In de ban van ZigBee Focus Als we om ons heen kijken, stellen we vast dat automatisatie een steeds prominentere plaats in ons leven inneemt. In fabrieken wordt bandwerk meer en meer uitgevoerd door gesofisticeerde machines. Huizen worden uitgerust met domotica. Computers waken over de veiligheid van inzittenden in moderne wagens. Om aan deze behoeftes te voldoen en om de kostprijs voor het onderhouden van de kabels te beperken wordt er een beroep gedaan op draadloze communicatietechnologie. Daarbij worden sensoren en actuatoren gebruikt om meetgegevens draadloos te versturen en om de juiste acties te ondernemen. De toepassingsmogelijkheden zijn enorm: van geneeskunde over industrie tot domotica. In dit artikel bespreken we deze draadloze sensornetwerken (WSN of Wireless Sensor Networks) en laten we ZigBee aan bod komen. Wat is WSN? Een draadloos sensornetwerk is een eenvoudig, lage-kost communicatienetwerk dat geen hoge datasnelheden vereist en dat toepassingen met beperkt vermogen toelaat draadloos te communiceren. Naast een eenvoudige installatie en betrouwbare dataoverdracht zijn een lage kostprijs en lange levensduur van de batterijen van primordiaal belang. Dit alles wordt gerealiseerd met een eenvoudig en flexibel protocol. In tegenstelling tot WLAN (Wireless Local Area Networks of draadloos internet) is er bij WSN geen complexe netwerkinfrastructuur nodig, omdat ze bedoeld zijn om beperkte informatie uit te wisselen over relatief kleine afstanden. Dit heeft tot gevolg dat de technologie kan worden aangewend bij een breed scala van toestellen waarbij afmetingen, energieverbruik en kostprijs beperkt blijven. Deze toepassingen worden in diverse domeinen ingezet. Enkele concrete voorbeelden: Industriële en commerciële besturing en controle: draadloze sensornetwerken kunnen van pas komen om sensoren te gebruiken op moeilijk bereikbare plaatsen en om te opereren als draadloze gateway voor industriële sensorprotocollen. De focus ligt op nietkritieke informatie waarbij de snelheidseisen ondergeschikt zijn aan de betrouwbaarheid en de lage kost. Huisautomatisatie en netwerken: draadloze sensornetwerken zijn in staat tegen een goedkope prijs bekabeling in huis te vervangen. De
toepassingen in dit domein zijn velerlei: van domotica over beveiliging tot speelgoed dat interactief met zijn omgeving omgaat. Automobielsensoren: in moderne wagens worden meer en meer sensoren ingebouwd om de veiligheid te bevorderen en de actieve veiligheidssystemen aan te sturen. Het draadloze aspect is hierbij van belang, omdat niet alle locaties in een wagen met kabels bereikt kunnen worden. Daarnaast worden er ook eisen gesteld aan de levensduur van de sensoren. Ze moeten lange tijd autonoom kunnen werken. Precisielandbouw: draadloze sensornetwerken bieden een technologische oplossing voor de impact die traditionele landbouw heeft op het milieu. Door landbouwwerktuigen met veel sensoren uit te rusten en ze te laten communiceren met andere werktuigen die dezelfde grond bewerken, kan bemesting op een preciezere manier gebeuren, aangepast aan alle omgevingsvariabelen. Een centrale computer bestuurt het hele proces. WSN profileert zich dus als goedkoop, eenvoudig en energiezuinig; aspecten die bij draadloze communicatie steeds belangrijker worden. Hierdoor is het ideaal voor domotica en meet- en besturingsnetwerken. Deze applicaties hebben immers geen nood aan een grote bandbreedte, maar vereisen wel een energiezuinig systeem. Deze technologie is inzetbaar in situaties waarbij sensorgegevens doorgestuurd worden naar een centraal punt. Bij dit systeem is geen hoge datasnelheid nodig, maar moet wel een lange levensduur van de batterij worden gegarandeerd. Ook wanneer het draadloze sensornetwerk uitgebreid moet worden, volstaat het een module, met bijhorende sensor, te verbinden met het netwerk. Hierbij komt nog eens het voordeel dat er geen kabels nodig zijn om alle kantoorruimtes met een gezamenlijk controlepunt te verbinden. Dit spaart veel uit. De mogelijkheid om een groot aantal modules met elkaar te verbinden is ook een factor met veel voordelen. Wordt dit alles gecombineerd met een goede controleapplicatie, dan is dit systeem geschikt voor domoticasystemen en meet- en besturingsnetwerken. IEEE 802.15.4 Voor draadloze sensornetwerken bestaan er verschillende standaarden. Een veel voorkomende standaard is de IEEE 802.15.4. Het is een open standaard die door veel fabrikanten gevolgd wordt. Het is daarenboven de basis voor ZigBee dat een volledige netwerkoplossing aanbiedt door ook de hogere lagen te ontwikkelen. IEEE 802.15.4 maakt in Europa gebruik van twee ISM-frequentiebanden: 868,3 MHz-band (of exacter 868,0 MHz – 868,6 MHz) en de 2,4 GHz-band (of exacter 2400 MHz – 2483,5 MHz). De frequentieband rond 2,45 GHz is
de meest courante, omdat deze band ook in Amerika gebruikt kan worden. De gekozen frequentieband bepaalt ook de maximale bitsnelheden. Deze bedraagt 250 kbps in de band rond 2,45 GHz-band en 20 kbps in de band rond 868,3 MHz. In de laatste versie van de standaard is deze maximale bitsnelheid verhoogd van 20 kbps naar 100 kbps. In de 2,45 GHz-band zijn er 16 kanalen van elk 5 MHz, met het eerste kanaalnummer 11 en het laatste 26. Omdat er in de 2,45 GHz frequentieband aan een hoger vermogen gezonden mag worden (tot 100 mW of 20 dBm), zijn zo hogere bitsnelheden mogelijk. Voor IEEE 802.15.4 zijn er twee soorten netwerktopologieën mogelijk. U ziet een weergave in Figuur 1. Het netwerk kan opgebouwd worden als een punt-tot-puntnetwerk of als een sternetwerk. Daarbij hebben de centrale nodes meestal volledige functionaliteit (en zijn dus niet batterijgevoed) en zijn er nodes met een beperkt takenpakket (en dus een beperkt stroomverbruik). Binnen de standaard zijn er geen routeringsprotocols vastgelegd. Bij gebruik van ZigBee of een eigen implementatie kunnen er toch via routers berichten worden doorgestuurd.
Figuur 1: Mogelijke netwerktopologieën: punt-tot-punt en ster
ZigBee Omdat draadloze sensornetwerken ook nood hebben aan routering, zijn er uitbreidingen op de IEEE 802.15.4-standaard voorgesteld. Deze uitbreidingen zelf zijn niet gestandaardiseerd. Een veelvoorkomend protocol is ZigBee. Het zag het daglicht in 2004 en werd in 2005 vrijgegeven voor het publiek. De naam ZigBee is afgeleid van de zigzagdans van bijen, die zo hun soortgenoten over een nieuwe voedselbron informeren. In een ZigBee-netwerk vindt de dataoverdracht plaats via het snelste pad, dat op deze wijze een zigzagpad tot gevolg kan hebben. Het ZigBee-protocol is eigenlijk een product van de ZigBee Alliance. Dit is een associatie van verschillende bedrijven, waaronder Philips, Motorola, Samsung en LG, die ervoor willen zorgen dat ZigBee de standaard wordt voor het draadloos doorsturen van sensorgegevens.
Figuur 2: Logo van ZigBee.
ZigBee baseert zich voor de onderste lagen van het OSI-referentiemodel op IEEE 802.15.4. Dit wil zeggen dat de gebruikte frequenties, de maximale datasnelheden, reikwijdte en het vlot opzetten van de verbinding dus volledig identiek zijn. Daarboven heeft ZigBee een aantal extra diensten en mogelijkheden (zoals routering en complexere netwerktopologieën). Er zijn applicaties die alleen met IEEE 802.15.4 werken en dus geen gebruik maken van ZigBee. Deze applicaties moeten dan zelf instaan voor bijvoorbeeld de beveiliging van de data. De ZigBee-sensornodes zijn uitgebreid met routeringsen verbindingstabellen, waarin bijgehouden wordt welke apparaten met elkaar verbonden zijn. Op die manier kan er vlot een route uitgestippeld worden naar het te bereiken apparaat. Hierdoor zijn er naast de netwerktopologieën uit Figuur 1, nog andere topologieën mogelijk: de boomtopologie en de maastopologie (weergegeven in Figuur 3). Bij een boomtopologie bestaat een hiërarchische volgorde van segmenten of deelnetwerken. Om een bericht van een segment naar een ander segment te sturen wordt er een beroep gedaan op de router van dat deelnetwerk. Zo wordt de reikwijdte van het netwerk vergroot. Een maastopologie wordt gebruikt om een netwerk met een grote betrouwbaarheid op te zetten. Zo kan een node de taak van een uitgevallen node overnemen, zodat elke module adresseerbaar blijft (de zogenaamde ‘zelforganiseerbaarheid’).
Figuur 3: Mogelijke netwerktopologieën: boom en maas.
Programmeeromgevingen De toepassingsmogelijkheden van draadloze sensornetwerken zijn enorm. Het is voorzien in de standaard dat elke ontwikkelaar zijn eigen applicaties kan ontwerpen en verder commercialiseren. Hierbij is het nodig te kunnen beschikken over goede programmeeromgevingen. TinyOS is een eerste mogelijkheid. Het is veeleer een besturingssysteem dat gefocust is op draadloze sensornetwerken. Het is vrij beschikbaar als
open source. Het is gegroeid als een samenwerking tussen Intel, de Universiteit van California en de Universiteit van Berkeley. Ondertussen wordt het verder uitgewerkt door een internationaal consortium: TinyOS Alliance. NS-2 is een alternatief. Het staat voor Network Simulator versie 2 en is een veel gebruikt simulatiepakket, waarmee het gedrag van draadloze sensornetwerken kan worden uitgetest. Het is een simulator voor netwerken op basis van discrete gebeurtenissen. Er wordt veel wetenschappelijk onderzoek uitgevoerd met NS-2, omdat het net als TinyOS open source is en dus vlot uitbreidbaar is. Referenties: http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf http://www.zigbee.org Auteur: Dr. ir. Jo Verhaevert, Onderzoeksgroep Draadloze Communicatie, Departement Toegepaste Ingenieurswetenschappen, Hogeschool Gent
