ali akumulatorji, ki jih lahko uporabljamo

v kombinaciji s sončnimi celicami kot električni generator.

4.2 LOKALIZACIJA

Lokalizacija je mehanizem za avtonomno odkrivanje in vzpostavljanje povezav med

vozlišči [3]. Avtonomna lokalizacija vozlišč je zelo pomembna za aplikacije, ki se

uporabljajo v brezžičnih senzorskih omrežjih. Ker so brezžična senzorska omrežja

velikokrat uporabljena za opazovanje okolja, je določanje točne fizične lokacije zelo

pomemben del teh omrežij. Zahteve aplikacij glede lokalizacije so lahko zelo različne.

Razdelimo jih glede na:

• velikost območja (majhna soba ali prostrano zunanjo okolje)

• točnost in natančnost določanja lokacije

• relativno ali absolutno pozicioniranje

• lokalno ali centralno računanje lokacije

• dinamičnost okolja (statično ali dinamično okolje)

• velikost, ceno in porabo vozlišč

• komunikacijske omejitve

Celoten proces lokalizacije vozlišča navadno poteka v treh korakih. Najprej predvidimo

omejitve, ki karakterizirajo absolutne ali relativne relacije med pari vozlišč. Nato te

omejitve združimo tako, da lahko določimo koordinate posameznih vozlišč. Na koncu naše

meritve vključimo v večjo skupino vozlišč, da dobimo natančnejše rezultate.

Najenostavnejša tehnika za določanje lokacije oziroma bližine brezžičnega senzorskega

vozlišča, je izkoriščanje komunikacijskih zmogljivosti vozlišč (dometa vozlišč). Takšno

določanje lokacije je precej robustno in manj natančno, vendar še vedno dovolj dobro za

nekatere aplikacije.


Lokacijo vozlišč lahko določimo tudi s pomočjo meritvenih tehnik. Pri grobo-zrnati tehniki

je pomembna samo bližina oziroma prisotnost vozlišča v nekem določenem območju. Pri

tej tehniki uporabimo majhno število postaj, ki imajo različne geometrijske omejitve

zaznavanja. Postaje so tista vozlišča, katere lokacije so znane. Tako lahko s pomočjo teh

postaj približno določimo koordinate neznanih vozlišč.

Slika 4.2: Geometrijske omejitve zaznavanja: (a) krožno, (b) kotno, (c) kvadrantno,

(d) trapezoidno

Druga meritvena tehnika za referenčno vrednost uporablja razdaljo do objekta in za

meritev uporablja sprejeto moč signala (RSSI). Ta tehnika se imenuje fino-zrnata in je bolj

natančna od grobo-zrnate tehnike. Lokacijo določamo s pomočjo geometričnih meritev

(triangulacija in trilateracija). Triangulacija je način določanja lokacije s pomočjo kotov,

medtem ko se pri trilateraciji uporabljajo razdalje. Pri triangulaciji potrebujemo

medsebojno razdaljo med postajama z znanimi lokacijami in oba kota do vozlišča. Na tak

način lahko z uporabo trigonometričnih funkcij določimo lokacijo vozlišča (slika 4.3)


Slika 4.3: Triangulacija

Pri trilateraciji potrebujemo tri nekolinearne postaje z znanimi lokacijami in tri medsebojne

razdalje do vozlišča, kot kaže slika 4.4.

Slika 4.4: Trilateracija

Kot je že bilo omenjeno, lahko razdaljo merimo na več načinov:

• s pomočjo merjenja sprejete moči signala (RSSI)

• metoda merjenja časa prihoda ToA (angl. Time of Arrival)

• metoda merjenja razlike časov prihodov TDoA (angl. Time Difference of Arrival).


Če merimo razdaljo s pomočjo merjenja sprejete moči signala (RSSI), lahko upoštevamo,

da se dušenje sprejetega signala povečuje s povečevanjem razdalje med oddajnim in

sprejemnim vozliščem. Ta metoda je zelo enostavna, saj ne potrebujemo nobene dodatne

opreme. Pomankljivosti te metode so v nekonstantni RSSI vrednosti, ki se lahko zelo

spreminja glede na merjeno razdaljo, kot bomo videli v praktičnem delu diplomskega dela

(poglavje 7). Prav tako na RSSI vrednosti vplivajo ovire, ki podaljšujejo razdalje glede na

njihovo realno vrednost.

Čas, potreben za potovanje signala med oddajnim in sprejemnim vozliščem, je lahko

referenca za merjenje razdalje med dvema vozliščema. Ta metoda se uporablja v GPS

sistemih. Pri metodi merjenja razlike časov prihodov ToA in metodi merjenja razlike časov

prihodov TDoA merimo čas, ki je potreben za premostitev razdalje nekega signala do

vozlišča. Če vemo za hitrost širjenja signala, lahko izračunamo razdaljo do tega vozlišča.

Razlika med obema metodama je v tem, da morajo biti pri ToA metodi vozlišča časovno

sinhronizirana, pri TDoA metodi pa to ni potrebno. Pri ToA metodi se uporablja samo en

signal, medtem ko se pri TDoA metodi uporabljata dva signala, poslana po dveh različnih

komunikacijskih medijih (recimo ultrazvok in radijsko-frekvenčni signal).

Tehnike, ki se uporabljajo za ocenitev lokacije, so:

• Monte Carlo lokalizacija – uporablja se pri avtonomnih mobilnih robotih in

temelji na statističnih tehnikah

• konveksna optimizacija – predstavijo se relacije med pari vozlišč kot sklop

njihovih omejitev (bližina, koti). Za uspešno delovanje ta tehnika potrebuje

postaje z znanimi lokacijami v kotih omrežja.

• iterativna multiliteracija – multiliteracija je postopek, pri katerem ocenimo

lokacijo vozlišča glede na tri ali več postaj z znanimi lokacijami. Če vozlišča

nimajo dostopa do vsaj treh postaj, se lokacija oceni s pomočjo iterativne

multiliteracije. Vozlišča imajo dva načina delovanja:

o lokalizacijski način – vozlišča oddajajo informacije o svoji lokaciji

o nelokalizacijski način – vozlišča poslušajo

Če vozlišče dobi tri ali več informacij o svoji lokaciji, se preklopi v lokalizacijski

način. Vidimo, da je iterativna multiliteracija decentralizirana.


• večdimenzionalno skaliranje – uporabljajo se tehnike, ki temeljijo na

večdimenzionalnih matrikah razdalj med vozlišči

Slika 4.5: Določanje lokacije s pomočjo iterativne multiliteracije

4.3 ČASOVNA SINHRONIZACIJA

Za dobro delovanje brezžičnih senzorskih omrežij je zelo pomembna časovna

sinhronizacija, ki lahko vpliva na:

• sinhronizacijo delovnih ciklov

• natančnost lokalizacije

• precizno merjenje časovnih intervalov

• toleranco napak

• porabo, ki je odvisna od količine izmenjanih paketov in zahtevnosti procesiranja

paketov za časovno sinhronizacijo

• pomnilniške zahteve. Če je v pomnilniku shranjena zgodovina prejšnjih časovnih

sinhronizacij, se lahko določi bolj natančna časovna sinhronizacija

Zaradi specifičnih zahtev brezžičnih senzorskih omrežij mora biti časovna sinhronizacija

enostavna, razširljiva, fleksibilna in energijsko varčna, kljub temu pa ohraniti določeno

mero natančnosti. Štirje modeli časovne sinhronizacije so primerni za brezžična senzorska

omrežja:


• virtualne ure – najenostavnejši model, ki se uporablja za relativno sinhronizacijo

med vozlišči. Lahko tudi samo med nekaj vozlišči ali celo samo takrat, ko se zgodi

nek dogodek

• notranja sinhronizacija – relativna sinhronizacija med vozlišči v celotnem omrežju

• zunanja sinhronizacija – najkompleksnejša sinhronizacija, kjer se vozlišča

sinhronizirajo glede na referenčno vozlišče. Glavni cilj je zagotovitev enotnega

časa preko celotnega omrežja, kar pomeni, da so ure vozlišč absolutno

sinhronizirane. Takšna sinhronizacija je energijsko potratna, vendar omogoča

časovno konsistenčnost, kar je pomembno za arhiviranje podatkov

• hibridna sinhronizacija – kombinacija notranje in zunanje sinhronizacije

Na sliki 4.6 je ponazorjena zakasnitev paketa, ki se zgodi pri prenašanju paketov od

oddajnika do sprejemnika čez brezžični medij in je direktna posledica sinhronizacijske

napake.

Slika 4.6: Zakasnitev paketa pri brezžičnem prenosu

Zakasnitev paketa je nedeterministično določena in jo lahko opišemo z naslednjimi časi:

• čas pošiljanja – čas, ki je odvisen od same aplikacije in operacijskega sistema. To je

čas, potreben za generiranje paketa na aplikacijskem nivoju, nakar je posredovan

nižjim plastem za prenos

• dostopni čas – čas, ko paket doseže MAC podplast in čaka, da lahko dostopi do

kanala. Ta čas je v veliki meri odvisen od zasedenosti kanala in je eden izmed

kritičnih dejavnikov za dobro časovno sinhronizacijo

• čas prenosa – čas, ko se paket pošilja preko fizične plasti


• čas širjenja signala – dejanski čas, ki je potreben za prenos paketa od oddajnika do

sprejemnika. Navadno je zanemarljivo majhen glede na ostale čase

• čas prejemanja – celoten čas, ki je potreben za pretvorbo signala na fizični plasti in

MAC podplasti, pretvorbi v paket ter posredovanju aplikacijskemu delu

4.4 NASLAVLJANJE

V brezžičnih senzorskih omrežjih ima lahko eno vozlišče več imen in naslovov. Poznamo

naslednje tipe imen, naslovov in identifikatorjev:

• MAC naslov, namenjen razlikovanju bližnjih vozlišč

• omrežni naslov, namenjen razlikovanju vozlišč, ki so bolj oddaljene. Ponavadi je

povezan z usmerjanjem

• omrežni identifikator, namenjen razlikovanju omrežij, ki delujejo v istih

frekvenčnih pasovih

• unikatni identifikator UID (angl. Unique Node Identifier), ki je unikaten za vsako

vozlišče posebej

• identifikator vira. Ime identifikatorja vira je uporabnikom prijazno. Poimenuje

lahko posamezna vozlišča, skupino vozlišč, podatke itd.

Unikatnost imen in naslovov delimo na:

• globalno – ime ali naslov se lahko pojavita samo enkrat (zaželjeno po celem svetu)

• mrežno – isto ime ali naslov se lahko pojavita samo enkrat znotraj določenega

omrežja

• lokalno – ime ali naslov se lahko pojavita večkrat v istem omrežju, vendar morata

biti unikatna v določeni soseščini (pomembno za MAC naslavljanje)

Za brezžična senzorska omrežja je dovolj lokalna unikatnost imen in naslovov. Zato je

lahko velikost imen in naslovov majhna, kar zmanjšuje velikost poslanih podatkov, s tem

pa tudi porabo.


4.5 KONTROLIRANJE PORABE

Najosnovnejše varčevanje porabe pri brezžičnih senzorskih omrežjih je na nivoju moči, ki

jo oddajamo. Pri porabi je zelo pomembna tudi možnost in učinkovitost prehajanja v

spanje in obratno. S kontroliranim spreminjanjem oddane moči spreminjamo povezljivost

do ostalih vozlišč, pa tudi na nasičenost omrežja ter s tem posledično na motnje v omrežju,

ki lahko vplivajo na ostala vozlišča. Moč, ki jo naprava oddaja, je velikokrat povezana s

samim MAC protokolom in usmerjevalnim protokolom. Na nivoju MAC podplasti lahko

zmanjšamo porabo na naslednje načine:

• preprečimo trke paketov, ki poškodujejo zdrave pakete ter tako povzročijo

ponovno oddajanje in sprejemanje

• pri poslušanju v mirovnem stanju, ko vozlišče pričakuje paket, lahko preidemo v

spanje

• ne detektiramo in ne sprejmemo paketov, ki niso namenjeni vozlišču

• zmanjšamo presežek (angl. overhead) protokola, kot so nekateri kontrolni okvirji

in glave paketov

• kontroliramo porabo, ko paketi za vozlišče niso pomembni

Usmerjevalni protokol definira povezave med vozlišči in usmerja podatke, ko potujejo

preko omrežja. Osredotoča se na dva glavna vidika zmanjševanja porabe. To sta

zmanjševanje porabe glede na sam paket in na uravnoteženje celotne porabe omrežja.

Protokoli, ki kontrolirajo omrežne topologije, so protokoli, postavljeni med MAC protokoli

in usmerjevalnimi protokoli. Ti protokoli varčujejo energijo tako, da popolnoma izklopijo

čim več vozlišč, tako da ne vplivajo na povezano omrežno topologijo. Te omejitve vseeno

omogočajo, da lahko paketi še vedno normalno potujejo po omrežju in da se lahko vsako

vozlišče še vedno poveže na omrežje.

4.6 PROGRAMIRANJE IN APLIKACIJE BREZŽIČNIH SENZORSKIH

OMREŽIJ

Programiranje brezžičnih senzorskih omrežij je zelo težavno, saj moramo pri

programiranju poleg omejenih možnosti samih senzorjev in aktuatorjev ter zaželjene čim


manjše porabe, upoštevati tudi nezanesljivo komunikacijo med vozlišči in možnost okvare

ali izpada vozlišča iz omrežja. Vozlišča so ponavadi enostavna in poceni ter nimajo veliko

procesorskih in pomnilniških zmogljivosti, zato morajo biti operacije in algoritmi

enostavni. Zaradi teh problemov se programiranja raje lotimo iz perspektive celotnega

omrežja kot pa iz perspektive individualnega vozlišča. Takšno programiranje se imenuje

makroprogramiranje. Zaradi zgoraj omenjenih specifičnosti so ponavadi programi za

vozlišča napisani v nizkem jeziku (angl. low-level language) ter so zelo kompleksni.

Zaradi čim manjše porabe se podatki ponavadi ne zbirajo na nekem centralnem mestu, kjer

bi jih lahko obdelovali, ampak podatke obdelujemo lokalno in se zanašamo samo na nekaj

podatkov okoliških vozlišč. Vseeno pa vozlišča lahko podatke pošiljajo, če so ključni za

delovanje celotnega omrežja oziroma so pomembni za uporabnika. Modeli programiranja

se lahko zelo razlikujejo glede na potrebe in namen brezžičnih senzorskih omrežij. Eden

izmed bolj znanih makroprogramskih okolij, ki je namenjen brezžičnim senzorskim

omrežjem, je TinyDB [9].

Tipe aplikacij za brezžična senzorska omrežja lahko delimo glede na povezavo med izvori

in uporabniki informacij. Izvor je naprava v omrežju od koder izvirajo informacije,

ponavadi kar vozlišče. Na drugi strani uporabniki informacij sprejemajo te informacije od

izvorov. Uporabniki informacij lahko pripadajo istemu omrežju kot izvori, ali pa tudi ne.

Ko uporabniki informacij pripadajo drugemu omrežju (recimo internetu), se informacije

posredujejo preko usmerjevalnika.

Direktna komunikacija med izvori in uporabniki informacij ni vedno mogoča, kar je še

posebej značilno za brezžična senzorska omrežja. Zato za komunikacijo uporabljamo

vmesna povezovalna vozlišča. Takšna omrežja imenujemo tudi multihop omrežja. Ta

omrežja so energijsko varčna, posebej pri prenosu informacij na daljše razdalje, saj je

poraba manjša, če informacijo prenesemo preko vmesnih povezovalnih vozlišč kot pa

direktno do ciljnega uporabnika informacij.


Slika 4.7: Multihop omrežje

Aplikacije brezžičnih senzorskih omrežij lahko opravljajo:

• detekcijo dogodkov

• periodično merjenje

• aproksimacijo več meritev in iskanje mejnih vrednosti

• sledenje

Aplikacije tudi vplivajo na možnosti montaže oziroma namestitve samih vozlišč. Prav tako

pa tudi na same možnosti vzdrževanja vozlišč ter na izbiro napajalnega sistema.

4.7 BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA V PRAKSI

Možnosti brezžičnih senzorskih omrežij so velike predvsem za dejavnosti, ki delujejo v

zunanjih okoljih. Velika prednost brezžičnih senzorskih omrežij pred drugimi omrežji

predstavlja predvsem odsotnost kablov.

Oktobra leta 2001 se je začelo novo obdobje za brezžična senzorska omrežja, saj je NASA

prva objavila spletno stran, kjer je bilo mogoče opazovati in spremljati podatke zunanjega

okolja, ki so bili generirani s pomočjo njihovega brezžičnega senzorskega omrežja Sensor

Web [4]. Izraz Sensor Web opisuje posebno vrsto brezžičnega senzorskega omrežja, ki je

primerna za spremljanje zunanjega okolja in deluje nekoliko drugače kot druga brezžična

senzorska omrežja. Senzorji so prostorsko porazdeljeni in brezžično komunicirajo drug z

drugim. Omrežje nima usmerjevalnika oziroma centralnega vozlišča in omogoča, da vsako

vozlišče ve, kaj se dogaja z vsemi drugimi vozlišči v vsakem merilnem ciklu.


Slika 4.8: Primera Sensor Web vozlišč

Brezžična senzorska omrežja se uporabljajo tudi v notranjosti pisarn in poslovnih objektih,

kjer lahko izboljšajo avtomatizirane procese, varnostno kontrolo in vzdrževanje stavbe.

Naprave, ki sestavljajo brezžična senzorska omrežja v pisarnah in poslovnih objektih v

grobem delimo na štiri tipe. To so senzorske naprave, prikazovalniki (navadno majhni

LCD zasloni), usmerjevalniki (angl. gateway nodes) in ročni upravljalniki. Namenjene so

zaznavanju okolice, človeški interakciji z brezžičnim senzorskim omrežjem, povezovanju z

ostalimi dosegljivimi omrežji itd.

Slika 4.9: Senzorska naprava (levo) in prikazovalnik v kombinaciji z ročnim

upravljalnikom (desno)

5 UPORABLJENA STROJNA OPREMA

Za merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee smo uporabili

XBee module podjetja Maxstream (sedaj Digi International) in produkte podjetja Telargo

d.o.o., ki jih bomo na kratko opisali v naslednjih poglavjih. Prav tako si posebno poglavje

zasluži podjetje Telargo d.o.o, saj je bil del diplomskega dela opravljen v tem podjetju.

5.1 XBEE MODULI

Za merjenje sprejete moči signala (RSSI) smo uporabili XBee module podjetja Maxstream,

ki je sedaj v lasti podjetja Digi International. Digi International je član združenja podjetij

ZigBee Alliance in je razvil OEM rešitev, ki temelji na ZigBee standardu.

Za potrebe diplomskega dela smo uporabili dve vrsti XBee modulov: navaden modul XBee

s chip anteno in pro modul XBee-PRO z whip anteno [10]. Razvojne plošče, na katere se ti

moduli pritrdijo, so prav tako bile od proizvajalca Maxstream. Razvojna plošča ima serijski

RS232 priključek.

Slika 5.1: Razvojna plošča (levo), modul XBee-PRO z whip anteno (sredina),

modul XBee s chip anteno (desno)


Značilnosti modulov XBee in XBee-PRO:

• priključi-in-komuniciraj (angl. plug-and-communicate) brezžična zmogljivost

• nizka cena

• nizka prenosna hitrost

• majhna poraba

• robustna varnost

• visoka zanesljivost pri prenosu podatkov

• enostavna zamenjava in združljivost z moduli iste družine

Tabela 5.1: Tehnični podatki modulov XBee in XBee-PRO

Tehnični podatki XBee XBee-PRO doseg v zaprtih prostorih

/urbanih okoljih 30 m 100 m

doseg v odprtih okoljih, ko se vozlišči vidita

100 m 1500 m

moč oddajnika 1 mW (0 dBm) 100 mW (20 dBm) prenosna hitrost 250 kbit/s 250 kbit/s tokovna poraba 50 mA (3,3V) 200 mA (3,3V)

občutljivost sprejemnika -92 dBm -100 dBm delovno temperaturno območje od -40°C do 85°C od -40°C do 85°C

5.2 PODJETJE TELARGO D.O.O.

Podjetje Telargo d.o.o. je globalni ponudnik storitev za upravljanje z mobilnimi sredstvi, ki

z uporabo naprednih tehnologij občutno izboljša upravljanje voznega parka, dvigne raven

storitev, poveča učinkovitost in zniža operativne stroške vozil [11].

Slika 5.2: Podjetje Telargo d.o.o.


Podjetje je bilo ustanovljeno leta 2005 pod okriljem Ultra d.o.o. in NTT DoCoMo Inc.

Trenutno družba uspešno implementira svojo storitev na mednarodnih trgih, kot so

Hong Kong, Italija, Latvija, Meksiko, Savdska Arabija, ZAE in ZDA ter tudi na domačih

tleh.

Storitve, ki jih trži podjetje Telar

Documents

MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMO ČJO BREZŽI … · 2018. 8. 24. · ozna čene vrvi, ozna čeni trakovi itd. Danes za meritve razdalj uporabljamo tudi bolj zapletene naprave,