computer sciences » applied computer sciences » … · iso/iec 14543-3 / en 50090 standard...

Computer Sciences » Applied Computer Sciences » Technical Information Systems

Dr.-Ing. Joern Ploennigs Dresden University of Technology

Institute for Applied Computer Science

ÜBERSICHT

TECHNOLOGIEN DER GEBÄUDEAUTOMATION

•

Offener Funknetz-Standard der IEEE und ZigBee Alliance

•

Hat als intern. Standard großes Potential

•

Proprietärer Standard von Zensys und der Z-Wave Alliance

•

Im amerikanischen Markt gut etabliert

ZIGBEE (2004, 2007) Z-WAVE (1999)

•

Entwickelt von der EnOcean GmbH (Siemens Spin-off)

•

In Europa gut etabliert

•

Entwickelt von der KNX Association (Siemens geführt)

•

ISO/IEC 14543-3 / EN 50090 Standard

ENOCEAN (2001) KNX-RF (2004)

•

Entwickelt von der Freien Universität Berlin und ausgegründet als ScatterWeb GmbH

•

Nicht sehr verbreitet, aber interessante Ansätze

SCATTERWEB (2005) NANONET (2007)

•

Entwickelt von Nanotron, Berlin•

Innovator des CSS

VERGLEICH DER TECHNOLOGIEN

EnOcean KNX-RF Z-Wave ZigBee 802.15.4

ZigBee 802.15.4

Scatterweb nanoNET Bluetooth

Frequency band (mhz)

868 868 868 868 2400 868 2400 2400

Disturbances by other wireless com. (Wi-fi)

low low low low high low mean high

Modulation ASK FSK GFSK BPSK O-QPSK CSSGFSK, QPSK, 8DPSK

Medium Access Control

direct access

(CSMA)CSMA,

Preamble Sampling

Beacon, CSMA

Beacon, CSMA

CSMA, Preamble Sampling

CSMA, TDMA, ALOHA

TDMA

Data rate (kbps) 125 16.4 9,6 / 40 20 250 20 2000 2100Topology Star/Mesh Star Star/MeshStar/Mesh Star/Mesh Tree/Mesh Mesh StarSecurity no no geplant AES AES no yes AESMaximum node number

232 256 232 216 216 255 248 7

Energy consumption

very low low low low low low medium high

Risc of a message collision

very low mean mean mean low low very low low

Max. Range (m) 30-300 10-100 20-200 10-100 10-75 10-100 40-250 1-10

TECHNOLOGIEN DER IND. AUTOMATION

•

Offener Funknetz-Standard der IEEE und ZigBee Alliance

•

Hat als intern. Standard großes Potential

•

Drahtlose Version des HART Protokolls entwickelt von der HART Communication Foundation

•

Zielt auf die Prozessautomation ab

ZIGBEE (2004, 2007) WIRELESS HART (2007)

•

Entwickelt von der International Society of Automation

•

Zielt auf Prozess-

und Fertigungsautomation ab

ISA SP100.11A (2009)

ENOCEAN TECHNOLOGIE

ENOCEAN ÜBERSICHT

•

Frequenzband: 868 MHz (EU) / 315 MHz (US)

•

Datenrate: 120 kbit/s

•

Signalmodulation: ASK

•

Adressierung: Eindeutige 32bit Knotenadresse, die bei Herstellung vergeben wird

•

Kurze Telegrammlänge von 8-16 Bytes

•

Stärke im Energy-Harvesting

•

2. Generation von Knoten

315MHz PHY(US)

868 MHz

Channel 0

ENOCEAN FREQUENZBÄNDER

315 MHz

Channel 0

868MHz PHY(Europa)

ASK

Was war ASK?

ASK – AMPLITUDE-SHIFT KEYING

•

Zur Codierung wird die Amplitude des Trägersignals variiert

•

Es kann pro Modulation ein Bit kodiert werden

ENOCEAN GERÄTETYPEN

•

Können Nachrichten nur senden (nicht empfangen)

•

z.B. Sensoren

•

Können Nachrichten nur empfangen (nicht senden)

•

z.B. Lampenaktoren

SENDER EMPFÄNGER

•

Können sowohl senden als auch empfangen

•

Können z.T. Routingaufgaben übernehmen (Repeater)

•

Arbeiten z.T. als Gateway zu anderen Systemen

•

Die einzigen programmierbaren Geräte

BIDIREKTIONALE GERÄTE

11

WELCHES MEDIENZUGRIFFSVERFAHREN IST MIT DIESEN GERÄTEN MÖGLICH?

•

CSMA –

Carrier Sense Multiple Access?

•

Nicht möglich da einfache Sender kein Empfangsmodul haben um den Kanal auf Belegung zu prüfen.

•

TDMA –

Time Division Multiple Access (Slottet)?

•

Nicht möglich da ohne Empfangsmodul auch keine Zeitsynchronisation möglich ist.

•

Es ist kein spezielles Verfahren möglich. Der Medienzugriff kann nur direkt erfolgen.

MAC-VERFAHREN

Was ist der Nachteil eines direkten Zugriffs?

Wie groß

ist eigentlich die Wahrscheinlichkeit einer

Kollision bei zwei Geräten?

GRUNDLEGENDE KOLLISIONSWAHRSCHEINLICHKEIT

(NIEDRIGE GERÄTEAUSLASTUNG)

•

Eine Kollision entsteht wenn Gerät S und Q innerhalb des gleiche Zeitfensters (Ts

+ Tq

) Nachrichten erzeugen

•

Gerät S und Q erzeugen exponentialverteilte Nachrichten mit den Raten λS

und λq

sowie den Nachrichtengrößen Ts

und Tq

•

Gute Abschätzung in den meisten Fällen (niedrige Auslastung)

A B

ERHÖHTE KOLLISIONSWAHRSCHEINLICHKEIT?

Nur 1% Dutycycle (seltene Sendungen, Bedingung im 868 MHz Band) und kurze Telegramme (ca. 1ms) führen zu geringer Kollisionswahrscheinlichkeit

ROUTING

Wie kann man die Wahrscheinlichkeit für eine korrekte Nachrichtenübertragung erhöhen?

WIEDERHOLTE SUBTELEGRAMME

Jede Nachricht wird in drei oder mehr identischen Subtelegrammen

wiederholt

6ms + (0-3)ms 18ms + (0-11)ms 0ms + 7,5ms(optional)

t

•

Geringere Wahrscheinlichkeit, dass alle Subtelegramme verloren gehen

•

Geringere Wahrscheinlichkeit, dass alle Subtelegramme verloren gehen

•

Erhöhte Anzahl an Telegrammen Erhöhte Kollisionswahrschein-

lichkeit

•

Erhöhte Anzahl an Telegrammen Erhöhte Kollisionswahrschein-

lichkeit

SUCCESS PROBABILITIES

Erfolgswahrscheinlichkeit

eines Telegramms

Erfolgswahrscheinlichkeit, dass minestens 1 aus 3

Subtelegrammen ankommt

1 dev sim 1 dev calc 2 dev sim 2 dev calc 5 dev sim5 dev calc 10 dev sim 10 dev calc 100 dev sim 100 dev calc

0 200 400 600 800 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

channel appl. arr. rate λ̄c

succ

ess

prob

.p s

ucc

0 200 400 600 800 10000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

channel appl. arr. rate λ̄csu

cces

spr

ob.

p suc

c

100 101 102 1030

0.2

0.4

0.6

0.8

1

device number with λr = 1

succ

ess

prob

.p s

ucc

REDUCED COLLISION PROBABILITY?

Computed EnOcean

Übliche Installations-

größen

ROUTING

EnOcean verwendet eine Mesh-Topologie.

Was war ein Mesh?

„MESH“ TOPOLOGIE

•

Uni-

(Sensoren

Aktoren) und bidirektionale Kommunikation (Controller

Raumregler)

•

„Smart Routing“

–

Repeater fluten das Netzwerk mit bis zu zwei Hops

Lichtaktor Heizungsaktor

TemperatursensorSchalter

Gateway

Raumregler

Kommunikationsrichtung

Bi-direktional

Empfänger

Sender

DrahtgebundenesBackbone

LONKNX

TCP/IP

ROUTING

Wie kann der Sender eine Nachricht an einen schlafenden Empfänger senden?

„SMART ACKNOWLEDGE“

•

Sender sendet Nachricht an Repeater der sie speichert

•

Empfänger sendet Request

•

Repeater antwortet mit Nachricht

•

Problem: Wie kann der Sender eine Nachricht an einen schlafenden

Empfänger senden?•

Zwischenspeichern von Nachrichten in Repeatern/Gateways, bis Empfänger wach ist

SENDER

REPEATER REPEATER

EMPFÄNGER

ENERGIEVERBRAUCH ZIGBEE VS. ENOCEAN

Device Current Time Power State

CPU Active 1.92mA NA NA

CPU LPM1 182μA NA NA

CPU LPM3 9μA NA NA

CPU Vref 536μA NA NA

Receive (LPL Check) 18.86mA 5ms LPM3

Send (1 msg, 0dB) 18.92mA 12ms-1s LPM3

Analog Sensors 1.46mA 2ms LPM1

Humidity Sensor

458μA 75ms LPM3

Temperature Sensor

458μA 220ms LPM3

Operation Mode Current consumption measured typ. at 25°C

CPU-Mode 4 mA

XTAL on, CPU Standby 1,4 mA

ShortTermSleep 10 μA

Flywheel Sleep Mode 720 nA

Deep-Sleep VDD=3,3V 220 nA

Send 6dBm 50% Dutycycle

26 mA

Receive 30 mA

Analog Measurement 14 mA

Source: “Integrating Concurrency Control and Energy Management in Device Drivers”, Kevin Klues et. al., 2007

Source: “STATUS SHEET EDK 300(C)”, EnOcean, 2009

BASISSTRATEGIE ZUM ENERGIESPAAREN

Die Basisregeln für langen Betrieb:

•So oft wie möglich schlafen

•So wenig wie nötig übertragen

Energy Consumption of a Telos rev B

Die Anzahl an Wake-Ups und Übertragungen reduzieren

Die Anzahl an Wake-Ups und Übertragungen reduzieren

SPARSAME ABTASTUNG

Wie kann man beim Versenden von Abtastwerten Nachrichten einsparen?

SEND-ON-DELTA ABTASTUNG

y

t

TA

• Nur Abtastwerte, die δ

vom zuletzt gesendeten Abtastwert abweichen werden gesendet

• Wird auch in LON häufig verwendet• Drei Parameter: TA - Aufwachzyklus; δI –

Delta (tolerierte Werteabweichung; TU -

Max-Send-Time (Heartbeat)

signalwake-upssamplessent samples

SPARSAME ABTASTUNG

Welche Fehler können eigentlich bei einer Übertragung zwischen zwei Knoten auftreten?

FEHLERQUELLEN NETZWERKBASIERTER REGELUNGEN

KO

NTI

NU

IER

LIC

HD

ISK

RET

Regelstrecke

Aktor

Regler

Sensor

T

NET

ZWER

K •

Kollisionen•

Bitfehler•

Verzögerungen•

Falsche

Reihenfolge

•

Kollisionen•

Bitfehler•

Verzögerungen•

Falsche

Reihenfolge

•

Warteschlangenüberläufe•

Störungen•

Rauschen

•

Warteschlangenüberläufe•

Störungen•

Rauschen

Netzwerk

SPARSAME ABTASTUNG

Welche Auswirkung kann das auf Regelkreise haben?

ADAPTIVE ABTASTUNG IN REGELKREISEN

y

t

SignalAufwachzeitpunkteAbgetastete WerteÜbertragene Werte

Probleme bei der Ereignistriggerung

Approximations- fehler Grenzzyklen

Regelkreise reagieren empfindlich auf adaptive Abtastung!Regelkreise reagieren empfindlich auf adaptive Abtastung!

ENOCEAN-PROTOKOLL-STACK

Anwendungsschicht

(Application Layer)

Darstellungsschicht (Presentation Layer)

Transportschicht

(Transport Layer)

Sitzungsschicht

(Session Layer)

Vermittlungsschicht

(Network Layer)

Physikalische Schicht

(Physical Layer)

Sicherungsschicht

(Data Link Layer)

OSI-Modell

Application Layer

Network Layer

Physical Layer

DataLink Layer

Medium und Signalübertragung

Medienzugriff, Datensicherung

Routing und logische Addressierung

Ende-zu-Ende-

Verbindungen und Fehlersicherung

Interhost-

kommunikation

Datendarstellung und Verschlüsselung

Zugriff auf das Netzwerk für Anwendungen

Funktion

NEUE FREI PROGRAMMIERBARE DOLPHIN-PLATTFORM

EnOceansoftwarestack

Hardware

UserApplication

RX/ TX

RF C

onfig

urat

ion

Encr

yptio

n

Pow

er M

anag

emen

t

I/O M

anag

emen

t

URAT

/SPI

Mem

ory

acce

ss

Tim

ers

Rout

ing

ID M

anag

emen

t

Radi

o TX

and

R

Application (Sensor, Actuator, Gateway)

µC and I/ Os

ApplicationLayer

Network LayerDataLink Layer

•

Sync. Bytes –

Präambel zur Synchronisation des Empfangsmoduls•

Telegram Type –

Art und Länge des Telegramms•

Address –

32-bit eindeutige Knotenadresse (von Hersteller vergeben)•

Data –

Übertragene Daten (üblicherweise 4 Byte)•

Status –

Unterschiedliche Nutzung, u.a. zur Inhaltsübertragung (Schalter)•

Checkcode –

CRC des Nachricht

ENOCEAN RAHMENFORMAT

Bytes2 1-2 0/4 4 variabel (0-32) 1 1

PHY

...

Physikalische SchichtNWK

...

Netzwerk Schicht

PLUG-AND-PLAY COMMISSIONING?

2

1

3

-

Push & Play

Aktivierung der „Lerntaste“

am Empfänger durch den Lern-Button

Drücken der „Lerntaste“

am Sender, um ein Lerntelegramm mit dem angebotenen Service zu senden (Semantischer Datentyp).

Der Empfänger speichert den Sender und akzeptiert Telegramme von ihm

(quasi logisches Binding)

T

Heizungs Regler o. Ventil

Temperatur Sensor

ENOCEAN INTEROPERABILITÄT ENOCEAN EQUIPMENT PROFILE (EEP)

•

Definiert durch die EnOcean Allianz (ca. 100 Mitglieder)

•

Interoperabilitätsprofile auf „Anwendungsschicht“

•

Da es allerdings derzeit keine komplexen Anwendungen gibt, definieren die Profile lediglich die verwendeten Datentelegramme

Funktion Typ2 Rocker Switch Light and Blind Control4 Rocker Switch Light and Blind ControlPosition Switch

Key Card Activated SwitchWindows Handle Handle

4BS TelegramTech-In Telegramm

Temperature Sensor -40 –

0°C-30 –

10°C- 20 – 20°C…

Temperature & Humidity Sensor 0 –

40°C, 0% -

100%Light Sensor 300lx –

60000lx0lx –

1024lx…

Light, Temperature & Occupancy Sensor 0lx –

510lx,0 –

51°C, 0-1Room Operating Panel

0 -

40°C, Set point, Fan Speed, Occupancy0 -

40°C, Set point, Fan Speed, Day/Night Control…

VERGLEICH ENOCEAN

•

Innovatives Energy-Harvesting

•

Geringer Protokoll-Overhead

•

Sehr geringer Energieverbrauch

•

Direkt einsetzbare Transceiver

•

Reduzierte Verlustwahrschein-

lichkeit ganzer Nachrichten durch wiederholte Subtelegramme mit zufälligem Back-Off

•

Begrenzte Topologievarianten (nur einfaches Routing)

•

Inflexibles, proprietäres Protokoll

•

Erhöhte Kollisionswahrscheinlichkeit für einzelne Nachrichten (z.B. 11% für 20 Geräte mit 1 msg/s)

•

Geringer Durchsatz von unter 30 %

•

System kollabiert schnell in Lastsituationen

VORTEILE NACHTEILE

ENOCEAN UND ENERGY-HARVESTING

WARUM NICHT BATTERIEN?

•

Rechenleistung verdoppelt sich aller 2 Jahre (Moores Law)

•

Batterieleistung verdoppelt sich aller 10 Jahre

•

Batterien müssen gewechselt werden und haben eine natürliche Lebensdauer

•

Ein effizienterer Weg, um Energie zu erzeugen, ist notwendig!

1950

1970

1990 1991

1999

ENERGY-HARVESTING VOR-/NACHTEILE

•

Keine Kabel für Stromversorgung

•

Einfache Installation

•

Geringerer Wartungsaufwand

•

Umweltfreundlicher

•

Lange Lebensdauer

•

Hängt von der Verfügbarkeit der Energiequelle ab

•

Begrenztes Energiebudget

•

Höhere Investitionskosten

•

Weniger erprobte Technologie

VORTEILE NACHTEILE

ENERGY-HARVESTING

Was sind den mögliche Energiequellen?

Energy-Harvesting Energy Storage (1st year)

ENERGY-HARVESTING-ANSÄTZE

ENOCEAN ENERGY-HARVESTING-ANSÄTZE

•

Energie aus dem Schaltereignis (Tastendruck)

•

Keine Energiespeicherung

•

Solarenergie wird aufgenommen•

Energiespeicher möglich

ELEKTRODYNAMIKWANDLER SOLARZELLEN

•

Strom wird aus Wärmedifferenzen erzeugt

•

Energiespeicher notwendig

•

Rotationswandler: z.B. Gas-

und Wasserzähler

•

Vibrationswandler: bei mobilen Geräten

THERMOWANDLER GEPLANT

VERGLEICH ENERGY-HARVESTING-ANSÄTZE

Energiequelle Mechanische Energie

Thermische Energie

Lichtenergie

Konverter Elektrodynamik-

wandler

Thermowandler Photovoltaik Solarzelle

Größe (20x6x1)mm (5x5x2)mm (10x20x2)mm

Volume Production Cost €

< 2 < 3 < 1

Energie Eingang e.g. Knopfdruck,

3 mm x 5N

Temperaturunter-

schied von 5 °C Lichtlevel >50 lux

Energie Ausgang 120 =Ws pro Aktion 20 =W ständig 20 =W ständig

ElektromagnetischElektrostatischPiezoelektrisch

•

Vibration

Bewegung eines magnetischen Feldes

•

Induktion einer Spannung

•

Vibration

Biegung des Materials

•

Im piezoelektrischen Material entsteht durch die mechanische Biegung eine elektrische Spannung

•

Vibration

Schwingung eines beweglichen Kerns

•

Die Überlappung zwischen Kern und Hülle ändert sich (A)

•

Dadurch ändert sich die Kapazität (C)

•

Wodurch ein Strom fließt, wenn die Ladung (Q) sich bewegt

Overlap Area (A)

ENERGY-HARVESTING: VIBRATIONSENERGIE

ELEKTRODYNAMIKWANDLER

ENOCEAN SOLARZELLE LADE- /ENTLADEVERHALTEN

AUFLADEN ENTLADUNG IM DUNKELN

THERMOELEKTRISCHER SEEBECK-EFFEKT

•

Temperaturunterschied

erzeugt einen Wärmefluss

•

Dadurch entsteht ein Elektronenfluss zwischen N-Typ-

und P-Typ-Halbleitermaterialien

Thermoelement

LADEVERHALTEN ENOCEAN THERMOWANDLER

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25

de lta T / K

Pout

/uW

ENERGY-HARVESTING UND DENNOCH BATTERIEN?

•

Die umgewandelte Energie ist nicht konstant

•

Die Energiequellen sind selten immer vorhanden

•

Energy-Harvesting unterstützt selten Energiespitzen

•

Deshalb werden wiederum Stützbatterien benötigt mit:

•

Unbegrenzter Lebensdauer (der Hülle)

•

Kaum Selbstentladung

•

Hoher Kapazität bei

•

geringer Größe

OPTIONEN FÜR STÜTZBATTERIEN

Li-Ion Akkus Dünnfilmakkus Goldkaps

Max. Aufladezyklen 100s 5k-10k Millions

Selbstentladung Mittel Niedrig Hoch

Aufladezeit Stunden Minuten Sek. bis Min.

Größe Large Small Medium

Kapazität 0.3-2500mAHr 12-700uAHr 10-100uAHr

Umweltbelastung Hoch Niedrig Niedrig

Z-WAVE

Z-WAVE ÜBERSICHT

•

Frequenzband: 868 MHz (EU) / 908.4 MHz (US)

•

Datenrate: 9.6 kbit/s (40 kbit/s neue Generation)

•

Signalmodulation: GFSK, Manchester Codierung

•

Adressierung: maximal 232 Geräte pro Netzwerk

•

5. Generation von Knoten

(G)FSK

Was war (G)FSK?

908MHz PHY(US)

868 MHz

Channel 0

Z-WAVE FREQUENZBÄNDER

908 MHz

Channel 0

868MHz PHY(Europa)

GFSK – (GAUSSIAN) FREQUENCY SHIFT KEYING

•

Zur Codierung wird die Frequenz des Trägersignals variert

•

Es kann pro Modulation ein Bit kodiert werden

•

Gaussian FSK: Frequenz-

übergänge werden durch einen Gauss-Filter geglättet, um die Spektralbreite zu begrenzen

Z-WAVE GERÄTETYPEN

•

Können Nachrichten senden und empfangen

•

Kaum Informationen über die Netzwerktopologie (können aber mit festen Tabellen routen)

•

Empfangen Kommandos aus dem Netzwerk

•


•

Kennen vollständige Netzwerktopologie (können flexibel (mobil) routen)

SLAVE KNOTEN CONTROLLER KNOTEN

•

Verwaltet Netzwerktopologie und kann Knoten zum Netzwerk hinzufügen / entfernen

•

Erster Controller Knoten im Netzwerk wird automatisch Master Controller

MASTER CONTROLLER

57

Z-WAVE ADRESSIERUNG

•

HomeID:

•

Entspricht der eindeutigen 32bit GeräteID des Master Controllers, die bei Herstellung aller Knoten vergeben wird.

•

Wird auch zur Identifikation/Trennung von Netzwerken genutzt.

•

NodeID:

•

8bit KnotenID (NodeID) im Netzwerk, die durch den Master Controller vergeben werden

•

somit maximal 232 Geräte pro Netzwerk

„MESH“ TOPOLOGIE

•

Bidirektionale Kommunikation möglich

•

Tabellenbasiertes Multi-Hop-Routing (Tabellen werden von Master Controller verwaltet) bis zu vier Hops

•

Alle Geräte können als Router/Hop arbeiten

•

End-To-End und Point-To-Point Bestätigungen

Lichtaktor Heizungsaktor

TemperatursensorSchalter

Bridge

Raumregler

Kommunikationsrichtung

Master Controller

Controller Knoten

Slave Knoten

DrahtgebundenesBackbone

X10TCP/IP

SILENT ACKNOWLEDGE ROUTING

•

Findet Verwendung in alten Z-Wave Versionen (< v4.2)

•

Neue Version (> v4.2)

ACKNOWLEDGED ROUTING SILENT ACK. ROUTING

A

B

C

Frame

Routed

Frame

A

B

C

Frame

Frame

Routed

End2End

Ack

End2End

Ack

Ack

Ack

Ack des End2End Ack

Ack des routed End2End Ack

Routed

End2End

Ack

End2End

Ack

Ack des routed

End2End Ack

Um schlafende Knoten zu erreichen, wird ein asynchrones Verfahren verwendet? Was war das?

PREAMBLE SAMPLING (BEAM)

•

Empfänger wacht kurz vor Präambelende auf

•

Empfänger wacht kurz nach Präambelstart auf

•

Wie erreicht man einen schlafenden Knoten?•

Präambel Sampling (Asynchron): Der Sender sendet eine lange Präambel, die länger als der Aufwachzyklus des Empfängers ist. Der Empfänger wacht zyklisch auf und sucht danach.

BEST CASE WORST CASE

Sender

Receiver

Preamble

Check Check

•

Weniger Idle-listening•

Viel Overemitting für die Präambel•

Provoziert Overhearing, wenn die Präambel keine Adresse beinhaltet

Sender

Receiver

Preamble

Check

Z-WAVE-PROTOKOLL-STACK

Anwendungsschicht

(Application Layer)


Transportschicht

(Transport Layer)

Sitzungsschicht

(Session Layer)

Vermittlungsschicht

(Network Layer)


(Physical Layer)

Sicherungsschicht

(Data Link Layer)

OSI-Modell

Application Layer

Network Layer(Routing,

Topologiekontrolle)

Physical Layer


Transport Layer(Retransmission, ACK,

Checksum)




Ende-zu-Ende-


Interhost-

kommunikation



Funktion

Z-WAVE RAHMENSTRUKTUR

Z-WAVE INTEROPERABILITÄT

•

Beschreibt den Gerätetyp (Slave, Controler, etc.)

•

Klassifikation der realisierten Funktion allgemein (Beleuchtung) und spezifisch (Schalter)

•

Sammlung an Befehlen, die ein Gerät verarbeiten / versenden kann

•

Basiert auf einem Server/Client-

Modell

•

Geräte werden durch die Z-Wave Allianz (ca. 160 Mitglieder) zertifiziert (Z-Wave Stack, Device & Command Classes, Einfacher Funktest)

DEVICE CLASS COMMAND CLASSES

WIRELESS HART

WIRELESSHART ÜBERSICHT

•

Basiert auf IEEE 802.15.4 PHY und modifiziertem MAC

•

Drahtlose Erweiterung des HART Protokolls

•

Frequenzband: 2.4 GHz

•

Datenrate: 250 Kbps

•

Signalmodulation: O-QPSK, DSSS

•

Buszugriff (MAC): TDMA, Frequency hopping

•

Adressierung: 64bit Adresse basierend auf der HART Unique ID

•

Topologie: Stern, Mesh, Tree –

vorzugsweise Mesh

•

Priorisieren der Nachrichten möglich

•

Sicherheit: 128 AES Verschlüsselung und Keymanagement ähnlich ZigBee

ANFORDERUNGEN IN DER PROZESSAUTOMATION

•

Große Entfernungen zu überwinden•

Stark gestörte Umgebung (Viel Stahl, Viele Störquellen (Motoren, Generatoren, etc.)

•

Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit gefordert•

Echtzeitanforderungen moderat > 100ms

2.4 GHz

Channels 11-26

2.4835 GHz

5 MHz

2.4 GHz PHY

IEEE 802.15.4 PHY FREQUENZBÄNDER

WIRELESSHART-PROTOKOLL-STACK

Anwendungsschicht

(Application Layer)


Transportschicht

(Transport Layer)

Sitzungsschicht

(Session Layer)

Vermittlungsschicht

(Network Layer)


(Physical Layer)

Sicherungsschicht

(Data Link Layer)




Ende-zu-Ende-


Interhost-

kommunikation



FunktionOSI-Modell

Application Layer

Security Layer

Network Layer

Physical Layer


IEEE 8

02.1

5.4

Wireless H

art

GERÄTETYPEN

Welche Gerätetypen gab es in Zigbee?

WIRELESS HART GERÄTETYPEN

können arbeiten als

•

Field Devices

•


•

Gateways

•

Dienen zum Austausch mit drahtgebundenen HART Netzwerken

•

Sind zwingend erforderlich

•

Network Manager

•

Verwaltet das Netzwerke

•

Mind. ein Manager pro Netzwerk, von mehreren ist nur einer aktiv

•

Nicht vorhanden: Alle Geräte müssen Routing unterstützen

FULL FUNCTION DEVICES (FFD)

72

REDUCED FUNCTION DEVICE (RFD)

WirelessHART hat recht harte Anforderungen an die Echtzeit. Welches Mehrfachzugriffsverfahren würden Sie empfehlen?

WELCHES MEHRFACHZUGRIFFSVERFAHREN?

•

TDMA -

Zeit wird in verschiedene Abschnitte unterteilt , die anforderungsgesteuert oder fest vergeben werden

•

Vergleichbar mit serieller Übertragung von Datenpaketen über ein Kabel

Zeit

1 2

Zeit

Zugriff für Nutzer 1 in Zeitschlitz 1 gestattet

Zugriff für Nutzer 2 in Zeitschlitz 2 gestattet

Zeit

TDMA – TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS

•

Feste 10ms Zeitschlitze

•

Netzwerkweite Zeitsynchronisation ist notwendig und im Protokoll

enthalten

•

Pseudozufällige Kanalwechsel zwischen den Zeitschlitzen für höhere Zuverlässigkeit (Inkl. Blacklisting von gestörten Kanälen)

•

Alle Pakete werden am Slot-Ende bestätigt (auch zur Zeitsynchronisation)

•

Slots werden durch den Netzwerk Manager vergeben

10 ms

Superframe

Chan

nel 0

Chan

nel 1

5

Chan

nel 7 Sync.

FREQUENCY HOPPING

•

Da im stark gestörten industriellen Umfeld regelmäßig bestimmte Frequenzen / Kanäle gestört sein können, hüpft man durch die Kanäle.

•

Regelmäßig gestörte Kanäle werden ausgeschlossen (Blacklisting).

WirelessHART hat recht hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Welche Topologie würden Sie empfehlen?

STERNTOPOLOGIE

•

Einfache Synchronisation•

Geringe Verzögerungen, da kein Multi-Hop

•

Kleine Reichweite / Größe

Communications Flow

Network Manager

Gateway

Field Device

MESH-TOPOLOGIE

•

Robuste (redundante) multi-hop Kommunikation

•

Netzwerk ist sehr flexibel

•

Mittlere Latenz durch Mehrfachwege

•

Zusätzlicher Overhead durch Routenfindungsalgorithmen

•

Benötigt zusätzlichen Speicher für Routingtabellen

Communications Flow

Network Manager

Gateway

Field Device

VORZUGSTOPOLOGIE

•

Für eine höhere Übertragungssicherheit sollten beim Routing mehrere alternative Wege genommen werden können

•

Vorzugsweise Mesh-Topologie

•

Aus den Verbindungen zwischen den Geräten kann der Netzwerk Manager die möglichen Routen ableiten

•

Der Netzwerk Manager verwaltet alle Routen und lädt sie in die entsprechenden Geräte auf dem Weg

•

Graph Routing: Um eine Nachricht zu routen, schreibt ein Sender die GraphID (Routen ID) in den Nachrichtenheader passend zum Empfänger

•

Source Routing: Der Sender kennt den Weg zum Empfänger und schreibt ihn in die Nachricht

•

WirelessHART: Nachrichten werden zur Sicherheit auf zwei Wegen gesendet

D

E

C

F

B

G

I

A

GRAPHROUTING /SOURCE ROUTING MIT REDUNDANTEN WEGEN

Graph A

Graph AGraph A

Route GECA

Route GECA

Route GECA

ANWENDUNGSSCHICHT

•

Benutzen die HART Device Description Language (DDL). Diese wurde mit den DDL von Profibus, Fieldbus Foundation zusammengeführt zur Electronic Device Description Language (EDDL) im IEC-Standard 61804.

•

Mit DDL beschreibt man:

•

Daten (z.B. Parameter)

•

Kommunikation (Adressierung)

•

Struktur der Bedienung

•

Vorgänge (z.B. Kalibrierung)

ISA SP100.11A

ISA SP100.11A ÜBERSICHT

•

Basiert auf IEEE 802.15.4 PHY und modifiziertem MAC

•

Frequenzband: 2.4 GHz

•

Datenrate: 250 Kbps

•

Signalmodulation: O-QPSK, DSSS

•

Buszugriff (MAC): TDMA, Frequency hopping

•

Adressierung: 64bit eindeutige Geräteadresse

•

Netzwerk und Transport-Layer basieren auf TCP, IPv6

•

Topologie: Stern, Mesh, Tree –

vorzugsweise Mesh

•

Priorisieren der Nachrichten möglich

•

Sicherheit: 128 AES Verschlüsselung und Keymanagement ähnlich ZigBee

GESCHICHTE

•

2002 Erste Vision für ein drahtloses Protokoll

•

Identifikation des Potentials für drahtloser Technologie in der Domäne

•

Identifikation der damaligen Hindernisse der Technologie

•

2003 Zusammenschluss von Industriepartnern, ein gemeinsames Protokoll zu entwickeln

•

2004 Phase 1 –

Anforderungsanalyse, Analyse von Kunden, Untersuchung vorhandener Technologien. Veröffentlichung eines hybriden Protokolls für IEEE802.15.4 mit Felddaten

•

2006 Phase 2 –

Feldtest, Prototypentwicklung

•

2007 Standardisierung

•

2007 Versuch, WirelessHART in den Standard zu integrieren

•

2009 ISA SP100.11a wird als Standard angenommen

ISA SP100.11A GERÄTETYPEN

können arbeiten als

•

Device

•


•

Routing Device

•


•

Können Nachrichten zusätzlich routen

•

System Manager

•

Kann Netzwerke formen

•

Wird pro Netzwerk von den anderen FFD gewählt

können nur eingesetzt werden als

•

Device

•


•

Können nicht routen oder das Netzwerk Koordinieren

•

Netzwerke erfordern also mindestens ein FFD

•

Einfache Implementation

FULL FUNCTION DEVICES (FFD)

REDUCED FUNCTION DEVICE (RFD)

86

BEVORZUGTE NETZWERKTOPOLOGIE: MESH

Communications Flow

System Manager / Gateway

FFD

RFD

Alternative Wege

Backbone

IPv6 Backbone

BackupGateway

SP 100.1A PERFORMANCE LEVELS

Safety Class 0 : Emergency action (always critical)

Control

Class 1: Closed loop regulatory control (often critical)

Class 2: Closed loop supervisory control (usually non-critical)

Class 3: Open loop control (human in the loop)

NOTE: Batch levels* 3 & 4 could be class 2, class 1 or even class 0, depending on function

*Batch levels as defined by ISA S88; where L3 = "unit" and L4 = "process cell"

Monitoring

Class 4: FlaggingShort-term operational consequence (e.g., event-based maintenance)

Class 5: Logging & downloading/uploadingNo immediate operational consequence (e.g., history collection, SOE, preventive maintenance)

Impo

rtan

ce o

fm

essa

ge ti

mel

ines

s in

crea

ses

ISA SP100.11A-PROTOKOLL-STACK

Anwendungsschicht

(Application Layer)


Transportschicht

(Transport Layer)

Sitzungsschicht

(Session Layer)

Vermittlungsschicht

(Network Layer)


(Physical Layer)

Sicherungsschicht

(Data Link Layer)




Ende-zu-Ende-


Interhost-

kommunikation



FunktionOSI-Modell

Application Layer

Security Layer

Network Layer

Physical Layer


IEEE 8

02.1

5.4

ISA

SP

10

0.1

1a

SP100.11a

Transport Layer

ISA SP100.11A STACK IM DETAIL

Mehrere Anwendungslayer(Anwendungen, Tunneln)

Leverages IEEE 802.15.4Standards

MAC Modifikation für höhere Zuverlässigkeit(TDMA, Frequency Hopping)

Mesh-Topologie

64bit eindeutige Geräteadressen

ANWENDUNGSSCHICHT

•

Bietet Dienste an für interoperable ISA100.11a Anwendungen:

•

Unterstützung für Gateways, um ISA100.11a Netzwerke in ein drahtgebundenes Host-System einzubinden

•

Objekt-orientierte Modellierungskonzepte, um ISA100.11a native und non-ISA100.11a native (legacy) Protokolle zu tunneln

•

Ein Objekt ist eine protokoll-, platform-

und sprachneutraler Weg, um Komponenten zu beschreiben und zu unterscheiden

91

TUNNELING

•

Erlaubt andere typische Automationsprotokolle zu tunneln

(HART, Profibus, Foundation Fieldbus, Modbus, DeviceNet)

FRAGEN

computer sciences » applied computer sciences » … · iso/iec 14543-3 / en 50090 standard...

Documents