Sieci czujników bezprzewodowych (WSN) - przewodnik po urządzeniach National Instruments

Odpowiednio dobrane komponenty sieciowe umożliwiają niezawodną, długą pracę na zasilaniu bateryjnym. W artykule opisano urządzenia do sieci bezprzewodowych oferowane przez National Instruments, które nie tylko pozwalają stworzyć sprawny system przemysłowy, ale też szybko oprogramować go z użyciem LabVIEW.

SIECI CZUJNIKÓW BEZPRZEWODOWYCH

Tego typu sieci składają się z trzech głównych rodzajów elementów: węzłów, bramek i oprogramowania. Rozmieszczone na hali fabrycznej lub w terenie węzły pomiarowe łączą się z czujnikami, dzięki czemu stale monitorują wartości wybranych czynników środowiskowych. Zebrane dane są przesyłane drogą radiową do bramek, które działają niezależnie lub łączą się z systemem nadrzędnym.

Użytkownik może zbierać informacje z bramek, przetwarzać je, analizować i prezentować w postaci raportów. Przydatne mogą być też urządzenia pracujące jako routery, które pozwalają zwiększyć zasięg komunikacji bezprzewodowej lub poprawić jej niezawodność.

Fot. 1. Programowalna bramka NI 9792

Fot. 2. Bramka Ethernetowa NI 9791

Każda sieć radiowa może składać się z kilku lub nawet setek węzłów, które można sprawnie połączyć z istniejącą już infrastrukturą. Platforma NI WSN (Wireless Sensors Network) obejmuje wszystkie wymienione rodzaje elementów sieciowych.

BRAMKI

W platformie NI WSN bramki pełnią funkcję koordynatorów sieciowych, które odpowiadają za autentykację węzłów, buforowanie komunikatów i pośrednictwo pomiędzy siecią bezprzewodową IEEE 802.15.4 a Ethernetem opartym o infrastrukturę kablową. Do Ethernetu przewodami podłączone są urządzenia z oprogramowaniem służącym przetwarzaniu i prezentacji danych.

W jednej sieci można użyć wielu bramek komunikujących się na różnych, niezakłócających się kanałach transmisyjnych, których wyboru dokonuje się za pomocą oprogramowania. Stosując topologię gwiaździstą, do każdej z bramek można podłączyć do 8 tzw. końcówek sieci, czyli np. węzłów z czujnikami. W przypadku topologii kraty (mesh) jedna bramka może obsłużyć do 36 końcówek.

NI 9792

NI 9792 to bramka ethernetowa z wbudowanym kontrolerem, co oznacza, że można na niej uruchomić aplikację stworzoną w Lab VIEW. Bramka pozwala zarówno na komunikację z czujnikami, jak i np. modemami komórkowymi lub innymi elementami sieciowymi. Porty szeregowe, dwa porty ethernetowe (jeden 10/100 Mb/s, drugi 10/100/1000 Mb/s) umożliwiają jej pracę z sieciami TCP/IP, Modbus/TCP oraz korzystanie z protokołu UDP i szeregowe przesyłanie danych.

Wbudowana pamięć o pojemności 2 GB sprawia, że NI 9792 dobrze sprawdzają się jako urządzenie monitorujące, w którym istnieje konieczność gromadzenia danych pobieranych z rozmieszczonych w terenie węzłów pomiarowych. Ponadto, w omawianą bramkę wbudowano serwery WWW (HTTP) i FTP, które ułatwiają dostęp do zebranych danych z dowolnego miejsca na świecie, przez Internet.

Fot. 3. Bramka NI 9795 C przeznaczona do instalacji w obudowach sterowników CompactRIO

Fot. 4. 4-kanałowe węzły: NI WSN-3202 i NI WSN-3212

Bramka NI 9792 to w skrócie:

• możliwość uruchamiania aplikacji LabVIEW Real-Time,
• procesor taktowany zegarem 533 MHz,
• 2 GB wbudowanej pamięci,
• wbudowane serwery WWW i HTTP,
• komunikacja bezprzewodowa zgodnie z IEEE 802.15.4 na częstotliwości 2,4 GHz,
• dwa porty ethernetowe,
• zakres temperatur pracy od -40°C do +70°C,
• redundantne złącza zasilania (9 do 35 V_DC),
• możliwość instalacji na płaskich powierzchniach i na szynie DIN.

NI 9791

Model ten, w przeciwieństwie do NI 9792, wymaga podłączenia do urządzenia nadrzędnego, które sterowałoby jego pracą. Służy ono jedynie do przekazywania informacji z sieci bezprzewodowej lub kablowej do kontrolera pracującego pod systemem Windows lub w oparciu o aplikację LabVIEW Real-Time.

Bramka NI 9791 to w skrócie:

• komunikacja bezprzewodowa zgodnie z IEEE 802.15.4 na częstotliwości 2,4 GHz,
• możliwość komunikacji przez Ethernet z urządzeniem pracującym pod kontrolą systemu Windows lub czasu rzeczywistego,
• zakres temperatur pracy: od -30°C do +70°C,
• zasilanie ze źródła od -9 do 30 V_DC.

NI 9795 C

Kolejną bramką jest NI 9795 C. Jest ona przeznaczona do montażu w obudowie sterowników CompactRIO. Bramka NI 9791 to w skrócie:

• bezpośrednia integracja z CompactRIO,
• możliwość łatwego połączenia urządzeń do sieci bezprzewodowej
• obsługa do 36 węzłów na jedną obudowę CompactRIO.

WĘZŁY POMIAROWE

Końcówki sieciowe platformy NI WSN mogą być bezpośrednio podłączane do sensorów i zapewniają niezawodną komunikację w środowisku przemysłowym. Są zasilane bateryjnie, a dzięki małemu zużyciu energii są w stanie pracować nawet 3 lata, korzystając z 4 baterii typu AA. Ponadto, po wyposażeniu w dodatkowe oferowane przez NI obudowy, które chronią przed trudnymi warunkami środowiskowymi, mogą pracować także na zewnątrz budynków.

Oprogramowanie węzłów pomiarowych w LabVIEW pozwala dostosować ich zachowanie do wymagań danej aplikacji, wprowadzić zaawansowane algorytmy ograniczające zużycie energii, przetwarzać lub rejestrować dane lokalnie oraz zmieniać częstość odczytywania sygnałów z czujników. Aplikacje LabVIEW WSN mogą być ładowane bezprzewodowo do węzłów pomiarowych, co znacząco upraszcza proces ich instalacji i aktualizacji.

Fot. 5. 4-kanałowe węzły: NI WSN-3226 i NI WSN-3214

Fot. 6. Węzły WSN-3230 i WSN-3231 przeznaczone do komunikacji szeregowej

Należy jednak zaznaczyć, że korzystanie z LabVIEW WSN wymaga zakupu programowalnych wersji węzłów pomiarowych. Węzły pomiarowe do sieci czujników bezprzewodowych, opartych o platformę National Instruments WSN mają do czterech kanałów cyfrowych lub analogowych albo jeden port szeregowy. Modele WSN-3202 i WSN3226 mogą także zasilać podłączone do nich sensory prądem o natężeniu od 20 do 50 mA, przy napięciu 12 V.

Zasięg komunikacji bezprzewodowej tych modułów wynosi do 300 m w terenie otwartym, gdy pomiędzy nimi nie ma przeszkód. Konfiguracja węzłów jako routerów w topologii kraty pozwala zwiększyć efektywny dystans, na którym węzeł może komunikować się z bramką, ale wymaga to zaprogramowania routerów tak, by były przez cały czas włączone. W tej sytuacji, zalecane jest użycie zewnętrznych źródeł zasilania.

NI WSN-3202

To czterokanałowy węzeł pomiarowy mierzący napięcie z 16-bitową rozdzielczością. Pozwala na wybór zakresu pomiarowego spośród 4 opcji: ±10, ±5, ±2 i ±0,5 V, niezależnie dla każdego kanału. Umożliwia zasilanie czujników prądem nieprzekraczającym 20 mA przy napięciu 12 V. Jest zasilany czterema bateriami typu AA i może pracować w temperaturach od -40 do +70°C.

NI WSN-3212

Jest to czterokanałowy węzeł o zwiększonej rozdzielczości, przeznaczony do pomiarów temperatury za pomocą termopar. Pozwala na podłączenie termopar typu J, K, R, S, T, N, B i E. Wszystkie kanały mogą być niezależnie konfigurowane, a ich rozdzielczość wynosi 24 bity. Jest zasilany czterema bateriami typu AA i może pracować w temperaturach od -40 do +70°C.

NI WSN-3226

To kolejny czterokanałowy węzeł pomiarowy. Został on przeznaczony do bezpośredniego pomiaru napięcia oraz do pomiarów. w których zmienia się rezystancja czujnika (np. do badania temperatury z wykorzystaniem termistorów). WSN-3226 może być zasilany bateryjnie z użyciem czterech ogniw typu AA lub z zewnętrznego źródła zasilania o napięciu od 5 do 30 V.

Każdy z kanałów może być niezależnie skonfigurowany do pomiaru napięcia w zakresie od -10 do +10 V lub do pomiaru rezystancji. Ponadto urządzenie zostało wyposażone w filtr eliminujący zakłócenia z sieci zasilającej o częstotliwości 50 lub 60 Hz. Warto dodać, że na zasilaniu bateryjnym urządzenie może pracować do 3 lat, a ponadto może ono posłużyć jako zapasowe źródło energii, na wypadek awarii zewnętrznego zasilacza.

NI WSN-3214

To czterokanałowy węzeł pozwalający na pomiary mostkowe, tensometryczne oraz radiometryczne. Analogowe wejścia mają rozdzielczość 20 bitów i mogą być próbkowane do tysiąca razy na sekundę (na kanał). WSN-3214 może być zasilany bateryjnie z użyciem czterech ogniw typu AA lub z zewnętrznego źródła zasilania o napięciu od 5 do 30 V.

Fot. 7. Interfejs użytkownika programu kontrolera wykonany za pomocą oprogramowania NI-WSN

Fot. 8. Konfiguracja parametrów węzłów z użyciem LabVIEW

Korzystając z baterii, urządzenie może pracować do 3 lat, a ponadto mogą one posłużyć jako zapasowe źródło energii, na wypadek awarii zewnętrznego zasilacza. Dzięki temu świetnie nadaje się do aplikacji typu "energy harvesting", w których podstawowym źródłem energii jest otoczenie. Ponadto WSN-3214 ma dwa uniwersalne cyfrowe wejścia/wyjścia oraz może pracować w temperaturach z zakresu od -40°C do +70°C.

NI WSN-3230 I WSN-3231

Są to węzły przeznaczone do współpracy z czujnikami i urządzeniami komunikującymi się za pomocą protokołów szeregowych. Dostępne są w wersjach obsługujących standardy RS-232 lub RS-485. Obsługa komunikacji szeregowej wymaga użycia modułu LabVIEW WSN. Każdy z węzłów ma jeden port szeregowy i może być zasilany przez cztery baterie typu AA, które pozwalają mu na nieprzerwaną pracę nawet przez 3 lata.

Ponadto węzły te mogą być podłączone do zewnętrznego zasilacza o napięciu z zakresu od 5 do 30 V. Wtedy baterie służą jako zapasowe źródło energii. Urządzenia te zawierają także po dwa uniwersalne cyfrowe wejścia/wyjścia oraz mogą pracować w temperaturach z zakresu od -40°C do +70°C.

OPROGRAMOWANIE

Dostarczane wraz z bramkami WSN oprogramowanie pozwala szybko i łatwo odczytywać dane z całej sieci czujników. Po dodaniu bramki w projekcie aplikacji tworzonej w LabVIEW, węzły do niej przypisane za pomocą modułu MAX (Measurement & Auto mation Explorer) automatycznie pojawiają się w projekcie LabVIEW, co pozwala na bezpośredni dostęp do ich odczytów i parametrów.

Wystarczy przeciągnąć zmienne do odpowiedniego miejsca w schemacie blokowym, by je przetwarzać, analizować i wyświetlać w dowolny sposób. Zmienne te mogą też posłużyć do monitorowania niezawodności połączenia bezprzewodowego z węzłem, napięcia zasilania oraz do określenia sposobu, w jaki skonfigurowany jest dany węzeł.

Narzędzia tworzone do odczytu danych z sieci czujników bezprzewodowych mogą pracować jako niezależne małe programy lub być zintegrowane z dużymi aplikacjami napisanymi w LabVIEW. Wykorzystanie modułu konfiguracyjnego MAX pozwala ponadto intuicyjnie i szybko dodawać oraz usuwać z projektu poszczególne węzły przypisywać im ustawienia.

MAX służy też do podglądu stanu wszystkich węzłów, podając czas, kiedy ostatnio się komunikowały, stan baterii i jakość połączenia bezprzewodowego. MAX umożliwia również przypisanie im kanałów komunikacyjnych, konfigurację adresów IP bramek oraz bezprzewodową aktualizację wbudowanego oprogramowania.

MODUŁ LABVIEW WSN

Fot. 9. Różne możliwości tworzenia bezprzewodowych sieci czujnikowych z użyciem produktów firmy National Instruments

Skorzystanie z modułu LabVIEW WSN pozwala bezprzewodowo wgrywać stworzone oprogramowanie bezpośrednio do węzłów. Dzięki temu dane z czujników mogą być przetwarzane, zapisywane i analizowane lokalnie, zaraz po ich odczytaniu. Umożliwia to również szybkie reagowanie na zmiany mierzonych wartości np. poprzez przełączanie przekaźników podłączonych do wyjść cyfrowych węzłów.

Jedną z najważniejszych zalet LabVIEW WSN jest możliwość optymalizacji pracy węzłów tak, by maksymalnie wydłużyć ich czas pracy na baterii, przy zachowaniu odpowiedniej częstości próbkowania. Domyślnie bowiem wszystkie omawiane węzły pomiarowe National Instruments próbkują każdy kanał, a następnie transmitują każdą próbkę do bramki co sekundę.

W przypadku aplikacji, gdy nie jest to wymagane, LabVIEW WSN pozwala skonfigurować węzły tak, by próbkowały stan czujników tylko wtedy gdy jest to potrzebne, a ponadto mogą zostać ustawione tak, by np. przesyłały do bramek tylko informacje o istotnych zmianach. Oczywiście możliwe jest też zwiększenie częstości próbkowania lub dynamiczne dostosowywanie jej w zależności od zdarzeń.

PODSUMOWANIE

Platforma NI WSN dostarcza komplet narzędzi potrzebnych do szybkiego stworzenia sieci czujnikowej, zarówno pracującej niezależnie, jak i zintegrowanej z większym systemem przemysłowym. Oprogramowanie LabVIEW umożliwia łatwą współpracę sieci ze wszystkimi produktami firmy National Instruments. Poszczególne bramki pozwalają na komunikację za pomocą różnych standardów i mogą pracować samodzielnie lub wymagają urządzenia nadrzędnego.

W przypadku rozproszonych systemów sterowania, używanych w automatyce przemysłowej, optymalnym rozwiązaniem wydaje się skorzystanie z bramek NI 9795, które mogą być zintegrowane w obudowach sterowników CompactRIO, zapewniając tym samym dostęp do wydajnych narzędzi służących do szybkiej analizy pozyskiwanych danych.

National Instruments Poland
poland.ni.com