Low-Power AIRBOX Spezifkation v1.0. Low-Power AIRBOX. Seite: 1 von 13

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1 Low-Power AIRBOX Seite: 1 von 13

2 Inhaltsverzeichnis 1 Ausgangssituation Projektbeschreibung und Anforderungen Projektidee Anforderungen Basisanforderungen Erweiterte Anforderungen Minimalanforderungen für den Prototypen Projektrealisierung Feinspezifikation Systemkonzept Handsteuergerät Batterieüberwachung Statusanzeige Basisstation Übertragungsprotokoll Anwendung Security Vorteile Angestrebte mechanische und elektrische Eigenschaften Handsteuergerät Low-Power AIRBOX Basisstation AIRBOX Arbeitspakete Aufwandsabschätzung Projektplan Seite: 2 von 13

3 1 Ausgangssituation Im Zuge eines vorhergehenden Projektes ( Airbox ) mit der FH Hagenberg ist die Machbarkeit eines mobilen Handterminals basierend auf WLAN Technologie evaluiert worden. Aufgrund der Ergebnisse dieses Projektes ist nun die Idee eines weiteren Prototyps entstanden der erhöhten Anforderungen in Bezug auf Fehlertoleranz, Energieverbrauch, Sicherheit und Kosten gerecht werden sollte. Dieses Dokument liefert aufbauend auf das bereits abgeschlossenen Projekt Airbox und der mit der Firma besprochenen Anforderungen für eine zweite Implementierungsvariante eine Projektbeschreibung und einen Realisierungsvorschlag. 2 Projektbeschreibung und Anforderungen 2.1 Projektidee Die Projektidee ist die Konzeption und Entwicklung von mobilen Handterminals, die es ermöglichen, ohne großen manuellen Aufwand alle wesentlichen Aktivitäten rund um den Turnarround eines Flugzeuges am Flughafen zu erfassen und an einen zentralen Server zu übertragen. Die lückenlose Aufzeichnung soll der Überwachung, der statistischen Auswertung und der Optimierung der Aktivitäten dienen. Zu den typischen Aktivitäten gehören beispielsweise das Absichern des Flugzeuges beim Einparken (Absicherung der Vorderräder) oder das Auftanken des Flugzeuges. Das Bodenpersonal soll die Erledigung der Aktivitäten über mobile, tragbare aber auch fixmontierte Geräte drahtlos an die Zentrale melden. Gleichzeitig soll automatisiert die Position des jeweiligen Aktionspunktes bestimmt werden. 2.2 Anforderungen Folgende Anforderungen stammen aus dem Airbox Projekt und stellen eine Untermenge der Anforderungen an das Low-Power Airbox Projekt dar. Einige Anforderungen wurden auf die Low-Power Airbox angepasst Basisanforderungen Wie im Airbox Projekt ist es nicht Ziel des Prototypen alle Anforderungen wie untenstehend zu erfüllen, diese stellen im Allgemeinen die Anforderungen an das fertige Produkt und nicht des Prototypen dar. Tabelle 1 gibt Auskunft über die zu erfüllenden Anforderungen für den Prototyp. Seite: 3 von 13

4 Anforderung 1: Anforderung 2: Anforderung 3: Anforderung 4: Anforderung 5: Anforderung 6: Anforderung 7: Anforderung 8: Anforderung 9: Anforderung 10: Anforderung 11: Anforderung 12: Anforderung 13: Anforderung 14: Die Kommunikation der Terminals zu einem Server muss drahtlos erfolgen, da ein mobiler Einsatz der Geräte vorgesehen ist. Die erfolgreiche Übertragung soll am Gerät angezeigt werden. Es ist daher eine bidirektionale Übertragung erforderlich. Die Positionsbestimmung soll eine Genauigkeit von einigen wenigen Metern aufweisen und innerhalb einer Zeit von 2-3 Sekunden erfolgen. Die Datenübertragung muss über ein gesichertes Protokoll erfolgen. Dabei ist Datenkonsistenz und Übertragungssicherheit gegenüber Abhören und Manipulation gefordert. Es sollen bis zu mehrere Hundert (Annahme 500) Geräte in einem Funknetz operieren können. Das Gerät soll batteriebetrieben arbeiten und darf die Größe eines handelsüblichen PDAs nicht überschreiten. Der Wartungszyklus (Wechseln der Batterie) muss minimal ein Jahr betragen. (Annahme: 30 Tastendrücke pro Tag) Garantierte Funktionsfähigkeit über einen großen Temperaturbereich. Dieser ist für den Allwettereinsatz (Sonne, Regen, Schnee) von -30 bis +70 definiert. Einfache und sichere Bedienbarkeit. Einfache Möglichkeit von Softwareupdates. Endpreis soll bei etwa xx EUR pro Gerät liegen. Weltweiter Einsatz (Funk) sollte möglich sein. Möglichst einfache Einbindung von vorhanden Dritt-Systemen. Ziel des Projekts ist es, einem potentiellen Kunden einen herzeigbaren und funktionalen Prototypen vorzustellen Erweiterte Anforderungen Die erweiterten Anforderungen beinhalten den Innovativen Charakter der Low-Power Variante des Funksystems welches sich zudem durch Fehlertoleranz, erhöhte Übertragungssicherheit und geringeren Kosten auszeichnet. Seite: 4 von 13

5 Anforderung 15: Die Funkverbindung soll redundant auf verschiedenen Frequenzen unter Berücksichtigung von Anforderung 12 ausgeführt werden. Anforderung 16: Anforderung 17: Die Firmware am Handsender soll ebenfalls redundant auf verschiedene Microcontroller ausgeführt werden um ein Fehlverhalten eines der beiden Funksysteme zu tolerieren. Die redundanten Microcontroller überwachen sich dabei gegenseitig. Der Produktionspreis des Handterminals soll bei mittleren Stückzahlen (1000 Stück) 50 nicht überschreiten. Anforderung 18: Der Batteriestatus soll gemessen und am Server übertragen werden, ebenfalls soll eine Anzeige über ein LED erfolgen (z.b. Rot Blinkend nach Tastendruck) falls die Batteriekapazität dem ende zugeht. Anforderung 19: Der Wartungszyklus soll unter Annahme von Anforderung 7 mehrere Jahre betragen. Anforderung 20: Das Empfängermodul soll für die Prototypenausführung ein USB Interface bereitstellen. Für den Prototyp soll nur ein Empfänger in Betracht gezogen werden Minimalanforderungen für den Prototypen Tabelle 1 listet die Minimalanforderungen für den Prototyp auf. Anforderung Muss erfüllt werden? Ja Nein Teils Anmerkungen Nr. 1 Nr. 2 Nr. 3 Es werden nur innerhalb 2-3 Sekunden die relevanten Daten (Signalstärke) übertragen. Die Positionsbestimmung erfolgt am Server und ist nicht Teil des Projektes. Nr. 4 Security Mechanismen werden in der Spezifikation und Hardware vorgesehen sind aber nicht teil der Implementierung für den Prototypen Nr. 5 Experimentell kann nur die Verbindung mehrerer (<4) Knoten nachgewiesen werden, das Protokoll ist aber für mehrere hundert Knoten ausgelegt. Seite: 5 von 13

6 Nr. 6 Nr. 7 Siehe Nr. 19 Nr. 8 Nur unter Laborbedingungen getestet. Nr. 9 Nr. 10 Mit Kabel Nr. 11 Auch weit darunter, siehe Anforderung 17 Nr. 12 Prototyp auf Europa beschränkt (868MHz), Umstellung auf USA (915MHz) einfach möglich. Nr. 13 Nr. 14 Nr. 15 Zwei verschiedene ISM Bänder werden in betracht gezogen. Nr. 16 Nr. 17 Prototyp kostet deutlich mehr. Nr. 18 Nr. 19 Es werden mehrere Jahre angestrebt dies kann a- ber nur analytisch nachgewiesen werden Nr. 20 Für den Prototypen werden auch 2 USB Empfängerplatinen für die jeweiligen redundanten Funksysteme in betracht gezogen Tabelle 1: Anforderungen die für den Prototyp erfüllt werden sollen 3 Projektrealisierung Feinspezifikation Die Realisierung gliedert sich in Hardware- und Softwarekomponenten wobei die Hardware aus zwei Teilen, nämlich dem Handsteuergerät ( Low-Power Airbox ) und der Basisstation die auch Airbox Server genannt wird. Die Spezifikation der Applikation und das Protokoll der zu übertragenden Daten werden soweit sinnvoll von WLAN AIRBOX Projekt übernommen. 3.1 Systemkonzept Seite: 6 von 13

7 Das Funksystem besteht aus mehreren Handgeräten ( Low-Power AIRBOX ) und für den Prototypenaufbau aus einer Basisstation ( AIRBOX Basisstation ). Das Systemkonzept ist sowohl was die Funkstrecke betrifft als auch was die Mikroprozessorlösung und Software betrifft zweifach redundant ausgelegt. Das System arbeitet auf zwei verschiedenen Frequenzbändern die im ISM Band (Industrial Scientific and Medical Band) liegen. Airbox Basisstation Low-Power Airbox Redundante Funkverbindung 868MHz + 2.4GHz USB-A USB-B Abbildung 1: Systemkonzept Prototypenaufbau 3.2 Handsteuergerät Das Handsteuergerät wird über einen Taster bedient und bedarf keinen Ein/Aus Schalter. LEDs werden verwendet um den Status nach erfolgtem Tastendruck anzuzeigen. Mikrocontroller A und Mikrocontroller B arbeiten im Prinzip unabhängig voneinander und Synchronisieren sich nur über 2 Leitungen. Mikrocontroller A SPI Funktransceiver A 2.4GHz GPIO UART Mikrocontroller B Funktransceiver B 868/915MHz T1 LA LB Batterie Spannungswandler Abbildung 2: Blockschaltbild Handsteuergerät Batterieüberwachung Seite: 7 von 13

8 Die Batteriespannung wird bei jedem Aufwachen gemessen und der Wert wird im Nachrichtentelegramm übermittelt Statusanzeige Nachdem Benutzer Taste gedrückt hat leuchtet (blinkt) die grüne LED. Wenn das Acknowledgement der Basisstation gekommen ist blinkt (leuchtet) die grüne LED 2 sec. Im Fehlerfall (kein Acknowledgement) leuchtet (blinkt) die rote LED für 10 Sekunden. Ist die Batterie leer blinkt die Rote LED dauerhaft. 3.3 Basisstation Die Basisstation (Abbildung 3) besteht aus denselben Funktransceiver und Mikrocontroller wie das Handsteuergerät. Die Basisstation ist bis auf Mikrocontrollerebene redundant aufgebaut und wird über einen USB Kabel mit dem Server verbunden. USB Interface Mikrocontroller A SPI Funktransceiver A 2.4GHz Steuerung Mikrocontroller B Funktransceiver B 868/915MHz Abbildung 3: Blockschaltbild Basisstation 3.4 Übertragungsprotokoll Das Kommunikationsprotokoll soll aus einem Medium Access Layer (MAC) bestehen, dieser soll einen Mehrfachzugriff unterstützten und auf die beiden Funktransceiver aufsetzen. Das verwendete Zugriffsverfahren soll ein CSMA-CA verfahren sein dass sich am IEEE Standard anlehnen. Die Applikationsnachricht vom Handsteuergerät zur Basisstation hat folgenden Aufbau: MAC-ID COMMAND HEADER SEQUENCE-NR BATTERIE MAC 48 bit 8 bit 8 bit 8 bit 64 bit MAC-ID: Eindeutige Knotenidentifikation, gespeichert im ROM jedes Knotens COMMAND HEADER: Je nach Befehle kann die Applikationsnachricht verschieen aufgebaut sein. Seite: 8 von 13

9 Die Bestätigungsnachricht von der Basisstation zum Handsteuergerät hat folgenden Aufbau: MAC-ID COMMAND HEADER SEQUENCE-NR MAC 48 bit 8 bit 8 bit 64 bit Die zu übertragenen Nachrichten über die Funkschnittstelle werden von den jeweiligen Funktransceiver mit einer entsprechenden Präambel und einen nachfolgenden CRC-16 Code versehen. Dieser Vorgang der den Data Link Layer (Schicht 2 in OSI) darstellt wird direkt von der Hardware unterstützt. Ein mit CRC-16 gesichertes Paket garantiert eine sehr hohe Erkennungsrate bei Bitfehlern die während der Übertragung auftreten können. 3.5 Anwendung Der grundlegende Ablauf einer typischen Anwendung erfolgt nach folgendem Schema: Low-Power AIRBOX : 1. Betätigung des Tasters durch Bediener 2. MCU-A und MCU-B: Interne Aktivierung sämtlicher aktiver Baugruppen aus dem Sleep Mode und Messung der Batteriespannung. 3. MCU-A und MCU-B stellen eine Verbindung zur Basisstation und der Testapplikation (Server) her. 4. Beide warten auf die Empfangsbestätigung des Servers.. 5. MCU-A und MCU-B: Darstellung der Empfangsbestätigung gemäß Abschalten sämtlicher aktiver Baugruppen und Wechseln in den Sleep-Mode AIRBOX Basisstation : Der Ablauf gilt jeweils für MCU-A und MCU-B! 1. Initialisieren des jeweiligen Funktransceivers A und B 2. Initialisierung der jeweiligen Kommunikationsschnittstelle zum Host 3. Wechseln in den Empfangszustand. 4. Empfangen von Daten über die jeweilige Funkschnittstelle und weiterleiten der Daten an die Kommunikationsschnittstelle. 5. Warten auf eine Bestätigung der Airbox-GUI. 6. Wechseln in den Sendemodus und weiterleiten der Bestätigung auf die Funkschnittstellen. 7. Wechseln in den Empfangsmodus. Seite: 9 von 13

10 AIRBOX-GUI : 1. Starten der Benutzeroberfläche 2. Initialisierung der Kommunikationsschnittstelle 3. Warten auf Nachrichten 4. Empfangen der Daten der jeweiligen Schnittstellen und senden einer sofortigen Bestätigung. 5. Analysieren und Anzeigen der Daten 6. Ablegen relevanter Daten im LOG File 3.6 Security Für den Prototypenaufbau wird kein explizites Security Protokoll implementiert, es werden aber die Security Mechanismen spezifiziert und die Hardware danach ausgelegt diese Mechanismen in Zukunft auf den Prototypen zu implementieren. Die für die Anwendung relevanten Security Mechanismen sind: - Authenitfizierung - Schutz gegenüber replay Angriffen - Integritätsprüfung Die verwendete Hardware am Handgerät bietet die Möglichkeit einer DES verschlüsselung. Es wird untersucht diese DES Einheit für die Verschlüsselung der Daten zu verwenden. 3.7 Vorteile Die Vorteile der vorgestellten Lösung lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Hohe Fehlertoleranz: o o o o o Verschiedenartige Frequenzbereiche Zweifachredundanz auf der Funkstrecke Zweifachredundanz der Mikrocontrollersteuerung. Völlig getrennte Empfänger an der Basisstation Redundanz bis auf USB Anschluss am Server - Geringere Kosten.gegenüber WLAN trotz zweifach Redundanz Seite: 10 von 13

11 - Viel längere Wartungszyklen gegenüber WLAN (Faktor 10 möglich) - Möglichkeit der Eigenversorgung über Solarzelle oder mechanisch Betätigung 3.8 Angestrebte mechanische und elektrische Eigenschaften Handsteuergerät Low-Power AIRBOX Mechanische Abmaße: < PDA Größe Stromversorgung: Lithium Batterie (Knopfzelle) : 2x 3V Erwartete Lebensdauer (30 Betätigungen/Tag) : 2-4 Jahre Reichweite Funkmodule: Laut Datenblatt und theoretischen Berechnungen ergibt sich eine Reichweite von: - 868MHz (Prototyp und Sichtverbindung, Bitrate 10KBit) Laut Datenblatt: 200m - 2.4GHz (Prototyp und Sichtverbindung, Bitrate 10KBit) Laut Datenblatt: 50m Ohne PA Im angepeilten Projektrahmen ist aus Kostengründen das Design einer HF Endstufe nicht inkludierbar. Aus diesem Grund müssen für den Prototyp Reichweiteneinschränkungen in Kauf genommen werden. Antennen: - 868MHz : SMD Antenne oder Leiterbahnen Antenne - 2.4GHz : SMD Antenne Basisstation AIRBOX Stromversorgung: Direkt über USB Kabel, kein Netzgerät erforderlich Max. Länge Kabel zum Server: 5m. Antennen: Externe Antennen (Stabantenne) für bestmögliche Reichweite. 4 Arbeitspakete Aufwandsabschätzung Die folgende Tabelle listet einzelne Arbeitspakete auf die sich in einzelne Arbeitspunkte gliedern: Seite: 11 von 13

12 PSP-Code / Arbeitspakete Arbeitspunkte Arbeitstage Projektkoordination Administration & Verwaltung a. Koordination & Dokumentation b. Komponenten/Bestellung Systemevaluierung a. Evaluierung Funktransceiver & Controller für die Steuerung b. Spezifikation der Security Mechanismen c. Feinspezifikation der Applikation Hardware Testplattform Funksystem A a. Aufbau & Inbetriebnahme b. Messungen (Für Evaluierung) Hardware Testplattform Funksystem B a. Aufbau & Inbetriebnahme b. Messungen (Für Evaluierung) Firmware Funkprotokoll A a. Zugriffsverfahren A b. Anpassung an Applikation c. Verifikation & Testen Firmware Funkprotokoll B a. Zugriffsverfahren B b. Anpassung an Applikation c. Verifikation & Testen Entwicklung Hardware Prototyp AIRBOX a. Design Schaltplan b. Design Platine c. Produktion und Bauteilbeschaffung d. Bestückung e. Test & Inbetriebnahme Entwicklung Hardware Basisstation a. Design Schaltplan b. Design Platine c. Produktion und Bauteilbeschaffung d. Bestückung e. Test & Inbetriebnahme Entwicklung Applikation a.) Handgerät Airbox Applikation b.) Basisstation Airbox Applikation Server API & Applikation a.) Windows API b.) GUI Testapplikation Inbetriebnahme aller Komponenten a.) Zusammenstellen aller Module b.) Inbetriebnahme Gesamtsystem: Verifikation & Testen a.) Verifikation b.) Performancetests Dokumentation a) Abschlussdokumentation b.) Testbericht 3,0 1,0 4,0 1,0 1,0 4,0 1,0 3,0 1,0 3,0 5,0 3,0 1,0 9,0 5,0 3,0 1,0 10,0 1,0 0,5 3,0 6,5 1,0 0,5 5,5 6,0 6,0 1 5,0 7,0 1,0 1,0 1,0 3,0 1,0 3,0 Externe Beauftragung/ Komponenten Summe Arbeitstage Summe externe Kosten a. Fertigung Boards / Gehäuse b. Development Boards (Kits) Tabelle 2: Arbeitspakete und Zeitabschätzung 5 Projektplan 1 Ein Arbeitstag besteht aus 8 Arbeitsstunden Seite: 12 von 13

13 Basierend auf die Arbeitspakete und der Aufwandsabschätzung in Kapitel 4 ist aufgrund von den über die Sommermonate zur Verfügung stehenden Ressourcen ein Projektplan erstellt worden der im Projekthandbuch Projekthandbuch_AIRBOX.pdf ersichtlich ist. Seite: 13 von 13