Drahtlose Heimautomation Der passende ZigBee-Baustein für Wireless-Netzwerke

Autor / Redakteur: Jarle Boe* / Kristin Rinortner

ZigBee wird zukünftig zur drahtlose Steuerung von Heim-, Büro- und Industrieanwendungen verstärkt eingesetzt werden. Mit speziellen Komponenten lässt sich die Position von beweglichen Knoten in einem ZigBee-Netzwerk jetzt ähnlich präzise wie in einem kleinen Raum bestimmen.

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Stellen sie sich vor, sie laufen durch ein Einkaufszentrum und suchen das perfekte Geburtstagsgeschenk für Ihren Partner. Wo fangen sie an? Ganz einfach: Sie nehmen ihr Mobiltelefon oder ihren PDA und lassen sich leiten. Auf ihrem Gerät erscheint ein Orientierungsplan vom Einkaufszentrum mit allen Geschäften. Sobald sie sich in Bewegung setzen, erhalten sie nützliche Informationen, die sie bei ihrer Suche unterstützen.

Dieses Szenario ist mit heutigen HF-Technologien denkbar. Die Location Engine der ZigBee RF-Bausteine von Texas Instruments lässt sich mit einem GPS-System für den Innenbereich vergleichen. Sie nutzt die RF-Infrastruktur von ZigBee-Netzwerken, um die Position von Objekten oder Personen zu bestimmen. Im Unterschied zum GPS-System ist die Location Engine in Ein-Chip-HF-Transceivern mit MCU untergebracht, was einerseits die Kosten auf ein Zehntel verringert und andererseits den Energieverbrauch auf einen Bruchteil des für GPS-Hardware erforderlichen Wertes senkt. Solange ein ZigBee-Netzwerk vorhanden ist, kann die Location Engine sowohl im Außen- als auch im Innenbereich verwendet werden, auch ohne direkten Sichtkontakt zum freien Himmel.

Typische Anwendungen sind u.a.:

  • Fernsteuerung zum Ein- und Ausschalten des Lichts beim Verlassen bzw. Betreten von Räumen innerhalb eines Gebäudes,
  • Verfolgen von Containern in Frachtzentren,
  • Equipment-Tracking über das Internet.

Die Location Engine kann auch das Einrichten von Wireless-Netzwerken vereinfachen, da sie die physische Position neuer Geräte bestimmen kann, sobald diese dem Netzwerk hinzugefügt werden.

Die meisten Wireless-Sensor-Netzwerke benötigen eine Methode, um die Position der Netzwerkknoten zu bestimmen. So muss während der Installation z.B. festgelegt werden, welche Netzknotendaten sich direkt miteinander bzw. mit einem zentralen Datenerfassungssystem austauschen sollen.

Netzwerkknoten einfach finden

Es gibt Lösungen, bei denen die Position der Netzwerkknoten softwarebasiert ermittelt wird. Hierbei lesen die Knoten bestimmte Parameter aus und übertragen diese Informationen an das zentrale Datenerfassungssystem. Anschließend wird die Position ermittelt und wieder an den Netzknoten übertragen. Diese Methode ist sehr rechenintensiv und erfordert einen PC bzw. eine Hochleistungs-MCU.

Da der Datenverkehr für die Positionsbestimmung exponenziell mit der Anzahl an Netzwerk-Knoten wächst, kann dieses Verfahren nur für kleinere Netzwerke mit einer begrenzten Anzahl an Knoten eingesetzt werden. Zudem lässt sich diese Methode aufgrund der hohen Verkehrslast und der erforderlichen Bandbreite nur eingeschränkt für batteriebetriebene Netzwerke nutzen.

Der CC2431 löst dieses Problem durch einen verteilten Ansatz bei der Positionsbestimmung. Die Position wird lokal auf Knotenebene anhand der Daten ermittelt, die von den nächstgelegenen Referenzknoten mit bekannter Position zur Verfügung gestellt werden. Der Netzwerkverkehr bleibt daher auf die Knoten, die sich in Reichweite des Blind Node befinden, beschränkt. Gleichzeitig wird dadurch eine hohe Anzahl an Blind Nodes im selben Netzwerk möglich, da der Netzwerkverkehr proportional zur Anzahl der Blind Nodes steigt.

Die hier vorgestellten Ergebnisse basieren auf Messungen in einem ZigBee-Netzwerk. Sie lassen sich aber ohne weiteres auch auf einfachere Netzwerke auf Grundlage von IEEE 802.15.4 übertragen.

Location-Engine-Technologie

Die Location Engine berechnet die Position auf der Basis des RSSI-Wertes (Received Signal Strength Indicator) von benachbarten Sendestationen in einem Wireless-Netzwerk. Die Empfangsfeldstärke des RSSI-Signals zwischen zwei Sendestationen kann sich von Umgebung zu Umgebung erheblich unterscheiden. Eine Person, die sich zwischen zwei Sendestationen bewegt, kann das empfangene Signal z.B. um 30 dBm abschwächen.

Um derartig große Abweichungen zu kompensieren und die Position präzise zu bestimmen, ermittelt die Location Engine die Positionen anhand der RSSI-Werte von bis zu 16 Sendestationen. Dieses Verfahren macht sich das Prinzip zunutze, dass RSSI-Abweichungen durch eine große Anzahl von Knoten ausgeglichen werden können.

In HF-Netzwerken werden Location-Engine-Sendestationen mit bekannten Positionen als Referenzknoten bezeichnet. Die Knoten, die ihre eigene Position ermitteln, werden als Blind Nodes bezeichnet. Die einzigen Informationen, die zwischen den Referenzknoten und den Blind Nodes übertragen werden müssen, sind die X- und Y-Koordinaten der Referenzknoten. Um ihre Position zu bestimmen, nutzt die Location Engine die empfangenen X- und Y-Koordinaten und verknüpft diese Information mit den RSSI-Werten, die sie auf Grundlage der empfangenen Nachricht ermittelt.

Positionierung als Teil des Netzwerkprotokolls

Einige Anwendungen, die Location Engines verwenden, benötigen eine bestimmte Anzahl von Knoten als Teil der Infrastruktur. Die ZigBee-Technologie ermöglicht die drahtlose Steuerung von Home-, Office- und Industrieanwendungen. Man erwartet, dass ZigBee in der Home- und Office-Automatisierung immer häufiger eingesetzt wird und dass der Anteil von ZigBee-Bausteinen in der Gebäude-Infrastruktur stetig steigen wird.

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In einer typischen Büroumgebung könnte die ZigBee-Technologie zum Beispiel eingesetzt werden, um die Thermostate und die Klimaanlage über Temperatursensoren in allen Büros und im Besprechungsraum zu regeln. Gleichzeitig könnte man Lichtschalter und andere Teile der Beleuchtung in jedem Raum mit einer ZigBee-Steuerung ausrüsten. Die verschiedenen Geräte und Komponenten können leicht als Referenzknoten für die Location Engine genutzt werden. Normalerweise erfordert ein ZigBee-Baustein als Referenzknoten zusätzlich zum ZigBee-Stack eine Codegröße unter 1 KByte.

Die Location Engine sammelt die Daten von drei bis 16 Referenzknoten und verwendet diese zur Positionsbestimmung. Treffen Daten von mehr als 16 Knotenpunkten ein, werden die empfangenen Positionen der Referenzknoten sortiert und die RSSI-Werte der 16 stärksten Referenz-Knoten verwendet.

Reichweite erhöhen

Die Location Engine hat eine Reichweite von 64 × 64 m. Die meisten Anwendungen müssen jedoch größere Bereiche abdecken. Es gibt zwei Möglichkeiten, um die Reichweite zu erhöhen:

  • Erhöhen der Ausgangsleistung der Referenz-Knoten bei gleichzeitigem Reduzieren der Positionierungsgenauigkeit der Location Engine
  • Positionierung von Referenzknoten in einem größeren Bereich und Durchführung der Positionsberechnungen entsprechend dem Referenzknoten mit dem stärksten Signal

Location Engine kann größere Bereiche abdecken

Bei der zuletzt genannten Methode handelt es sich um die eleganteste Lösung, denn die Location Engine kann größere Bereiche abdecken, ohne dass dies zu Lasten der Genauigkeit geht. Der Blind Node im Netzwerk sendet eine Broadcast-Nachricht und sammelt die Daten aller Referenzknoten seiner Umgebung. Dann wählt die Engine die X- und Y-Koordinaten der Referenzknoten mit dem stärksten Signal aus. Anschließend werden die Koordinaten der anderen Knoten bezogen auf diesen Referenzknoten bestimmt. Nach der Verarbeitung der Daten in der Location Engine wird der Offset-Wert des nächstgelegenen Referenz-Knotens hinzugefügt, um die tatsächliche Position innerhalb des großen Netzwerks zu ermitteln (Bild 1).

Zum Optimieren der Reichweite sollte bei der Platzierung der Referenzknoten die Absorption durch Decken bzw. Böden sowohl in Innen- als auch in Außenbereichen berücksichtigt werden. Am besten ist es, alle Knoten auf gleicher Raumhöhe in angemessener Entfernung von Boden, Decke und Wänden zu platzieren. Unter realistischen Bedingungen kann dies schwierig, wenn nicht sogar unmöglich sein. Daher empfiehlt es sich, Referenzknoten entweder auf Deckenhöhe oder unterhalb davon anzubringen, wobei die Antenne nach unten gerichtet sein sollte.

Dies ermöglicht das Senden von RF-Signalen nach außen und nach unten. Die portablen oder fest installierten Blind Nodes sollten sich auf Höhe des Oberkörpers befinden. Diese Art der Installation gewährleistet minimale Absorption durch die Decke und den Boden sowie minimale Interferenz durch andere Objekte, wie z.B. Personen, die sich durch den Raum bewegen.

Genauigkeit der Location Engine

Um die Leistung im Innenbereich zu testen, wurde ein Netzwerk mit acht Referenzknoten in einer Büroumgebung erprobt. Referenz-Knoten wurden in Eckpositionen und auf freien Oberflächen wie Büromöbeln oder anderen zur Verfügung stehenden Flächen in Oberkörperhöhe installiert. In Bild 2 werden die acht Referenzknoten mit den Buchstaben A bis H bezeichnet.

Für sechs ausgewählte Positionen wurde zu Testzwecken die Position bestimmt und an jeder dieser Stationen wurden jeweils 20 Werte abgelesen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Nach der Datenerfassung für acht Referenz-Knoten wurden dem System sechs weitere Referenz-Knoten hinzugefügt. An denselben vier Positionen wurde ein zweites Mal eine Positionsbestimmung durchgeführt, um die Auswirkung zusätzlicher Referenz-Knoten auf die Positionsbestimmung zu testen. Die Ergebnisse der Messungen mit 14 Referenzknoten sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Die Positionsbestimmung kann umso genauer erfolgen, wenn sich die Knotenpositionen innerhalb des Netzwerkperimeters befinden. Eine noch höhere Genauigkeit wird erzielt, wenn weitere Referenzknoten hinzugefügt werden. Nimmt man sechs weitere Referenzknoten im Test hinzu, führt das zu einer Verbesserung der Positionierungsgenauigkeit für alle vier Positionen und verringert gleichzeitig die Standardabweichung (Konsistenz) der gemeldeten Position für alle Positionen.

Genauigkeit verbessern

Die Location Engine verwendet RSSI-Messungen benachbarter Referenzknoten, um die Position des Blind Node zu bestimmen. Die RSSI-Werte sind abhängig vom Antennendesign und den Umgebungsbedingungen bzw. aufgrund anderer HF-Quellen in der Nähe unterschiedlich. Die Location Engine bildet einen Durchschnittswert aus den Positionsdaten mehrerer Knoten. Erhöht man die Anzahl an Knoten, fallen die Ergebnisse einzelner Knoten weniger ins Gewicht, sodass sich die Gesamtgenauigkeit erhöht.

Für die Genauigkeit der Positionsbestimmung ist die Platzierung der Referenzknoten sehr wichtig. Werden diese zu nahe an Decken oder Böden montiert, kann es zu einer Dämpfung der Signale kommen. Führen Sie einen Test mit einer isotropen Antenne mit gleicher Signalstärke in alle Richtungen durch.

Mit der Location Engine kann die Position von Sendestationen in einem ZigBee-Netzwerk ähnlich präzise wie in einem kleinen Raum bestimmt werden – und das stromsparend und mit minimalem zusätzlichen Kommunikationsaufwand. Dabei nutzt man die vorhandene ZigBee-Infrastruktur zur Positionsbestimmung innerhalb des Netzwerks. Diese Informationen lassen sich mithilfe eines zentralen Datenerfassungssystems zu Tracking-Zwecken leicht erfassen oder von einem Benutzer zur Orientierung innerhalb eines Gebäudes nutzen.

Positionen genau bestimmen

Mit dem neuen Chip lässt sich die Position eines damit ausgestatteten ZigBee-Endgerätes in einem bestehenden ZigBee-Netzwerk bestimmen. Das Low-Power-SOC CC2431 aus der Chipcon-Produktlinie arbeitet im 2,4-GHz-Band. Es kombiniert den Kern des Transceivers CC2420 mit einem 32-MHz-8051-Prozessor sowie bis zu 128-KByte Flash-Speicher und 8 KByte RAM.

Typische Anwendungen sind Applikationen aus der Gebäudeautomatisierung wie die Steuerung von Licht- oder Klimakontrollnetzen, das automatische Ablesen von Strom-, Wasser- oder Gasablesegeräten oder der Einsatz in Hochregallagern oder Containerhäfen.

*Jarle Boe ist Factory Support Manager des Geschäftsbereichs Low Power Wireless bei Texas Instruments, ehemals Chipcon, in Oslo, Norwegen.

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