Langaton tiedonsiirto sähkökoneen roottorilta sijaitsevalta anturoinnilta

LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO SÄHKÖTEKNIIKAN OSASTO Langaton tiedonsiirto sähkökoneen roottorilta sijaitsevalta anturoinnilta Raportti Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka Case Paperi- ja kartonkiteollisuus Ville Särkimäki 1. huhtikuuta 2006

1 SISÄLLYSLUETTELO SISÄLLYSLUETTELO... 1 KÄYTETYT SYMBOLIT JA LYHENTEET... 2 1 JOHDANTO... 4 2 LANGATTOMAAN ANTUROINTIIN JA TIEDONSIIRTOON KOHDISTUVAT VAATIMUKSET JA ONGELMAT... 7 2.1 Langaton tiedonsiirto teollisuusympäristössä...8 2.2 Langattomien antureiden tehonsyöttö... 11 3 LANGATTOMAN VERKON ARKKITEHTUURI JA PROTOKOLLA... 13 3.1 ZigBee-verkon toiminta ja arkkitehtuuri... 13 3.2 ZigBee-standardi ja protokolla... 14 3.3 Microchipin ZigBee-protokollapino... 17 3.3.1 Muut ZigBee yhteensopivat laitteistot ja ohjelmistot... 18 4 LANGATTOMAN ANTURIN RAKENNE... 20 5 LABORATORIOMITTAUKSET... 23 6 YHTEENVETO... 26 LÄHTEET... 27

2 KÄYTETYT SYMBOLIT JA LYHENTEET c f p r v Valonnopeus tyhjiössä Taajuus Moottorin napojen lukumäärä Säde Nopeus AES (Advanced Encryption Standard) Tiedon salaamiseen liittyvä tekniikka APL (Aplication Layer) ZigBee-protokolla kerros APS (Aplication Support Layer) ZigBee-protokolla kerros BPSK (Binary Phase Shift Keying) Modulointitekniikka CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) Tiedonsiirtokanavan monikäyttötekniikka DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Suorasekvenssi hajaspektritekniikka FFD (Full Function Device) Laite joka sisältää täyden toiminnallisuuden ISI (Inter Symbol Interference) Symbolien välinen keskinäisinterferenssi MAC (Medium Access Layer) Standardin IEEE 802.15.4 määrittelemä protokollakerros NWK (Network Layer) ZigBee-protokolla kerros OQPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) Modulointitekniikka PHY (Physical Layer) Standardin IEEE 802.15.4 määrittelemä protokollakerros

3 RFD ZDO ZigBee (Reduced Function Device) Laite joka sisältää suppeammat toiminnallisuudet kuin FFD (ZigBee Device Object) ZigBee-protokolla kerros Lyhyen kantaman radioprotokolla

4 1 JOHDANTO Tämä on Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka (Prognos) hankkeen Paperi- ja kartonkiteollisuus casen osatehtävän 1.9 langaton tiedonsiirto sähkökoneen roottorilta sijaitsevalta anturoinnilta staattorille raportti. Langattomien anturiverkkojen kehittäminen eri sovelluksiin on ollut muutaman viime vuoden aikana vilkasta. Tekniikoiden ja laitteiden kehittyminen on mahdollistanut muun muassa anturien edullisen toteuttamisen, pienen koon ja vähäisen tehonkulutuksen. Standardoidut langattomat tekniikat helpottavat suunnittelua, käyttöönottoa ja mahdollistavat eri valmistajien langattomien laitteiden toimimisen samassa verkossa. Erilaisten mittausten kerääminen ympäristöstä ja tulosten analysoinnin perusteella tapahtuva toimilaitteiden hallinta mahdollistaa niin sanotun älykkään ympäristön. Tätä käytetään esimerkiksi autoissa turvallisuuden parantamiseen mittaamalla autoon kohdistuvia kiihtyvyyksiä ja renkaiden pitoa ja ohjaamalla turva- ja ajohallintalaitteita välttämään vaaratilanteet tai suojaamalla matkustajia onnettomuuden sattuessa. Vastaavanlaisia älykkäitä ympäristöjä voidaan luoda anturiverkoilla yleisille paikoille, koteihin ja teollisuuteen muun muassa parantamaan ihmisten turvallisuutta, helpottamaan liikkumista, parantamaan tuottavuutta ja ohjaamaan, sekä valvomaan laitteiden kuntoa. Käyttökohteita on mainittujen lisäksi lukuisia. Eräs sovelluskohde langattomille anturiverkoille on niiden käyttäminen sähkökoneiden kunnonvalvonnassa. Nykyisellään sähkökoneiden kunnonvalvontaa suoritetaan, joko siirrettävillä mittalaitteilla tai useimmiten jälkiasennetuilla kiinteillä antureilla, mistä tiedonsiirto on toteutettu langallisesti. Jälkimmäisen vaihtoehdon tarjotessa reaaliaikaista tietoa suoraan kunnonvalvontaa suorittavalle henkilöstölle, on sen huonona puolena kuitenkin asennuskustannukset ja muut ongelmat mitä jälkikäteen asennettavat tiedonsiirtokaapelit aiheuttavat. Muita ongelmia ovat muun muassa kaapelien ja liittimien rikkoutumisesta aiheutuvat keskeytykset tiedonsiirrossa, kaapelien aiheuttama palokuorman lisääntyminen ja laitteiden vaikeampi siirrettävyys kiinteän tiedonsiirtokaapelin takia. Langattomat anturit sen sijaan mahdollistavat helpon jälkiasennuksen laitteeseen, koska tiedonsiirtoon käytettäviä johdotuksia ei tarvitse asentaa. Myös laitteiden liikuteltavuus paranee ja jopa täysin uudet konseptit ja ratkaisut sähkökoneiden kunnonvalvonnassa ovat mahdollisia. Esimerkkinä voidaan mainita langattoman tiedonsiirron sisältävien päätelaitteiden hyödyntäminen tiedonkeruussa, analysoinnissa ja kunnonvalvontatiedon välittämisessä kunnonvalvontaa suorittavalle henkilöstölle. Ongelmaksi voi langattomassa tiedonsiirrossa jossain tapauksissa muodostua muun muassa tiedonsiirron luotettavuus, antureiden tehonsyöttö ja mahdollisesti myös tiedonsiirron usein rajallisempi kapasiteetti verrattuna langalliseen tiedonsiirtoon. Langattomaan tiedonsiirtoon liittyviä ongelmia ja vaatimuksia tarkastellaan myöhemmin tässä raportissa. Sähkökoneiden kunnonvalvonnassa sähkökoneilta mitattavia suureita ovat esimerkiksi vääntömomentti-, kiihtyvyys-, kosteus-, lämpötila-, magneettivuo-, jännite- ja virtamittaukset. Näiden mittaustietojen perusteella pyritään havaitsemaan viat ennen kuin ne aiheuttavat sähkökoneen rikkoutumisen ja ennalta arvaamattoman käyttökatkoksen. Ennakoiva kunnonvalvonta pyrkii siihen että alkava vika havaitaan hyvissä ajoin ja sähkökoneen käyttöaika pystytään määrittämään mahdollisimman tarkasti, jotta vika voidaan korjata tai kone vaihtaa ennal-

5 ta suunnitellun huoltokatkoksen aikana. Prosessiteollisuudessa arvaamattomat käyttökatkokset voivat aiheuttaa suuria tappioita menetetyn tuotannon arvona. Erittäin tärkeää on myös minimoida ihmisiin kohdistuvat turvallisuusriskit, mitkä voivat aiheutua viallisista laitteista. Alkavat viat voivat myös aiheuttaa moottorin epänormaalia toimintaa, joka näkyy prosessiteollisuudessa esimerkiksi tuotteen laadun vaihteluna. Sähkökoneeseen kiinnitetyiltä antureilta saatavat arvot esimerkiksi lämpötilasta tai kiihtyvyydestä eivät suoraan kerro koneen tilasta, vaan tuloksia on analysoitava ja pyrittävä tekemään prognoosi koneen tilasta, mahdollisesta viasta ja arvioidusta jäljellä olevasta käyttöajasta ennen laitteen rikkoutumista. Markkinoilla on antureita, jotka antavat hälytyksen esimerkiksi lämpötilan ylittäessä tietyn arvon tai kiihtyvyyden RMS-arvon ylittäessä asetetun raja-arvon. Tässä raportissa ei tarkastella tarkemmin eri mittausten analysointia, mutta koska mittaustiedon jatkokäsittelyllä on vaikutusta siirrettävän tiedon määrään, tarkastellaan mahdollisuuksia suorittaa analyysia eri tiedonsiirtojärjestelmän tasoissa. Tällä tarkoitetaan esimerkiksi anturilla tapahtuvaa analysointia, anturiverkossa tapahtuvaa hajautettua tiedon analysointia tai keskitetyllä laskentakoneella (tietokone) tapahtuvaa mittaustiedon keruuta ja analysointia. Niin sanotut langattomat älykkäät anturit, mitä tässä raportissa käsitellään tarjoavat edellä mainittujen seikkojen ansiosta myös muita etuja. Langattomat tekniikat vaativat tiedon lähettämisen digitaalisessa formaatissa, jolloin analoginen mittaus informaatio on ensin digitoitava. Varsinaisen sensorin ja A/D-muuntimen välinen etäisyys on näin ollen mahdollista tehdä hyvin lyhyeksi ja ympäristön häiriöt eivät pääse vaikuttamaan niin voimakkaasti mittaustulokseen analogisen signaalin tiedonsiirtojohtimien ollessa lyhyet. Häiriöt vaikuttavat myös digitaaliseen tiedonsiirtoon, mutta virheiden havainnointi on helpompaa. Osa tiedonsiirrosta aiheutuvista virheistä on mahdollista korjata käyttämällä tähän tarkoitukseen soveltuvia algoritmeja ilman tiedon uudelleen lähettämistä. Eräs langattoman anturin mahdollistama asia on mittaukset koneen pyörivältä roottorilta ja mittaustietojen langaton tiedonsiirto eteenpäin. Tällainen anturointi mahdollistaa esimerkiksi vääntömomentin mittaamisen akselilta (Särkimäki, 2005). Vääntömomenttia tarkkailemalla voidaan havaita esimerkiksi roottorisauvarikko tai roottorin eksentrisyys. Vääntömomentti tosin voidaan määrittää myös staattorivirrasta, mutta tämä ei ole kovin tarkka metodi. Tämän raportin keskeinen osa on kuitenkin kunnonvalvontaan liittyvä tiedonsiirto ja erityisesti langaton tiedonsiirto anturiverkkoja hyödyntäen pyörivältä roottorilta staattorille. Vääntömomenttimittaus on valittu vain yhtenä esimerkkinä soveltuvasta mittauksesta. Langattomia akselille tulevia vääntömomentteja on kaupallisesti saatavana, nämä kuitenkin useimmiten perustuvat käyttötehon ja tiedonsiirron siirtämiseen induktiivisesti lähetin- vastaanottimelta anturille. Raportissa esitellyssä konseptissa anturi lyhyen kantaman radiolähettimineen on kiinteästi sijoitettu akselille ja pyörii sen mukana. Tällainen konsepti mahdollistaa vääntömomenttianturin asentamisen laitteeseen ilman suuria rakenteellisia muutoksia. Suurin asennustyö on venymäliuskojen liimaaminen akselille. Raportissa esitellään mikrokontrolleripohjainen anturi sähkökoneiden kunnonvalvontaan. Anturi mittaa sähkökoneen akselilta vääntömomenttia ja lähettää digitoidun mittaustuloksen staattorille sijaitsevalle yksikölle, mistä se edelleen voidaan siirtää haluttua tiedonsiirtotek-

6 niikkaa käyttäen eteenpäin. Langaton tiedonsiirto toteutetaan Zigbee-protokollaa käyttäen, joka on erityisesti suunniteltu lukumäärältään isojen, mutta tiedonsiirtotarpeiltaan pienten anturien ja anturiverkkojen tiedonsiirtoon. Anturin ja tiedonsiirron toimintaa tutkitaan laboratoriomittauksin. Raportissa pyritään luomaan kuva langattomien anturiverkkojen käytöstä sähkökoneiden kunnonvalvonnassa. Määriteltyjen vaatimusten perusteella tutkitaan demolaitteistoa käyttäen toteutuvatko annetut vaatimukset ja onko sovellus toimiva. Kuvassa 1.1 on esitetty hyvin yksinkertaistettuna teollisuuslaitoksen informaatiojärjestelmä, missä havainnollistetaan ZigBee anturiverkon käyttömahdollisuutta osana koko informaatiojärjestelmää. ZigBee verkko koostuu prosessin, teollisuuslaitoksen ja kunnonvalvonnan mittaantureista, mitkä on sijoitettu toimilaitteisiin kenttätasolla. Anturiverkon toimintaa hallinnoi ZigBee-koordinaattori, mikä voi olla yhteydessä kenttäväylään tai teollisuuslaitoksen Ethernet-väylään ja sitä kautta koko teollisuuslaitoksen informaatiojärjestelmään. ZigBee-verkko soveltuu siis täyttämään tiedonsiirtotarvetta erityisesti pieni kapasiteettisessa tiedonsiirrossa, mutta ei ole tarkoitettu korvaamaan koko tiedonsiirtojärjestelmää. Teollisuuslaitoksen informaatiojärjestelmä Hallinnointitaso Työasema Paikallisverkko Tietokanta serveri Gateway Prosessin hallintataso Valvomo Kenttäväylä Kenttätaso LAN (Ethernet) Anturi Kenttäväylä ZigBee Gateway ZigBee Verkko Koordinaattori Anturi Prosessi Anturi M Kuva 1.1. Teollisuuslaitoksen informaatiojärjestelmän hyvin yksinkertaistettu esimerkkipiirros, kuvasta käy ilmi ZigBee verkon käyttö prosessin ja kunnonvalvonnan anturoinnin tiedonsiirtotarpeisiin, sekä ZigBee verkon liittyminen muuhun tiedonsiirtoarkkitehtuuriin.

7 2 LANGATTOMAAN ANTUROINTIIN JA TIEDONSIIRTOON KOHDISTUVAT VAATIMUKSET JA ONGELMAT Sähkökoneiden kunnonvalvonnassa käytettävät anturit joutuvat toimiessaan kestämään hyvin erilaisia ympäristöolosuhteita. Antureiden on kestettävä muun muassa vaihtelevia lämpötiloja, tärinää, kosteutta, ympäristön epäpuhtauksia ja sähkö- sekä magneettikenttiä. Tämä asettaa tiukkoja vaatimuksia komponenttivalinnoille ja antureiden koteloinnille. Muita vaatimuksia ovat koko, kustannukset, anturiin sisällytettävät toiminnot, ohjelmoitavuus jälkeenpäin, asennettavuus toimilaitteeseen ja tehonkulutus. Useimmat näistä ongelmista ja vaatimuksista voidaan täyttää huolellisella laitteistosuunnittelulla. Vaihtoehtoisia tapoja ratkaista langattomissa antureissa tehonsyöttö, tarkastellaan myöhemmin tässä kappaleessa. Antureilta saatavan datan siirtoon tarvitaan tiedonsiirtoyhteys. Käytettäviä menetelmiä on useita. On mahdollista asentaa antureille erilliset tiedonsiirtojohtimet, käyttää olemassaolevaa Ethernettiä tai kenttäväylää ja jopa kerätä tietyin väliajoin antureiden tiedot kannettavalla päätelaitteella. Eräs keino on hyödyntää sähköverkkotiedonsiirtoa (Ahola, 2003). Ongelmia näissä vaihtoehdoissa on kuitenkin useita. Uuden kaapeloinnin rakentaminen teollisuusympäristöön on hyvin kallista, olosuhteista riippuen jopa mahdotonta. Olemassa olevan kenttäväylän käyttäminen voi olla mahdotonta kapasiteettipulan takia ja myös siksi ettei ohjaustarkoitukseen käytetyn kenttäväylän liikenteeseen haluta lisätä esimerkiksi kunnonvalvonnan anturien mittausdataa. Ethernet ja/tai kenttäväylät eivät myöskään välttämättä ulotu alueille missä on tarvetta anturien tiedonsiirrolle. Liikkuvasta kohteesta tiedon siirtäminen johtimia käyttäen on ongelmallista, kallista ja jopa mahdotonta. Vaikeissa ympäristöolosuhteissa kaapelien ja liittimien kuluminen, rikkoutuminen, sekä erityisesti liittimien likaantuminen on merkittävä ongelma. Sähköverkkotiedonsiirtoa koskevat osittain samat ongelmat ja erityisesti liikkuvilta antureilta tiedon siirtäminen voi osoittautua mahdottomaksi. Tiedon kerääminen antureilta kannettavalla päätelaitteella ratkaisee osan ongelmista, mutta vastaavasti tuo joukon uusia ongelmia. Tiedon kerääminen on hidasta, vaatii paljon työvoimaa ja reaaliaikaisen mittaustiedon saaminen on ongelma. Lisäksi vaikeassa tai vaarallisessa paikassa sijaitsevien antureiden lukeminen voi osoittautua mahdottomaksi. Langatonta tiedonsiirtoa käyttäen voidaan moni edellämainituista ongelmista ratkaista. Kalliita uuden kaapeloinnin asennuksia ei tarvitse tehdä, eikä myöskään ole huolta vioittuvista johtimista tai liittimistä. Tiedonsiirtoyhteys voidaan ulottaa kattamaan koko tarvittavan alueen käyttämällä soveltuvaa langatonta tekniikkaa, sopivaa verkkotopologiaa ja toistimia. Liikkuvissa tai pyörivissä laitteissa olevien antureiden lukeminen on mahdollista toteuttaa ilman monimutkaisia ratkaisuja (Brooks, 2001). Olemassa olevia langallisia tiedonsiirtoväyliä voidaan hyödyntää toteuttamalla vain tarvittava osa tiedonsiirtoyhteydestä langattomasti ja käyttämällä hyödyksi esimerkiksi teollisuuslaitoksen Ethernet verkkoa. Langaton tiedonsiirto ei ole kuitenkaan täysin ongelmaton ja ei välttämättä korvaa aina langallista tiedonsiirtoa. Tarkastellaan seuraavaksi tarkemmin langattomaan tiedonsiirtoon liittyviä asioita erityisesti teollisuusympäristössä.

8 2.1 Langaton tiedonsiirto teollisuusympäristössä Teollisuusympäristöä voidaan pitää vaativampana langattoman tiedonsiirron kannalta kuin esimerkiksi toimistoympäristöä. Tämä johtuu esimerkiksi suurista teräsrakenteista, liikkuvista laitteista ja häiriölähteistä. Syyt miksi nämä aiheuttavat langattomalle tiedonsiirrolle ongelmia selviävät tarkastelemalla ympäristön aiheuttamia linkkiyhteyden laatuun vaikuttavia asioita. Nämä voidaan jaotella esimerkiksi seuraavasti (Werb, 2005). Muuttumaton (staattinen) monitie-eteneminen Aikavariantti (dynaaminen) monitie-eteneminen Interferenssi Monitie-etenemisellä tarkoitetaan ympäristössä olevista esteistä johtuvaa radioaaltojen diffraktiota, sirontaa ja heijastumista, mikä aiheuttaa sen että radioaallot kulkevat useampaa kuin yhtä reittiä lähettimeltä vastaanottimelle. Eri pituisia reittejä kulkeneet radioaallot summautuvat lähetyspäässä ja riippuen vastaanotettujen aaltojen vaiheista, tapahtuu konstruktiivista tai desktruktiivista interferenssiä (Andersen, 1995). Monitie-eteneminen aiheuttaa myös symbolien välistä keskinäisinterferenssiä, ISI (Intersymbol interference). Tämä aiheutuu kun monitie-etenemisestä johtuen pidempää reittiä kulkenut symboli saapuu vastaanottimeen kun lyhyempää reittiä on saapunut jo järjestyksessä toinen symboli. Näin edellinen ja uusi symboli menevät päällekkäin vastaanotossa. Erityisen ongelmallista tämä on käytettäessä kapeakaistaista modulointia ja suuria datanopeuksia (Haykin, 2004). Kuvassa 2.1.1 on havainnollistettu monitie-etenemistä. Radioaallot heijastuvat aallonpituutta suuremmista johtavista pinnoista, siroavat aallonpituutta pienemmistä esteistä ja diffraktiota, eli aallon taipumista tapahtuu aallon kohdatessa esteen tai raon. Kuva 2.1.1. Radioaaltojen monitie-etenemistä havainnollistava kuva, kuvassa on esitetty aaltojen heijastuminen, sironta ja diffraktio.

9 Staattisen monitie-etenemisen tapauksessa ympäristö pysyy muuttumattomana. Tällöin lähettimen ja vastaanottimen paikkaa valittaessa saattaa löytyä kohtia missä signaalin voimakkuus on hyvin heikko monitie-etenemisen takia ja yhteys ei toimi. Jo pienikin muutos lähettimen tai vastaanottimen sijainnissa voi parantaa vastaanotetun signaalin voimakkuutta ja mahdollistaa yhteyden. Myös ympäristön muutokset voivat mahdollistaa yhteyden luomisen. Tästä on kyse dynaamisessa monitie-etenemisessä. Lähetin ja vastaanotin pysyvät paikoillaan ja yhteys toimii normaalisti, kunnes esimerkiksi ympäristössä liikkuvan ajoneuvon tai ihmisen siirtyminen toiseen kohtaan katkaisee yhteyden. Tällainen dynaaminen monitie-eteneminen voi siis hetkellisesti katkaista muuten hyvin toimineen linkkiyhteyden. Esimerkkinä voi olla esimerkiksi trukin siirtyminen lähelle vastaanottavaa tai lähettävää anturia (Werb, 2005). Interferenssilähteitä voi teollisuusympäristössä olla useita, esimerkkeinä induktiokuumentimet, muoviliitoslaitteet ja hitsauslaitteet. Tutkimusten perusteella näiden aiheuttamat häiriöt ovat kuitenkin verrattain matalilla taajuuksilla ja häiriöt ovat pieniä yli gigahertsin taajuuksilla (Rappaport, 1989). Todennäköisempää on toisten samalla taajuusalueella toimivien radiolähettimien häiriöt, jotka voivat katkaista yhteyden hetkellisesti tai jopa kokonaan. Tiedonsiirrossa voi ongelmia aiheuttaa myös Doppler-siirtymä, nopeasti liikkuvissa laitteissa. Jos lähettimen nopeus on suuri verrattuna vastaanottimeen, aiheutuu siitä kantoaaltotaajuuden muuttuminen. Teollisuusympäristössä harvoin on riittävän nopeasti liikkuvia laitteita, jotta siirtymä olisi merkittävä. Doppler-siirtymä voi kuitenkin muodostua ongelmaksi tiedonsiirrossa pyörivältä roottorilta paikallaan pysyvälle staattorille. Tätä havainnollistaa kuva 2.1.2, missä lähetin on sijoitettu pyörivälle akselille ja vastaanotin on liikkumattomana akselin läheisyydessä. Siirtymä on maksimissaan kahdessa kohdassa, joissa siirtymä on vastakkaissuuntainen toiseen nähden. Taajuus f 1 on korkeampi lähettimen lähestyessä vastaanotinta kuin taajuus f 2, missä lähetin etääntyy vastaanottimesta. Yhtälössä 2.1.1 on esitetty taajuus f vastaanotin, minkä vastaanotin havaitsee lähettimen ollessa liikkeessä ja lähettäessä taajuudella f lähetin. Yhtälössä c on valonnopeus ja v lähetin on lähettimen nopeus. Vastaanotin pysyy paikoillaan. f vastaanoti n vlähetin 1 + = f c lähetin (2.1.1) vlähetin 1 c

10 f1 f2 Kuva 2.1.2. Tiedonsiirtoa akselilta havainnollistava kuva. Anturi on kiinnitetty akselille ja lähettää tietoa paikoillaan olevalle vastaanottimelle. Anturin paikka muuttuu jatkuvasti akselin pyöriessä, jolloin myös vastaanotettu taajuus muuttuu Doppler-efektin mukaisesti. Dopplerin merkitys tiedonsiirrossa voidaan jättää huomioimatta, mikäli kanavan koherenssiaika T C on paljon suurempi kuin yhden symbolin lähettämiseen kuluva aika T S. Lähetysnopeus ZigBeessä 2,4 GHz:illä on 62500 symbolia sekunnissa, jolloin T S =0,016 ms. Koherenssiaika kanavalle saadaan yhtälöstä 2.1.2, missä f m on maksimi Doppler-siirtymä (Haykin, 2004). Kappaleessa viisi on tarkemmin käsitelty akselille kiinnitetyn anturin kehänopeuksia ja maksimi Doppler-siirtymää. Todettakoon että, anturin nopeus pysyy niin pienenä että Dopplerin merkitys voidaan jättää huomioimatta. T C 1 = (2.1.2) f m Ongelmaksi anturin pyöriessä akselilla voi kuitenkin muodostua monitie-eteneminen. Vaikka ympäristö pysyisi muuttumattomana, akselin pyöriessä myös lähettimen paikka muuttuu jatkuvasti. Tämän vaikutusta on vaikea arvioida, koska siihen vaikuttaa lähettimen ympäristö, mistä radioaallot heijastuvat. Lähetysteholla on merkittävä vaikutus saavutettavaan linkkietäisyyteen. Kasvattamalla lähetystehoa saadaan linkkietäisyyttä kasvatettua. Näin voidaan esimerkiksi kompensoida välissä olevan seinän vaimentava vaikutus. Lähetystehon kasvattaminen ei kuitenkaan aina ole mahdollista. Artikkelissa käsitellään lyhyen kantaman lupavapaita radiolähettimiä, joille on lähetysteholle määritetty ylärajat. Määräykset ovat maakohtaisia ja Suomessa niitä määrittää ja valvoo Viestintävirasto ( www.ficora.fi). Suurempi lähetysteho myös lisää lähettimen kokonaistehonkulutusta ja on ongelmallista paristokäyttöisissä laitteissa. Edellä mainitut tiedonsiirron etäisyyteen ja osittain laatuun, sekä luotettavuuteen vaikuttavat ongelmat voidaan ratkaista anturiverkkoja ja sopivaa protokollaa käyttäen. Langattomat tekniikat mahdollistavat sen että lähetettävä tieto voidaan reitittää useamman anturin kautta vastaanottajalle, jolloin kokonaistiedonsiirtoetäisyys voi olla hyvin pitkäkin. Tämä tosin aiheuttaa viivettä tiedonsiirrolle, mutta kunnonvalvonnassa mittaustieto ei ole aikakriittistä ja lyhyet

11 katkokset ja viiveet voidaan sallia. Viiveet muodostuvat ongelmaksi esimerkiksi nopeata ohjausta vaativissa säätösovelluksissa, joissa langattomien tekniikoiden epäsoveltuvuutta ohjaukseen on perusteltu juuri vaikeasti määritettävillä ja ennustettavilla viiveiden ja katkosten pituuksilla. Tiedonsiirron katkoksia voidaan estää tekemällä anturiverkosta silmumainen, eli sijoittamalla anturit riittävän lähelle toisiaan jolloin anturin kantaman sisällä on useita toisia antureita tai reitittimiä. Jos nyt tiedonsiirtoyhteys ensisijaista reittiä pitkin katkeaa, voidaan tieto siirtää vaihtoehtoista reittiä pitkin vastaanottajalle. Näitä erilaisia verkkotopologioita tarkastellaan tarkemmin seuraavassa Zigbee-tiedonsiirtoprotokollaa käsittelevässä kappaleessa. Radioyhteyden etäisyyteen, tiedonsiirtokanavan jakamiseen ja esimerkiksi Doppler-efektin sietoon voidaan vaikuttaa radiotekniikan valinnalla. Lyhyen kantaman radiotekniikoiden valmistajia on useita. Markkinoilla on standardoituja tekniikoita tukevia piirejä, mutta näiden lisäksi myös valmistajien omia yleiskäyttöisiä radiopiirejä. Piirit eroavat toisistaan monilla tavoin, muun muassa käytetyn taajuuskaistan, lähetystehon, käyttöjännitteen, integrointiasteen, taajuuskaistan monikäyttötekniikan ja modulointitekniikan perusteella. 2.2 Langattomien antureiden tehonsyöttö Tiedonsiirron ollessa langaton, ei ole tarkoituksenmukaista toteuttaa tehonsyöttöäkään asentamalla uusia kaapeleita tätä tarkoitusta varten. Mikäli antureista tehdään paristo- tai akkukäyttöisiä asettaa rajallinen energiavarasto antureiden toiminta-ajalle tietyn rajan. Antureista voidaan tehdä mahdollisimman vähän tehoa kuluttavia eri tekniikoita käyttäen, esimerkiksi asettamalla anturi lepotilaan aina kun mittauksia ei suoriteta. Käytössä olevasta tekniikasta riippuen lepotiloja voi olla useita erilaisia, esimerkiksi anturi voi ajoittain sammuttaa radioosan ja säästää näin tehoa, myös osa mikrokontrollerin toiminnoista voidaan hetkellisesti sammuttaa. Paristojen ja akkujen kapasiteettia rajoittavat tekijät ovat fyysinen koko ja hinta. Toiminta-aika voidaan paristoilla tai akuilla saada jopa useaan vuoteen, mutta rajallinen toiminta-aika väistämättä johtaa siihen että antureista ei saada täysin huoltovapaita, mikäli ainakin paristot on uusittava tietyin väliajoin. Onkin aina tapauskohtaisesti määritettävä onko mahdollista käyttää paristo- tai akkukäyttöisiä antureita, jotka vaativat säännöllistä huoltoa. Sähkökoneiden kunnonvalvonnassa anturit on sijoitettu sähkökoneisiin joille on olemassa jonkinlainen kiinteä tehonsyöttö. Esimerkiksi teollisuudessa sähkömoottoreille on asennettu syöttökaapelit, joita on mahdollista käyttää myös langattomien antureiden teholähteenä. Täydellinen anturin langattomuus kärsii, mutta uudesta kaapeloinnista voidaan tehdä verrattain lyhyt jolloin asennus on nopeampaa, edullisempaa ja saavutetaan se etu että teholähdettä ei tarvitse vaihtaa tietyin aikavälein. Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka projektin puitteissa on aikaisemmin suoritettu tutkimusta pienteholähteen suunnittelemisesta langattomalle anturille. Tutkimuksen puitteissa kehitettiin teholähde, mikä ottaa induktiivisesti tarvitsemansa tehon moottorin syöttökaapeleista. Tutkimustulosten perusteella teholähde soveltuisi pienitehokulutuksellisen anturin teholähteeksi (Ahonen, 2004).

12 Mikäli anturi on kiinnitettynä pyörivään laitteeseen tai esimerkiksi sähkökoneen akselille, on kiinteä kaapelointi mahdoton tai hyvin vaikea toteuttaa. Vaihtoehtoina on paristo- tai akkukäyttöisyyden lisäksi esimerkiksi liukurenkaiden käyttö tai riittävän tehon siirtäminen induktiivisesti anturille. ZigBee-verkossa verkon koordinaattori tulisi kuitenkin sijoittaa sellaiseen paikkaan että sille on mahdollista tuoda kiinteä tehonsyöttö. Tämä siksi että ZigBee-verkossa koordinaattorin on pidettävä radio-vastaanotin jatkuvasti päällä, mikä lisää tehonkulutusta. Langattomien antureiden tehonsyöttö mahdollisuuksia tutkitaan jatkossa Teollisuuden käynnissäpidon prognostiikka hankkeen yhteydessä. Hankkeessa toteutettujen prototyyppien avulla. Tässä raportissa antureiden tehonsyöttö toteutettiin paristoilla.

13 3 LANGATTOMAN VERKON ARKKITEHTUURI JA PROTOKOLLA Kappaleessa tarkastellaan ZigBee-protokollaa. ZigBee on avoin protokolla, jota kehittää yhteistyössä useista yhtiöistä koostuva ZigBee Alliance. Tarkoituksena on protokolla erityisesti erilaisiin anturiverkkoihin ja ohjaussovelluksiin. ZigBee on optimoitu edullisiin pienitehoisiin järjestelmiin. Käyttökohteita ovat langattomat järjestelmät kodeissa, toimistoissa ja teollisuudessa. Protokolla mahdollistaa erilaiset verkkotopologiat, useita antureita yhdessä verkossa, sekä riittävän nopean tiedonsiirron käytettäväksi kunnonvalvontaan liittyvässä tiedonsiirrossa. Tarkastellaan aluksi ZigBee-verkon toimintaa yleisesti ja käydään sen jälkeen läpi protokollan tarkempi rakenne ja toteutus. 3.1 ZigBee-verkon toiminta ja arkkitehtuuri ZigBee-protokollassa keskenään tietoa lähettävät laitteet on jaettu kolmeen ryhmään. Koordinaattori vastaa verkon muodostamisesta ja liikenteestä. Jokaisessa ZigBee-verkossa on oltava yksi koordinaattori. Loput laitteet on jaettu protokollaan liittyvien toimintojensa perusteella FFD- (Full Function Device) ja RFD-laitteisiin (Reduced Function Device). Koordinaattori on myös FFD-laite. FFD-laitteet sisältävät enemmän toimintoja kuin RFD-laitteet, jotka sisältävät vain tarvittavan määrän protokollan toimintoja. Näin RFD-laitteet saadaan toimimaan mahdollisimman pienellä muistimäärällä ja yksinkertaisella mikrokontrollerilla. Tehonkulutus RFD-laitteissa saadaan pieneksi sammuttamalla osa toiminnoista hetkellisesti. Laite voi sammuttaa esimerkiksi radiopiirin ja siirtyä virransäästötilaan heräten tietyn ajan kuluttua suorittamaan määrättyjä toimintoja. Rajoitetun toiminnallisuutensa takia RFD-laitteet voivat toimia vain verkon päätepisteinä. FFD-laitteet taas sisältävät koko protokollan toiminnallisuuden ja voivat toimia verkon solmupisteinä eli reitittiminä ja verkon koordinaattorina (ZigBee, 2004). ZigBee-protokolla mahdollistaa erilaisia verkkotopologioita. Yksinkertaisimpana on tähtiverkko, missä kaikki päätelaitteet ovat kytkeytyneet yhteen koordinaattoriin. Liikenne kulkee päätelaitteelta toiselle aina koordinaattorin välityksellä ja päätelaitteet eivät suoraan liikennöi keskenään. Kehittyneempi ja vähemmän katkoksille altis verkkotopologia on mesh-verkko. Siinä laitteet voivat muodostaa suoran yhteyden toiseen laitteeseen, niin että liikenne ei kulje koordinaattorin kautta. Tämä mahdollistaa sen että yhteyden katketessa kahden laitteen väliltä, voidaan tieto reitittää vaihtoehtoista reittiä perille. Näiden kahden verkkotopologian yhdistelmä on klusterimainen puuverkko. Topologiat on havainnollistettu kuvassa 3.2, mistä käy myös ilmi FFD- ja RFD-laitteiden roolit verkossa. Kahden ZigBee-laitteen välinen linkkietäisyys on lyhyt, kymmenistä metreistä korkeintaan sataan metriin. Käytetty tekniikka mahdollistaa pidemmät, useiden satojenkin metrien yhteydet, tämä kuitenkin vaatii usein erillisen vahvistimen ja maksimi lähetystehon käyttöä. Saavutettava linkkietäisyys riippuu voimakkaasti myös ympäristöstä. Useista laitteista ja reitittimistä koostuvat verkot mahdollistavat kuitenkin useiden satojen metrien väliset tiedonsiirtoetäisyydet reitittämällä tietoa verkon läpi vastaanottajalle (ZigBee, 2004).

14 Tähtiverkko Mesh-verkko Puuverkko Koordinaattori (FFD) Reititin (FFD) Päätelaite (RFD) Kuva 3.2 ZigBee-protokollan mahdollistamat verkkotopologiat ja FFD-, sekä RFD- laitteiden roolit verkon toiminnassa. Osoittamista ja viestien reitittämistä varten ZigBee-protokolla tarjoaa eri vaihtoehtoja. Kullakin ZigBee-laitteella on 64-bittinen osoite ja verkossa voidaan käyttää myös lyhennettyjä 16- bittisiä osoitteita minkä laite saa koordinaattorilta liittyessään verkkoon. Tämä mahdollistaa useiden tuhansien laitteiden kokoiset verkot, yli 60000 laitetta yhtä koordinaattoria kohden. Käytännössä määrää rajoittaa koordinaattorina toimivan laitteen muistikapasiteetti. Kullakin laitteella voi olla myös maksimissaan 240 kappaletta päätepisteitä (endpoint). Päätepisteenä voi olla esimerkiksi lamppu mikä on kytketty ZigBee-laitteeseen, tai valokatkaisin toisessa ZigBee-laitteessa. Anturissa voi jokaiselle anturin sisältämälle mittaukselle (lämpötila, vääntömomentti, virta) olla määritettynä oma päätepiste. Päätepistettä voidaan näin käyttää osoittamiseen kun halutaan kontrolloida tai ohjata tiettyä päätepistettä, eli toimintoa (ZigBee, 2004). Edellä mainittujen päätepisteiden lisäksi on kaksi ylimääräistä päätepistettä varattu verkon hallintaa ja viestien lähettämiseen useille vastaanottajille samanaikaisesti. Laitteiden tai tarkemmin päätepisteiden yhdistämistä varten ZigBee-protokollassa on mahdollista sitoa (bind) kaksi tai useampi päätepiste toisiinsa. Esimerkkinä ZigBee-laite jossa on päätepisteenä valokatkaisin voidaan sitoa yhteen tai useampaan päätepisteeseen mihin on kytkettynä valaisin. Näin saadaan luotua looginen yhteys kahden tai useamman päätepisteen välille. Esimerkissä tämä tarkoittaisi sitä että yhdellä kytkimellä voidaan ohjata useampaa valaisinta. Päätepisteiden välisistä yhteyksistä eli sidonnoista säilytetään koordinaattorin muistissa taulukkoa, jonka perusteella verkko osaa reitittää tietyltä laitteelta tietystä päätepisteestä tulevan viestin oikealle vastaanottajalle ja sillä olevalle päätepisteelle. Tätä koordinaattorin muistissa olevaa taulukkoa muokkaamalla voidaan muuttaa laitteiden välisiä yhteyksiä ja määrittää esimerkiksi mitä valaisimia kukin yksittäinen kytkin ohjaa (ZigBee, 2004). 3.2 ZigBee-standardi ja protokolla ZigBee pohjautuu standardiin IEEE 802.15.4, joka määrittelee kaksi alinta protokollatasoa, eli fyysisen- ja MAC-kerroksen, nämä ovat toteutettu laitteistolla radiopiirissä. Ylemmät proto-

tietoturvallisuus 15 kollakerrokset ovat ZigBee-standardin mukaisia ja toteutettu ohjelmistolla mikrokontrollerilla. Kuvassa 3.2.1 on esitetty ZigBee-protokollapino (ZigBee, 2004). Tarkastellaan ZigBeeprotokollan rakennetta aloittamalla ylimmästä tasosta. käyttäjäkohtainen sovellus APL APS ZDO Zigbee verkkokerros (NWK) MAC-kerros (MAC) fyysinenkerros (PHY) 869 MHz (915 MHz) 2,4 GHz 802.15.4 Kuva 3.2.1 ZigBee-protokollapino ZigBeen APL-kerros (Application Layer) koostuu kerroksista APS (Application Support Layer), ZDO (ZigBee Device Object) ja käyttäjäkohtaisesta sovelluksesta. APS-kerros tarjoaa palvelut laitteiden tarjoamien palveluiden etsimiseen ja laitteiden yhteenliittämistä varten. ZDO-kerros määrittää ZigBee-laitteiden roolin verkossa, eli toimiiko laite koordinaattorina, reitittimenä vai päätelaitteena. Lisäksi kerroksen tehtäviin kuuluu laitteiden yhteenliittämiseen (binding) kuuluvista toiminnoista kyselyn lähettäminen ja siihen vastaaminen, sekä verkossa olevien laitteiden tarjoamien palveluiden etsiminen. Käyttäjäkohtainen sovellus sisältää ohjelman laitteen toimintaa varten. Käyttäjäkohtaiseen ohjelmistoon sisältyy myös tarvittavat ajurit toimilaitteita ja muita yhteyksiä varten (ZigBee, 2004). Verkkokerroksen eli NWK:n (Network Layer) tehtäviin kuuluu uuden ZigBee-verkon perustaminen, sekä verkkoon liittyminen ja siitä poistuminen. Tähän liittyen verkon koordinaattori huolehtii lisäksi lyhytosoitteiden (16-bit) jakamisesta verkkoon liittyville muille laitteille. Lisäksi kerros huolehtii siirrettävän tiedon salaamisesta ja sen reitittämisestä oikeaan kohteeseensa. Muita toimintoja ovat ZigBee-pinon konfigurointi toimimaan kulloinkin asetettujen määritysten perusteella ja laitteiden synkronoiminen verkkoon (ZigBee, 2004). MAC-kerroksen (Medium Access Layer) tehtäviin kuuluu merkkisignaalin lähettäminen ja siihen synkronoituminen, CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision

16 Avoidance) ja tiedonsiirtokanavan hallinta. CSMA-CA on kanavan monikäyttötekniikka, missä lähettävät laitteet ilmoittavat tiedonsiirtokanavan varauksesta, ennen lähetystä. Näin voidaan välttää kahden laitteen yhtäaikainen lähettäminen ja siirrettävän tiedon yhteentörmäykset. Kerroksen tehtäviin kuuluu myös siirrettävän tiedon salaaminen mikä perustuu 128- bittiseen AES-algoritmiin. Käytännössä tiedon salaus tapahtuu MAC-kerroksessa, mutta sitä ohjaavat ylemmät kerrokset (IEEE, 2003). Fyysinen kerros (Physical Layer) määrittelee varsinaisen tiedonsiirrossa käytettävän median. Kerroksen tehtäviin kuuluu mm. radion aktivoiminen/deaktivoiminen, kanavan valinta, kanavan tehon ilmaisu, pakettien virheen valvonta, kanavan vapaana olon määrittäminen, eli onko kanavalla muuta liikennettä vai onko lähettäminen mahdollista ja datan lähettäminen, sekä vastaanottaminen. Standardi IEEE 802.15.4 määrittelee käytettäviksi taajuusalueiksi 869/915 MHz ja 2,4 GHz. Suomessa on luvallista käyttää 869 MHz ja 2,4 GHz taajuusaluetta ja 915 MHz on käytettävissä esimerkiksi Yhdysvalloissa. Kukin taajuusalue on jaettu kanaviin. Taajuusalueesta riippuen käytettävät kanavat ja tiedonsiirtonopeudet ovat 1 kpl/20 kb/s (869 MHz) 10 kpl/40 kb/s (915 MHz) ja 16 kpl/250 kb/s (2,4 GHz). Modulaationa käytetään BPSK:ta taajuuksilla 869/915 MHz ja OQPSK:ta taajuudella 2,4 GHz. Lähetettävä signaali hajautetaan käyttämällä suorasekvenssi hajaspektritekniikkaa (DSSS, Direct Sequence Spread Spectrum) (IEEE, 2003). Tarkastellaan vielä tarkemmin suorasekvenssi hajaspektriikka ja signaalin modulointia taajuudella 2,4 Gigahertsiä. DSSS:ssä lähetyspuolella lähetettävät signaalit jaetaan neljän bitin ryhmiin, eli symboleihin. Symboleita saadaan näin 16 erilaista. Symbolit muunnetaan 32- bittisiksi alibiteiksi (chip) taulukon avulla, missä jokaista 16:sta symbolia vastaa tietty 32- bittinen bittijono. Nämä bittijonot on valittu matemaattisten ominaisuuksien perusteella. Näin on saatu 4-bittinen viesti muutettua 32-bittiseksi ja signaalin muutosnopeutta kasvatettua, jolloin signaali leviää laajemmalle taajuuskaistalle. Signaalia suodatetaan ja se tuodaan modulaattorille. OQPSK-modulointi on lisäys tavalliseen QPSK-modulointiin, missä Q-kanavaa on viivästetty puolen jakson verran verrattuna I-kanavan signaaliin. Kanavan Q- cosinikomponenteista ja kanavan I-sinikomponenteista, muodostetaan yksi signaali, joka vahvistetaan ja lähetetään. Yhtä lähetettyä merkkiä kohden voidaan siirtää 2-bittiä dataa. OQPSK-modulointia käytetään taajuudella 2,4 GHz ja BPSK-modulointia taajuuksilla 868/915 MHz. Vastaanottimessa prosessi on käänteinen. Kun signaali on demoduloitu, lähetin pyrkii vertaamaan vastaanotettua 32-bittistä bittijonoa yhteen 16:sta mahdollisesta bittijonosta. Parhaiten vastaava vaihtoehto valitaan ja näin saadaan 4-bittinen signaali purettua (IEEE, 2003). Kuvassa 3.2.2 on esimerkki nollan lähettämisestä käyttäen DSSS:ia ja OQPSKmodulointia. Lähetettävä nolla, muutetaan 4-bittisiksi symboleiksi ja symbolit muutetaan 32- bittisiksi alibiteiksi, jotka moduloidaan käyttäen OQPSK-modulointia.

17 Lähetettävä data Biteistä Symboliksi Symbolista alibiteiksi OQPSK-modulointi Moduloitu data 0 0000b 11011001110000110101001000101110 I-vaihe Q-vaihe Kuva 3.2.2. Esimerkki nollan lähettämisestä käyttäen DSSS:ia ja OQPSK-modulointia. Nyt esimerkiksi kappaleessa 2 mainittu 62500 symbolin sekuntinopeus taajuudella 2,4 GHz voidaan määrittää seuraavasti. Lähetin lähettää alibittejä 2,4 GHz:in taajuudella 2 miljoonaa alibittiä sekunnissa. Yksi symboli on 32 alibittiä, jolloin jakamalla alibittien lähetysnopeus yhtä symbolia vastaavalla alibittien määrällä, saadaan symbolinopeudeksi 62500 symbolia sekunnissa. Edelleen yksi symboli vastasi neljää bittiä, jolloin tiedonsiirtonopeudeksi saadaan 250 kb/s. Todellinen hyötydatan siirtonopeus on kuitenkin tätä pienempi johtuen datapakettien mukana siirtyvän ylimääräisen tiedon johdosta. Ylimääräinen tieto on esimerkiksi salaukseen, reititykseen ja virheenkorjaukseen liittyvän data. Monimutkaisemmassa verkossa lisää viivettä ja siitä johtuvaa tiedonsiirron nopeuden tippumista aiheuttavat tiedon reitittäminen usean solmupisteen kautta. 3.3 Microchipin ZigBee-protokollapino Tarjolla on eri valmistajien tarjoamia ZigBee-protokollapinoja eri alustoille. Soveltuvaksi tutkimuskäyttöön ja valmiisiin tuotteisiin käy esimerkiksi Microchipin tarjoama ZigBeeprotokolla, joka on vapaasti käytettävissä Microchipin valmistamissa mikrokontrollereissa. Protokolla on tarkoitettu Microchipin PIC18-sarjan mikrokontrollereille. Protokollasta on ilmestynyt versio 3.3, joka perustuu ZigBee-standardin versioon 1. Pino ei sisällä vielä kaikkia toimintoja. Esimerkiksi kaikki tiedonsiirron turvaamiseen liittyvät asiat eivät ole tuettuja. Microchip:in ZigBee-protokollapino tukee nykyisellä versiossaan Chipconin CC2400- radiopiiriä ja UBEC UZ2400 2,4 GHz:in radiopiiriä, mutta jatkossa voidaan odottaa tukea myös muiden valmistajien radiopiireille (Microchip, 2005). Ohjelmamuistin kulutus Microchipin ZigBee-protokollan versiossa 3.3 on koordinaattorille noin 33 kb, reitittimelle 29 kb ja päätelaitteelle 15 kb. Datamuistin tarve riippuu paljolti sovelluksesta ja siihen voidaan vaikuttaa muun muassa vastaanotto- ja lähetyspuskureiden kokoa muuttamalla. Koordinaattorin datamuistin tarpeeseen vaikuttaa paljolti verkon koko. Langatonta anturia varten toteutettiin sekä koordinaattorille (vastaanotin), että vääntömomentti-anturille Microchipin ZigBee-protokollapinoa käyttäen tarvittavat ohjelmistot. Mittauksia varten verkon arkkitehtuuriksi valittiin yksinkertainen tähtiverkko, missä anturit liittyvät langattomasti suoraan koordinaattoriin. Yksittäisen anturin mittauksen lukeminen onnistuu antamalla pc:n välityksellä komento ja anturin osoite koordinaattorille. Monimutkaisempaa

18 verkkotopologiaa kokeiltiin lisäämällä verkkoon ZigBee-reitittimenä toimiva laite. Suurempaa kuin neljän laitteen ZigBee-verkkoa ei testattu. Microchipin protokollapino on toimiva ratkaisu yhdeksi ZigBee-protokollapinoksi. Se on osittain keskeneräinen, mutta mahdollistaa useimmat ZigBeen toiminnot. Microchipin ZigBeepinon yhteensopivuutta muiden valmistajien ratkaisujen kanssa ei varmistettu. Valmistajia ja laitteita on vielä suhteellisen vähän markkinoilla ja yhteensopivuuksista ei löydy tutkimustuloksia. 3.3.1 Muut ZigBee yhteensopivat laitteistot ja ohjelmistot Langattoman vääntömomenttianturin prototyypissä käytettiin Chipconin CC2420 radiopiiriä ja Microchipin ZigBee-pinoa. ZigBee-yhteensopivia radiopiirejä ja ZigBee-protokollia kehittää myös joukko muita yrityksiä. Tässä luodaan lyhyt yhteenveto tällä hetkellä saatavista olevista laitteistoista ja ohjelmistoista. IEEE 802.15.4 yhteensopivia radiopiirejä on vuoden 2005 aikana tullut markkinoille useita. Taulukossa 3.3.1 on lyhyt yhteenveto tällä hetkellä markkinoilla olevista piireistä. Taulukossa esitetetyistä piireistä löytyy lisätietoa yritysten kotisivuilta: Chipcon, http://www.chipcon.com/ Freescale, http://www.freescale.com/ Ember, http://www.ember.com/ UBEC, http://www.ubec.com.tw/ ZMD, http://www.zmd.de/ Atmel, http://www.atmel.com

19 Piiri Chipcon CC2420 Chipcon CC2430 Freescale MC1319x Ember EM2420 Ember EM250 UBEC Uz2400 ZMD ZMD44101 Atmel AT86RF210 Taajuusalue Taulukko 3.3.1. Yhteenveto ZigBee-yhteensopivista radiopiireistä. Lähetysteho Vastaanottimen herkkyys 1%:n pakettivirhesuhteella AES salaus Muuta Fyysinen koko 2,4 GHz 1 mw -94 dbm Tuettu 7 x 7 mm 2,4 GHz 1 mw -94 dbm Tuettu Sisältää 8051 7 x 7 mm MCU mikrokontrollerin 2,4 GHz 1 mw -92 dbm Ohjelmistolla 5 x 5 mm 2,4 GHz 1 mw -92 dbm Tuettu 7 x 7 mm 2,4 GHz 1 mw -94 dbm Tuettu Sisältää 16-7 x 7 mm bittisen XAP2b mikrokontrollerin 2,4 GHz 1 mw -95 dbm Tuettu 6 x 6 mm < 1 GHz 1 mw -100 dbm Ohjelmistolla 7 x 7 mm < 1 GHz 4 mw -95 dbm Ohjelmistolla 7 x 7 mm Edellä esitellyt piirit ovat IEEE 802.15.4 standardin mukaisia ja toteuttavat fyysisen- ja MACkerroksen ZigBee-protokollasta. Useat yritykset ovat tuoneet markkinoille omia ZigBeepinojaan, jotka toteuttavat loput tarvittavista toiminnoista erillisellä mikrokontrollerilla. Osassa radiopiireistä on valmiiksi integroituna mikrokontrolleri. Tähän on koottu lyhyt yhteenveto tällä hetkellä saatavilla olevista ZigBee-pinoista: Microchip ZigBee Stack, http://www.microchip.com Yhteensopiva Microchipin PIC18-sarjan mikrokontrollerien kanssa. Tuki Chipconin CC2420 ja UBEC UZ2400 radiopiireille. Ilmainen, mutta nykyisessä versiossaan ei täytä vielä kaikkia ZigBee-spesifikaatio 1.0:n määrityksiä. Figure 8 wireless Z-Stack, http://www.figure8wireless.com Yhteensopiva muun muassa Atmel AVR mikrokontrollerien ja Chipconin, sekä Freescalen radiopiirien kanssa. EmberZNet, http://www.ember.com Yhteensopiva EM2420-radiopiirin ja Atmel AVR, sekä TI MSP430 mikrokontrollerien kanssa. Airbee-ZNS, http://www.airbeewireless.com/ Yhteensopiva Texas Instruments, Atmel AVR ja Freescalen mikrokontrollerien, sekä Freescalen, ZMD:n ja Chipconin radiopiirien kanssa. Edellä mainittujen tuotteiden lisäksi on saatavilla valmiita ZigBee-moduleita, jotka sisältävät radiopiirin lisäksi tarvittavat oheiskomponentit, antennin ja mikrokontrollerin tai jotain näiden kombinaatioista. Myös erilaisia yritysten omia ratkaisuja langattomalle protokollalle on useita, jotka pohjautuvat standardiin IEEE 802.15.4, mutta eivät ole ZigBee-yhteensopivia.

20 4 LANGATTOMAN ANTURIN RAKENNE Tässä kappaleessa tarkastellaan toteutettavaa demolaitteistoa, millä mitataan sähkökoneen akselilta vääntömomenttia ja lähetetään mittaustulos langattomasti eteenpäin staattorilla sijaitsevalle vastaanottimelle. Kappaleessa käydään lyhyesti läpi anturin rakenne ja toteutus. Anturin lohkokaavio on esitetty kuvassa 4.1. Anturin toimintaa ohjaa 8-bittinen mikrokontrolleri, mikä on pieni tehonkulutukseltaan, mutta täysin riittävä ZigBee-protokollan suorittamiseen, sekä mittausten ottamiseen. Mikrokontrolleri on yhteydessä radiolähetinvastaanottimeen, mikä huolehtii tiedonsiirrosta. Mittauksia varten anturissa on instrumentointivahvistin ja A/D-muunnin. Anturin tulot 8-bittinen mikrokontrolleri Radiolähetinvastaanotin Vahvistin A/D-muunnin Teholähde Kuva 4.1 Anturin rakenne. Anturi koostuu teholähteestä, radiolähetin-vastaanottimesta, mikä on yhteydessä mikrokontrolleriin. Varsinaiselta mittauselimeltä tuleva signaali vahvistetaan ja A/D-muunnetaan, ennen sen käsittelyä ja siirtämistä radioteitse eteenpäin. Anturiin valittiin käytettäväksi Chipconin ZigBee-yhteensopiva CC2420 radiolähetinvastaanotin. CC2420 on IEEE 802.15.4 yhteensopiva lähetin-vastaanotin, joka toimii taajuusalueella 2,4 gigahertsiä. Radio-osaa ei suunniteltu erikseen anturiin sopivaksi vaan käytettiin valmista erillistä RF-moduulia mikä sisältää CC2420 piirin, tarvittavat oheiskomponentit ja mikroliuska-antennin. Käytetty moduuli on Microchipin valmistama ja pohjautuu suoraan Chipconin omaan CC2420-piirin referenssisuunnitelmaan. Valmiin moduulin käyttäminen yksinkertaisti ja nopeutti prototyypin suunnittelua ja erityisesti takasi sen että laitteen suorituskyvyn kannalta oleellinen osa on toiminnaltaan varmistettu jo valmistajan mittauksin. RF-moduulille toteutettu mikroliuska-antenni on tyypiltään niin sanottu inverted-f antenni (IFA). Antennin toinen pää on oikosuljettu maatasoon ja antennia syötetään keskeltä. Kuvassa 4.1.1 on esitetty Chipcon:in referenssipiirin säteilykuviot. Kuvasta voidaan todeta antennin olevan lähes ympärisäteilevä, joten lähettimen tai vastaanottimen suuntaamiseen ei tarvitse kiinnittää suurta huomiota.

21 Kuva 4.1.1 RF-moduulin IFA-antennin suuntakuvio. Antenni on lähes ympärisäteilevä (Chipcon). Laitteisto koteloitiin mittauksia varten muovikoteloon, koska radiomoduuli sijoitettiin kotelon sisälle ja ulkoista antennia ei käytetty. Metallinen kotelo olisi aiheuttanut liikaa vaimennusta ja mahdollisesti estänyt yhteyden toimimisen täysin. Teholähteenä käytettiin paristoja, jotka myös koteloitiin. Kotelointi ratkaisultaan anturointi soveltuu prototyyppikäyttöön, mutta varsinaiseen pitkäaikaiseen käyttöön siitä ei ole. Ongelmina on kotelon kiinnittäminen akselille ja painon jakautuminen epätasaisesti. Valmiissa laitteessa nämä voidaan ratkaista suunnittelemalla kotelosta akselin ympärille kiinnitettävä panta, missä laitteen osat on sijoitettu niin että paino jakautuu tasaisesti akselin ympärille. Prototyyppilaitteisto vääntömomentin mittausta varten koostui akselille liimatuista venymäliuskoista ja niiden päälle pannoilla kiinnitetystä langattomasta anturista. Kuvassa 4.1.2 on esitetty kokonaiskuva asennuksesta ja kuvassa 4.1.3 yksityskohtaisemmin itse vääntömomenttianturi. Kuvassa 4.1.2 näkyy myös johtimillinen vääntömomenttianturi, mikä vaatii järjestelmän kokoonpanon muuttamisen sitä asennettaessa. Langaton anturi sen sijaan voidaan kiinnittää suoraan akselille, muuttamatta järjestelmän kokoonpanoa. Mittauseliminä toimivat venymäliuskat sijaitsevat kuvissa anturin alla, akselille liimattuna. Vastaanotinta ei ole esitetty kuvissa, mutta se voidaan sijoittaa sopivaan läheisyyteen, missä se on mahdollista kytkeä kiinteään teholähteeseen. Vastaanotin voidaan lisäksi kytkeä suoraan tietokoneeseen tai kenttäväylään. Vaihtoehtoisesti tietoa voidaan reitittää useamman verkon solmupisteen läpi haluttuun paikkaan.

22 Kuva 4.1.2. Langattoman vääntömomenttianturin prototyyppi kiinnitettynä sähkökoneen akselille. Kuva 4.1.3. Yksityskohtaisempi kuva vääntömomenttianturin prototyypistä. Mittauselimenä toimivat venymäliuskat on liimattu suoraan akselille anturin alle.

23 5 LABORATORIOMITTAUKSET Laboratoriomittausten tavoitteena on selvittää käytännön testein ja mittauksin raportissa esitetyn langattoman anturin toimivuus ja soveltuvuus käyttötarkoitukseensa. Pääpaino on tiedonsiirron testauksessa. Tavoitteena on todeta millä ehdoilla tiedonsiirto toimii, siihen vaikuttavat tekijät ja soveltuvuus erilaisiin toimintakohteisiin. Mittauksista käy ilmi myös Microchipin ZigBee protokollan suorituskyky käytetyllä laitteistolla. Kappaleessa kaksi käytiin läpi langattoman tiedonsiirron ongelmia teollisuusympäristössä. Erityisen ongelmallisena voidaan pitää monitie-etenemistä ja Dopplerista aiheutuvia ongelmia kun anturi on kiinnitetty sähkömoottorin akselille. Anturin paikka vaihtuu jatkuvasti ja liikkeen takia myös lähetystaajuus muuttuu Doppler-siirtymän mukaisesti. Käytännössä tämä voi tarkoittaa tiedonsiirron hetkellistä katkeamista tai yhteyden menettämistä täydellisesti. Doppler-siirtymän vaikutusta käsiteltiin kappaleessa 2. Mittauksissa maksimi anturin kehänopeus oli noin 17 m/s jolloin kaavan 2.1.1 mukaan Doppler-siirtymä on maksimissaan noin ±138 Hz. Kaavan 2.1.2 mukaisesti kanavan koherenssiajaksi saadaan tällöin T C 7ms. Zig- Been yhden lähetettävän symbolin kesto 2,4 GHz:in taajuudella oli T S =0,016ms. Voidaan todeta koherenssiajan olevan huomattavasti symbolin kestoa suurempi, jolloin Dopplerefektillä ei ole merkittävää vaikutusta tiedonsiirron toimivuuteen. Monitie-eteneminen voi kuitenkin olla ongelmallista anturin paikan muuttuessa. Tätä yritetään mittauksilla todentaa ja kokeilla onko vastaanottimen sijoittelulla vaikutusta tiedonsiirron toimivuuteen. Lisäksi halutaan mitata ZigBeen ja Microchipin ZigBee-protokollan toimivuutta, sekä tiedonsiirtonopeutta. Ensimmäisenä testilaitteistona oli nelinapainen 15 kw oikosulkumoottori, jonka akselille anturi kiinnitettiin. Moottorin pyörimisnopeutta säädettiin taajuusmuuttajalla. Ensimmäisessä laitteistotestissä tarkasteltiin tiedonsiirron toimivuutta akselille kiinnitetyltä anturilta, moottorin lähettyvillä sijaitsevalle vastaanottimelle eri pyörimisnopeuksilla. Moottorin akselin halkaisija oli 42 mm ja anturin antenni oli sijoitettu niin että sen etäisyys akselista oli 35 mm. Kuvassa 5.1.1 on esitetty akselille kiinnitetty anturi. Kuva 5.1.1 Akselille mittauksia varten kiinnitetty langaton ZigBee antenni, vastaanotin oli sijoitettu puolen metrin etäisyydelle vastaanottimesta.

22 Mittaukset suoritettiin niin, että lähetin oli kiinnitettynä akselille, mutta vastaanottimen paikkaa vaihdettiin. Vastaanotin oli mittauksissa sijoitettu akselin korkeudelle. Mittauksessa 1 vastaanotin sijaitsi 50 senttimetrin päässä suoraan akselin etupuolella. Mittauksessa 2, vastaanotin sijaitsi 50 senttimetrin päässä akselin vieressä ja mittauksessa 3 vastaanotin oli sijoitettu koneen taakse noin 50 senttimetrin päähän. Mittausjärjestelyä havainnollistaa kuva 5.1.2. Taulukossa 5.1 on esitetty mittaustulokset mittauksesta 1, taulukossa 5.2 mittauksesta 2 ja taulukossa 5.3 mittauksesta 3. Mittauksissa 1-3 lähetettiin 200 pakettia mahdollisimman nopeasti. Jokaisen paketin hyötydata oli 2 tavua, mikä vastaa vääntömomenttianturin yhtä mittausta. 0,5m 0,5m Mittaus 1 0,5m Mittaus 3 Mittaus 2 Kuva 5.1.2. Kuva mittausjärjestelystä ylhäältäpäin kuvattuna. Tiedonsiirtonopeus on laskettu siirretyn hyötydatan mukaan. Anturin kehänopeudella tarkoitetaan anturin antennin kehänopeutta. Syöttötaajuuden, säteen ja kehänopeuden suhde toisiinsa esitetään oikosulkumoottorin tapauksessa seuraavasti. Yhtälössä v on nopeus, r on säde, f s on syöttötaajuus ja p on moottorin napojen lukumäärä. 4πrf s v = [m/s] 5.1 p Taulukko 5.1. Mittaus 1, vastaanotin on sijoitettu 30 senttimetrin päähän akselin eteen samalle korkeudelle kuin akseli. Syöttötaajuus [Hz] Anturin kehänopeus [m/s] Vastaanotetut paketit [lkm] Pakettivirhesuhde [%] Keskimääräinen viive [ms] Tiedonsiirto nopeus [B/s] 10 1,26 194 3 4,0 433 20 2,51 194 3 5,8 335 30 3,77 191 4,5 6,0 320 40 5,03 191 4,5 6,0 303 50 6,28 194 3 5,0 362