Drahtlose Logistik mit Sleeping Beacon-Technologie von Jennic
Logistik-Referenzdesign beruht auf Jennics patentierter „Sleeping Beacon-Technologie“ für den Einsatz batteriebetriebener und zeitsynchronisierter drahtloser Sensornetzwerke in logistischen Anwendungen
Drahtlose lokale Netze haben sich in den letzten Jahren technisch rasant entwickelt und sind mittlerweile unverzichtbarer Bestandteil mobiler und ortsfester TCP/IP Infrastrukturen geworden. Etwas weniger im öffentlichen Fokus stehen die Netzwerke der industriellen Automatisierungstechnik und des Asset-Managements, üblicherweise WSNs – Wireless SensorNetworks - genannt. Vor Kurzem hat Jennic ein Referenzdesign auf Basis seiner Wireless Microcontrollers JN5148 vorgestellt, das unter Nutzung der innovativen Chip-Eigenschaften eine ideale Plattform zur Ortung und Verfolgung von Gütern in der Transportlogistik bietet.
Tracking mit aktivem RFID
- Prinzip des Active-RFID Trackings - Waren werden erfasst, sobald sie in Reichweite eines WSNs geraten. Bewegungsprofile entstehen durch Verknüpfung der Daten über das Internet
Das Logistik-Referenzdesign beruht auf Jennics patentierter „Sleeping Beacon-Technologie“ für den Einsatz batteriebetriebener und zeitsynchronisierter drahtloser Sensornetzwerke in logistischen Anwendungen. Die Sensoren im Netzwerk, die als sog. „Tags“ mit der Ware verbunden sind, übermitteln dabei in regelmäßigen Abständen neben einer einmaligen 64-bit MAC-Adresse zur Identifizierung Umgebungsdaten an einen zentralen Controller, der wiederum mit einem Back-Office-System kommuniziert und die Daten zur Transportbewegung an eine zentrale Stelle in Echtzeit zur Verfügung stellt.
Das Referenzdesign besteht aus zwei Teilen, einem für die erste Evaluierung und einem weiteren für die Entwicklung und kundenspezifische Anpassung. Das Evaluierungspaket ist so gestaltet, dass die besonderen Eigenschaften der drahtlosen Konzepte mit ihrem extrem niedrigen Leistungsbedarf schnell umgesetzt werden können. Hierfür wird das Standard-Evaluierungskit von Jennic und ein PC für die Back Office-GUI benötigt. Die auf Windows basierende GUI stellt die vom Sensornetzwerk stammenden Daten einschließlich der Node -Temperatur, Batteriespannung und HF-Kanal in Echtzeit dar. Ebenso lässt sich die Frequenzagilität im Netzwerk über die Effekte der HF-Interferenz und des Kanal-Black-Listings auswerten.
- Die Jennic Demo-GUI zeigt eine Liste der aktiven Tags und ihre jeweiligen Daten
Das Entwicklungspaket wird zusammen mit Projektdaten und Quellcode als Drop-In-Applikation für das Jennic SDK geliefert. Mit Hilfe des Quellcodes kann der Entwickler direkt in die Anwendung eingreifen und sie kundenspezifisch anpassen - typischerweise durch Integration einer GPRS/GSM-Modemverbindung zum Back Office.
Das Herz des Designs aber bilden die drahtlosen Mikrocontroller der 3. Generation von Jennic. Sie arbeiten im lizenzfreien 2,4-GHz-ISM-Band und sind, da sie dem IEEE802.15.4-Standard entsprechen, weltweit einsetzbar. Um die Produkteinführungszeit möglichst kurz zu halten und Zertifizierungskosten zu sparen, bietet Jennic eine Reihe bereits zertifizierter drahtloser Module an, die alle bestehenden HF-Richtlinien erfüllen.
- Datenstruktur eines Übertragungssystems mit regelmäßig gesendeten Baken
Das Prinzip der schlafenden Bake
Baken sind bekannt aus dem Straßenverkehr oder der Schifffahrt als gut erkennbare Orientierungsmarken zur Erleichterung der Navigation. Funkbaken im Speziellen senden eine wiederkehrende Zeichenfolge aus und lassen sich damit perfekt anpeilen. Baken im Zusammenhang mit Wireless-Sensor-Netzwerken sind regelmäßig wiederkehrende Funksignaturen, die im wesentlichen zur Synchronisierung der Netzwerkteilnehmer dienen.
Netzwerkprotokolle mit Baken definieren neben der Bake eine Superframe-Struktur, die durch 2 aufeinander folgende Baken eingeklammert wird und in 16 gleich lange Slots (Zeitschlitze) aufgeteilt ist. Die Baken wiederum dienen der Teilnehmersynchronisierung, zur Identifizierung des PANs (=Personal Area Network) und zur Beschreibung der Superframe-Struktur.
Jedes Device, das während der Contention Access Period (CAP), dem aktiven Teil des Bakenintervalls kommunizieren will, muss mit andere Devices konkurrieren, indem es Zugang zum Funknetz über einen CSMA-CA Mechanismus erwirkt. Alle Transaktionen sollen bis zur folgenden Bake abgeschlossen sein. Der Super-Frame kann einen aktiven und einen inaktiven Teil aufweisen.
Das Konzept der schlafen den Bake bietet nun einen Mechanismus, um den Stromverbrauch der Empfänger in 802.15.4-Netzwerken zu reduzieren. Dabei begibt sich jedes End-Device nach jeder Bake in einen Low-Power Schlaf-Modus, aktiviert aber einen Sleep-Timer, der das Device rechtzeitig vor der nächsten Bake „aufweckt“.
Um den Empfang der Bake sicherzustellen, muss das End-Device natürlich mit einem gewissen Vorlauf aus seinem „Schlaf erwachen“, schließlich ist auch mit einem Auseinanderdriften der Taktsignale der Teilnehmer zu berücksichtigen. Die Software auf demTag stellt sicher, dass dieWake-Up-Zeit möglichst nahe an der nächsten Bake liegt und organisiert die Aktivitätszeit in verschiedenen Schritten.
Da die Periodizität der Bakensendungen einige Sekunden betragen kann und End-Devices sogar regelmäßig Baken ignorieren dürfen (z.B. nur bei jeder 10ten Bake senden), ist der mittlere Stromverbrauch äußerst niedrig und mithin die Lebensdauer der speisenden Batterie hoch. Jennics Monitoring- und Tracking-Plattform für die Logistikindustrie nutzt nun diese „Sleeping Beacon“-Technologie, um sowohl für die Tags als auch die Koordinatoren eine robuste Lösung mit maximaler Batteriestandzeit zu realisieren.
- Kommunikation mit „schlafendem“ Tag. Es bedeuten: CSCP - Clockstabilization Compensation Period, UWP - User Wake Period, ERW - Early Receive Window, UAPP - User Application Processing Timing
- Energieverbrauch beim Datenaustausch während einer Aktivitätsperiode
Wireless Microcontroller JN5148
- Jennics Wireless Microcontroller JN5148
Der JN5148 als zentrales Schlüsselelement des Referenzdesigns mit niedrigstem Stromverbrauch und höchster Speicherdichte aller Wireless Single-Chip Mikrocontroller am Markt, ergänzt mit einer innovativen „time-of-flight“ Reichweiten-Engine, ermöglicht die Entwicklung drahtloser Mesh-Netzwerkkomponenten für batteriebetriebene Anwendungen mit hohen Datenaufkommen. So verbraucht der Chip im „Deep-Sleep“-Modus nur 0.1 μA, 1.1 μA sind es im normalen Sleep-Modus mit aktiviertem Wake-On-Timer oder Wake-On-I/O und 2.5 μA für Wake-On-X mit gleichzeitiger Sicherung des RAM-Inhaltes.
Nachdem der Chip bis zu einer minimalen Versorgungsspannung von 2 Volt arbeitet (max. 3.6 V), lässt er sich perfekt mit einer Knopfzelle betreiben und kann diese auch noch weitestgehend vollständig ausnutzen. Im Betrieb erreicht der JN5148 eine Stromaufnahme von 18 mA beim Empfangen und 15 mA beim Senden von Daten mit +2.5dBm Leistungspegel, das ist typischerweise 35% weniger als der Verbrauch herkömmlicher Lösungen. Mit 128 kByte ROM, 128 kByte RAM und verbesserter Code-Effizienz verfüg tder JN5148 über ausreichend Speicher, damit Entwickler ihre eingebetteten Anwendungen zusammen mit dem Protokollstack in einen Chip integrieren können.
Neben ZigBee PRO unterstützt das SoC weitere Protokolle, grundsätzlich natürlich 802.15.4 als Basisprotokoll, des weiteren 6LoWPAN und schließlich das Jennic-Protokoll JenNet, das auch für das hier beschriebene drahtlose Logistic Package zum Einsatz kommt.
Der aktive „Tag“
- Beispiel eines aktiven Tags mit dem JN5148. Die Knopfzelle zur Versorgung ist auf der Rückseite der Leiterplatte montiert
Das Bild rechts zeigt Jennics aktiven Tag mit dem JN5148 auf einer kleinen Leiterplatte mit PCB-Antenne und Knopfzelle zur Versorgung. In der praktischen Anwendung werden die Tags den zu überwachenden Waren beigegeben und können somit Ware und Standort identifizieren, sobald sie in Reichweite eines PANs kommen. Nach dem „Erwachen“ aus dem Sleep-Modus führen sie folgende Aktionen aus:
- Initialisierung der internen SW- und HW-Ressourcen, Auslesen des Batteriestandes, der Temperatur und optional 2 weitere analoge und 4 weitere digitale Werte.
- Aussenden dieser Daten zum Empfang für jeden Reader im Empfangsbereich.
- Für eine kurze Zeitspanne (per Default5 ms) auf Empfang schalten, um ggf. eine Bestätigungsmeldung von Readern zu erhalten, die das vorausgegangene Tag- Broadcasting empfangen haben.
- Zurückschalten in den Schlaf-Modus für ein definiertes Intervall, um den Stromverbrauch zu senken.
Die Tag-Devices melden sich nicht förmlich beim Netzwerk der Reader an, was folgende Vorteile bietet:
- Der Tag kann innerhalb des Reader-Netzwerks bewegt werden, ohne die Notwendigkeit häufiger Re-Joins bei temporären Verlust der Funkverbindung.
- Das Zahlenverhältnis zwischen Tag zu Reader kann recht hoch sein, da die Reader keine Routing- oder Next-Neighbour-Tabellen unterhalten müssen, deren Speicherverbrauch die Teile regelmäßig an Grenzen bringt.
- Tags können sich zwischen verschiedenen Reader-Netzwerken bewegen, was letztlich die Möglichkeit schafft, Waren auch über verschiedenen Standorte hinweg zu verfolgen.
- Tags müssen nicht den aufwendigen Beacon-Request und -Response-Mechanismus einhalten, um Netzwerke zu erkennen und sparen damit Energie, verlängern also die Batteriestandzeit.
Da sich der Tag nicht am Netzwerkder Reader anmelden muss, kann dieTag-Software komplett auf dem ROM gespeicherten 802.15.4-Protokoll basieren, wobei natürlich sicherzustellen ist, dass die zu übertragenden Messages dem JenNet-Protokoll entsprechen, mit denen die Reader und Koordinatoren laufen.
Netzwerk-Erkundung (Discovery)
- Ein Tag sendet Broadcast-Botschaften zu allen Readern in Reichweite
Da sich Tags also nicht am Netzwerk anmelden, muss es andere Methoden geben, um ein relevantes Netzwerk (aus Readern) zu erkunden.
Daher werden Tags mit der Network-Application-ID des Reader-Netzwerks konfiguriert, mit dem sie kommunizieren sollen. Zudem erhalten sie im Setup eine Kanal-Suchmaske, die alle operativen Kanäle der Reader indiziert.
Tags, die ein Netzwerk suchen, wachen regelmäßig auf, senden eine Tag-Botschaft als Broadcast an alle Netzwerke, die auf dem aktuellen Kanal arbeiten, schalten für eine kurze Zeit in den Empfangsmodus und legen sich wieder Schlafen. Wenn der Tag keine Antwort auf seine Anfrage erhält, schaltet er auf den nächsten Kanal in seiner Liste und geht wieder in denSchlafmodus – beim erneuten Aufwachen probiert er‘s dann auf dem nächsten operativen Kanal.
Start der Interaktion
Sobald ein Tag eine Bestätigung empfängt, speichert er den Kanal und PANID des korrespondierenden Readers in Registern, die auch während der nächsten Schlafperiode ihre Daten konservieren. Bei künftigen Aktionen kann der Tag also zielgerichtet den richtigen Reader anfunken und unnötige Discovery-Zyklen sparen.
Reader Aktionen
Nach Empfang eines Tag-Broadcasts bestimmt ein Reader zunächst, ob ein Application Acknowledgment, also eine Bestätigung angefordert wurde. In einem solchen Fall wird eine kurze Acknowledgment Botschaft an den Tag gesendet.
Diese Bestätigung wird mit den Funktionen der IEEE 802.15.4-API gebildet sowie verschickt und umgeht so die Jen-Net/Jenie Netzwerk-Layer. Das ermöglicht eine sehr kurze 2-Byte Antwort, die schnell erzeugt und versendet werden kann. Wenn lediglich eine MAC-Acknowledgment-Botschaft angefordert wurde, braucht sich die Anwendungsebene des Readers nicht darum zu kümmern, denn das wird automatisch vom MAC-Layer des 802.15.4 Protokollstacks gehandhabt.
Nachdem das erledigt ist formt der Reader eine Message für das Gateway via Koordinator, die den LQI-Wert des Tags enthält (Signalstärke), die Adresse des Tags und seine Botschaft. Diese Message wird in eine Schlange zur Übermittlung an den Koordinator eingereiht.
I.d.R. werden immer mehrere Reader in Reichweite des aktiven Tags liegen, folglich treffen auch mehrere Botschaften beim Koordinator ein. Der LQI-Wert (= LineQuality Indication) ist aber normalerweise in jeder Message anders, je nach Distanz des jeweiligen Readers zum Tag. Der LQI-Wert kann also dazu dienen, den Reader mit geringster Distanz zum Tag zu ermitteln und damit eine präzise Lokalisierung des Tags zu ermöglichen. Die Messages in den Sende-Queues der Reader werden nun nach nun nach an den Koordinator des Netzwerkes übermittelt. Jede Übertragung verlangt eine Bestätigung des Koordinators, die in Form eines End-2-End Acknowledgments des JenNet-Protokolls gehandhabt wird.
Wenn eine Bestätigung empfangen wurde,wird sie von der Liste gestrichen und die nächste Meldung verschickt, sofern vorhanden. Wird keine Bestätigung empfangen, unternimmt der Reader eine Reihe weiterer Versuche (Zahl lässt sich bei Compilierung festlegen). Wenn alle Versuche scheitern, dann wird die Botschaft letztlich verworfen. Wenn wiederkehrende Fehler durch schlechte Verbindung zwischen einem Reader und dem Netzwerk auftreten, so wird das vom Jenie/JenNet-Protokoll erkannt.
- Reader senden eine Ackowledge-Meldung an den aktiven Tag
- Die Leseknoten leiten die Tag-Daten an den Koordinator des Netzwerkes weiter
Koordinator-Aktionen
Beim Erhalt einer Message von einem der Reader formt der Koordinator eine neue Message aus den empfangenen Daten und hängt seine Adresse und die des Readers an. Diese Message wird dann in eine Schlange mit anderen Botschaften zur Aussendung über den UART des Koordinators eingereiht.
Das Jenie/JenNet-Protokoll stellt dabei sicher, dass Bestätigungen gesendet werden, wie von den Readern angefordert. Der Koordinator kann übrigens auch direkt mit den Tags kommunizieren, sobald diese in Funkreichweite sind. Er vollzieht dann die Funktionen eines Readers und eines Koordinators und gibt die Botschaften an das Gateway weiter.
Damit ist ein kompletter Erkennungszyklus abgeschlossen – Die Anwendungssoftware auf dem Steuer-PC kann nun anhand der MAC-Adresse und dem Standort des Readers eine eindeutige Lokalisierung der Ware vornehmen. Dies kann auch Standortübergreifend geschehen, da sich via Gateway auch mehrere Netze über das Internet gemeinsam verwalten lassen.
- Der Koordinator quittiert das mit einer Acknowledge-Message
- Schließlich gibt der Koordinator die Tag-Message mit einigen Zusatzdaten an das Gateway weiter
Technology Transfer 2010 Heft 2
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