Technologie bezprzewodowe w przemyśle na przykładzie

Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
Technologie bezprzewodowe w przemyśle
na przykładzie standardu ZigBee
Jakub Olszyna
Na przykładzie technologii ZigBee pokazano korzyści, jakie do zastosowań
przemysłowych mogą wnieść systemy bezprzewodowe. Tematyka ta jest
aktualna szczególnie teraz, gdy coraz więcej przedsiębiorstw decyduje się
na wykorzystywanie rozwiązań bezprzewodowych. Krótki opis wybranych
technologii poparto przykładami wdrożonych już rozwiązań przemysłowych. Bardziej szczegółowe opisy oraz dodatkowe przykłady można znaleźć w podanych materiałach źródłowych, definicje omawianych standardów – w odpowiednich normach.
Systemy bezprzewodowe w przemyśle
Obserwowany na przestrzeni ostatnich lat rozwój systemów komputerowych oraz technologii transmisji
danych sprawił, że współczesne układy sterowania
przestają występować jako samodzielne jednostki. Powszechne zastosowanie zyskały rozproszone systemy
pomiarowo-sterujące, których elementy mogą być fizycznie rozdzielone i zachowywać autonomiczność
w podejmowaniu decyzji. Umożliwia to taki podział
zadań między poszczególne elementy systemu, który
optymalizuje dostęp do zasobów oraz uzyskiwaną wydajność. Te cechy sprawiły, że konfiguracje rozproszone dominują we współczesnych systemach automatyki przemysłowej. Istotnym parametrem systemów
rozproszonych jest technologia wykorzystywana do
wymiany informacji między elementami. Przemysł nakłada tu dodatkowe ograniczenia ze względu na oczekiwaną niezawodność czy niepodzielność danych,
a także bezpieczeństwo transmisji [1, 2]. Ewolucja
w tym obszarze prowadziła od technologii przewodowych, przez systemy bezprzewodowe o ustalonej
topologii sieciowej, po rozwijane obecnie systemy
bezprzewodowe typu ad-hoc posiadające pewne zdolności do samoorganizacji.
Stosunek liczby sieci bezprzewodowych do przewodowych w zastosowaniach przemysłowych jest
wielkością stale rosnącą. Jednym z impulsów powodujących wzrost zainteresowania rozwiązaniami tego
typu jest rozwój elastycznych systemów produkcyjnych. Możliwość szybkiej rekonfiguracji, np. linii produkcyjnej, i obniżenie kosztów wydają się w tym kontekście wartościami nie do przecenienia. Dodatkowo
systemy bezprzewodowe, dzięki eliminacji kabli, są
wyraźnie tańsze: zarówno w instalacji jak i w utrzymaniu. W przypadku manipulatorów każdy prze-
12
mgr inż. Jakub Olszyna – Instytut Radioelektroniki
Politechnika Warszawska
wód stanowi pewne ograniczenie ruchu, które może
zwiększać liczbę operacji koniecznych do wykonania
danej czynności. Redukcja okablowania ułatwia pracę
w niekorzystnych warunkach środowiskowych – np.
w tunelach aerodynamicznych, gdzie ułożenie kabli
może wpływać na pomiary, albo gdy urządzenie pomiarowe jest zanurzone w powodującym korozję roztworze, który mógłby uszkodzić przyłącza.
Pomimo niewątpliwych zalet, systemy bezprzewodowe nie są pozbawione wad, do których można zaliczyć większe opóźnienia (czas dostępu do węzła) czy
zwiększone prawdopodobieństwo utraty danych (zakłócenia od innych systemów pracujących w paśmie,
wielodrogowość, praca na granicy zasięgu). Trzeba zaznaczyć, że wady te mogą zostać skompensowane poprzez właściwy dobór technologii transmisji danych
czy odpowiednie zaprojektowanie systemu.
Bezprzewodowe sieci czujnikowe
Bezprzewodowe sieci czujnikowe (ang. Wireless
Sensor Networks) są obecnie w fazie dynamicznego
rozwoju. Pod pojęciem bezprzewodowej sieci czujnikowej rozumie się sieć złożoną z rozproszonych autonomicznych urządzeń wykorzystujących czujniki
do kooperatywnego monitorowania warunków otoczenia (temperatura, ciśnienie, wilgotność powietrza)
w różnych punktach danego obszaru [3]. Potencjalne
zastosowania obejmują monitoring przemysłowy i środowiskowy, monitoring zdrowotny oraz zarządzanie
automatyką w budynkach (ang. Home Automation).
Typowy pojedynczy element systemu zbudowany jest
z układu radiowego, mikrokontrolera i źródła energii
(bateria). Z tego powodu korzystna jest minimalizacja
pobieranej mocy. Sieć czujnikowa z reguły stanowi
system typu ad-hoc oferujący funkcjonalność routingu, co pozwala np. na wyznaczanie nowych tras przesyłu pakietów w przypadku awarii jednego z elementów systemu (sieci kratowe typu mesh ze zdolnością
do samoorganizacji).
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
Standardy sieci bezprzewodowych
krótkiego i średniego zasięgu
Obecnie dostępnych jest wiele standardów transmisji
bezprzewodowej. Niektóre uniwersalne, a więc konkurujące z innymi, a część zaprojektowanych specjalnie
do specyficznych zastosowań [4]. Niniejszy opis ograniczono do standardów systemów krótkiego i średniego
zasięgu, rozwijanych pod egidą organizacji IEEE. Standardy te obejmują bezprzewodowe sieci lokalne (WLAN
– 802.11 b, g, n) oraz bezprzewodowe sieci osobiste
(WPAN: Bluetooth – 802.15.1, UWB – 802.15.3a, ZigBee
– 802.15.4). Powyżej, oprócz oznaczeń standardów, podano handlowe nazwy systemów rozwijanych na bazie
tychże (zazwyczaj przez specjalnie powołane konsorcja
największych producentów układów elektronicznych
dla danej technologii). Wszystkie wymienione standardy mogą być m.in. wykorzystywane do konstrukcji bezprzewodowych sieci czujnikowych. W tab. zestawiono
wybrane parametry wymienionych technologii.
Omówione standardy w różnym stopniu znajdują
zastosowanie w przemyśle. Systemy z rodziny WLAN
ze względu na pobór mocy stosowane są głównie jako
zamiennik infrastruktury kablowej sieci Ethernet. Ich
przydatność wzrasta także dlatego, że wiele urządzeń
pomiarowych czy sterujących ma interfejs Ethernet,
co ułatwia proces wdrażania sieci bezprzewodowej. Należy przy tym zauważyć, że wymieniony pobór mocy
urządzeń pracujących w tym standardzie wciąż ulega
poprawie – wraz z rozwojem modułów sprzętowych.
Ze względu na mnogość potencjalnych zastosowań i dostępność rozwiązań sprzętowych, systemy te są obecnie
najchętniej wykorzystywane w zastosowaniach przemysłowych.
Systemy UWB to raczej domena przyszłości – zapewniają największą przepustowość i w sposób szczególny
nadają się do przesyłania np. strumienia obrazu wysokiej jakości (monitoring). Obserwuje się też zastosowania UWB w obszarze układów RFID, wykorzystywanych
w logistyce i zarządzaniu bezpieczeństwem przedsiębiorstw.
Zastosowania Bluetooth w aplikacjach przemysłowych mogą obejmować zarówno przemysłowe punkty
dostępowe (np. do sieci Ethernet czy Profibus), zamienniki dla kabli szeregowych czy bezprzewodowe czujniki
i sterowniki [5]. Ciekawym zastosowaniem przemysłowym jest system kontroli urządzeń na słupach energe-
tycznych [6]. Podejście takie zwiększa poziom bezpieczeństwa operatora i pozwala na szybsze reagowanie
na awarie i rozpoznawanie przyczyn (także zautomatyzowane). Modemy Bluetooth w celu zapewnienia odpowiedniego stopnia bezpieczeństwa wykorzystują 48-bitowe klucze szyfrujące, a także nie obsługują usługi
wyszukiwania dostępnych urządzeń.
ZigBee
Standard IEEE 802.15.4 (warstwa fizyczna i MAC) i uzupełniająca go specyfikacja ZigBee (rozwijana przez stowarzyszenie największych firm z branży elektronicznej,
definiuje warstwy sieci oraz aplikacji, w tym bezpieczeństwa transmisji) stanowią odpowiedź na wymagania stawiane przez bezprzewodowe systemy rozproszone, w szczególności projektowane do zastosowań
na gruncie czujników pomiarowych i kontrolerów [7].
Standard zakłada niski koszt wytworzenia urządzeń,
niski poziom skomplikowania oraz bardzo niski pobór
mocy dla urządzeń łączności bezprzewodowej w różnorodnych środowiskach pracy.
Specyfikacja interfejsu radiowego ZigBee zakłada wykorzystanie jednego z kilku pasm częstotliwościowych,
najpopularniejsze zastosowanie obejmuje 16 kanałów
o szerokości 3 MHz w paśmie ISM 2,4 GHz (rys. 1). ZigBee wykorzystuje modulację O-QPSK z rozpraszaniem
widma sekwencją bezpośrednią. Maksymalna przepływność transmisji wynosi 250 Kbit/s, co wystarcza
do większości zadań pomiarowych. Mechanizm transmisji danych zależy od rodzaju sieci – możliwy jest swobodny dostęp do kanału CSMA/CA lub też stosowanie
struktury szczelinowej kontrolowanej przez urządzenie koordynujące. Niezawodność transmisji zapewniają
Rys. 1. Rozmieszczenie kanałów ZigBee w paśmie 2,4 GHz
Wybrane parametry różnych technologii transmisji bezprzewodowej
ZigBee 802.15.4
Wireless LAN 802.11 b, g
Bluetooth802.15.1
UWB802.15.3 a
Zasięg (m)
30 – 100
40 – 70
1 – 10
1 – 10
Przepustowość
250 Kbit/s
11 Mbit/s (b), 54 Mbit/s (g)
1 Mbit/s
480 Mbit/s
Pasmo (MHz)
2400 – 2483,5
2400 – 2483,5
2400 – 2483,5
3100 – 10600
Rozmiar sieci
>64000
32
7
b.d.
Szerokość kanału (MHz)
3
22
1
> 500
Modulacja
O-QPSK+DSSS
DSSS, CCK, OFDM
GFSK+FHSS
OFDM, DS-CDMA,
MC-CDMA
Czas dostępu do węzła (s)
0,03
2
3
b.d.
13
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
mechanizmy gwarantowanych szczelin czasowych, potwierdzenia odbioru czy detekcji emisji w paśmie (w połączeniu ze zdolnością do wymuszania zmiany kanału
w sieci przez koordynatora).
Bardzo istotną cechą standardu IEEE 802.15.4 jest
małe zużycie energii pozwalające na budowę autonomicznych, zasilanych przez baterie urządzeń nadawczo-odbiorczych. Ta cecha czyni ZigBee niezwykle
przydatnym dla różnorodnych aplikacji począwszy od
detektorów ruchu wykorzystywanych w systemach
alarmowych, kończąc na czujnikach wilgotności ściółki leśnej w systemach ostrzegania przed pożarami. Mały
pobór energii przekłada się na tanią infrastrukturę, mobilność urządzeń czy skalowalność. Największe zużycie
energii typowego urządzenia nadawczo-odbiorczego
ma miejsce podczas przesyłania informacji - dzięki zastosowaniu krótkiego czasu transmisji ramek oraz długiego okresu pomiędzy kolejnymi cyklami przesyłania
danych możliwa jest minimalizacja zużycia energii. Dodatkowo standard zakłada wykorzystanie jednego z kilku trybów uśpienia w chwilach bezczynności.
W standardzie ZigBee zdefiniowano dwa typy urządzeń: urządzenia o pełnej funkcjonalności (Full Function Device – FFD) oraz urządzenia o ograniczonej
funkcjonalności (Reduced Function Device – RFD).
Urządzenia typu RFD mogą pracować tylko w topologii gwiazdy, gdzie komunikują się z koordynatorem, ale
dzięki temu możliwa jest prosta implementacja i zmniejszenie zużycia energii. Opierając się na dwóch podstawowych topologiach sieci (rys. 2), możliwe jest zdefiniowanie dowolnych zależności połączeń. Przestrzeń
adresowa obejmuje 64-bitowy adres urządzenia i 16-bitowy adres sieci.
ZigBee w zastosowaniach
przemysłowych
ZigBee ze względu na parametry radiowe jak i założenia pozwalające na redukcję mocy pobieranej przez
urządzenia, szczególnie nadaje się do wykorzystania
w bezprzewodowych sieciach czujnikowych. Jeżeli
chodzi o aplikacje przemysłowe, zaobserwować można
dwie tendencje: zastosowanie ZigBee w systemach
kontrolujących zużycie energii (zarządzanie oświetleniem, ogrzewaniem itp.) lub w systemach zapewniających bezpieczeństwo (monitoring) [8]. Poniżej opisano kilka z rzeczywistych, wdrożonych systemów na
bazie ZigBee.
System Intuä [9] pozwala na zarządzanie dystrybucją
energii elektrycznej w przedsiębiorstwie i co za tym
idzie – redukcję kosztów (np. dzięki rezygnacji z oświetlenia tam, gdzie nie jest aktualnie potrzebne). Podstawowym elementem systemu jest kontroler sieci ZigBee,
połączony z serwerem pomiarowym (rys. 3.). Węzły
sieci ZigBee sterują poziomem oświetlenia na podstawie komend odbieranych od kontrolera sieci. Logika systemu dostosowuje poziom oświetlenia do warunków
oświetlenia naturalnego czy zaprogramowanych zadań.
Oprócz funkcji sterujących, węzły sieci ZigBee pośredniczą także w wymianie danych pomiarowych. Określone węzły zawierają czujniki mierzące stopień zużycia
elementów świecących (a także parametry ich pracy), co
pozwala z odpowiednim wyprzedzeniem generować
ostrzeżenia o zbliżającym się końcu czasu życia danego
elementu. Kontroler sieci ZigBee połączony jest z siecią
zewnętrzną. Serwer zarządzany przez producenta pozwala na automatyczne zapisywanie kopii zapasowych
wszystkich danych i wydawanych poleceń.
Użytkownik systemu może w sposób intuicyjny wybrać jeden z wielu poziomów oświetlenia, oddzielnie
dla każdej ze stref. Odpowiednie czujniki pozwalają na
automatyczne włączanie/wyłączanie oświetlenia w zależności od tego, czy dane pomieszczenie jest lub nie jest
wykorzystywane. Czujniki światła dziennego wysyłają
dane pozwalające kontrolerowi na dostosowanie poziomu oświetlenia. Funkcjonalność sieci ZigBee umożliwia
łatwe konfigurowanie, dodawanie czy usuwanie stref
oświetlenia w przedsiębiorstwie. Oczywiście wszyst-
Rys. 2. Podstawowe topologie sieci w standardzie ZigBee
W przypadku wykorzystywania pasma ISM 2,4 GHz
należy brać pod uwagę współdzielenie zasobów z innymi systemami łączności radiowej. Dwa lub więcej urządzeń bezprzewodowych koegzystuje, jeżeli możliwe jest
takie ich rozmieszczenie, że podczas jednoczesnej pracy
wydajność żadnego z nich nie jest znacząco zmniejszona. Należy wziąć przy tym pod uwagę, że każde z urządzeń może należeć do innego systemu i pracować na
innych zasadach. Jak pokazują badania, wpływ ZigBee
na WLAN jest znacznie mniejszy niż analogiczny wpływ
Bluetooth. Jednocześnie wszystkie prace dowodzą, że
wpływ innych technologii na ZigBee nie może być pominięty i szczególnie objawia się w przypadku sieci
WLAN [4].
14
Rys. 3. Główne elementy składowe systemu Intuä [9]
Pomiary Automatyka Robotyka 12/2008
kie ustawienia mogą zostać
połączenie z siecią zewnętrzw każdej chwili zmienione maną (dostęp z poziomu WWW)
nualnie.
i może reagować na polecenia
Zintegrowany system zarząkonfiguracyjne w ydawane
dzania przepływem energii
z poziomu graficznej aplikacji
elektrycznej UtiliNet TM [10]
administracyjnej. System może
jest zgodny z opisaną wczetakże współpracować z innyśniej specyfikacją Smart Enermi systemami przemysłowygy. Konstrukcja systemu opiemi (np. systemem zewnętrznej
ra się na idei Zaawansowanej
firmy ochroniarskiej, instalaInfrastruktury Pomiarowej
cją przeciwpożarową) – dzięki
(ang. Advanced Metering Inwykorzystaniu odpowiednich
frastructure), która docelowo
interfejsów.
umożliwia pomiar, pobieranie
i analizę danych dotyczących
Podsumowanie
zużycia energii uzyskiwanych
Na przykładzie coraz popuod inteligentnych mierników
larniejszej technologii ZigBee
energii elektrycznej, wody
pokazano przydatność technoczy gazu (rys. 4.). Powyższe
logii bezprzewodowych w zadane mogą być automatyczRys. 4. Specyfikacja ZigBee Smart Energy – elementy
stosowaniach przemysłowych.
nie lub na żądanie pobierane
składowe [8]
Wdrożone i działające systemy
wybranym kanałem komunisą dowodem na to, że technokacyjnym. Opisywany system
logie bezprzewodowe to teraźniejszość i przyszłość dla
opiera swe działanie na sieci ZigBee, która pozwala na
aplikacji przemysłowych, zgodnie z zasadą: bezprzekomunikację z różnymi typami urządzeń pracujących
wodowość jako standard, rozwiązania kablowe jako
w sieciach domowych (ang. Home Area Networks), tj.
ostateczność. Niewątpliwe zalety takiego podejścia
termostatami, termami, pompami itp.
przeważają nad niekorzystnymi zjawiskami takimi, jak
System pozwala przedsiębiorstwom czy gospodarzwiększone opóźnienia w systemie czy ryzyko utraty
stwom domowym na pełną kontrolę wydatków na
danych. Należy jednak zaznaczyć, że wystąpienie taenergię elektryczną, gaz czy wodę. Możliwe jest blokich niekorzystnych zjawisk zależy wprost od wyboru
kowanie zużycia anergii w czasie działania droższej tatechnologii transmisji czy warunków pracy systemu –
ryfy, ciągła kontrola kosztów czy monitorowanie stanu
możliwa jest zatem minimalizacja niekorzystnych efekurządzeń przez dostawców, co pozwala na szybką retów. Konieczne jest jednak rozważenie tych aspektów
akcję w razie awarii. Zastosowanie ZigBee zapewnia
już na wstępnych etapach projektowania systemu.
skalowalność systemu i możliwość globalnego wykorzystania. Bezpieczeństwo systemu jest zapewniane za pomocą algorytmów szyfrowania z kluczem puBibliografia
blicznym, które dobrze sprawdzają się w przypadku
występującej tu asymetrii mocy obliczeniowej, a tak1. Eljasz D., Powroźnik P., Wykorzystanie bezprzeże ograniczają ruch w sieci eliminując potrzebę wywodowych sieci komputerowych do przesyłania
miany kluczy.
danych pomiarowych, PAR 2006 nr 7-8 (s. 6-9).
Jednym z najczęstszych zastosowań ZigBee w prze2. Grega W., Sieci bezprzewodowe w automatyce,
myśle są systemy kontroli parametrów klimatycznych
PAR 2005 nr 12 (s. 5-9).
(ang. Heating, Ventilation, Air Conditioning), zarzą3. Olszyna J., Winiecki W., Bezprzewodowy rozprodzania zużyciem energii i zapewniania bezpieczeńszony system pomiarowy z wykorzystaniem techstwa w przedsiębiorstwach (monitoring przemysłonologii ZigBee, PAK 2008 nr 06 (s. 353-355).
wy) – często zintegrowane ze sobą [11]. W podanym
4. Kurtynik I.P., Karpiński M., Bezprzewodowa
przykładzie bezprzewodowe rozwiązania oparte są na
transmisja informacji, PAK 2008.
technologii ZigBee i działają na platformie kontrolerów
5. Stefaniak P., Łukaszewski R., Węzeł sieci czujnikoz rodziny Andover ContinuumTM. Zintegrowany system
składa się z szeregu czujników i sterowników, pozwawej z interfejsem bezprzewodowym, PAK 9bis/
lających na pomiar parametrów klimatycznych oraz
2006 (s. 60-62).
6. http://www.schneider-electric.com/
odpowiednie reagowanie na zmiany wartości czy inne
7. Kinney P., ZigBee Technology. Wireless Control
sytuacje nietypowe. Elementy systemu tworzą sieć Zigthat Simply Works, Communications Design ConBee typu mesh, zdolną do samoorganizacji dzięki odference, 2003.
powiednim protokołom routingu. Oprócz zapewnienia
8. http://www.zigbee.org/
dłuższego czasu pracy typowego elementu, technolo9. http://www.lightcorp.com/
gia ZigBee pozwala także na szybszą instalację syste10. http://www.landisgyr.com/
mu, także w budynkach zabytkowych, muzeach czy
11. http://www.tac.com/
w trudno dostępnych obszarach. Kontroler zapewnia
15