Leseprobe
Inhaltsverzeichnis
1 Einführung
2 Gliederung
3 Einleitung
3.1 Problembeschreibung / Situation
3.2 Beschreibung der Aufgabe / Zielsetzung
3.3 Lösungsstrategie
3.3.1 Parkscheinautomat
3.3.2 Automatisiertes Netzwerk aus Sensoren / Aktoren
3.3.3 Schranke mit Pförtner
3.3.4 Feste Parkplatzzuweisung
4 Grundlagen
4.1 Sensoren und Aktoren
4.2 Wireless-Sensornetzwerk
4.3 Sensor-Aktor-Netzwerk
4.4 Industrie 4.0 und Internet der Dinge
4.5 Mögliche Sensoren zur Erfassung der Stellplatzbelegung
5 Technologien
5.1 Drahtlose Standards
5.2 Netzwerktopologien
5.3 Routing
5.4 ZigBee
5.4.1 Komponenten und Geräte
5.4.2 Topologie und Routing
6 Design
6.1 Auswahl der Hardware
6.1.1 Auswahl des ZigBee-Coordinators ZC
6.1.2 Auswahl der Mikrocomputer und der Ultraschallsensoren
6.1.3 Auswahl der ZigBee-Module
6.2 Auswahl der Visualisierungsmöglichkeit
6.3 Materialkosten
6.4 Programmkonzept und funktionelle Umsetzung
6.4.1 Zielbestimmung
6.4.2 Produkteinsatz
6.4.3 Produktfunktionen
6.4.4 Blockschaltbild
6.5 Entwicklungsumgebung
6.5.1 Entwicklungsumgebung für den Arduino UNO
6.5.2 Entwicklungsumgebung für den Raspberry Pi
6.5.3 Entwicklungsumgebung für Android
7 Realisierung
7.1 Zusammenbau der Hardware
7.2 Ersteinrichtung / Konfiguration der Geräte
7.3 Quellcodeentwicklung Mikrocomputer
7.3.1 Setup()
7.3.2 getDistance()
7.3.3 senden()
7.3.4 loop()
7.4 Quellcodeentwicklung Raspberry Pi
7.4.1 Koordinator
7.4.2 Display
7.5 Quellcodeentwicklung Android-App
7.5.1 XML-Dateien
7.5.2 Klassendiagramm
7.5.3 Benutzeroberfläche
7.6 Funktionstest
7.6.1 Komponenten- und Integrationstest
7.6.2 Systemtest
8 Abschluss
8.1 Ergebnisse der Arbeit
8.2 Technische Schwierigkeiten
8.3 Lessons learned (Fazit)
8.4 Ausblick
9 Anlage
9.1 Lageplan Parkplätze
9.2 Anschlüsse Digi Xbee-Modul
9.3 Glossar
9.4 Inhaltsverzeichnis der CD-ROM oder USB-Stick
9.5 Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 3-1: Nutzwertanalyse der Lösungsmöglichkeiten
Abbildung 4-1: Sensornetzwerk im Wald
Abbildung 4-2: Wearables
Abbildung 5-1: Übersicht drahtlose Standards
Abbildung 5-2: Nutzwertanalyse der drahtlosen Standards
Abbildung 5-3: Ring-Topologie
Abbildung 5-4: Bus-Topologie
Abbildung 5-5: Teil-Vermaschte-Topologie
Abbildung 5-6: Voll-Vermaschte-Topologie
Abbildung 5-7: Stern-Topologie
Abbildung 5-8: Baum-Topologie
Abbildung 6-1: Raspberry Pi
Abbildung 6-2: Arduino UNO mit Schnittstellen
Abbildung 6-3: Ultraschallmodul HC-SR
Abbildung 6-4: Digi Xbee-Modul
Abbildung 6-5: Xbee Erweiterung Modul-Adapter
Abbildung 6-6: Blockschaltbild funktionelle Umsetzung
Abbildung 6-7: Arduino DIE
Abbildung 6-8: Android Studio Code-Editor
Abbildung 6-9: Android Studio Preview
Abbildung 6-10: Android Studio Emulator
Abbildung 7-1: Schematischer Aufbau Arduino und Ultraschallsensor
Abbildung 7-2: Startseite der Software „XCTU"
Abbildung 7-3: Schematischer Aufbau Raspberry Pi und Xbee-Modul
Abbildung 7-4: Schematischer Aufbau Raspberry Pi und LCD
Abbildung 7-5: Programmablaufplan Arduino loop()
Abbildung 7-6: Klassendiagramm
Abbildung 7-7: Startbildschirm APP
Abbildung 7-8: Parkplatzinformation in APP
Abbildung 8-1: Installierter Messknoten ("End Device")
Abbildung 8-2: Raspberry Pi mit Xbee-Modul
Abbildung 8-3: LC-Anzeige
Abbildung 8-4: APP auf Tablet-PC
Abbildung 9-1: Lageplan FH-Meschede
Tabellenverzeichnis
Tabelle 4-1: Vergleich Sensoren
Tabelle 6-1: Technische Spezifikationen Raspberry Pi
Tabelle 6-2: Technische Spezifikationen Arduino UNO7
Tabelle 6-3: Technische Spezifikationen HC-SR048
Tabelle 6-4: Materialkosten
Tabelle 7-1: Verbindung Arduino-Ultraschallsensor
Tabelle 7-2: Verbindung Raspberry Pi zu Ultraschallsensor
Tabelle 7-3: Verbindung Raspberry Pi zu LCD
Tabelle 7-4: Komponenten- und Integrationstest Arduino
Tabelle 7-5: Komponenten- und Integrationstest Raspberry Pi
Tabelle 7-6: Komponenten- und Integrationstest Android-APP
Tabelle 9-1: Datenblatt Pins Digi Xbee-Modul12B
Tabelle 9-2: Glossar C
Danksagung
Unser Dank gilt Herrn Prof. Dr. Hahn, der uns die Bearbeitung dieses interessanten Themas ermöglicht hat. Wir danken ihm für die freundliche und konstruktive Unterstützung während der Bearbeitungszeit. Auch Herrn Sonnenkemper danken wir für die sofortige Zusage zur Un- terstützung und Zweitprüfung. Weiterhin möchten wir uns auch bei unseren Familien für die Ermöglichung des Studiums und dem Beistand während der Erstellung dieser Arbeit. Wir be- danken uns bei allen Kommilitonen und Professoren für die schöne Studienzeit in Meschede.
Kurzfassung
Diese Bachelorarbeit beschreibt die beispielhafte Entwicklung eines Sensor- und Aktor-Netz- werks. Grundlage ist die Lösung der Probleme um die Parkplatzkapazitäten der Fachhochschule Meschede.
Durch Sensoren soll die aktuelle Parksituation laufend ermittelt werden. Die Datenübermittlung soll dabei drahtlos erfolgen.
Der Entwicklungsverlauf ist in dieser Arbeit genauso dokumentiert wie die Anleitung zur Bedienung des Systems.
Nach der Klärung von Grundlagen der verschiedenen Technologien wird anhand diverser Analysen zuerst die beste Hard- und Softwarekonstellation gewählt.
Danach erfolgt Schrittweise die Erklärung zum Zusammenbau der Geräte und die der Quell- codeentwicklung. Für die verschiedenen Komponenten entstehen verschiedene Quelltexte, wel- che neben einer schriftlichen Beschreibung auch bildlich durch Programmablaufpläne o. Ä. dargestellt sind.
Im Abschluss der praktischen Durchführung erfolgt die Auswertung aller Soft- und Hardwaretests. Zum Schluss gibt dieses Dokument ein Fazit und einen Ausblick für die Zukunft.
1 Einführung
Moderne Computertechnik erhält mittlerweile Einzug in fast jeden Lebensbereich. Schon jetzt wird die Umwelt konstant sensorisch überwacht und vermessen, um Computern einfache Ar- beiten zu überlassen. Diese Automatisierung umfasst nicht nur Aufgaben, die früher von Men- schen erledigt wurden, sondern beinhaltet auch die Möglichkeit neue Daten zu erfassen, die ohne moderne Technik nicht messbar wären. Die unauffällig in Alltagsgegenstände integrierten Sensoren sind häufig in Netzwerken miteinander verbunden, um die Messwerte zur Auswer- tung weiter zu reichen. Zur Reaktion auf Messwerte werden Aktoren wie z. B. Motoren hinzu- gefügt.
Diese Technik soll den Menschen vor allem das Leben erleichtern, indem automatisierbare Überwachungsaufgaben eigenständig und präzise durchgeführt werden.
2 Gliederung
Diese Bachelorarbeit ist in acht Bereiche gegliedert. Nach einer kurzen Einführung in das Thema folgen alle einleitenden Aspekte.
Die nötigen Grundlagen werden im 4. Kapitel vermittelt.
In Kapitel 5 werden die darauf aufbauenden Technologien erklärt.
Danach wird eine nachvollziehbare Beschreibung des Konzepts und Designs beschrieben, woraufhin in Kapitel 7 die Umsetzung erfolgt. Dort sind auch alle Hardware, sowie Protokollentscheidungen erläutert.
Das Arbeitsergebnis ist anschaulich in Kapitel 8 dargestellt. Im Abschluss des Projekts folgt eine Zusammenfassung, mit einem Fazit und Ausblick.
3 Einleitung
Dieses Kapitel beschreibt die aktuelle Situation, die daraus entstehende Aufgabe und mögliche Lösungsansätze. Um ein einfaches Verstehen des Textes zu ermöglichen, werden Fachbegriffe mittels Fußnote kurz beschrieben. Eine ausführliche Beschreibung kann dem Glossar1 entnom- men werden.
3.1 Problembeschreibung / Situation
Die Fachhochschule Südwestfalen, Standort Meschede ist täglicher Anlaufpunkt für viele Stu- denten und Professoren. Dementsprechend stehen in der näheren Umgebung zahlreiche, ver- teilte und vor allem frei zugängliche Parkflächen zur Verfügung. Ein Parkplatz besteht aus mehreren Stellplätzen. Ein Lageplan ist dem Anhang in Kapitel 9.1 beigefügt. In Stoßzeiten wie dem Semesterbeginn oder zu Prüfungen sind viele Personen zur gleichen Zeit an der Fach- hochschule. Damit dauert es oft sehr lange, bis ein freier Platz gefunden wird. Insgesamt ist die momentane Parkplatzsituation der Fachhochschule Meschede katastrophal, da
- Keine Informationen über freie Parkplätze
- Keine Reservierung von Parkplätzen möglich
- Keine Datengrundlage zur Auswertung und Statistik, womit ein besseres Management möglich wäre
- Teilweise Zufahrten für Rettungsdienste blockiert oder in nicht gekennzeichneten Flä- chen geparkt wird
Diese Probleme sollen im Rahmen dieser Bachelorarbeit gelöst werden. Die daraus entstehende Aufgabe findet sich in Kapitel 3.2.
3.2 Beschreibung der Aufgabe / Zielsetzung
Es soll eine Möglichkeit zur Verbesserung der aktuellen Parkplatzsituation geschaffen werden. Ein System, das einen Überblick über freie Parkplätze verschafft, löst einige Probleme. Weiterhin ist eine Implementierung zum Reservieren von Stellplätzen vorgesehen.
Damit ein innovatives und zukunftsweisendes System sichergestellt ist, muss eine einfache Erweiterung ohne weiteren Aufwand möglich sein. Außerdem soll das System aufgrund ökonomischer Gesichtspunkte stromsparend gestaltet werden und mögliche Umweltszenarien wie Regen oder Schnee berücksichtigen.
3.3 Lösungsstrategie
Der Grundgedanke ist das schnelle und zuverlässige Bereitstellen von Parkplätzen für die Besucher der Fachhochschule Meschede, ohne das unnötig Wege gefahren und zusätzliche Zeit benötigt wird. Verschiedene Lösungsmöglichkeiten werden nachfolgend mit den jeweiligen Vor- und Nachteilen dargestellt und kurz beschrieben:
3.3.1 Parkscheinautomat
Jeder Parkplatz erhält einen Parkscheinautomaten, der Parkberechtigungen für verschiedene Zeiten bereitstellt. Die Bezahlung erfolgt vor Ort und unmittelbar. Dieses Verfahren ist mit der Parkraumbewirtschaftung in Städten vergleichbar.
Vorteile: Der Fachhochschule würde eine zusätzliche Einnahmequelle ermöglicht. Außerdem würde das Parken auf den zur Verfügung stehenden Flächen an Attraktivität verlieren, womit diese deutlich weniger belegt wären.
Nachteile: Der Standort Meschede würde massiv an Attraktivität verlieren, was einen deutlichen Rückgang der Studierendenzahlen nach sich zieht. Außerdem könnten nicht mehr alle Studenten die Fachhochschule besuchen. Des Weiteren würde es immer noch keine Übersicht über verfügbare Parkplätze geben.
3.3.2 Automatisiertes Netzwerk aus Sensoren / Aktoren
Jeder Stellplatz auf einem Parkplatz erhält einen Sensor, welcher den Zustand (frei oder besetzt) überwacht. Nachdem der Übergabe dieser Information durch ein Netzwerk an einen zentralen Server, werden die Daten verarbeitet. Auf verschiedene Arten ist danach eine Visualisierung möglich.
Vorteile: Diese innovative Technik gibt genügend Spielraum für weite Projekte in diesem Gebiet. Eine Automatisierung benötigt nicht nur weniger Wartung, sondern ermöglicht auch weitere Optimierungen sowie eine große Auswahl an der visuellen Darstellung.
Nachteile: Dieses Thema ist weitestgehend unbekannt und somit relativ teuer.
3.3.3 Schranke mit Pförtner
Der gesamte Parkbereich ist durch eine Schranke gesichert, welche ein Ordner bedient. Dieser weist Parkplätze zu und führt Buch darüber. Diese Informationen können dann durch ein entsprechendes System verarbeitet werden.
Vorteile: Diese Idee ist einfach zu implementieren und austauschbar.
Nachteile: Es ergeben sich dauerhafte und hohe Kosten ohne die Möglichkeit von Folgeprojekten. Außerdem ist dies keine technische Lösung, welche für eine Fachhochschule mit Ingenieurswissenschaften angemessen erscheint.
3.3.4 Feste Parkplatzzuweisung
Nach einer Umfrage, wer, in welchem Zeitraum einen Parkplatzbenötigt, könnte ein entsprechender Belegungsplan erstellt werden. Damit bekommt jeder einen festen Stellplatz für einen entsprechenden Tag und Zeit zugeteilt.
Vorteile: Es ergeben sich feste Stellplätze.
Nachteile: Nach einem großen Aufwand der Erstellung vor jedem Semester stellt diese Möglichkeit keine Flexibilität bereit. Bei Fehlern oder vorsätzlicher Missachtung der Pläne gäbe es massive Beeinträchtigungen auf dem Parkplatz.
In Abbildung 3-1 sind die verschiedenen Lösungen mit entsprechenden Kriterien gegenüberge- stellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 3-1: Nutzwertanalyse der Lösungsmöglichkeiten, Quelle: Eigene Darstellung
Die Bewertungskriterien „Innovativ“, „Erweiterbarkeit“, und „Vollständige Lösung des Problems“ sind doppelt gewichtet, da diese als besonders wichtig betrachtet werden. Ein automatisiertes Sensornetzwerk löst die Probleme vollständig und ist die innovativste Idee. Außerdem ist diese technische Lösung ohne Probleme erweiterbar und ermöglicht weitreichende Folgeprojekte. Die anderen Lösungsansätze erfüllen die geforderten Kriterien nicht umfassend, weshalb die Lösung des automatisierten Sensornetzwerks umgesetzt wird.
4 Grundlagen
In diesem Kapitel werden die grundsätzlich verwendeten Techniken und Protokolle erörtert, um darauf aufbauende Systeme nachvollziehen zu können.
4.1 Sensoren und Aktoren
Die Definition der beiden grundlegenden Begriffe erfolgt in diesem Unterpunkt.
Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, welches bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften und / oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfasst. Daraus formt dieser ein elektrisches Signal zur weiteren Verarbeitung. In diesem Projekt ermittelt ein Sensor, ob sich ein Fahrzeug auf einem Stellplatz befindet. Die Auswahl des Sensors ist in Kapitel 4.5 beschrieben.
Ein Aktor ist für die Umsetzung eines elektrischen Signals in mechanische Arbeit oder eine andere physikalische Größe zuständig. Damit bildet dieser das Gegenstück zum Sensor, indem z. B. ein Ventil geöffnet oder geschlossen wird, wenn dieser ein bestimmtes Signal empfängt. Aktoren sind in dieser Arbeit für das Weiterleiten der Informationen im Netzwerk und für das Ausgabesystem bzw. verschiedene Erweiterungen zuständig, welche in Kapitel 6.2 beschrieben sind.
4.2 Wireless-Sensornetzwerk
Messknoten, Gateways und Software sind die drei Hauptbestandteile eines jeden Wireless-Sen- sornetzwerks (WSN). Die Erfassung von Umgebungsdaten erfolgt durch räumlich verteilte Sensoren bzw. Messknoten. Ein zentrales Gateway sammelt die drahtlos übertragenen Daten. Die Verwendung von Routern dient der Erhöhung der Reichweite sowie der Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems. Es sind also spezielle Messknoten.
Messknoten dienen je nach Einsatzgebiet der Erfassung von verschiedenen Messdaten. Diese sind per Funk miteinander verbunden und tauschen Daten aus oder leiten Informationen von anderen Messknoten weiter.
Das Gateway ist der Netzwerkkoordinator, welcher die Authentifizierung und das Zwischenspeichern von Nachrichten übernimmt. Daten können auch gesammelt und schon ein wenig verarbeitet werden. Mehrere Gateways in einem WSN können über eigene, nicht überlappende Kanäle kommunizieren.
Die Software dient der Auswertung und Analyse der gesammelten Daten. Außerdem besteht die Möglichkeit Mess-, Steuer-, und Regelanwendungen hinzuzufügen.
Folgende Anwendungen für ein WSN sind denkbar oder schon implementiert:
- Messungen verschiedener Parameter zur Bekämpfung von Waldbränden
- Frühwarnsystem bei Tsunami / Erdbeben (Messung der seismischen Aktivität)
- Belastung und Statik von Brücken und Gebäuden
- Warnsysteme für Lawinen
In Abbildung 4-1 ist ein drahtloses Sensornetzwerk in einem Wald zu sehen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4-1: Sensornetzwerk im Wald1
4.3 Sensor-Aktor-Netzwerk
Ein Netzwerk, in dem Sensoren verschiedene Umweltinformationen ermitteln und Aktoren auf diese reagieren, ist ein Sensor-Aktor-Netzwerk. Die Aktoren können Daten aufbereiten und zu einer zentralen Sammelstelle weiterleiten. Wenn diese heterogenen Knoten zusammenarbeiten und ein Netzwerk bilden, wird dies im englischen als Wireless Sensor and Actor Network oder auch Wireless Sensor Actuator Network (WSAN) bezeichnet. Eine spezielle Eigenschaft eines solchen Netzes ist die Echtzeitfähigkeit, d. h. der Aktor muss auf Sensorwerte umgehend rea- gieren, auch wenn dieser weit entfernt steht. Deshalb ist die Koordination der Knoten entschei- dend. Die aktuelle Forschung befasst sich momentan mit der Anpassung bestehender Protokolle an die speziellen Bedürfnisse dieser Netzwerke, besonders im Bereich Routing. Anwendung finden solche echtzeitfähigen Netze von Sensoren und Aktoren in folgenden Bereichen:
- Messungen von Temperaturen mit der Steuerung von Wärme und Kühlung (Aktoren)
- Messung der Wetterbedingung an Straße zur Steuerung der Verkehrsführung
4.4 Industrie 4.0 und Internet der Dinge
Nach der Vernetzung von Sensoren und Aktoren ist es naheliegend auch weitere technische Geräte per Funk zu verknüpfen. Gerade der Begriff IoT (Internet of Things) beschreibt das Ersetzen der klassischen (Personal) Computer mit „intelligenten Gegenständen“ oder genauer „die Verknüpfung eindeutig identifizierbarer physischen Objekte (things) mit einer virtuellen Repräsentation in einer Internet-ähnlichen Struktur. Es besteht nicht mehr nur aus menschlichen Teilnehmern, sondern auch aus Dingen.“1Diese Sensoren sollen Daten aufnehmen und damit Prozesse vereinfachen, ohne dass die Geräte auffallen oder den Nutzer ablenken. Durch die Integration in Alltagsgegenstände muss die Anbindung an das Netzwerk / Internet kabellos er- folgen. Sogenannte Wearables, miniaturisierte Computer sind direkt in Kleidungsstücken ein- gearbeitet und versorgen die Anwender mit Informationen wie der Körpertemperatur, Herz- schlag oder gelaufene Schritte. Abbildung 4-2 zeigt Fitnessarmbänder, welche Informationen vom Smartphone anzeigen oder aber die täglich zurückgelegte Strecke aufzeichnen.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 4-2: Wearables3
Industrie 4.0 bezieht sich auf eine ähnliche Technik, allerdings mit dem Fokus auf Industrieanlagen. Dabei zu berücksichtigen sind höhere Anforderungen an Zuverlässigkeit und die Funktion unter schwierigen Bedingungen. Beispielsweise könnten Werkstücke mit den Maschinen kommunizieren, um damit die Art der Verarbeitung zu bestimmen.
4.5 Mögliche Sensoren zur Erfassung der Stellplatzbelegung
Elektronische Bauteile, die Licht mithilfe des fotoelektrischen Effekts in elektrische Signale wandeln oder einen elektrischen Widerstand erzeugen, sind Lichtsensoren. In diesem Fall bedeutet also ein leerer Parkplatz einen Lichteinfall, d. h. der Stellplatz ist belegt, wenn ein elektrisches Signal erzeugt wird.
Vorteile: Diese Art von Sensoren lassen sich energiesparend betreiben, weswegen damit auch ein Betrieb ohne konstante Energiequelle denkbar ist.
Nachteile: Eine zuverlässige Aussage über die Belegung ist bei wenig Licht (nachts) oder in Gebäuden nicht möglich.
Ultraschallsensoren hingegen arbeiten auf der Basis der Echolaufzeitmessung. Dazu senden diese einen hochfrequenten Ton (Schall) zwischen 16 kHz bis 1 MHz oberhalb des Hörbereichs aus. Das vom Material / Objekt reflektierte Echo wird im Anschluss reflektiert. Die Entfernung lässt sich mithilfe der Laufzeit und der Ausbreitungsgeschwindigkeit (= Schallgeschwindigkeit) berechnen. Die Schallgeschwindigkeit in Luft ist abhängig von der Umgebungstemperatur und beträgt bei 20 °C ca. 343,5 m/s. Durch einen Temperatursensor lässt sich diese Messungenau- igkeit ausgleichen. Dann beträgt die Abhängigkeit näherungsweise = (331,5 + 0,6).
Bei der Stellplatzüberwachung führt ein eine Belegung zu einem Echo-Signal, bei einem leeren Parkplatz ist keine Detektion eines Echos möglich.
Vorteile: Diese Technik funktioniert unabhängig von Licht und bietet zusätzlich die Entfernung zum Sensor.
Nachteile: Die ständige Laufzeitmessung erhöht den Energiebedarf, sodass batteriebetriebene Sensoren höhere Anforderungen stellen.
Tabelle 4-1: Vergleich Sensoren
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Für dieses Projekt stellen sich nach Auswertung der Tabelle 4-1 Ultraschallsensoren als besser geeignet heraus. Diese überzeugen durch hohe Zuverlässigkeit und geringe Preise in der Be- schaffung.
5 Technologien
Um die Daten zwischen den einzelnen Aktoren weiterzugeben, sind verschiedene Technologien notwendig. Diese unterschiedlichen Verfahren werden in diesem Kapitel aufgeführt und verglichen. Das Ziel ist, im Anschluss daraus das passende Verfahren abzuleiten.
5.1 Drahtlose Standards
Der IEEE 802.11 WLAN Standard bezeichnet ein lokales Funknetz. Die verschiedenen Normen im Bereich WLAN sind mit Kleinbuchstaben gekennzeichnet, wobei grundsätzlich zwischen dem 2,4 GHz und 5 GHz Band unterschieden wird. WLAN bietet neben der hohen Reichweite durch hohe Sendeleistung eine allgemein hohe Datenübertragungsrate. Dabei kommt das Modulationsverfahren OFDM2 zum Einsatz.
IEEE 802.15.1 Bluetooth ist ein drahtloser Standard für viele mobile Anwendungen. Ursprüng- lich als Alternative zu RS232 entwickelt, ist inzwischen die 7. Version, Bluetooth 4.0 (oder auch Low Energy), in Gebrauch. Im lizenzfreien ISM-Frequenzband bei 2,4 GHz unterstützt dieser Standard das Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS)-Verfahren. Bei niedrigem Energieaufwand ergeben sich relativ hohe Datenraten. Allerdings dürfen in einem Netzwerk maximal 255 Knoten enthalten sein, wovon maximal 8 zur gleichen Zeit senden.
Das Ziel des ab 2002 entwickelten Funkstandards IEEE 802.15.4 ZigBee war die einfache und kostengünstige Vernetzung von Haushaltsgeräten, Sensoren usw. auf Kurzstrecken bis 100 m. Dazu schlossen sich mehr als 230 Unternehmen zusammen, um ein gemeinschaftliches Proto- koll zu entwickeln. ZigBee stellt eine Erweiterung des IEEE 802.15.4 dar, indem es auf den beiden unteren Schichten PHY (Bitübertragungsschicht) und MAC (Sicherungsschicht) auf- baut. ZigBee ist leicht zu konfigurieren, bietet prioritätsgesteuerte Abläufe z. B. hinsichtlich Stromverbrauch oder Nachrichtenlatenz und unterstützt 65.536 Knoten je Netzwerk.
Im Gegensatz dazu bietet das technisch ähnliche Verfahren Z-Wave einen geringeren Energieverbrauch. Nachteilig ist die geringere Reichweite und Datenübertragungsrate sowie die kleine Netzwerkgröße, welche auf 232 Hosts beschränkt ist.
Eine übersichtliche Darstellung der beschriebenen drahtlosen Standards hinsichtlich Energieverbrauch, Datenübertragungsrate und Komplexität zeigt die Abbildung 5-1 auf der folgenden Seite. Damit kann der Leser die Verfahren besser einordnen, gleichzeitig ergeben sich daraus einige Vor- und Nachteile.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5-1: Übersicht drahtlose Standards, Quelle: Eigene Darstellung
Die Nutzwertanalyse in Abbildung 5-2 nimmt die unterschiedlichen Vor- und Nachteile der drahtlosen Standards auf und gibt eine Auswertung nach verschiedenen Kriterien, wobei jedes eine maximale Punktzahl von 10 (= besser) erreichen kann. Bei einer hohen Bewertung sind Reichweite, Bandbreite und die Anzahl der Teilnehmer also höher, der Energieverbrauch und die Komplexität allerdings niedriger.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5-2: Nutzwertanalyse der drahtlosen Standards, Quelle: Eigene Darstellung
WLAN bietet einen großen Leistungsumfang, welcher für dieses Projekt allerdings überdimen- sioniert ist. Dieser Overhead spiegelt sich in einem hohen Stromverbrauch wider. Somit entfällt diese Lösung.
Bluetooth erhält mit der neuesten Variante einen sehr guten Stromsparmodus bei hoher Reich- weite. Störend ist jedoch, dass das Senden nur von maximal acht Stationen zeitgleich unterstützt wird. Zusätzlich sind in einem Netzwerk nur 255 Endgeräte erlaubt, was bei späteren Erweite- rungen schnell zu Problemen führen kann. Somit muss eine Entscheidung zwischen ZigBee oder Z-Wave erfolgen.
Da auch Z-Wave lediglich 232 Hosts unterstützt, wird in diesem Projekt ZigBee verwendet. Dieses Protokoll bietet eine einfache Implementierung ohne viel Overhead und eine große Teilnehmeranzahl sowie eine selbsterzeugende Mesh-Topologie.
5.2 Netzwerktopologien
Topologien sind die physikalische oder logische Anordnung von Netzwerkknoten (Verkabe- lung / Datenfluss). Der folgende Abschnitt behandelt verschiedene Möglichkeiten der Vernet- zung. Jede Topologie ist mit einem Raspberry Pi und mehreren Arduinos als Schema darge- stellt.
Die Ring-Topologie beschreibt eine Verkabelung, in der an jedem Teilnehmer ein Kabel ankommt und ein Kabel abgeht, d. h. es entsteht eine geschlossene Kabelstrecke ohne aktive Netzwerkkomponenten. Falls die Übertragung an einer Stelle unterbrochen wird, fällt das ganze Netz aus. Die von einem Protokoll kontrollierte Zugriffssteuerung kann möglicherweise auf einen Bus-Betrieb umschalten.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5-3: Ring-Topologie, Quelle: Eigene Darstellung
Eine Bus-Topologie besteht aus mehreren, mit einer gemeinsamen Leitung hintereinander geschalteten Stationen. Jedes angeschlossene System erhält Zugriff auf das Medium und auf alle gesendeten Nachrichten. Ein Protokoll regelt den Zugriff.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5-4: Bus-Topologie, Quelle: Eigene Darstellung
Ein vermaschtes Netz bildet sich durch das Verbinden von jedem Endgerät mit einer oder mehreren Stationen (Abbildung 5-5). Dabei handelt es sich um ein dezentrales Netzwerk. In einem vollständig vermaschten Netzwerk (Abbildung 5-6) ist jeder Teilnehmer mit jedem anderen verbunden. Bei Ausfall eines Knotens oder einer Verbindung wird sofort eine Alternative genutzt. Das Netz ist selbstheilend.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5-5: Teil-Vermaschte-
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5-6: Voll-Vermaschte-Topologie, Quelle: Eigene Darstellung Topologie, Quelle: Eigene Dar- stellung
Ein im Gegensatz dazu zentrales Netz bildet sich durch Einsatz der Stern-Topologie. Dabei ist jedes Endgerät durch eine eigene Leitung mit dem zentralen Punkt verbunden, welche den gesamten Datenverkehr verteilt und steuert. Dadurch ergibt sich dort eine sehr hohe Datenlast. Durch das zentrale Element ergibt sich Single-Point-of-Failure, wobei bei Ausfall das gesamte Netz zum Erliegen kommt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abbildung 5-7: Stern-Topologie, Quelle: Eigene Darstellung
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1 Siehe Kapitel 9.3 auf Seite B
2 Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, dt. Orthogonales Frequenzmultiplexverfahren 10