Sensornetzwerk – Planung und Recherche – Teil 2

Im ersten Teil des Beitrags ging es bereits um die Fragen, was das Netzwerk leisten muss, welches Betriebssystem am besten geeignet ist und welche Hardware gewählt werden sollte. Im zweiten Teil geht es nun weiter.

Welchen Funkchip?

Ein Sensornetzwerk baut meistens auf funkbasierten Sensoren auf. So auch das von mir geplante. Man sollte sich also in der Planung auch um den zu verwendenden Funkchip kümmern.
Die erste Überlegung in diesem Zusammenhang ist die gewünschte Funkfrequenz. Hier in Deutschland kommen im Grunde drei Funkfrequenzen für Sensornetzwerke in Frage. Zum einen die 433Mhz oder 868Mhz. Diese Frequenzen werden oft für die bekannten Funksteckdosen verwendet oder für Alarmanlagen. Zum anderen die Frequenz 2,4 GHz, welche auch für die Übertragung bei WLAN verwendet wird.

All diese Frequenzen liegen im ISM-Band und sind somit lizenz- und genehmigungsfrei nutzbar. Dennoch gelten ein paar Richtlinien und Beschränkungen, welche ihr hier nachlesen könnt. Genauere Infos findet ihr bei der Bundesnetzagentur. Diese listet solche Sensornetzwerke unter den Non-specific Short Range Devices (SRD) im Frequenzplan:

FrequenzTeilplan / EintragMax. SendeleistungMax. Frequenzbelegungsdauer (Duty Cycle)
433 MHz247 / 24700310mW ERP
868 MHz251 / 251001 – 2510135-2000(1) mW ERP<0,1% – 100%
2,4 GHz302 / 30200210mW EIRP<=100%

ERP: Effektive Strahlungsleistung bei Verwendung eines Halbwellendipols als Bezugsantenne
EIRP: Effektive Strahlungsleistung bei Verwendung eines Isotropstrahlers als Bezugsantenne
(1) Nur bei Geräten zur Funk-Frequenzkennzeichnung (RFID)

Im Grunde geht es um die maximale Sendeleistung und um die maximale Belegungszeit der Frequenz. Da es sich bei einem Sensornetzwerk meist um batteriebetriebene Schaltungen handelt, spielt die maximale erlaubte Sendeleistung keine große Rolle. Viel wichtiger ist die maximale Belegungszeit. Je nach Kanal muss man bei der 868MHz-Frequenz darauf achten, dass man höchstens 0,1% der Zeit pro Stunde sendet. Das ergibt eine Sendedauer von maximal 3,6 Sekunden pro Stunde. Je nachdem, wie oft man pro Stunde Messen und Senden will, ist dieser Wert schnell erreicht. Nur Alarmanlagen oder Sicherheitsrelevante-Schaltungen dürfen einen höheren Duty-Cycle haben.

868Mh-Frequenz: Maximale erlaubte Sendeleistung und Duty-Cycle

Ein weiterer Aspekt ist die Reichweite. Man kann sagen: Je niedriger die Frequenz, desto höher die Reichweite aber desto größer die Störempfindlichkeit. Die Reichweite ist nämlich abhängig von der Wellenlänge. Bei gleichbleibender Sendeleistung nimmt die Reichweite also proportional zur Wellenlänge ab.

Die 433MHz-Frequenz ist mit Sicht auf die Reichweite am besten. Hier ist jedoch das Problem, dass der IEEE 802.15.4-Standard nicht 100%ig kompatibel zur 433MHz-Frequenz ist. Hier wird eher die 868MHz bzw. die 2,4GHz-Frequenz empfohlen.

Bei der 868MHz-Frequenz kommen jedoch die Beschränkungen der Frequenzbelegungsdauer (Duty Cycle) auf einen zu. Des Weiteren ist der Hardwareaufwand des Funkchips CC1101 relativ groß. Es werden viele Spulen und Kondensatoren benötigt, welche für einen optimalen Empfang entsprechend positioniert werden sollten. All dies macht die spätere Entwicklung der Platine unnötig kompliziert und erhöht die Fehleranfälligkeit.

Kommt nur noch die 2,4GHz-Frequenz in Frage. Diese Frequenz ist kompatibel zum IEEE 802.15.4 Standard und hat für ein Sensornetzwerk noch die benötigte Reichweite, welche durch den Aufbau eines engmaschigen Netzwerkes von Sensoren nicht allzu weit sein muss (ca. 40-50m in Räumen). Zudem ist der Schaltungsaufwand relativ gering und unkompliziert.

Layout: 2,4GHz-Funkchip AT86RF233

Layout: 868Hz-Funkchip CC1101

Gerade die Ausgangbeschaltung des CC1101 muss strikten Layout-Anforderungen genügen, damit ein ordnungsgemäßer Empfang von Signalen gewährleistet ist. Gerade bei selbstentworfenen Layouts führt dies oft zu Fehlern.

 

Infos zum AT86RF233

Infos

Datenblatt

 

Im Gegensatz die Beschaltung des AT86RF233. Hier ist die Ausgangsbeschaltung minimal und genügt einfachen Layout-Anforderungen. Dazu aber in späteren Blogbeiträgen mehr.
Aus diesen Gründen habe ich mich für die 2,4 GHz-Frequenz und dem Funkchip AT86RF233 entschieden. Der Treiber für den Funkchip ist bereits in RiotOS integriert.

Zusammenfassung

Wie ihr sicher gemerkt habt, ist für ein Sensornetzwerk doch eine Menge zu beachten und gewisse Punkte müssen vorher klar festgelegt werden, damit die spätere Umsetzung problemlos funktioniert.
Beginnend bei der Festsetzung des Funktionsumfanges, die Auswahl des Betriebssystems, der Hardware bis hin zur Festlegung des Funkchips und der verwendeten Frequenz. Ich hoffe ich konnte euch besonders in diesem Punkt aufklären, dass nicht einfach wild herum gefunkt werden darf und gewisse Punkte beachtet werden müssen.
Habt ihr eure Planung für das Sensornetzwerk abgeschlossen und den gewünschten Funktionsumfang klar definiert, kann es mit der Umsetzung weiter gehen. Mehr dazu in weiteren Blogbeiträgen.