Trådløse sensor nettverk IFI,

Transkript

1 Niels Aakvaag ABB Corporate Research Trådløse sensor nettverk IFI, ABB Corporate Research - 1

2 Plan ABB Corporate Research - 2 Litt om ABB Generelt om trådløse sensor nettverk State-of-the-art Applikasjoner i prosessindustrien Kritiske parametre Effekt, Nodetetthet, Latenstid Standarder ZigBee, Bluetooth, WLAN Proprietære løsninger (WISA) Forskningsinnsats MAC, NTW og power Joint optimisation trådløs + kontroll Prosjekter i ABB

3 ABB annually invests US$ 930 million in R&D Order-related development Product development ABB Corporate Research - 3 Research 95

4 Global Labs and Locations 6 Sites in Europe Oslo Vaasa Västerås 2 Sites in USA Wickliffe Raleigh Ladenburg Baden-Dättwil Krakow Bangalore Beijing/ Shanghai 2 Sites in Asia ABB Corporate Research - 4 Automation Technologies CH, SE, US W, DE, NO, IN Power Technologies CH, SE, US R, PL, FI, (CN)

5 AND program competencies ABB Corporate Research - 5 Automation Networks Fieldbus technologies Industrial Ethernet Vertical integration Internet technologies Wireless and mobility Wireless communication Mobile applications Wireless power Embedded systems System partitioning (co-design) Methodology Embedded SW HW and VHDL Safety Signal processing Advanced signal processing Physical modelling and signal analysis Diagnostics Sensors and MEMS Mechanical Electromechanical Optical MEMS Usability Cross-program (MRA, C&O, SWAP)

6 Plan ABB Corporate Research - 6 Litt om ABB Generelt om trådløse sensor nettverk State-of-the-art Applikasjoner i prosessindustrien Kritiske parametre Effekt, Nodetetthet, Latenstid, Throughput Standarder ZigBee, Bluetooth, WLAN Proprietære løsninger (WISA) Forskningsinnsats MAC, NTW og power Joint optimisation trådløs + kontroll Prosjekter i ABB

7 WSN - hva er nytt? ABB Corporate Research - 7 Multihop Alle noder kan rute Trenger ingen fast infrastruktur Dekning lenger enn et enkelt radio-hopp Ingen nettverksplanlegging Rask utrulling av store nettverk Selvrettende / rekonfigurerende Tåler å miste enkeltnoder Nettverk er relativt statisk Nettverkets levetid viktig parameter Rettferdighet mindre viktig

8 Muligheter i åpen sløyfe Applikasjonsområder i industriell automasjon: Tilstandsovervåking. Detektere slitasje på utstyr Holde styr på inventar Benchmarking Fieldbus Control room Andre områder: Sensor Sensor Sensor Monitorering av miljø Forsvar Bygningsautomasjon ABB Corporate Research - 8 Generelle krav: Korte pakker Lav gjennomsnittlig datarate Lite effekt (batteridrift) Removable Sensor Sensor Fieldbus Removable Sensor Off-line processing and optimisation Sensor Control room

9 Utfordringer i åpen sløyfe Dette er mulig! Lage tidsstempling og store-and-forward Produkter er allerede tilgjengelig/underveis Honeywell Emerson ABB? Non real-time Non real-time Processing of off-line wireless sensor data ABB Corporate Research - 9 Control system Actuation Wired sensor output Plant Sensors Wireless sensor output

10 Muligheter i lukket sløyfe Applikasjonsområder: Metall Papir Olje og gass Petrokjemisk (temp, trykk, nivå, ) Generelle krav: ABB Corporate Research - 10 Korte pakker Lav gjennomsnittlig datarate Lite effekt Kort latenstid Garanti for at pakke kommer frem Control System Wireless Actuation Wireless Sensing Plant Sensors

11 Utfordringer i lukket sløyfe Mye mer komplekst Energisensitivitet Adaptiv effektstyring (Stanford) Cluster head management Hot-spots og tømming av sentrale noder ABB Corporate Research - 11 Latens garantier over multihop nettverk Interessant arbeid på medium aksess nivå (MAC), f.eks ikke-uniform back-off, skedulert transmisjon, Quality of service (QoS) i rutingalgoritmer Robuste kontrollalgorithmer Kalman filtrering med manglende data sampler

12 Applikasjonsområder A Mobile enheter ABB Corporate Research - 12 Roterende maskineri B C Mesh i åpen/lukket sløyfe

13 Plan ABB Corporate Research - 13 Litt om ABB Generelt om trådløse sensor nettverk State-of-the-art Applikasjoner i prosessindustrien Kritiske parametre Effekt, Nodetetthet, Latenstid Standarder ZigBee, Bluetooth, WLAN proprietære løsninger (WISA) Forskningsinnsats MAC, NTW og power Joint optimisation trådløs + kontroll Prosjekter i ABB

14 Effektforbruk ZigBee-basert node bruker typisk: 30mA i Rx/Tx 30uA i sovemodus MÅ SOVE MYE MED BATTERI Multihop med lavt effektforbruk Må synkronisere duty cycle for lav effekt (kompensere for klokkedrift) Synkronisering OK i stjernenett Problem: dårlig støtte for tidssynkronisering i multihop Ember plattform forutsetter backbone med nettstrøm ABB Corporate Research - 14 Mains powered node Battery powered node

15 Effektforbruk Applikasjon: Mange noder sender data til sentral GW Har IKKE backbone med nettstrøm Løsning (halvgod) Sleep Timing Data Sleep Timing ABB Corporate Research - 15 GW sender single hop multicast Alle som mottar resynkroniserer egen klokke Et antall noder sender videre med tidsstempling Etter endt synkronisering unicast data tilbake til gateway

16 Effektforbruk Problemer med denne løsningen Mye effekt går til å spre timing info. Tap av effekt og båndbredde Har ikke adgang til link nivå meldinger Tidsestimater blir unøyaktige Multicast sendes mange ganger. Unødig effekt Flere kollisjoner Tidsestimat unøyaktig ABB Corporate Research - 16 Potensielle løsninger Timing på egen signaleringskanal (non-compliant) Estimere stakk delay som i SNTP

17 Nodetetthet Redusert kapasitet i store nettverk ABB Corporate Research - 17 Fundamentalt problem I tillegg: ( ) T = O 1 n Tilgjengelig kapasitet reduseres lineært med duty cycle

18 Nodetetthet ABB Corporate Research - 18 Throughput, bps/node Antall noder Bekrefter teori om sensitivitet til nodetetthet Ved øket last går mest kapasitet til kollisjoner og route repair Simulert AODV med NS2 Noder plassert i 100 x 100m Pakkefeilrate på 2% Dekning 40m En enkel GW Statisk nett

19 Latenstid kun MAC delay + duty cycle Definisjon: Tid fra EVENT på node til pakke ankommet SINK Duty cycle: T Periode ON P TON Hopp: N Antall Sannsynlighet for riktig pakke hopp i p i, OK ABB Corporate Research - 19 Forutsetter: samme backoff tid ingen delay i stakk forøvrig Forventet latens: dersom: T N T BO 1 BO i=1 pi, OK E T p { latens} = + TBO T ON 2 N 1 p i= 1 i, OK

20 Latenstid stakk delay + ingen duty cycle T, T, Kall A i og N i forsinkelse gjennom stakk for node i fra APP og NTW lag APP NTW MAC APP NTW MAC APP NTW MAC T = N i= 0 N 1 T A + T, i i= 1 N, i PHY Data Timer PHY Timer PHY Data Gateway Router End node ABB Corporate Research - 20 Forutsett at forsinkelser er IID Vi husker sentralgrenseteoremet Delay er Gaussisk med middelverdi: { } T = 4NE T S, i

21 Latenstid Simulert latens gjennom multihop nettverk Samme parametre som for nodetetthet Latens (ms) ABB Corporate Research Antall noder

22 Plan ABB Corporate Research - 22 Litt om ABB Generelt om trådløse sensor nettverk State-of-the-art Applikasjoner i prosessindustrien Kritiske parametre Effekt, Nodetetthet, Latenstid Standarder ZigBee, Bluetooth, WLAN proprietære løsninger (WISA) Forskningsinnsats MAC, NTW og power Joint optimisation trådløs + kontroll Prosjekter i ABB

23 Bluetooth ABB Corporate Research - 23 Piconett master/slave arkitektur syv aktive slaver per master 255 sovende noder per master Støtter scatternets hvor noder tar del i flere piconett Data rate på luften: 1Mbps i original versjon 3Mbps i enhanced versjon Støtter tale Problemer: Piconet for lite!!!! Sakte oppvåkning (> to sekunder) Kompleks stakk (dyre komponenter) Dyr kvalifisering

24 ZigBee oversikt Sikter mot industrielle anvendelser, PC-utstyr, leker, smarte hjem, Lav effekt, lav pris, lav kompleksitet radiospesifikasjon Ca. 20mA når aktiv, dyp søvn modi tilgjengelig Implementasjon av stakk på liten 8 bits mikrokontroller ABB Corporate Research - 24 Tre typer eneheter PAN coordinator. Starter nettverk på ledig frekvens. Har nettstrøm Ruter. Kan rute pakker for andre Endenode. Ruter ikke for andre. Sover mesteparten av tiden for å spare strøm

25 ZigBee topolgier Stjerne: sentral koordinator for all trafikk Tre: multihop i hierarkisk struktur Mesh: struktur-løs (figur fra ABB Corporate Research - 25

26 ZigBee PHY ABB Corporate Research - 26 PHYsisk lag definert i tre bånd 868MHz (Europa, Asia) 20kbps (høyere i b) 915MHz (Amerika) 40kbps (høyere i b) 2.4GHz (hele verden) I 2.4GHz ISM båndet: 250 kbps QPSK modulert (62.5ksps) Multiplisert med fast spredesekvens for øket robusthet 16 uavhengige kanaler i 2.4GHz, hver ca. 5MHz bred Pulsform: halv sinus

27 ZigBee MAC CSMA Radio senser medium før transmisjon (CCA) Dersom ledig: send etter ventetid Dersom opptatt: vent random tid mellom 0 og N * BO ABB Corporate Research - 27 Dersom opptatt ved andre forsøk: vent random tid. Dobbelt intervall

28 ZigBee MAC Beaconed Aktiv / Inaktiv periode Slottet CSMA Non-beaconed Unslottet CSMA ABB Corporate Research - 28

29 ZigBee MAC Bruker IKKE RTS/CTS for collision avoidance Enklere enn MAC Reduserer båndbreddebehov Øker sannsynlighet for kollisjon (hidden terminal problem) ABB Corporate Research - 29 Håndterer punkt-til-punkt sikkerhet. Tre modi: Ikke sikker Access Control List 128 AES (Advanced Encryption Standard)

30 ZigBee NTW NTWs primære oppgaver: Opprette nettverk, håndtere til/fra-kobling Rute pakke gjennom nettverket Ende-til-ende sikkerhet ZigBee kan rute peer-to-peer eller hierarkisk Peer-to-peer er basert på AODV (Ad hoc On Demand Vector routing) Hierarkisk. adressen angir om en destinasjonsadresse er opp eller ned i treet Dersom en node har tilstrekkelig med ressurser bruker den peer-topeer, ellers hierarkisk ABB Corporate Research - 30 Skiller rutere i R+ og R- R+ kan rute full mesh. Godt med minne og prosessorkraft R- ruter kun hierarki. Enkle noder med lite ressurser

31 ZigBee NTW ABB Corporate Research - 31 AODV. Adhoc On Demand Vector routing Har kun tabell over: de den kommuniserer med der den er ruter naboer Sparer KUN på adressen til neste node for gitt endenode Originalversjon sender regelmessige oppdateringer for å sikre at ruten er operativ (fjernet i ZigBee) Route discovery Kildenode sender RREQ (Route REQuest) Alle som tar imot sjekker sine lister og sender eventuelt videre Endelig mottager kan få flere enn en RREQ. Velger den med lavest kost (antall hop, akkumulert RSSI, etc) Symmetrisk Samme rute tilbake, enkelt Ikke garantert optimalt Asymmetrisk Søker rute tilbake også, mer komplisert Bedre ruter

32 ZigBee NTW Eksempel på etablering av symmetrisk rute RREQ(src, dest, ID) er en broadcast melding!! Ruter 3 Ruter 1 Destinasjon ABB Corporate Research - 32 Kilde Ruter 2

33 802.11s WLAN-basert, standardisering underveis Forventet dato for første utkast Foreløpig utkast: Aksess Punkter (AP er) lager backbone som støtter multihop Ende-noder ruter IKKE! Automatisk konfigurasjon for rute rekonfigurering Bruker eksisterende rammestruktur for å tillate multihop Opp til 32 AP er kan delta i et nettverk ABB Corporate Research - 33

34 WISA Krav: 64 sensorer per basestasjon Max 5ms latenstid Ingen batteri Pålitelighet tilsvarende trådbunden ABB Corporate Research - 34 Løsning: PHY basert på Bluetooth Eget (ABB) MAC lag Indusert power Korte pakker TDMA Innovation Gold Award Wall Street Journal 2002

35 Plan ABB Corporate Research - 35 Litt om ABB Generelt om trådløse sensor nettverk State-of-the-art Applikasjoner i prosessindustrien Kritiske parametre Effekt, Nodetetthet, Latenstid Standarder ZigBee, Bluetooth, WLAN proprietære løsninger (WISA) Forskningsinnsats MAC, NTW og power Joint optimisation trådløs + kontroll Prosjekter i ABB med søkord: Wireless Sensor Networks gir hits!

36 CSMA-CA MAC lag forskning Backoff strategier. Flat pdf er ikke alltid optimalt Beaconing strategier i Variasjoner rundt RTS/CTS og hidden terminal problem ABB Corporate Research - 36 WiseMAC, S-MAC og T-MAC, micromac,... Ønsker: lav latens, høy throughput, lite power NON-contention Gode skeduleringsalgoritmer og synkronisert soving Forutsetter ofte tre-struktur. Vanskelig i full mesh Trenger god forskning på skedulert MAC med bra nettverkslag

37 Nettverk ABB Corporate Research - 37 Hotspot Noder nær GW må rute for andre og tømmes først Data fusion Max levetid (node/nettverk) Organisere i lokale cluster Ansvar som cluster head går på rundgang (til den med mest batteri igjen) Informasjonssamling Spør etter verdi, ikke node Nettverket har felles ansvar for å levere riktig data Ruting Multipath for øket sikkerhet Effekt sensitiv ruting Effektive tre-strukturer

38 Kalman Joint optimalisering Optimalisere oppørsel til Kalman filter med manglende observasjoner Power control Adaptiv power control Justere utesendt effekt på bakgrunn av link kvalitet og tilstand til kontrollalgoritmen ABB Corporate Research - 38 Cross layer design Betrakte flere lag i stakken samtidig

39 Power ABB Corporate Research - 39 Vibrasjon P = const * g^2 MEMS basert perpetuum.co.uk Power ~ 0.5g Induksjon MIT Power 0.5g RF / Microwave transmisjon Radio og TV stasjoner: typisk effekt ved antenne input < 5 μw Væske eller gass flyt i rør ( paddle wheel ) Vindenergi

40 Power ABB Corporate Research - 40 Solceller (PV) Effekt: mw/cm 2, 5 μw/cm 2 in 1/1000 sun (100 Lux) Backup-energi nødvendig (sekundært batteri, superkondis) Termoelektriske generatorer (TEG) Effekt: ~ 100 μw/kcm 2 (η avhenger av temperatur differanse) Trenger objekt med tilstrekkelig temperatur differanse til miljøet (micro) Fuel cells (FC) Energikilder: H 2, metanol Under utvikling Drivere: forbrukerelektronikk, bilindustrien Kritiske problemer: stabilitet, lagring, kostnad Magnetisk induksjon Effekt: ~15 mw in 6 x 6 x 3 m volum

41 Plan ABB Corporate Research - 41 Litt om ABB Generelt om trådløse sensor nettverk State-of-the-art Applikasjoner i prosessindustrien Kritiske parametre Effekt, Nodetetthet, Latenstid Standarder ZigBee, Bluetooth, WLAN proprietære løsninger (WISA) Forskningsinnsats MAC, NTW og power Joint optimisation trådløs + kontroll Prosjekter i ABB

42 Boliden demonstrator ZigBee basert implementasjon, med noder fra Ember Nettverk synkroniserings algoritme for å redusere effektforbruk Syv sensorer i prosessen Simulert data, én pakke/min ABB Corporate Research - 42 En node er gateway til OPC server/client for integrasjon i ABB kontrollsystem Sleep Timing Data Sleep Timing

43 Resultater Boliden Dekning mer enn 50m, selv uten LOS Effektforbruk ~3mW Gjennomsnitt 30 sek latens ABB Corporate Research - 43 Våken 3 sekunder per minutt 1.5 sekund for å synkronisere nettverk 1.5 sekund for utveksle data

44 Resultater Boliden Ikke-stasjonær karakteristikk Latenstid er tidsvarierende Kjenner igjen Gaussisk pdf Støtter multihop 100 Moving Average of Node2 Time Offset 7000 Histogram of Node2 Time Offset Time Offset [ms] Frequency ABB Corporate Research Sample Number x Time Offset [ms]

45 ZigBee for felt instrumenter Teknologievaluering Demonstrere wireless aksess til felt instument over ZigBee/ Kabelerstatter ABB Corporate Research - 45

46 Effekt forbruk PDA Start PAN AB-Bee1 Scan AB-Bee2 Felt instrument Start PAN(panID) Beacon 15ms Wakeup by periodic IRQ Beacon AssociateReq(MAC) AssociateReq(MAC) AssociateConfirm AssociateConfirm ABB Corporate Research - 46 Data Data Data Data Data Data

47 Effekt forbruk Current Tper I idle = 26μA Ipeak Tpeak T per = 15. 0s T peak = 32ms I peak = 29mA Iidle time ABB Corporate Research - 47 P avg Tpeak Tper T peak = 3.3V * I peak + I idle = Tper T per 289μW

48 Dekning Ekstern antenne: >40m Intern antenne: ABB Corporate Research - 48

49 Tanker om fremtiden ZigBee instrumenter integreres i temperatur, trykk og flow sensorer Viktig å kunne aksessere ZigBee instrumenter over eksisterende feltbus nettverk Profibus DP Master Profibus DP ABB Corporate Research - 49 ZigBee sensor Anybus Communicator ZigBee sensor Profibus slave / ZigBee ZigBee sensor

50 Studentprosjekter (NTNU) Demo på Statoil Prosjekt med NTNU og Statoil Eksperimenterer med trådløs sensorikk i Statoils forskningslab på Rotvoll ved Trondheim Ønsker å etablere ytelse i reelle prosesser ABB Corporate Research - 50 Ytelse av ZigBee nettverkslag Studere ytelse (latens, effekt, throughput) ved høy nodetetthet Data modell basert på typiske tall fra prosessindustri

51