Sensornetwerken, de derde draadloze revolutie

30 oktober 2008

Gebouwautomatisering bevat een scala aan gedroomde toepassingen voor draadloze sensoren. Lichtschakelaars, temperatuursensoren, rookmelders en bewegingsdetectoren zijn slechts een paar evidente voorbeelden van toepassingsgebieden voor draadloze sensoren. Als het aan Cees Links van Greenpeak ligt, komen we ze in de toekomst even vaak tegen als draadloze telefoons en draadloos internet. Wel moeten we nog wat hindernissen over in energieverbruik en standaardisatie.

Heb je je al eens afgevraagd waarom je wel al jaren centrale deurvergrendeling op je auto hebt, maar niet in je huis? Waarom er wel een thermostaat staat in de woonkamer, maar niet in slaapkamers of op zolder? En waarom je thuis wel draadloze telefoons en draadloos internet hebt, maar nog geen draadloze lichtschakelaars? Het antwoord is eigenlijk eenvoudig: draadloze zenders en ontvangers gebruiken veel energie. Met je telefoon of laptop ben je daaraan gewend. Je hebt zelf de discipline opgebouwd om de batterijen regelmatig op te laden. Bij draadloze sensornetwerken is het echter problematisch als de batterijen regelmatig moeten worden vervangen, vanwege de grote aantallen.

Ter illustratie even een rekenvoorbeeld. De beheerder van een groot kantoorgebouw overweegt om de tweeduizend ramen van zijn complex met antidiefstalsensoren uit te rusten. Een integrator van draadloze sensornetwerken ontwikkelt de toepassing en komt met een voorstel waarin de sensoren van stroom worden voorzien met batterijen die gemiddeld vijf jaar meegaan. ‘Vijf jaar is mooi’, zegt de gebouwenbeheerder, ‘maar die batterijen gaan niet allemaal even snel leeg, dus ik zal algauw dagelijks ergens een batterij moeten vervangen. Vijf jaar komt namelijk overeen met zo’n tweeduizend dagen.’

Daar zit nu net het probleem bij de implementatie van draadloze sensornetwerken: je kunt wel de kosten van kabels en installatie vermijden, maar je introduceert een onderhoudsprobleem en kosten voor het regelmatig vervangen van batterijen. Om nog maar te zwijgen van het documentatieprobleem: waar zitten al die sensoren?

Nog een rekenvoorbeeldje: een gemiddelde batterij voor een draadloze sensor gaat vijf jaar mee. Er zijn momenteel al een miljard draadloze eindproducten met batterijen in gebruik, dus zo’n tweehonderd miljoen vervangingen (en verwerking van de lege batterijen) per jaar. De gemiddelde prijs voor de vervanging van een batterij bedraagt ongeveer 10 euro (batterij- en personeelskosten). Het jaarlijkse onderhoudsbudget in draadloze sensornetwerken voor het vervangen van batterijen is 2 miljard eu

Net op tijd

Gebouwautomatisering bevat een scala van gedroomde toepassingen voor draadloze sensoren. Lichtschakelaars, temperatuursensoren, rookmelders, bewegingsdetectoren (zodat het licht uit gaat als er niemand is) en toegangscontrole zijn slechts een paar evidente voorbeelden. In het gemiddelde huis van de toekomst tel je al snel zo’n vijftig sensoren en ook daar is het eigenlijk onbegonnen werk om steeds maar batterijtjes te vervangen. Het is duidelijk dat er iets ontbreekt om draadloze sensornetwerken naar een hoog niveau van marktacceptatie te tillen.

Jaarlijks gaan er meer dan een miljard industriële sensoren en ruim vierhonderd miljoen lichtschakelaars over de toonbank, maar het percentage dat draadloos wordt aangestuurd, is nog steeds bijzonder klein, ondanks dat deze toepassingen eenvoudig draadloos kunnen worden bediend. Daarom zijn er nu zendontvangerchips ontwikkeld die kunnen werken op omgevingsenergie om zodoende de batterijen en het onderhoudsprobleem in draadloze sensornetwerken te vermijden.

De basisvoorwaarde hiervoor is dat het systeempje die minimale energievoorziening voor de draadloze chips uit de omgevingsenergie haalt. Op die manier kan het draadloze sensornetwerk zowel op zonnecelletjes, vibratie- en warmte-energie of elektromechanische stroom werken. Energy harvesting heet deze aanpak van stroom uit de omgeving onttrekken.

Het stroomverbruik van de zendontvangerchip moet minimaal zijn om op omgevingsenergie te kunnen werken. Het moet zelfs tot 85 procent lager zijn dan het stroomverbruik in klassieke draadloze zendontvangers. Dit is mogelijk door verschillende energiebeperkende maatregelen te combineren.

De chiparchitectuur moet worden ontworpen rond een communicatiecontrolemechanisme dat de zendontvanger bevat, een volledig geïntegreerde communicatielaag en on-chip energiebeheer. Dat maakt dat de communicatiechip een ‘autonome zendontvanger’ wordt die de datacommunicatie kan sturen (in tegenstelling tot een microcontrollergestuurde zendontvanger). Door dit ontwerp verbruikt de chip bijzonder weinig stroom: een lage piekstroom, ultralage lekstroom en zeer korte transmissie door just-in-time verzendschema’s.

Om de communicatiechip op omgevingsenergie te kunnen laten werken, is het noodzakelijk de chiparchitectuur en het stroombeheer volledig te herzien. In een traditionele zendontvanger stuurt en beheert de microcontroller alle datacommunicatie. De vernieuwende chiparchitectuur vervangt dit concept door een ‘autonome zendontvanger’ die de datacommunicatie kan sturen door een communicatiecontrolemechanisme dat de zendontvanger bevat, een volledig geïntegreerde communicatielaag en on-chip energiebeheer.

Zigbee

De introductie van industriële standaarden in draadloze sensornetwerken moet een snelle marktgroei vergemakkelijken. De dominante en waarschijnlijk enige echte communicatiestandaard op dit gebied is gespecificeerd in de IEEE 802.15.4-werkgroep. In het verleden hebben Bluetooth en WLan zich ook al aan sensorapplicaties gewaagd. Deze technologieën werden echter steeds op een niet-standaard manier geïmplementeerd waarbij de basis van IEEE 802.15.4 erin werd verweven. Vandaag kunnen we rustig stellen dat 802.15.4 de beste basis vormt voor het bouwen van toepassingen met draadloze sensoren.

Zigbee is de de facto netwerkstandaard boven op IEEE 802.15.4 voor draadloze sensornetwerken en met name ook voor industriële toepassingen, toepassingen in gebouwen en energiebeheer (automatische uitlezing van meters voor gas, water en elektriciteit). De Zigbee-standaard komt uit de hoed van de Zigbee Alliance, een onafhankelijke standaardisatieorganisatie die is gedreven door een grote groep technologiebedrijven en OEM’s. Zigbee heeft verschillende netwerkstacks gestandaardiseerd, elk met zijn eigen specificaties en daarbij aansluitende toepassingsgebieden. Als netwerkstandaard sluit het naadloos aan op de 802.15.4-standaard die de communicatielaag (de fysieke en Mac-laag) van het Osi-model definieert. Zigbee is de laag boven de specificatie van 802.15.4.

Andere netwerkstandaarden boven op 802.15.4 zijn RF4CE en Wireless Hart/Isa-100. Deze vinden hun toepassingsgebieden met name in industriële draadloze automatisering. Beide partijen hebben recent besloten om de ontwikkeling van hun standaard samen verder uit te bouwen.

Er zijn bovendien ook nog merkgebonden draadloze technologieën. Dat wil niet noodzakelijk zeggen dat de specificaties niet open zijn, wel dat één specifiek bedrijf de technologie domineert. Merkgebonden standaarden worden vaak ontwikkeld rond een beperkt aantal toepassingen. Het voordeel is dat zulke technologieën sneller kunnen ontwikkelen omdat er geen behoefte is aan consensus tussen alle partijen. Het nadeel is dat het leidende bedrijf de marktprijs bepaalt. Op termijn blijven klanten afhankelijk voor upgrades en ze kunnen niet bij derden terecht om apparatuur met dezelfde standaard te kopen.

Plug and forget

Een brede marktacceptatie is pas mogelijk wanneer een risicoloze aanpak een reëel probleem oplost. In praktijk komt het erop neer dat draadloze sensornetwerken betrouwbaar moeten zijn, ook in de moeilijkste RF-omgevingen van de industriële of gebouwautomatisering. Deze betrouwbaarheid is afhankelijk van het al dan niet aanwezig zijn van een open communicatiepad tussen twee draadloze toestellen zonder stoorzenders in dezelfde frequentieband. Zoals te verwachten, komt de meest frequente interferentie voor IEEE 802.15.4-toestellen van Bluetooth- en WLan-zendontvangers die eveneens in de 2,4 GHz frequentieband opereren.

Om toch een betere betrouwbaarheid te garanderen, is het een optie om antennediversiteit in te voeren en de bijkomende interferentiedetectie en vermijdingsmechanismen. Antennediversiteit garandeert een breder en meer betrouwbaar bereik wanneer een signaal is verzwakt of als er geen directe zichtlijn is tussen de communicerende toestellen door obstructie van bijvoorbeeld muren, pijpleidingen of zware machines die radiotransmissie blokkeren. In deze gevallen zal het RF-signaal reflecteren en ontstaan er signaalvertragingen, vervormingen, verschuivingen en verzwakkingen. Antennediversiteit is het mechanisme dat twee antennes gebruikt om het beste signaal te selecteren bij ontvangst en om multipadontvangst van hetzelfde signaal te vermijden.

Ook moeten niet-specialisten de draadloze sensornetwerken gemakkelijk kunnen aanleggen, zodat de installatiekosten tot een minimum beperkt blijven. Draadloze oplossingen vermijden het dure en vaak foutgevoelige proces van bekabelen en bieden flexibiliteit wanneer een gebouw of infrastructuur wijzigt. De meshnetwerkeigenschap van Zigbee biedt hier een oplossing.

In een meshnetwerk worden de boodschappen van de draadloze module naar de eindbestemming verstuurd via de tussenliggende modules. De informatie kiest op die manier het beste pad door het netwerk. De betrouwbaarheid is niet langer afhankelijk van de kwaliteit van iedere afzonderlijke verbinding. Wanneer een verbinding wordt verbroken, zal de module zelf een nieuw pad kiezen. Door deze zelfherstellende eigenschap van het meshnetwerk blijft betrouwbare communicatie gegarandeerd. Een draadloos meshnetwerk is dus zelfvormend en zelfherstellend. De installatie volgt de plug-and-play-aanpak. Als er bovendien geen onderhoud meer nodig is voor het vervangen van batterijen, spreken we van plug and forget of aanschakelen en klaar.

Revolutie

De nieuwe trend in draadloze sensornetwerken draagt eveneens bij aan het ecologische evenwicht. Het koper dat nodig is in traditionele netwerken voor de communicatie- en datakabels is schaars en bijgevolg duur. Verder is zowel de productie als de verwerking van afgedankte batterijen schadelijk voor het milieu. De groene visie van draadloze en batterijloze netwerken bouwt mee aan de ecologische industriële revolutie.

We zagen de eerste draadloze trend in de jaren tachtig in draadloze telefonie. De tweede revolutie situeert zich eind jaren negentig in draadloze datacommunicatie. Draadloze sensornetwerken zullen de derde draadloze revolutie bepalen. De nieuwe generatie draadloze sensornetwerken in de gebouwautomatisering zullen niet alleen de kosten verminderen, maar ook de flexibiliteit verhogen. Sensornetwerken zullen gebouwen energie-efficiënter, veiliger, gezonder en comfortabeler maken.

Cees Links is CEO van Greenpeak Technologies. Hij is ervan overtuigd dat draadloze sensornetwerken in de toekomst evenveel zullen voorkomen als draadloze telefoons en draadloos internet.

Cees Links

Terug naar overzicht