Senzorické sítě v praxi

© 2009 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.EO2009 – Senzorové sítě JC 1

Senzorické sítě v praxi

EurOpen Klínovec – říjen 2009

Jaroslav ČížekSponsor

Logo

Sponsor

Logo

Sponsor

Logo

Sponsor

Logo

2

© 2009 Cisco Systems, Inc. All rights reserved.EO2009 – Senzorové sítě JC

Agenda

Bezdrátové a drátové senzorické sítě

Industriální wireless

Zabezpečovací systémy

Inteligentní budovy

Smart gridy

3


Bezdrátové a drátové senzorické sítě

Použité technologie dle způsobu a rozsahu senzorické sítě

Bezdrátové technologie

• 802.15.4 + související specifikace

• 802.11 WLAN

Drátové technologie

• Sériové sběrnice

• Speciální rozhraní

• Stavové porty

• IP sítě

4



Použití 802.15.4 ve výroběStandardyWLAN aktivní RFID tagy jako senzoryArchitektura industriálních wireless sítí

5



Bezdrátové senzorické sítě pro měření různých fyzikálních veličin a detekci stavů

Používané technologie

• WirelessHART specifikace

• Rozšiřuje Wired HART

• Fyzická vrstva a MAC IEEE 802.15.4 LR-WPAN

• Přidává robustnost a spolehlivost – TDM, mesh,retry mechanizmus

• Další standardyISA 100.11a(sec a qos), 6LoWPAN

• WLAN 802.11 - levnější, ale …

6


Použití 802.15.4 ve výroběRychlé a „levné“ nasazení proti drátovým sítím, možnost

jednoduché překonfigurace výrobní linky, dočasné sondy při řešní problémů

Měření:

• teploty, tlaku, hladiny,

• vibrací, otáček, stavu atd.

Extrémě nízká spotřeba a výdrž

Vysoká dostupnost, sec

Konponenty - senzory, kontrolery, mngm.

Nejčastější použití -petrochemický prům.

Motes Sensors/Actuators/Field Devices

Managers Gateways/Controllers

7


WLAN aktivní RFID tagy jako senzory

Pasivní RFID

• Identifikace, předání statické hodnoty, cena < $0.10

Aktivní RFID

• Identifikace, real-time lokalizace, napájení z baterie

• Možnost předání dynamické hodnoty ze vstupu

• Bezdrátový inteface ANSI 371, …, WiFi (2,4 GHz), 125kHz

• Cena $30-50, výrobci – AeroScout, PanGo, WhereNet

8


Koexistence WSN a WLAN

IEEE 802.15.4 vs. 802.11

• Vysílání poměrně nízkého výkonu (10mW, 200mW) v Industrial Scientific and Medical (ISM) pásmu 2.4 GHz

• Způsoby oddělení komunikace - Time Diversity, Coding Diversity, Frequency Diversity, Path Diversity, Spatial Diversity

9


6LoWPAN

IPv6 Low-power WPANIETF internet skupina

802.15.4 senzory mají omezenévýpočetní zdroje (počet cyklů, mem) => je třeba optimalizovat síťový stack

Základní specifikace viz RFC 4944, popis RFC 4919

• Mapování adres

• Zapouzdření, komprese hlaviček

• Fragmentace/defragmentace rámců MTU 127 / 102 / 81 oktetů vs. min 1280B pro IPv6

Proč IPv6: s klesající cenou HW se předpokládá velký nárůst počtu senzorů ve všech možných aplikacích

10


Architektura industriálního wirelessuC

ontr

ol

Net

wor

kS

ervi

ces

Fie

ld N

etw

ork

802.11 Access Points

802.3 <-> 802.15.4 Sensor Gateway

802.11 Mesh APs

Wireless Control System

Wireless LAN Controller Cisco Call

Manager

802.15.4 Sensor Mote

Cisco LocationAppliance

Mobile 802.11 Field Device

Sensor Mgmt System

802.11<->802.15.4Sensor Gateway

802.11Location

802.11 Video Surveillance

802.11Asset Tracking

802.15.4 Wireless Sensor Network (Mesh or Star)

WSN connected Field Devices

Cisco ISR

ERPERP

Unified Comm.Unified Comm.

LocationLocationSense & Respond Services

Sense & Respond Services

App

s

Mobile OperatorMobile OperatorVideoVideo

DCSDCS Process HistorianProcess Historian Condition MonitoringCondition Monitoring

SecuritySecurity

Pla

nt

Net

wor

k

IdentityIdentityVirtualizationVirtualization

11



DomácnostiKlasické zabezpečovací systémyArchitektura

12



Domácnosti, malé firmy

• 802.15.4 / ZigBee senzory

• Digitální domácnost - řízení spotřeby, zabezpečovací systémy, dálkové ovládání přes mobil nebo Internet

Klasické systémy fyzické bezpečnosti

• Drátové senzorické sítě, bezdrát jen jako doplněk

• EZS – čidla pohybu, stavu, kamerové systémy

• EPS – čidla požárního systému

• Kombinace s přístupovými systémy – čtečky RFID karet, biometrických údajů atd.

13


HW pro zabezpečovací systémy

Komponenty

• Senzory

• Brány (převod do IP)

• Kontroler + management

Způsob komunikace

• Rozhraní pro dveřní systémy (např. Weigant)

• Sériové sběrnice mezi jednotlivými moduly a bránaminapř. CANbus (Controler Area Network)

• samostatné In/Out vstupy a výstupy

• RS-485

14


Architektura systémů fyzické bezpečnosti

Maximum of 40 Meters (130 Feet)

CiscoAccessGateway Reader

ModuleReaderModule

InputModule

OutputModule

CAN Bus

Layer 2 switch

IP NetworkLAN/WAN

PhysicalAccessManager

LDAP / MicrosoftActive Directory

HR Database

Other IT Apps

POE

CA

N B

us

AdditionalModules

15



Definice inteligentní budovy

Mediátor

16


Renewable SourcesTrash

Compactor

HVAC

UPS

Electrical

Access Control

Lighting

IT

Power Meters


Elevators

“Commercial buildings waste up to one-third of all energy they consume.”

17



Building Automation Systems (BAS) / Building Management System (BMS)

Způsoby řízení jednotlivých komponent budov

• Manuální -> základní automatizace -> programovatelné řízení

• Centralizované systémy -> Inteligentní systémy budov

Funkce BAS

• Minimální funkcionalita – řízení topení, ventilace a klimatizace(Heating, Ventilating, and Air-Conditioning (HVAC))tzn. senzory vnitřní a venkovní teploty, spotřeby energie, stavu zařízení + řízení topení, ventilace, klimatizace, zpracování alarmů a možnost plánování

• Další funkce – integrace řízení osvětlení, přístupu, kamerových systémů, požární bezpečnosti atd.

Komponenty - komunikační brána a programovatelný kontroler

18


Mediátor

Mediátor = zařízení / kontroler, které je na základě vstupních údajů od komunikačních bran a naprogramované logiky schopné řídit funkci jednotlivých systémů budovy

Podporuje velké množství protokolů a typů senzorů

• Modbus

• BACnet (ANSI)

• LonTalk (ANSI/EIA)

• RS-485

• TCP/IP industriálnístandardy

19


(1) Console Port for Management

(4) RS-485 Ports for 3rd Party Protocol

Communication

Mediátor – příklad zařízení

(2) Relay, Discrete Outputs

(4) Dallas 1-Wire Ports

(4) Pulse Counter Inputs

(2) Ethernet TCP/IP Ports

(2) USB Ports

(2) RS-232 Ports for 3rd Party Protocol Communication

(1) RJ-11 Phone/Modem Port

24 VAC ‘Floating’ Power

20


Konvergované řešení inteligentní budovy

Energy & Power Metering

CCTV

DVR

Fire Alarm System

Smoke Sensor

Break Glass

Sounder

ENTERPRISE APPLICATIONS

Energy ManagementBuilding ManagementFacility ManagementSecurity ManagementMaintenance ManagementIT Network Management

Door Controllers

Access Control

Reader Technology

Intruder Panels

VAV

FCU

Heat Pump

Chilled Beam

Boilers

Chillers

BMS

AHU

Lighting Control

General Lighting Channel

Controllers

DSI/DALI Interface

Occupancy Detectors

UPS Monitoring

IP Camera IP Telephony

Wireless

Mediator

Switch Router

21


Smart Metering aSmart Gridy

Smart Grid topologie

Komponenty

Problémy

Projekty

22


Smart grid

23


Smart gridSmart Grid – rámec / řešení, které umožňuje energetickým

a distribučním společnostem bezpečně využívat IP sítě pro výrobu, přenos, uložení a spotřebu energie a ostatních produktů

Cíle

• Efektivní přenosový systém

• Integrace distribuovaných alternativních zdrojů

• Centrální management, dohled, koordinované řízení

• Odolnost proti poruchám a výpadkům

• Snížení ceny na straně výroby i spotřeby

Smart Metering – první stupeň Smart gridů, implementuje pouze část měření na straně zákazníka

24


Komponenty Smart gridů

Komponenty Smart gridů

• Energetická přenosová a distribuční síť

• Komunikační síť

• Substation automation / integration (SA/I)

• Neighborhood area network (NAN)

• Business area network (BAN)

• Home area network (HAN)

• Výpočetní platforma a systémy řízení

• Obchodní aplikace a služby

25


Problémy nasazení smart gridů

Možnosti připojení koncových měřících přístrojů / senzorů

• Sériové sběrnice + kontroler v dosahu

• Přenos přes elektrické vedení (PLC)

• Drátový ethernet

• Wireless Mesh

Adresace, směrování, řízení přístupu

• IPv4 privátní adresy vs. IPv6

• Stromová struktura

Bezpečnost!!!!!!

Cena

26


Běžící projekty Smart gridů

USA

Evropské projekty

• Amsterdam – 60000 připojených domácností, cca 200000 během příštích dvou let, úspora až 50%, primárně Smart Metering

• Švédsko, další země EU

• ČR

• Dobruška – 2000 “chytrých” elektroměrů

• Blízká budoucnost – 40000 dalsích odběrných míst

27


Otázky a odpovědi

???

28


Další informace

• WirelessHART

http://www.hartcomm.org/http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_technology.html

• WSN & WLAN (Cisco, Emerson)

http://www.cisco.com/web/strategy/docs/manufacturing/swpIIWS_Emerson_wp.pdf

• Building Mediator

www.cisco.com/go/mediatorhttp://www.richards-zeta.com/index2.shtml

• Smart gridy

www.cisco.com/go/smartgrid

29


Documents

Senzorické sítě v praxi