Wireless Sensor Networks für die Logistik

Drahtlose lokale Netze haben sich in den letzten Jahren technisch und ergonomisch rasant entwickelt und sind mittlerweile unverzichtbarer Bestandteil mobiler und ortsfester TCP/IP-Infrastrukturen geworden. Etwas weniger im öffentlichen Fokus stehen die Netzwerke der industriellen Automatisierungstechnik und des Asset-Managements, üblicherweise WSNs – Wireless Sensor Networks - genannt. Vor Kurzem hat Jennic ein Referenzdesign auf Basis seiner Wireless Microcontrollers JN5148 vorgestellt, das unter Nutzung der innovativen Chip-Eigenschaften eine ideale Plattform zur Ortung und Verfolgung von Gütern in der Transportlogistik bietet.

Referenzdesign für Logistikanwendungen

Das Logistik-Referenzdesign beruht auf Jennics patentierter Sleeping Beacon-Technologie für den Einsatz batteriebetriebener und zeitsynchronisierter drahtloser Sensornetzwerke in logistischen Anwendungen. Die Sensoren im Netzwerk, die als sog. "Tags" mit der Ware verbunden sind, übermitteln dabei in regelmäßigen Abständen neben einer einaligen MAC-Adresse zur Indentifizierung Umgebungsdaten wie Temperatur oder Luftfeuchte an einen zentralen Controller, der wiederum mit einem Back Office-System kommuniziert und die Daten zur Transportbewegung in Echtzeit an die Logistikdienstleiter weitergibt bzw. für die Auditierung zur Verfügung stellt.

Das Referenzdesign besteht aus zwei Teilen, einem für die erste Evaluierung und einem weiteren für die Entwicklung und kundenspezifische Anpassung. Das Evaluierungspaket ist so konzipiert, dass die besonderen Eigenschaften der drahtlosen Konzepte mit ihrem extrem niedrigen Leistungsbedarf schnell umgesetzt werden können. Hierfür wird das Standard-Evaluierungskit von Jennic und ein PC für die Back Office-GUI benötigt. Die auf Windows basierende GUI stellt die vom Sensornetzwerk stammenden Daten einschließlich der Node-Temperatur, Batteriespannung und HF-Kanal in Echtzeit dar. Ebenso lässt sich die Frequenzagilität im Netzwerk über die Effekte der HF-Interferenz und des Kanal-Black-listings auswerten.

Das Entwicklungspaket wird zusammen mit Projektdaten und Quellcode als Drop-in-Applikation für das Jennic SDK geliefert. Mit Hilfe des Quellcodes kann der Entwickler direkt in die Anwendung eingreifen und sie kundenspezifisch anpassen - typischerweise durch Integration einer GPRS/GSM-Modemverbindung zum Back Office.

Das Herz des Designs aber bilden die drahtlosen Mikrocontroller der 3. Generation von Jennic. Sie arbeiten im lizenzfreien 2,4-GHz-ISM-Band und sind, da sie dem IEEE802.15.4-Standard entsprechen, weltweit einsetzbar. Um die Produkteinführungszeit möglichst kurz zu halten und Zertifizierungskosten zu sparen, bietet Jennic eine Reihe bereits zertifizierter drahtloser Module an, die alle bestehenden HF-Richtlinien erfüllen.

Das Prinzip der schlafenden Bake

Jennics Monitoring- und Tracking-Plattform für die Logistikindustrie nutzt die sog. "Sleeping Beacon"-Technologie, um sowohl für die Tags als auch die Koordinatoren eine robuste Lösung mit maximaler Batteriestandzeit zu realisieren. Das Prinzip der "schlafenden Bake" ist eine Erweiterung der Standard IEEE802.15.4-Baken mit verbesserter Batteriestandzeit und Steuerung des Netz-werkverkehrs. Der Begriff Bake stammt aus der Funknavigation und bezeichnet ein regelmäßig wiederkehrendes Funksignal. Die End-Devices (Tags) empfangen eine Bake, senden Ihre eigenen Daten und gehen danach in einen Low-Power-Mode. Durch einen Sleep-Timer "erwachen" sie rechtzeitig vor der nächsten Bake und können dann wiederum ihre aktuellen Daten senden. Da die Periodizität einige Sekunden betragen kann und End-Devices regelmäßig Baken ignorieren dürfen (z.B. nur bei jeder 10ten Bake senden), ist der mittlere Stromverbrauch äußerst niedrig und mithin die Lebensdauer der speisenden Batterie hoch.

Wireless Mikrokontroller JN5148

Der JN5148 als zentrales Schlüsselelement des Referenzdesigns mit niedrigstem Stromverbrauch und höchster Speicherdichte aller Wireless Single-Chip Mikrocontroller am Markt, ergänzt mit einer innovativen „time-of-flight“ Reichweiten-Engine, ermöglicht die Entwicklung drahtloser Mesh-Netzwerkkomponenten für batteriebetriebene Anwendungen mit hohen Datenaufkommen. So verbraucht der Chip im „Deep-Sleep“-Modus nur 0.1 µA, 1.1 µA sind es im normalen Sleep-Modus mit aktiviertem Wake-On-Timer oder Wake-On-IO und 2.5 µA für Wake-On-X mit gleichzeitiger Sicherung des RAM-Inhaltes.

Nachdem der Chip bis zu einer minimalen Versorgungsspannung von 2 Volt arbeitet (max 3.6 V), lässt er sich perfekt mit einer Knopfzelle betreiben und kann diese auch noch weitestgehend vollständig ausnutzen. Im Betrieb erreicht der JN5148 eine Stromaufnahme von 18 mA beim Empfangen und 15 mA beim Senden von Daten mit +2.5dBm Leistungspegel, das ist typischerweise 35% weniger als der Verbrauch herkömmlicher Lösungen. Mit 128 kByte ROM, 128 kByte RAM und verbesserter Code-Effizienz verfügt der JN5148 über ausreichend Speicher, damit Entwickler ihre eingebetteten Anwendungen zusammen mit dem Protokollstack in einen Chip integrieren können.

Neben ZigBee PRO unterstützt das SoC weitere Protokolle, grundsätzlich natürlich 802.15.4 als Basisprotokoll, des weiteren 6LoWPAN und schließlich das Jennic-Protokoll JenNet. Obwohl WPAN, also 802.15.4, nur eine Übertragungsrate von 250 kbit/s spezifiziert, ist der JN5148 hier leistungsfähiger und durch Aktivierung sog. „Enhanced Data Rate Modes“ (z.B. für Audioanwendungen) können Übertragungsgeschwindigkeiten von 500 und 667 kBit/s erzielt werden. Mit einer programmierbaren CPU Taktgeschwindigkeit von 4 .. 32 MHz und dem Einsatz von 5 voneinander getrennten Versorgungs-Domänen lässt sich der JN5148 flexibel an die gesamte Palette der Applikationen anpassen, angefangen von Low-Power, mit Batterie betriebenen Netzwerken bis hin zu prozess-intensiven Systemen mit hohem Datendurchsatz. Die neue, patentierte „Time-of-Flight“ Reichweiten-Engine, mit nur geringen Zusatzkosten in den SoC integriert, revolutioniert Netzwerk-Lokalisierungs-Dienste, in dem es deutlich bessere Genauigkeit gegenüber reinen Feldstärke basierten Implementierungen liefert.