Senzorické sítě v praxi

1. Senzorické sítě v praxi EurOpen Klínovec – říjen 2009 Jaroslav Čížek Sponsor Logo Sponsor Logo Sponsor Logo Sponsor Logo

2. Agenda • Bezdrátové a drátové senzorické sítě • Industriální wireless • Zabezpečovací systémy • Inteligentní budovy • Smart gridy

3. Bezdrátové a drátové senzorické sítě Použité technologie dle způsobu a rozsahu senzorické sítě Bezdrátové technologie • 802.15.4 + související specifikace • 802.11 WLAN Drátové technologie • Sériové sběrnice • Speciální rozhraní • Stavové porty • IP sítě

4. Industriální wireless Použití 802.15.4 ve výroběStandardyWLAN aktivní RFID tagy jako senzoryArchitektura industriálních wireless sítí

5. Industriální wireless Bezdrátové senzorické sítě pro měření různých fyzikálních veličin a detekci stavů Používané technologie • WirelessHART specifikace • Rozšiřuje Wired HART • Fyzická vrstva a MAC IEEE 802.15.4 LR-WPAN • Přidává robustnost a spolehlivost – TDM, mesh,retry mechanizmus • Další standardyISA 100.11a(sec a qos), 6LoWPAN • WLAN 802.11 - levnější, ale …

6. Použití 802.15.4 ve výrobě Rychlé a „levné“ nasazení proti drátovým sítím, možnost jednoduché překonfigurace výrobní linky, dočasné sondy při řešní problémů Měření: • teploty, tlaku, hladiny, • vibrací, otáček, stavu atd. Extrémě nízká spotřeba a výdrž Vysoká dostupnost, sec Konponenty - senzory, kontrolery, mngm. Nejčastější použití -petrochemický prům. Sensors/Actuators/Field Devices Motes Gateways/Controllers Managers

7. WLAN aktivní RFID tagy jako senzory Pasivní RFID • Identifikace, předání statické hodnoty, cena < $0.10 Aktivní RFID • Identifikace, real-time lokalizace, napájení z baterie • Možnost předání dynamické hodnoty ze vstupu • Bezdrátový inteface ANSI 371, …, WiFi (2,4 GHz), 125kHz • Cena $30-50, výrobci – AeroScout, PanGo, WhereNet

8. Koexistence WSN a WLAN IEEE 802.15.4vs. 802.11 • Vysílání poměrně nízkého výkonu (10mW, 200mW) v Industrial Scientific and Medical(ISM) pásmu 2.4 GHz • Způsoby oddělení komunikace - Time Diversity, Coding Diversity, Frequency Diversity, Path Diversity, Spatial Diversity

9. 6LoWPAN IPv6 Low-power WPANIETF internet skupina 802.15.4 senzory mají omezenévýpočetní zdroje (počet cyklů, mem) => je třeba optimalizovat síťový stack Základní specifikace viz RFC 4944, popis RFC 4919 • Mapování adres • Zapouzdření, komprese hlaviček • Fragmentace/defragmentacerámcůMTU 127 / 102 / 81 oktetů vs. min 1280B pro IPv6 Proč IPv6: s klesající cenou HW se předpokládá velký nárůst počtu senzorů ve všech možných aplikacích

10. 802.15.4 Sensor Mote Architektura industriálního wirelessu ERP DCS Condition Monitoring Process Historian Apps Virtualization Unified Comm. Video Location Mobile Operator Security Identity Sense & Respond Services Services Cisco ISR Wireless LAN Controller Wireless Control System Cisco Call Manager Plant Network Cisco Location Appliance 802.11 Video Surveillance 802.11 Location Sensor Mgmt System 802.11 Access Points 802.11 Mesh APs Control Network 802.11<->802.15.4 Sensor Gateway 802.3 <-> 802.15.4 Sensor Gateway Mobile 802.11 Field Device 802.11 Asset Tracking 802.15.4 Wireless Sensor Network (Mesh or Star) Field Network WSN connected Field Devices

11. Zabezpečovací systémy DomácnostiKlasické zabezpečovací systémyArchitektura

12. Zabezpečovací systémy Domácnosti, malé firmy • 802.15.4/ ZigBee senzory • Digitální domácnost - řízení spotřeby, zabezpečovací systémy, dálkové ovládání přes mobil nebo Internet Klasické systémy fyzické bezpečnosti • Drátové senzorické sítě, bezdrát jen jako doplněk • EZS – čidla pohybu, stavu, kamerové systémy • EPS – čidla požárního systému • Kombinace s přístupovými systémy – čtečky RFID karet, biometrických údajů atd.

13. HW pro zabezpečovací systémy Komponenty • Senzory • Brány (převod do IP) • Kontroler+ management • Způsob komunikace • Rozhraní pro dveřní systémy (např. Weigant) • Sériové sběrnice mezi jednotlivými moduly a bránaminapř. CANbus(Controler Area Network) • samostatné In/Out vstupy a výstupy • RS-485

14. Architektura systémů fyzické bezpečnosti Layer 2 switch POE Physical Access Manager LDAP / Microsoft Active Directory Additional Modules IP Network LAN/WAN CAN Bus Other IT Apps HR Database CAN Bus Cisco Access Gateway Reader Module Reader Module Input Module Output Module Maximum of 40 Meters (130 Feet)

15. Inteligentní budovy Definice inteligentní budovy Mediátor

16. Inteligentní budovy Power Meters Electrical HVAC Lighting Elevators IT Access Control “Commercial buildings waste up to one-third of all energy they consume.” UPS Renewable Sources Trash Compactor

17. Inteligentní budovy • Building Automation Systems(BAS)/ Building Management System (BMS) • Způsoby řízení jednotlivých komponent budov • Manuální -> základní automatizace -> programovatelné řízení • Centralizované systémy -> Inteligentní systémy budov • Funkce BAS • Minimální funkcionalita – řízení topení, ventilace a klimatizace(Heating, Ventilating, and Air-Conditioning (HVAC))tzn. senzory vnitřní a venkovní teploty,spotřeby energie, stavu zařízení + řízení topení, ventilace, klimatizace, zpracování alarmů a možnost plánování • Další funkce – integrace řízení osvětlení, přístupu, kamerových systémů, požární bezpečnosti atd. • Komponenty - komunikační brána a programovatelný kontroler

18. Mediátor Mediátor = zařízení / kontroler, které je na základě vstupních údajů od komunikačních bran a naprogramované logiky schopné řídit funkci jednotlivých systémů budovy Podporuje velké množství protokolů a typů senzorů • Modbus • BACnet (ANSI) • LonTalk (ANSI/EIA) • RS-485 • TCP/IP industriálnístandardy

19. Mediátor – příklad zařízení 24 VAC ‘Floating’ Power (2) Ethernet TCP/IP Ports (2) Relay, Discrete Outputs (2) USB Ports (4) Dallas 1-Wire Ports (2) RS-232 Ports for 3rd Party Protocol Communication (4) Pulse Counter Inputs (1) RJ-11 Phone/Modem Port (4) RS-485 Ports for 3rd Party Protocol Communication (1) Console Port for Management

20. Konvergované řešení inteligentní budovy Energy Management Building Management Facility Management Security Management Maintenance Management IT Network Management ENTERPRISE APPLICATIONS Mediator IP Camera IP Telephony Router Switch Wireless Energy & Power Metering BMS Lighting Control UPS Monitoring CCTV Access Control DVR VAV Boilers Door Controllers FCU AHU Intruder Panels General Lighting Heat Pump Chillers Channel Controllers Chilled Beam Smoke Sensor Break Glass Occupancy Detectors Fire Alarm System Reader Technology DSI/DALI Interface Sounder

21. Smart Metering a Smart Gridy Smart Grid topologie Komponenty Problémy Projekty

22. Smart grid

23. Smart grid Smart Grid – rámec / řešení, které umožňuje energetickým a distribučním společnostembezpečně využívat IP sítě pro výrobu, přenos, uložení a spotřebu energie a ostatních produktů Cíle • Efektivní přenosový systém • Integrace distribuovaných alternativních zdrojů • Centrální management, dohled, koordinované řízení • Odolnost proti poruchám a výpadkům • Snížení ceny na straně výroby i spotřeby Smart Metering – první stupeň Smart gridů, implementuje pouze část měření na straně zákazníka

24. Komponenty Smart gridů Komponenty Smart gridů • Energetická přenosová a distribuční síť • Komunikační síť • Substation automation / integration (SA/I) • Neighborhood area network (NAN) • Business area network (BAN) • Home area network (HAN) • Výpočetní platforma a systémy řízení • Obchodní aplikace a služby

25. Problémy nasazení smart gridů Možnosti připojení koncových měřících přístrojů /senzorů • Sériové sběrnice + kontroler v dosahu • Přenos přes elektrické vedení (PLC) • Drátový ethernet • Wireless Mesh Adresace, směrování, řízení přístupu • IPv4 privátní adresy vs. IPv6 • Stromová struktura Bezpečnost!!!!!! Cena

26. Běžící projekty Smart gridů USA Evropské projekty • Amsterdam – 60000 připojených domácností, cca 200000 během příštích dvou let, úspora až 50%, primárně Smart Metering • Švédsko, další země EU • ČR • Dobruška – 2000 “chytrých” elektroměrů • Blízká budoucnost – 40000 dalsích odběrných míst

27. Otázky a odpovědi???

28. Další informace • WirelessHART http://www.hartcomm.org/http://www.hartcomm.org/protocol/wihart/wireless_technology.html • WSN & WLAN (Cisco, Emerson) http://www.cisco.com/web/strategy/docs/manufacturing/swpIIWS_Emerson_wp.pdf • Building Mediator www.cisco.com/go/mediatorhttp://www.richards-zeta.com/index2.shtml • Smart gridy www.cisco.com/go/smartgrid