DiplomarbeitEntwicklung eines Funkknotens zur Lokalisierung mittels Laufzeitmessung

Michael FleischmannElektro- und Informationstechnik Sommersemester 2008

Fraunhofer IIS Abteilung Kommunikationsnetze Nordostpark 93 90411 Nrnberg

Georg-Simon-Ohm Hochschule Nrnberg Fakultt Elektrotechnik Feinwerktechnik Informationstechnik Wassertorstrae 10 90489 Nrnberg

Betreuer Fraunhofer IIS: Dipl.-Ing. Martin Tittel Dipl.-Inf. Christian Flgel

Betreuer Fakultt EFI: Prof. Dr. Reinhard Janker

I. Kurzfassung

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I.

Kurzfassung

Drahtlose Sensornetzwerke finden immer mehr praktische Anwendungsgebiete. Einst fr das Militr als Frhwarnsystem fr Pipelines und Landesgrenzen entwickelt, werden sie heute vielfltig eingesetzt. Automobilindustrie, Logistik und die Brandbekmpfung sind nur einige Einsatzgebiete. Das Grundprinzip ist bei allen Sensornetzwerken gleich. Die Sensoren sammeln Daten, die via Funk an eine Basisstation gesendet und dort ausgewertet werden. Dabei ist die Zuordnung von Messwerten zu dem Standort, wo diese Werte aufgenommen wurden, von groem Interesse. Um dies zu bewerkstelligen, beschftigt sich das Teilgebiet Lokalisierung in Sensornetzwerken mit der Standortbestimmung von Sensorknoten. Bisher sind die Verfahren zur Lokalisierung jedoch relativ ungenau oder kostenintensiv. Eines dieser Verfahren ist die Laufzeitmessung von Funksignalen. Da sich Funksignale mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, ist eine Umrechnung der Signallaufzeit in eine Distanz und somit auch die Lokalisierung theoretisch sehr einfach. Jedoch war die Messung der Signallaufzeit bislang sehr aufwndig und kam deshalb in Sensornetzwerken nicht zum Einsatz. Dies knnte sich durch einen von der Firma Nanotron Technologies entwickelten Funkchip ndern. Der Hersteller verspricht die hardwaremige Untersttzung von Distanzmessungen auf Basis der Laufzeit von Funksignalen in einem Chip, welcher auch zur Kommunikation genutzt werden kann. Die erzielbare Genauigkeit der Distanzmessungen soll in Gebuden 2 m und im Freien 1 m betragen.

Um dieses Verfahren der Distanzmessung auch in einem bereits bestehenden Sensornetzwerk der Fraunhofer Gesellschaft nutzen zu knnen, wurde im Rahmen der Diplomarbeit ein Sensorknoten mit diesem Funkchip konzipiert und entwickelt. Darber hinaus wurde die damit erreichbare Genauigkeit in verschiedenen Umgebungen gemessen und analysiert.

Die Ausarbeitung vermittelt einleitend die Grundlagen zu Lokalisierung in Sensornetzwerken und erlutert die einzelnen Entwurfs- und Umsetzungsschritte der Hardund Software. Des Weiteren werden die Messergebnisse vorgestellt und errtert. Das entwickelte System weist, unter Vorraussetzung einer Sichtverbindung, ab einer Distanz von 10 m einen relativen Fehler der Distanzmessung von unter 10 % auf.

II. Danksagung

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II.

Danksagung

Diese Diplomarbeit wurde am Fraunhofer Institut fr Integrierte Schaltungen in Nrnberg erstellt. Ich mchte mich fr die gute Untersttzung bei allen Mitarbeitern bedanken. Herausheben mchte ich Artur Grillborzer, der mir jederzeit mit Rat und Tat zur Seite stand. Ohne ihre groe Hilfsbereitschaft wre diese Arbeit nicht mglich gewesen. Besonderer Dank ergeht an meine beiden Betreuer Martin Tittel und Christian Flgel, die sich viel Zeit fr mich genommen haben.

Ein groes Danke auch an meinen Betreuer Prof. Dr. Reinhard Janker von der Georg-Simon-Ohm Hochschule. Des Weiteren mchte ich mich bei Prof. Dr. Johann Siegl fr die Zweitkorrektur der Arbeit bedanken.

Zuletzt mchte ich mich bei meinen Eltern Lieselotte und Peter fr die uneingeschrnkte Untersttzung whrend meines Studiums bedanken.

III. Inhaltsverzeichnis

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III.I.

InhaltsverzeichnisKurzfassung ........................................................................................................2

II. Danksagung ........................................................................................................3 III. Inhaltsverzeichnis ...............................................................................................4 IV. Abbildungsverzeichnis.......................................................................................7 V. Tabellenverzeichnis ............................................................................................9 VI. Abkrzungsverzeichnis.................................................................................... 10 1. Einleitung........................................................................................................... 12 1.1. Motivation ................................................................................................... 12 1.2. Aufgabenbeschreibung............................................................................... 13 1.3. Aufbau der Arbeit........................................................................................ 13 2. Grundlagen........................................................................................................ 14 2.1. Sensornetzwerke und Lokalisierung........................................................... 14 2.1.1. Lokalisierung / Positionsbestimmung .....................................................15 2.1.2. Trilateration ............................................................................................16 2.1.3. Triangulation...........................................................................................17 2.2. Lokalisierungsmethoden............................................................................. 18 2.2.1. Cell of Origin (CoO)................................................................................18 2.2.2. Location Fingerprinting (LF) ...................................................................19 2.2.3. Time of Arrival (ToA) ..............................................................................21 2.2.4. Time Difference of Arrival (TDoA) ..........................................................22 2.2.5. Received Signal Strength (RSS) ............................................................22 2.2.6. Angle of Arrival (AoA) .............................................................................23 2.2.7. Zusammenfassung.................................................................................23 2.3. Lokalisierungstechnologien ........................................................................ 24 2.3.1. Eigenstndige Infrastruktur.....................................................................25 2.3.2. Fremde Infrastruktur...............................................................................28 2.3.3. Zusammenfassung.................................................................................30 2.4. nanoLOC .................................................................................................... 31 2.4.1. Multi Dimensional Multiple Access (MDMA) ...........................................31 2.4.2. Chirp Spread Spectrum (CSS) ...............................................................33 2.4.3. Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging (SDS-TWR)...................33 2.4.4. Zusammenfassung.................................................................................36 3. Hardware............................................................................................................ 37

III. Inhaltsverzeichnis

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3.1. Anforderungen............................................................................................ 37 3.2. Planung und Bauteilauswahl ...................................................................... 38 3.2.1. Spannungsversorgung ...........................................................................39 3.2.2. Transceiver.............................................................................................40 3.2.3. Mikrocontroller........................................................................................42 3.2.4. Quarz .....................................................................................................44 3.2.5. Antenne ..................................................................................................46 3.3. Entwurf und Design .................................................................................... 47 3.3.1. Schaltplanerstellung ...............................................................................47 3.3.2. Leiterplattendesign .................................................................................48 3.3.3. Evaluationboard .....................................................................................49 3.4. Hardwareinbetriebnahme und Test ............................................................ 50 3.4.1. Programmieren des Mikrocontrollers......................................................50 3.4.2. Programmablauf Mikrocontroller ............................................................51 3.4.3. Serial Peripheral Interface ......................................................................51 3.4.4. Sende- und Empfangsbetrieb.................................................................52 3.4.5. V.24 Schnittstelle....................................................................................53 3.4.6. Antennenanpassung ..............................................................................53 3.4.7. Verifikation..............................................................................................54 4. Software............................................................................................................. 57 4.1. Anforderungen............................................................................................ 57 4.1.1. Sensorknoten .........................................................................................57 4.1.2. PC-Software Messwertaufzeichnung .....................................................58 4.2. Analyse und Konzept.................................................................................. 58 4.2.1. Sensorknoten .........................................................................................59 4.2.2. PC-Software Messwertaufzeichnung .....................................................60 4.3. Implementierung......................................................................................... 60 4.3.1. Erluterung der Beispielapplikation ........................................................60 4.3.2. Anpassungen an den Mikrocontroller .....................................................63 4.3.3. Konfiguration ..........................................................................................65 4.4. Test und Verifikation ...................................................................................66 5. Messungen ........................................................................................................ 67 5.1. Messaufbau und Datenerfassung............................................................... 67 5.2. Brogebude .............................................................................................. 68 5.2.1. Mit Sichtverbindung................................................................................69 5.2.2. Ohne Sichtverbindung ............................................................................71

III. Inhaltsverzeichnis

6

5.3. Freifeld........................................................................................................ 73 5.4. Flugzeughangar.......................................................................................... 77 5.4.1. Anchor in Bodennhe .............................................................................78 5.4.2. Anchor in Deckennhe ...........................................................................80 6. Zusammenfassung ........................................................................................... 83 6.1. Ergebnis der Arbeit..................................................................................... 83 6.2. Erfahrungen................................................................................................ 84 6.3. Aussichten .................................................................................................. 84 6.3.1. Detektieren der Sichtverbindung ............................................................84 6.3.2. Integration Lokalisierungssystem ...........................................................85 A. Anhang............................................................................................................... 86 A.1 Tabelle zur Umwandlung der RSSI-Werte.................................................. 86 A.2 Flurplan Brogebude mit Sichtverbindung................................................ 87 A.3 Flurplan Brogebude ohne Sichtverbindung............................................. 88 A.4 Flugzeughangarquerschnitt Anchor-Boden ................................................ 89 A.5 Flugzeughangarquerschnitt Anchor-Decke................................................. 90 A.6 Messungen Brogebude mit Sichtverbindung .......................................... 91 A.7 Messungen Brogebude ohne Sichtverbindung ....................................... 93 A.8 Messungen Freifeld .................................................................................... 95 A.9 Messungen Flugzeughangar ...................................................................... 99 A.10 CD ............................................................................................................ 106 B. Literaturverzeichnis ........................................................................................ 107 C. Besttigung gem 31 (7) RaPO................................................................. 108

IV. Abbildungsverzeichnis

7

IV.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 2.1: Sensornetzwerk...............................................................................14 Abbildung 2.2: Trilateration......................................................................................16 Abbildung 2.3: Triangulation....................................................................................17 Abbildung 2.4: Lokalisierungsmethoden..................................................................18 Abbildung 2.5: Cell of Origin (CoO) .........................................................................19 Abbildung 2.6: Location Fingerprinting ....................................................................20 Abbildung 2.7: Triangulation durch Winkelmessung................................................23 Abbildung 2.8: berblick Lokalisierungstechnologien .............................................24 Abbildung 2.9: Funkausbreitung..............................................................................27 Abbildung 2.10: Funkstandards...............................................................................27 Abbildung 2.11: Up- und Downchirp [8]...................................................................31 Abbildung 2.12: Signale MDMA [7]..........................................................................31 Abbildung 2.13: Sinc-Impuls [7]...............................................................................32 Abbildung 2.14: LFM-Signal [7] ...............................................................................32 Abbildung 2.15: Symboldauer [7] ............................................................................33 Abbildung 2.16: Round Trip Time (RTT) .................................................................34 Abbildung 2.17: Zeitdiagramm.................................................................................35 Abbildung 3.1: Blockschaltbild Sensorknoten..........................................................38 Abbildung 3.2: Spannungsversorgung ....................................................................40 Abbildung 3.3: Serial Peripheral Interface ...............................................................41 Abbildung 3.4: Takterzeugung.................................................................................42 Abbildung 3.5: maximaler Systemtakt [12] ..............................................................43 Abbildung 3.6: Ersatzschaltbilder Quarzbeschaltung ..............................................45 Abbildung 3.7: Anpassung der Antenne ..................................................................46 Abbildung 3.8: Board Station von Mentor Graphics.................................................47 Abbildung 3.9: CITS25 von Polar ............................................................................48 Abbildung 3.10: Lagenaufbau..................................................................................49 Abbildung 3.11: Evaluationboard.............................................................................50 Abbildung 3.12: Sensorknoten Oberseite ................................................................51 Abbildung 3.13: Sensorknoten Unterseite ...............................................................52 Abbildung 3.14: Antennenanpassung im Evaluationboard ......................................54 Abbildung 3.15: Messung der Stromaufnahme .......................................................55

IV. Abbildungsverzeichnis

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Abbildung 3.16: Spektrum des Funksignals ............................................................55 Abbildung 4.1: Aufbau Distanzmessung..................................................................58 Abbildung 4.2: Aufbau der Software........................................................................59 Abbildung 4.3: Ablauf Distanzmessung [14] ............................................................61 Abbildung 4.4: Zustnde Distanzmessung [14] .......................................................62 Abbildung 4.5: Kalibrierung DCO Takt ....................................................................63 Abbildung 4.6: Pseudocode Kalibrierung ................................................................64 Abbildung 4.7: Zustandsdiagramm Konfiguration Sensorknoten.............................65 Abbildung 5.1: Messaufbau Brogebude ..............................................................68 Abbildung 5.2: Diagramme mit Sichtverbindung......................................................70 Abbildung 5.3: Diagramme ohne Sichtverbindung ..................................................72 Abbildung 5.4: Messaufbau Freifeld ........................................................................73 Abbildung 5.5: 1. Fresnelzone.................................................................................75 Abbildung 5.6: Diagramme Freifeld .........................................................................76 Abbildung 5.7: Messumgebung Flugzeughangar ....................................................77 Abbildung 5.8: Diagramme Anchor in Bodennhe...................................................79 Abbildung 5.9: Diagramme Anchor in Deckennhe.................................................82

V. Tabellenverzeichnis

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V.

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1: Eigenschaften Bat.................................................................................25 Tabelle 2.2: Eigenschaften Active Badge .................................................................26 Tabelle 2.3: Eigenschaften nanoLOC.......................................................................28 Tabelle 2.4: Eigenschaften GPS...............................................................................29 Tabelle 2.5: Eigenschaften GSM ..............................................................................29 Tabelle 2.6: Eigenschaften WLAN............................................................................29 Tabelle 2.7: Vergleich Lokalisierungstechnologien...................................................30 Tabelle 2.8: Messfehler TWR ...................................................................................35 Tabelle 2.9: Messfehler SDS-TWR...........................................................................36 Tabelle 3.1: Kenndaten nanoLOC ............................................................................41 Tabelle 3.2: Kenndaten MSP430F2418....................................................................42 Tabelle 3.3: Kenndaten AB26TR ..............................................................................44 Tabelle 3.4: Kenndaten Chip-Antenne......................................................................46 Tabelle 3.5: Sendeleistung .......................................................................................56 Tabelle 3.6: Kenndaten Sensorknoten .....................................................................56 Tabelle 4.1: Aufteilung der Quellcode-Dateien .........................................................60 Tabelle 5.1: Messwerte mit Sichtverbindung ............................................................69 Tabelle 5.2: Messwerte ohne Sichtverbindung .........................................................71 Tabelle 5.3: Messwerte Freifeld................................................................................74 Tabelle 5.4: Fresnelzone in Abhngigkeit des Abstands ..........................................75 Tabelle 5.5: Messwerte Anchor in Bodennhe .........................................................78 Tabelle 5.6: Messwerte Anchor in Deckennhe .......................................................80

VI. Abkrzungsverzeichnis

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VI.A/D

AbkrzungsverzeichnisAnalog/Digital Auxiliary Clock Angle of Arrival American Standard Code for Information Interchange Boot Strap Loader Compact Disk Cell of Origin Chip Select Chirp Spread Spectrum Digitally Controlled Oscillator Digitally Controlled Oscillator Clock Dispersive Delay Line Digital Enhanced Cordless Telecommunications Electrically Erasable Programmable Read Only Memory Fraunhofer Gesellschaft Global Navigation Satellite System General Public License Global Positioning System Global System for Mobile communications Hochfrequenz Institut Integrierte Schaltungen Infrared Data Association Industrial, Scientific, and Medical Band Joint Test Action Group Light Emitting Diode Location Fingerprinting Linear Frequenzmoduliert Local Interconnect Network Line of Sight Media Access Control Master Clock Multi Dimensional Multiple Access

ACLK AoA ASCII BSL CD CoO CS CSS DCO DCOCLK DDL DECT EEPROM FhG GLONASS GPL GPS GSM HF IIS IrDA ISM-Band JTAG LED LF LFM LIN LoS MAC MCLK MDMA

VI. Abkrzungsverzeichnis

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MOSI PC RAM RFID ROM RSS RSSI RTT SAW SDS-TWR SMCLK SMD SOMI SPI TDoA ToA ToF TWR UART UMTS USB UWB WiMax WLAN WMAN WPAN

Master Out Slave In Personal Computer Random Access Memory Radio Frequency Identification Read Only Memory Received Signal Strength Received Signal Strength Indication Round Trip Time Surface Acoustic Wave Symmetric Double Sided Two Way Ranging Sub System Master Clock Surface Mount Devices Slave Out Master In Serial Peripheral Interface Time Difference of Arrival Time of Arrival Time of Flight Two Way Ranging Universal Asynchronous Receiver / Transmitter Universal Mobile Telecommunications System Universal Serial Bus Ultra Wide Band Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Local Area Network Wireless Metropolitan Area Network Wireless Personal Area Network

1. Einleitung

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1. EinleitungDas Messen von physikalischen Gren wird seit langem zum Beobachten unserer Umwelt eingesetzt. So sammeln z. B. unzhlige Sensoren Daten, um uns vor Naturkatastrophen wie Strmen oder Erdbeben zu warnen. Auch in der Automobiltechnik bilden Sensordaten die Grundlage fr aktive Sicherheitssysteme. Durch die Vernetzung von Sensoren knnen auch weitlufige Gebiete abgedeckt werden. Jedoch geht dies mit einem groen Verkabelungsaufwand einher. Deshalb wurden drahtlose Systeme entwickelt, um Kosten und Aufwand zu senken. Da diese Sensoren eine unabhngige Energieversorgung besitzen, sind sie nicht mehr an einen festen Ort gebunden. Diese neu gewonnene Mobilitt verhilft Sensornetzwerken auch in andere Einsatzgebiete vorzudringen. Allerdings kann durch bewegliche Sensoren keine Aussage mehr ber ihren Standort getroffen werden. Die fehlende Zuordnung von Messwert zu einem Messpunkt macht die gesammelten Daten hufig nutzlos. So ist z. B. ein Temperaturwert einer Wetterstation ohne eine Ortsangabe nicht brauchbar. Deshalb werden Verfahren entwickelt, die es ermglichen, den Standort von Sensoren zu ermitteln ohne die Mobilitt einzuschrnken.

1.1. MotivationIn zahlreichen Anwendungen von Sensornetzwerken spielt die Lokalisierung von mobilen Sensorknoten eine groe Rolle. Am Fraunhofer IIS existiert bereits eine Lsung fr solche Anwendungen. Sie basiert auf einem Funkmodul der Firma Chipcon und einem selbst entwickelten Kommunikationsprotokoll. Der vorhandene Transceiver erlaubt eine Lokalisierung nur auf Basis der RSSI Werte von empfangenen Paketen. Damit lsst sich nur eine eingeschrnkte Genauigkeit erzielen. Mittlerweile sind Funkchips der Firma Nanotron Technologies auf dem Markt, die ber ein spezielles bertragungsverfahren1 verfgen und Laufzeitmessungen von Signalen auf einfache Weise erlauben. Diese Technologie verspricht eine Verbesserung der Lokalisierungsgenauigkeit.

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Chirp Spread Spectrum (CSS)

1. Einleitung

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1.2. AufgabenbeschreibungZiel dieser Arbeit war es, einen Sensorknoten mit dem nanoLOC Transceiver zu entwickeln und die damit erreichbare Genauigkeit der Distanzermittlung zu messen und zu analysieren. Dazu sollte zunchst ein Design mit dem neuen Transceiver von Nanotron Technologies entworfen, das Layout erstellt und letztlich das gefertigte Modul in Betrieb genommen werden. Anschlieend sollte eine Software entwickelt werden, die eine Kommunikation zwischen den Modulen ermglicht. Die Funktionstchtigkeit der Module sollte zunchst mit einfachen Testprogrammen berprft werden. In dieses System sollte anschlieend ein Algorithmus implementiert werden, der es ermglicht, die Laufzeit von Funksignalen zu messen, und der diese in Distanzwerte umrechnet. Abschlieend sollte die erreichbare Genauigkeit des Systems durch Distanzmessungen in verschiedenen Umgebungen gemessen und analysiert werden.

1.3. Aufbau der ArbeitDie Arbeit ist nach dem zeitlichen Ablauf der einzelnen Arbeitsschritte gegliedert. Am Anfang jedes Kapitels wird ein kurzer berblick ber das jeweilige Thema gegeben. Es folgen die Unterkapitel, bei denen die Betrachtungen vom Allgemeinen ins Spezielle gehen. Es werden englische Fachbegriffe verwendet, die mit einer deutschen Begriffserklrung eingefhrt werden. Auf eine bersetzung wurde bewusst verzichtet. Kapitel 1 beschreibt das eigentliche Ziel und die Beweggrnde fr diese Arbeit. Darber hinaus wird auf die Struktur des Dokuments eingegangen. Um in das Hauptthema der Arbeit einzufhren, beschftigt sich Kapitel 2 mit den Grundlagen zur Lokalisierung und Laufzeitmessung. Kapitel 3 berichtet ber den Entwicklungsprozess der Hardware. Die Struktur und die Funktionen der Software werden in Kapitel 4 erlutert. Auch wird der Algorithmus fr die Laufzeitmessung erklrt. Kapitel 5 beschreibt den Messaufbau und zeigt die Ergebnisse zu den vorgenommenen Messungen. Abschlieend bietet Kapitel 6 eine Zusammenfassung der Arbeit und liefert einen Ausblick auf mgliche Weiterentwicklungen.

2. Grundlagen

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2. GrundlagenDieses Kapitel soll die Grundlagen fr die Lokalisierung in Sensornetzwerken vermitteln. Es werden einige Begriffe erlutert, die im weiteren Verlauf verwendet werden. Darber hinaus wird ein berblick ber Lokalisierungsmethoden- und Technologien gegeben. Dabei sind die spter verwendeten Verfahren in den berblick eingeordnet und erlutert.

2.1. Sensornetzwerke und LokalisierungEin Sensornetzwerk besteht aus mehreren miniaturisierten Computern2, den so genannten Sensorknoten, welche drahtlos miteinander kommunizieren. Sie berwachen physikalische Gren, wie z. B. Temperatur, Lichtstrke oder Luftdruck, in ihrer Umgebung mittels verschiedener Sensoren. Die gesammelten Daten werden meist an eine Basisstation weitergeleitet und ausgewertet.

Abbildung 2.1: Sensornetzwerk

Die Sensorknoten verbinden und konfigurieren sich selbstndig zu einem so genannten Ad-hoc-Netzwerk3. Bei dieser Netzwerkstruktur ist keine feste Infrastruktur wie z. B. ein Accesspoint zum Vermitteln der Daten, notwendig. So ist es mglich, dass bereits zwei Sensorknoten ein "Netz" bilden. Daten knnen auch ber weitere Knoten an den Zielknoten geleitet werden. Dies bedeutet einen hheren Verwaltungsaufwand des Netzes, weil jeder Knoten die Struktur kennen muss. Es ergeben sich aber auch einige wichtige Vorteile. Da jeder Knoten Daten weiterleiten kann, und somit als2 3

In der Gre einer Streichholzschachtel lat. ad hoc, sinngem fr diesen Augenblick gemacht

2. Grundlagen

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Zwischenverstrker dient, muss der Zielknoten nicht in der Sendereichweite des Initiatorknotens liegen. Des Weiteren knnen Ausflle von Sensorknoten durch Umleitung der Daten ber andere Wege leichter verkraftet werden. Somit knnen Sensornetzwerke auch in weitlufigen Gebieten oder greren Gebuden eingesetzt werden. Die Anforderungen an Sensorknoten werden durch ihre Anwendung vorgegeben. Jedoch gibt es einige Kriterien, die in der Fachliteratur immer wieder genannt werden und die die am Markt befindlichen Sensorknoten aufweisen. Dazu zhlt auch die Mobilitt der Sensorknoten, die eine zentrale Rolle spielt. Die nachfolgende Auflistung soll einen berblick der Anforderungen an Sensorknoten geben. Mobilitt geringer Energiebedarf geringe Baugre geringe Produktionskosten hohe Lebensdauer

Die Einsatzgebiete von Sensornetzwerken sind breit gefchert. So knnen sie z. B. in der Logistik zum Verfolgen von Gtern oder Fahrzeugen eingesetzt werden. Auch in der Gebudesicherung und im Brandschutz knnen Sensorknoten zur Alarmierung dienen. Darber hinaus knnen sie Fahrzeuge miteinander vernetzen und somit aktuelle Staumeldungen bereitstellen. Da Sensornetzwerke ein relativ junges Forschungsgebiet sind, werden sie mit zunehmender Entwicklung noch vielseitiger einsetzbar sein.

2.1.1.

Lokalisierung / Positionsbestimmung

Lokalisierung bzw. Positionsbestimmung beschreibt den Vorgang einer Standortbestimmung zu einem bestimmten Bezugssystem. In der Fachliteratur wird zwischen den Bezeichnungen Lokalisierung und Positionsbestimmung unterschieden. Ist das Bezugssystem global wird von Positionsbestimmung gesprochen. Dies ist z. B. beim Global Positioning System (GPS) der Fall. Wird jedoch ein lokales Bezugssystem z. B. ein Grundriss eines Hauses, zugrunde gelegt, spricht man von Lokalisierung. Es gibt zwei geometrische Verfahren, die bei der Standortbestimmung oft eingesetzt werden.

2. Grundlagen

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2.1.2.

Trilateration

Die Trilateration ist ein geometrisches Verfahren, mit dem ein Punkt in einer Ebene eindeutig bestimmt werden kann. Dazu werden drei Fixpunkte und jeweils die Entfernung vom Fixpunkt zum gesuchten Objekt bentigt. Dies soll mit folgender Grafik verdeutlicht werden:

Abbildung 2.2: Trilateration

Bild A: Die Entfernung s1 vom gesuchten Objekt zum Fixpunkt ist bekannt. Somit kann sich das gesuchte Objekt berall auf einer Kreislinie mit dem Radius s1 um den Fixpunkt 1 befinden. Bild B: Die Entfernungen s1 und s2 sind bekannt. Das gesuchte Objekt knnte in den beiden Schnittpunkten der Kreise um die Fixpunkte liegen. Bild C: Die Entfernungen s1, s2 und s3 sind bekannt. Der Aufenthaltsort des gesuchten Objekts ist mit dem einzigen Schnittpunkt aller drei Kreise eindeutig bestimmt.

Folglich kann mit diesem Verfahren, drei bekannten Fixpunkten und den jeweiligen Entfernungen zum gesuchten Objekt eine eindeutige Lokalisierung durchgefhrt werden.

2. Grundlagen

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2.1.3.

Triangulation

Triangulation ist ein weiteres Verfahren, um einen Punkt in einer Ebene eindeutig zu bestimmen. Hierbei werden die Winkel zwischen zwei bekannten Punkten zu einem gesuchten Objekt zur Berechnung herangezogen.

Abbildung 2.3: Triangulation

gegeben: Die Positionen der Fixpunkte A und B und die Strecke zwischen ihnen ist bekannt. Des Weiteren sind die Winkel und gegeben. gesucht: Es wird die Position von Objekt C gesucht. Dazu bentigt man die beiden Strecken x und y. Lsung: ber den Sinussatz wird die Strecke AC berechnet. Im Anschluss knnen die gesuchten Strecken x und y im rechtwinkligen Dreieck bestimmt werden. AC = AB sin ( ) sin ( )(Formel 1)

x = cos ( ) AC

(Formel 2)

y = sin( ) AC

(Formel 3)

Mit den errechneten Strecken x und y kann nun die Position des Objekts C in Bezug auf den Fixpunkt A angegeben werden.

2. Grundlagen

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2.2. LokalisierungsmethodenEs gibt verschiedene Anstze, um eine Lokalisierung durchzufhren. Dieser Abschnitt gibt einen allgemeinen berblick ber Lokalisierungsmethoden mit ihrer Bedeutung fr Sensornetzwerke, die in der folgenden Abbildung dargestellt sind.

Abbildung 2.4: Lokalisierungsmethoden

2.2.1.

Cell of Origin (CoO)

Der Begriff Cell of Origin stammt aus der Mobilfunktechnik. Dieser Ansatz wird dort fr grobe Lokalisierungszwecke eingesetzt. Die Methode wird jedoch auch in anderen Bereichen verwendet. Als Voraussetzung muss eine flchendeckende Zellenstruktur des Lokalisierungsgebietes vorhanden sein. Im Mobilfunk wird diese Zellenstruktur durch die Verteilung der Basisstationen erreicht. Dabei kann der Standort auf die Zelle eingegrenzt werden, in der sich das Endgert eingebucht hat.

2. Grundlagen

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Abbildung 2.5: Cell of Origin (CoO)

Die Genauigkeit dieses Verfahrens ist direkt mit der Gre der Zelle verbunden. Dies kann bei Mobilfunkanwendungen in lndlichen Gegenden einen Fehler von ber 10 km verursachen. Da in Sensornetzwerken eine Genauigkeit von unter einem Meter angestrebt wird, mssten die Zellen dementsprechend klein sein. Um dies zu erreichen mssten sehr viele Sensorknoten eingesetzt werden. Dies ist mit den Kosten heutiger Sensorknoten nicht vereinbar. Daher wird dieses Verfahren hufig nur als Grundlage komplexerer Verfahren genutzt.

2.2.2.

Location Fingerprinting (LF)

Location Fingerprinting beschreibt eine Methode, welche auf einem Umgebungsmodell basiert. Allgemein wird Location Fingerprinting in zwei Phasen eingeteilt. In der ersten Phase (lernen) wird das Modell der Umgebung erstellt. Es werden charakteristische Daten fr verschiedene Standpunkte gesammelt und zentral auf einem Server gespeichert. Es entsteht eine Art Landkarte mit markanten Daten, die man mit Hhenangaben auf einer gebruchlichen Landkarte vergleichen knnte. In der zweiten Phase (lokalisieren) werden die gemessenen Daten mit der Datenbank verglichen und der zugeordnete Standpunkt ermittelt. Das Verfahren wird anhand eines Beispiels mit WLAN Infrastruktur genauer erklrt.

2. Grundlagen

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Abbildung 2.6: Location Fingerprinting

Phase 1 (lernen) In dieser Phase werden die Vorbereitungen getroffen, um eine Lokalisierung zu ermglichen. Die einzelnen Rume eines Gebudes werden in ein Rastergitter gelegt, um eine Verbindung von realen Standpunkten zu X/Y-Angaben fr den Computer machen zu knnen. Danach wird jeder einzelne Punkt dieses Gitters vermessen. Dazu wird die Signalstrke der in Reichweite befindlichen WLAN-Accesspoints gemessen und ein Fingerabdruck fr diesen Standpunkt erstellt.

Phase 2 (lokalisieren) Fr die eigentliche Lokalisierung wird im Endgert eine WLAN-Funktionalitt und Verbindung zum Server vorausgesetzt. Wir nehmen an, dass sich der Benutzer im Gebude bewegt. Auch hier werden die Signalstrkewerte der in Reichweite befindlichen WLAN-Accesspoints gemessen. Diese Werte werden vom Endgert an den Server geschickt. Dieser vergleicht die empfangenen Daten mit seiner Datenbank und sendet dem Endgert den zu diesem Fingerabdruck zugeordneten Standpunkt zurck. Ein Benutzer knnte so z. B. mit seinem Handy durch das Gebude gehen und auf dem Display seinen momentanen Standort erkennen. Ein klarer Kostenvorteil ist die Verwendung bereits existierender Infrastruktur. Jedoch muss die Umgebung in einer Lernphase erfasst werden. Da sich die Umgebung ndern4 kann, muss das Umgebungsmodell durch aktuelle Messungen regelmig erneuert werden.4

z. B. durch Abschalten eines Accesspoints

2. Grundlagen

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2.2.3.

Time of Arrival (ToA)

Das als Time of Arrival oder auch Time of Flight (ToF) bekannte Verfahren misst die Signallaufzeit vom Sender zum Empfnger. Durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle kann die Entfernung vom Sender zum Empfnger berechnet werden.

Schallwellen Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen ist hauptschlich von Wind und Temperatur abhngig: Werden diese Faktoren nicht bercksichtigt, mssen Messfehler von ber 10% in Kauf genommen werden. Da die meisten Systeme wohl im Innenbereich5 eingesetzt werden, kann folgender Wert fr die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen verwenden werden: 343,42 m/s. Weiterhin ist zu Bercksichtigen, dass Schallwellen durch z. B. Wnde stark gedmpft werden. Es muss deshalb auf eine geschickte Verteilung der Sensorknoten geachtet werden. Durch die Gre der Bauteile zum Erzeugen und Empfangen von Schallwellen ist eine hohe Integration nicht mglich. Des Weiteren ist der erhhte Stromverbrauch zu bercksichtigen.

Elektromagnetische Wellen Elektromagnetischen Wellen breiten sich im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit aus.

c0 = 299.792.458

m s

(Formel 4)

In Materie breiten sich elektromagnetische Wellen jedoch langsamer als im Vakuum aus. Die Lichtgeschwindigkeit in bodennaher Luft ist um 0,29 Promille langsamer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Daraus wrde sich bei einer Entfernungsmessung auf 50 m ein Fehler von 1,5 cm ergeben. Die wirkliche Herausforderung bei Laufzeitmessungen von elektromagnetischen Wellen ist ihre hohe Ausbreitungsgeschwindigkeit. Fr einen Meter bentigen sie gerade einmal 3,3 ns. Es werden deshalb sehr genaue Uhren gebraucht, um die kurze Signallaufzeit zu messen.

5

unter der Annahme einer Temperatur von 20C und Windstille

2. Grundlagen

22

2.2.4.

Time Difference of Arrival (TDoA)

Das Verfahren Time Difference of Arrival verwendet wie ToA die Laufzeit von Signalen, um die Distanz zwischen Sender und Empfnger zu erhalten. Der Unterschied besteht darin, dass mehrere Signale gleichzeitig gesendet werden. Durch Differenzbildung der Laufzeiten kann eine Berechnung der Distanz erfolgen. Dieses Prinzip kann zur Entfernungsschtzung von Gewittern benutzt werden. Es zeigt sich zuerst ein Blitz gefolgt von einem Donner. Dies ist auf die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen und Schallwellen zurckzufhren. Wird diese Zeitdifferenz gemessen, kann dadurch die Entfernung zum Gewitter berechnet werden.

2.2.5.

Received Signal Strength (RSS)

Der englische Begriff Received Signal Strength steht im deutschen fr die Empfangsfeldstrke. Die meisten Transceiver messen die Empfangsfeldstrke von empfangenen Paketen und bilden daraus einen Indikator-Wert. Dieser Wert kann aus dem Transceiver ausgelesen werden und ber eine Tabelle in einen Leistungswert umgerechnet werden. Es gibt nun mehrere Anstze, diesen Wert zu Lokalisierungszwecken zu verwenden. Ein Ansatz ist das Location Fingerprinting6. Eine weitere Mglichkeit ist es, den RSSI-Wert in einen Distanzwert umzurechnen und mittels Trilateration eine Lokalisierung durchzufhren. Die Umrechnung kann ber die quadratische Abnahme der Signalstrke bei steigender Entfernung durchgefhrt werden. Diese unter idealen Bedingungen gltige, mathematische Beziehung kann in einer realen Umgebung zu erheblichen Fehlern fhren. Darber hinaus gibt es weitere Algorithmen, die z. B. eine Gewichtung der RSSI-Werte vornehmen. Allgemein werden RSSI-Werte hufig zur Lokalisierung in Sensornetzwerken eingesetzt. Dies drfte darauf zurckzufhren sein, dass fast jeder Funkchip RSSI-Werte zu Verfgung stellt. Allerdings sind die damit erreichbaren Genauigkeiten fr viele Anwendungsflle zu ungenau.

6

Siehe Kapitel 2.2.2 Location Fingerprinting

2. Grundlagen

23

2.2.6.

Angle of Arrival (AoA)

Bei dieser Methode wird der Winkel zwischen der Ausbreitungsrichtung einer Funkwelle und einer Referenzrichtung im Empfnger ermittelt. Dies geschieht ber spezielle Antennenfelder. Sie bestimmen die Amplitude oder die Phasendifferenz des Signals an verschiedenen Punkten des Antennenfeldes. So kann bereits mit zwei Ankerknoten eine Lokalisierung auf einer Flche7 durchgefhrt werden.

Abbildung 2.7: Triangulation durch Winkelmessung

Leider versagen AoA-basierte Verfahren sehr schnell, wenn keine direkte Sichtverbindung besteht. Neben den Kosten fr spezielle Antennen schrnkt die Mehrwegeausbreitung von Funksignalen diesen Ansatz weiter ein. Deshalb wird diese Methode nur in speziellen Anwendungen zur Lokalisierung in Sensornetzwerken verwendet. Zum Einsatz kommen Systeme mit Winkelmessung z. B. beim Aufspren von Piratensendern oder militrischen Sendestationen.

2.2.7.

Zusammenfassung

Es existieren verschiedene Anstze, um eine Lokalisierung in Sensornetzwerken durchzufhren. Da die Anwendungsgebiete fr Sensornetzwerke zahlreich sind und unterschiedliche Anforderungen haben, werden auch verschiedene Verfahren eingesetzt. Hier muss ein Kompromiss zwischen der Genauigkeit der Lokalisierung und den Kosten fr das System getroffen werden.

7

Im Raum wren mindestens drei Knoten erforderlich.

2. Grundlagen

24

2.3. LokalisierungstechnologienEs gibt auf dem Markt viele verschiedene Technologien, die zur Lokalisierung bzw. zur Positionsbestimmung genutzt werden. Es wird jedoch nur auf Systeme eingegangen, die fr Sensornetzwerke relevant sind. In diesem Kapitel werden die unterschiedlichen Techniken mit ihrer Bedeutung fr Sensornetzwerke vorgestellt. Die nachfolgende Grafik gibt einen berblick ber bestehende Systeme mit der ihren zugrunde liegenden Technologie.

Abbildung 2.8: berblick Lokalisierungstechnologien

Um den Standort eines Objektes zu bestimmen, muss ein Bezugsystem vorhanden sein. Dabei wird entweder bereits existierende Infrastruktur genutzt oder eine eigenstndige Infrastruktur geschaffen.

2. Grundlagen

25

2.3.1.

Eigenstndige Infrastruktur

In Sensornetzwerken wird meist eine eigene Infrastruktur aufgebaut. Dies wird mit Hilfe so genannter Ankerknoten bewerkstelligt. Ankerknoten sind Sensorknoten, die fest an einem Ort installiert sind und deren Standort bekannt ist. Bewegliche Sensorknoten nutzen diese Infrastruktur als Referenz und knnen somit ihren Standort bestimmen. Dieses Prinzip ist bei den meisten Sensornetzwerken gleich. Jedoch werden dabei, auf Grund unterschiedlicher Anforderungen, verschiedene Technologien eingesetzt.

Ultraschall Als Ultraschall werden Schallwellen in einem Bereich von 20 kHz bis 1 GHz bezeichnet, die der Mensch nicht wahrnehmen kann. Sie knnen mit Lautsprechern erzeugt bzw. mit Mikrofonen empfangen werden. Ultraschall wird bereits in einigen Sensornetzwerken eingesetzt. Das Bat System, das an der Universitt Cambridge entwickelt wurde, verwendet Ultraschall zur Lokalisierung in Gebuden. Dabei bildet ein drahtgebundenes Netzwerk von Ultraschallempfngern an der Decke die Infrastruktur, die zur Lokalisierung der mobilen Sensorknoten genutzt wird. Die mobilen Sensorknoten senden zur Lokalisierung Ultraschallwellen aus, die von den Empfngern an der Decke empfangen werden. Die drahtgebundenen Empfnger arbeiten synchron und berechnen durch ein TDoA Verfahren den Abstand zum Sensorknoten. Es kann dabei eine Genauigkeit8 von 3 cm erreicht werden. Um diese hohe Genauigkeit zu erzielen, muss ein feinmaschiges Netz von Empfngern vorhanden sein. Die hohe Genauigkeit kann durch die relativ langsame Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen erreicht werden.

Bat (Ultraschall) + hohe Genauigkeit - drahtgebundene Infrastruktur - Sichtverbindung notwendig - nur Indoor-Lokalisierung mglich Tabelle 2.1: Eigenschaften Bat

8

Die angegebene Genauigkeit wurde bei einer Messung mit Daten von 15 Empfngern erreicht.

2. Grundlagen

26

Infrarot Mit dem Begriff Infrarotstrahlung werden elektromagnetische Wellen in einem Frequenzbereich von 120 THz 384 THz bezeichnet. Sie werden in der Nachrichtentechnik hufig zur drahtlosen Kommunikation ber kurze Strecken eingesetzt. Die bertragung kann dabei durch helles Licht und Gegenstnde gestrt oder sogar blockiert werden. Da diese Wellen keine Wnde durchdringen knnen, sind sie gut fr eine raumgenaue Lokalisierung geeignet. Es befinden sich bereits Sensornetzwerke am Markt, die diese Technik verwenden. Ein Beispiel dafr ist ein raumgenaues Lokalisierungssystem, das von Olivetti zur Rufweiterleitung entwickelt wurde. Das System mit dem Namen Active Badge besteht aus einem Netzwerk von Empfngern, die drahtgebunden miteinander vernetzt sind. Die mobilen Sensorknoten werden von Personen wie Namenschilder getragen. Sie senden ein Infrarotsignal mit einer eindeutigen Kennung aus. Das Signal kann von der ortsfesten Infrastruktur empfangen werden, welche die Daten an einen zentralen Rechner weiterleitet. Dem Rechner sind die Standorte der Empfnger bekannt und er kann somit eine raumgenaue Lokalisierung von Personen durchfhren und Anrufe an das nchstgelegene Telefon weiterleiten.

Active Badge (Infrarot) + kleine Baugre + niedriger Stromverbrauch - relativ geringe Genauigkeit - Sichtverbindung notwendig - nur Indoor-Lokalisierung mglich Tabelle 2.2: Eigenschaften Active Badge

Funk Funk bezeichnet technisch erzeugte elektromagnetische Wellen, die zur Nachrichtenbertragung genutzt werden. Sie werden in einem Sender erzeugt und bentigen fr die bertragung zu einem Empfnger kein Medium. Funkwellen knnen sich im freien Raum ideal ausbreiten. Dabei nimmt die abgestrahlte Leistungsdichte mit dem Quadrat der Entfernung ab. Die Empfangsleistung kann somit genau berechnet werden. Aber bereits auf der Ebene werden nicht nur das direkte Signal, sondern auch vom Boden reflektierte Anteile empfangen. Der Effekt, dass ein Empfnger andere Anteile als nur das direkte Signal empfngt, wird als Mehrwegeausbreitung bezeich-

2. Grundlagen

27

net. Hier spielt die Umgebung, in der sich Sender und Empfnger befinden, eine groe Rolle. Das Signal kann z. B. an Husern gebeugt oder reflektiert werden.

Abbildung 2.9: Funkausbreitung

Besteht keine Sichtverbindung9 zwischen Sender und Empfnger, spricht man von einer Abschattung. Es knnen nur noch indirekte Signale empfangen werden. Durch die Phasendifferenz der direkten und indirekten Funkwellen kann es zu additiven oder subtraktiven berlagerungen kommen. Deshalb kann die empfangene Signalstrke im Falle einer Mehrwegeausbreitung nur mit aufwndigen Umgebungsmodellen berechnet werden. Funkwellen sind die am meisten genutzte Technologie fr Sensornetzwerke. Ein Vorteil ist, dass die Funksignale nicht nur zur Kommunikation, sondern auch zur Lokalisierung genutzt werden knnen. Auf dem Markt wird eine Vielzahl von verschiedenen Funkstandards eingesetzt.

Abbildung 2.10: Funkstandards9

im Englischen auch als Line of Sight (LoS) bezeichnet.

2. Grundlagen

28

Jedoch bietet Nanotron Technologies als einzige Firma einen Transceiver an, der sowohl die Datenkommunikation, als auch die Laufzeitmessung von Funksignalen hardwaremig untersttzt.

nanoLOC (Funk) + hohe Genauigkeit + In- und Outdoor-Lokalisierung mglich + keine Sichtverbindung notwendig + kleine Baugre - relativ hoher Preis pro Funkchip - bisher nur ein Anbieter Tabelle 2.3: Eigenschaften nanoLOC

2.3.2.

Fremde Infrastruktur

Der Ausdruck fremde Infrastruktur bezeichnet Systeme, die zwar von anderen Betreibern installiert wurden, aber fr Lokalisierungszwecke genutzt werden knnen.

Satellitenfunk Das wohl bekannteste System zur Positionsbestimmung ist das Global Positioning System (GPS). Dies ist ein satellitenbasiertes System, das mittels Laufzeitmessung von Funksignalen arbeitet. Es werden die Entfernungen von mehreren Satelliten10 zum Endgert ermittelt und mit Hilfe von Trilateration die Position bestimmt. Die ausgestrahlten Signale sind unverschlsselt und knnen sowohl fr private als auch kommerzielle Zwecke kostenlos genutzt werden. Durch die Abdeckung mit ber 25 Satelliten ist das System praktisch berall auf der Erde nutzbar. Es wird mit aktuellen Endgerten fr den Massenmarkt eine Genauigkeit von ca. 20 m erreicht. Fr eine einwandfreie Positionsbestimmung muss jedoch eine Sichtverbindung zu den Satelliten bestehen. Daher verschlechtert sich die Genauigkeit in Huserschluchten und eine Positionsbestimmung in Gebuden ist nur in Fensternhe mglich. Gegen die Verwendung von GPS in Sensornetzwerken sprechen zum einen die unzureichende Genauigkeit und zum anderen die fehlende Funktionsfhigkeit in Gebuden. Darber hinaus haben die heutigen GPS-Chipstze fr Sensorknoten eine zu groe Baugre, sind zu teuer und verbrauchen zu viel Energie. Da GPS globale Bezugsdaten liefert, wird es vereinzelt zum Einmessen von lokalen Systemen verwendet.

10

Mindestens vier Satelliten sind fr eine Positionsbestimmung mit GPS notwendig.

2. Grundlagen

29

GPS (Satellitenfunk) + globales Bezugssystem - relativ geringe Genauigkeit - Sichtverbindung notwendig - nur Outdoor-Lokalisierung mglich Tabelle 2.4: Eigenschaften GPS

Mobilfunk Die Mobilfunktechnik wird weltweit zur mobilen Kommunikation genutzt. In allen Industriestaaten ist sie beinahe flchendeckend verfgbar. Zur Lokalisierung werden meist CoO11 Verfahren eingesetzt. Diese sind jedoch ziemlich ungenau und deshalb nicht fr eine Lokalisierung in Gebuden geeignet. Deshalb wird die Mobilfunktechnik in Sensornetzwerken nur fr Anwendungen benutzt, in denen die Genauigkeit der Standortbestimmung eine untergeordnete Rolle spielt. Ein Vorteil dieser Technik ist die hohe Reichweite der Funksignale. Sensornetzwerke knnen damit auch in sehr weitlufigen Gebieten eingesetzt werden.

GSM (Mobilfunk) + groe Abdeckung + hohe Reichweite - geringe Genauigkeit - Abhngigkeit von Netzbetreiber - nur Outdoor-Lokalisierung mglich Tabelle 2.5: Eigenschaften GSM

Datenfunk Durch die Zunahme von breitbandigen Internetzugngen ist auch ein Anstieg von WLAN-Accesspoints zu verzeichnen. Die Abdeckung im Bereich von Innenstdten ist bereits so hoch, dass WLAN fr Lokalisierungszwecke genutzt werden kann. Auch kann durch eigene WLAN-Accesspoints fremde Infrastruktur ergnzt oder eine komplett eigenstndige Infrastruktur aufgebaut werden. Die Funktionsweise wurde bereits beispielhaft im Kapitel 2.2.2 Location Fingerprinting vorgestellt.WLAN (Datenfunk) + hohe Genauigkeit + In- und Outdoor-Lokalisierung mglich + keine Sichtverbindung notwendig - hoher Stromverbrauch Tabelle 2.6: Eigenschaften WLAN11

Siehe auch 2.2.1 Cell of Origin

2. Grundlagen

30

2.3.3.

Zusammenfassung

Es wurden verschieden Systeme, die zur Lokalisierung in Sensornetzwerken in Frage kommen vorgestellt. Dabei wurde auf die Vor- und Nachteile der einzelnen Techniken eingegangen. Im Allgemeinen ist festzuhalten, dass die Benutzung fremder Infrastruktur nur in Spezialfllen zur Lokalisierung in Sensornetzwerken eingesetzt wird. In der folgenden Tabelle werden die vorgestellten Systeme miteinander verglichen. Dabei beziehen sich die Baugre und der Stromverbrauch nur auf den mobilen Sensorknoten. Dagegen umfassen die Systemkosten sowohl die eigene Infrastruktur zur Lokalisierung als auch die mobilen Sensorknoten.

Ultraschall (Bat) Infrarot (Active Badge) Funk (nanoLOC) Satellitenfunk (GPS) Mobilfunk (GSM) Datenfunk (WLAN)

3 cm Raum 2m 20 m 200 m 3m

mittel mittel klein mittel mittel klein

mittel gering gering hoch hoch hoch

hoch ja hoch ja niedrig nein niedrig ja niedrig nein niedrig nein

ja ja ja nein nein ja

Tabelle 2.7: Vergleich Lokalisierungstechnologien

Drahtlose Sensornetzwerke sollen im Allgemeinen einerseits in Gebuden und andererseits im Freien einsetzbar sein. Dieses Kriterium knnen nicht alle Technologien erfllen. Eine weitere Anforderung ist ein geringer Stromverbrauch, um eine lange Betriebsdauer der Sensorknoten zu erreichen. Dabei sind Funktechniken mit eigenstndiger Infrastruktur klar im Vorteil. Die Infrastruktur kann dort platziert werden, wo sie gebraucht wird, und das System kann so mit niedrigerer Sendeleistung betrieben werden. Dabei zeichnen sich vor allem Funkchips, welche fr einen Batteriebetrieb entwickelt wurden, durch einen geringen Stromverbrauch aus. Es werden deshalb in Sensornetzwerken meist Technologien eingesetzt, welche energiesparend betrieben werden knnen und Lokalisierung sowohl in Gebuden, als auch im Freien untersttzen.

Outdoor-Lokalisierung mglich / sinnvoll nein nein ja ja ja ja

Indoor-Lokalisierung mglich / sinnvoll

Sichtverbindung notwendig

Stromverbrauch

Systemkosten

Genauigkeit

Baugre

2. Grundlagen

31

2.4. nanoLOCNanoLOC ist ein von der Firma Nanotron Technologies entwickelter Funkchip fr batteriebetriebene Systeme. Er arbeitet mit einem, von dieser Firma, selbst entwickelten bertragungsverfahren. Der Funkchip ermglicht durch sein Design Laufzeitmessungen von Funksignalen. Dieses Kapitel beschreibt das verwendete bertragungsverfahren und geht auf mgliche Fehlerquellen ein.

2.4.1.

Multi Dimensional Multiple Access (MDMA)

Multi Dimensional Multiple Access (MDMA) ist ein von Nanotron Technologies entwickeltes bertragungsverfahren. Bei diesem Verfahren kann die Datenbertragung adaptiv an den Kanal angepasst werden. Als Signalform auf der Luftschnittstelle werden so genannte Chirpsignale verwendet. Chirpsignale sind linear-

frequenzmodulierte Signale mit konstanter Amplitude.

Abbildung 2.11: Up- und Downchirp [8]

Das Symbolalphabet umfasst 2 verschiedene Symbole. Steigt die Frequenz whrend der Symboldauer, wird von einem Upchirp gesprochen, der eine logische 1 reprsentiert. Eine logische 0 wird durch einen Downchirp dargestellt. Hierbei sinkt die Frequenz mit der Zeit. Dies ist in Abbildung 2.11verdeutlicht.

Abbildung 2.12: Signale MDMA [7]

2. Grundlagen

32

Im Basisband wird mit Sinc-Impulsen gearbeitet, welche eine kurze Zeitdauer aufweisen. Sie knnen durch dispersive Verzgerungsleitungen bzw. dispersive Filter zur bertragung auf der Luftschnittstelle in einen Chirp umgewandelt werden. Durch die Verwendung von komplementren Filtern funktioniert diese Umwandlung auch in die entgegen gesetzte Richtung.

Abbildung 2.13: Sinc-Impuls [7]

Im Frequenzbereich weisen Sinc-Impuls und Chirpsignale das gleiche Spektrum auf. Es ist durch steile Flanken und einen flachen Verlauf gekennzeichnet. Durch den groen Spreizfaktor sind Chirpsignale besonders resistent gegen Strungen whrend der bertragung.

Abbildung 2.14: LFM-Signal [7]

Um die Datenrate zu erhhen, knnen mehrere Chirpsignale problemlos berlagert werden. Dabei darf die Summe der Sendeleistungen einzelner Chirps die maximale Sendeleistung nicht berschreiten. Die nachfolgende Grafik zeigt auf der linken Seite Chirpsignale in einer zeitlich getrennten Abfolge. Wie im rechten Teil der Abbildung zu sehen ist, kann durch berlagerung der Chirpsignale die Datenrate gesteigert werden.

2. Grundlagen

33

Abbildung 2.15: Symboldauer [7]

MDMA ist durch die Verwendung von breitbandigen Chirpsignalen robust gegen Strungen whrend der bertragung. Die Sinc-Impulse, die im Basisband verwendet werden, knnen durch ihre steilen Flanken gut detektiert werden.

2.4.2.

Chirp Spread Spectrum (CSS)

Chirp Spread Spectrum (CSS) ist die erste und einfachste Implementierung von MDMA. Diese bertragungsart wurde auf die Anforderungen von batteriebetriebenen Sensornetzwerken mit hohen Datenraten zugeschnitten. CSS ist fr den Betrieb im 2,45 GHz ISM-Band ausgelegt und erreicht eine maximale Datenrate von 2 Mb/s. Die Symbole werden mit einer effektiven Bandbreite von 64 MHz bertragen.

2.4.3.

Symmetrical Double-Sided Two Way Ranging (SDS-TWR)

Der Name Symetrical Double Sided Two Way Ranging (SDS-TWR) steht fr ein ToA Verfahren, das von der Firma Nanotron Technologies entwickelt wurde. Da die Synchronisierung der Sensorknoten mit dem heutigen Stand der Technik nur sehr aufwndig mglich ist, wird dies durch eine Messung der Signalrundlaufzeit12 umgangen. Dies soll anhand der folgenden Grafik erlutert werden:

12

Im Englischen auch als Round Trip Time (RTT) bezeichnet

2. Grundlagen

34

Abbildung 2.16: Round Trip Time (RTT)

Knoten A leitet die Messung13 der Signalrundlaufzeit ein. Dazu sendet er ein Datenpaket zu Knoten B und startet einen Timer. Sobald Knoten B das Paket empfangen hat startet auch dieser einen Timer. Knoten B stoppt kurz vor dem Versand eines Antwortpakets seinen Timer und bersendet die Verarbeitungszeit als Inhalt des Antwortpakets. Hat Knoten A das Antwortpaket erhalten, stoppt auch er seinen Timer. Es kann nun die Signallaufzeit wie folgt berechnet werden:

Tprop =

Tround -Treply 2

(Formel 5)

Die Zeitmessung wird mit Hilfe von Timern, die ihren Takt von einem Oszillator beziehen, realisiert. Die Oszillatorschaltung beinhaltet einen Quarz, welcher Toleranzen aufweist. Dies kann zu Fehlmessungen der Verarbeitungszeit von Knoten B und der Gesamtrundlaufzeit fhren, die Knoten A misst. Bei Verwendung der gleichen Quarze auf Knoten A und B ist der Fehler der Signallaufzeit gleich der Toleranz der Quarze. Die nachfolgende Tabelle zeigt den Fehler in Abhngigkeit von Quarztoleranzen und Verarbeitungszeit fr einige typische Werte.

13

Die beiden Sensorknoten sind dabei nicht synchronisiert.

2. Grundlagen

35

Verarbeitungszeit

20 s 200 s 500 s

2 ppm 0,6 cm 6 cm 15 cm

Quarztoleranzen 10 ppm 30 ppm 3 cm 9 cm 30 cm 90 cm 75 cm 2,25 m14

50 ppm 15 cm 1,5 m 3,75 m

Tabelle 2.8: Messfehler TWR

Es ist zu erkennen, dass zum Teil Fehler im Bereich von einigen Metern auftreten knnen. Um diesen Fehler zu verringern, wird beim SDS-TWR eine zweite Messung durchgefhrt.

Abbildung 2.17: Zeitdiagramm

Die zweite Messung hat den gleichen Ablauf, wird jedoch von Knoten B eingeleitet. Nun kann die Laufzeit des Signals ber die Luftschnittstelle (Tprop) wie folgt berechnet werden.

Tprop =

TroundA TreplyA + TroundB TreplyB 4

(Formel 6)

Durch die beiden symmetrischen Messungen der Signalrundlaufzeit wird der Fehler durch Quarzabweichungen bedeutsam verkleinert. Dies beruht darauf, dass der Fehler nun nicht mehr von der Verarbeitungszeit eines Knotens abhngt, sondern durch die symmetrische Messung von der Zeitdifferenz der Verarbeitungszeiten von Knoten

14

Der entwickelte Sensorknoten verwendet einen Quarz mit einer Toleranz von 30 ppm und die Ant-

wortzeit betrgt ca. 500 s.

2. Grundlagen

36

A und B abhngig ist. Da das Antwortpaket hardwaremig generiert wird, ist dieser Zeitunterschied sehr gering im Vergleich zur Verarbeitungszeit. Die nachfolgende Tabelle zeigt den Fehler in Abhngigkeit von Quarztoleranzen und der Verarbeitungszeitdifferenz fr einige typische Werte.

Verarbeitungszeit

200 ns 2 s 20 s

2 ppm 0,03 mm 0,3 mm 3 mm

Quarztoleranzen 10 ppm 30 ppm 0,15 mm 0,5 mm15 1,5 mm 5 mm 1,5 cm 5 cm

50 ppm 0,75 mm 7,5 mm 7,5 cm

Tabelle 2.9: Messfehler SDS-TWR

Wie Tabelle 2.8 und Tabelle 2.9 entnommen werden kann sinkt der Fehler durch Quarztoleranzen um mehrere Grenordnungen durch die Verwendung des SDSTWR Verfahrens.

2.4.4.

Zusammenfassung

Die gut detektierbaren Sinc-Impulse im Basisband erlauben dem nanoLOC Transceiver eine gute Auflsung bei Laufzeitmessungen von Funksignalen. Auf der Luftschnittstelle werden so genannte Chirpsignale bertragen. Diese weisen ein breites Spektrum auf und sind robust gegen Strungen bei der bertragung. Durch den Einsatz des SDS-TWR Verfahrens kann auf eine Synchronisation verzichtet werden und die Fehler durch Quarztoleranzen verkleinern sich signifikant.

15

Der entwickelte Sensorknoten verwendet ein Quarz mit einer Toleranz von 30 ppm. Die Antwort-

zeitdifferenz betrgt ca. 200 ns.

3. Hardware

37

3. HardwareDie Hardware wurde mit Hilfe des Design-Werkzeugs Board Station der Firma Mentor Graphics entwickelt, mit der sowohl die Schaltplaneingabe, als auch das Platinenlayout erfolgten. Nachdem die Platine von einer externen Firma gefertigt und bestckt geliefert worden war, konnte die Hardware in Betrieb genommen werden. Das folgende Kapitel berichtet ber den Entwicklungsprozess der Hardware und den Test der Baugruppe.

3.1. AnforderungenEs sollte ein Sensorknoten mit dem nanoLOC Transceiver der Firma Nanotron Technologies entwickelt werden, der Laufzeitmessungen von Funksignalen

ermglicht. Das Fraunhofer Institut fr Integrierte Schaltungen hat bereits einige Sensorknoten entwickelt und betreibt diese in speziellen Gehusen. Der zu entwickelnde Sensorknoten sollte in das gleiche Gehuse passen. Die

Spannungsversorgung sollte, wie auch bei den Vorgngermodellen, aus zwei in Reihe geschalteten Batterien mit einer Gesamtspannung von 3 V erfolgen. Um eine lange Betriebsdauer des Sensorknotens zu erreichen, wurden hohe Anforderungen an die Energieeffizienz des Sensorknotens gestellt. Als zentrale Steuereinheit soll ein Low-Power-Mikrocontroller der Firma Texas Instruments mit der Bezeichnung MSP430F2418 zum Einsatz kommen. Dieser kann in verschiedene stromsparende Schlafmodi versetzt werden. Darber hinaus sollen einige Bauteile frherer Sensorknotendesigns bernommen werden.

3. Hardware

38

Die Anforderungen knnen wie folgt zusammengefasst werden: Transceiver: nanoLOC (Nanotron Technologies) Mikrocontroller: MSP430F2418 (Texas Instruments) Spannungsversorgung: zwei 1,5 V Batterien in Reihe geschaltet Abmessungen L x B x H: 52 mm x 39 mm x 8 mm Zwei Reedschalter Zwei LEDs Lichtsensor Beschleunigungssensor Serial Number Chip EEPROM Summer

3.2. Planung und BauteilauswahlDieses Kapitel beschreibt die Planungsphase der Hardware und die Auswahl der Bauteile. Es sind einige Bauteile aus dem Design der Vorgngerhardware bernommen worden, die aber nicht in dieser Arbeit genutzt werden. Ein Beispiel dafr ist der Beschleunigungssensor. Diese Bauteile wurden fr weiterfhrende Arbeiten in das Hardwaredesign mit aufgenommen. Da sie jedoch in dieser Arbeit nicht benutzt werden, wird im weiteren Verlauf nicht nher auf sie eingegangen. Der erste Schritt der Planung war eine Liste aller bentigten Bauteile zu erstellen. Danach wurde, wie in Abbildung 3.1 zu sehen, ein Blockschaltbild entworfen, das das Zusammenspiel der Komponenten zeigt.

Abbildung 3.1: Blockschaltbild Sensorknoten

3. Hardware

39

Die Anforderungen das bestehende Gehuse der Knoten verwenden zu knnen, musste beim Hardwaredesign bercksichtigt werden. Dabei musste nicht nur auf die Abmae der Platine, sondern auch auf die Platzierung von bestimmten Bauteilen, wie z. B. den Reedschaltern, geachtet werden.

3.2.1.

Spannungsversorgung

Der Sensorknoten soll durch zwei in Reihe geschaltete Batterien mit einer Spannung von 3 V betrieben werden. Im energiesparenden Schlafmodus des Mikrocontrollers soll der Transceiver abgeschaltet sein. Der Transceiver kann nur mit einer Versorgungsspannung im Bereich von 2,3 2,7 V betrieben werden. Deshalb muss die Batteriespannung herunter geregelt werden. Die Ausgangsspannung des Spannungsreglers wurde mit 2,5 V genau in die Mitte dieses Bereiches gelegt. Es war nun die berlegung die ganze Baugruppe mit 2,5 V zu betreiben oder nur den Transceiver und die restlichen Bauteile mit der Batteriespannung von 3 V. Ein Problem bei einem Betrieb der Bausteine mit unterschiedlichen Versorgungsspannungen ist die Pegelanpassung der Signalleitungen. Um gleiche Pegel auf den Signalleitungen zwischen Mikrocontroller und Transceiver zu gewhrleisten, gab es zwei verschiedene Lsungsanstze16.

1. Lsungsansatz: Unterschiedliche Versorgungsspannung (2,5 V / 3 V) In diesem Ansatz werden die verschiedenen Spannungspegel von Mikrokontroller und Transceiver durch zwischengeschaltete Pegelwandler angepasst. Da 5 Signalleitungen vom Mikrocontroller zum Transceiver und 3 in die andere Richtung angepasst werden mssen sind mindestens drei 4-Bit-Pegelwandler notwendig. Des Weiteren wird ein Spannungsregler fr den Transceiver bentigt.

2. Lsungsansatz: Gleiche Versorgungsspannung (2,5 V) Diese Lsung sieht die Spannungsversorgung der beiden Bausteine mit der gleichen Spannung vor. Der Vorteil es wird nur ein Bauteil, nmlich ein Spannungsregler, bentigt. Nachteil ist ein hherer Stromverbrauch, da der Spannungsregler auch whrend der normalerweise stromsparenden Schlafphasen Energie verbraucht.

16

Es gibt insgesamt 8 Verbindungen zwischen den beiden Bausteinen.

3. Hardware

40

Die Entscheidung fiel auf den 2. Lsungsansatz mit dem Spannungsregler, da er mit weniger Bauteilen auskommt. Der hhere Stromverbrauch wurde durch die Verwendung von zwei Spannungsreglern gesenkt. Beim Mikrocontroller wurde ein sehr energieeffizienter Spannungsregler eingesetzt. Dem Transceiver wurde ein eigener Spannungsregler spendiert, welcher ber den Mikrocontroller abgeschaltet werden kann.

Abbildung 3.2: Spannungsversorgung

Die Spannungsversorgung der Baugruppe kann in einem Bereich von 2,7 3,6 V erfolgen. Bei einem entladungs- bzw. alterungsbedingten Spannungsabfall der Batterie kann der Sensorknoten somit bis zu einer Spannung von 2,7 V betrieben werden.

Im weiteren Verlauf werden die verwendeten Bauteile mit ihrer Funktion fr das Gesamtsystem und ihren Eckdaten vorgestellt. Bis auf den Beschleunigungssensor konnten alle Bauteile fristgerecht besorgt und bestckt werden. Da der Beschleunigungssensor nicht lieferbar war, wurde er im Layout zwar vorgesehen, blieb aber bei der Herstellung der Baugruppe unbestckt. Ein Fehlen dieses Bausteins hat keine Auswirkungen auf die Laufzeitmessungen.

3.2.2.

Transceiver

Die Anforderungen an den Transceiver waren, dass die Laufzeitmessung hardwaremig untersttzt wird und der gleiche Baustein auch zur Datenkommunikation eingesetzt werden kann. Eine im Vorfeld durchgefhrte Marktanalyse hat gezeigt, dass die Firma Nanotron Technologies der derzeit einzige Anbieter eines solchen Chips

3. Hardware

41

ist. Es wird deshalb der Transceiver der Firma Nanotron mit der Bezeichnung nanoLOC verwendet. Die nachfolgende Tabelle zeigt einige Kenndaten des Bausteins.

Transceiver nanoLOC (NA5TR1) Frequenz 2,45 GHz Datenrate (maximal) 2 Mb/s Sendeleistung (maximal) 0 dBm Empfangsempfindlichkeit -97 dBm Modulationsart CSS Przise Distanzmessungen mglichTabelle 3.1: Kenndaten nanoLOC

Der Transceiver funkt mit einer Frequenz von 2,45 GHz im so genannten ISM-Band. Dieses Frequenzband darf fr Anwendungen in Industrie, Wissenschaft, Medizin und im huslichen Gebrauch benutzt werden. Da in diesem Bereich auch Mikrowellenherde und z. B. WLANs arbeiten, kann es zu Beeinflussungen kommen.

Serial Peripheral Interface (SPI) Zur Kommunikation zwischen Mikrocontroller und Transceiver wird ein SPI Bus verwendet. Dabei ist der Mikrocontroller der Master er stellt den Takt bereit und steuert den Datenfluss.

Abbildung 3.3: Serial Peripheral Interface

Der SPI-Bus arbeitet im 3-Pin Modus mit einem chip select Signal17 und der halben Systemtaktfrequenz18. Bei der Kommunikation wird das niederwertigste Bit zuerst bertragen. Um alle Register beschreiben zu knnen mssen sowohl die Real Time Clock, als auch die Baseband Clock des Transceivers aktiv sein.17 18

SpiSSn 4 MHz

3. Hardware

42

3.2.3.

Mikrocontroller

Das Herzstck des Sensorknotens ist ein Mikrocontroller der Firma Texas Instruments mit der Bezeichnung MSP430F2418. Er wurde fr Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch konzipiert. In der folgenden Tabelle sind einige Kenndaten des Mikrocontrollers aufgefhrt.

Mikrocontroller MSP430F2418 Taktfrequenz (maximal) Flash RAM A/D Konverter USCIs (UART/LIN/IrDA/SPI/I2C) 16 Bit Timer

16 MHz 116 kByte 8 kByte 12 Bit 2 2

Tabelle 3.2: Kenndaten MSP430F2418

Basic Clock Module Das Basic Clock Module besitzt zwei Oszillatoren und einen digitally-controlled oscillator (DCO) zur Takterzeugung. Hieraus werden der Hilfstakt Auxiliary Clock (ACLK), der Systemtakt Main System Clock (MCLK) und der Takt fr die Peripherie Sub System Clock (SMCLK) erzeugt.

Abbildung 3.4: Takterzeugung

Der Mikrocontroller wird ber einen Spannungsregler mit 2,5 V versorgt. Die Abhngigkeit des maximal zulssigen Systemtakts von der Versorgungsspannung kann der nachfolgenden Grafik entnommen werden:

3. Hardware

43

Abbildung 3.5: maximaler Systemtakt [12]

Aus dem Diagramm ist abzulesen, dass der Mikrocontroller bei einer Versorgungsspannung von 2,5 V mit einem maximalen Systemtakt von ca. 10 MHz betrieben werden kann Fr die entwickelte Baugruppe wurde eine Taktfrequenz von 8 MHz gewhlt, da einige Module des Mikrocontrollers durch den Systemtakt gespeist werden. So z. B. die UART Schnittstelle, deren Einstellungen im Benutzerhandbuch nur fr typische Taktfrequenzen in Vielfachen von 4 MHz angegeben sind. Die 8 MHz Takterzeugung bernimmt der DCO, den man mit 3 Registern von grob bis fein einstellen kann. Dabei kann die Taktfrequenz bei gleichen Einstellungen der Register von Baustein zu Baustein um bis zu 50% abweichen. Um nicht jeden Baustein einzeln vermessen und individuell einstellen zu mssen, wurde die Kalibrierung19 softwaretechnisch gelst. Der kalibrierte Systemtakt ist im Betrieb von der Versorgungsspannung und der Temperatur des Mikrocontrollers abhngig. Da der Mikrocontroller ber einen Spannungsregler versorgt wird, treten hier nur vernachlssigbare Schwankungen auf. Die Temperaturabhngigkeit wird im Datenblatt in einem Temperaturbereich von 0 - 85 Celsius mit maximal +/- 2,5 % angegeben. Die Genauigkeit des Systemtakts ist fr die geplante Anwendung ausreichend und braucht deshalb nicht whrend des Betriebes nachgeregelt werden.

19

Siehe Kapitel 4.3.2 Kalibrierung

3. Hardware

44

UART Modul Das UART Modul wird zur Kommunikation mit dem PC ber die V.24 Schnittstelle verwendet. Die serielle bertragung geschieht mit einer Zeichenlnge von 8 Bit Daten und einem Stoppbit wobei das niederwertigste Bit zuerst bertragen wird. Die verwendete Baudrate von 38400 wird ber mehrere Register vom SMCLK abgeleitet.

SPI Modul Das Serial Peripheral Interface wird zur Kommunikation zwischen Mikrocontroller und Transceiver genutzt und wurde bereits im Kapitel 3.2.2 Transceiver erlutert.

3.2.4.

Quarz

Es wird ein so genannter Uhrenquarz der Firma Abracon zur Erzeugung des ACLK verwendet, da dieser auf Grund seiner niedrigen Frequenz einen stromsparenden Betrieb der Baugruppe ermglicht. Die nachfolgende Tabelle nennt die Kenndaten des verwendeten Quarzes mit der Bezeichnung AB26TR.

Quarz AB26TR Frequenz Frequenztoleranz bei T = 25 C Last-Kapazitt CL 32,768 kHz +/- 20 ppm 12,5 pF

Tabelle 3.3: Kenndaten AB26TR

Der vom Quarz erzeugte Takt wird zum Kalibrieren des Systemtaktes benutzt und sollte deshalb mglichst genau sein. Um dies zu erreichen, muss die Last-Kapazitt des Quarzes durch Beschalten mit Kondensatoren angepasst werden. Die nachfolgende Abbildung zeigt drei Ersatzschaltbilder der Beschaltung.

3. Hardware

45

Abbildung 3.6: Ersatzschaltbilder Quarzbeschaltung

Die Last-Kapazitt des Quarzes sollte gleich der Reihenschaltung aus CL1 und CL2 sein. Bei der Beschaltung mssen auch parasitre Effekte, wie z. B. die Leitungsfhrung und die Kapazitt der Anschlusspins des Mikrocontrollers, bercksichtigt werden. Beim MSP430F2418 kann man zustzlich zu einer externen Beschaltung ber Register interne Kondensatoren zuschalten. Zur Berechnung der Kondensatoren werden zunchst die parallel geschalteten Kondensatoren zusammengefasst. Im Anschluss kann die Reihenschaltung zu einem Kondensator berechnet werden:CL1' = CL1intern + CL1extern + CL1parasitr CL2' = CL2intern + CL2extern + CL2parasitr

(Formel 7)

CLoad =

CL1' CL 2' CL1' + CL 2'

(Formel 8)

Sollten bei der Beschaltung gleich groe Kondensatoren verwendet werden und ist die Leitungsfhrung an beiden Pins des Quarzes symmetrisch, kann die Berechnung wie folgt vereinfacht werden:

CLoad =

CL1intern + CL1extern + CL1parasitr2

(Formel 9)

CL1intern + CL1extern = (2 CLoad ) CL1parasitr

(Formel 10)

3. Hardware

46

CL1intern + CL1extern = (2 12,5 pF ) 6 pF = 19 pF

(Formel 11)

Der Quarz wurde, aus Erfahrungswerten von vorausgehenden Schaltungsentwicklungen, mit zwei 12 pF Kondensatoren beschaltet. Mit Nutzung der internen Kondensatoren kann dieser Wert noch variiert werden. So ist eine Parallelschaltung mit einem internen 6 pF groen Kondensator mglich. Dies wrde eine Gesamtkapazitt von 18 pF ergeben, was dem rechnerisch ermittelten Wert nahe kommt.

3.2.5.

Antenne

Es wird eine Chipantenne der Firma Wrth Electronics verwendet. Sie zeichnet sich durch ihre hohe Bandbreite und einen relativ richtungsunabhngigen Gewinn aus. Einige Eckdaten knnen der folgenden Tabelle entnommen werden. Chip-Antenne 7488910245 Frequenzbereich Bandbreite mit Anpassung bei -10 dB Impedanz Abmessungen LxBxT Gewinn Spitzenwert Gewinn Durchschnittswert 2400 2500 MHz 590 MHz 50 9,5 x 2.0 x 1,2 mm 3,0 dBi 1,0 dBi

Tabelle 3.4: Kenndaten Chip-Antenne

Der Antennenhersteller weist darauf hin, dass durch Anpassung der Antenne an das Platinenlayout eine Verbesserung der frequenzabhngigen Eigenschaften erreicht werden kann. Deshalb wurden Pads fr Bauteile zur Anpassung vorgesehen. Da noch keine Aussage ber die Werte der Bauteile getroffen werden konnte, wurden die vom Hersteller verwendeten Gren vorgesehen.

Abbildung 3.7: Anpassung der Antenne

3. Hardware

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3.3. Entwurf und DesignDas Kapitel Entwurf und Design erlutert die Schaltplaneingabe und das Leiterplattendesign mit Hilfe der Software Board Station. Darber hinaus wird das Evaluationboard vorgestellt, welches zum Betrieb der Sensorknoten bentigt wird.

3.3.1.

Schaltplanerstellung

Der Schaltplan wurde mit der unter UNIX laufenden Software Board Station erstellt. Dies ist ein Programm zur Schaltplanerfassung und Leiterplattenentflechtung der Firma Mentor Graphics. Am Anfang mussten fr die ausgewhlten Bauteile Symbole fr diese Software erstellt werden. Standardbausteine sind bereits in einer Datenbank vorhanden. Jedes Bauteil und jedes Netz haben eine eindeutige Kennzeichnung.

Abbildung 3.8: Board Station von Mentor Graphics

Der Schaltplan wurde aus Platzgrnden und zum Zwecke der bersichtlichkeit auf 3 Seiten verteilt. Auf der 1. Seite ist der Transceiver mit seiner Beschaltung und dem Hochfrequenzteil zu sehen. Die 2. Seite beinhaltet den Mikrocontroller und die zu ihm gehrigen Bauteile. Die Sensoren befinden sich auf der 3. und letzten Seite. Nachdem die erste Version des Schaltplans fertig war, wurde dieser in einer Besprechung mit mehreren Kollegen berprft. Danach wurden die gefundenen Verbesse-

3. Hardware

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rungen eingearbeitet. Dieser Vorgang wiederholte sich, bis ein einwandfreier Stand des Schaltplans vorlag.

3.3.2.

Leiterplattendesign

Das Layout der Platine wurde aus Zeitgrnden an die externe Firma GCD Printlayout vergeben. Dazu wurden in einer Besprechung mit dem zustndigen Mitarbeiter die Schaltung und die Vorgaben an das Layout besprochen. Das Layout wurde in engem Kontakt mehrmals berarbeitet, bis es den Anforderungen entsprach. Besondere Beachtung galt dem Hochfrequenzteil der Schaltung. So wurde die Leiterbahnbreite von allen Hochfrequenzleitungen mit einem Softwarewerkzeug berechnet, um die Impedanzanpassung sicher zu stellen. Dies geschah mit der Software CITS25 von Polar. Die folgende Abbildung zeigt exemplarisch die Berechnung einer single ended Leitung.

Abbildung 3.9: CITS25 von Polar

Der Lagenaufbau der Platine wurde aus einem lteren Hardwaredesign bernommen. Die nachfolgende Abbildung zeigt den 4-lagigen Aufbau der Platine:

3. Hardware

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Abbildung 3.10: Lagenaufbau

Um die Bauteile auf der geforderten Gre der Platine unterzubringen, wurden sie auf die Ober- und Unterseite der Platine verteilt. Das Fertigen der Baugruppe wurde an die Firma Assdev vergeben.

3.3.3.

Evaluationboard

Bevor die eigentliche Inbetriebnahme des Sensorknotens erfolgen konnte, musste das existierende Evaluationboard fr die Sensorknoten des Fraunhofer IIS umgebaut werden. Dies war notwendig, da sich die Spannung der Datenleitungen von 3 V auf 2,5 V gesenkt hatte. Um nun gleiche Spannungspegel an den betreffenden Bausteinen zu erhalten, waren einige Leiterbahnunterbrechungen und Drahtverbindungen notwendig. Das Evaluationboard bietet einen USB-Anschluss, ber den die V.24 Schnittstelle des Sensorknotens benutzt werden kann. Der USB-Anschluss kann zustzlich zur Spannungsversorgung und zum Programmieren des Sensorknotens verwendet werden. Des Weiteren stellt es an Pfostensteckern einige Testsignale zur Verfgung. Diese Testpunkte bieten eine gute Mglichkeit, ohne groen Aufwand z. B. Signale, wie Sende- und Empfangssignal der V.24 Schnittstelle, zu messen. Auch bietet das Evaluationboard zwei zustzliche Taster und zwei LEDs, welche sich gut fr die Ein- und Ausgabe bei der Fehlersuche eignen.

3. Hardware

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Abbildung 3.11: Evaluationboard

3.4. Hardwareinbetriebnahme und TestDieses Kapitel beschreibt die Inbetriebnahme und den Test der Hardware. Um die Funktionstchtigkeit der Hardware zu berprfen, wurden fr die einzelnen Tests verschiedene Softwarevarianten programmiert. Diese Tests werden im weiteren Verlauf mit vorgestellt.

3.4.1.

Programmieren des Mikrocontrollers

Ein erster Versuch, den Sensorknoten ber den Boot Strap Loader (BSL) zu programmieren, schlug fehl. Deshalb wurden die fr diesen Vorgang benutzen Leitungen berprft. Es stellte sich heraus, dass die Pinbelgung an einem von zwei unabhngigen Verbindungssteckern zum Evaluationboard falsch belegt war. Der Fehler hatte sich bereits bei der Schaltplanerstellung eingeschlichen. Ein Benutzen dieses Steckers wre nur durch einen aufwndigen Umbau des Evaluationboards mglich gewesen. Da der Sensorknoten ber einen zweiten Stecker mit dem Evaluationboard verbunden werden kann, wurde diese Umbaumanahme nicht durchgefhrt. Aber auch ber den zweiten Stecker konnte der Sensorknoten nicht programmiert werden. Auch hier wurden die Signalleitungen berprft. Es konnte jedoch kein Fehler festgestellt werden. Eine Messung zeigte, dass der Mikrocontroller mit Spannung versorgt wurde, aber kein Takt am Quarz gemessen werden konnte. Um die Ursache dafr zu finden, wurden unter anderem der Mikrocontroller, das Quarz und die Bauteile der Quarzbeschaltung getauscht. Leider brachten auch diese Manahmen keinen Erfolg.

3. Hardware

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Ein nchster Versuch den Mikrocontroller ber die JTAG-Schnittstelle zu programmieren, gelang. Nach dem ersten Programmieren war auch der Takt am Quarz zu messen. Ein erneuter Versuch, den Mikrocontroller ber den BSL zu programmieren, schlug wieder fehl. Nach einer Internetrecherche stellte sich heraus, dass der Mikrocontroller eine neue Version des BSL verwendet, wofr ein anderes Timing gilt. Mit der neuesten BSL-Software fr den PC war schlielich auch ein Programmieren ber den BSL mglich.

3.4.2.

Programmablauf Mikrocontroller

Der Programmablauf des Mikrocontrollers wurde mit einem Programm getestet, welches die rote und grne LED abwechselnd blinken lsst. Somit konnte sichergestellt werden, dass der Programmablauf im Mikrocontroller funktioniert.

Abbildung 3.12: Sensorknoten Oberseite

3.4.3.

Serial Peripheral Interface

Die Kommunikation zwischen Mikrocontroller und Transceiver erfolgt ber das Serial Peripheral Interface. Um diese Funktionalitt zu berprfen, wurde ein Testprogramm geschrieben, welches ein Byte in den Speicher des Transceivers schreibt und danach das geschriebene Byte wieder aus dem Transceiver ausliest. Am Anfang gab es mit der Kommunikation einige Probleme. Irrtmlich war an der Slave Out Master In (SOMI) Datenleitung ein Pull-down Widerstand vorgesehen. Da der Transceiver

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an diesem Pin aber einen Opendrain Ausgang hat, konnte die Kommunikation nicht funktionieren. Deshalb wurde der Pull-down Widerstand auf allen Sensorknoten ausgeltet. Ein weiteres Problem stellte das Timing dar. Der programmierte Treiber zieht die Chip Select Leitung auf Low, um den Chip auszuwhlen, und am Ende des Leseoder Schreibvorgangs wieder auf High. Beim ersten Versuch konnte am Oszilloskop festgestellt werden, dass die Chip Select Leitung noch vor dem Beenden des Leseoder Schreibvorgangs auf High gezogen wurde. Deshalb wurden einige Bits abgeschnitten und es konnte kein erfolgreicher Lese- oder Schreibvorgang stattfinden. Nachdem in das Programm einige Wartezyklen eingefgt wurden, verlief die Kommunikation erfolgreich.

Abbildung 3.13: Sensorknoten Unterseite

3.4.4.

Sende- und Empfangsbetrieb

Der Sendebetrieb des Sensorknotens wurde mit Hilfe einer Testsoftware kontrolliert, welche in einer Endlosschleife jeweils ein Datenpaket von 8 Byte ber die Funkschnittstelle sendete. Um das Signal mit einem Spektrumanalysator messen zu knnen, wurde der Sendepfad des Sensorknotens von der Chipantenne auf eine MMCXBuchse umgelegt. Das Senden funktionierte nach dem softwareseitigen Einschalten der Base Band Clock des Transceivers problemlos. Das Senden und Empfangen zwischen zwei Sensorknoten wurde nicht mehr mit einer extra angefertigten Testsoftware, sondern bereits mit der eigentlichen Anwendung getestet. Die gesendeten Daten konnten im Empfnger ausgelesen werden.

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3.4.5.

V.24 Schnittstelle

Die Inbetriebnahme der V.24 Schnittstelle und des damit verbundenen UART Moduls des Mikrocontrollers erforderte eine Anpassung des Timings. Dies war notwendig, da der Takt fr das UART Modul, welcher die Baudrate bestimmt, von Sensorknoten zu Sensorknoten teilweise groe Schwankungen aufwies. Der Takt wird direkt vom Systemtakt abgeleitet, welcher ber den DCO generiert wird. Es musste deshalb eine Kalibrierung20 des Systemtakts erfolgen, um das Timing der V.24 Schnittstelle einhalten zu knnen. Getestet wurde die Kommunikation des PCs mit dem Mikrocontroller ber die V.24 Schnittstelle mit Hilfe eines Terminalprogramms. Auch in diesem Fall wurde eine Testanwendung fr den Mikrocontroller geschrieben, welche die empfangenen Daten Zeichen fr Zeichen vom Empfangspuffer in den Sendepuffer schrieb. So konnte vom PC aus ber das Terminalprogramm eine Datei an den Mikrocontroller geschickt werden, welche der Mikrocontroller an den PC zurck sendet. Danach wurde die gesendete Datei mit der empfangenen Datei verglichen. Whrend der bertragung wurde die Umgebungstemperatur des Mikrocontrollers mit Hilfe eines Kltesprays variiert. Dies hatte keine Einwirkungen auf die bertragung. Alle Zeichen wurden korrekt bertragen. Somit ist gleichzeitig die Temperaturstabilitt des Systemtakts berprft worden.

3.4.6.

Antennenanpassung

Um die Verluste durch Reflexionen so gering wie mglich zu halten, wurde die Antenne an das Leiterplattendesign angepasst. Da der Sensorknoten im Evaluationboard in einem Gehuse oder freistehend betrieben werden kann, mussten diese Betriebsumgebungen bei der Anpassung mit bercksichtigt werden. Die Anpassung wurde durch Ausprobieren verschiedener Bauteilkombinationen in den mglichen Betriebsumgebungen und Messen des daraus resultierenden Reflexionsfaktors bewerkstelligt. Dabei musste ein Kompromiss zwischen den verschiedenen Betriebsarten gefunden werden. In der folgenden Grafik ist der Amplitudenwert der Reflexion des eingespeisten Signals vor und nach der Anpassung der Bauteilwerte zu sehen.

20

Fr Details zur Kalibrierung siehe Kapitel 4.3.2 Anpassungen an den Mikrocontroller

3. Hardware

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Abbildung 3.14: Antennenanpassung im Evaluationboard

Es ist zu erkennen, dass sich durch die Anpassung ein Reflexionsfaktor fr den verwendeten Frequenzbereich von unter -10 dB ergibt.

3.4.7.

Verifikation

Nachdem die berprfung der Funktionalitt abgeschlossen war, wurden noch einige Eckdaten des Sensorknotens, wie z. B. die Stromaufnahme verifiziert. Die Messung der Stromaufnahme geschah mit Hilfe einer Stromzange, die am Oszilloskop angeschlossen wurde. Bei der ersten Messung zeigte sich im Empfangsbetrieb eine Stromaufnahme von 86 mA. Da dies nicht dem erwarteten Wert entsprach, wurde die Software im Debug-Modus Schritt fr Schritt durchgegangen. Es zeigte sich, dass zwei Ausgnge des Mikrocontrollers gegeneinander trieben. Dies war auf einen Fehler bei der Initialisierung des Mikrocontrollers zurckzufhren. Nach der Behebung des Fehlers konnten die im folgenden Bild dargestellten Stromaufnahmen fr die verschiedenen Betriebsarten gemessen werden.

3. Hardware

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Abbildung 3.15: Messung der Stromaufnahme

Im Normalbetrieb des Transceivers hat die Baugruppe eine Stromaufnahme von 19 mA. Sie steigt beim Senden auf 52 mA und beim Empfangen auf 56 mA. Der nanoLOC Transceiver arbeitet mit einer Modulationsart21, die ein relativ breites Spektrum aufweist. Die nachfolgende Abbildung zeigt das mit einem Spektrumanalysator aufgenommene Spektrum des Funksignals.Delta 2 [T1] Ref Lvl 5 dBm5

RBW VBW SWT

1 MHz 10 MHz 5 ms 2 [T1]

RF Att Mixer Unit

20 dB -20 dBm dBm

-6.05 dB 29.05811623 MHz

2 dB Offset0

-15.30 dBm

A

2 [T1]-10

2.44175000 GHz LN -6.05 dB 29.05811623 MHz

1 2-20

1 [T1] 2 1 [T1]

-15.30 dBm 2.44175000 GHz -6.70 dB -29.05811623 MHz1MA

1

-30

1VIEW

-40

-50

-60

-70

-80

-90 -95

Center 2.44175 GHz Date: 12.MAR.2008 16:08:46

20 MHz/

Span 200 MHz

Abbildung 3.16: Spektrum des Funksignals

21

Siehe Kapitel 2.4.2 Chirp Spread Spektrum

3. Hardware

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Die gemessene 6 dB-Bandbreite betrgt ca. 59 MHz. Die Sendeleistung des Sensorknotens wurde mit Hilfe eines Leistungsmessgertes gemessen.

Sendeleistung Sensorknoten A Sensorknoten B nanoLOC Development-KitTabelle 3.5: Sendeleistung

-3,2 dBm -1,8 dBm -2,2 dBm

Zum Vergleich wurde auch die Sendeleistung des Development-Kits von Nanotron Technologies gemessen. In der folgenden Tabelle sind die gemessenen Gren des Sensorknotens zusammengefasst.

Sensorknoten Stromaufnahme Normalbetrieb Stromaufnahme Sendebetrieb Stromaufnahme Empfangsbetrieb 6 dB-Bandbreite Sendeleistung

19 mA 52 mA 56 mA 59 MHz -2 dBm

Tabelle 3.6: Kenndaten Sensorknoten

4. Software

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4. SoftwareDieses Kapitel beschreibt den Entwicklungsprozess der Software und ist dabei nach dem zeitlichen Ablauf der Einzelarbeiten gegliedert. Einleitend werden die benutzten Hilfsmittel und Werkzeuge genannt. Nach der Definition der Anforderungen wird die Konzeptionsphase vorgestellt. Es folgt die Beschreibung der Implementierung. Abschlieend wird auf Test und Verifikation der entwickelten Software eingegangen.

Die Software wurde in der Programmiersprache C mit der Embedded Workbench von IAR Systems erstellt. Diese Entwicklungsumgebung bietet Editor, Compiler und Debugger fr die MSP430 Familie von Texas Instruments in einer Anwendung. Bei der Programmierung konnte auf eine frei verfgbare Beispielanwendung der Firma Nanotron Technologies aufgebaut werden.

4.1. AnforderungenEs sollte fr den entwickelten Sensorknoten eine Software erstellt werden, die es ermglicht, die Entfernung zwischen zwei Sensorknoten zu ermitteln. Dies sollte durch Messung der Signallaufzeit erfolgen. Des Weiteren soll es mglich sein, RSSIWerte von empfangenen Paketen zu protokollieren. Die erhaltenen Messwerte sollen ber eine Schnittstelle zu einem PC bertragen werden und dort in einem zur Weiterverarbeitung geeigneten Format speicherbar sein. Dazu muss eine Software fr den Sensorknoten sowie eine Software zum Speichern der Messwerte auf dem PC vorhanden sein.

4.1.1.

Sensorknoten

Die Software fr den Sensorknoten sollte den folgenden Anforderungen entsprechen. Untersttzung des MSP430F2418 Untersttzung des nanoLOC Transceivers Untersttzung der V.24 Schnittstelle Maximaler Speicherverbrauch RAM 8 kByte Maximaler Speicherverbrauch ROM 116 kByte

4. Software

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4.1.2.

PC-Software Messwertaufzeichnung

Die PC Software zur Messwertaufzeichnung sollte die aufgelisteten Anforderungen erfllen. Untersttzung der Baudrate Untersttzung von virtuellen COM-Ports Ausgabe in ASCII Speichern von empfangenen Daten in einer Datei

4.2. Analyse und KonzeptDer Hersteller des Transceivers Nanotron Technologies vertreibt zum Entwickeln von eigenen Anwendungen ein Development-Kit mit dem nanoLOC Chip als Transceiver. Di