Rainer Konrad

IEEE 802.15.4

Der Standard IEEE 802.15.4 ist eine Spezifikation des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) fur einfache und kostengunstige drahtlose Netzwerke, die nur geringe Ubertragungsraten benotigen. Mittlerweile gibt es eine Reihe von drahtlosen Netzwerktypen wie z.B. Bluetooth und WLAN, so das die Frage berechtigt ist, wofur ein weitere Standard notwendig ist. Sowohl Bluetooth als auch WLAN sind fur hohe Datenubertragungsraten ausgelegt. Beide dieser Standards haben sich etabliert und erfullen unterschiedliche Zwecke. Ein Nachteil dieser Standards ist, dass sie fur viele Einsatzbereich uberdimensioniert sind. In drahtlose Sensornetzwerke genugt es z.B. in bestimmten Zeitintervallen wenige Bytes an Informationen zu ubertragen. Die meiste Energie verbraucht ein Funkmodul beim Senden. Bluetooth und WLAN benotigen durch ihren komplexen Aufbau zum Ubertragen dieser Daten jede Menge Steuerinformationen. Ebenfalls sind die Anforderungen an die Hardware recht hoch, um so komplexe drahtlosen Netzwerkprotokolle zu implementieren. Der IEEE 802.15.4 Standard schafft hier Abhilfe. Durch Vermeidung uberflussiger Steuerinformationen wird die eigentliche Ubertragungszeit in IEEE 802.15.4-Netzen sehr gering gehalten. IEEE 802.15.4-Netze lassen sich dadurch mit sehr gunstiger und einfacher Hardware realisieren und verbrauchen dabei wenig Energie.

IEEE-802.15.4-Sniffer mit µracoli und Wireshark

μracoli ist eine Bibliothek fur Transceiver von Atmel in Verbindung mit 8-Bit AVR Mikrocontrollern. Fur uns ist hierbei besonders das Paket uracoli-sniffer interessant, mit dem IEEE-802.15.4-Datenverkehr empfangen und protokolliert werden kann. Fur Funkmodule mit einem ZigBit-Chip stellt das Paket eine Firmware zur Verfugung, die diesen Datenverkehr empfangt und uber die serielle Schnittstelle ausgibt. Eine in der Programmiersprache Python realisierte Serial-Zu-Wireshark-Bridge liest die uber die serielle Schnittstelle ankommenden Daten ein, wandelt diese in das pcap-Format um und stellt diese Daten uber eine Pipe dem Netzwerkanalyseprogramm Wireshark zur Verfugung. Anschliesend kann der erhaltenen Datenverkehr mit dem Programm Wireshark analysiert werden. Die Snifferanwendung ist Plattform-unabhangig, benotigt als Basis allerdings die Laufzeitumgebung Python inklusive dem Modul pyserial, welches den Zugriff auf die serielle Schnittstelle ermoglicht. Um die protokollierten Daten auswerten zu konnen, benotigen wir zudem das Netzwerkverkehranalysetool Wireshark. Wir werden hier die Installation der zur Zeit aktuellen Version der Sniffersoftware μracoli Version 0.4.2 unter einem Windows Betriebssystem erklaren.

AVR Studio, WinAVR, BitCloud, WSNDemo

Zu einer zertifizierten ZigBee Losung gehoren sowohl die Hardwarekomponenten (ZigBee- MCU) als auch die entsprechende Softwareimplementierung (ZigBee-Stack). Fur die in Kapitel 7 beschriebenen Funkmodule von Atmel heist die Implementierung des ZigBee- Stacks BitCloud. Auf Basis dieser Implementierung werden wir in spateren Kapiteln eigene Anwendungen programmieren. Allgemeine Informationen und die aktuelle Version von BitCloud sind auf der Webseite von Atmel zu finden. Fur unsere Module benotigen wir das BitCloud SDK for ZigBit/ZigBit Amp/ZigBit 900 modules and RCBs. Unsere Programmierbeispiele und diese Anleitung beziehen sich auf die BitCloud Version 1.14. Heruntergeladen werden kann diese Version direkt uber den Link www.atmel.com/images/ BitCloud_ZIGBIT_1_14_0.zip. Sollte der Link nicht mehr funktionieren, wenden sie sich gegebenenfalls an den hilfsbereiten technischen Support von Atmel. Der BitCloud-Stack enthalt neben dem Sourcecode fur den ZigBee-Stack auch Beispielprogramme und entsprechende Projektdateien. In diesem Kapitel wird die Installation der Entwicklungsumgebung AVRStudio 6.1 und des Cross-Compilers WinAVR und die Inbetriebnahme der in Kapitel 7 beschriebenen Funkmodule mit dem Beispielprogramm WSNDemo beschrieben.

Hardware für ZigBee Komponenten

ZigBee Komponenten werden von unterschiedlichen Herstellern Angeboten. Die Hardwareanbieter bzw. Hersteller konnen grob in zwei Kategorien eingeteilt werden. Zum einen die Chiphersteller, diese bieten im Idealfall zertifizierte ZigBee MCUs, den freien Zig- Bee Stack Quellcode und eine Entwicklungsumgebung an und zum anderen die Hersteller von fertig aufgebauten ZigBee-Geraten, die einsatzbereite, z.T. programmierbare z.T. aber auch nur konfigurierbare Komponenten anbieten. Die Hauptunterschiede der verschiedenen Zigbee MCUs liegen in den Frequenzbereichen, den Sendeleistungen, den Eingangsempfindlichkeiten und der Anzahl und der Art der I/O Kanale (digital, analog). Das Frequenzband 2;4 GHz ist weltweit lizenzfrei, deshalb werden in diesem Band die meisten MCUs und Funkmodule angeboten. Die Frequenzbereiche 868MHz (Europa), 915MHz (USA), 314/430/779 MHz (China) und 950MHz (Japan) sind nur national lizenzfreie Frequenzbander. Deshalb ist die Auswahl bzw. das Angebot an Funkmodulen und MCUs in diesen Frequenzbereichen gering. Die Ausgangsleistungen der hier recherchierten ZigBee MCUs im 2;4 GHz Bereich liegen bei bis zu 25 dBm und im 868MHz Bereich bei bis zu 11 dBm. In der Regel ist die Sendeleistungen eines ZigBee-Moduls einstellbar. Dies erlaubt zum einen eine Anpassung an eine Anwendung und zum anderen eine Anpassung an die verschiedenen gesetzlich erlaubten Ausgangsleistungen. Das z.Zt. die meisten ZigBee-Module und Gerate mit einer Ausgangsleistung von 0-3 dBm Angeboten werden, liegt an dem verbreitetsten Einsatzgebiet, der Gebaudeautomation, bei der in der Regel nur kurze Reichweiten benotigt werden.

Aufbau von programmierbaren Sensor-Funkmodulen

Wie in Kapitel 6 bereits beschrieben existieren Funkmodule fur drahtlose Sensornetzwerke von unterschiedlichsten Herstellern. Atmel bietet u.A. ZigBee-Losungen mit den Modulen ZigBit ATZB-900-B0 (868 MHz), ZigBit ATZB-24-A2 (2;4 GHz), ZigBit ATZB-24- B0 (2;4 GHz), ATZB-A24-UFL (2;4 GHz), ATZB-A24-U0R (2;4 GHz), ATZB-S1-256-3 (2;4 GHz) und ATZB-X0-256-3 (2;4 GHz) an. Fur all diese Module bietet Atmel kostenlose und frei programmierbare Softwarestacks an. Ein Softwarestack, der den IEEE 802.15.4 Standard erfullt ist der Atmel IEEE 802.15.4MAC-Stack. Der BitCloud-Stack baut auf den MAC-Stack auf und erweitert diesen, so dass er das Stackprofil ZigBee Pro der ZigBee- Spezifikation erfullt. Wir werden am Beispiel des ZigBit-Chips ATZB-24-A2 von Atmel zeigen, wie ein drahtloses Sensornetzwerk realisiert werden kann. Fur die anderen angebotenen ZigBit-Module, ist die Implementierung der Anwendungen fast identisch, lediglich die Hardwareschichten der Stacks sind anzupassen. Hier wird der Aufbau eines Funkmoduls beschrieben, das abhangig von der Programmierung sowohl als ZigBee Koordinator, -Endgerat und -Router, als auch als MAC FFD oder als MAC RFD programmiert und betrieben werden kann. Des weiteren werden 2 Moglichkeiten von UART-USB Schnittstellen beschrieben mit denen ein Funkmodul mit dem PC verbunden werden kann. Uber diese Schnittstelle kann das kabellose Sensor/Aktor-Netzwerk mit einem PC oder einem Smartphone Daten oder Steuerinformationen austauschen.

IEEE 802.15.4 MAC-Schicht

Wahrend die PHY-Schicht fur die technische Realisierung der Datenubertragung zustandig ist, ubernimmt die MAC-Schicht die Aufgaben fur eine zuverlassige Kommunikation in einem Funknetzwerk. Hierzu zahlt unter anderem die Verwaltung eines Netzwerks, eindeutige Adressierungen und Datenubertragung an ausgewahlte Funkmodule. Ein solches drahtloses Netzwerk fur kurze Reichweiten wird als PAN bezeichnet.

Einführung in drahtlose Sensor-/Aktor-Netzwerke

Ein drahtloses Sensor-/Aktor-Netzwerk ist ein aus raumlich verteilten autonomen Geraten aufgebautes System, das entweder uber Sensoren physikalische Grosen aus der Umwelt erfasst oder mit Aktoren die Umgebung beeinflusst. Diese autonomen Gerate oder auch Knoten bilden zusammen mit Routern und einem Gateway ein typisches Drahtlose Sensor- /Aktor-Netzwerke (DSAN). Die verteilten Knoten kommunizieren drahtlos per Funkwellen z.T. uber Router mit einem zentralen Datensammelpunkt (in ZigBee meist der Koordinator), der eine Verbindung zu drahtgebundenen Geraten bietet. Dort konnen Anwender u. A. ihre Messdaten speichern, verarbeiten, analysieren, visualisieren oder in Abhangigkeit der Messergebnisse und Informationen Aktoren steuern. Die per Funk kommunizierenden Gerate konnen entweder Teil eines festen, Infrastruktur-basierten Netzes oder auch Teil eines selbst organisierenden Ad-hoc Netzes sein. Ein Ad-hoc Netz ist ein sich selbst konfigurierendes Multihop-Netzwerk, welches aus mobilen Knoten besteht und drahtlos aufgebaut ist.

IEEE 802.15.4 PHY-Schicht

Die PHY-Schicht bildet die Schnittstelle zur Hardware die letztendlich fur das Senden und Empfangen von Daten verantwortlich ist. Hierzu zahlt insbesondere die Daten eines empfangenes Signal interpretieren zu konnen bzw. ein Signal so zu senden, dass es der Empfanger interpretieren kann. Dies ist keine ganz triviale Aufgabe. Der Empfanger muss aus einer Folge von ubertragen Bits z.B. den Anfang eines Frames eindeutig erkennen konnen. Ebenso deckt der IEEE 802.15.4-2011 Standard viele unterschiedliche Modulationstechniken und Sendefrequenzen ab.

Sicherheit und Zuverlässigkeit in WSN

Die Kommunikation erfolgt in ZigBee-WSNs und vergleichbaren WPAN-Systemen uber Funk. Dadurch bestehen grundsatzlich die Gefahren der Abhorbarkeit, der Manipulation von Daten, des unerlaubten Zugangs zum Netzwerk und der moglichen Storbarkeit der Ubertragung (vorsatzlich oder nicht). In Sensor- /Aktor-Netzwerken werden Messdaten erfasst und ubertragen oder Steuerbefehle an Aktoren gesendet. Diese Daten sollen in der Regel sicher und zuverlassig ubertragen werden. Werden beispielsweise Gesundheitsdaten eines Patienten uber am Korper angebrachte Sensoren erfasst und uber ein WSN an einen Zielrechner ubertragen, muss bei kritischen oder personlichen Daten gewahrleistet sein, dass diese zuverlassig ubertragen, unverandert ankommen und nicht von Dritten ausgewertet werden konnen. Dies gilt grundsatzlich fur alle Messdaten, besonders fur sicherheitsrelevante oder kritische Daten deren Verlust oder Manipulation folgende schwerwiegende

Atmel IEEE 802.15.4 MAC-Stack

Der Atmel IEEE 802.15.4 MAC-Stack ist eine Implementierung des IEEE 802.15.4 Standards. Der Stack liegt zur Zeit in Version 2.8.0 vor und erfullt die Spezifikation des IEEE 802.15.4 Standards von 2006 ([IEEE06]). Atmel bietet eine Reihe von Transceivern und Ein-Chip-Losungen fur die Frequenzen und Modulationen des IEEE 802.15.4 Standards an, welche ebenfalls vom Atmel MAC-Stack unterstutzt werden. Darunter fallen die Transceiver AT86RF212, AT86RF230, AT86RF231, AT86RF232 und AT86RF233, sowie die Ein-Chip-Losungen ATmega128RFA1 und ATmega256RFR2. Zudem unterstutzt der Stack etliche der hauseigenen Mikrocontrollerfamilien (AVR, AVR32, XMEGA, SAM3, ARM7). Der Stack benotigt einigen Speicherplatz und die damit zu entwickelnde Anwendung benotigt weitere Ressourcen, so dass der kleinste unterstutzte Mikrocontroller 64 kB Flashspeicher besitzt. Im Allgemeinen werden fur IEEE 802.15.4 Anwendungen Mikrocontroller mit mindestens 128 kB Flashspeicher benutzt. Atmels MAC-Stack unterstutzt Sternund Peer-to-Peer-Netzwerke, Netzwerke mit Superframestruktur und die Absicherung von Netzwerken durch Sicherheitsfunktionen. Der Stack lasst sich individuell an die Bedurfnisse der zu entwickelnden Anwendungen anpassen, insbesondere lassen sich nicht benotigte Funktionalitaten abschalten um Ressourcen zu sparen. Es stehen verschiedene Beispielanwendungen fur verschieden Szenarien zur Verfugung, die fur eigene Anwendung adaptiert werden konnen.