Langaton tiedonsiirto teollisuudessa Anturi- ja toimilaiteverkot Elektroniikkaratkaisut 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Otsikoita Onko langattomuudella käyttöä Ideaalinen langaton tekniikka Bluetooth Zigbee RFID TUTWSN SWiN –projekti Kehityksen suunta Väitteitä 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Sopiiko langattomuus teollisuusympäristöön ? Ongelmia: Uusi, tuntematon tekniikka Tiedonsiirron luotettavuus riippuu ympäristöstä Reaaliaikaisuusongelma Tekniikka kehitetty multimediaa varten Hyötyjä: Ei kaapelointia, edullinen käyttöönotto Muutostyöt vaivattomia Hyvä mekaaninen ja sähköinen vikasietoisuus 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Langattomuuden tavoitteet Jos langaton tiedonsiirto, tarvitaan myös langaton energiansyöttö ja siirrettävyys. Virtalähteenä akku, paristo, valokenno, generaattori tms. Jos energia rajattu, teknologia täytyy olla hyvin pienitehoista. Onko langattomuudesta hyötyä teollisuudessa nykyisillä ratkaisuilla ? 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Ideaalisen verkon elektroniikka: 1-2 piirin ratkaisu: yksinkertainen, luotettava kytkentä ja rakenne Riittävästi laskenta- ja muistiresurssia Edullinen: yleisesti saatavilla olevat komponentit Erittäin pienivirtainen eli toimii ympäristöstä saatavalla energialla 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Ideaalisen verkon ominaisuudet Homogeeninen tiedonsiirto: kuka tahansa kenelle tahansa miten kauaksi tahansa. Kaikki solmut samanlaisia: ei hierarkiaa eikä osoitteiden ja ominaisuuksien asettelua. Dynaamisesti muotoutuva, vikasietoinen mobiiliverkkoon soveltuva itsekorjautuva reititys. Fyysinen ja looginen paikoitus. 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Ideaalisen verkon soveltuvuus Anturi- ja toimilaiteverkoksi teollisuuteen Dynaamisesti toteutettuun kunnon- ja käytönvalvontaan Kiinteistöautomaatioon Viljelytekniikan mittausverkkoihin Maatalouksien automatisointiin Uusiin sovelluksiin 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Langattoman tiedonsiirron OSI - protokollapino Säätö/ohjaussovellus Sovelluskerros (Application Layer, APL) Tiedon generointi ja purku Kuljetuskerros (Transport Layer, API) Tiedon reititys Verkkokerros (Network Layer, NWK) Tiedonsiirron varmistukset Siirtoyhteyskerros (Data link layer, MAC) Radiosignaalin modulointi, lähetys ja vastaanotto Fyysinen kerros (Physical Layer, PHY) 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Bluetooth IEEE 802.15.1 Isäntä-orja –arkkitehtuuri Pikoverkossa (Piconet) yksi isäntä ja max. 7 orjaa. Picoverkot kytkeytyvät huonosti toisiinsa (Scatternet) Suurivirtainen Uuden laitteen kytkeytymisaika max. 2.5 sek Ei sovellu teollisuusautomaation käyttöön Silvola, HAS-projekti, ZigBee ja Bluetooth 1.2 ja niiden soveltuminen automaation käyttöön 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Bluetooth –piiri STLC2500C Koko 4.5x4.5 mm Nastoja >=46 Aktiivivirta 35.4 mA http://www.st.com/stonline/products/families/communication/wscomm/bluetooth/stlc2500c.htm 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Bluetooth - esimerkki http://www.taichi.cf.ac.uk/files/Bluetooth_small.jpg 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences UWB -impulssiradio Erittäin lupaava, yksinkertainen ja nopea tekniikka Standardointi vie sitä kuitenkin BlueTooth’n suuntaan, jolloin se soveltuu huonosti teollisuuskäyttöön Prosessori-lehti, marraskuu 2004, artikkeli: Nopeat laiteyhteydet langattomiksi 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Zigbee + IEEE 802.15.4 Seinäjoen teknologiakeskus, ZigBee -katsaus 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Zigbee IEEE 802.15.4 Monia topologiavaihtoehtoja: star, mesh, cluster tree. FFD (Full Function Device) toimii reitittimenä, ei yleensä paristokäyttöinen Pienivirtainen RFD (Reduced Function Device) toimii orjana, tiedonsiirto vain FFD:n kautta 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Zigbee –piiri AT86RF230 Koko 5x5 mm Nastoja 32 Aktiivivirta 17 mA http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc5131.pdf 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Zigbee - esimerkki http://www.avrfreaks.net/index.php?func=viewItem&item_id=752&module=Freaks%20Tools 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

ZigBee -sovellusalueet Seinäjoen teknologiakeskus, ZigBee -katsaus 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences RFID Erittäin halpa tagi / kallis lukulaite Rajatut ominaisuudet Pääasiassa yksisuuntainen liikenne Soveltuu erinomaisesti logistiikan tarpeisiin Ei juuri mitään resurssia Aktiivinen RFID (oma virtalähde) voisi soveltua anturiverkkoon 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences TUTWSN Kaikki solmut voivat toimia reitittiminä ja ovat pienivirtaisia. Reitityksessä huomioitu energiansäästö Topologia perustuu klustereihin. Klusterin pääsolmu voi olla toisen klusterin alisolmu. Klusterinmuodostus ja reititys muotoutuu automaattisesti muutoksien mukaan. Suhonen J., Kuorilehto M., Hännikäinen M. & Hämäläinen T, D. 11.9.2006-14.9.2006, Cost-Aware Dynamic Routing Protocol for Wireless Sensor Networks - Design and Prototype Experiments 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences TUTWSN – nRF2401A -piiri Koko 5x5 mm Nastoja 24 Aktiivivirta 18mA http://nvlsi.no/index.cfm?obj=product&act=display&pro=64# 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences TUTWSN - esimerkki Suhonen J., Kuorilehto M., Hännikäinen M. & Hämäläinen T, D. 11.9.2006-14.9.2006, Cost-Aware Dynamic Routing Protocol for Wireless Sensor Networks - Design and Prototype Experiments 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

SWiN -hankkeen tavoitteet Seamk Wireless Network Yksinkertaisin mahdollinen rakenne Erittäin pienivirtainen (10uA alisolmu) Homogeeninen multi-hop-reititys Paikannus reititystietojen perusteella 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences SWiN –piiri: nRF24L01 Koko 4x4 mm Nastoja 20 Aktiivivirta 12.3 mA 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences SWiN - esimerkkejä 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Vertailua Pieni nopeus Suuri nopeus Käytettävyys Ideaalinen TUTWSN (SWiN) ZigBee RFID (UWB) BlueTooth Hinta 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Tärkeimmät ominaisuudet Mihin panostettava ? Mistä tingitään ? Tehokas Kevyt, yksinkertainen ja edullinen Tietosuojattu Standardien mukainen 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Tärkeimmät sovellukset Mihin panostettava ? Mistä tingitään ? Prosessiautomaatio Logistiikka Käytön ja kunnon valvonta Kiinteistöautomaatio 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Tärkein tekniikka Mihin panostettava ? Mistä tingitään ? PC-verkko (esim.WLAN) Hyvin yksinkertainen (esim.RFID) Suuri siirtonopeus (esim. UWB tai BT) Kevyet lyhyen kantaman verkot (esim. ZigBee tai TUTWSN) Mobiiliverkot 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences

Seinäjoki University of Applied Sciences Väitteitä ! Nykyiset standardit kelvottomia: liian raskaita ja joustamattomia ! Salausta ei tarvita, koska kantomatkat ovat lyhyitä anturi/toimilaiteverkossa ! Tarvitaan avoin, lisenssivapaa tekniikka ! Nykytekniikalla on käyttöä vain tuotannon ulkopuolella ! 7.6.2007 Heikki Palomäki Seinäjoki University of Applied Sciences