Fejlesszen vezeték nélküli mérőrendszert!
A vezeték nélküli kommunikáció számos előnyt kínál a mérési alkalmazások számára, beleértve az alacsonyabb vezetékezési költséget és a távfelügyeleti lehetőségeket. A kivitelezés módjának és technológiájának megválasztása azonban nehézkes lehet az egyes vezeték nélküli szabványok előnyeinek és hátrányainak ismerete nélkül. Ez a cikk a piacon jelenleg elérhető, különböző vezeték nélküli technológiákat tárgyalja, továbbá bemutatja, hogyan aknázhatók ki a ennek a technológiának az előnyei a National Instruments mérőeszközeivel és az NI LabVIEW segítségével.
NI-gyártmányú, Wi-Fi-mérésadatgyűjtő hálózat
A vezeték nélküli technológia előnyei
A méréstechnikai alkalmazásoknál a vezeték nélküli technológia legnagyobb előnye, hogy segítségével csökkenthető vagy elkerülhető a vezetékek és kábelek használata. Az alkalmazás jellegétől és környezetétől függően a fizikai vezetékezés megépítése drága, kényelmetlen vagy akár kivitelezhetetlen is lehet. A példák közt szerepelnek forgó, mozgó platformok, mobil alkalmazások (pl. járművek vagy daruk), illetve olyan szerkezetek, amelyek megnehezítik a vezetékek kiépítését.
A vezeték nélküli kommunikáció bővíti is az adatgyűjtés és I/O-műveletek hatósugarát, valamint alkalmazási területét ahhoz képest, ami vezetékek segítségével praktikusan megvalósítható. Emiatt a nagy területen működő létesítményeknél – mint például a víztisztítók és tartálytelepek – széleskörűen alkalmazzák a vezeték nélküli technológiákat. Míg vezeték nélküli eszközök használata esetén a kezdeti ráfordítás nagyobb lehet, mint a hagyományos vezetékes eszközök alkalmazásánál, a rendszer teljes költsége a telepítés és az üzemeltetés költségeivel együtt általában jelentősen alacsonyabb. Az alábbi tényezőket kell figyelembe venni egy vezeték nélküli hálózat kialakításakor:
-
teljesítmény,
-
hatótávolság,
-
biztonság.
Teljesítmény
A teljesítmény tekintetében feltétlenül figyelembe kell venni a frekvenciasáv méretét, a hatótávolságot, az adatmennyiséget és az átviteli sebességet, a fogyasztást, a felhasználók számát, valamint a technológiák kompatibilitását.
Bár a különböző vezeték nélküli szabványok adott átviteli sebességet határoznak meg, a gyakorlatban a tényleges alkalmazáskor csak az elméleti maximális átviteli sebesség 30%-ára vagy kevesebbre számíthatunk. Olyan tényezők, mint a rádiófrekvenciás interferencia és a felhasználók száma, befolyásolják a vezeték nélküli hálózatok teljesítményét. Továbbá többféle kompatibilis szabvány használatakor tipikusan a lassúbb szabvány korlátozza a gyorsabbat. Például ugyanazon a hálózaton a 802.11bés 802.11g-jelű szabványoknak megfelelő, kompatibilis eszközöket használva, a 802.11g-nak megfelelő eszközök átviteli sebessége lecsökken a 802.11b szintjére.
A hatótávolság és az átviteli sebesség tekintetében állandó kompromisszumra van szükség. Az eszköz automatikusan érzékeli a jelerősséget (amíg mást nem állítunk be), és kisebbre veszi az átvitel sebességét, ha a jel gyengül. Például 802.11b használatakor az eszköz automatikusan visszaveszi a sávszélességet 11 Mb/s-ról 5,5, 2 vagy akár 1 Mb/s-ra. A legtöbb Internet-kapcsolathoz ekkora sávszélesség azonban még megfelelő.
Hatótávolság
Általában egy vezeték nélküli eszköz hatótávolsága, nem minden esetben ugyan, de csökken a frekvencia növekedésével. A tesztek azt mutatják, hogy a 802.11g ugyanakkora vagy talán egy kicsit jobb hatótávolsággal rendelkezik, mint a 802.11b, annak ellenére, hogy ugyanazt a frekvenciát használják. Vannak olyan eszközök a piacon, amelyeket arra terveztek, hogy megnöveljék a laptopok vezeték nélküli hatótávolságát úgy, hogy megnövelik a kártya teljesítményét – a Wi-Fi-minősítés 100 mW-os limitjén túl. Kiegészítő hozzáférési pont vásárlása előtt érdemes megfontolni egy megnövelt hatótávolságú kártya vásárlását, amennyiben a helyi hatóságok ezt megengedik.
Irányított antennákat point–to–point-kapcsolat esetén érdemes használni. Ezek az antennák a jelet – a bázisállomásokon található izotróp antennák helyett, amelyek szétszórják azt a tér minden irányába – egy keskeny nyalábba fókuszálják. Azt tapasztalhatjuk, hogy minél nagyobb az antennanyereség, annál keskenyebb a sugárnyaláb fókusza, továbbá minél nagyobb a nyereség, annál nagyobb szükség van az antenna pontos irányba állítására. Ez megnöveli annak a kockázatát, hogy a vevő nem megfelelő beállítás esetén elveszíti az átküldött jelet. Az irányított antennákat tipikusan a nyereségük szerint szokták forgalmazni. A nyereségre vonatkozó adatokat az egyes antennák nyalábszélességéről (beam width) szóló leírásában találhatjuk.
Biztonság
Az egyik fő szempont a vezeték nélküli hálózat építésekor a biztonság. A vezeték nélküli hálózatok gyors növekedése és népszerűsége mind vállalati, mind lakossági területen (beleértve a személyi adatok továbbítását is) számos egymástól eltérő felhasználási mód kialakulását eredményezte. Az adatvédelem szükségessége vezetett a vezeték nélküli biztonsági protokollok kifejlesztéséhez és további erőfeszítésekre ösztönöz a vezeték nélküli technológia még biztonságosabbá tétele érdekében.
Az eredeti 802.11-jelű szabvány magában foglalta a WEP(Wired Equivalent Privacy) -biztonsági protokollt, amely elég jól titkosította az adatcsomagokat ahhoz, hogy távol tartsa a „lehallgatók” többségét, de volt néhány gyenge pontja is. Az iparnak erősebb titkosítási, illetve azonosítási rendszerre volt szüksége, ami a WPA2-néven ismert IEEE 802.11i megalkotásához vezetett. A WPA2 tartalmazza az Extensible Authentication Protocolt (EAP) és az Advanced Encryption Standard-et (AES), valamint egy 128 bites titkosító algoritmust, amelyet az NIST (National Institute of Standards and Technology: Nemzeti Szabványügyi és Műszaki Intézet) is jóváhagyott, és az Amerikai Egyesült Államok minden kormányzati infrastruktúrájánál alkalmazását megköveteli.
További biztonsági intézkedés a létesítmény fizikailag ellenőrzött területén kívül a rádióhullámok terjedésének minimalizálása. Ezzel a megoldással a vezeték nélküli hálózat még biztonságosabb lesz, mivel csökken a lehetősége a „lehallgatásnak” és a szolgáltatásmegtagadás-alapú (DoS) támadásoknak.
Vezeték nélküli technológiák a mérésés automatizálás területén
Az elmúlt néhány évben a vezeték nélküli kommunikációs technológiák mindenütt felbukkantak, túlnyomórészt a szórakoztatóelektronikának köszönhetően. Vállalatok százai gyártanak vezeték nélküli eszközöket, és legalább ennyi szabvány foglalkozik velük. A technológiák előnyeit és hiányosságait megértve a kiválasztási folyamatot könnyebbé tehetjük. Ez különösen fontos a mérés és automatizálás területén, ahol a mérési adatok nem sérülhetnek, még ha rádióhullámokra is támaszkodunk.
Két különböző vezeték nélküli technológia létezik, ami megfelelő a mérésalapú alkalmazások számára: az IEEE 802.11 b/g (Wi-Fi) és az IEEE 802.15.4 (ZigBee). Az IEEE 02.11 nagy sávszélességet és magas biztonsági szintet kínál, továbbá kiválóan alkalmas olyan alkalmazások számára, amelyekben hullámforma adatfolyamot kell megvalósítani vezeték nélküli, biztonságos kapcsolaton keresztül. Az IEEE 802.15.4 sávszélessége alacsonyabb, mint a IEEE 802.11-jelűé, de nagyobb a hatótávolsága, kevesebb energiát igényel, képes alkalmazkodni a hálózati topológiához, ezáltal kiválóan alkalmas hosszú távú felügyeleti rendszerek számára. A National Instruments különböző vezeték nélküli mérőműszereket kínál a fent említett protokollok mindegyik előnyének kihasználására. Ha szeretne többet megtudni ezen két protokollal kapcsolatos szempontokról, olvassa el a Selecting the Right Wireless Technology című ismertetőt.
Mérőrendszer bővítése vezeték nélküli funkciókkal
A National Instruments kétfajta vezeték nélküli mérőműszert kínál:
az NI Wi-Fi DAQ-jelűt és az NI Wireless Sensor Networks-t.
NI Wi-Fi DAQ
Az NI Wi-Fi-rendszerű mérésadatgyűjtő(DAQ) -eszköz (1. ábra - ld. fent) egyszerű, biztonságos mérést tesz lehetővé nagy adatátviteli kapacitással és standard, megbízható technológiákkal. Valós időben láthatók az adatok, és csatornánként 51,2 kS/s mintavételi sebességig tud mérési adatokat továbbítani. A beépített jelkondicionálás révén számos különböző típusú szenzort (többek között hőelemeket, gyorsulásmérőket, nyomásmérő cellákat stb.) támogat. Ezek az eszközök kihasználják az NI C-szériás mérő- és vezérlőmoduljainak előnyeit, használhatók USB-s mérésadatgyűjtésre és NI CompactRIO programozható automatizálás vezérlővel (PAC) is.
A WPA2-t – a kereskedelmi forgalomban kapható legnagyobb hálózati biztonságot – használva a Wi-Fi DAQ-eszközök megvédik a rendszert az illetéktelen behatolásoktól. Az azonosítás gondoskodik arról, hogy csak engedélyezett eszközök férjenek hozzá a hálózathoz, a titkosítás pedig megvédi az adatokat a lopástól. A Wi-Fi DAQ-eszközök támogatják a többszörös Extensible Authentication Protocol (EAP) használatát, ami megoldja a DAQ-eszközök és a vezeték nélküli hálózati hozzáférési pont közötti kölcsönös azonosítást. Szintén támogatják a 128 bites AES-titkosítást, amelyet az NIST jóváhagyott, és az Egyesült Államok minden kormányzati infrastruktúrájánál követelmény. Az erős titkosítást tartalmazó protokollokkal létrehozott, meglévő vezetékes hálózatok biztonságosan bővíthetők vezeték nélküli kapcsolatokkal.
A Wi-Fi DAQ-eszközökhöz tartozik az NI DAQmx-jelű driverés mérőszoftver, amely egy könnyen programozható rendszer konfigurációs eszközökhöz, I/O-kezelőprogramokhoz, valamint telepítés, konfiguráció és fejlesztési idő csökkentésére készült eszközökhöz.
NI Wireless Sensor Networks
A National Instruments Wireless Sensor Networks (WSN, vezeték nélküli szenzorhálózatok) megbízható, alacsony fogyasztású mérőegységeket kínál, amelyek akár 3 évig képesek 4 db AA-elemmel működni, és hosszú távú, távoli működésre használhatók (2. ábra). Az NI WSN-protokoll az IEEE 802.15.4-technológián alapuló, alacsony fogyasztású kommunikációs szabvány, amely a mesh-útvonalválasztási technológia révén megnöveli a hálózat által lefedhető területet és növeli a megbízhatóságot.
2. ábra NI-gyártmányú, vezeték nélküli szenzorhálózatok (NI Wireless Sensor Networks)
A nagy pontosságú NI WSN-mérőegységek négy analóg inputcsatornát és négy digitális input/output-csatornát tartalmaznak a szenzorok könnyű csatlakoztatásához, miközben 4 db AA-típusú alkáli elemmel akár 3 évig működőképesek. Mindegyik digitális csatornát input-csatornává konfigurálhatjuk, illetve sinking(nyelő) vagy sourcing(forrás) -output csatornává alakíthatjuk. Továbbá a WSN-3202 egy 12 V, 20 mA paraméterű szenzor-tápvonalat is kínál, amelyet a szenzorok meghajtására elemekről vagy külső tápegységről lát el.
Ezek a robusztus eszközök megfelelnek az ipari rezgésés ütésállóság követelményeinek, és –40…+70 °C-os hőmérséklettartományban használhatók. Hosszú távú, kültéri használat esetén az NI WSN 3291-típusú, kültéri, időjárásálló házzal is kombinálhatók. A 2,4 GHz-es, IEEE 802.15.4-szabványú rádiójelnek szabad rálátás esetén 300 m-es hatósugara van, amivel lehetővé válik, hogy a mérőegységek egy megbízható mesh-hálózatot hozzanak létre. Ha a mérőegységeket mesh-routereknek konfiguráljuk, akkor folyamatosan bekapcsolva kell maradniuk, hogy a hálózaton küldhessék és fogadhassák az adatokat. Ebben az esetben ajánlott valamilyen külső forrásból az egységek tápellátásáról gondoskodni, amely célra megfelelő lehet például egy 9…30 V-os tápegység, egy napelem vagy egy nagyobb akkumulátor is.
Következtetés
Vezeték nélküli kommunikációs funkciókat kialakítva a már meglévő vagy új mérőrendszerünkön jelentősen fokozható a hatótávolság és a rugalmasság, mi több, a költségek is csökkennek. Akár az NI Wi-Fi DAQ, akár az NI WSN használatakor a rendszer vezeték nélküli működéséhez a szükséges kapcsolatok már rendelkezésre állnak. A vezeték nélküli technológiák fejlődnek, csökken az áruk és a komplexitásuk, amivel a rendszerek költsége és komplexitása is csökkenni fog.
National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest
Neumann J. u. 1/E 2. em. (Infopark E ép.)
Tel.: +36 1 481 1400
Fax: +36 1 203 3490
E-mail:
http://hungary.ni.com
Szakmai tanácsadás: 06 80 204 704
Technikai kérdések:
