Einführung zum LabVIEW Wireless Sensor Network (WSN) Module Pioneer Program

Einführung 

Wireless-Kommunikationstechnologien werden inzwischen allerorten eingesetzt, da sie flexibel sind, verteilte Anwendungen ermöglichen und Kosten sparen. Wireless-Sensornetzwerke (WSNs) bilden die zweite "Welle" bei der Verbreitung von Drahtlostechnologie. Sie erlauben auch stark verteilte Messungen über riesige Systeme hinweg. Mit WSNs lassen sich Daten in allen erdenklichen Umgebungen analysieren, von Regenwäldern und Flussdeltas bis hin zu Gebäuden und Brücken. Ein WSN besteht aus räumlich verteilten Messgeräten, die mittels Sensoren physikalische Größen erfassen und Umgebungsbedingungen auswerten. Neben einer großen Anzahl an Wireless-Messknoten besteht ein WSN-System aus einem Gateway, der Daten sammelt und sie zurück an die Host-Anwendung auf einem PC oder einem Embedded-Controller überträgt.

Um diese vielversprechende Technologie effektiv nutzen zu können, müssen die Herausforderungen bei der Konfiguration und Verwaltung der Datenerfassung überwunden werden. Dies bedeutet, dass erfasste Daten effizient analysiert, für spätere Analysen gespeichert und für den Endanwender aussagekräftig aufbereitet und dargestellt werden müssen. Seit über 20 Jahren begegnen Ingenieure und Wissenschaftler diesen Herausforderungen mit NI LabVIEW, einer grafischen Programmierumgebung für die Erfassung, Analyse und Darstellung von Daten. Über die Jahre hinweg wurde NI LabVIEW auch dahingehend weiterentwickelt, dass Programme auch auf Echtzeitsystemen, Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs), ARM-Mikrocontroller u. v. m. ausgeführt werden können. Mithilfe des LabVIEW Wireless Sensor Network (WSN) Module Pioneer Progam sind Anwender nun in der Lage, WSN-Knoten von NI mit LabVIEW zu programmieren. Die daraus resultierende Embedded-Software trägt dazu bei, die Batterielebensdauer an WSN-Knoten zu erhöhen, anwenderdefinierte Analysen durchzuführen und mittels Embedded-Entscheidungsfindung Reaktionszeiten zu verkürzen.

Zügige Entwicklung durch grafische Programmierung

Seit jeher erfordert die Programmierung von Wireless-Sensoren Kenntnisse über Embedded-Systeme und ein Verständnis der vom jeweiligen Hersteller gewählten textbasierten Programmiersprache. Mithilfe des LabVIEW WSN Pioneer Program können Wireless-Sensorknoten von NI um lokale Intelligenz ergänzt werden, und zwar mit derselben grafischen Programmiermethodik, die sich zum Industriestandard für die Entwicklung von Daten erfassenden und verarbeitenden Anwendungen etabliert hat. Das NI LabVIEW WSN Module Pioneer bietet außerdem die Möglichkeit, auch C-Code neben dem auf dem Knoten laufenden grafischen Programmcode zu implementieren, so dass bestehende Algorithmen wiederverwendet werden können.

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Das NI LabVIEW WSN Module Pioneer vereinfacht die Erstellung von Embedded-Anwendungen für NI-WSN-Messknoten erheblich, wie in diesen Beispielen an der mit 1 Hz aufleuchtenden LED zu sehen ist.

Das NI LabVIEW WSN Module Pioneer enthält einfache LabVIEW-Programmierstrukturen wie While-Schleifen, For-Schleifen und Case-Strukturen. Darüber hinaus stellt es Funktionen für Fließkomma-Arithmetik und -Analyse bereit, so dass keine detaillierten Kenntnisse von Integer- und Festkommadatentypen mehr nötig sind. Außerdem bietet das Pioneer Program hyperbolische, exponenzielle und trigonometrische mathematische Funktionen sowie Funktionen für die String-Manipulation. So können Benutzerbenachrichtigungen, die zurück zum Host-Computer übertragen werden, individuell angepasst werden.

Nach nur ein paar Mausklicks in der Entwicklungsphase kann eine Anwendung kompiliert und über ein Wireless-Netzwerk im Knoten implementiert werden, was Entwicklung und Test erheblich beschleunigt. Auch die Wartungskosten sind bei Wireless-Systemen nicht mehr so hoch, denn bei implementierten Systemen muss kein Techniker mehr vor Ort sein, um neue Anwendungen manuell zu laden.

NI-WSN-Messknoten arbeiten mit einem Mikrocontroller des Typs MSP430 von Texas Instruments, der primär auf niedrigen Energieverbrauch und hohe Lebensdauer ausgelegt ist, anstatt auf Prozessorgeschwindigkeit, Speicher und Verarbeitungsleistung. Aufgrund der Optimierungen hinsichtlich des Energieverbrauchs bringen NI-WSN-Knoten weniger Leistung als andere Embedded-Zielgeräte für NI LabVIEW. Diese eingeschränkte Leistung war auch der Hintergedanke bei der Bezeichnung von NI LabVIEW WSN als Pioneer-Modul. So enthält das LabVIEW WSN Module Pioneer keine LabVIEW-Fehlerbehebungswerkzeuge wie den Highlight-Modus oder die Einzelschrittverfolgung von Programmcode zur Laufzeit. Allerdings können String-basierte Benutzerbenachrichtigungen an den Knoten geschickt und von ihm empfangen werden, um Fehler in der implementierten Anwendung zu beheben. Programmcode kann im NI LabVIEW WSN Module Pioneer außerdem nur seriell ausgeführt werden, d. h. parallele LabVIEW-Strukturen laufen nicht simultan ab. Da der Knoten über begrenzte Ressourcen verfügt, werden nur trigonometrische, exponenzielle und hyperbolische Funktionen unterstützt. Jedoch können Anwender mithilfe der im NI LabVIEW WSN Module Pioneer integrierten Fließkommamathematik ihre eigenen Funktionen erstellen.

Verlängerte Batterielebensdauer

Standardmäßig überträgt ein unprogrammierter Knoten jede Abtastung mit einer festen Abtastrate zurück an den Gateway. Die Batterielebensdauer eines Knotens hängt also direkt mit dessen Abtastrate zusammen. Das Verhalten des Knotens kann so geändert werden, dass die Batterie länger hält, indem durch die Abtastrate festgelegt wird, wann Daten übertragen werden sollen.

Die Schaltung zur Aussendung des RF-Signals ist ein Hauptenergieverbraucher in einem Knoten. In Anwendungen, bei denen nicht jede Abtastung an den Gateway übertragen werden muss, kann deshalb die Batterielebensdauer wesentlich erhöht werden, wenn nur erforderliche oder aussagekräftige Daten übertragen werden. Gängige Kriterien für eine Übertragung sind deshalb etwa Schwellwerte oder die Angabe einer Totzone in Prozent. Daneben kann die an den Host zurück übertragene Anzahl von Samples reduziert werden, indem mittels der integrierten Fließkommafunktionen bereits im Knoten Mittelwertbildung und Datenreduktion vorgenommen werden.

Die Batterielebensdauer kann auch durch die Erstellung von Logik verlängert werden, die das Verhalten des Knotens bei bestimmten Betriebsbedingungen oder Netzwerkanforderungen optimiert. Sinkt etwa die Batteriespannung auf einen kritischen Wert ab, kann der Knoten so programmiert werden, dass er den Anwender benachrichtigt und die Abtast- und Übertragungsrate zurückfährt, um die verbleibende Batterielebensdauer aufzusparen.

Das NI LabVIEW WSN Module Pioneer kann auch die Änderung digitaler Zustände auf dem Knoten erkennen. Wird ein digitaler Eingang für die Ereigniserkennung konfiguriert, verbleibt der Knoten im Ruhezustand, bis ein solches Ereignis auftritt. Das spart im Vergleich zu kontinuierlichen Abfragen viel Energie.

Anwenderdefinierte Analysen

In Software können erfasste Rohdaten in aussagekräftige Informationen umgewandelt werden. Beispielsweise können Messwerte von Sensoren von einer Spannung direkt auf dem Knoten in physikalische Einheiten umgerechnet werden. Dadurch wird erreicht, dass die Host-Anwendung die Daten nach der Abfrage von jedem Messknoten nicht skalieren muss. Außerdem erlaubt die Flexibilität einer Umwandlung direkt auf den Knoten intuitivere und empfindlichere Algorithmen, die eine an Schwellwerte oder Angaben einer Totzone geknüpfte Datenübertragung ermöglichen.

Da ein unprogrammierter NI-WSN-Messknoten jedes erfasste Sample zurück an den Gateway überträgt, wird die maximale Abtastrate eines solchen Knotens von der Zeit beschränkt, die für die Übertragung eines Samples an den Gateway erforderlich ist. Wird ein Knoten dagegen mit LabVIEW programmiert, lässt sich die Leistung für die analoge und digitale Erfassung steigern, indem mehrere Samples am Stück erfasst werden, so dass kein Übertragungs-Overhead für jedes einzelne Sample entsteht. Mittels Fließkommamathematik und -analyse können aus diesen Daten dann die nötigen Informationen extrahiert und an den Gateway übertragen werden.

Kürzere Reaktionszeiten durch integrierte Entscheidungsfindung

Auf einem NI-WSN-Messknoten kann zusätzlich eine Logik zur Entscheidungsfindung integriert werden. Entscheidungen werden dadurch autonom getroffen, Stimulus und Antwort müssen nicht an den Host-Computer oder Embedded-Controller und wieder zurück übertragen werden. Mit den digitalen Ausgangskanälen auf einem NI-WSN-Messknoten lassen sich Relais schalten und einfache Ein/Aus-Steuerung durchführen. So kann etwa die Entscheidung, einen Lüfter einzuschalten, wenn ein gewisser Temperaturgrenzwert überschritten wird, auf dem Knoten integriert werden. Das verkürzt die Antwortzeit und erhöht die Zuverlässigkeit, da der Host nicht eingreifen muss.

Günstigere Kosten und erhöhte Leistung

NI-WSN-Messknoten sparen Kosten durch zügige Entwicklung bei gleichzeitig erhöhter Leistung und Flexibilität. Das Verhalten von NI-WSN-Messknoten kann individuell angepasst werden, um die Batterielebensdauer zu erhöhen, anwenderdefinierte Analysen durchzuführen und Reaktionszeiten durch Embedded-Entscheidungsfindung zu verkürzen.

Das NI WSN Getting Starter Kit hilft Anwendern beim Einstieg und stellt eine 60-Tage-Vollversion von NI WSN sowie dem LabVIEW WSN Module Pioneer bereit.

Weiterführende Informationen

Funktionsweise des LabVIEW Wireless Sensor Network (WSN) Module Pioneer

Erfahren Sie mehr zu Wireless-Sensornetzwerken von NI

Erfahren Sie mehr zu NI LabVIEW

Sehen Sie den deutschen Webcast "LabVIEW 2009 – Neue Funktionen der grafischen Entwicklungsumgebung"

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