Einleitung Die Sensorik entwickelt sich zunehmend in Richtung Multifunktionalität, Miniaturisierung, Intelligenz, Vernetzung und drahtloser Fähigkeiten. Selbstorganisierende drahtlose Sensornetzwerke (SNRs) sind als aufstrebende Technologie derzeit ein internationaler Forschungsschwerpunkt und bieten breite Anwendungsmöglichkeiten in den Bereichen Militär, Umwelt, Gesundheit, Haushalt, Wirtschaft, Weltraumforschung und Katastrophenhilfe. Bereits 2003 stellte die US-amerikanische National Science Foundation erhebliche Mittel zur Förderung der Forschung in diesem Bereich bereit, und es entstanden mehrere auf drahtlose Sensornetzwerke spezialisierte Unternehmen, darunter Crossbow mit der Mica-Produktreihe. Viele chinesische Universitäten haben bereits mit der Forschung in verwandten Gebieten begonnen, doch befinden sich die meisten Arbeiten noch im Stadium der Leistungssimulation von Protokollen selbstorganisierender drahtloser Netzwerke und des experimentellen Designs von Hardware-Knoten im kleinen Maßstab. Dieser Artikel beschreibt den Entwurf und die Implementierung von drahtlosen Sensornetzwerken für die Umweltüberwachung, die vom Sensor Teaching and Research Laboratory der National University of Defense Technology durchgeführt wurden. 1. Hardware-Design des drahtlosen Sensornetzwerks Das Modell des drahtlosen Sensornetzwerks (siehe Abbildung 1) ist im Gegensatz zu herkömmlichen drahtlosen Netzwerken ein infrastrukturfreies Netzwerk. Dabei werden zahlreiche Sensorknoten (im Folgenden „Knoten“ genannt) zufällig in einem Überwachungsbereich verteilt. Jeder Knoten koordiniert sich selbst und baut schnell ein Kommunikationsnetzwerk auf. Die Aufgaben werden nach dem Prinzip der Priorisierung der Energienutzung aufgeteilt, um Informationen über den Überwachungsbereich zu gewinnen. Die Selbstorganisationsfähigkeit des Netzwerks zeigt sich in seiner Fähigkeit, sich adaptiv zu reorganisieren, wenn ein Knoten ausfällt oder ein neuer Knoten hinzukommt. So wird die Gesamtgenauigkeit der Erfassung angepasst und die Ressourcen optimal genutzt. Anders ausgedrückt: Jeder Knoten im Netzwerk verfügt neben der Datenerfassung auch über Datenweiterleitungsfunktionen und ermöglicht so Multi-Hop-Routing. 1.1 Knotenaufbau Ein typischer Knoten eines drahtlosen Sensornetzwerks besteht aus vier Hauptkomponenten: Datenerfassung, Datenverarbeitung, Datenübertragung und Stromversorgung. Die Sensoreinheit erfasst mithilfe von Sensoren Informationen über die zu untersuchenden Objekte im Überwachungsbereich. Die Mikrocontrollereinheit führt Datenanalyse, -verarbeitung und -speicherung durch. Die drahtlose Übertragungseinheit übernimmt die energiesparende Kurzstreckenkommunikation zwischen den Knoten. Die Stromversorgungseinheit nutzt miniaturisierte Hochleistungsbatterien, um eine lange Lebensdauer und Miniaturisierung der Knoten zu gewährleisten. Spezifische Knotendesigns sind in den Abbildungen 2 und 3 dargestellt. (1) Das drahtlose Transceiver-Modul der drahtlosen Übertragungseinheit verwendet den nRF401-Chip von Nordic, Norwegen. Der nRF401 ist ein monolithischer drahtloser Transceiver-Chip, der im ISM-Band bei 433,92 MHz/434,33 MHz arbeitet. Er ist ein hochintegriertes Produkt zur drahtlosen Datenübertragung und umfasst Hochfrequenz-Senden/Empfangen, PLL-Synthese, FSK-Modulation/Demodulation sowie Zweikanal-Umschaltung. Seine maximale Übertragungsrate beträgt 20 kbit/s, die Empfangsempfindlichkeit -105 dBm und die maximale Sendeleistung 10 dBm. Im Vergleich zu anderen HF-Transceiver-Chips ist das Design der Peripherieschaltung einfacher. Die Betriebsfrequenz ist auf 434,33 MHz festgelegt, und die Mikrocontroller-Einheit benötigt lediglich vier I/O-Leitungen: TXEN zum Umschalten zwischen Sende- und Empfangszustand, PWRUP zum Umschalten zwischen Standby- und Betriebszustand sowie DIN/DOUT für die Datenkommunikationsschnittstelle. Das HF-Signalausgangsdesign verwendet eine Schleifen-Differenzantenne. (2) Der Mikrocontroller der TI MSP430-Serie ist ein hochintegrierter 16-Bit-Mikrocontroller mit umfangreicher Funktionalität und extrem niedrigem Stromverbrauch. Sein extrem niedriger Stromverbrauch, die vielen On-Chip-Peripheriegeräte, die verschiedenen Energiesparmodi und die Unterstützung der C-Programmierung machen die MSP430-Serie ideal für eingebettete Systeme. Das Design verwendet die Mikrocontroller der Serien MSP430x13x und MSP430x14x mit Flash-Speicher für die In-System-Programmierung. Zu den Peripheriemodulen gehören Watchdog-Timer, Timer-A/B-Wandler, synchrone/asynchrone serielle Kommunikationsschnittstellen, 10/12-Bit-A/D-Wandler und sechs 8-Bit-Parallelports in verschiedenen Kombinationen. Die Funktionen sind: ◇ Ansteuerung des drahtlosen Transceiver-Chips zur Bereitstellung einer Betriebszustandskontrollleitung und zweier unidirektionaler serieller Übertragungsdatenleitungen für den nRF401; ◇ Realisierung der Sensordatenerfassung – Beschleunigung, Temperatur, Schall- und Lichtintensitätsmessung; ◇ Lokale Datenverarbeitung – Eliminierung redundanter Daten zur Reduzierung der Netzwerklast sowie Kapselung und Verifizierung drahtloser Übertragungsdaten; ◇ Beantwortung von Anfragen der Fernsteuerzentrale und Durchführung der Datenweiterleitung und -speicherung; ◇ Routing-Wartungsfunktion für Knoten im Bereich; ◇ Energiemanagement der Knoten, sinnvolle Einstellung des Standby-Modus zur Energieeinsparung und Verlängerung der Knotenlebensdauer. (3) Die Sensor- und Detektionseinheit wählt je nach Bedarf geeignete Sensoren zur Messung physikalischer Signale wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Vibration, Schall und Licht im Überwachungsbereich aus. Im Versuchsaufbau wurden zwei digitale Sensoren mit einfachen Peripherieschaltungen ausgewählt: lichtempfindliche Bauelemente und Elektretmikrofone zur Messung von Vibration, Temperatur, Lichtintensität bzw. Schall. ◆ Der ADXL202 von AD ist ein biaxialer Beschleunigungssensor. Er nutzt fortschrittliche MEMS-Technologie und ätzt einen polykristallinen Silizium-codierten mikromechanischen Sensor auf einen einzelnen Siliziumwafer. Durch die Integration hochentwickelter Signalverarbeitungsschaltungen kann er statische und dynamische Beschleunigungen messen und ein zyklisches digitales Signal mit periodischer Tastverhältnismodulation (DCM) ausgeben. Der Messbereich liegt zwischen -2 und +2 g, die Messbandbreite zwischen 0,01 Hz und 5 kHz (einstellbar mit einem externen Kondensator) und die Auflösung bei 5 mg und einer Bandbreite von 60 Hz. Dieser Sensor eignet sich für vielfältige Anwendungen in der Trägheitsnavigation, der Erdbebenüberwachung, der Fahrzeugsicherheit und der Bewegungszustandsprüfung batteriebetriebener Geräte. ◆ Der DS18B20 von Maxim ist ein digitaler Ein-Draht-Temperatursensor. Die Messergebnisse werden als 9 bis 12 Bit serielle Daten ausgegeben, mit einem Messbereich von -55 bis 125 °C und einer Genauigkeit von ±0,5 °C im Bereich von -10 bis 85 °C. ◆ Der Fotowiderstand 5516 ist ein Lichtleiter, der auf dem photoelektrischen Effekt von Halbleitern basiert und eine extrem hohe Lichtempfindlichkeit aufweist. Bei Lichteinfall in einem bestimmten Wellenlängenbereich sinkt der Widerstand (Lichtwiderstand) des Fotowiderstands rapide, während der Strom rapide ansteigt. Der Widerstandswert des Fotowiderstands kann durch A/D-Abtastung nach Spannungsteilung mithilfe eines Referenzwiderstands ermittelt werden, woraus sich die Lichtintensität berechnen lässt. ◆ Das Elektretmikrofon HX034P ist ein Kondensatormikrofon. Das Eingangssignal ist ein Audiosignal, das Ausgangssignal wird mit einem MAX4466 vorverstärkt und anschließend per Spannungs-A/D-Wandlung abgetastet. Die A/D-Abtastfrequenz des Prozessors erreicht bis zu 200 kHz und ermöglicht so die Erfassung von Audiosignalen. Durch die Kombination der genannten Sensoren und empfindlichen Bauelemente in einem Knoten eines drahtlosen Sensornetzwerks lassen sich Temperatur und Beschleunigung (Vibration) präzise messen und erfassen. Da der Fotowiderstand spektrale und temperaturabhängige Eigenschaften aufweist, ist im Experiment keine präzise Kalibrierung erforderlich. Die Erfassung und Wiedergabe von Audiosignalen erfordert zudem eine umfangreiche Datenverarbeitung. Im Hinblick auf Energieeffizienz und die Vereinfachung der Sensorknotenfunktionen wird die Erfassung von Schall- und Lichtintensität im Experiment durch die Festlegung eines Schwellenwerts und die Ausgabe eines booleschen Werts (0 oder 1) realisiert. (4) Die Stromversorgungseinheit ermöglicht die Miniaturisierung des Knotendesigns. Der Knoten kann mit einer wiederaufladbaren 3,6-V-Lithium-Ionen-Knopfzelle vom Typ LIR2032 betrieben werden. Die Selbstentladungsrate dieser Batterie liegt unter 10 % pro Monat, die geringe Nennkapazität begrenzt jedoch die Lebensdauer des Knotens. Mit zwei herkömmlichen AA-Batterien lässt sich die Betriebszeit verlängern. Im Netzwerkmodus kann die Lebensdauer des Knotens durch eine sinnvolle Konfiguration der Sende-, Empfangs- und Standby-Zustände des Knotensenders effektiv verlängert werden. Bei drahtlosen Sensornetzwerken, in denen die Stromversorgungseinheit des Knotens nicht ohne Weiteres ausgetauscht werden kann, sind die Forschung nach neuen Energielösungen und die Entwicklung energieeffizienter Netzwerksysteme ebenfalls wichtige Forschungsfelder. 1.2 Entwurf des Datensammelpunkts (Sink Point) Die Verbindung zwischen den Informationen im Sensornetzwerk und dem externen Netzwerk oder Rechenzentrum wird über den Datensammelpunkt realisiert. Der Datensammelpunkt dient als Relaisstation für die Verbindung zwischen dem drahtlosen Sensornetzwerk und den kabelgebundenen Geräten. Er ist verantwortlich für das Senden von Befehlen höherer Schichten (z. B. Abfragen, Adresszuweisung usw.), den Empfang von Anfragen und Daten von Knoten niedrigerer Schichten und übernimmt Funktionen wie Datenfusion, Anfragearbitrierung und Routing-Auswahl. Er ist der wichtigste Bestandteil des drahtlosen Sensornetzwerks. Der Datensammelpunkt im Entwurf besteht aus einem Host-PC und einer drahtlosen Kommunikationsadaptereinheit (siehe Abbildung 4). Das drahtlose Transceiver-Modul verwendet weiterhin den nRF401-Chip mit einer Schleifenantenne. Es wird mit 3 V versorgt, und die TTL-zu-RS232-Pegelwandlungseinheit verwendet den MAX3316-Chip. Dieser Chip ermöglicht die bidirektionale Pegelwandlung für zwei Kanäle mit einer Versorgungsspannung von 2,25–3,0 V und kann die seriellen Datenleitungen DIN/DOUT und die Steuerleitung TXEN des nRF401-Chips direkt ansteuern. Experimentelle Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Ansteuerung der I/O-Leitungen über API-Funktionsaufrufe oder serielle Schnittstellensteuerung durch den Host-PC in diesem Design zu einer hohen Bitfehlerrate führt und mehr Registeroperationen auf niedriger Ebene erfordert, um Daten effizient zu extrahieren. Dies erhöht die Komplexität des Designs erheblich. Daher wurde für die Realisierung des Senkenpunkts der MSP430F149-Chip mit zwei UART-Kanälen als Verbindungs- und Verarbeitungseinheit für die drahtlose und drahtgebundene serielle Übertragung ausgewählt. Er realisiert die initiale Kapselung und Zerlegung der Daten und stellt eine portable Schnittstelle für den Host-Computer bereit. 2. Software-Design-Ablauf: Die in den Sensorknoten verwendeten Mikrocontroller der MSP430-Serie unterstützen die Programmierung in C. Die in der MSP430-Serie verwendete Programmiersprache C ist hochgradig kompatibel mit Standard-C, was die Effizienz von Softwareentwicklung und -design erheblich steigert und die Zuverlässigkeit, Lesbarkeit und Portabilität des Programmcodes verbessert. Abbildung 5 zeigt den Workflow des Sensorknotens. Der Host-PC, der als Steuerzentrale fungiert, muss Funktionen zum Netzwerk-Wake-up, zur Datenverarbeitung und zur Routing-Verwaltung bereitstellen. C++ Builder, Delphi und Microsoft Visual Basic sind optionale Entwicklungswerkzeuge. Die Softwarefunktionen der oberen Schicht werden mit Delphi implementiert. Abbildung 6 zeigt das Blockdiagramm des drahtlosen Sensornetzwerk-Erkennungssystems. Um die Zuverlässigkeit der Punkt-zu-Punkt-Kommunikation zu gewährleisten, müssen der zugrunde liegenden drahtlosen Datenübertragung die erforderlichen Protokollspezifikationen hinzugefügt werden. Im Design werden gültige Daten im folgenden Format verpackt: Präambel, Adresse, Nutzdaten und Prüfsumme. Für die Chips der nRF40x-Serie wird, wie vom Hersteller empfohlen, 0x55FF (hexadezimal) als Präambel verwendet, wenn UART unterstützt wird; die Adresse dient als Kennung für verschiedene Bestätigungspunkte. Die „gültige Nutzlast“ enthält Datenpakete, die dem Format des Protokolls der höheren Schicht entsprechen. Dieser Teil sollte die Datenpaketlänge gemäß den Anwendungsanforderungen minimieren, um die Lebensdauer der Datenpakete im Übertragungsweg zu verkürzen. Das Hinzufügen einer Prüfsumme am Ende des Datenpakets verifiziert die Datengültigkeit. CRC (Cyclic Redundancy Check) ist eine einfache und benutzerfreundliche Methode. Datenkapselung und -verarbeitung werden vollständig von der Mikrocontrollereinheit implementiert. 3. Netzwerktechnologie: Entsprechend der vom nRF401 verwendeten Frequenz von 434,33 MHz verwendet das Netzwerkdesign TDMA (Time Division Multiplexing): Der Zielknoten fragt die Knoten im Netzwerk in Zeitschlitzen ab. Erkennt ein Knoten ein unerwartetes Ereignis, wählt er zufällig einen freien Zeitschlitz zum Hochladen von Daten. Bei Kanalblockierung wird ein zufälliger Backoff-Mechanismus verwendet, der wartet, bis der Kanal wieder frei ist, bevor Daten gesendet werden. Daher muss jeder Knoten vermeiden, den Kanal während der Kommunikation lange zu belegen. Die Zuverlässigkeit und Effizienz eines Netzwerks hängen von einem gut konzipierten Kommunikationsprotokoll ab. SPIN (Sensor Protocol for Information via Negotiation) ist ein datenzentriertes, adaptives Routing-Protokoll, das mithilfe eines Aushandlungsmechanismus „Implosions“- und „Überlappungsprobleme“ bei der Datenübertragung vermeidet. Sensorknoten senden Daten nur auf Anfrage. Das SPIN-Protokoll kennt drei Nachrichtentypen: ADV (Advanced Viewer) für die Broadcast-Datenübertragung, REQ (Request for Request) für den Datenempfang und DATA (Data Encapsulation). Die Netzwerktopologie selbstorganisierender drahtloser Sensornetzwerke lässt sich in drei Typen unterteilen: ① Clusterbasierte hierarchische Struktur. Der Clusterkopf fungiert als verteiltes Verarbeitungszentrum, sammelt Daten von den Clustermitgliedern, verarbeitet und fusioniert diese und leitet sie schließlich über mehrere Hops von anderen Clusterköpfen oder direkt zurück zum Senkenpunkt weiter. ② Mesh-basierte planare Struktur. In dieser Struktur ist das Sensornetzwerk als ein einziges Netzwerk verbunden, wobei benachbarte Knoten direkt miteinander kommunizieren. Netzwerkfragmentierung tritt nicht auf, wenn einzelne Verbindungen oder Sensorknoten ausfallen. ③ Kettenbasierte lineare Struktur. In dieser Struktur sind die Sensorknoten in Reihe an einer oder mehreren Ketten angeschlossen, wobei das Kettenende mit den Benutzerknoten verbunden ist. Da kettenartige Strukturen bei der Netzwerkinitialisierung einfacher zu implementieren sind, wurde diese Netzwerktopologie im Design verwendet. Der extrem niedrige Stromverbrauch verlängert die Lebensdauer der Knoten und des Netzwerks. Der Energieverbrauch der Knoten entsteht durch drei Aspekte: Datenerfassung der Sensoren, Datenspeicherung und -verarbeitung im Mikrocontroller sowie Datenempfang und -übertragung im Funkmodul. Der größte Energieverbrauch tritt bei der Funksignalübertragung auf; daher ist es unerlässlich, die Sende- und Empfangsmodi des Chips sinnvoll umzuschalten und die Schlaf- und Aufwachzustände der Knoten entsprechend zu konfigurieren, um den Energieverbrauch zu minimieren. Fazit : Das auf dem MSP430 basierende drahtlose Sensornetzwerk zeigt in kleinen Experimenten eine gute und stabile Leistung und ermöglicht die Signalerfassung, -übertragung und -verarbeitung innerhalb eines überwachten Bereichs unter speziellen Bedingungen. Mit der Weiterentwicklung der drahtlosen Ad-hoc-Netzwerktechnologie und dem Aufkommen neuer Energielösungen wird sich der Einsatz drahtloser Sensornetzwerke zweifellos auf verschiedene Bereiche wie Umweltüberwachung, Gesundheitswesen, Weltraumforschung und Katastrophenvorhersage ausweiten. Referenzen [1] Akyildiz Ian F, Su Weilian, Yogesh Sankarasubramaniam, et al. A Survey on Sensor Networks. IEEE Communications Magazine, 2002(8): 102-114. [2] Wei Xiaolong. MSP430 series microcontroller interface technology and system design examples. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press. 2002. [3] Li Guohua, Shen Shuqun. Research on self-organizing wireless sensor networks. Data Communication, 2004(4): 14. [4] Nordic VLSI ASA Inc. nRF Radio protocol guidelines. 2002. [5] Nordic VLSI ASA Inc. 433MHz Single Chip RF Transceiver nRF401. 2002. Quelle: Microcontroller and Embedded System Applications