2. Anotace
Článek se zabývá problematikou aktuálních bezdrátových technologií se zaměřením na
průmyslové aplikace. Autor stručně popisuje vznik a vývoj bezdrátových technologií a
popisuje důvody vzniku speciálních bezdrátový standardů pro průmysl. U hlavních zástupců
těchto standardů WirelessHART a ISA100.11a poukazuje na důvody jejich pro jejich
nasazení.
Klíčová slova
Bezdrátové senzorové sítě, ZigBee, WirelessHART, ISA100.11a
Argumentace pro výběr tématu
Téma jsem si vybral, jelikož je spjato s mou diplomovou prací, která se zabývá technologií
WirelessHart. WirelessHart je protokol, jenž je přímo navržen pro bezdrátovou komunikaci
v průmyslových aplikacích. Aktuálně se do popředí v této oblasti snaží dostat ještě další
standard a tento článek by měl sloužit jako jednoduché srovnání a prezentovat, proč jsou
potřeba nové bezdrátové technologie a není možné použít například WiFi.
Bezdrátové senzorové sítě v průmyslu
Vývoj bezdrátových senzorových sítí začal přibližně na konci devadesátých let minulého
století v americké agentuře DARPA se zaměřením na vojenské aplikace. Tehdy byly však
jednotlivé sensory veliké přibližně jako menší dodávka a cena se pohybovala v milionech
dolarů. Až pokrok v mikroelektronice umožnil snížit náklady a velikost jednotlivých senzorů
do takové míry, že je dnes můžeme najít prakticky v každé domácnosti. Příkladem takové
jednoduché sítě může být například domácí bezdrátový teploměr.
K většímu rozšíření u těchto sítí dochází po roce 1997, kdy byl publikován první
standart z rodiny WiFi. Tento protokol však pro bezdrátové senzorové sítě není
nejvhodnějším kandidátem, především z důvodu jeho energetické náročnosti. Bezdrátové
senzory jsou z pravidla bateriově napájeny a očekává se od nich dlouhá životnost. Z těchto
důvodů se v roce 2004 objevil protokol.
3. Technologie ZigBee1 je určena pro komunikaci nízko-výkonových zařízení na
vzdálenosti do 100 metrů, pracuje v ISM pásmu 2.4GHz a plně implementuje standard
standard IEEE 802.15.4. ZigBee je otevřený standard, který se ideálně hodí pro aplikace
v domácnostech (například zmíněný bezdrátový teploměr, dálkové ovládání, zabezpečovací
senzory atp.), v přírodě (detekce lesních požárů, sledování pohybu zvěře, měření vlhkosti
vzduchu atd.), ve městech (detekce otřesů; budov, mostů; atd.) a mnoho dalších. Jedná se o
dobře známou technologii, která je podporována řadou výrobců. Vzhledem k dlouhé existenci
a hojnému využití je ZigBee finančně nenáročnou (ceny bezdrátových modulů se pohybují
okolo 500Kč) a snadno aplikovatelnou technologií.2
Vzhledem k rozšíření bezdrátových technologií a jejich úspěšnému nasazení v mnoha
oblastech se o jejich využití začalo uvažovat i v průmyslových aplikacích. Záhy se však
objevily nedostatky stávajících technologií, jež bránily v jejich aplikaci (WiFi, ZigBee,
BlueTooth…). V průmyslovém prostředí je totiž na rozdíl domácností či přírodních oblastí
velké množství zdrojů permanentního elektromagnetického rušení. Zmíněné technologie
nejsou navrženy tak, aby takovémuto rušení odolávaly, a může tak docházet ke ztrátě
přenášených dat nebo v extrémním případě ke znemožnění veškeré komunikace mezi senzory.
Takovéto situace jsou v průmyslových aplikacích nemyslitelné a v mnohých případech by
vznikaly nemalé škody. Proto se v posledních letech na poli bezdrátových senzorových sítí
1
ZigBee Alliance. ZigBee Alliance [online]. 2013 [cit. 2013-01-05]. Dostupné z: http://www.zigbee.org/
2
FALUDI, Robert. Building wireless sensor networks. 1st ed. Sebastopol: O'Reilly, 2010, xviii, 300 s. ISBN
9780596807733.
4. objevily nové technologie, které byly speciálně navrženy tak, aby dokázaly odolávat
interferencím v průmyslovém prostředí. Mezi tyto protokoly technologie patří
WirelessHART, ISA100.11a a také upravená varianta ZigBeen – ZigBee Pro.
WirelessHart 3je bezdrátový protokol určený pro nízko-výkonová zařízení. Stejně jako
ZigBee pracuje v 2.4GHz ISM pásmu a pro komunikaci po linkové vrstvě využívá standardu
IEEE 802.15.4. Na rozdíl od ZigBee však WirelessHART nevyužívá ke komunikaci stále
jeden frekvenční kanál, ale využívá 15 frekvenčních kanálů a metodu FHSS (frequency
hopping spread spectrum), což je metoda přenosu, jež při komunikaci pseudonáhodně mění
přenosový kanál. Tímto je zaručeno, že pokud se objeví rušení na některém z přenosových
kanálů, tak na ostatních frekvencích budou informace stále korektně přenášeny. Součástí
WirelessHART je také tzv. channel blacklisting, což je metoda, která umožňuje zakázat
použití některého z 15 přenosových kanálů. Toto je výhodné především pokud zjistíme, že
některý z kanálů je konstantně rušen, například elektromotorem v provozu. WirelessHART
byl navržen jako nástavba na protokol HART - drátový protokol pro přenos dat pro proudové
smyčce který se v průmyslu používá od poloviny osmdesátých let. Výhodou WirelesHART je
tak zpětná kompatibilita s protokolem HART. Zpětná kompatibilita WirelesHART je silným
argumentem k jeho rozšíření, jelikož dle odhadů je ve světě nasazeno více než deset milionů
HART zařízení.
ISA100.11a je bezdrátový standard který soupeří se WirelessHART o pozici
globálního standardu pro bezdrátové senzorové sítě v průmyslu. Stejně jako WirelessHART
pracuje v ISM pásmu 2.4GHz a využívá FHSS, ve kterém však nabízí možnost přenosu na 16
frekvenčních kanálech (v závislosti na zákonech zemí, ve kterých je aplikován). Rozšíření
standardu ISA100.11a nahrává především možnost přenosu zapouzdřených dat libovolného
jiného protokolu. Toto je výhodou především proto, že lze nasadit ISA100.11 jako technologii
pro přenos různorodých drátových protokolů a například tak rozšířit stávající infrastrukturu o
nové bezdrátové prvky. WirelessHART oproti tomu ke komunikaci využívá pouze protokolu
HART, a lze je tak použít pouze jako rozšíření stávající HART infrastruktury.
Technologie bezdrátových sítí jsou aktuálním tématem dneška, a souboj dvou hlavních
leaderů o pozici globálního standardu na poli průmyslových bezdrátových sítí rozhodně není
3
HART Communication Protocol and Foundation. HART COMMUNICATION PROTOCOL AND
FOUNDATION. HART Communication Protocol and Foundation - Home Page [online]. 2013 [cit. 2013-01-
05]. Dostupné z: http://www.hartcomm.org/
5. u konce.4 S největší pravděpodobností však nedojde ke zvolení jediného globálního standardu
pro průmyslové bezdrátové sítě. Zajímavé však bude, jakých praktických výsledků tyto
technologie dosáhnou a jakým způsobem budou rozšiřovat aplikační pole své působnosti.
4
Petersen, S.; Carlsen, S.; "WirelessHART Versus ISA100.11a: The Format War Hits the Factory Floor,"
Industrial Electronics Magazine, IEEE, vol. 5, no. 4, pp.23-34, Dec. 2011
doi: 10.1109/MIE.2011.943023
6. Bibliografie
ZigBee Alliance. ZigBee Alliance [online]. 2013 [cit. 2013-01-05]. Dostupné z:
http://www.zigbee.org/
Proč citace:
- Standard pro realizaci WSN
- Publikují standard
- Sdružují pod sebe lidi se zájmem ZigBee
- Inforačně nabitá stránka
FALUDI, Robert. Building wireless sensor networks. 1st ed. Sebastopol: O'Reilly, 2010,
xviii, 300 s. ISBN 9780596807733.
Proč citace:
- Zavývá se realizací WSN
- Popisy praktické technologie
- Fundovaný autor
- Dostupnost knihy ;-)
HART Communication Protocol and Foundation. HART COMMUNICATION PROTOCOL
AND FOUNDATION. HART Communication Protocol and Foundation - Home Page
[online]. 2013 [cit. 2013-01-05]. Dostupné z: http://www.hartcomm.org/
Petersen, S.; Carlsen, S.; "WirelessHART Versus ISA100.11a: The Format War Hits the
Factory Floor," Industrial Electronics Magazine, IEEE, vol. 5, no. 4, pp.23-34, Dec. 2011
doi: 10.1109/MIE.2011.943023
Proč citace:
- Článek srovnává aktuální standardy pro průmyslové WSN
- Článek je hodně podrobný
- Je publikován na fundovaných stránkách IEEE
