Nieberl József VEZETÉK NÉLKÜLI SZENZORHÁLÓZATOK Napjainkban az élet minden területén több száz elektronikai eszköz vesz bennünket körül. Az informatika rohamos fejlődése már néhány évvel ezelőtt lehetővé tette kis méretű, alacsony tápfeszültségről üzemelő számítógépek építését. Lendületet kapott az ezekből az eszközökből épített szenzorhálózatok kutatása, fejlesztése. Az eszközök összekötésére, hálózatba szervezésére különböző adatátviteli interfészeket, protokollokat alkalmaznak. A vezetékes megoldások mellett egyre inkább elszaporodnak a vezeték nélküli kommunikáció eszközei. Ez az átvitel technika nem csak a kábeleket, a fix topológiát szünteti meg, hanem szabadságot, kényelmet és mobilitást biztosít számunkra eszközeink hordozhatósága és könnyű áttelepítése okán. A számítógépek közötti vezeték nélküli kommunikációt IEEE szabványok írják le. Az eltérő igényeknek megfelelően sokféle különböző vezeték nélküli hálózattípus létezik, amelyek adatátviteli sebességben, hatótávolságban, energia- és erőforrásigényben is széles skálán mozognak.(rf ID, Bluetooth, ZigBee, WiFi, GSM, GPRS, UMTS, WiMax, stb.). Léteznek olyan vezeték nélküli megoldások is melyek nincsenek felkészítve hálózatban való működésre és az adatbiztonság kérdéseket sem kezelik megfelelően. A hálózatokban ISM(Industrial, Scientific, Medical frekvenciasáv) sávú rádiós kommunikációt alkalmaznak, felmerült az igény szabványok kidolgozására, amelyek biztosítják több rendszer egymás mellett élését, együttműködését. A ZigBee rendszerek felépítése működése nemzetközi szabványban rögzített (IEEE802.15.4). E szabvány alapján kialakíthatók közepes és nagyméretű vezeték nélküli szenzorhálózatok. Nagy biztonságú AES titkosítást használó, robusztus, kis energiaigényű rendszer. Mindez a legkisebb fogyasztás mellett tetszőleges (fa, csillag, háló) topológiában. Hálózati, biztonsági és alkalmazási rétegek specifikációjával ellátott eszköz. A kapcsolat megvalósítás általában az integrált funkciók és a programozható szoftver használatának kombinációjával történik. Létrehozhatóak vele intelligens, autonóm hálózatok. A teljes szabvány és annak számtalan alkalmazási lehetőségének ismertetése nélkül kiemelnék néhány fontos tulajdonságot, melyek átgondolása rávilágít ezen technológia alkalmazási területeire, előnyeire. Ezek az eszközök helyi lokális vezeték nélküli hálózatot hoznak létre. A hálózat egy kitüntetett pontja az adatkoncentrátor, ami általában egy átjáró is az egyéb globális hálózatok felé.
A topológiák megértéséhez ismernünk kell az eszközzel megvalósítható kapcsoló típusokat.(node-okat) Ebből háromféle létezik. A Co-ordinator, melyből minden applikációban általában egy darab szerepelhet. Rendszerint ezzel kapcsolódik a hálózat a központi adatgyűjtő egységhez vagy külső hálózatokhoz. Ez az eszköz kapja a nullás azonosítót, és ő vezérli a frekvenciaválasztást. Ezen kívül még számos funkciót lát el az inicializálásban is. Router az node, amely a fa és háló topológiák használatakor a különböző egységeket összeköti egymással. Üzeneteket továbbít az egyik pontból a másikba. A csillag topológiában nincs rá szükség, mert itt a Co-ordinator tölti be ezt a szerepet. A fában olyan pozícióban vannak, hogy mind fel, mind lefele képesek eljuttatni a csomagokat. A háló összeköttetésekben bárhova kerülhetnek, ahol engedélyezni kívánjuk a keresztirányú adatáramlást. End Device-nak hívjuk azt a node-ot, mely a hálózat végpontjain áll. Adatküldésre és fogadásra alkalmas, de továbbításra nem. Ez az eszköz képes sleep módba menni, hogy takarékoskodjon az energiával. A felsorolt kapcsoló típusokból három topológia hozható létre. Ez a "fa" (Tree), A "háló" (Mesh) és a "csillag" (Star). Csillag topológia: A középpontban egy Co-ordinator áll, mely az őt körülvevő End Device-okkal kommunikál. Ez a legegyszerűbb és a leglimitáltabb kiterjedésű hálózati megvalósítás. Előnye az egyszerűség, könnyű tervezés, direkt kapcsolatok. Hátránya hogy csak korlátolt hatókörű. Fa struktúra: A Co-ordinator nem csak végpontokkal, hanem Routerekkel is kapcsolatban áll, melyek kiterjesztik a hatótávolságot, és elágazásokat is létrehoznak, így nő az áthidalható távolság és az eszközök száma. Háló: Abban különbözik a fa topológiától, hogy itt a Routerek és End Deviceok egymás közt is küldenek adatot, így rövidebb, biztonságosabb utak jöhetnek létre. Leprogramozható hogy adott node meghibásodása esetén a hálózat hogyan reagáljon. A ZigBee rétegek alapvető definíciói az OSI modellnek megfelelőek. A fizikai réteg(phy) specifikálja az adatátviteli szolgáltatást az interfésztől a fizikai átvitel megvalósításának lényegéig. Ez a layer irányítja a rádiófrekvenciás adásra vonatkozó beállításokat. Kezeli a csatornaváltásokat, az energia és jelvezérlést. Interfész funkciója van.
A legkisebb fogyasztás érdekében minimalizálták a kitöltési tényezőt, amely az az idő, melyen belül aktívan adó teljesítmény van jelen a rendszerben. Ennek érdekében, a lehetőségekhez képest minél nagyobb frekvenciára van szükség. A stack réteg az az átmenet, mely összeköti a program által megvalósított funkciókat a fizikai réteggel. A Stack-ből vezérelhető a rádió, a kódolás, a címek megadása. Itt jönnek létre a kapcsolatok, itt tárolódnak a beállított profilok és iktatódnak be a gyártó-specifikus elemek. Ebben a rétegben jelenik meg a licencek és a hálózat közti kapcsolat, itt generálódnak a biztonsági szintek. Általában a Stack automatikusan meghívódó függvények együttese. Applikációs szint. Ide kerül az általunk megírt program, és itt kerül végrehajtásra. Meg kell felelnie bizonyos normáknak, hogy értékátadás jöhessen létre a Stack felé. Ennek a rétegnek része az APS, amely a fontosabb elemek közti kommunikációt valósítja meg. A ZigBee szabványt implementáló áramkörök az általános mikroprocesszor elemeken túl rendelkeznek néhány kiegészítő modullal. Az AES titkosítás gyorsító, egy 128bites titkosító kódot kezelő koprocesszor. A fő processzor minimális beavatkozása árán egy állandó, kapcsolatba ágyazott védelmet biztosít. AES-CCM (Counter with CBC-MAC encryption) egy olyan titkosító eljárás, mely csomagonként biztosít gyors kódolást és dekódolást. A hitelesítés mértéke függ a kód hosszától. Ez a feltételezés abból indul ki, hogy minél hosszabb egy titkosítandó kód, annál nehezebb lesz azt visszafejteni. A vevőket úgy alkották meg, hogy azok aktiválni tudnak egy újraküldés elleni védelmet is. Ezek után minden chip ACL-jében (acces controll list) definiálja, hogy mely kapcsolatokhoz melyik titkosítási szintet használja, és milyen kulcsot küld el. (bővebb információ: Irodalomjegyzék - AES kódolásról) A MAC gyorsító a CRC ellenőrző kódok generálását, és a címek ellenőrzését végzi. Ezen kívül automatikus nyugtákat is hivatott küldeni, valamint belső időzítővel méri és jelzi a túl sokára, vagy az abszolút meg nem érkező válaszokat. Az O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying ) modem az első igazi rádiós blokk a chipben. Itt történik meg a moduláció és a demoduláció. Ez a digitális modulációs eljárás azon alapul, hogy a vivőjel több fázissal rendelkezhet. Az egyes információkat az kódolja, hogy a jel a fázisok közt hogyan váltakozik. (egyes fázisok más és más bitet reprezentálnak) Az O-QPSK négy különböző fázisátmenetet különböztet meg. A maximális fázisugrás 90, szemben a hagyományos
QPSK-val, ahol ez 180 volt. Ez azt eredményezi, hogy a jel sosem megy át az origón, hiszen egyszerre csak egy bit változhat. A Rádió 2.4 GHz-es az ISM sávban működik, ami ingyenes alkalmazást tesz lehetővé. A nemzetközi szervezetek ezt a sávot jelölték ki engedély nélküli használatra. A sáv mindenütt szabadon igénybe vehető a világon, ami rendkívüli térfoglalást tesz lehetővé. A ZigBee protokoll néhány újszerű eleme: Alkalmazásprofilok: A ZigBee az alkalmazás profilokon keresztül támogatást nyújt a csomópontok közötti egységes kommunikációra. Egy profil az alkalmazások üzeneteinek formátumára vonatkozó megegyezés. Egy meghatározott célú hálózatban az alkalmazások előre definiált üzeneteket váltanak egymással, például egy épületautomatizálási rendszerben a kapcsolók és a lámpák között ki-bekapcsolásra vonatkozó üzenetek továbbítódnak. Eszközök felderítése: Egy, a hálózatba bekerülő csomópont előzetes konfiguráció nélkül képes kapcsolatot teremteni az általa igényelt alkalmazásprofilt támogató eszközökkel. Erre a felderítés (discovery) funkció nyújt lehetőséget. Lehetőség van egy meghatározott eszköz egy adott végpontjáról lekérdezni, hogy milyen profilt támogat, illetve egy azonosító alapján meg lehet határozni a keresett profilt támogató eszközök listáját. A protokoll támogatást biztosít továbbá az adatátvitel hitelességének és bizalmasságának biztosítására, az útvonalak felderítésére, a rádió adási, vételi üzemmódjának szabályozására, az előforduló hálózati hibák kezelésére. Összefoglalva, a ZigBee alkalmas különféle topológiájú adatgyűjtő hálózatok kialakítására, a szenzorok számára elérhető alacsony energiafogyasztás mellett. További előny az alkalmazási réteg fejlettsége, a hálózat önjavító képessége. Perspektívák A ZigBee jó lehetőséget kínál szabványos megoldások létrehozására. Rengeteg lehetőség kínálkozik a vezetékes átvitel ésszerű kiváltására, a komfort vagy a költséghatékonyság miatt. Használható biztonsági rendszerekben, beltéri, kültéri környezetmonitorozó rendszerekben, lakossági, ipari, katonai területeken veszélyes anyagok, gázok jelenlétének érzékelésére, ezek hosszútávú monitorozására. Személy, áru, veszélyes anyag épületen belüli (ahol a GPS technológia nem alkalmazható) azonosítására, követésére. Olcsó megoldás lehet a közlekedésben szükséges azonosítási problémák megoldására (Felhajtott e a jármű egy útszakaszra? Nem szükséges fizikai kaput építeni, kialakítható egy biztonságos vezeték nélküli elektronikus kapu is a kérdés megfigyelésére). Használható továbbá épületfelügyeleti, energiagazdálkodási, szellőztető rendszerekbe. Audio átviteli kódolást tömörítéssel, titkosítással is meg lehet valósítani.
Rendkívül nagy biztonságú személy, áru, veszélyes anyag követés alakítható ki ezen eszközök felhasználásával. Mivel ezek az áramkörök programozhatók, az adóteljesítményük is programból szabályozható, beépített AES titkosító processzorral rendelkeznek így kitűnően alkalmazhatók biztonsági rendszerekbe is. Ellentétben az RF ID eszközökkel nem szükséges nagy teljesítményű gerjesztés a chipek aktiválásához. Ez a tulajdonság kizárja az RF ID technológiát a veszélyes illetve robbanóanyagok követési megoldásaiból. Az RF ID eszközök kifejezetten csak rövidebb azonosító kódot képesek kommunikálni néhány 10 cm távolságba. A ZigBee eszközök alkalmazásával lehetőség van az azonosításra kis energiájú adóteljesítmény mellett (0.01mW) néhány méteres mikrócellán belül is. Például kiemeltek-e egy doboz robbanóanyagot a szállító jármű rakteréből. A rendszer azonnal képes jelezni, mikor, hol, ki végezte a műveletet, amennyiben a jármű, a kezelők és a robbanóanyagok is el vannak látva azonosító eszközökkel.. Az eszközök képesek egyéb környezeti adatokat is mérni, például hőmérséklet, páratartalom, fény stb., mely adatok a robbanóanyag környezetéről is információkat szolgáltat. Rendkívül fejlett az energiafelhasználás és menedzselés ezekben az áramkörökben, egy AA méretű elem használatával, percenkénti méréskommunikáció esetén is kialakítható 3-5 évig is üzemképes eszköz. Biztonsági szempontból az eszközök igen magas fokú adatbiztonság elérését teszik lehetővé a teljes kommunikációs csatornán a szenzortól az elemző központig, így megbízható hálózatok építhetők illetéktelen lehallgatásokkal, támadásokkal szemben. Ugyanakkor ezek az eszközök mindenki számára elérhetők, szabadon engedélyek nélkül is használhatók azaz a bűnözök és terroristák kezében is ugyanezt a hatékonyságot biztosítják. Alkalmazási példa: BWS (BION Wireless Sensors) szenzorrendszer alkalmazása beltéri levegőminőség ellenőrzésére A levegő minőség kérdéskörével egyre több tudományos kutatás, ipari megoldás és törvényi szabályozás foglakozik. A közvetlen környezetünk, otthonunk, munkahelyünk és egyéb közösségi terek levegőminőség kérdéskörével a beltéri levegőminőség(indoor air quality) szabványok előírások foglalkoznak. A bemutatott rendszer a beltéri levegő minőség mérésére monitorozására készült. A rendszer funkciói: Beltéri levegőminőség jellemzéséhez szükséges paramétereket méri, az adatokat egy helyi vezeték nélküli hálózaton (ZigBee) keresztül valamint a GSM/GPRS hálózaton keresztül egy központi adatkezelő szerverhez továbbítja.
A mért adatok: hőmérséklet, páratartalom, CO2, opcionálisan veszélyes gázok, szálló por. A mért adatok adatbázisba kerülnek tárolásra, a valós idejű és a korábban mért értékek megjeleníthetők WEB-es és Mobil alkalmazások segítségével. A rendszer az üzemeltetéshez szükséges adatokat is méri, kezeli. Ilyenek az elemállapot, térerő viszonyok, stb. A rendszer alkalmas légtisztító berendezések vezérléséhez. A rendszer felépítése:
A rendszer működése: A szenzorok mérik az adott jellemzőt (Temperature, RH, CO2, Dust, stb.) ezeket a jellemzőket a lokális vezeték nélküli ZigBee hálózaton keresztül egy adatkoncentrátorhoz továbbítják. A szenzorok különböző kivitelűek, elemes illetve hálózati tápellátással rendelkeznek. Az adatkoncentrátor fogadja a beérkező adatokat, kontrollálja a ZigBee hálózat működését. Az adatok a koncentrátorból GPRS kommunikációt használva a központi adatkezelő szerverhez jutnak, itt adatbázisban tárolódnak. Szintén ehhez a szerverhez kapcsolódnak a felhasználók WEB illetve Mobil eszközökkel. Az adatok megjelenítését mindkét platformon JAVA alkalmazások, illetve MIDLET-ek biztosítják. A rendszer előnyei: - Szolgáltatás orientált - Távolról (Interneten keresztül) tetszőlegesen vezérelhető, ellenőrizhető - A szenzorhálózat által nyújtott szolgáltatások dinamikusan bővíthetőek - A hálózat struktúrája működés közben alakítható és bővíthető - Vezeték nélküli, kétirányú kommunikáció - Folyamatos szenzor-adat elérést tesz lehetővé - Folyamatos a hálózati funkciók monitorozása - Riasztások, eseménykezelés, statisztikák - Megbízható - Szabványos Felhasznált irodalom [1] 802.15.4 IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks - Specific requirements Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs) [2] ZigBee Specification http://www.zigbee.org/en/spec_download/download_request.asp [3] ZigBee Alliance http://www.zigbee.org/ [4] http://www.cs.berkeley.edu/~daw/papers/15.4-wise04.pdf (AES titkosításról) [5] Data Sheet JN5121 Jennic (chip datasheet) [6] http://standards.ieee.org/getieee802/download/802.15.4-2006.pdf