Funkbasierte Sensorknoten

Transkript

1 Funkbasierte Sensorknoten für das Internet of Things Roger Weber Professor für Embedded Systems Berner BFH-TI, Fachhochschule Institut für Intelligente Haute école Industrielle spécialisée Systeme, bernoise I3S Bern University of Applied Sciences

2 Inhalt Funkbasierte Sensorknoten Autonome Speisung und ULP Hardware Funktprotokolle Firmware 2

3 Funkbasierte Sensorknoten Aufgaben, Einsatzgebiete, Aufbau und Anforderungen 3

4 Aufgaben Messen von Umgebungs- und/oder Prozessdaten: Temperatur, Beschleunigung, Druck, Felder, Feuchtigkeit Vorverarbeitung der Daten Sichere Datenübertragung zu Steuerung Gateway Smartphone / Tablet 4

5 Beispiele von Einsatzgebieten in der Industrie Einsatz auf beweglichen Objekten oder auf Objekten die schwer zugängig sind. Roboterarme Rotierende Elemente Portable Werkzeuge und Maschinen 5

6 Beispiel Schweizerische Vogelwarte Sempach BFH TI, Roger Weber 6

7 Aufbau Funkbasierte Sensorknoten sind Embedded Systems bestehend aus: Einem oder mehreren Sensoren, einem Microcontroller (CPU, Flash, RAM, Peripherie), einer Encryption-Hardware (Security), einer funkbasierten Kommunikationsschnittstelle, einer autonomen Speisung. 7

8 Anforderungen Klein Leicht Mobil Autonome Speisung (eventuell Energy Harvesting) Energieeffizient (Ultra Low Power, kurz ULP) BLE-Sensorknoten, BFH-TI, Roger Weber 8

9 Autonome Speisung und ULP Energiebedarf, Batterien oder Akkumulatoren, Energy Harvesting 9

10 Energiebedarf Da funkbasierte Sensorknoten mobil sein sollen, ergibt sich: Autonome Speisung Batterien oder Akkumulatoren Energy Harvesting Möglichst tiefer Energieverbrauch (Ultra Low Power) Hardware (Bauelemente, Arbeits- und Standby-Ströme) Kommunikation (Funkprotokolle) Firmware 10

11 Batterien oder Akkumulatoren Vorteil: einfach, billig Nachteil: auswechseln oder aufladen, Innenimpedanz Quelle: Hersteller AAA Batterie 3V Lithium Knopfzelle LiPo Akku Beispiel Energieberechnung mit Knopfzellenbatterie, 5 Jahre Betrieb: CR 2032, 3V, 225mAh, max. discharge current 3.0mA, 2.8 g Standby Sensorknoten: h * 2μA 87.6mAh (39%) 137mAh für Sender: Für Sendeleistung 0dBm ca. 15mA Sendebudget über 5 Jahre ca. 9h oder pro Tag ca. 18 Sekunden 11

12 Energy Harvesting Energiegewinnung aus der Umwelt Licht Felder Mechanisch Piezoelektrisch Thermoelektrisch GDL3s mit PV Zellen, BFH TI, Roger Weber Beispiel Energieertrag einer kleinen PV-Zelle: CH, Mittelland: 0.77 (Dez.) bis 5.59 (Juli) kwh/m2/d Wirkungsgrad von Solarzelle und DC/DC-Wandler sowie Ausrichtung der Zelle berücksichtigen. Pro cm 2 und Tag etwa 1 bis 10 mah 12

13 Hardware Prozessoren, ULP-Charakteristiken, Peripherie, Security 13

14 Spannungsregler Beispiel Speisung mit LiPo-Akku Achtung: Unbedingt Ground-Pin Current, Spannungsteiler, Leckströme von Kapazitäten usw. beachten! 14

15 Prozessorarchitekturen Beispiel SILICON LABS Si106x Ultra-Low Power 8-bit MCU mit Sub-1 GHz Transceiver Beispiel TI CC2650 SimpleLink Low Power 32-bit ARM Cortex-M3 mit 2.4-GHz Transceiver Quelle: TI Quelle: SiLabs 160 μa/mhz active mode 50 na sleep with RAM retention 600 na sleep with internal RTC 61 μa/mhz active mode 1 μa standby with RAM retention and internal RTC 15

16 ULP-Charakteristiken Stromsparmodi: Idle, Standby, Suspend, Sleep, Stop Wake-up time CoreMark/mA in active mode 16

17 Abschaltbare Peripherie on-chip und extern On-chip Peripherie des Prozessors nur bei Gebrauch einschalten. Externe Peripherie nicht in Standby versetzen (braucht je nach Baustein einige μa), sondern ganz ausschalten: 17

18 Security Ziele: Confidentiality (Verschlüsselung der Daten) Integrity (Daten wurden nicht verändert) Authenticity (Sender ist bekannt) Zusätzliche Crypto-Hardware Auf der MCU externer Chip Quelle: SiLabs 18

19 Funkprotokolle Übersicht, Beispiele 19

20 Kategorien von Funkprotokollen Local Area Network (LAN) Low Power Wide Area Network (LPWAN) Wide Area Network (WAN) Übertragunsdistanz kurz gross gross Datenrate tief bis hoch tief hoch Beispiele WiFi, Bluetooth, LoRa 2G / 3G / 4G 20

21 Übersicht Funkprotokolle im ISO/OSI-Modell 21

22 WiFi, Charakteristiken Kriterium Frequenz Max. Übertragungsdistanz Datenrate Max. Strom Icc Max. Output Power Receiver Sensitivity g/n: 2.4 GHz, 5 GHz ah: 868/915 MHz g/n: 100 m ah: 1000 m g 54 Mbps n 300 Mbps ah 100 kbps g/n: 400 ma 18 dbm -84 dbm OFDM, 12 Mbps) Quellen: IEEE, fi.org, ublox 22

23 WiFi, Beispiel 23

24 Bluetooth / BLE, Charakteristiken Kriterium Frequenz Max. Übertragungsdistanz Datenrate Max. Strom Icc Max. Output Power Receiver Sensitivity 2.4 GHz Class 1: 100 m Class 2: 10 m Class 3: 1 m 3 Mbps, 1Mbps (BLE) 30 ma (BT), 0 dbm 5-10 ma (BLE), 0 dbm Class 1: 20 dbm Class 2: 4 dbm Class 3: 0 dbm -97 dbm Quellen: Bluetooth core specification, ST, Nordic, TI 24

25 Bluetooth, Überwachung einer handgeführten Maschine Sensorknoten mit: 6-Achsen-Sensor Microphone GPS-Modul Bluetooth-Modul SD-Card BFH TI, Roger Weber 25

26 LoRa, Charakteristiken Kriterium Frequenz Max. Übertragungsdistanz Datenrate Max. Strom Icc Max. Output Power Receiver Sensitivity EU 433 / 868 MHz US 915 MHz ca. 16 km 250 bps 50 kbps ca. 35 ma, 14 dbm EU 14 dbm US 20 dbm -134 db Quellen: LoRa Alliance, Semtech 26

27 LoRa, Messresultate Zwei Diplomarbeiten in Biel und Burgdorf Messung am in Biel, Regen Station #1, BFH TI, Höhenweg, Biel Station #2, Messwagen Messergebnisse: Real gemessene Distanzen 5 km ohne Probleme Keine Übertragung bei Geländehindernissen Hinter Gebäuden / in Strassen u. Gassen kein Problem Endpunkt in Gebäude Distanz reduziert auf ca. ½ km BFH TI, Andreas Danuser 27

28 , Charakteristiken Kriterium Frequenz Max. Übertragungsdistanz Datenrate Max. Strom Icc Max. Output Power Receiver Sensitivity 868/915 MHz, 2.4 GHz 10 m 100 m 20 / 40 / 250 kbps 5-10 ma, 0 dbm +5 dbm -100 dbm Quellen: IEEE, TI 28

29 WirelessHART als Beispiel für HART = Highway Addressable Remote Transducer HART-Geräte können mit einem WirelessHART-Adapter eingebunden werden 2,4 GHz Maschennetzwerk: selbstorganisierend, redundant Distanz zwischen zwei Geräten bis zu 100m Verschlüsselung: 128-Bit AES BFH TI, Max Felser 29

30 Firmware Echtzeitkernel, Energy Management Frameworks 30

31 Aufgaben der Firmware Energy-Management Sensoren auslesen Daten vorverarbeiten Kommunikation Am idealsten mit einem Echtzeitkernel Aufteilung der Funktion in verschiedene Tasks Einfaches Energy-Management im Idle-Task 31

32 Echtzeitkernel, Übersicht Kriterien: Portierung für ULP-Prozessoren verfügbar. Kommunikations-Stacks verfügbar. Kleiner Speicherbedarf (RAM und Flash). Geringer Overhead (Task-Switching, Intertask-Kommunikation). Vorteile: Solides Fundament für die Software-Architektur, erleichtert das Design. Schnellstmögliche Reaktion auf Ereignisse: Der Task mit der höchsten Priorität wird ausgeführt. Toolbox mit Messages-Queues, Timeouts usw. Implementation des Power-Managements im Idle-Task gut möglich. 32

33 Echtzeitkernel, Produkte Varianten: FreeRTOS (Marktleader, zusätzliche Library für Kommunikation) RIOT (6LowPAN, CoAP, diverse Prozessoren) Contiki (IPv4, IPv6, 6LowPAN, CoAP, diverse Prozessoren) ARM mbed TM OS (IPv6, 6LowPAN, Thread, BLE, nur ARM Cortex-Mx) Eigenentwicklungen (für 8-bit Prozessoren) 33

34 Energy Management Verwaltung unterschiedlicher Stromsparmodi abhängig vom Betriebszustand. 34

35 Idle-Task Wird ausgeführt, wenn keine anderen Tasks laufen. Ideal für die Implementation des Power-Managements. while(1) {... Select best possible energy mode; Start energy mode;... } Problem: Wie wird der korrekte Energy-Mode bestimmt? Unterstützung durch die Applikation erforderlich. Energy Management Framework ist hilfreich. 35

36 Energy Management Frameworks (EMF) Support für die Programmierung der Energy-Modes mit Hilfe eines High-Level Frameworks. Minimaler Aufwand für Applikations-Entwickler. Festlegen der erforderlichen Energy-Modes in den Tasks und ISRs mit Hilfe von API-Funktionen. Weniger fehleranfällig. 36

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