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Computer Sciences » Applied Computer Sciences » Technical Information Systems
Dr.-Ing. Joern Ploennigs Dresden University of Technology
Institute for Applied Computer Science
SLIDE 3
TECHNOLOGIEN DER GEBÄUDEAUTOMATION
•
Offener Funknetz-Standard der IEEE und ZigBee Alliance
•
Hat als intern. Standard großes Potential
•
Proprietärer Standard von Zensys und der Z-Wave Alliance
•
Im amerikanischen Markt gut etabliert
ZIGBEE (2004, 2007) Z-WAVE (1999)
•
Entwickelt von der EnOcean GmbH (Siemens Spin-off)
•
In Europa gut etabliert
•
Entwickelt von der KNX Association (Siemens geführt)
•
ISO/IEC 14543-3 / EN 50090 Standard
ENOCEAN (2001) KNX-RF (2004)
•
Entwickelt von der Freien Universität Berlin und ausgegründet als ScatterWeb GmbH
•
Nicht sehr verbreitet, aber interessante Ansätze
SCATTERWEB (2005) NANONET (2007)
•
Entwickelt von Nanotron, Berlin•
Innovator des CSS
SLIDE 4
VERGLEICH DER TECHNOLOGIEN
EnOcean KNX-RF Z-Wave ZigBee 802.15.4
ZigBee 802.15.4
Scatterweb nanoNET Bluetooth
Frequency band (mhz)
868 868 868 868 2400 868 2400 2400
Disturbances by other wireless com. (Wi-fi)
low low low low high low mean high
Modulation ASK FSK GFSK BPSK O-QPSK CSSGFSK, QPSK, 8DPSK
Medium Access Control
direct access
(CSMA)CSMA,
Preamble Sampling
Beacon, CSMA
Beacon, CSMA
CSMA, Preamble Sampling
CSMA, TDMA, ALOHA
TDMA
Data rate (kbps) 125 16.4 9,6 / 40 20 250 20 2000 2100Topology Star/Mesh Star Star/MeshStar/Mesh Star/Mesh Tree/Mesh Mesh StarSecurity no no geplant AES AES no yes AESMaximum node number
232 256 232 216 216 255 248 7
Energy consumption
very low low low low low low medium high
Risc of a message collision
very low mean mean mean low low very low low
Max. Range (m) 30-300 10-100 20-200 10-100 10-75 10-100 40-250 1-10
SLIDE 5
TECHNOLOGIEN DER IND. AUTOMATION
•
Offener Funknetz-Standard der IEEE und ZigBee Alliance
•
Hat als intern. Standard großes Potential
•
Drahtlose Version des HART Protokolls entwickelt von der HART Communication Foundation
•
Zielt auf die Prozessautomation ab
ZIGBEE (2004, 2007) WIRELESS HART (2007)
•
Entwickelt von der International Society of Automation
•
Zielt auf Prozess-
und Fertigungsautomation ab
ISA SP100.11A (2009)
SLIDE 7
ENOCEAN ÜBERSICHT
•
Frequenzband: 868 MHz (EU) / 315 MHz (US)
•
Datenrate: 120 kbit/s
•
Signalmodulation: ASK
•
Adressierung: Eindeutige 32bit Knotenadresse, die bei Herstellung vergeben wird
•
Kurze Telegrammlänge von 8-16 Bytes
•
Stärke im Energy-Harvesting
•
2. Generation von Knoten
SLIDE 8
315MHz PHY(US)
868 MHz
Channel 0
ENOCEAN FREQUENZBÄNDER
315 MHz
Channel 0
868MHz PHY(Europa)
SLIDE 10
ASK – AMPLITUDE-SHIFT KEYING
•
Zur Codierung wird die Amplitude des Trägersignals variiert
•
Es kann pro Modulation ein Bit kodiert werden
SLIDE 11
ENOCEAN GERÄTETYPEN
•
Können Nachrichten nur senden (nicht empfangen)
•
z.B. Sensoren
•
Können Nachrichten nur empfangen (nicht senden)
•
z.B. Lampenaktoren
SENDER EMPFÄNGER
•
Können sowohl senden als auch empfangen
•
Können z.T. Routingaufgaben übernehmen (Repeater)
•
Arbeiten z.T. als Gateway zu anderen Systemen
•
Die einzigen programmierbaren Geräte
BIDIREKTIONALE GERÄTE
11
SLIDE 12
WELCHES MEDIENZUGRIFFSVERFAHREN IST MIT DIESEN GERÄTEN MÖGLICH?
•
CSMA –
Carrier Sense Multiple Access?
•
Nicht möglich da einfache Sender kein Empfangsmodul haben um den Kanal auf Belegung zu prüfen.
•
TDMA –
Time Division Multiple Access (Slottet)?
•
Nicht möglich da ohne Empfangsmodul auch keine Zeitsynchronisation möglich ist.
•
Es ist kein spezielles Verfahren möglich. Der Medienzugriff kann nur direkt erfolgen.
SLIDE 13
MAC-VERFAHREN
Was ist der Nachteil eines direkten Zugriffs?
Wie groß
ist eigentlich die Wahrscheinlichkeit einer
Kollision bei zwei Geräten?
SLIDE 14
GRUNDLEGENDE KOLLISIONSWAHRSCHEINLICHKEIT
(NIEDRIGE GERÄTEAUSLASTUNG)
•
Eine Kollision entsteht wenn Gerät S und Q innerhalb des gleiche Zeitfensters (Ts
+ Tq
) Nachrichten erzeugen
•
Gerät S und Q erzeugen exponentialverteilte Nachrichten mit den Raten λS
und λq
sowie den Nachrichtengrößen Ts
und Tq
•
Gute Abschätzung in den meisten Fällen (niedrige Auslastung)
A B
SLIDE 15
ERHÖHTE KOLLISIONSWAHRSCHEINLICHKEIT?
Nur 1% Dutycycle (seltene Sendungen, Bedingung im 868 MHz Band) und kurze Telegramme (ca. 1ms) führen zu geringer Kollisionswahrscheinlichkeit
SLIDE 16
ROUTING
Wie kann man die Wahrscheinlichkeit für eine korrekte Nachrichtenübertragung erhöhen?
SLIDE 17
WIEDERHOLTE SUBTELEGRAMME
Jede Nachricht wird in drei oder mehr identischen Subtelegrammen
wiederholt
6ms + (0-3)ms 18ms + (0-11)ms 0ms + 7,5ms(optional)
t
•
Geringere Wahrscheinlichkeit, dass alle Subtelegramme verloren gehen
•
Geringere Wahrscheinlichkeit, dass alle Subtelegramme verloren gehen
•
Erhöhte Anzahl an Telegrammen Erhöhte Kollisionswahrschein-
lichkeit
•
Erhöhte Anzahl an Telegrammen Erhöhte Kollisionswahrschein-
lichkeit
SLIDE 18
SUCCESS PROBABILITIES
Erfolgswahrscheinlichkeit
eines Telegramms
Erfolgswahrscheinlichkeit, dass minestens 1 aus 3
Subtelegrammen ankommt
1 dev sim 1 dev calc 2 dev sim 2 dev calc 5 dev sim5 dev calc 10 dev sim 10 dev calc 100 dev sim 100 dev calc
0 200 400 600 800 10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
channel appl. arr. rate λ̄c
succ
ess
prob
.p s
ucc
0 200 400 600 800 10000
0.2
0.4
0.6
0.8
1
channel appl. arr. rate λ̄csu
cces
spr
ob.
p suc
c
SLIDE 19
100 101 102 1030
0.2
0.4
0.6
0.8
1
device number with λr = 1
succ
ess
prob
.p s
ucc
REDUCED COLLISION PROBABILITY?
Computed EnOcean
Übliche Installations-
größen
SLIDE 21
„MESH“ TOPOLOGIE
•
Uni-
(Sensoren
Aktoren) und bidirektionale Kommunikation (Controller
Raumregler)
•
„Smart Routing“
–
Repeater fluten das Netzwerk mit bis zu zwei Hops
Lichtaktor Heizungsaktor
TemperatursensorSchalter
Gateway
Raumregler
Kommunikationsrichtung
Bi-direktional
Empfänger
Sender
DrahtgebundenesBackbone
LONKNX
TCP/IP
SLIDE 23
„SMART ACKNOWLEDGE“
•
Sender sendet Nachricht an Repeater der sie speichert
•
Empfänger sendet Request
•
Repeater antwortet mit Nachricht
•
Problem: Wie kann der Sender eine Nachricht an einen schlafenden
Empfänger senden?•
Zwischenspeichern von Nachrichten in Repeatern/Gateways, bis Empfänger wach ist
SENDER
REPEATER REPEATER
EMPFÄNGER
SLIDE 24
ENERGIEVERBRAUCH ZIGBEE VS. ENOCEAN
Device Current Time Power State
CPU Active 1.92mA NA NA
CPU LPM1 182μA NA NA
CPU LPM3 9μA NA NA
CPU Vref 536μA NA NA
Receive (LPL Check) 18.86mA 5ms LPM3
Send (1 msg, 0dB) 18.92mA 12ms-1s LPM3
Analog Sensors 1.46mA 2ms LPM1
Humidity Sensor
458μA 75ms LPM3
Temperature Sensor
458μA 220ms LPM3
Operation Mode Current consumption measured typ. at 25°C
CPU-Mode 4 mA
XTAL on, CPU Standby 1,4 mA
ShortTermSleep 10 μA
Flywheel Sleep Mode 720 nA
Deep-Sleep VDD=3,3V 220 nA
Send 6dBm 50% Dutycycle
26 mA
Receive 30 mA
Analog Measurement 14 mA
Source: “Integrating Concurrency Control and Energy Management in Device Drivers”, Kevin Klues et. al., 2007
Source: “STATUS SHEET EDK 300(C)”, EnOcean, 2009
SLIDE 25
BASISSTRATEGIE ZUM ENERGIESPAAREN
Die Basisregeln für langen Betrieb:
•So oft wie möglich schlafen
•So wenig wie nötig übertragen
Energy Consumption of a Telos rev B
Die Anzahl an Wake-Ups und Übertragungen reduzieren
Die Anzahl an Wake-Ups und Übertragungen reduzieren
SLIDE 27
SEND-ON-DELTA ABTASTUNG
y
t
TA
• Nur Abtastwerte, die δ
vom zuletzt gesendeten Abtastwert abweichen werden gesendet
• Wird auch in LON häufig verwendet• Drei Parameter: TA - Aufwachzyklus; δI –
Delta (tolerierte Werteabweichung; TU -
Max-Send-Time (Heartbeat)
signalwake-upssamplessent samples
SLIDE 28
SPARSAME ABTASTUNG
Welche Fehler können eigentlich bei einer Übertragung zwischen zwei Knoten auftreten?
SLIDE 29
FEHLERQUELLEN NETZWERKBASIERTER REGELUNGEN
KO
NTI
NU
IER
LIC
HD
ISK
RET
Regelstrecke
Aktor
Regler
Sensor
T
NET
ZWER
K •
Kollisionen•
Bitfehler•
Verzögerungen•
Falsche
Reihenfolge
•
Kollisionen•
Bitfehler•
Verzögerungen•
Falsche
Reihenfolge
•
Warteschlangenüberläufe•
Störungen•
Rauschen
•
Warteschlangenüberläufe•
Störungen•
Rauschen
Netzwerk
SLIDE 31
ADAPTIVE ABTASTUNG IN REGELKREISEN
y
t
SignalAufwachzeitpunkteAbgetastete WerteÜbertragene Werte
Probleme bei der Ereignistriggerung
Approximations- fehler Grenzzyklen
Regelkreise reagieren empfindlich auf adaptive Abtastung!Regelkreise reagieren empfindlich auf adaptive Abtastung!
SLIDE 32
ENOCEAN-PROTOKOLL-STACK
Anwendungsschicht
(Application Layer)
Darstellungsschicht (Presentation Layer)
Transportschicht
(Transport Layer)
Sitzungsschicht
(Session Layer)
Vermittlungsschicht
(Network Layer)
Physikalische Schicht
(Physical Layer)
Sicherungsschicht
(Data Link Layer)
OSI-Modell
Application Layer
Network Layer
Physical Layer
DataLink Layer
Medium und Signalübertragung
Medienzugriff, Datensicherung
Routing und logische Addressierung
Ende-zu-Ende-
Verbindungen und Fehlersicherung
Interhost-
kommunikation
Datendarstellung und Verschlüsselung
Zugriff auf das Netzwerk für Anwendungen
Funktion
SLIDE 33
NEUE FREI PROGRAMMIERBARE DOLPHIN-PLATTFORM
EnOceansoftwarestack
Hardware
UserApplication
RX/ TX
RF C
onfig
urat
ion
Encr
yptio
n
Pow
er M
anag
emen
t
I/O M
anag
emen
t
URAT
/SPI
Mem
ory
acce
ss
Tim
ers
Rout
ing
ID M
anag
emen
t
Radi
o TX
and
R
Application (Sensor, Actuator, Gateway)
µC and I/ Os
ApplicationLayer
Network LayerDataLink Layer
SLIDE 34
•
Sync. Bytes –
Präambel zur Synchronisation des Empfangsmoduls•
Telegram Type –
Art und Länge des Telegramms•
Address –
32-bit eindeutige Knotenadresse (von Hersteller vergeben)•
Data –
Übertragene Daten (üblicherweise 4 Byte)•
Status –
Unterschiedliche Nutzung, u.a. zur Inhaltsübertragung (Schalter)•
Checkcode –
CRC des Nachricht
ENOCEAN RAHMENFORMAT
Bytes2 1-2 0/4 4 variabel (0-32) 1 1
PHY
...
Physikalische SchichtNWK
...
Netzwerk Schicht
SLIDE 35
PLUG-AND-PLAY COMMISSIONING?
2
1
3
-
Push & Play
Aktivierung der „Lerntaste“
am Empfänger durch den Lern-Button
Drücken der „Lerntaste“
am Sender, um ein Lerntelegramm mit dem angebotenen Service zu senden (Semantischer Datentyp).
Der Empfänger speichert den Sender und akzeptiert Telegramme von ihm
(quasi logisches Binding)
T
Heizungs Regler o. Ventil
Temperatur Sensor
SLIDE 36
ENOCEAN INTEROPERABILITÄT ENOCEAN EQUIPMENT PROFILE (EEP)
•
Definiert durch die EnOcean Allianz (ca. 100 Mitglieder)
•
Interoperabilitätsprofile auf „Anwendungsschicht“
•
Da es allerdings derzeit keine komplexen Anwendungen gibt, definieren die Profile lediglich die verwendeten Datentelegramme
Funktion Typ2 Rocker Switch Light and Blind Control4 Rocker Switch Light and Blind ControlPosition Switch
Key Card Activated SwitchWindows Handle Handle
4BS TelegramTech-In Telegramm
Temperature Sensor -40 –
0°C-30 –
10°C- 20 – 20°C…
Temperature & Humidity Sensor 0 –
40°C, 0% -
100%Light Sensor 300lx –
60000lx0lx –
1024lx…
Light, Temperature & Occupancy Sensor 0lx –
510lx,0 –
51°C, 0-1Room Operating Panel
0 -
40°C, Set point, Fan Speed, Occupancy0 -
40°C, Set point, Fan Speed, Day/Night Control…
SLIDE 37
VERGLEICH ENOCEAN
•
Innovatives Energy-Harvesting
•
Geringer Protokoll-Overhead
•
Sehr geringer Energieverbrauch
•
Direkt einsetzbare Transceiver
•
Reduzierte Verlustwahrschein-
lichkeit ganzer Nachrichten durch wiederholte Subtelegramme mit zufälligem Back-Off
•
Begrenzte Topologievarianten (nur einfaches Routing)
•
Inflexibles, proprietäres Protokoll
•
Erhöhte Kollisionswahrscheinlichkeit für einzelne Nachrichten (z.B. 11% für 20 Geräte mit 1 msg/s)
•
Geringer Durchsatz von unter 30 %
•
System kollabiert schnell in Lastsituationen
VORTEILE NACHTEILE
SLIDE 39
WARUM NICHT BATTERIEN?
•
Rechenleistung verdoppelt sich aller 2 Jahre (Moores Law)
•
Batterieleistung verdoppelt sich aller 10 Jahre
•
Batterien müssen gewechselt werden und haben eine natürliche Lebensdauer
•
Ein effizienterer Weg, um Energie zu erzeugen, ist notwendig!
1950
1970
1990 1991
1999
SLIDE 40
ENERGY-HARVESTING VOR-/NACHTEILE
•
Keine Kabel für Stromversorgung
•
Einfache Installation
•
Geringerer Wartungsaufwand
•
Umweltfreundlicher
•
Lange Lebensdauer
•
Hängt von der Verfügbarkeit der Energiequelle ab
•
Begrenztes Energiebudget
•
Höhere Investitionskosten
•
Weniger erprobte Technologie
VORTEILE NACHTEILE
SLIDE 43
ENOCEAN ENERGY-HARVESTING-ANSÄTZE
•
Energie aus dem Schaltereignis (Tastendruck)
•
Keine Energiespeicherung
•
Solarenergie wird aufgenommen•
Energiespeicher möglich
ELEKTRODYNAMIKWANDLER SOLARZELLEN
•
Strom wird aus Wärmedifferenzen erzeugt
•
Energiespeicher notwendig
•
Rotationswandler: z.B. Gas-
und Wasserzähler
•
Vibrationswandler: bei mobilen Geräten
THERMOWANDLER GEPLANT
SLIDE 44
VERGLEICH ENERGY-HARVESTING-ANSÄTZE
Energiequelle Mechanische Energie
Thermische Energie
Lichtenergie
Konverter Elektrodynamik-
wandler
Thermowandler Photovoltaik Solarzelle
Größe (20x6x1)mm (5x5x2)mm (10x20x2)mm
Volume Production Cost €
< 2 < 3 < 1
Energie Eingang e.g. Knopfdruck,
3 mm x 5N
Temperaturunter-
schied von 5 °C Lichtlevel >50 lux
Energie Ausgang 120 =Ws pro Aktion 20 =W ständig 20 =W ständig
SLIDE 45
ElektromagnetischElektrostatischPiezoelektrisch
•
Vibration
Bewegung eines magnetischen Feldes
•
Induktion einer Spannung
•
Vibration
Biegung des Materials
•
Im piezoelektrischen Material entsteht durch die mechanische Biegung eine elektrische Spannung
•
Vibration
Schwingung eines beweglichen Kerns
•
Die Überlappung zwischen Kern und Hülle ändert sich (A)
•
Dadurch ändert sich die Kapazität (C)
•
Wodurch ein Strom fließt, wenn die Ladung (Q) sich bewegt
Overlap Area (A)
ENERGY-HARVESTING: VIBRATIONSENERGIE
SLIDE 48
THERMOELEKTRISCHER SEEBECK-EFFEKT
•
Temperaturunterschied
erzeugt einen Wärmefluss
•
Dadurch entsteht ein Elektronenfluss zwischen N-Typ-
und P-Typ-Halbleitermaterialien
Thermoelement
SLIDE 49
LADEVERHALTEN ENOCEAN THERMOWANDLER
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
0 5 10 15 20 25
de lta T / K
Pout
/uW
SLIDE 50
ENERGY-HARVESTING UND DENNOCH BATTERIEN?
•
Die umgewandelte Energie ist nicht konstant
•
Die Energiequellen sind selten immer vorhanden
•
Energy-Harvesting unterstützt selten Energiespitzen
•
Deshalb werden wiederum Stützbatterien benötigt mit:
•
Unbegrenzter Lebensdauer (der Hülle)
•
Kaum Selbstentladung
•
Hoher Kapazität bei
•
geringer Größe
SLIDE 51
OPTIONEN FÜR STÜTZBATTERIEN
Li-Ion Akkus Dünnfilmakkus Goldkaps
Max. Aufladezyklen 100s 5k-10k Millions
Selbstentladung Mittel Niedrig Hoch
Aufladezeit Stunden Minuten Sek. bis Min.
Größe Large Small Medium
Kapazität 0.3-2500mAHr 12-700uAHr 10-100uAHr
Umweltbelastung Hoch Niedrig Niedrig
SLIDE 53
Z-WAVE ÜBERSICHT
•
Frequenzband: 868 MHz (EU) / 908.4 MHz (US)
•
Datenrate: 9.6 kbit/s (40 kbit/s neue Generation)
•
Signalmodulation: GFSK, Manchester Codierung
•
Adressierung: maximal 232 Geräte pro Netzwerk
•
5. Generation von Knoten
SLIDE 55
908MHz PHY(US)
868 MHz
Channel 0
Z-WAVE FREQUENZBÄNDER
908 MHz
Channel 0
868MHz PHY(Europa)
SLIDE 56
GFSK – (GAUSSIAN) FREQUENCY SHIFT KEYING
•
Zur Codierung wird die Frequenz des Trägersignals variert
•
Es kann pro Modulation ein Bit kodiert werden
•
Gaussian FSK: Frequenz-
übergänge werden durch einen Gauss-Filter geglättet, um die Spektralbreite zu begrenzen
SLIDE 57
Z-WAVE GERÄTETYPEN
•
Können Nachrichten senden und empfangen
•
Kaum Informationen über die Netzwerktopologie (können aber mit festen Tabellen routen)
•
Empfangen Kommandos aus dem Netzwerk
•
Können Nachrichten senden und empfangen
•
Kennen vollständige Netzwerktopologie (können flexibel (mobil) routen)
SLAVE KNOTEN CONTROLLER KNOTEN
•
Verwaltet Netzwerktopologie und kann Knoten zum Netzwerk hinzufügen / entfernen
•
Erster Controller Knoten im Netzwerk wird automatisch Master Controller
MASTER CONTROLLER
57
SLIDE 58
Z-WAVE ADRESSIERUNG
•
HomeID:
•
Entspricht der eindeutigen 32bit GeräteID des Master Controllers, die bei Herstellung aller Knoten vergeben wird.
•
Wird auch zur Identifikation/Trennung von Netzwerken genutzt.
•
NodeID:
•
8bit KnotenID (NodeID) im Netzwerk, die durch den Master Controller vergeben werden
•
somit maximal 232 Geräte pro Netzwerk
SLIDE 59
„MESH“ TOPOLOGIE
•
Bidirektionale Kommunikation möglich
•
Tabellenbasiertes Multi-Hop-Routing (Tabellen werden von Master Controller verwaltet) bis zu vier Hops
•
Alle Geräte können als Router/Hop arbeiten
•
End-To-End und Point-To-Point Bestätigungen
Lichtaktor Heizungsaktor
TemperatursensorSchalter
Bridge
Raumregler
Kommunikationsrichtung
Master Controller
Controller Knoten
Slave Knoten
DrahtgebundenesBackbone
X10TCP/IP
SLIDE 60
SILENT ACKNOWLEDGE ROUTING
•
Findet Verwendung in alten Z-Wave Versionen (< v4.2)
•
Neue Version (> v4.2)
ACKNOWLEDGED ROUTING SILENT ACK. ROUTING
A
B
C
Frame
Routed
Frame
A
B
C
Frame
Frame
Routed
End2End
Ack
End2End
Ack
Ack
Ack
Ack des End2End Ack
Ack des routed End2End Ack
Routed
End2End
Ack
End2End
Ack
Ack des routed
End2End Ack
SLIDE 62
PREAMBLE SAMPLING (BEAM)
•
Empfänger wacht kurz vor Präambelende auf
•
Empfänger wacht kurz nach Präambelstart auf
•
Wie erreicht man einen schlafenden Knoten?•
Präambel Sampling (Asynchron): Der Sender sendet eine lange Präambel, die länger als der Aufwachzyklus des Empfängers ist. Der Empfänger wacht zyklisch auf und sucht danach.
BEST CASE WORST CASE
Sender
Receiver
Preamble
Check Check
•
Weniger Idle-listening•
Viel Overemitting für die Präambel•
Provoziert Overhearing, wenn die Präambel keine Adresse beinhaltet
Sender
Receiver
Preamble
Check
SLIDE 63
Z-WAVE-PROTOKOLL-STACK
Anwendungsschicht
(Application Layer)
Darstellungsschicht (Presentation Layer)
Transportschicht
(Transport Layer)
Sitzungsschicht
(Session Layer)
Vermittlungsschicht
(Network Layer)
Physikalische Schicht
(Physical Layer)
Sicherungsschicht
(Data Link Layer)
OSI-Modell
Application Layer
Network Layer(Routing,
Topologiekontrolle)
Physical Layer
Medium Access Control
Transport Layer(Retransmission, ACK,
Checksum)
Medium und Signalübertragung
Medienzugriff, Datensicherung
Routing und logische Addressierung
Ende-zu-Ende-
Verbindungen und Fehlersicherung
Interhost-
kommunikation
Datendarstellung und Verschlüsselung
Zugriff auf das Netzwerk für Anwendungen
Funktion
SLIDE 65
Z-WAVE INTEROPERABILITÄT
•
Beschreibt den Gerätetyp (Slave, Controler, etc.)
•
Klassifikation der realisierten Funktion allgemein (Beleuchtung) und spezifisch (Schalter)
•
Sammlung an Befehlen, die ein Gerät verarbeiten / versenden kann
•
Basiert auf einem Server/Client-
Modell
•
Geräte werden durch die Z-Wave Allianz (ca. 160 Mitglieder) zertifiziert (Z-Wave Stack, Device & Command Classes, Einfacher Funktest)
DEVICE CLASS COMMAND CLASSES
SLIDE 67
WIRELESSHART ÜBERSICHT
•
Basiert auf IEEE 802.15.4 PHY und modifiziertem MAC
•
Drahtlose Erweiterung des HART Protokolls
•
Frequenzband: 2.4 GHz
•
Datenrate: 250 Kbps
•
Signalmodulation: O-QPSK, DSSS
•
Buszugriff (MAC): TDMA, Frequency hopping
•
Adressierung: 64bit Adresse basierend auf der HART Unique ID
•
Topologie: Stern, Mesh, Tree –
vorzugsweise Mesh
•
Priorisieren der Nachrichten möglich
•
Sicherheit: 128 AES Verschlüsselung und Keymanagement ähnlich ZigBee
SLIDE 68
ANFORDERUNGEN IN DER PROZESSAUTOMATION
•
Große Entfernungen zu überwinden•
Stark gestörte Umgebung (Viel Stahl, Viele Störquellen (Motoren, Generatoren, etc.)
•
Hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit gefordert•
Echtzeitanforderungen moderat > 100ms
SLIDE 70
WIRELESSHART-PROTOKOLL-STACK
Anwendungsschicht
(Application Layer)
Darstellungsschicht (Presentation Layer)
Transportschicht
(Transport Layer)
Sitzungsschicht
(Session Layer)
Vermittlungsschicht
(Network Layer)
Physikalische Schicht
(Physical Layer)
Sicherungsschicht
(Data Link Layer)
Medium und Signalübertragung
Medienzugriff, Datensicherung
Routing und logische Addressierung
Ende-zu-Ende-
Verbindungen und Fehlersicherung
Interhost-
kommunikation
Datendarstellung und Verschlüsselung
Zugriff auf das Netzwerk für Anwendungen
FunktionOSI-Modell
Application Layer
Security Layer
Network Layer
Physical Layer
Medium Access Control
IEEE 8
02.1
5.4
Wireless H
art
SLIDE 72
WIRELESS HART GERÄTETYPEN
können arbeiten als
•
Field Devices
•
Können Nachrichten senden und empfangen
•
Gateways
•
Dienen zum Austausch mit drahtgebundenen HART Netzwerken
•
Sind zwingend erforderlich
•
Network Manager
•
Verwaltet das Netzwerke
•
Mind. ein Manager pro Netzwerk, von mehreren ist nur einer aktiv
•
Nicht vorhanden: Alle Geräte müssen Routing unterstützen
FULL FUNCTION DEVICES (FFD)
72
REDUCED FUNCTION DEVICE (RFD)
SLIDE 73
WirelessHART hat recht harte Anforderungen an die Echtzeit. Welches Mehrfachzugriffsverfahren würden Sie empfehlen?
SLIDE 74
WELCHES MEHRFACHZUGRIFFSVERFAHREN?
•
TDMA -
Zeit wird in verschiedene Abschnitte unterteilt , die anforderungsgesteuert oder fest vergeben werden
•
Vergleichbar mit serieller Übertragung von Datenpaketen über ein Kabel
Zeit
1 2
Zeit
Zugriff für Nutzer 1 in Zeitschlitz 1 gestattet
Zugriff für Nutzer 2 in Zeitschlitz 2 gestattet
Zeit
SLIDE 75
TDMA – TIME DIVISION MULTIPLE ACCESS
•
Feste 10ms Zeitschlitze
•
Netzwerkweite Zeitsynchronisation ist notwendig und im Protokoll
enthalten
•
Pseudozufällige Kanalwechsel zwischen den Zeitschlitzen für höhere Zuverlässigkeit (Inkl. Blacklisting von gestörten Kanälen)
•
Alle Pakete werden am Slot-Ende bestätigt (auch zur Zeitsynchronisation)
•
Slots werden durch den Netzwerk Manager vergeben
10 ms
Superframe
Chan
nel 0
Chan
nel 1
5
Chan
nel 7 Sync.
SLIDE 76
FREQUENCY HOPPING
•
Da im stark gestörten industriellen Umfeld regelmäßig bestimmte Frequenzen / Kanäle gestört sein können, hüpft man durch die Kanäle.
•
Regelmäßig gestörte Kanäle werden ausgeschlossen (Blacklisting).
SLIDE 77
WirelessHART hat recht hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit. Welche Topologie würden Sie empfehlen?
SLIDE 78
STERNTOPOLOGIE
•
Einfache Synchronisation•
Geringe Verzögerungen, da kein Multi-Hop
•
Kleine Reichweite / Größe
Communications Flow
Network Manager
Gateway
Field Device
SLIDE 79
MESH-TOPOLOGIE
•
Robuste (redundante) multi-hop Kommunikation
•
Netzwerk ist sehr flexibel
•
Mittlere Latenz durch Mehrfachwege
•
Zusätzlicher Overhead durch Routenfindungsalgorithmen
•
Benötigt zusätzlichen Speicher für Routingtabellen
Communications Flow
Network Manager
Gateway
Field Device
SLIDE 80
VORZUGSTOPOLOGIE
•
Für eine höhere Übertragungssicherheit sollten beim Routing mehrere alternative Wege genommen werden können
•
Vorzugsweise Mesh-Topologie
SLIDE 81
•
Aus den Verbindungen zwischen den Geräten kann der Netzwerk Manager die möglichen Routen ableiten
•
Der Netzwerk Manager verwaltet alle Routen und lädt sie in die entsprechenden Geräte auf dem Weg
•
Graph Routing: Um eine Nachricht zu routen, schreibt ein Sender die GraphID (Routen ID) in den Nachrichtenheader passend zum Empfänger
•
Source Routing: Der Sender kennt den Weg zum Empfänger und schreibt ihn in die Nachricht
•
WirelessHART: Nachrichten werden zur Sicherheit auf zwei Wegen gesendet
D
E
C
F
B
G
I
A
GRAPHROUTING /SOURCE ROUTING MIT REDUNDANTEN WEGEN
Graph A
Graph AGraph A
Route GECA
Route GECA
Route GECA
SLIDE 82
ANWENDUNGSSCHICHT
•
Benutzen die HART Device Description Language (DDL). Diese wurde mit den DDL von Profibus, Fieldbus Foundation zusammengeführt zur Electronic Device Description Language (EDDL) im IEC-Standard 61804.
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Mit DDL beschreibt man:
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Daten (z.B. Parameter)
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Kommunikation (Adressierung)
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Struktur der Bedienung
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Vorgänge (z.B. Kalibrierung)
SLIDE 84
ISA SP100.11A ÜBERSICHT
•
Basiert auf IEEE 802.15.4 PHY und modifiziertem MAC
•
Frequenzband: 2.4 GHz
•
Datenrate: 250 Kbps
•
Signalmodulation: O-QPSK, DSSS
•
Buszugriff (MAC): TDMA, Frequency hopping
•
Adressierung: 64bit eindeutige Geräteadresse
•
Netzwerk und Transport-Layer basieren auf TCP, IPv6
•
Topologie: Stern, Mesh, Tree –
vorzugsweise Mesh
•
Priorisieren der Nachrichten möglich
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Sicherheit: 128 AES Verschlüsselung und Keymanagement ähnlich ZigBee
SLIDE 85
GESCHICHTE
•
2002 Erste Vision für ein drahtloses Protokoll
•
Identifikation des Potentials für drahtloser Technologie in der Domäne
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Identifikation der damaligen Hindernisse der Technologie
•
2003 Zusammenschluss von Industriepartnern, ein gemeinsames Protokoll zu entwickeln
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2004 Phase 1 –
Anforderungsanalyse, Analyse von Kunden, Untersuchung vorhandener Technologien. Veröffentlichung eines hybriden Protokolls für IEEE802.15.4 mit Felddaten
•
2006 Phase 2 –
Feldtest, Prototypentwicklung
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2007 Standardisierung
•
2007 Versuch, WirelessHART in den Standard zu integrieren
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2009 ISA SP100.11a wird als Standard angenommen
SLIDE 86
ISA SP100.11A GERÄTETYPEN
können arbeiten als
•
Device
•
Können Nachrichten senden und empfangen
•
Routing Device
•
Können Nachrichten senden und empfangen
•
Können Nachrichten zusätzlich routen
•
System Manager
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Kann Netzwerke formen
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Wird pro Netzwerk von den anderen FFD gewählt
können nur eingesetzt werden als
•
Device
•
Können Nachrichten senden und empfangen
•
Können nicht routen oder das Netzwerk Koordinieren
•
Netzwerke erfordern also mindestens ein FFD
•
Einfache Implementation
FULL FUNCTION DEVICES (FFD)
REDUCED FUNCTION DEVICE (RFD)
86
SLIDE 87
BEVORZUGTE NETZWERKTOPOLOGIE: MESH
Communications Flow
System Manager / Gateway
FFD
RFD
Alternative Wege
Backbone
IPv6 Backbone
BackupGateway
SLIDE 88
SP 100.1A PERFORMANCE LEVELS
Safety Class 0 : Emergency action (always critical)
Control
Class 1: Closed loop regulatory control (often critical)
Class 2: Closed loop supervisory control (usually non-critical)
Class 3: Open loop control (human in the loop)
NOTE: Batch levels* 3 & 4 could be class 2, class 1 or even class 0, depending on function
*Batch levels as defined by ISA S88; where L3 = "unit" and L4 = "process cell"
Monitoring
Class 4: FlaggingShort-term operational consequence (e.g., event-based maintenance)
Class 5: Logging & downloading/uploadingNo immediate operational consequence (e.g., history collection, SOE, preventive maintenance)
Impo
rtan
ce o
fm
essa
ge ti
mel
ines
s in
crea
ses
SLIDE 89
ISA SP100.11A-PROTOKOLL-STACK
Anwendungsschicht
(Application Layer)
Darstellungsschicht (Presentation Layer)
Transportschicht
(Transport Layer)
Sitzungsschicht
(Session Layer)
Vermittlungsschicht
(Network Layer)
Physikalische Schicht
(Physical Layer)
Sicherungsschicht
(Data Link Layer)
Medium und Signalübertragung
Medienzugriff, Datensicherung
Routing und logische Addressierung
Ende-zu-Ende-
Verbindungen und Fehlersicherung
Interhost-
kommunikation
Datendarstellung und Verschlüsselung
Zugriff auf das Netzwerk für Anwendungen
FunktionOSI-Modell
Application Layer
Security Layer
Network Layer
Physical Layer
Medium Access Control
IEEE 8
02.1
5.4
ISA
SP
10
0.1
1a
SP100.11a
Transport Layer
SLIDE 90
ISA SP100.11A STACK IM DETAIL
Mehrere Anwendungslayer(Anwendungen, Tunneln)
Leverages IEEE 802.15.4Standards
MAC Modifikation für höhere Zuverlässigkeit(TDMA, Frequency Hopping)
Mesh-Topologie
64bit eindeutige Geräteadressen
SLIDE 91
ANWENDUNGSSCHICHT
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Bietet Dienste an für interoperable ISA100.11a Anwendungen:
•
Unterstützung für Gateways, um ISA100.11a Netzwerke in ein drahtgebundenes Host-System einzubinden
•
Objekt-orientierte Modellierungskonzepte, um ISA100.11a native und non-ISA100.11a native (legacy) Protokolle zu tunneln
•
Ein Objekt ist eine protokoll-, platform-
und sprachneutraler Weg, um Komponenten zu beschreiben und zu unterscheiden
91
SLIDE 92
TUNNELING
•
Erlaubt andere typische Automationsprotokolle zu tunneln
(HART, Profibus, Foundation Fieldbus, Modbus, DeviceNet)