Bei einem Wireless-Sensornetzwerk kommen Kleinstsensoren mit einer sogenannten Embedded Intelligence Software zum Einsatz, die bestimmte Aufgaben wie z.B. Überwachungsfunktionen übernehmen. Die Embedded-Überwachung umfasst einen breiten Anwendungsbereich, darunter jene Applikationen, bei denen Leistung oder Infrastrukturbeschränkungen eine drahtgebundene Lösung kostenaufwendig, schwierig oder sogar unmöglich machen. Wireless-Sensornetzwerke können neben drahtgebundenen Systemen genutzt werden, um ein vollständiges drahtgebundenes und drahtloses Mess-, Steuer- und Regelsystem zu erstellen. Ein WSN-System ist gut geeignet für eine Anwendung wie die Umgebungsüberwachung, bei der eine langfristige Lösung zur Erfassung von Wasser-, Boden- oder Klimamessungen erforderlich ist. Bei öffentlichen Versorgungsbetrieben, die die Bevölkerung mit Strom und Wasser versorgen, bieten Wireless-Sensoren eine kostengünstige Methode zur Erfassung von Daten über den Systemzustand. Damit kann der Energieverbrauch gesenkt und vorhandene Ressourcen können effektiver genutzt werden. Bei der Strukturüberwachung helfen Wireless-Sensoren, Autobahnen sowie Brücken und Tunnel effektiv zu überwachen. Diese Systeme eignen sich ebenso zur kontinuierlichen Überwachung von Bürogebäuden, Krankenhäusern, Flughäfen, Fabriken, Kraftwerken und Produktionsanlagen. WSN-Systemarchitektur Bei einer üblichen WSN-Architektur werden die Messknoten eingesetzt, um Messungen wie Temperatur, Spannung oder sogar gelösten Sauerstoff zu erfassen. Diese Knoten sind Teil eines Wireless-Netzwerks, die vom Gateway verwaltet werden, welches Netzwerkaspekte wie z.B. Client-Authentifizierung und Datensicherheit steuert. Das Gateway sammelt die Messdaten von jedem Knotenpunkt und verschickt sie über eine drahtgebundene Verbindung (meist Ethernet) an einen Host-Controller. Dort kann Software, wie z.B. die grafische Entwicklungsumgebung NI LabView, weitergehende Verarbeitungen und Analysen ausführen und die Daten nach bestimmten Bedürfnissen präsentieren. Strom- und Netzwerkstandards Ein WSN-Messknoten umfasst etliche Komponenten, darunter Funkgerät, Batterie, Mikrocontroller, Analogschaltkreis und Sensorschnittstelle. Bei batteriebetriebenen Systemen sind Kompromisse einzugehen, da höhere Datenraten und häufige Funkgerätnutzung mehr Strom verbrauchen. Umfangreiche Forschungen bringen immer neue Entwicklungen bei Batterie- und Stromverwaltungstechnologien hervor. Bei WSN-Anwendungen muss eine Batterie oft drei Jahre oder länger Energie bereitstellen. Deshalb basieren viele heutige WSN-Systeme auf ZigBee- oder IEEE802.15.4-Protokollen, denn diese Kommunikationsbausteine zeichnen sich durch einen geringen Energieverbrauch aus. Das Protokoll IEEE802.15.4 definiert die physikalische und die Medium-Access-Control-Schicht im Netzwerkmodell und bietet Kommunikationsmöglichkeiten im 868- bis 915MHz- sowie im 2,4GHz-ISM-Band und Datenraten bis zu 250kb/s. ZigBee baut auf den 802.15.4-Schichten auf, um Sicherheit, Zuverlässigkeit durch vermaschte Netzwerktopologien und Interoperabilität mit anderen Geräten und Standards zur Verfügung zu stellen. ZigBee ermöglicht zudem benutzerdefinierte Anwendungsobjekte oder -profile, die innerhalb des Protokolls Anpassung und Flexibilität erlauben. Neben einer möglichst hohen Kapazität und langen Lebensdauer müssen Größe, Gewicht und Verfügbarkeit der Batterie sowie internationale Standards für den Batterievertrieb in Betracht gezogen werden. Aufgrund ihrer niedrigen Kosten und weiten Verbreitung finden Zink-Kohle- und Alkali-Batterien häufig Anwendung. Techniken zur Nutzung von in der Umwelt vorhandener Energie werden in Wireless-Sensorsnetzwerken auch immer häufiger. Mithilfe von Geräten, die Solarzellen oder Wärme aus ihrer Umgebung nutzen, kann der Einsatz von Batterien reduziert oder sogar überflüssig werden. Trends bei Prozessoren Um die Lebensdauer der Batterie zu verlängern, schaltet sich ein WSN-Knoten nur zeitweise ein, um Daten zu erfassen und zu übertragen, indem die Funkschnittstelle aktiviert wird und schaltet sich danach wieder ab, um Energie zu sparen. Das WSN-Übertragungsverfahren muss ein Signal möglichst effizient übertragen und das System mit minimalem Stromverbrauch danach wieder herunterfahren. Ebenso muss sich der verwendete Prozessor initialisieren und selbständig zurück in den Ruhezustand versetzen können. Die Trends bei Mikroprozessortechnologien für WSN-Systeme gehen hin zu gesenktem Stromverbrauch bei gleichbleibender oder höherer Prozessorgeschwindigkeit. Der Kompromiss zwischen Energieverbrauch und Verarbeitungsgeschwindigkeit ist ein Schlüsselfaktor bei der Auswahl eines WSN-Prozessors. Daher sind PowerPC- und ARM-basierte Architekturen eine eher ungeeignete Option für batteriebetriebene Geräte. Eine gängigere Architekturoption ist der TI MSP430 MCU, welcher für den stromsparenden Betrieb konzipiert ist. Je nach Prozessor kann der Stromverbrauch im Ruhemodus zwischen 1 bis 50µW umfassen. Im eingeschalteten Zustand liegt er zwischen 8 bis 500mW. Netzwerktopologien Zur Koordination des WSN-Gateways, der Endknoten und der Routerknoten können verschiedene Netzwerktopologien genutzt werden. Routerknoten sind ähnlich wie Endknoten, da auch sie Messdaten erfassen können. Sie können aber auch eingesetzt werden, um Daten von anderen Knotenpunkten weiterzuleiten. Die erste und einfachste Topologie ist die Sterntopologie, bei der jeder Knoten einen einzelnen, direkten Kommunikationspfad mit dem Gateway aufrechterhält. Diese Topologie ist einfach, schränkt aber die Gesamtentfernung ein, die mit dem Netzwerk erreicht werden kann. Um die Entfernung zu vergrößern, die ein Netzwerk abdecken kann, kann eine Cluster- bzw. Baumtopologie implementiert werden. In dieser komplexeren Architektur behält jeder Knoten einen einzelnen Kommunikationspfad zum Gateway bei, kann aber andere Knoten nutzen, um seine Daten auf diesem Pfad weiterzuleiten. Diese Topologie weist jedoch ein Problem auf. Falls ein Router-Knoten ausfällt, dann verlieren alle Knotenpunkte, die von diesem Router-Knoten abhängen, ebenfalls ihre Kommunikationspfade zum Gateway. Die vermaschte Netzwerktopologie löst dieses Problem, indem redundante Kommunikationspfade zur Steigerung der Systemzuverlässigkeit genutzt werden. In einem vermaschten Netzwerk erhalten die Endknoten mehrere Kommunikationspfade zurück zum Gateway aufrecht, so dass bei Ausfall eines Router-Knotens das Netzwerk die Daten automatisch über einen anderen Pfad leitet. Die vermaschte Topologie ist zwar sehr zuverlässig, weist aber eine erhöhte Netzwerklatenz auf, weil die Daten mehrmals weitergereicht werden, ehe sie zum Gateway gelangen. Vorteile eines Wireless-Sensornetzwerks von NI Mithilfe der WSN-Plattform von National Instruments kann eine typische WSN-Architektur benutzerspezifisch angepasst und erweitert werden, um so ein komplettes drahtgebundenes und drahtloses Messsystem für die Anwendung zu erstellen. Die NI-Softwareintegration bietet die Flexibilität, einen Windows-basierten Host-Controller für das WSN-System zu verwenden. Möglich ist auch ein Real-Time-Controller, wie beispielsweise NI CompactRIO, so dass man rekonfigurierbare I/Os in seine Wireless-Messungen integrieren kann. Mit beiden dieser Host-Controller kann man NI LabView und die NI-WSN-Software mit LabView-Projektintegration und Drag&Drop-Programmierung nutzen, um sein WSN-System einfach zu konfigurieren, hochwertige Messdaten zu extrahieren, Analysen durchzuführen sowie seine Daten zu präsentieren. Außerdem ist es durch die LabView-Integration möglich, die Anbindung des WSN von der Unternehmens- und Datenbankebene bis hin auf das Internet und sogar auf Client-Geräte für Endnutzer, wie z.B. iPhone oder Laptop, auszuweiten. Man kann diese komplette Systemarchitektur nutzen, um Daten von praktisch überall her mit einem Wireless-Sensornetzwerk von NI zu erfassen, diese Daten auf einem Server zu verarbeiten und bereitzustellen sowie anschließend bequem und dezentral von einem drahtlosen Smart-Gerät auf sie zuzugreifen. SPS/IPC/Drives:
National Instruments Germany GmbH
