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1 hi tech Berner Fachhochschule Haute école spécialisée bernoise Technik und Informatik Technique et informatique 3/2011 Das Magazin Le Magazine Mobile Communication Das Institute for Mobile Communications (IMC) setzt die Segel Synergie entre traitement du signal et communication mobile Mobile Application Technologies

2 Focus 3 EDITORIAL Mobilkommunikation als Grundbedürfnis La communication mobile un besoin élémentaire Mobile Communication Mobilkommunikation als Grundbedürfnis La communication mobile un besoin élémentaire IMPRESSUM 4 Mobile Kommunikation Hype und Wirklichkeit zugleich 6 Das Institute for Mobile Communications (IMC) setzt die Segel 8 Synergie entre traitement du signal et communication mobile 10 Netzwerk für drahtlose Sensoren im Praxistest 12 Navigationssysteme für Fussgänger 14 La détection électronique des chaleurs chez les bovins 16 «Sieh, das Gute liegt so nah!» 18 Der Spion, der aus dem Handy kam 20 Elektrosmog alles im grünen Bereich? 22 mybfh Apps für den Studienbetrieb 24 Mobile Application Technologies Events 27 Weltweiter Austausch mit IAESTE 29 Diplomfeier 2011 Cérémonie de remise des diplômes News Redaktion Diego Jannuzzo Übersetzungen Gabriella Scorrano, Christiane Vauthier Adresse BFH-TI, hitech-redaktion, Postfach, 2501 Biel, Redaktion Homepage hitech.bfh.ch Adressänderungen und Inserate , Inseratenschluss für die Ausgabe 1/2012: Auflage 7000 Exemplare, erscheint 3x jährlich Grafik, Layout Ingrid Zengaffinen Druck Stämpfli Publikationen AG, Wölflistrasse 1, Postfach CH-3001 Bern hitech 3/2011: November 2011 IMPRESSUM Walter Steinlin Head of Swisscom Outlook, Präsident der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) Président de la Commission pour la technologie et l innovation ( CTI ) Photo: CTI Titelseite: Mobilkommunikation ist auch für Studierende an der BFH-TI nicht mehr aus dem Alltag wegzudenken. Couverture :La communication mobile fait partie intégrante du quotidien des étudiant-e-s de la HESB-TI. Photo : BFH-TI / HESB-TI Rédaction Diego Jannuzzo Traductions Gabriella Scorrano, Christiane Vauthier Adresse HESB-TI, hitech-rédaction, Case postale, 2501 Biel/Bienne Rédaction Homepage hitech.bfh.ch Changement d adresses et acquisition d annonces date butoir pour les annonces du prochain hitech : Tirage 7000 exemplaires, paraît 3x par année Graphisme, mise en page Ingrid Zengaffinen Imprimerie Stämpfli Publikationen AG, Wölflistrasse 1, Postfach CH-3001 Bern hitech 3/2011 : novembre 2011 Wenn Sie heute aus dem Haus gehen, welchen Gegenstand wollen Sie unbedingt dabei haben? Bei jungen Leuten ist es zu 100% das Handy. Ohne Mobilkommunikation kein Anschluss an die Gesellschaft, soziale Isolation. Elementare unterste Stufe von Maslovs Bedürfnispyramide! Ähnliches sehen wir im Geschäftsleben. Als vor einiger Zeit in der Schweiz die Mobilkommunikation unterbrochen war, standen viele Firmen buchstäblich still. Keine Einsatzbefehle liessen die Motoren brummen, keine Rückmeldungen liessen Lieferungen verfolgen. Mobilkommunikation ist zum integrierten Bestandteil des Lebens in der industrialisierten Welt geworden. Und in der weniger industrialisierten Welt erstaunlicherweise zur Lebensader für viele kleine Firmen, Bauern und Familien. Dies ist nur die erste Welle, die Sprachkommunikation. Wir stehen am Beginn zweier neuen Wellen: Dinge werden mobil verbunden und die Funktionalitäten der Endgeräte vermehren sich. Video wird mobil. Das braucht immer mehr Übertragungskapazität. Kann das Mobilnetz denn immer weiter ausgebaut werden? Offenbar schon. Eine Analyse zeigt eine ganz erstaunliche Entwicklung der Mobilfunkkapazität: Seit Marconi 1895 im Wallis seine erste Funkenübertragung gelang, konnten Ingenieure die Leistungsfähigkeit der mobilen Übertragung praktisch alle 30 Monate verdoppeln. Und es ist kein Ende in Sicht mit den immer raffinierteren Modulations- und Diversity-Methoden. Ich freue mich darauf, wenn das Handy mir ganz einfach die vielen Sachen ersetzt, die ich heute mit mir herumtragen muss, eigentlich nur um zu beweisen, wer ich bin: die Schlüssel, die mir Türen öffnen, die Karten, die meine Zahlungsfähigkeit bestätigen, die Tickets, die beweisen, dass ich für etwas bezahlt habe. Nur muss die ganze Geschichte dann überall und zu 100% funktionieren! Walter Steinlin Head of Swisscom Outlook, Präsident der Kommission für Technologie und Innovation (KTI) Quel objet emportez-vous impérativement lorsque vous sortez de chez vous? Les jeunes sont unanimes, c est le portable. Sans communication mobile, pas de connexion avec la société, c est l isolement social. Niveau inférieur élémentaire de la pyramide des besoins de Maslov! Il en va de même dans la vie d une entreprise. Il y a quelque temps, suite à une interruption de la communication mobile en Suisse, de nombreuses entreprises se sont littéralement retrouvées à l arrêt. Aucun ordre ne faisait vrombir les moteurs, aucune réaction ne permettait de suivre les livraisons. La communication mobile est bel et bien devenue un élément intégré dans la vie du monde industriel et aussi étonnant que cela puisse paraître, elle est aussi l artère vitale de nombreuses petites entreprises, des agriculteurs et des familles. On ne parle jusqu ici que de la première vague, la communication orale. Nous sommes à l aube de deux nouvelles vagues. Les choses sont reliées entre elles de manière mobile et les fonctionnalités des terminaux se multiplient. La vidéo devient mobile. Tout ceci exige toujours plus de transmissibilité. Est-il possible de développer encore davantage le réseau mobile? Apparemment oui. Une étude montre une évolution tout à fait étonnante de la capacité du réseau mobile. Preuve en est que depuis la première retransmission radio de Marconi, en 1895 en Valais, les ingénieurs ont pratiquement doublé la capacité de rendement de la transmission mobile tous les 30 mois. Et ce n est pas fini! Les méthodes de modulation et de diversité sont de plus en plus raffinées. Je me réjouis du jour où le portable remplacera tout simplement tout ce que je dois transporter maintenant juste pour prouver qui je suis : les clés qui m ouvrent des portes, les cartes qui confirment ma solvabilité, les tickets de caisse qui prouvent mes achats. Toutefois, cela devra fonctionner partout et à 100%! Walter Steinlin Head of Swisscom Outlook, Président de la Commission pour la technologie et l innovation ( CTI ) Sie finden das Magazin in deutscher und französischer Übersetzung auf: Ce magazine existe en version française et alle mande à l adresse : 3/2011 hitech 3

3 Mobile Kommunikation Hype und Wirklichkeit zugleich Heute erwarten die modernen Menschen eine grenzenlose Kommunikationsmöglichkeit überall, jederzeit und mit riesigen Bandbreiten. Die eingesetzten Endgeräte sind vielfältig und in der Regel multimedial. Markus Nufer Selbständiger Berater Fachbeirat BFH, Experte SATW, Vorstand Telematik Cluster Bern TCBE Foto: Markus Beyeler Der «Lifestyle» vieler Menschen setzt den Besitz und Einsatz von einem oder oft sogar mehreren mobilen Telefone voraus. Dies sind die kleinen Alleskönner, mit denen auch ein Telefongespräch geführt werden kann. In der Regel kombiniert der Besitzer diese auch mit einem Tablet-PC und/oder einem mobilen PC. Lange sprach man davon, jetzt ist es Realität geworden: Jedermann kann jederzeit und überall mit einer unbegrenzten Bandbreite kommunizieren. Immer häufiger werden «Location Based Services» vorausgesetzt, und der permanente Austausch in sozialen Netzen scheint eine Lebensnotwendigkeit zu sein. Die Durchdringung der Bevölkerung mit mobilen Geräten bildet dazu die notwendige Basis. Ähnlich wie der Markterfolg des IBM PC vor 30 Jahren die Informationstechnologie revolutioniert hat und Firmen wie Intel oder Microsoft einen riesigen Erfolg bescherte, wird die unbedingte Kommunikationsmöglichkeit eine neue Aera der Informatik ermöglichen. Die Chance der unbegrenzten Kommunikation wird früher oder später zu einer völligen Umkrempelung der Geschäfts-Modelle und -Prozesse führen. Damit kommen aber gesellschaftspolitisch riesige Herausforderungen auf uns zu: Die Schere zwischen den Technik-Affinen und den Technik-Fernen (Digital Natives and Digital Immigrants) wird immer grösser. Die Veränderungen in der Gesellschaft bieten aber auch für neuartige Lösungen Chancen. Einige Beispiele können dies illustrieren: TeleHomeCare für die Spitex Die Spitex-Organisationen betreuen viele Patienten nach dem Spitalaustritt oder bei chronischen Erkrankungen zu Hause, und dies häufig während Jahren. Die Pflegeperson benötigt manchmal beim Patienten daheim einen Entscheid des Arztes oder eine Rücksprache mit einer spezialisierten Pflegeperson. Mit der mobilen Telekommunikation können solche zusätzlichen Fahrten von Professionals zu den Patienten durch eine telemedizinsiche Beratung ersetzt werden. Im Swiss ehealth Campus (SeHC) in Luzern wurde eine Möglichkeit entwickelt, wie die Pflegeperson der Spitex beim Patienten vor Ort telemedizinische Leistungen nutzen kann. Location Based Services Basis für Smarte Lösungen «Jedes fahrende Auto hat nur ein einziges Ziel einen freien Parkplatz zu finden.» Diese Suche ist oftmals ebenso lästig wie das Kramen nach Kleingeld für das Parkticket und der Gang zum Kassenautomaten. Ein selbstklebender Chip an der Frontscheibe macht damit Schluss: Er ermöglicht künftig bargeldloses Parken 1. Dank kostengünstigen Sensoren und einer 100% Abdeckung durch Kommunikationsdienste ist es möglich, für die Autofahrer ein realtime Parkplatzinformationssystem freizuschalten. Damit können diese nicht nur die freien Parkplätze in einer Einstellhalle, sondern auf dem ganzen Stadtgebiet sehen und finden. Der Weg zu freien Parkplätzen wird dann auf dem Handy oder einem anderen mobilen System aufgezeigt 2. Damit können, abhängig von den spezifischen Situationen, bis zu 30% der Fahrten auf dem Stadtgebiet reduziert werden. Near Field Comunication Basis für neue mobile Lösungen Das Bezahlen an der Kasse 3 oder das Freischalten einer Türe durch Vorweisen des Handys ist in asiatischen Ländern bereits seit längerer Zeit Realität. Die Verwendung dieser vorhandenen Technologie aus dem RFID-Umfeld scheint nun auch in der Schweiz marktreif zu werden. Die zugrunde liegende Technik (NFC) ist ein Übertragungsstandard nach internationalem Standard zum kontaktlosen Austausch von Daten über kurze Strecken (bis 4 cm). 4 Schlussfolgerungen Parkplatzsuche auf dem Handy Die Bereitschaft der Bevölkerung und der Unternehmen, sich auf die neuen Technologien einzulassen, ist mehrheitlich vorhanden. Die Umsetzung benötigt in der Schweiz oft länger als in anderen Ländern. In diesem Fall besteht aber die Chance, dass die öffentliche Hand (Verwaltungen auf allen Stufen) den Nutzen dieser neuen Möglichkeiten sieht. Auch im privaten Bereich erleben wir eine rasche Nutzung dieser neuen Dienste. Die einzelnen Marktteilnehmer sollten sich deshalb beim Kauf von Endgeräten genau überlegen, ob sie auf die neuen Technologien verzichten können oder wollen, oder ob diese nicht eine etwas grössere Investition wert sind (wie z.b. Near Field Communication, GPS, Bewegungsmelder). > 1 RFID-Lösung ermöglicht bargeldloses Parken - System VIATAG des Fraunhofer-Instituts 2 Quelle: 3 Quelle: 4 Quelle: Der Koffer für Spitex-Pflegepersonen beinhaltet medizinische Messgeräte zugleich handelt es sich um eine mobile Arbeitsstation mit Kamera und Videoconferencing-System Foto: Swiss ehealth Campus LU 4 hitech 3 /2011 3/2011 hitech 5

4 Das Institute for Mobile Communications (IMC) setzt die Segel Hochfrequenztechnik und Telekommunikation sind Schwerpunkte an der BFH-TI, in denen sie Kompetenz und eine ausgezeichnete Infrastruktur aufgebaut hat. Das IMC ergänzt dies mit neuen Technologien wie Digitale Signalverarbeitung, Software Defined Radio, Embedded Systems und Mikroelekronik. Es schafft so die Basis für erfolgreiche Projekte in allen Bereichen mobiler Kommunikation. Es ist modular aufgebaut und für verschiedene Vogelarten Bild 1: Professoren des Instituts (v. l. n. r.): R. Brun, C. Brielmann, A. Kaufmann, R. Vogt, R. Vetter, R. Lanz, M. Felser, R. Weber; auf dem Bild fehlen M. Tripet und P. Raemy. Foto: BFH-TI Prof. Alfred Kaufmann Institutsleiter IMC, BFH-TI Foto: und Studien verwendbar. Grundlage ist ein 0,5 g schwerer Geodatenlogger. Erweitert mit Sensoren und mit einem mikrokontrollergesteuerten Telemetrie-Sender, lässt Helle Köpfe Top-Equipment Solch anspruchsvolle Entwicklungen setzen eine effizien- sich die Aktivität der Vögel aufzeichnen und unabhängig te Infrastruktur voraus. Die modernen Messgeräte am Stark im Wireless-Sektor von den Sichtbedingungen beobachten. IMC erlauben alle Messungen vom Basisband bis zu hohen Stark ist das IMC mit Hard- und Softwaretechnologien vor Wireless-Netzwerke erlauben heute einen Datenaustausch Frequenzen. Zur Verfügung stehen Signalgeneratoren für minar «Telekommunikation» und Kurse für industrielle Netz- allem in drahtlosen Anwendungen. Das heute 10 Forschen- mit hohen Realtime-Anforderungen, was jedoch auf das analoge und digitale Modulation bis 20 GHz, skalare Signal- werke PROFIBUS/PROFINET. Auf Wunsch bietet es auch de und 12 wissenschaftliche Mitarbeitende umfassende nähere Umfeld eines einzigen Access Points beschränkt analysatoren bis 26 GHz und vektorielle Signal- und Netz- dreitägige Einführungskurse in die Methoden und Verfah- Institut (Bild 1) kooperiert mit Unternehmen der ICT-Bran- bleibt. Abhilfe schaffen die Wireless Switch and Thin werkanalysatoren bis 8 GHz, auch Rauschmessungen bis ren von Software Defined Radio. che in Forschungs- und Entwicklungsprojekten. Anwen- Access Points für KMU. Dieser neue, kostengünstige 18 GHz sind möglich. Mit der Verknüpfung von Wissen und Infrastruktur unter ei- dungen entstehen auch für die industrielle Kommunikation, Lösungsansatz mit zentraler Verwaltung gesicherter Kom- Das IMC arbeitet mit leistungsfähigen Programmen. Für nem Dach wird das IMC zu einem Kompetenzzentrum für die Automatisierungs- und Energietechnik sowie für den munikationsverbindungen ermöglicht einen Wechsel der die digitale Signalverarbeitung wird Matlab/Simulink zu- mobile Kommunikation im Dienste industrieller Partner. öffentlichen Verkehr. Funkzellen während einer laufenden Datenübertragung, sammen mit Entwicklungsumgebungen für Signalprozes- Brutstätte für innovative Entwicklungen und dies ohne merkbaren Unterbruch und ohne Qualitätseinbussen. soren und programmierbaren Bausteinen (FPGA) eingesetzt. Die Simulationssoftware Advanced Design System > Das neu im IMC zusammengeschlossene Forscherteam Das Behindertengleichstellungsgesetz fordert für Behin- ADS hilft beim Untersuchen des Verhaltens von Schaltun- > Infos: kann eine Reihe gelungener Entwicklungen vorweisen. So derte im öffentlichen Verkehr dieselben Informationen wie gen und Systemen. Zudem lassen sich damit planare und entstand die Smart Antenna for Aircraft (Bild 2), ein für Nichtbehinderte. Das drahtlose Informationssys- 3D-Strukturen elektromagnetisch simulieren. Empfangssystem mit elektronisch steuerbarer Richtantenne für den Einbau im Kleinflugzeug. Es besteht aus einem Antennenarray mit rauscharmem Vorverstärker für die Aussenmontage, einem Down-Converter für die Umsetzung der Eingangsfrequenzen von 2,5 2,7 GHz auf Ausgangsfrequenzen von MHz (DVB-S2-tauglich) sowie den Signalverarbeitungs- und Steuerungseinheiten. Im Projekt Testumgebung für Empfänger des digitalen Radio und Fernsehens entwickelten die Forscher zuerst in Software einen DAB/DVB-Modulator und einen tem für Behinderte übermittelt Informationen nach einheitlichen Protokollen drahtlos auf mobile Standard-Endgeräte. Dank geeignet definierten Profilen werden die Informationen benutzergerecht angeboten, womit das IMC-System allen Reisenden nützt. Um sein Wissen möglichst vielen Interessenten weiterzugeben, organisiert das IMC regelmässig das dreitägige Se- Kompetenzen des IMC - Hochfrequenz und Mikrowellen Schaltungstechnik - Software Defined Radio und Digital Signal Processing - Drahtlose Kommunikationsgeräte (GSM, UMTS, LTE, DAB, DVB, DMB) - Short Range Devices (Blutetooth, WLAN, ZigBee, NFC, RFID) - Wireless Sensor Networks (wie WirelessHART) und industrielle Netzwerke - Embedded Systems und Web-Technologien - Lowest Power, Small Size Transmitters and Receivers - EMV und Belastungsmessungen von elektromagnetischen Feldern - Navigation und Positionsbestimmung, Location/Position Based Services - Satellitenkommunikation - Mobile Informationssysteme (Mobile Services, positionsbasierte Informationssysteme) Kanalsimulator für das modulierte Signal. Mit dem Kanalsimulator lassen sich beliebige Empfangssituationen simulieren. Darauf konzipierten sie eine digitale Hardware, welche die Daten vom PC ausliest und in ein Format für den Digital/Analog-Converter (DAC) umwandelt. Abschliessend entwarfen sie einen HF-Teil, welcher das Signal in das entsprechende Frequenzband moduliert. Um die Zugrouten von Kleinvögeln zu erforschen, stellte das Team ein Geodatenlogger-System auf die Beine. Bild 2: Smart Antenna for Aircraft, ein Antennenarray mit elektronisch steuerbarer Richtwirkung. Foto: BFH-TI 6 hitech 3 /2011 3/2011 hitech 7

5 Synergie entre traitement du signal et communication mobile Les méthodes du traitement du signal ont contribué considérablement à l évolution technologique récente des systèmes de communication mobile. En contrepartie, les applications rattachées au traitement du signal se sont largement diversifiées grâce aux récents progrès des techniques de communications sans fil. Nous présentons ici quelques applications illustrant ces synergies et leur grand potentiel innovateur. 8 hitech 3 /2011 Dr Rolf Vetter Professeur de traitement du signal et télécommunications Photo : HESB-TI À l Institut for Mobile Communications, nous cherchons et développons des procédures et des méthodes novatrices pour élargir le domaine des applications mobiles. Dans ce but, l équipe de l institut a été récemment renforcée par la venue du Dr Rolf Vetter qui a travaillé pendant 11 ans au Centre Suisse d Electronique et de Microtechnique ( CSEM ) en tant qu expert du traitement du signal et de l ingénierie biomédicale. Il a contribué, notamment, au développement de nouvelles solutions dans les domaines du monitoring et télé-monitoring de paramètres physiologiques, ainsi que du traitement de la parole. Toutes ces applications ont été rendues faisables grâce aux vastes progrès dans le domaine des communications mobiles, tant au niveau GSM qu à celui des téléphones satellitaires. Rythme cardiaque sur smartphone Dans le sport, le GSM et tout particulièrement les smartphones avec leur interface utilisateur graphique ont donné un nouvel essor aux moniteurs de signaux physiologiques. Les moniteurs classiques portés sous forme d une montre au poignet ont souvent une interface utilisateur limitée. Les smartphones ouvrent de nouveaux horizons: d une part, grâce à leurs interfaces visuelles ils procurent une qualité d analyse hors pair et, d autre part, ils disposent d écouteurs qui permettent un retour auditif contenant des informations essentielles pour l utilisateur. Une application innovatrice, présentée récemment par le CSEM, tire largement avantage de ces atouts. La méthode proposée extrait l information du rythme cardiaque à partir d un signal infrarouge prélevé à l oreille ( voir Figure 1 ). Le senseur infrarouge est intégré directement dans les écouteurs et l utilisateur peut ainsi s adonner pleinement au plaisir du sport au rythme de la musique sans l utilisation d une ceinture au thorax, souvent perçue comme oppressante. Néanmoins, sans les méthodes du traitement du signal, l extraction du rythme cardiaque à partir des signaux infra- rouges ne pourrait pas se faire de façon fiable. Un algorithme adaptatif utilisant l information d un accéléromètre intégré dans les écouteurs permet de réduire les artefacts du mouvement dans le signal infrarouge à un niveau tolérable. En utilis ant les facilités de communication du GSM, le rythme cardiaque extrait peut ensuite être transmis dans les plus brefs délais à un entraîneur sportif, afin d obtenir, par exemple, des conseils spécifiques, ou à un ami au sein d'un un réseau social sur internet. Télémonitoring Un autre domaine où la synergie entre les télécommunications et le traitement du signal a permis d envisager de nouveaux modes de fonctionnement concerne les expéditions en très haute altitude ( plus de 4000 mètres ), comme par exemple dans l Himalaya. Lorsqu une personne s élève en altitude pour des durées prolongées, ses paramètres physiologiques changent. Si l élévation en altitude se fait trop vite, le corps n arrive plus à s adapter correctement et il en résulte un déséquilibre physiologique profond qui peut aller jusqu à entraîner la mort. Le CSEM a développé un appareil portable qui facilite la gestion de l acclimatation à l altitude par une surveillance médicale à distance. Trois paramètres physiologiques, à savoir le rythme cardiaque ( HR ), la saturation partielle en oxygène du sang ( SpO2 ) et un indicateur du système nerveux autonome ( SNA ) sont extraits à partir de signaux rouge et infrarouge prélevés au doigt ou au front en utilisant des techniques de traitement du signal ( Figure 2 ). Ils sont stockés localement dans la mémoire de l appareil portable et sont envoyés quand cela est possible par téléphone satellitaire à un centre médical d analyse se trouvant, par exemple, en Suisse. Le médecin peut ainsi surveiller l évolution de la santé de l himalayiste à distance et l avertir par téléphone satellitaire des mesures à prendre Rehaussement de parole pour prothèses auditives binaurales La communication sans fil et le traitement de signal apportent également une importante plus-value dans le domaine des prothèses auditives binaurales. Le terme binaural indique que l utilisateur a une prothèse auditive dans chaque oreille. Afin que les deux prothèses puissent échanger des informations, celles-ci sont reliées par une communication sans fil. Cette configuration particulière peut être exploitée par les méthodes du traitement du signal afin de procurer un rehaussement de la parole de qualité supérieure aux algorithmes travaillant de façon indépendante dans chaque oreille. Néanmoins, les performances atteignables dépendent entre autres de la complexité algorithmique et du débit du canal de transmission. Les meilleures performances en termes de consommation, d autonomie et d amélioration de d intelligibilité peuvent seulement être obtenues en exploitant de façon optimale les synergies entre communications mobiles et traitement en cas de problème détecté sur les signaux reçus. > Infos: Figure 1 : Application de mesure du rythme cardiaque à l oreille pour smartphone. Photo : CSEM 3/2011 hitech 9 du signal. Les différents exemples dont nous avons parlé montrent que les méthodologies de recherche en traitement du signal et dans les communications mobiles sont liées et se stimulent mutuellement pour donner naissance à des innovations technologiques. Le renforcement de l Institute for Mobile Communications par un expert en traitement du signal appliqué aura certainement un effet catalyseur dans ces deux domaines et élargira le spectre de recherche de l institut. Contact : > Figure 2 : Analyse des paramètres vitaux durant une expédition de 35 jours au Tibet. Les zones ombrées bleues et rouges représentent deux phases physiologiques distinctes lors de l adaptation à l altitude, à savoir les phases de montée en rouge et les phases de repos en bleu. Photo : CSEM

6 Netzwerk für drahtlose Sensoren im Praxistest Steuerung Das vor vier Jahren definierte WirelessHART ist ein Kommunikationsstandard für ein drahtloses Sensornetzwerk, zugeschnitten auf die hohen Anforderungen industrieller Prozess- und Verfahrensautomation. Nun entsteht an der Berner Fachhochschule, Technik und Informatik in Burgdorf ein solches Sensornetzwerk mit Geräten verschiedener Hersteller für praktische Versuche. Temperatur Cafeteria Gateway Temperatur Eingangshalle Max Felser Professor für industrielle Netzwerke Institute for Mobile Communication Foto: BFH-TI Das Internet der Dinge Bis zum Jahr 2020 könnten rund 50 Milliarden Geräte miteinander vernetzt sein. Grundlage dafür sind Kommunikationsstandards für die «letzte Meile», nämlich jene Meter zwischen den intelligenten Geräten ohne Stromanschluss und einem Knotenpunkt des klassischen Internets, der über einen Stromanschluss verfügt. Sensoren erfüllen in Prozessautomation und Verfahrenstechnik die wichtige Aufgabe der Überwachung von Prozessen. Anlagen wie eine Kläranlage, die Wasseraufbereitung oder die Herstellung eines chemischen, Pharma- oder Lebensmittelproduktes sind meist sehr weitläufig und umfangreich. Bewährt hat sich für den Anschluss der Sensoren an die zentrale Steuerung die Zweitdrahtleitung mit einem 4-20 ma-signal. Dazu wandelt ein Transmitter die gemessene physikalische Grösse wie Temperatur, Druck oder Durchfluss in ein standardisiertes Datensignal. Diese Transmitter zeichnen sich dank kostengünstiger Mikroprozessortechnologie durch stets grössere «Intelligenz» aus. Solche «Smart Transmitter» erlauben verschiedene Einstellungen bezüglich Konfigurationen und Parametern. Sie können eine Selbstdiagnose durchführen und ihren Zustand sowie die Diagnoseinformationen an das Leitsystem melden. Dazu ist aber ein digitaler, bidirektionaler Datenaustausch nötig, was sich dank einer FSK-Modulation mit dem HART-Protokoll über dieselben zwei Drähte bewerkstelligen lässt. WirelessHART Vor knapp vier Jahren definierten die Mitgliedsfirmen der HART-Foundation einen Kommunikationsstandard für drahtlose Sensoren (siehe Kasten). Mit diesem Netzwerk lassen sich Transmitter unterschiedlicher Hersteller mit Hilfe eines «Gateway» in ein vermaschtes Netzwerk einbinden und so in ein drahtgebundenes Internetz-Netzwerk integrieren. Am Institute for Mobile Communications (IMC) wollen wir die korrekte Funktion eines WirelessHART-Netzwerks mit Komponenten verschiedener Hersteller an Hand eines WirelessHART WirelessHART (Highway Addressable Remote Transducer) ist Teil der im September 2007 veröffentlichten HART-7 Spezifikation und wurde im April 2011 als IEC international genormt. Die Funkübertragung arbeitet auf dem 2.4 GHz ISM-Band. Sie verwendet eine Übertragung ähnlich IEEE , aber mit einem modifizierten Zugriffsverfahren für das Medium. Das Frequenzband ist in 16 Kanäle eingeteilt. Alle Geräte sind auf Zeitschlitze (Time-Slots) von 10 ms synchronisiert. Jede Datenübertragung findet für die Dauer eines Time-Slots auf einem der 16 Kanäle statt. Nach einer vorausbestimmten Formel wechselt man immer die Kanäle für die Übertragung (Frequenzhüpfen). Durch das ständige Verändern der Frequenz lässt sich ein breiteres Frequenzband nutzen und die Empfindlichkeit auf Störungen reduzieren. Das verwendete Anwendungsprotokoll ist eine Erweiterung der bekannten HART-Befehle und wird basierend auf dem Advanced Encryption Standard (AES 128) verschlüsselt. Somit lassen sich keine fremden Geräte mithören oder falsche Meldungen einfügen. Ein Gateway stellt die Verbindung zum drahtgebundenen Netzwerk (Feldbus, Ethernet) her. Alle Geräte können die Meldungen weiterreichen. Sie funktionieren somit als Transitstationen, damit der Gateway sicher von allen Geräten erreichbar ist. Um Redundanz zu gewährleisten, kennen die Geräte mehrere Pfade durch das Maschennetzwerk. Ein Netzwerkmanager plant alle Kommunikationsmöglichkeiten und verteilt sie als eine Art «Fahrplan» an die Geräte WirelessHART Kanäle Bild 2a: Die 16 Kanäle eines WirelessHART-Netzwerks. WirelessHART Kanal 1 Kanal 4 Kanal 7 Kanal 10 Kanal 13 Kanal 16 Kanal 2 Kanal 5 Kanal 8 Kanal 11 Kanal 14 Kanal 3 Kanal 6 Kanal 9 Kanal 12 Kanal Frequenz [MHz] Demonstrationsaufbaus nachweisen und überprüfen. Die Anlage soll Kunden unserer Industriepartner als Demo- Anlage dienen und uns, um ergänzend zur Theorie praktische Erfahrungen und Erkenntnisse zu sammeln Bild 2b: Freie WirelessHART-Kanäle nach Überschneidung mit WLAN (Kanäle 1, 6 und 11). Grafiken: C. Felser Demonstrations-Sensornetzwerk Das Maschennetz umfasst das Schulgebäude und seine unmittelbare Umgebung (Bild 1). Es erfasst die Aussen- und Innentemperaturen verschiedener Stellen, die Temperatur und das Wasserniveau im Bach sowie die Windstärke auf dem Dach. Die Messgeräte sind als Smart Transmitter mit WirelessHART ausgestattet und senden ihre Daten zyklisch durch das Maschennetzwerk an den Gateway. Da die Geräte an Orten im Einsatz sind, wo eine Verkabelung teuer zu stehen kommt, erhalten sie eine Batterie eingebaut. Zur Erhöhung der Batterielebensdauer werden die Zykluszeiten der zu übertragenden Messdaten maximiert. Mit Übertragungen im Minutentakt ist laut Hersteller eine Betriebslebensdauer von mehreren Jahren möglich. Jedes Gerät braucht zur Teilnahme am WirelessHART- Netzwerk mindestens den Namen des Netzwerks und einen Schlüssel. Diese Angaben sind als Parameter im Feldgerät einzustellen. Die Einstellungen erfolgen vor Ort über die drahtgebundene HART-Schnittstelle oder die lokale Bedienung. Überschneidung WLAN und WirelessHART Kanal 1 Kanal 6 Kanal 11 Kanal 5 Kanal 10 Wasserstand Wassertemperatur Kanal 15 Kanal 16 WirelessHART WLAN Frequenz [MHz] Aussentemperatur Feldgeräte WirelessHART verfügt über wesentlich schmalere Kanäle als WLAN (Bild 2a). Von den Feldgeräten finden nur die Frequenzbänder zwischen den eingesetzten WLAN-Kanälen Verwendung (Bild 2b). Um Reflexionen oder Störungen zu vermeiden und die Empfangsstärke zu maximieren, installiert man die Transmitter in möglichst direkter Sichtverbindung und weit entfernt von anderen, auf demselben Frequenzband arbeitenden Geräten. Der Gateway am Rand des drahtlosen Sensornetzwerks übersetzt die empfangenen WirelessHART-Befehle in ein Datenprotokoll und überträgt die Messwerte über das internetbasierte Schulnetz. Eine Steuerung verarbeitet diese Werte und stellt sie auf einem Webserver zur Verfügung. Der Endbenutzer kann mit einem PC und dem normalen Browser auf diese Messwerte zugreifen und die aktuellen sowie zurückliegenden Messdaten der Sensoren abrufen. Fazit und Zukunftsaussichten Wie erste Versuche zeigen, implementieren noch nicht alle Hersteller diese Übersetzung der WirelessHART-Datenformate zu anderen Formaten im Gateway in gleicher Weise. Die beteiligten Firmen haben dies erkannt und eine Arbeitsgruppe eingesetzt, um die Schnittstelle zu definieren. Das Mittelbauförderprogramm der BFH-TI unterstützt diese Arbeit. Ihre Ausführung erfolgt durch den Assistenten und MSE-Studenten Christoph Felser. Das Team des Institute for Mobile Communications (IMC) dankt den Industriepartnern Pepperl + Fuchs AG, Siemens Schweiz AG, Endress + Hauser AG und SAIA-Burgess Controls AG für ihre Unterstützung mit Material in diesem Projekt. > > Infos: Bild 1: Gebäude der BFH-TI in Burgdorf mit schematischer Darstellung des WirelessHART-Netzwerks. Bild: BFH-TI 3/2011 hitech 11

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