Reti di sensori

SENSORI
SENSORIIN
INRETE:
RETE:PERCHE’?
PERCHE’?
• 5V, 4-20 mA
• Frequenza, DutyCycle
+
-
µC
+
-
IEEE1451(TEDS)
RETE
SISTEMA DI
MISURA
• RS 485…
• CANbus, ProfiBus, WorldFIP
• Ethernet – TCP/IP, RTE…
µC
+
-
batteria
Alessandra Flammini
SISTEMA DI
MISURA
Connettività
senza fili
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
SISTEMA DI
MISURA
I. Gorini 2005
1
SISTEMI
SISTEMICENTRALIZZATI
CENTRALIZZATIEEDISTRIBUITI
DISTRIBUITI
SENSORE
ACQUISIZIONE
SENSORE
ACQUISIZIONE
SENSORE
ACQUISIZIONE
rete
rete
SENSORE
SISTEMA
SISTEMA CENTRALIZZATO
ACQUISIZIONE
SISTEMA
SENSORE
ACQUISIZIONE
SENSORE
ACQUISIZIONE
SISTEMA
SISTEMA DISTRIBUITO
- migliore campionamento
- sensori/sistemi la dove servono
- cablaggi critici
- scalabilità/flessibilità
- peggiore gestione del sistema
- ritardi/disallineamenti introdotti dalla rete
- architettura “isolata”
- architettura “integrata”
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
2
SENSORI
SENSORIIN
INRETE
RETEEESMART
SMARTSENSORS
SENSORS
Per avere i sensori in rete è sufficiente disporre di moduli concentratori o di periferia
Cond.
Concentratore = bridge/gateway
Periferia = intelligenza + concentratore
Sensore
Cond.
Sensore
Cond.
Cond.
MUX & A/D
Sensore
Trasmissione
analogica
Trasmissione
numerica
Sensore
Smart sensor
SENSORE
µC
Alessandra Flammini
DISPOSITIVO
PERIFERICO
DISPOSITIVO
D’ISOLAMENTO
DISPOSITIVO
D’INTERFACCIA
ELETTRICA
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
Costo maggiore
Presenza µC:
• linearità
• filtri
• compensazioni
• accesso misure
• diagnostica
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3
INFORMAZIONE
INFORMAZIONENEL
NELSENSORE:
SENSORE:SENSORE
SENSOREO
OSISTEMA?
SISTEMA?
Un sensore intelligente è come un piccolo sistema:
- conosce l’elemento sensibile (linearizza, compensa rispetto a grandezze d’influenza,
converte in unità fisiche, rileva guasti e anomalie)
- acquisisce il segnale dal sensore (può campionare in modo equidistante, simultaneo,..)
- gestisce l’informazione di misura (memorizza i campioni, li filtra, li preelabora,..)
- si fa riconoscere dalla rete in modo automatico (plug&play)
IEEE1451 (Smart sensor)
Lo standard IEEE1451 definisce:
- modello software per lo scambio dati su rete
1451.1 Network Capable Application Processor (NCAP)
- interfaccia standard tra il trasduttore e l’NCAP
1451.2 Smart Transducer Interface Module (STIM)
- struttura dati contenente le specifiche del trasduttore
1451.2 Transducer Electronic Data Sheet (TEDS)
1451.4 TEDS per sensori con uscita analogica
- wireless smart sensor (IEEE1451.5 non rilasciata)
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
4
RETI
RETIDI
DISENSORI:
SENSORI:DOVE?
DOVE?
AGRO-ALIMENTARE
Monitoraggio del terreno, rilevazione
muffe, batteri, deterioramenti,…
AUTOMAZIONE CIVILE
Ospedali, aereoporti,..
(qualità della rete elettrica,
climatizzazione, presenze,..)
CASA
(climatizzazione, illuminazione,
monitoraggio, allarmi, automazione
di porte, finestre, giardini,..
IMPIANTI INDUSTRIALI
regolazione, controllo di processo,
database, interfaccia operatore,
analisi statistica, …
Alessandra Flammini
SALUTE
Parametri vitali in presenza di
patologie o sforzo fisico (sport),..
MILITARE
Esplosivi, vibrazioni in aria,
terra/acqua, comunicazioni,…
AUTOMOTIVE
Interno autovettura
(Qualità dell’aria, clima, regolazioni)
Infrastrutture
(traffico, nebbia, controllo velocità)
AMBIENTE
clima, livello acque, agenti
inquinanti, incendi, sismi,
smottamenti,…
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
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?
5
RETI
RETI DI
DI SENSORI:
SENSORI: APPLICAZIONI
APPLICAZIONI EEREQUISITI
REQUISITI
agro-alim
ambiente
casa
salute
militare
automotive
aut.civile
industria
Compattezza
+
+
∼
++
++
∼
-
-
Costo
+
∼
++
∼
-
++
+
+
Prestazioni
-
-
-
∼
+
+
+
++
Distanza
+
++
∼
-
++
∼
+
+
Wireless
+
++
+
++
++
∼
∼
∼
Sicurezza
∼
∼
+
++
++
++
++
++
Robustezza / EMC
∼
∼
+
++
++
++
+
++
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
6
RETI
RETI DI
DI SENSORI
SENSORI PER
PER LA
LA MISURA
MISURA
Misure distribuite per:
rete
1) Memorizzazione (data logging)
Sensore
2) Elaborazione (FFT, Statistica,…)
3) Rilevazione eventi/allarmi (problema del first alarm)
misura
Sensore
Sensore
Caratteristica principale
Non è importante quando la misura giunge al sistema (buffer) ma che sia
possibile ricostruire la sequenza temporale delle misure (interpolazione)
Misure {x, t}i : riferibilità temporale
1) accuratezza/risoluzione nel tempo e nella misura
(riferire a t una misura fatta in t equivale ad effettuare un
errore ∆x ≅ ∆t*slewrate)
2) se ∆t = costante allora si ha campionamento equidistante
3) possibilità di acquisizione simultanea/sincronizzata
4) Possibilità di sovracampionare e preelaborare
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
∆x
∆t
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7
RETI
RETIDI
DISENSORI
SENSORIEEATTUATORI
ATTUATORIPER
PERIL
ILCONTROLLO
CONTROLLO
Controllo di:
Controllo
1) Processo (temperatura, umidità,…<Hz)
2) Movimentazioni (posiz. velocità, acceler… >kHz)
3) Altro (minuti, secondi o millisecondi?)
Sensore
Sensore
Attuatore
Caratteristica principale
E importante quando la misura è stata effettuata ma anche quando giunge al
sistema, così come è importante stabilire quando le uscite devono essere
attuate ma anche comunicarle per tempo
DETERMINISMO
Requisiti:
1) frequenza di campionamento fc=1/Tc << frequenze fs del sistema da regolare
2) tempo di campionamento Tc rigorosamente costante (basso jitter) ∆Tc/Tc < 0.1%
3) sincronizzazione tra campionamento (tutti i sensori) e attuazione (tutte le uscite)
4) ritardo Td (latenza) acquisizione evento -> generazione uscita piccolo e costante
Td = Tcom(richiesta) + Tsensore + Tcom(rd) + Tapplicazione + Tcom(wr) + Tattuatore
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
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8
WIRELESS:
WIRELESS:MODA,
MODA,COMODITA’
COMODITA’O
ONECESSITA’?
NECESSITA’?
Cablato
Wireless
costo
compattezza
batterie
determinismo
mobilità
cavi
manutenzione
Internet?
sicurezza (security)
sicurezza (safety)
batterie
EMI
Il costo sarà la chiave di volta se si riesce a risolvere il problema della security
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“Reti di sensori: generalità e tendenze”
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9
WIRELESS:
WIRELESS:SICUREZZA
SICUREZZAeeEMI/EMC
EMI/EMC
EMI/EMC (interferenze, disturbi) :
- altri sistemi e/o infrastrutture influiscono sulla rete wireless (RF, ferro, acqua,…)
- la rete wireless di sensori influisce (HW) su altri sistemi (wireless e non)
- la rete wireless influisce sull’uomo (danno biologico)
(Normativa: Max 1W/m2 nella banda 3MHz-3GHz. Max 10mW/MHz ISM 2.4GHz)
SAFETY (sicurezza rispetti a guasti accidentali, pericolo):
- Controllo d’integrità del messaggio
- Codici per la corretta rilevazione dell’informazione anche in presenza di rumore
- Isolamento elettrico tra i nodi
SECURITY (sicurezza rispetti a guasti non accidentali, pericolo):
- Possibilità di intrusione “a distanza”
- Crittografia
- Studi e ricerche soprattutto per le WLAN (WiFi) e WWAN (GPRS, UMTS)
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
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10
WIRELESS:
WIRELESS:EEL’ALIMENTAZIONE?
L’ALIMENTAZIONE?
Wireless
comunicazione senza fili e alimentazione autonoma
Alimentazione autonoma a basso costo
Batterie ricaricabili
batterie
Batterie non ricaricabili
- Minore capacità (Ah)/volume
- Il circuito di ricarica consuma
- Strategia di ricarica efficiente
- Durata minima = 1anno = 8760h
- 1Ah
Icc,mean=114µA
- Capacità, formato, tensione
Microcontrollore + transceiver in fase attiva
Funzionamento in duty cycle << 1
Ton*Icc,on + Toff*Icc,off
Ton + Toff = T
Alessandra Flammini
Icc,mean ~ 10mA
Ton, Icc,on
Tof, Icc,of
~ 100 µA
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
Toff > 100Ton (>1s)
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APPLICAZIONI
APPLICAZIONIWIRELESS:
WIRELESS:COSA
COSAC’E’
C’E’OGGI?
OGGI?
RADIOCOMANDI (cancelli, chiavi,..)
Topologia punto-a-punto, Trasmissione RF a
433MHz, bassi consumi, scarsa sicurezza e EMC
COMPUTER (WiFi)
Rete basata su IEEE802.11, topologia
con access point, buona sicurezza,
elevati consumi, elevate prestazioni
Sensori/attuatori a vista
Tecnologia punto-a-punto, IR, corto
raggio (10m), bassissimi consumi
RETI DI SENSORI per la misura
Topologie punto-a-punto o a stella,
RF a 433MHz, bassi consumi,
bassissimo duty cycle (minuti),
scarsa sicurezza e EMC
Alessandra Flammini
VIDEOCAMERE/ALLARMI
IEEE802.11 se alimentazione a
rete altrimenti RF433MHz
SISTEMI DI IDENTIFICAZIONE
RFID, passivi, agiscono come
memorie che possono essere
lette o scritte, basse distanze
(<1m), no batteria, bassi costi
TELEFONIA, PDA, audio (Bluetooth)
Rete punto-a-punto, consumi
abbastanza elevati, buona sicurezza,
buone prestazioni
Sensori/attuatori a distanza
Topologia punto-a-punto, GSM
–SMS-, costo della chiamata,
tempo di risposta variabile
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
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12
TECNOLOGIE
TECNOLOGIEWIRELESS
WIRELESSESISTENTI
ESISTENTI
WAN
MAN
LAN / PAN
BAN
Global
Urban
Satellite
Suburban
Macro Cell (20-50 km)
Micro Cell (≈1 km)
In-building
Pico Cell (1-10 m)
Il wireless si è affacciato al mondo dei consumatori con la telefonia mobile:
GSM (9.6kbaud) GPRS (40kbaud, Internet) UMTS (~Mbaud, video)
Diffusa, basso costo HW
SENSORI
Alessandra Flammini
Costo “chiamata”, consumi (>1W)
LAN/PAN/BAN (WiFi, Bluetooth, ZigBee,...)
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
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13
TECNOLOGIE
TECNOLOGIEWIRELESS
WIRELESSPER
PERIISENSORI
SENSORI(LAN/PAN/BAN)
(LAN/PAN/BAN)
IR
RF 433
868/915
802.11
802.15.1
WirelessUSB
802.15.4
UWB
NFC
Frequenza
800-900 nm
433 MHz
868/915 MHz
2.4/5 GHz
2.4 GHz
2.4 GHz
868-902 MHz,
2.4GHz
3.1-10.6 GHz
Connessione
Induttiva
(13.56MHz)
Data Rate
20k-16Mbps
0.3kbps
11-54 Mbps
1 Mbps
62.5 kbps
20-250 kbps
100-500 Mbps
106-424 kbps
Area
1-9m (LOS)
10m
50-100m
10m
~ 50m
10-100m
<10m
~20cm
Topologia di
rete
Punto a punto
Punto a
punto
Stella
Stella
Stella
Stella,
albero,mesh
Punto a punto
Punto a punto
Complessità
Semplice
Semplice
Alta
Medio/Alta
Semplice
Media
Media
Semplice
Consumi
Molto bassi
(10mW, dipende
dalla distanza)
Bassi
(~200mW)
Alti
~1W
Medi
~300mW
Bassi
~200mW
Bassi
~100mW
Bassi
~100mW
Bassi
Applicazioni
Remote control,
trasmissione dati
a corto raggio
Controllo
remoto
Wireless LAN
Cable
replacing
Periferiche PC
Automazione e
controllo
Trasmissione
segnali a banda
larga
Trasmissione
dati a corto
raggio
TENDENZE: 2.4GHz, DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum), attenzione a Icc,sleep
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
14
t (TDMA)
TECNOLOGIE
TECNOLOGIEWIRELESS:
WIRELESS:TENDENZE
TENDENZE
(F
DM
Time
Freq.
Code
Ca
n
al
e
Nella stessa area possono parlare:
• Coppie in tempi diversi
• Coppie su differenti canali
• Coppie con differenti codici
Codice (CDMA)
A)
Interferenza con altre RF source
In caso di “sottospazio” occupato/disturbato si può:
• Recuperare l’informazione anche se in parte corrotta (DSSS)
• Ascoltare prima di parlare (CSMA/CA)
• Continuare a cambiare canale
CSMA/CA
FHSS
DSSS
Reti a 2.4GHz: perché?
BANDA ISM (Industrial, Scientific, Medicine)
Larghezza canale = chiprate -> bitrate
(Es. 8 bit=2simboli=64chip@2Mchip/s=32µs)
27 / 433
868 / 915
2.4 ÷ 2.4835
5.0
D’altro canto se pochi canali allora poche
coppie che comunicano nello stesso tempo
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
MHz
MHz
GHz Unica libera in tutto il mondo
GHz
I. Gorini 2005
15
SENSORI
SENSORIWIRELESS
WIRELESSEERETI
RETIDI
DISENSORI
SENSORIWIRELESS
WIRELESS(WSN)
(WSN)
Sensore wireless
- Il sensore è alimentato a batteria ma il suo interlocutore è alimentato mediante rete
- Il sensore si sveglia e trasmette, attende un ACK e si riaddormenta (T)
- Il coordinatore sceglie il canale, si “associa” i sensori, poi è sempre in ascolto
- Semplice estensione alla topologia a stella 1 coordinatore + N sensori (TDMA)
- L’appartenenza alla rete k è nota a priori (dip-switch)
- Se un sensore esce dal raggio di azione del coordinatore “muore”
- Algoritmi per l’allungamento della vita delle batterie dei sensori
Reti di sensori wireless
- I sensori sono alimentati a batteria così come il coordinatore
- Due interlocutori conoscono l’istante della comunicazione
- Algoritmi di sincronizzazione tra i nodi (vita delle batterie)
- Alcuni nodi possono fare da “ponti” per la trasmissione (mesh)
- Scelta del percorso a seconda dello stato delle batterie dei nodi e delle interferenze
- Algoritmi di localizzazione dei nodi
- Algoritmi di scelta del percorso
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
16
FARE
FARE UN
UN SENSORE
SENSORE WIRELESS:
WIRELESS: PROBLEMATICHE
PROBLEMATICHE
Scelta dell’antenna
Antenna
Antenna potenza irradiata P
- P: max. 100mW, peak 10mW/MHz
- A quale distanza d arriva il mio segnale
- P ~ dn (2 < n < 4 –antenne scarse-)
Sensore
ADC
µc
Tx/Rx
Alimentazione
Alcuni parametri
- Efficienza η = Pr / (Pr + Pd)
G
(potenza irradiata Pr, dissipata Pd)
Chip antenna
- Guadagno G (diagrammi di irradiamento)
(η, perdite, direttività)
Osservazioni
- Più è elevata la f più piccola è l’antenna
- I connettori per le antenne sono costosi
(antenne a PCB)
Alessandra Flammini
Planar Inverted F-antenna
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
17
FARE
FARE UN
UN SENSORE
SENSORE WIRELESS:
WIRELESS: PROBLEMATICHE
PROBLEMATICHE
Antenna
Scelta del transceiver
2.4GHz (IEEE802.15.4)
- Low DataRate: Icc,sleep conta più di Icc,tx e Icc,rx
- Attenzione al tempo di recovery da “sleep”
- IEEE802.15.4 o proprietaria? (multivendor, automatismi stack HW)
IEEE802.15.4 o ZigBee?
Vita batterie, costi oppure
interoperabilità e on&play?
Sensore
ADC
µc
Alimentazione
Sol. ZigBee
Sol. IEEE802.15.4
P31
… P1
APP Utente
APS
NWK Utente
ZB NWK
802.15.4 MAC
802.15.4 MAC
PHY
802.15.4 PHY
802.15.4 PHY
RF Transceiver
RF Transceiver
RF Transceiver
Sol. Proprietaria
MAC
Alessandra Flammini
Tx/Rx
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
ZDO
18
FARE
FARE UN
UN SENSORE
SENSORE WIRELESS:
WIRELESS: PROBLEMATICHE
PROBLEMATICHE
Antenna
Scelta del microcontrollore
- µC “NanoPower”: alimentano solo ciò che serve e
sono veloci nel passare da uno stato all’altro
- Limitare la velocità (RC invece di OSC)
- Limitare fase misura (Ta) e protocollo “leggero”
Sensore
ADC
µc
Tx/Rx
Alimentazione
Scelta del sensore
Non solo caratteristiche metrologiche ma anche:
- Basso consumo
- Veloce “assestamento”
(alimentato solo durante la misura)
- Circuito di condizionamento “a basso consumo”
Sensore di temperatura
Sensore chimico
Scelta del circuito di condizionamento
Pochi amplificatori operazionali a basso consumo con “shutdown”
Filtri numerici e sovracampionamento invece dei filtri analogici (misura veloce)
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
19
FARE
FARE UN
UN SENSORE
SENSORE WIRELESS:
WIRELESS: PROBLEMATICHE
PROBLEMATICHE
Scelta delle batterie
PC
Phone
D
C
AA
AAA
9V
COSTO
NOTE
Alkaline(1.5V)
—
—
17Ah
7.8Ah
2.2.Ah
1Ah
0.6Ah
Basso
Non ricaricabile
NiMH (1.2V)
—
—
6.5Ah
2.8Ah
2.0Ah
0.7Ah
—
Medio
Ricaricabile, non tossica
Ioni Litio (3.6V)
2Ah
0.7Ah
—
—
(0.8Ah)
—
—
Alto
Ricaric. leggera, tossica
Alimentazione diretta da batteria o uso di regolatori di tensione a 3.3V?
Componenti utilizzati per aumentare l’utilizzo delle batterie
LDO: regolatori lineari a
bassa caduta di tensione
(Es. TPS79433 by Texas)
Step up / Step down
converter (Buck boost)
(Es. TPS61016 by Texas )
Charge pump
(Es. MCP1252 by Microchip)
Alessandra Flammini
Pochi componenti (cond. di bypass)
Alte Iout, basso rumore
Basso costo, bassa efficienza
Bassa efficienza
Vin > Vout
Alta efficienza, alto costo, Medie Iout
Vin > Vout oppure Vout < Vin
Criticità dell’induttore (layout)
Rumore elevato
Pochi componenti (inductorless)
Buona efficienza, costo Medio
Vin > Vout oppure Vout < Vin
Rumore medio
Vout multiplo di Vin
Basse Iout (<20mA)
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
20
WSN:
WSN:LA
LAVITA
VITADELLE
DELLEBATTERIE
BATTERIE
L = durata delle batterie (h)
L=
C = Capacità delle batterie (Ah), η = efficienza dello stadio di alimentazione
Kv = guadagno di tensione (stadio di alim.), Icc,mean = corrente media (A)
Ia = Consumo fase di misura
Ta = Durata fase di misura
IRF = Consumo fase di comunicazione
TRF = Durata fase di comunicazione
Isleep = Consumo fase di “sleep”
T = tempo di scansione del sensore
I cc ,mean =
η ⋅C
K v ⋅ I cc,mean
I a ⋅ Ta + I RF ⋅ TRF + I sleep ⋅ (T − Ta − TRF )
T
Criteri tipici di dimensionamento
Ta ≈ T ⋅
I sleep
Ia
TRF ≈ T ⋅
I sleep
I RF
Icc,mean ~ 3*Isleep
Isleep determina la vita media delle batterie
NOTA: se ritrasm. o reconnect il consumo aumenta
Alessandra Flammini
Ta , TRF >> T
Esempio: Ia=10mA, Ta=10ms
IRF=30mA, TRF=3ms, Isleep=50µA,T=2s
-> Icc,mean=145µA
Se C=2Ah, η=0.9, Kv=1.37 (2*AA)
L = 9028h = 376gg
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
21
WSN:
WSN: QUALI
QUALI APPLICAZIONI?
APPLICAZIONI?
AGRO-ALIMENTARE
Monitoraggio del terreno, rilevazione
muffe, batteri, deterioramenti,…
AUTOMAZIONE CIVILE
Ospedali, aereoporti,..
(qualità della rete elettrica,
climatizzazione, presenze,..)
CASA
(climatizzazione, illuminazione,
monitoraggio, allarmi, automazione
di porte, finestre, giardini,..
IMPIANTI INDUSTRIALI
regolazione, controllo di processo,
database, interfaccia operatore,
analisi statistica, …
Alessandra Flammini
SALUTE
Parametri vitali in presenza di
patologie o sforzo fisico (sport),..
MILITARE
Esplosivi, vibrazioni in aria,
terra/acqua, comunicazioni,…
AUTOMOTIVE
Interno autovettura
(Qualità dell’aria, clima, regolazioni)
Infrastrutture
(traffico, nebbia, controllo velocità)
AMBIENTE
clima, livello acque, agenti
inquinanti, incendi, sismi,
smottamenti,…
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
22
QUANDO
QUANDOCONVIENE
CONVIENELA
LARETE
RETE CABLATA
CABLATA
Anche ricorrendo ad alimentazione a rete ed eliminando la necessità del duty
cycle (Es. IEEE802.11g), la connessione wireless non è deterministica ossia
non si può affermare che entro T (T~ms) la comunicazione vada a buon fine
A causa delle interferenze la trasmissione può fallire o risultare corrotta, ma
soprattutto altre sorgenti RF possono “inchiodare” la rete: e la sicurezza?
La rete cablata è
deterministica e sicura?
Quali reti oggi operano nel “regno” del
determinismo e della sicurezza
(automazione industriale)?
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
23
RETI
RETIPER
PERL’INDUSTRIA:
L’INDUSTRIA:BUS
BUSDI
DICAMPO
CAMPO
Bus di campo
Utilizzati per la comunicazione a livello di cella e di sensori/attuatori
Dai protocolli proprietari su RS485 (’80) agli standard di uso generale (’90)
Principali requisiti di un bus di campo:
• GESTIONE MESSAGGI
- aspetti architetturali (singolo master, multi-master, politica d’accesso,..)
- capacità di trasmissione adeguata (numero dati per msg, numero nodi)
- garanzia dei tempi massimi di trasmissione
• SICUREZZA DEL SISTEMA
- protezione rispetto alla propagazione del guasto
- protezione all’integrità dell’informazione (codici di controllo/correzione)
- protezione rispetto a tentativi di intrusione
• REQUISITI TECNOLOGICI
- Compatibilità verso altri sistemi di comunicazione e/o infrastrutture
- Autoconfigurazione, diagnostica, strumenti
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
24
BUS
BUSDI
DICAMPO:
CAMPO:MA
MAQUANTI
QUANTISONO?
SONO?
IEC 61158 (Fieldbus standard for use in industrial control system)
• 61158 – 2 Regolamentazione del livello fisico
• 61158 – 3,4 Regolamentazione del livello dati (DLL)
• 61158 – 5,6 regolamentazione del livello applicazione
IEC 61784 – 1 Definizione delle Communication Profile Family (CPF)
CPF1 - FOUNDATION Fieldbus (include High Speed Ethernet)
CPF2 - ControlNet (include Ethernet/IP v1)
CPF3 - PROFIBUS (include PROFINET CBA)
CPF4 - P-NET
CPF5 - WorldFIP
CPF6 - INTERBUS
CPF7 - SwiftNet
IEC 62026 (Low voltage switchgear and controlgear
Controller/Device Interface)
• AS-I, DeviceNet, Smart Distributed Systems
CanOpen? Modbus? Sercos? Bus di campo diffusi non sono normati…
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
25
BUS
BUS DI
DICAMPO:
CAMPO: NODI
NODI
PLC
• Il costruttore di PLC ha in genere un bus di campo preferenziale,
ma diverse soluzioni possono essere disponibili a livello di modulo
Sensori/attuatori di una certa complessità (azionamenti, flussimetri, …)
• Un’interfaccia verso bus di campo standard (Profibus, Devicenet,.. )
ha un costo superiore a 10$
• Data la pluralità dei bus di campo spesso viene venduta come “opzione”
Intranet
S
S
Oggetti basati su PC
• Il PC necessita di moduli per il fisico
• Applicazioni non critiche
- configurazione, diagnostica
- monitoraggio, interfaccia operatore
Module
Moduli di I/O
• Es. ETS200 PROFIBUS: 300€
A
Profibus
SCADA
S
PLC
S
S
A
PLC
A
A
PANEL
S
CANbus
Alessandra Flammini
“Reti di sensori: generalità e tendenze”
I. Gorini 2005
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BUS
BUSDI
DICAMPO:
CAMPO:EEL’INTEGRAZIONE?
L’INTEGRAZIONE?
Integrazione tra bus di campo
Profili
Servizi
Applicazione
Funzioni
Interfaccia Dati
Applicazione
Presentazione
Sessione
Trasporto
Rete
Vendor B
Production Cell B
Fieldbus X
Vendor C
Production Cell C
Fieldbus Y
Dati
Fisico
− FISICO (Trasmissioni in rame (RS485,CAN2.0B), fibra ottica, IEC61158-2)
− DATI (Anche se fisico identico, la coesistenza di due bus è difficile)
− NECESSITA’ di INTERFACCE (Funzione spesso svolta dai PLC)
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DAI
DAIBUS
BUSDI
DICAMPO
CAMPOAAETHERNET
ETHERNET
“Modbus” e “Modbus over TCP”
• Stesso livello applicazione su diversi fisici
• Uno dei primi usi di Ethernet a livello di “campo”
(applicazioni non critiche per il tempo reale)
Modbus (Modicon –Schneider Electric– 1980)
•• Mezzo
Mezzo trasmissivo:
trasmissivo: seriale
seriale asincrona
asincrona (es.
(es. RS232,
RS232, RS485)
RS485)
•• Velocità:
Velocità: baud
baud rate
rate compresi
compresi tra
tra 1200
1200 ee 19200
19200
•• Configurazione:
Configurazione: 8bit,
8bit, no
no parità,
parità, 11 stop
stop
•• Architettura:
Architettura: monomaster,
monomaster, 247
247 slave,
slave, overhead
overhead minimo
minimo (4
(4 byte)
byte)
Modbus over TCP (1997)
•• Mezzo
Mezzo trasmissivo:
trasmissivo: Ethernet
Ethernet
•• Velocità:
Velocità: 10/100
10/100 Mbit/s
Mbit/s
•• Configurazione:
Configurazione: connessione
connessione TCP
TCP su
su porta
porta 502
502 (riservata)
(riservata)
•• Architettura:
Architettura: monomaster,
monomaster, 247
247 slave,
slave, overhead
overhead minimo
minimo (66
(66 byte)
byte)
IEC61784: Foundation Fieldbus HSE, Ethernet/IP, PROFINET
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DAI
DAIBUS
BUSDI
DICAMPO
CAMPOALLE
ALLEREAL
REALTIME
TIMEETHERNET
ETHERNET(RTE)
(RTE)
Bus di Campo: limiti e recenti evoluzioni
Applicazioni non critiche dal punto di vista del tempo reale e della safety
- scarsa diagnostica
- pochi strumenti di sviluppo
Ethernet / Internet
- limiti di integrazione
Applicazioni critiche per la safety
- bus di campo a sicurezza intrinseca
(IEC61158-2 → AS-I, PROFIBUS-PA, FF..)
- accoppiatori verso Ethernet / Internet?
Applicazioni critiche dal punto di vista del tempo reale (es. azionamenti)
- varianti “isocrone” dei bus di campo (FTT CAN, PROFIBUS DPV2)
- Real Time Ethernet (RTE)
Cosa vuol dire “applicazioni critiche dal punto di vista del tempo reale”?
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DETERMINISMO,
DETERMINISMO,SINCRONIZZAZIONE
SINCRONIZZAZIONEEEISOCRONIA
ISOCRONIA
DETERMINISMO
Capacità di servire una richiesta in un tempo limitato e noto a priori
(massima latenza nota)
ISOCRONIA
Caratteristica di comportamento strettamente ripetitivo nel tempo
(basso jitter)
SERVIZI DI SINCRONIZZAZIONE
Sincronizzazione della comunicazione (TDMA)
Sincronizzazione dell’I/O (global read, global write)
Sincronizzazione delle applicazioni
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SINCRONIZZAZIONE
SINCRONIZZAZIONEEESKEW
SKEW
Tappl
appl_elab
in1=0 in2=0
in1=1 in2=0
in1=1 in2=1
Dappl
appl_in1
appl_in2
appl_out
com_sincro
Tcom
com_in1
com_in2
com_out
latenza in-out
Dappl < latenza in-out < Tin+Tcom+Tappl+Dappl+Tcom+Tout
SINCRONIZZAZIONE DI: COMUNICAZIONE, IN/OUT, APPLICAZIONI
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UNICITA’
UNICITA’DEL
DELRIFERIMENTO
RIFERIMENTOTEMPORALE
TEMPORALE
Nei bus di campo il tempo di trasmissione su cavo può essere trascurato
(20cm/ns, se lunghezza < 200m il ritardo è <1µs -> sincronizzazione mediante msg broadcast)
Slave
Master
Slave
Slave
Applicazione
Applicazione
Applicazione
Applicazione
......
......
......
......
MAC
MAC
MAC
MAC
Fisico
Fisico
Fisico
Fisico
rete
Sincronizzazione: offsk = Tsk – Tmk
filtro anti-jitter: offsk+1 = offsk + α(Tsk+1 –Tsk – T)
(Tm = istante di partenza del msg nel rif. del Master, Ts = istante di arrivo del msg nel rif. dello Slave)
Nei bus Ethernet la presenza degli switch porta a ritardi considerevoli (>100µs/switch):
adeguati meccanismi di sincronizzazione (GPS, IEEE1588)
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RETI
RETI DI
DI SENSORI:UN
SENSORI:UN PROSSIMO
PROSSIMO SCENARIO
SCENARIO
Area coperta
WPAN
(ZigBee)
WWAN
(GPRS, Internet)
Reti di sensori
Modelli, misure, strumenti:
c’è pochissimo, tranne…
…un sacco di lavoro per tutti!
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Determinismo,
sicurezza
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Real Time
Ethernet
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