Microsoft Word - Diploma - Stefan Zagar - lektorirana - popravljena doc

Transkripcija

1 Štefan Žagar MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMOČJO BREZŽIČNEGA OMREŽJA ZIGBEE Diplomsko delo Maribor, avgust 2009

2

3 I Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMOČJO BREZŽIČNEGA OMREŽJA ZIGBEE Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Lektor: Štefan ŽAGAR UN ŠP Elektrotehnika Avtomatika red. prof. dr. Žarko ČUČEJ Sašo GOLOB Maribor, avgust 2009

4 II

5 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.

6 IV MERJENJE ODDALJENOSTI OBJEKTOV S POMOČJO BREZŽIČNEGA OMREŽJA ZIGBEE Ključne besede: telekomunikacije, brezžična senzorska omrežja, ZigBee tehnologija, WPAN standard IEEE , identifikacija razdalje UDK: : (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 Podrobno je obravnavan standard IEEE , 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.

7 V MEASUREMENT OF DISTANCES BETWEEN OBJECTS BY WIRELESS SENSOR NETWORK ZIGBEE Key words: telecommunication, wireless sensor networks, ZigBee technology, WPAN standard IEEE , distance identification UDK: : (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 working group. The standard IEEE , 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.

8

9 VII VSEBINA 1 UVOD NAMEN IN CILJ PREGLED POSAMEZNIH POGLAVIJ DELOVNA SKUPINA IEEE WPAN STANDARDI IEEE X IN PRIPADAJOČE OPRAVILNE SKUPINE PODROBNEJŠI OPIS WPAN STANDARDA IEEE FIZIČNA PLAST MAC PODPLAST PROBLEMI KOEKSISTENČNOSTI V STANDARDU IEEE OSTALI IEEE STANDARDI IN OPRAVILNE SKUPINE ZIGBEE TEHNOLOGIJA OMREŽNA PLAST APLIKACIJSKA PLAST OMREŽNE TOPOLOGIJE ZIGBEE ALLIANCE BREZŽIČNO POVEZOVANJE IN ZIGBEE V INDUSTRIJSKIH OKOLJIH BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA KOMPONENTE BREZŽIČNEGA SENZORSKEGA VOZLIŠČA LOKALIZACIJA ČASOVNA SINHRONIZACIJA NASLAVLJANJE KONTROLIRANJE PORABE PROGRAMIRANJE IN APLIKACIJE BREZŽIČNIH SENZORSKIH OMREŽIJ BREZŽIČNA SENZORSKA OMREŽJA V PRAKSI UPORABLJENA STROJNA OPREMA XBEE MODULI PODJETJE TELARGO D.O.O TELARGO MOBILNA ENOTA JTAG EMULATOR SENZOR BLIŽINE UPORABLJENA PROGRAMSKA OPREMA X-CTU...49

10 VIII 6.2 RAZVOJNO OKOLJE CODE COMPOSER STUDIO MICROSOFT VISUAL BASIC 2008 EXPRESS EDITION PRAKTIČNI DEL RADIJSKI KANALI ZA BREZŽIČNA KOMUNIKACIJSKA OMREŽJA MERJENJE SPREJETE MOČI SIGNALA (RSSI) NAVADEN MODUL XBEE S CHIP ANTENO PRO MODUL XBEE-PRO Z WHIP ANTENO SENZOR BLIŽINE SKLEP VIRI, LITERATURA PRILOGE SEZNAM SLIK SEZNAM TABEL SEZNAM GRAFOV NASLOV ŠTUDENTA KRATEK ŽIVLJENJEPIS...89

11 IX UPORABLJENI SIMBOLI B pasovna širina c hitrost svetlobe C t izgube na kablih d razdalja med sprejemnikom in oddajnikom d 0 vrednost odvisna od antene D največja dimenzija antene f frekvenca radijsko-frekvenčnega signala f c nosilna frekvenca radijsko-frekvenčnega signala G r ojačitev sprejemne antene G t 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 P r sprejeta moč P t oddajna moč R radij Fresnelove cone Q pravokotni fazni nosilec T c čas zakasnitve Q-faznega nosilca T sis nadomestna temperatura šuma celotnega sistema τ zakasnitev prenosa λ valovna dolžina

12

13 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

14 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)

15 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 ter na njem temelječo tehnologijo ZigBee. Prav tako je namen na kratko predstaviti brezžična senzorska omrežja.

16 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 Ob tem je podrobneje predstavljen standard IEEE 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.

17 2 DELOVNA SKUPINA IEEE Delovna skupina IEEE 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 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 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 X IN PRIPADAJOČE OPRAVILNE SKUPINE IEEE 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 razredom naprav. Čeprav se je ta cilj izkazal za nedosegljiv, IEEE standard opredeli mehanizme, ki omogočajo boljše sobivanje z IEEE b razredom naprav. Prvi standard IEEE je bil zasnovan po specifikacijah Bluetooth-a verzije 1.1, medtem ko je zadnji standard iz te skupine, IEEE , 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

18 4 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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 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 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 , ki pozna več podskupin. Iz standarda IEEE a 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 c, 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.

19 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee PODROBNEJŠI OPIS WPAN STANDARDA IEEE 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 Standard IEEE 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 in ZigBee Alliance Glavni cilj standarda je enostaven, vendar učinkovit in fleksibilen protokol. Omrežje IEEE 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.

20 6 Štefan Žagar, Diplomsko delo Pomembna lastnost omrežij, zgrajenih po standardu IEEE , 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 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 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: f c = 868,3 MHz v ,8 MHz frekvenčnem pasu f c = (k 1) MHz, k = 1,...,10, v 900 MHz frekvenčnem pasu f c = (k 11) MHz, k = 11,...,26, v 2400 MHz frekvenčnem pasu Tabela 2.1: Frekvenčni pasi in prenosne hitrosti Frekvenčni pas Vrsta Čipna hitrost Simbolna Prenosna Kanal (MHz) modulacije (kchip/s) hitrost hitrost (kbit/s) ,6 0 BPSK k BPSK k , O-QPSK ,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.

21 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 7 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 b 0 -b 3, drugi simbol pa MSB bite b 4 -b 7. 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 Simbol (decimalno) (binarno b 0 -b 3 ) Čip sekvenca (c 0 -c 31 ) 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

22 8 Štefan Žagar, Diplomsko delo na pravokotni Q-fazni nosilec. Ker je modulacija O-QPSK, je Q-fazni nosilec zakasnjen za čas T c oziroma polovico čip periode glede na I-fazni nosilec. Polsinusna pulzna oblika je opisana z enačbo 2.1. πt sin, 0 t 2T p( t) = 2Tc 0, drugace c (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

23 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 9 Čip sekvenca je modulirana s pomočjo BPSK modulacije z dvignjeno kosinusno pulzno obliko. To pulzno obliko opisuje enačba 2.2. πt πt sin cos Tc Tc p( t) = 2 πt 4t 1 T T c 2 c (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

24 10 Štefan Žagar, Diplomsko delo namenjen odkrivanju bitnih napak v okvirju. Za odkrivanje bitnih napak se uporablja polinomski generator 16. reda (2.3) G ( x) = x + x + x + 1 (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 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

25 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 11 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.

26 12 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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.

27 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 13 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

28 14 Štefan Žagar, Diplomsko delo IEEE 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 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.

29 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee PROBLEMI KOEKSISTENČNOSTI V STANDARDU IEEE Tehnologije, ki temeljijo na standardu IEEE , so ene izmed mnogih tehnologij, ki delujejo v 2,4 GHz frekvenčnem območju. Takšne tehnologije so še tehnologije, ki delujejo na standardu , b in podobne. Koeksistenčne karakteristike standarda IEEE 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 , 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 OSTALI IEEE STANDARDI IN OPRAVILNE SKUPINE Opravilna skupina TG4a, ki je oblikovala standard IEEE , 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 a 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

30 16 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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 Opravilna skupina TG4b je bila ustanovljena, da poda izboljšave in pojasnila glede standarda IEEE 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.

31 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 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 CO 2 nadzor osvetljevanja, ogrevanja in hlajenja

32 18 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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

33 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 19 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 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.

34 20 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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.

35 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 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.

36 22 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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

37 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 23 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 ) 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

38 24 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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.

39 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]:

40 26 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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

41 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 27 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

42 28 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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.

43 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 29 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)

44 30 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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).

45 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 31 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.

46 32 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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:

47 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 33 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

48 34 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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.

49 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 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

50 36 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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.

51 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 37 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.

52 38 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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)

53 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)

54 40 Štefan Žagar, Diplomsko delo 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.

55 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 41 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 Telargo d.o.o., so osnovane na servisni platformi, ki združuje nabor različnih naprednih tehnologij, od sistema za globalno pozicioniranje GPS in brezžičnih komunikacij do uporabe digitalnih kartografij in različnih aplikacij. Vse to omogoča uporabnikom, da neprestano nadzorujejo in komunicirajo z oddaljenimi uslužbenci, kar omogoča učinkovito in kakovostno izvajanje poslovnih operacij, kot so napredno upravljanje z voznim parkom, vzdrževanje vozil, upravljanje s stroški, analiza procesov, izdelava poročil, zagotavljanje učinkovitosti in produktivnosti itd. Podjetje Telargo d.o.o. je že od ustanovitve usmerjeno v iskanje inteligentnih rešitev, ki uporabnikom zagotavljajo natančne informacije za pravočasne in učinkovite poslovne odločitve. S svojimi raziskovalnimi programi in tržnimi pristopi vzpostavlja nova merila kakovosti avtomatizacije, spremljanja in nadzora. Na trgu vedno nastopa z namenom izboljševanja poslovne učinkovitosti in s tem sooblikuje ter spodbuja raziskovanje novih tehnoloških možnosti. Slika 5.3: Povezave med tehnologijami, ki jih uporablja podjetje Telargo d.o.o.

56 42 Štefan Žagar, Diplomsko delo V splošnem se uporablja Telargo mobilna enota kot oprema za vozilo in Telargo kontrolni center kot internetna aplikacija. Standardno opremo za vozilo sestavlja: Telargo mobilna enota Telargo tipkovnica antene in kabli vhodno-izhodne naprave Slika 5.4: Standardna Telargo oprema za vozila 5.3 TELARGO MOBILNA ENOTA Telargo mobilna enota je naprava z ergonomsko oblikovano slušalko in uporabniku prijaznim vmesnikom. Enota ima možnosti razširitve in integracije za potrebe strank.

57 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 43 Slika 5.5: Telargo mobilna enota - zunanjost Glavne značilnosti Telargo mobilne enote so: komunikacijski vmesnik digitalni in analogni vhodi ter izhodi natančno pozicioniranje industrijski telemetrijski protokoli in diagnostika posodabljanje na daljavo velika shramba podatkov Tabela 5.2: Tehnični podatki in priključki Telargo mobilne enote Tehnični podatki dimenzije mm teža 950 g napajanje V 10 ma@24 V (spanje), tokovna poraba 250 ma@24 V (normalno delovanje) Priključki GSM FME moški GPS SMA ženski vhodno-izhodni 16-pinski Wago 734 sistemski Molex serijski/printer RJ45 ženski OBD RJ45 ženski I 2 C RJ11 6/4 ženski CAN1 in CAN2 RJ11 6/4 ženski

58 44 Štefan Žagar, Diplomsko delo Slika 5.6: Sprednja ploščica Telargo mobilne enote s priključki Najpomembnejši čip na vezju Telargo mobilne enote je 16-bitni digitalni signalni procesor, v nadaljevanju DSP (angl. Digital Signal Processor), TMS320 VC5509A-200, ki ga je razvil koncern Texas Instruments [6]. Arhitektura DSP-jev te družine je posebej prirejena za procesiranje signalov v realnem času. V kombinaciji z razpoložljivo periferijo lahko ustvarimo idealno rešitev izvedbe in kontrole določene aplikacije. GSM in GPS modul JTAG priključek CF kartica sprednja ploščica s priključki Slika 5.7: Telargo mobilna enota notranjost

59 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 45 V sklopu praktičnega dela diplomskega dela smo na Telargo mobilno enoto priključili senzor bližine, opisan v poglavju 5.5. Telargo mobilna enota je logirala vse podatke, ki so bili poslani ali sprejeti od senzorja bližine, ter jih po potrebi poslala na Telargo kontrolni center. Podrobnejši opis uporabe Telargo mobilne enote s senzorjem bližine za potrebe našega diplomskega dela smo razložili v poglavju JTAG EMULATOR Uporabljen JTAG emulator XDS510 USB je produkt podjetja Spectrum Digital [7] in je kompatibilen z JTAG emulatorji koncerna Texas Instruments, kar pomeni, da je kompatibilen tudi z razvojnim okoljem Code Composer Studio, s katerim programiramo DSP-je koncerna Texas Instruments. Takšen je tudi DSP C55x, ki je uporabljen na Telargo mobilni enoti. USB priključek JTAG priključek indikacijska LED dioda Slika 5.8: JTAG emulator in pripadajoči pini JTAG priključka JTAG emulator se na računalnik poveže preko USB priključka, preko katerega se tudi napaja, kar pomeni da je napajanje neodvisno od ciljnega sistema. Na Telargo mobilno enoto pa se povežemo preko 13-pinskega JTAG priključka, preko katerega izvajamo emulacijo. V tabeli 5.3 so opisane povezave med emulatorjem in ciljnim sistemom.

60 46 Štefan Žagar, Diplomsko delo Tabela 5.3: Povezava med emulatorjem in ciljnim sistemom Pin Signal Opis Stanje emulatorja Stanje ciljnega sistema 1 TMS izbira testnega načina izhodno vhodno 2 TRST- JTAG testni reset izhodno vhodno 3 TDI JTAG testni vhodni podatki izhodno vhodno 4 GND ozemljitev PD zaznavanje priključitve vhodno izhodno 7 TDO JTAG testni izhodni podatki vhodno izhodno 8 GND ozemljitev TCK_RET JTAG testna ura vhodno izhodno 10 GND ozemljitev TCK JTAG testna ura izhodno vhodno 12 GND ozemljitev EMU0 emulacijski pin 0 vhodno-izhodno vhodno-izhodno 14 EMU1 emulacijski pin 1 vhodno-izhodno vhodno-izhodno 5.5 SENZOR BLIŽINE Senzor bližine je produkt podjetja Telargo d.o.o. Za detekcijo in komunikacijo z ostalimi senzorji bližine uporablja navaden modul XBee. Na Telargo mobilno enoto je povezan preko serijskega/printer priključka RJ45 (moški). Kot že rečeno, je podrobnejši opis uporabe Telargo mobilne enote s senzorjem bližine razložen v poglavju 7.5. Tabela 5.4: Tehnični podatki senzorja bližine Tehnični podatki dimenzije mm teža 100 g napajanje V tokovna poraba 50 ma

61 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 47 Slika 5.9: Senzor bližine zunanjost (levo) in notranjost (desno)

62

63 6 UPORABLJENA PROGRAMSKA OPREMA Pri pisanju diplomskega dela smo uporabljali različno programsko opremo. Za osnovno testiranje in konfiguriranje XBee modulov smo uporabili X-CTU program, medtem ko smo za potrebe merjenja sprejete moči signala (RSSI) napisali svoj program s pomočjo Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition-a. Za programiranje Telargo mobilne enote smo uporabili razvojno okolje Code Composer Studio, ki je namenjeno programiranju DSP-jev koncerna Texas Instruments. 6.1 X-CTU X-CTU je brezplačen program (angl. freeware) namenjen osnovnemu testiranju in konfiguriranju XBee modulov [13]. Značilnosti X-CTU programa so: integrirano terminalsko okno z možnostjo prikaza ASCII ali heksadecimalnih znakov enostaven test dometa modulov s pomočjo povratne zanke prikaz zadnje meritve sprejete moči signala (RSSI) možnost programske nadgradnje (angl. firmware) modulov povrnitev privzetih tovarniških nastavitev modulov Program je preprost za uporabo in omogoča uporabnikom osnovno testiranje modulov samo z uporabo računalnika. X-CTU program je razdeljen na naslednje štiri zavihke: PC Settings nastavitve serijskega porta računalnika preko katerega priključimo Maxstream-ove razvojne plošče s pritrjenimi XBee moduli Range Test test dometa XBee modulov pri različnih pogojih Terminal možnost vnosa ukazov in spremljanje podatkov pri komunikaciji XBee modulov skozi terminalsko okno

64 50 Štefan Žagar, Diplomsko delo Modem Configuration nastavitve parametrov XBee modulov Slika 6.1: Zavihka X-CTU programa Range Test (levo) in Modem Configuration (desno) 6.2 RAZVOJNO OKOLJE CODE COMPOSER STUDIO Za programiranje Telargo mobilne enote se uporablja razvojno okolje Code Composer Studio [14]. Code Composer Studio IDE (angl. Integrated Development Environment) je uporabniku prijazno razvojno okolje, ki se uporablja za razvoj aplikacij osnovanih na DSP-jih TMS320 koncerna Texas Instruments. Razvojno okolje omogoča razvijalcem kreiranje projektov, kodiranje v C/C++ in TI zbirnem jeziku, razhroščevanje (angl. debugging) ter realnočasovno analiziranje aplikacij. Glavna orodja Code Composer Studio-ja so prevajalnik (angl. compiler), zbirnik (angl. assembler) in povezovalnik (angl. linker) programskega jezika C/C++. Prav tako je v okolje integriran urejevalnik kode in razhroščevalnik.

65 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 51 orodne vrstice projektno okno glavno okno za urejanje kode - združen pogled C in TI zbirnega jezika pomnilniško okno okno z informacijami o prevajanju programa, GEL podatki itd. okno z vpogledom v registre procesorja in periferije okno za sledenje spremenljivk Slika 6.2: Razvojno okolje Code Composer Studio Glavne značilnosti razvojnega okolja Code Composer Studio: možnost uporabe kode, napisane v C/C++ ali TI zbirnem jeziku vpogled v pomnilnik (angl. memory) in on-the-fly spreminjanje realnočasovno razhroščevanje z opazovalnimi okni in osvežitvami na originalni izvorni kodi, ki omogoča preskakovanje kode in postavljanje programskih ter hardverskih ustavitvenih točk (angl. breakpoints)

66 52 Štefan Žagar, Diplomsko delo vpogled in spreminjanje CPU ter perifernih registrov zmožnost prikaza podatkov v grafih GEL (angl. General Extension Language) sposobnosti, ki uporabniku omogočajo kreiranje funkcij, ki razširja uporabnost Code Composer Studio-ja Code Composer Studio omogoča ustavitvene točke, ki nam omogočajo ustavitev delovanja programa v določeni točki programske kode. Na ta način lahko izvemo v kakšnem stanju so procesor, vrednosti spremenljivk in registrov ter lahko zelo hitro odkrivamo neodkrite programske hrošče. 6.3 MICROSOFT VISUAL BASIC 2008 EXPRESS EDITION Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition je del Microsoftovega razvojnega sistema Microsoft Visual Studio 2008 Express Editions [15]. Microsoft Visual Studio Express je zbirka brezplačnih razvojnih orodij za učinkovito ustvarjanje objektno usmerjenih aplikacij za okolje Windows na ogrodju.net Framework. Prav tako je tudi zmogljivo in prilagodljivo razvojno okolje, ki pomaga razvijalcem programske opreme premagovati raznolike izzive in ustvarjati inovativne rešitve. Express izdaja je okleščena in poenostavljena izdaja celotnega razvojnega sistema Miscrosoft Visual Studio in je namenjena manj zahtevnim uporabnikom. Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition je razvojno okolje za hiter razvoj aplikacij (RAD - angl. Rapid Application Development). Visual Basic je programski jezik, ki je razmeroma enostaven za učenje in uporabo. Ker vsebuje veliko knjižnic za gradnjo grafičnih vmesnikov, je zelo priljubljeno orodje za razvoj aplikacij z grafičnim uporabniškim vmesnikom. Prav tako omogoča možnost dostopa do podatkovnih zbirk in oblikovanje kontrolnikov ActiveX. S pomočjo Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition-a smo napisali poseben program, imenovan Merjenje RSSI vrednosti, s katerim smo izvajali merjenje sprejete moči signala (RSSI). Podrobnejši opis programa se nahaja v poglavju 7.2.

67 7 PRAKTIČNI DEL V praktičnem delu diplomskega dela bomo podrobno predstavili merjenje sprejete moči signala (RSSI) na modulih XBee pri določenih razdaljah na različnih lokacijah. Prav tako bomo opisali rezultate merjenj s senzorjem bližine in predstavili delovanje senzorja bližine na praktičnem primeru. V naslednjem poglavju pa bomo najprej razložili ozadje radijskih kanalov za brezžična komunikacijska omrežja. 7.1 RADIJSKI KANALI ZA BREZŽIČNA KOMUNIKACIJSKA OMREŽJA Zmogljivosti, kot so domet, kvaliteta in hitrost prenosa podatkov brezžičnih komunikacijskih omrežij, so močno odvisne od radijskih kanalov, uporabljenih za komunikacijo. Oddajna antena pretvori radijsko-frekvenčni signal v elektromagnetno valovanje. Pri tem je zelo pomembna ekvivalentna izotropična oddajna moč EIRP (angl. Effective Isotropic Radiated Power), ki je enaka oddajni moči minus izgube na kablih plus ojačitev oddajne antene: EIRP = P C + G (7.1) t t t kjer je: P t - oddajna moč v dbm, C t - izgube na kablih v db, G t - ojačitev oddajne antene v dbi, ki je odvisna od konstrukcije in smeri postavitve oddajne antene Najosnovnejši model za opis širjenja radijsko-frekvenčnega signala je takoimenovani model v praznem prostoru (angl. free space model), kjer merimo moč sprejetega signala pri predpostavki, da se oddajnik in sprejemnik vidita (angl. in line of sight) oziroma sta v coni, kjer ni ovir. Takšno območje imenujemo Fresnelova cona in ima radij R (v metrih):

68 54 Štefan Žagar, Diplomsko delo 1 R = λd (7.2) 2 kjer je: d - razdalja med sprejemnikom in oddajnikom v metrih, λ - valovna dolžina ( λ = frekvenca radijsko-frekvenčnega signala c f ) v metrih, kjer je c hitrost svetlobe in f Slika 7.1: Fresnelova cona V Fresnelovi coni moč oddajnega signala pada z 20 decibeli na dekado. Če so v območju ovire, se lahko pojavijo nekatere zadušitve, prikazane v tabeli 7.1 [1]. Tabela 7.1: Povprečna zadušitev nekaterih materialov pri frekvenci signala 2,4 GHz Material Zadušitev (db) okno 3 tla ali strop zid (lesen) 10 zid (betonski) Sprejeta moč pri razdalji d med oddajnikom in sprejemnikom je opisana z Friisovo praznoprostorsko enačbo 7.3, ki velja za razdalje d d0, kjer je največjo dimenzijo antene. 2 2D d 0 = λ. D predstavlja

69 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 55 P r P G G λ P G G λ 2 2 t t r t t r 0 = = 2 n 2 n ( 4π ) d L (4π ) d0 L d d n (7.3) kjer je: P r - sprejeta moč v mw, P t - oddajna moč v mw, G t - ojačitev oddajne antene, G r - ojačitev sprejemne antene, λ - valovna dolžina ( λ = frekvenca radijsko-frekvenčnega signala, c f ) v metrih, kjer je c hitrost svetlobe in f d - razdalja med sprejemnikom in oddajnikom v metrih, 2 2D d 0 - vrednost odvisna od antene ( d 0 = λ največja dimenzija antene, ) v metrih, kjer je D n - vrednost odvisna od prostora v katerem se širi radijsko-frekvenčni signal. Ponavadi med vrednostmi 2 (prazen prostor) in 5 (okolje z veliko ovirami). Redko lahko pade tudi pod 2 (v koridorjih), L - izgubni faktor Pri predpostavki, da je P 0 sprejeta moč pri razdalji enega metra med sprejemnikom in oddajnikom, lahko zapišemo poenostavljeno enačbo 7.5 (v decibelih): P 2 Pt Gt Gr λ ( 4π ) L 0 = 2 (7.4) P r = P 10 0 nlogd (7.5) Ker je n v praznem prostoru enak 2, lahko iz tega razložimo zakaj moč oddajnega signala pada z 20 decibeli na dekado. Neželeni signali, ki se pojavijo pri komunikaciji, tudi vplivajo na moč sprejetega signala. Neželene signale delimo na motnje in šume. Motnje povzročajo drugi uporabniki enakih ali podobnih vrst komunikacijskih zvez, medtem ko so šumi naravna omejitev zvez in so vedno prisotni. Celotna šumna moč na radijski zvezi je vsota moči vseh posameznih virov

70 56 Štefan Žagar, Diplomsko delo šuma na poti od nastanka koristnega signala do izhoda iz zadnje stopnje sprejemne naprave. Sprejem je dober le, če je razmerje med močjo koristnega signala in močjo šuma dovolj veliko. Za enako dober sprejem je to razmerje pri različnih vrstah modulacije različno. Kvaliteto sprejetega signala merimo z razmerjem signal/šum SNR: P P r SNR = (7.6) n P = n ktsysb (7.7) kjer je: k - Boltzmannova konstanta (1, J/K), B - pasovna širina v Hz, T sys - nadomestna temperatura šuma celotnega sistema v K K šumu največ pripomore termični šum sprejemnika, nezanemarljivi pa so tudi elektrostatični šum na anteni, atmosferski absorpcijski šum in industrijski šum. Če se sprejemnik in oddajnik vidita, je zakasnitev prenosa enaka d τ =, kar je približno 3d c nanosekund. V primeru, ko se ne vidita, se signal lahko odbija od različnih objektov v prostoru in pride do sprejemnika po večih poteh. Temu pojavu pravimo multipath efekt. Slika 7.2: Multipath efekt

71 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 57 Vsaka multipath komponenta signala je določena z amplitudo in fazo. Z večanjem razdalje med sprejemnikom in oddajnikom amplituda pada po Rayleighovi porazdelitvi. Pri fazah se lahko zgodi, da sta si fazi dveh signalov nasprotni. V tem primeru se pojavi medsebojno izključevanje, kar pomeni, da komunikacija med sprejemnikom in oddajnikom ni mogoča. V nasprotnem primeru, ko se faze dveh signalov pokrivajo, prihaja do ojačitve signala. Vsak radijski kanal lahko opišemo z impulznim odzivom. Na sliki 7.3 lahko vidimo več oddanih impulzov, ki se prekrivajo, ko dosežejo sprejemnik. Slika 7.3: Prekrivanje signalov na sprejemniku zaradi multipath efekta Časovno razliko med prvim in zadnjim sprejetim signalom imenujemo razširjenost zakasnitve (angl. delay spread). RMS (angl. Root Mean Square) razširjenost zakasnitve določa, kako veliko je to prekrivanje. Te vrednosti naraščajo z razdaljo med sprejemnikom in oddajnikom, prav tako so večje za notranje prostore. Na širjenje radijsko-frekvenčnega signala vpliva še več drugih dejavnikov, kot so odbojnost površin, difrakcija, razpršitev signala in Dopplerjev pojav pri premikajočih se objektih.

72 58 Štefan Žagar, Diplomsko delo Slika 7.4: Vplivi na širjenje radijskega signala: (a) odbojnost, (b) difrakcija, (c) razpršitev 7.2 MERJENJE SPREJETE MOČI SIGNALA (RSSI) Za naša ZigBee vozlišča smo uporabili navadne module XBee s chip anteno in pro module XBee-PRO z whip anteno. Te module smo pritrdili na Maxstream-ove razvojne plošče. Za merjenje sprejete moči signala (RSSI) smo uporabili dve razvojni plošči, vsako s svojim XBee modulom. Prva razvojna plošča (v nadaljevanju bazno vozlišče) je bila priključena na prenosni računalnik in je v ZigBee omrežje pošiljala testne podatke. Na drugi razvojni plošči (v nadaljevanju oddaljeno vozlišče) smo naredili povratno zanko (angl. loopback), ki je sprejete podatke pošiljala nazaj v ZigBee omrežje. Te podatke smo nato lovili na baznem vozlišču. Slika 7.5: Merjenje sprejete moči signala (RSSI) s pomočjo povratne zanke Zraven Maxstream-ovih razvojnih plošč in XBee modulov je bil dodan tudi program X-CTU (opisan v poglavju 6.1) za osnovno preverjanje delovanja in testiranje dometa XBee modulov. Za naše potrebe ta program ni bil dovolj dober, zato smo napisali svoj program v Microsoft Visual Basic 2008 Express Edition-u (opisan v poglavju 6.3).

73 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 59 Program smo poimenovali Merjenje RSSI vrednosti, saj smo merili sprejeto moč signala (RSSI) na baznem vozlišču pri različni oddaljenosti oddaljenega vozlišča. Program Merjenje RSSI vrednosti ima naslednje možnosti: izbira serijskega porta na računalniku preko katerega priključimo Maxstream-ove razvojne plošče s pritrjenimi XBee moduli določitev testnega paketa nastavitev števila testnih paketov v enem ciklu merjenja nastavitev časa med testnim paketom in zadnjim ukazom izbira začetka cikla merjenja in možnost njegove ustavitve Slika 7.6: Program Merjenje RSSI vrednosti S programom se povežemo na XBee module preko serijske povezave, ki ima sledeče nastavitve: baudna hitrost: 9600 bit/s podatkovni biti: 8 pariteta: brez zaustavitveni bit: 1

74 60 Štefan Žagar, Diplomsko delo Preden smo začeli meriti sprejeto moč signala (RSSI) na XBee modulih, smo vsem modulom povrnili tovarniške nastavitve. Za komuniciranje z moduli se uporabljajo AT ukazi, ki so značilni za komuniciranje z modemi. AT ukazi za XBee module se začnejo z sekvenco dveh črk AT, nakar sledi specifičen ukaz, ki ga želimo izvesti. Za pridobitev RSSI vrednosti uporabljamo ukaz ATDB. Da lahko uporabljamo AT ukaze, se mora XBee modul nahajati v ukaznem načinu. Preklop v ukazni način je mogoč z ukazom +++. Z ukazom ATCN pa zapustimo ukazni način. Oba ukaza (+++ in ATCN) vrneta OK, če sta bila uspešno izvedena. Ukaz ATDB vrne RSSI vrednost v heksadecimalni obliki v območju od 0 do 64 oziroma če to pretvorimo v decimalno obliko, v območju od 0 do 100. Ker ukaz ATDB vrne RSSI vrednost za prejšnji poslan podatek, moramo najprej poslati nek testni podatek, nakar šele lahko poizvedujemo po RSSI vrednosti. Celotna sekvenca programa izgleda nekako takole: Pošljemo podatek (Testni podatek...) Čakamo na sprejem podatka (Testni podatek...) Pošljemo ukaz za prehod v ukazni način (+++) Čakamo na sprejem (OK) Pošljemo AT ukaz za pridobitev RSSI vrednosti (ATDB) Čakamo na sprejem RSSI vrednosti (34) Pošljemo AT ukaz za izhod iz ukaznega načina (ATCN) Čakamo na sprejem (OK) Ta sekvenca se ponavlja glede na nastavljeno število testnih paketov v enem ciklu merjenja. Čas, ki je potreben, da se izvede celotna sekvenca, je odvisen od nastavitve časa med testnim paketom in zadnjim ukazom. Za našo merjenje RSSI vrednosti je bilo zelo pomembno, da lahko program logira vse poslane in sprejete podatke, zato smo to funkcionalnost tudi sprogramirali. Prav ta funkcionalnost je bila ključna za enostavno in uspešno analizo pridobljenih podatkov, s pomočjo katerih je mogoče določiti razdaljo med dvema moduloma. Podatke smo logirali v dveh vrstah datotek. Ena datoteka je logirala vse podatke, ki so bili na voljo in smo jih zapisovali v CSV (angl. Comma Separated Values) formatu, saj jih je tako lažje urejati. Druga datoteka pa je logirala samo izmerjene RSSI vrednosti v tekstovni obliki. Podatki v drugi datoteki so bili zapisani tudi v prvi datoteki, vendar smo zaradi hitrejšega in bolj enostavnega dostopa za nas zanimivih podatkov logirali še na tak način.

75 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 61 Slika 7.7: Primer logirane datoteke v formatu CSV original (levo) in urejena (sredina) ter primer datoteke, ki je logirala samo RSSI vrednosti v tekstovni obliki (desno) Meritve smo izvajali pri določenih razdaljah na različnih lokacijah. Razdalje pri katerih smo izvajali meritve smo si izbrali glede na specifikacije samih modulov. Na odprtem prostoru smo meritve izvajali na stadionu, saj je zelo primeren za enostavno merjenje razdalj. Stadion je zelo primeren tudi zaradi pomankanja ovir, ki bi vplivale na naše meritve. Zanimal nas je tudi vpliv stavb na naše meritve na odprtem prostoru, zato smo merili okrog vogala stavbe. Modul je bil odmaknjen približno 10 cm od stene stavbe, razdalja med moduli pa je bila zračna linija med samimi moduli. Za notranji prostor smo izbrali hodnik brez vmesnih sten dolžine 60 m in širine 3 m. Merili pa smo tudi v stavbi z betonskimi zidovi. Vsi moduli so bili pritrjeni na stojalu višine 50 cm. Zaradi različnih RSSI vrednosti, ki smo jih dobivali pri merjenju na neki določeni razdalji, smo za našo dokončno meritev na neki razdalji izračunali povprečno RSSI vrednost iz 50 zaporednih merjenj. Čas med ukazom za pridobitev RSSI vrednosti in pošiljanjem testnega podatka je bil 2 sekundi.

76 62 Štefan Žagar, Diplomsko delo 7.3 NAVADEN MODUL XBEE S CHIP ANTENO Merjenje sprejete moči signala (RSSI) smo izvajali na dveh navadnih modulih XBee s chip anteno. Poimenovali smo ju Regular 1 in Regular 2. Vsi grafi v tem poglavju so za modul Regular 2, medtem ko so meritve za modul Regular 1 v prilogi. Vse RSSI vrednosti so v decimalni obliki zaradi lažjega računanja. Na odprtem prostoru smo izvajali meritve na razdaljah 0,5 m, 1 m, 2 m, 3 m, 5 m, 10 m, 20 m, 30 m, 50 m in 70 m Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Graf 7.1: RSSI vrednosti modula Regular 2 pri različnih razdaljah na odprtem prostoru od leve proti desni: 0,5 m, 1 m, 2 m, 3 m, 5 m in 10 m

77 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Graf 7.2: RSSI vrednosti modula Regular 2 pri različnih razdaljah na odprtem prostoru od leve proti desni: 20 m, 30 m, 50 m in 70 m Iz grafov je razvidno, da je delovno območje oziroma domet navadnih modulov XBee s chip anteno okoli 70 m. Na razdalji 70 m modul Regular 1 ni uspešno sprejel nobenega testnega podatka, medtem ko je modul Regular 2 uspešno sprejel samo 5 (10%) testnih podatkov. Za grafe, ki prikazujejo RSSI vrednosti v odvisnosti od razdalje, smo pri določeni razdalji za RSSI vrednost vzeli povprečje 50 meritev.

78 64 Štefan Žagar, Diplomsko delo Razdalja [m] Meritve Friis Log. (Meritve) Graf 7.3: RSSI vrednosti modula Regular 2 v odvisnosti od razdalje na odprtem prostoru Na grafu 7.3 so naše meritve označene s točkami, točke pa so povezane z ravnimi črtami. Tem meritvam je dodana logaritmična krivulja (angl. logarithmic trendline), ki se jim najbolj prilega. Prav tako je dodana Friisova krivulja pri oddajni moči 1 mw, kajti takšna je tudi oddajna moč navadnih modulov XBee. Iz grafa je razvidno, da se z večanjem razdalje zmanjšuje sprejeta moč signala (RSSI). Prav tako opazimo odstopanje od Friisove krivulje. Odstopanje je pričakovano, saj Friisova krivulja predstavlja odvisnost RSSI vrednosti od razdalje v idealnih pogojih v praznem prostoru brez izgub. Odstopanja so se pojavila tudi zaradi odbojnosti tal, od katerih se je radijsko-frekvenčni signal odbijal. Pojavil se je takoimenovan multipath efekt. Multipath efekt je povzročil, da imamo enake RSSI vrednosti pri različnih razdaljah med moduloma. Velik vpliv ima predvsem na meritve pri manjših razdaljah. Zaradi tega pri manjših razdaljah ni mogoče zanesljivo določanje razdalje med moduloma. Pri večjih razdaljah pa je multipath efekt zanemarljiv, kar pomeni da so naše meritve dovolj dobre za določanje razdalje med moduloma. Ko smo merili na odprtem prostoru okoli vogala stavbe, so bile meritve zelo slabe, saj navaden modul XBee s chip anteno ni več uspešno pošiljal testnih podatkov že pri 5 m zračne linije.

79 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee Število meritev Število meritev Graf 7.4: RSSI vrednosti modula Regular 2 na razdalji 1 m (levo) in 2 m (desno) okoli vogala stavbe V zaprtem prostoru, v našem primeru na hodniku, smo izvajali meritve na razdaljah 0,5 m, 1 m, 2 m, 3 m, 5 m, 10 m, 20 m, 30 m in 50 m. Meritev na razdalji 70 m ni bila mogoča, saj hodnik ni bil dovolj dolg Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Graf 7.5: RSSI vrednosti modula Regular 2 pri različnih razdaljah v zaprtem prostoru od leve proti desni: 0,5 m, 1 m, 2 m in 3 m

80 66 Štefan Žagar, Diplomsko delo Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Graf 7.6: RSSI vrednosti modula Regular 2 na različnih razdaljah v zaprtem prostoru od leve proti desni: 5 m, 10 m, 20 m, 30 m in 50 m Multipath efekt je imel zelo velik vpliv, ko smo meritve izvajali na hodniku, saj se je signal odbijal od tal, obeh sten in stropa, kar se je pokazalo v zelo različnih RSSI vrednostih glede na razdaljo med moduloma.

81 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee Razdalja [m] Meritve Friis Log. (Meritve) Graf 7.7: RSSI vrednosti modula Regular 2 v odvisnosti od razdalje v zaprtem prostoru Iz grafa 7.7 lahko sklepamo, da je določanje razdalje glede na RSSI vrednost v notranjosti stavb zelo težavno oziroma skoraj nemogoče, saj ima multipath efekt prevelik vpliv na RSSI vrednosti. Zadnje meritve smo izvajali v stavbi z betonskimi zidovi. Preverjali smo vpliv betonskih zidov na naše meritve. Število meritev Število meritev Graf 7.8: RSSI vrednosti modula Regular 2 na razdalji 5 m v zaprtem prostoru, merjeno skozi en (levo) oziroma dva betonska zidova (desno)

82 68 Štefan Žagar, Diplomsko delo Meritve smo izvajali samo na razdalji 5 m skozi en oziroma dva betonska zidova, saj na razdalji 10 m skozi tri betonske zidove ni bilo več nobenega uspešno poslanega testnega podatka. Kot lahko vidimo, imajo betonski zidovi velik vpliv na naše meritve, saj je navadni modul XBee s chip anteno, ki je komuniciral skozi dva betonska zidova, testne podatke pošiljal le delno uspešno (66%). 7.4 PRO MODUL XBEE-PRO Z WHIP ANTENO Pro modula XBee-PRO z whip anteno smo poimenovali Pro 1 in Pro 2. Pro moduli imajo večjo oddajno moč, zato so bile izbrane razdalje za meritve drugačne kot pri navadnih modulih. Vsi grafi v tem poglavju so za modul Pro 2, medtem ko so meritve za modul Pro 1 v prilogi. Tudi tukaj so vse RSSI vrednosti v decimalni obliki, zaradi lažjega računanja. Na odprtem prostoru smo izvajali meritve na razdaljah 1 m, 2 m, 5 m, 10 m, 20 m, 30 m, 50 m, 100 m in 175 m. 175 m je bila največja mogoča razdalja na stadionu, ki ni imela skoraj nobenih ovir za motenje signala Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Graf 7.9: RSSI vrednosti modula Pro 2 pri različnih razdaljah na odprtem prostoru od leve proti desni: 1 m, 2 m, 5 m in 10 m

83 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Graf 7.10: RSSI vrednosti modula Pro 2 pri različnih razdaljah na odprtem prostoru od leve proti desni: 20 m, 30 m, 50 m, 100 m in 175 m Iz grafov je razvidno, da je pro modul pri razdalji 175 m še vedno uspešno pošiljal testne podatke. Vidi se celo, da je sprejeta moč signala (RSSI) še vedno velika, iz česar lahko sklepamo, da je domet pro modulov dosti večji od navadnih modulov.

84 70 Štefan Žagar, Diplomsko delo Razdalja [m] Meritve Friis Log. (Meritve) Graf 7.11: RSSI vrednosti modula Pro 2 v odvisnosti od razdalje na odprtem prostoru Podobno kot pri nekaterih prejšnjih grafih so tudi na grafu 7.11 naše meritve označene s točkami, točke pa povezane z ravnimi črtami. Tem meritvam je dodana logaritmična krivulja (angl. logarithmic trendline), ki se jim najbolj prilega. Prav tako je dodana Friisova krivulja pri oddajni moči 100 mw, kajti takšna je tudi oddajna moč pro modulov XBee-PRO. Pri analizi meritev za pro module pridemo do podobnega zaključka kot pri navadnih modulih. Tudi pri pro modulih se z večanjem razdalje zmanjšuje sprejeta moč signala (RSSI). Prav tako lahko opazimo odstopanje od Friisove krivulje. Razlogi za odstopanje so podobni kot pri navadnih modulih. Pri različnih razdaljah se pojavljajo enake RSSI vrednosti, ki so posledica multipath efekta. Tudi tukaj ima multipath efekt velik vpliv, predvsem na meritve pri manjših razdaljah. Zaradi tega, ni mogoče zanesljivo določanje razdalje med moduloma pri manjših razdaljah. Pri večjih razdaljah pa je multipath efekt zanemarljiv, kar pomeni da so naše meritve dovolj dobre za določanje razdalje med moduloma. Ko smo merili na odprtem prostoru okoli vogala stavbe, so bile meritve slabe, vendar boljše kot pri navadnih modulih. Največja zračna razdalja, pri kateri smo merili, je bila 10 m.

85 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Graf 7.12: RSSI vrednosti modula Pro 2 pri različnih razdaljah na odprtem prostoru okoli vogala stavbe od leve proti desni: 1 m, 2 m, 5 m in 10 m V zaprtem prostoru, v našem primeru na hodniku, smo izvajali meritve na razdaljah 1 m, 2 m, 3 m, 5 m, 10 m, 20 m, 30 m in 50 m. Podobno kot pri navadnih modulih meritev na razdalji 70 m ni bila mogoča, saj hodnik ni bil dovolj dolg Število meritev Število meritev Graf 7.13: RSSI vrednosti modula Pro 2 na razdalji 1m (levo) in 2 m (desno) v zaprtem prostoru

86 72 Štefan Žagar, Diplomsko delo Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Število meritev Graf 7.14: RSSI vrednosti modula Pro 2 pri različnih razdaljah v zaprtem prostoru od leve proti desni: 3 m, 5 m, 10 m, 20 m, 30 m in 50 m Podobno kot pri navadnih modulih je tudi tukaj multipath efekt zelo vplival na naše meritve. Ker smo meritve izvajali na hodniku, se je signal odbijal od tal, obeh sten in stropa, kar se je pokazalo v zelo različnih RSSI vrednostih glede na razdaljo med moduloma. Pri meritve na razdalji 50 m je RSSI vrednost celo nad Friisovo krivuljo, kar pomeni, da je vrednost n, ki je odvisna od prostora v katerem se širi, padla pod 2 (vrednost za prazen prostor).

87 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee Razdalja [m] Meritve Friis Log. (Meritve) Graf 7.15: RSSI vrednosti modula Pro 2 v odvisnosti od razdalje v zaprtem prostoru Enak sklep kot pri navadnih modulih lahko zapišemo tudi tukaj. Določanje razdalje glede na RSSI vrednost v notranjosti stavb je zelo težavno oziroma skoraj nemogoče, saj ima multipath efekt prevelik vpliv na RSSI vrednosti. Zadnje meritve smo izvajali v stavbi z betonskimi zidovi. Preverjali smo vpliv betonskih zidov na naše meritve. Meritve smo izvajali na razdalji 5 m skozi en oziroma dva betonska zidova ter na razdalji 10 m skozi tri betonske zidove Število meritev Število meritev Graf 7.16: RSSI vrednosti modula Pro 2 na razdalji 5 m v zaprtem prostoru, merjeno skozi en (levo) oziroma dva betonska zidova (desno)

88 74 Štefan Žagar, Diplomsko delo Število meritev Graf 7.17: RSSI vrednosti modula Pro 2 na razdalji 10 m v zaprtem prostoru, merjeno skozi tri betonske zidove Tudi pri pro modulih imajo betonski zidovi velik vpliv na naše meritve, vendar pa se pri teh meritvah pozna večja oddajna moč pro modulov, saj so bile RSSI vrednosti dosti višje. Prav tako so bile možne tudi meritve čez 3 betonske zidove na razdalji 10 m, medtem ko pri navadnih modulih to ni bilo mogoče. 7.5 SENZOR BLIŽINE Senzor bližine, ki je s Telargo mobilno enoto povezan preko serijskega/printer priključka, smo prav tako potestirali na stadionu. Meritve smo opravljali samo na odprtem prostoru, saj smo iz prejšnjih merjenj v zaprtih prostorih ugotovili, da je merjenje v zaprtih prostorih zelo odvisno od postavitve sten in velikosti prostorov, kar pa onemogoča realno določanje razdalje med moduloma glede na izmerjene RSSI vrednosti. Senzor bližine uporablja navadni modul XBee za komuniciranje in detekcijo ostalih modulov v svoji bližini. Signal senzorja bližine oziroma navadnega modula XBee je omejen s slabilnikom ter uporabo usmerjene keramične antene. Območje delovanja oziroma domet senzorja bližine je še dodatno omejeno s kovinskim oklopom, ki je namenjeno radijsko-frekvenčni izolaciji modula ter slabilnika. Na ta način je sipanje signala na zadnji strani senzorja bližine manjše.

89 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee 75 Slika 7.8: Komuniciranje dveh senzorjev bližine Programska koda, ki smo jo napisali za potrebe delovanja senzorja bližine, je le del celotne kode, ki se izvaja na Telargo mobilni enoti. V tem poglavju bomo opisali samo osnovno delovanje senzorja bližine in del naše programske kode, ki se nahaja v prilogi. Telargo mobilna enota preko svojega serijskega/printer porta pošilja AT ukaze senzorju bližine. Nastavitve serijske povezave so enake kot pri povezovanju s programom Merjenje RSSI vrednosti (poglavje 7.2). Ko priključimo senzor bližine na Telargo mobilno enoto, se senzor bližine najprej skonfigurira. Programsko kodo za Telargo mobilno enoto smo napisali tako, da priključitev senzorja bližine deluje na principu priključi-in-uporabi (angl. plug&play). Če se senzor bližine pravilno skonfigurira, se na določeno časovno periodo (okoli 10 sekund) pošilja ukaz +++, ki preklopi senzor bližine v ukazni način. Če senzor bližine na ukaz +++ vrne OK, sklepamo da je senzor bližine priključen na Telargo mobilno enoto. V nasprotnem primeru po določenem številu neuspešnih prehodov v ukazni način predpostavimo, da je bil senzor bližine odključen in čakamo na ponovno priključitev. Za pridobivanje RSSI vrednosti uporabljamo drug AT ukaz kot v programu Merjenje RSSI vrednosti, saj želimo zaznati vse ostale oddaljene senzorje bližine oziroma module XBee, ki so v območju delovanja našega senzorja bližine. Zato uporabljamo ukaz ATDN, ki detektira vse module XBee (v našem primeru so to oddaljeni senzorji bližine) v svojem območju, ki so na istem kanalu in PAN (angl. Personal Area Network) ID-ju našega modula XBee oziroma senzorja bližine. ATDN ukaz vrne izpis v obliki: MY<nova vrstica> - 16-bitni naslov detektiranega senzorja bližine SH<nova vrstica> - serijska številka detektiranega senzorja bližine (zgornja) SL<nova vrstica> - serijska številka detektiranega senzorja bližine (spodnja) DB<nova vrstica> - sprejeta moč signala (RSSI) NI<nova vrstica><nova vrstica> - identifikator detektiranega senzorja bližine

90 76 Štefan Žagar, Diplomsko delo Celotna sekvenca za detekcijo oddaljenih senzorjev bližine izgleda nekako takole: Pošljemo ukaz za prehod v ukazni način (+++) Čakamo na sprejem (OK) Pošljemo AT ukaz za detektiranje vseh XBee modulov v svojem območju (ATDN) Čakamo na sprejem vseh detektiranih XBee modulov (0 13A ACC97 3F 3103 PLANT) Pošljemo AT ukaz za izhod iz ukaznega načina (ATCN) Čakamo na sprejem (OK) Ta sekvenca se ponavlja tako dolgo, dokler je senzor bližine priključen na Telargo mobilno enoto. Meritve smo izvajali na stadionu na razdaljah 0,5 m, 1 m, 2 m, 3 m, 4 m, 5 m, 7 m, 10 m in 20 m. Ker imajo senzorji bližine omejeno območje delovanja, smo meritve izvajali pri različnih položajih oddaljenega senzorja bližine. Senzorja bližine sta bila pritrjena na stojalu višine 50 cm. Slika 7.9: Različni položaji senzorja bližine, pri katerih smo izvajali meritve Zaradi različnih RSSI vrednosti, ki smo jih dobivali pri merjenju na določeni razdalji, smo za našo dokončno meritev na neki razdalji izračunali povprečno RSSI vrednost 15 zaporednih meritev. Potrebe po večjem številu meritev ni, saj nas zanima samo, če je oddaljeni senzor bližine v našem območju delovanja ali ne. Vse meritve se nahajajo v prilogi, tukaj bomo predstavili samo povprečne RSSI vrednosti v odvisnosti od razdalje.

91 Merjenje oddaljenosti objektov s pomočjo brezžičnega omrežja ZigBee Meritve Log. (Meritve) Meritve Log. (Meritve) Razdalja [m] Razdalja [m] Meritve Log. (Meritve) Meritve Log. (Meritve) Razdalja [m] Razdalja [m] Graf 7.18: RSSI vrednosti senzorja bližine v odvisnosti od razdalje v različnih položajih od leve proti desni: položaj 1, položaj 2, položaj 3 in položaj 4 Kot lahko razberemo iz grafov, je območje senzorja bližine rahlo omejeno na levo in desno stran (približno 10 m) in zadnjo stran (približno 7 m). Največjo oddajno moč ima senzor bližine direktno iz sprednje strani (približno 15 m), kar je bilo tudi za pričakovati, saj je bil tako tudi osnovan. Kot primer uporabe senzorja bližine v podjetju Telargo d.o.o., bomo opisali uporabo senzorja bližine v podjetju Unibeton Ready Mix [12] v Dubaju (ZAE), ki se ukvarja z gradbeništvom. V tem podjetju se senzorji bližine uporabljajo pri prevozu betona od izdelovalnic do črpalk betona, kjer se ta beton uporablja za gradnjo. V bližini, kjer se v in iz vozil (hrušk) črpa beton, so na posebnih stojalih pritrjeni senzorji bližine. Prav tako so senzorji bližine pritrjeni na hruške, ki prevažajo beton. Ko senzor bližine, pritrjen na hruško, preide v območje senzorja bližine, ki je pritrjen v bližini izdelovalnice ali črpalke betona, se senzorja bližine medsebojno detektirata. Na takšen način lahko določimo, da je hruška v nekem območju izdelovalnice ali črpalke betona. Med vsemi detektiranimi senzorji bližine pa so mogoče tudi detekcije, ki za nas niso pomembne. Recimo če senzor bližine na eni hruški detektira senzor bližine na drugi hruški. Da se izognemu takšnim

92 78 Štefan Žagar, Diplomsko delo situacijam, ima vsak senzor bližine unikatni identifikator, ki se pošlje pri vsaki detekciji oddaljenega senzorja bližine (primer - vrstica NI: 3103 PLANT). Vsak unikatni identifikator je sestavljen iz ID-ja Telargo mobilne enote (3103) in vrste senzorja bližine (PLANT). V našem primeru imamo tri vrste senzorjev bližine. To so izdelovalnica betona (PLANT), črpalka betona (PUMP) in hruška (VEHICLE). Za nas zanimive detekcije so samo detekcije PLANT-VEHICLE in PUMP-VEHICLE. Prav tako se lahko zgodi, da senzor bližine, pritrjen v bližini izdelovalnice ali črpalke betona, zazna več hrušk. V tem primeru izberemo tisto vozilo, ki ima največjo RSSI vrednost (vrstica DB). Po uspešni detekciji in pravi izbiri oddaljenega senzorja bližine, Telargo mobilna enota pošlje podatke o tem senzorju bližine na Telargo kontrolni center. Slika 7.10: Senzorji bližine so pritrjeni v bližini izdelovalnic betona (levo) in na hruške (desno) V spodnjem grafu smo prikazali podatke, ki so bili poslani iz Telargo mobilne enote na Telargo kontrolni center. Podatki na Telargo kontrolnem centru vsebujejo vse informacije o detektiranih senzorjih bližine, tudi unikatne identifikatorje detektiranih senzorjev bližine. Na tak način lahko točno izvemo, katera hruška je bila na kateri izdelovalnici ali črpalki betona in ob katerem času ter kako dolgo. V prilogi se nahaja še več grafov in podatkov, ki so bili poslani na Telargo kontrolni center.