Zastosowanie sieci bezprzewodowych w środowiskach przemysłowych

Napisane: 11 czerwiec 2010.

1 Wstęp

 Wraz z miniaturyzacją podstawowych układów elektronicznych wykorzystywanych do budowy sprzętu komputerowego, obserwujemy stałe i rosnące zainteresowanie sieciami komputerowymi, również w środowisku przemysłowym. Rozwój specjalizowanych architektur i protokołów wspierających procesy automatyzacji produkcji zainicjował na przełomie lat 70. i 80. rozwój architektur MAP (Manufacturing Automation Protocol), TOP (Technical and Office Protocol), oraz rozwiązań protokolarnych typu Token-Bus. Kolejne propozycje obejmowały szereg specjalizowanych sieci LAN (w tym również typu "Field-Bus") opartych zarówno o rywalizacyjne jak i bezkolizyjne metody dostępu. Zainicjowano też prace nad koncepcją systemów CIM (Computer Integrated Manufacturing), gwarantujących pełną współpracę podsystemów zarządzania produkcją, projektowania, planowania oraz innych służb z otoczenia przemysłowego [1]. We wszystkich tych rozwiązaniach jako medium transmisyjne stosowano miedziane przewody koncentryczne lub kable wieloparowe o parach skręconych. Było to konsekwencją wszechobecnego zastosowania kabli jako środka łączności, gwarantującego stabilność, niezawodność i bezpieczeństwo procesów produkcyjnych. Wraz z popularyzacją rozwiązań sieci bezprzewodowych w systemach konsumenckich i związanej z tym osiągnięciem standaryzacyjnej "dojrzałości" możemy zauważyć ich rosnący udział również w zastosowaniach przemysłowych. Najczęstszym argumentem przemawiającym za migracją sieci sterujących automatyzacją produkcji z klasycznych rozwiązań przewodowych, w tym również Ethernetu [2], do rozwiązań bezprzewodowych, jest oderwanie się od sztywnej infrastruktury kablowej i związana z tym łatwość rekonfiguracji stanowisk pracy i linii technologicznych. Nie bez znaczenia jest też fakt że robotnicy wykonujący prace wymagające stałej kontroli stają się bardziej mobilni, a zautomatyzowane maszyny znajdują się w ciągłym ruchu [3]. Dzięki zastosowaniu technologii bezprzewodowych istnieje możliwość ich nadzorowania i sterowania poprzez zintegrowanie z całą infrastrukturą informatyczną przedsiębiorstwa – owocuje to zwiększeniem produktywności a także poprawą bezpieczeństwa i jakości produkcji (pojawia się np. możliwość umieszczania zdalnych czujników na elementach ruchomych lub bezkontaktowego, ciągłego odczytu danych z przyrządów pomiarowych noszonych przez personel).

Rysunek 1 Możliwość rozszerzenia istniejącej sieci przewodowej dzięki modułom bezprzewodowym instalowanym na szynie TH-35.

 Aby rozwiązania bezprzewodowe mogły szeroko zagościć w warunkach przemysłowych muszą należeć do grupy akceptowanych standardów o potwierdzonej (np. w innych zastosowaniach) jakości i niezawodności. Podstawowymi obawami projektantów i użytkowników aplikacji przemysłowych wyrażanymi pod adresem rozwiązań opartych o transmisję danych drogą radiową są zarówno brak determinizmu czasowego i gwarancji małych opóźnień (niezwykle istotne przy automatyzacji taśm produkcyjnych), jak i wszystkie zjawiska związane z zakłóceniami, tłumieniem i wielodrogowością sygnałów. Konieczność koegzystencji sygnałów sterujących i telemetrycznych o niskich poziomach mocy z sygnałami zakłócającymi dużych mocy (o które nietrudno w halach produkcyjnych) wraz z ciągle zmieniającymi się warunkami propagacyjnymi – zmiennym tłumieniem (w wyniku przemieszczania się ludzi i maszyn, a także zastosowaniem różnorakich przegród – ścian, stropów) powoduje wzrost zainteresowania sieci z transmisją wieloetapową. Rozwiązania te, znane również jako multi-hop networks  (sieci o transmisji wieloskokowej) zakładają możliwość wykorzystania każdego lub części urządzeń sieciowych jako węzłów, które nie tylko wysyłają informacje ich dotyczące, ale również retransmitują komunikaty innych węzłów które samodzielnie nie miałyby możliwości ich przesłania (np. zostały zasłonięte lub pracują w gorszych warunkach propagacyjnych). Warunkiem tego typu pracy jest oczywiście odpowiednia „gęstość” węzłów oraz ich rozmieszenie gwarantujące spójność sieci w każdej możliwej sytuacji ich wzajemnego przemieszczenia i związana z tym "osiągalność" każdego węzła przy zachowaniu krótkiego zasięgu łączności radiowej. Należy jednakże pamiętać, że w przypadku rozwiązań multi-hop nawet stosunkowo niewielki,  średni czas dostępu do każdego z węzłów powoduje wzrost opóźnienia pomiędzy urządzeniami końcowymi (wliczając w to czas trwania procedur dostępu, czas transmisji oraz czasy potrzebne na przetwarzanie ramki i oczekiwanie w kolejce w każdym z pośredniczących węzłów).

Rysunek 2 Przemysłowy moduł WiFi

2 Za i przeciw rozwiązaniom bezprzewodowym

 Coraz więcej spośród klasycznych rozwiązań przemysłowych, takich jak: Modus czy Profibus jest zastępowanych przez przemysłowe wersje sieci Ethernet. Powodem tego jest popularność Ethernetu oraz powszechne wsparcie tej technologii przez producentów sprzętu teleinformatycznego. Ethernet charakteryzuje się też łatwością instalacji i niskimi kosztami konfiguracji. Przy wielu zaletach zarówno Ethernetu jak i innych rozwiązań przewodowych takich jak: szerokie pasmo, wysoka jakość, wysoka niezawodność czy też ugruntowana technologia, podstawową wadą jest konieczność ułożenia drogiego okablowania i trudność dokonywania jego późniejszych modyfikacji (rekonfiguracji strukturalnej). Pojawiająca się coraz częściej potrzeba szybkiej reorganizacji sieci, dołączenia nowych stanowisk, bez przerywania produkcji musiałaby w takim przypadku pociągnąć za sobą konieczność położenia na powierzchni hali produkcyjnej nowych kabli, komplikujących transport i zagrażających bezpieczeństwu załogi.

Jako alternatywę, bądź racjonalne uzupełnienie infrastruktury przewodowej możemy potraktować coraz "stabilniejsze" rozwiązania bezprzewodowe. Wybór technologii musimy poprzedzić odpowiedzią na kilka zasadniczych pytań:

• Jakie są najistotniejsze korzyści płynące z wykorzystania rozwiązań bezprzewodowych w środowisku przemysłowym, w tym do automatyzacji produkcji?
• Która z obecnie dostępnych technologii bezprzewodowych jest najlepsza dla środowiska przemysłowego?
• Czy w przypadku rozwiązań bezprzewodowych dostępne są zunifikowane interfejsy komunikacyjne?

Rozważając wykorzystanie technologii bezprzewodowych w środowisku przemysłowym należy też wziąć pod uwagę różnorodne aspekty [4]:

• Koszt: zapewne pierwszym i może najważniejszym powodem zastąpienia sieci przewodowej technologią bezprzewodową winny być oszczędności płynące z zastąpienia kabli medium bezprzewodowym. Jest to o tyle ważne, że okablowanie sieci przemysłowej jest specjalizowane i zwykle bardzo kosztowne.
• Przeżywalność, niezawodność i bezpieczeństwo systemowe (ang. safety): Wpływ uszkodzenia łącza na bezpieczeństwo pracy systemu ma wręcz kluczowe znaczenie, powinien być zminimalizowany. Medium bezprzewodowe jest podatne na zakłócenia okresowe, interferencje i zaniki. Odbiornik może być zakłócony stosunkowo łatwo. Wymienione czynniki są zwykle najważniejszymi zastrzeżeniami czynionymi w stosunku do rozwiązań bezprzewodowych. Jednocześnie można podać kilka metod istotnie ograniczających wpływ tych niekorzystnych czynników. Niezależnie od tego należy powiedzieć, że w przypadku połączeń przewodowych istnieje także duże, realne zagrożenie przecięcia kabla czy uszkodzenia jednego z urządzeń sieci przewodowej (koncentratora, przełącznika, retransmitera).
• Priorytety: Wymagania odnośnie poprawnej pracy sieci w środowisku przemysłowym zakładają niezawodną pracę sieci i obsługę zgłoszeń w czasie rzeczywistym, co najmniej dla najważniejszych aplikacji. Poprawna praca zakładać może realizacje przerwań procesów, każdorazowo, gdy następuje utrata wiadomości. Jednocześnie realizacja zbyt wielu przerwań może spowodować obniżenie efektywności obsługi procesów.
• Bezpieczeństwo (ang. security): Poważnym zagrożeniem jest otwartość medium i możliwość nieautoryzowanego odbioru bądź nieuprawnionego nadawania. Istnieje oczywiście wiele metod pozwalających na zagwarantowanie wysokiego poziomu bezpieczeństwa i poufności realizowanych przekazów.
• Mobilność: Jednym z naturalnych cech systemów bezprzewodowych jest wsparcie mobilności. Uwolnienie użytkownika od kabli gwarantuje swobodę przemieszczania urządzeń na obszarze zasięgu sieci, z zapewnieniem ciągłości przekazu informacji. Większość rozwiązań przemysłowych wymaga raczej wsparcia dla nomadyczności niż pełnej mobilności, z zachowaniem cech statycznych scenariuszy pracy. Tym niemniej rozwiązania bezprzewodowe wydaja się być również w tym przypadku wysoce efektywne.
• Skalowalność: Intuicyjnie rzecz ujmując można powiedzieć, że rozwiązanie bezprzewodowe będzie efektywniejsze o ile pozwoli na wzrost liczby użytkowników korzystających z tego samego urządzenia pośredniczącego (obchodząc tym samym wzorzec komunikacji punkt-punkt), bądź liczby aktywnych sieci czy też możliwość automatycznej konfiguracji.
• Interoperacyjność protokolarna: Szereg przewodowych standardów przemysłowych wzajemnie ze sobą rywalizuje, bez możliwości ich pełnej współpracy. Rozwiązanie bezprzewodowe powinno zaoferować mechanizmy łączący te rozwiązania.
• Integracja segmentu produkcyjnego z administracyjnym: Protokoły bezprzewodowe mogą efektywnie obsługiwać zarówno ruch biurowy jak i przekazy typowo internetowe. Może to ułatwić ewolucję zainicjowaną przez przemysłowy Ethernet: optymalizację kosztów utrzymania sieci poprzez utrzymywanie stałych połączeń z segmentem biurowym. Integracja z tą częścią sieci umożliwi, w perspektywie, zarządzanie wartością dodaną (zautomatyzowane oceny zarządzania, zarządzanie łańcuchem dostaw, zarządzanie relacjami z klientem).
• Dynamiczna konfiguracja: Integracja segmentów produkcyjno-biurowych umożliwi poprawę efektywności pracy środowiska produkcyjnego, a także zwiększy elastyczność i dynamikę rekonfiguracji, zgodnie ze zróżnicowanymi wymaganiami klientów, żądającymi danych (zamówień) przechowywanych w innym systemie.

 Scenariusz komunikacji przemysłowej zakłada wprowadzenie sieci bezprzewodowych na wszystkich poziomach automatyzacji zakładu. Korzyści z takich innowacji są wielorakie, nawet jeśli systemy bezprzewodowe nie mogą być traktowane jako pełna alternatywa sieci przewodowych. Można jednak oczekiwać, że będą coraz powszechniej wykorzystywane w bliskiej przyszłości do realizacji konfiguracji hybrydowych (wykorzystujących technologie przewodowe i bezprzewodowe). W szczególności przewiduje się, że sieci bezprzewodowe mogą być wykorzystane jako rozszerzenia (już instalowane) systemów przewodowych. Zazwyczaj jako z bezprzewodowego rozszerzenia sieci Ethernet Powerlink, czy bardzo popularnego rozwiązania sieci Ethernet czasu rzeczywistego, korzystamy z IEEE 802.11 WLAN.

3 Przegląd technologii bezprzewodowych – PAN i WLAN

 Praca urządzeń w środowisku przemysłowym winna gwarantować wysoki poziom jakości i niezawodności. Z tego choćby powodu należy założyć, że wybrane rozwiązanie musi być standardowe, by uniknąć kłopotów chociażby z brakiem kompatybilności [5,6]. Jednym z czynników odgrywających kluczowe znaczenie w komunikacji bezprzewodowej jest też skuteczny zasięg realizowanych połączeń oraz topologia sieci umożliwiająca przekazy jedno, bądź wieloetapowe. Zasięg komunikacji ograniczany zazwyczaj do dziesiątków, bądź co najwyżej setek metrów sprawia, że należy brać pod uwagę rozwiązania typu PAN i WLAN. Systemy WWAN czy też WMAN wydają się być mniej przydatne. Zatem, w dalszych rozważaniach pominiemy systemy typu: GSM, GPRS, UMTS oraz WiMAX czy HIPERMAN. W licznej grupie rozwiązań typu PAN – Personal Area Networks – znaleźć można wiele propozycji np. RFID, UWB, Bluetooth czy też ZigBee, z czego teoretycznymi kandydatami do wykorzystania w sieci przemysłowej mogą być w zasadzie dwa ostatnie rozwiązania. Zestawienie podstawowych cech wybranych standardów sieci znajdują się w tabeli 1.

Tabela 1 Zestawienie cech Standardów Wi-Fi, ZigBee i Bluetooth

 Architektura sieci z infrastrukturą (oparta na połączonych przewodowo lub bezprzewodowo punktach dostępowych), jako szeroko opisana w literaturze [7], nie wymaga szczegółowego omówienia, warto jednakże wspomnieć o architekturze sieci kratowych – mniej obecnie znanych, a mającej zastosowanie w środowiskach przemysłowych. W architekturze tej, będącej w istocie architektura złożoną (mieszaną) nie ma dedykowanych punktów dostępowych organizujących przesył informacji w sieci. Funkcja ta jest rozproszona na wszystkie węzły i w sposób równomierny je obciąża. Powoduje to konieczność obsługi przez węzły sieci oprócz własnych komunikatów, również wiadomości pochodzących ze stacji sąsiednich i stosowania złożonych mechanizmów samoczynnego organizowania się sieci i wyznaczania tras dla zapewnienia osiągalności każdego z węzłów. Podstawowymi cechami takiej sieci są:

• automatyczne formowanie się sieci i jej dynamiczną rekonfigurację w zależności od wymogów środowiska pracy i liczby urządzeń – skutkuje to ogromnym obniżeniem kosztów wdrożenia i utrzymania systemu,
• wysoką skalowalność, umożliwiającą współpracę dużej liczby urządzeń i łatwe dołączanie nowych,
• efektywną transmisję z niską mocą (dzięki koncentracji urządzeń i transmisji wieloskokowej), umożliwiającą osiągnięcie znacznych oszczędności energii oraz poprawę koegzystencji z innymi systemami,
• zapewnienie wysokiej niezawodności systemu, dzięki redundancji łączy i możliwości automatycznego wyboru alternatywnych ścieżek transmisji danych.

 W sieciach tego typu (zwanych też sieciami typu mesh, lub WMN – Wireless Mesh Networks) można, na ogół, wyróżnić trzy podstawowe rodzaje węzłów:

• koordynator – węzeł nadrzędny, pełniący wiele funkcji utrzymaniowych sieci,
• router – węzeł uczestniczący w tworzeniu struktury mesh i jest zdolny do przekazywania ruchu tranzytowego (również do sieci o innej topologii),
• urządzenie końcowe – urządzenie podłączające się do sieci lecz nie przekazujące ruchu tranzytowego.

 Dla sieci mesh tworzonych w oparciu o technologie serii IEEE 802.15.x, opracowano szereg scenariuszy pracy, wykorzystywanych w różnorodnych środowiskach – domowym, przemysłowym, medycznym, wojskowym. Scenariusze te obejmują, między innymi:

• Komunikację między różnymi urządzeniami elektroniki użytkowej – w celu poprawy efektywności realizowanych przekazów oraz wprowadzenia nowych funkcjonalności (bezpieczeństwa, niezawodności), z zapewnieniem ich łatwej obsługi przez użytkowników.
• Wymianę informacji między jednostką centralną, a urządzeniami wykonawczymi automatyki – sieci WMN są zarówno łatwe i szybkie we wdrażaniu, jak i odporne na awarie (dzięki daleko posuniętej redundancji połączeń), przez co znakomicie sprawdzają się w takim scenariuszu. W przypadku mobilnych urządzeń wykonawczych są w zasadzie rozwiązaniem „bezkonkurencyjnym”.
• Przekaz danych między czujnikami, a elementami analizującymi i wykonawczymi – możemy tutaj mówić o podobnych zaletach sieci WMN jak w poprzednim przypadku; dodatkową zaletę stanowi możliwość rozmieszczenia czujników na dużym obszarze, bez konieczności zapewnienia im infrastruktury komunikacyjnej. Sieci WMN stanowią tu bezwzględnie najbardziej ekonomiczną opcję.
• Gromadzenie bądź rozsyłanie informacji między elementami sieci – złożona i wysoce redundantna struktura sieci WMN pozwala nie tylko na niezawodne rozsyłanie informacji, lecz także na wykorzystanie zróżnicowanych ścieżek przesyłu danych, co zapobiega występowaniu lokalnych stanów natłoku.
• Dostęp do sieci Internet i ogólnie pojęta transmisja danych cyfrowych – usługa powszechnie oczekiwana przez użytkowników i umożliwiająca dostęp do stale rosnącej liczby różnorodnych aplikacji.
• Usługi lokalizacyjne – niezależnie od głównej funkcjonalności realizowanej przez sieci WMN oparte na technologiach WPAN, stosunkowo niewielki zasięg ich pojedynczych węzłów jest dodatkową zaletą, pozwalającą na łatwe wdrożenie usług lokalizacyjnych. Mogą one zostać potraktowane jako nowy typ usługi lub posłużyć do zwiększenia efektywności realizacji innych usług (np. informacja o zagrożeniach w środowisku przemysłowym oferowana w kontekście konkretnego miejsca przebywania pracownika).

 Jednym z wyraźnych dowodów rosnącego zainteresowania rozwiązaniami typu złożonego (mesh) jest  też powołanie grupy roboczej IEEE 802.15.5 – WPAN Mesh Networking.   Zadania stojące przed grupą 802.15.5 są ambitne. Dostępne propozycje rozwiązań, które najprawdopodobniej znajdą się w przyszłym standardzie, przewidują bardziej efektywne wykorzystanie zasobów pasma elektromagnetycznego. Po uwzględnieniu usprawnień warstw PHY, MAC i sieciowej - proponowanych zarówno przez grupę TG5, jak też  konsorcja ZigBee, WiMedia i Bluetooth - możliwe będzie zapewnienie  większych przepływności, w porównaniu do wcześniej zdefiniowanych dla sieci bezprzewodowych WPAN, implementacja efektywniejszych mechanizmów zarządzania sieciami mesh, czy też lepszego wykorzystania energii oraz zaproponowanie nowych funkcjonalności dla  sieci WPAN serii IEEE 802.15.x.

3.1       Sieci 802.15.4 / ZigBee

  Standard IEEE 802.15.4 ma być uzupełnieniem na rynku technologii bezprzewodowych w segmencie sieci charakteryzujących się niewielkimi szybkościami transmisji [8]. Rozwiązania tworzone w oparciu o 802.15.4 określana się mianem LR-WPAN (Low Rate - Wireless Personal Area Network). Struktura takich sieci budowana jest w oparciu o dwa typy urządzeń: Full-Function Device (FFD) oraz Reduced-Function Device (RFD). Obie grupy w sieci pełnić mogą jedną z trzech funkcji. Pierwszy typ urządzeń pracować może jako koordynator (Coordinator) lub koordynator sieci PANC (Personal Area Network Coordinator). Każda sieć typu LR-WPAN musi posiadać dokładnie jeden węzeł PANC. Urządzenia RFD to jednostki z reguły charakteryzujące się mniejszymi mocami obliczeniowymi i dlatego też pracują jako urządzenia końcowe (End Device). Relacje między poszczególnymi urządzeniami tworzone są w wyniku zdefiniowanych w standardzie procesów asocjacji. Obecnie w sieciach LR-WPAN upatruje się szeregu nowych zastosowań. Głównym obszarem zastosowań tych sieci ma być zdalny monitoring, np. sieci sensorowe typu ad hoc (Ad hoc Sensor Networks) oraz szeroko rozumiana kontrola, jak np. sterowanie odbiornikami RTV czy oświetleniem mieszkania, proponuje się je również do zastosowań w przemyśle – np. do odczytu informacji z czujników o niskim poborze mocy, zasilanych bateryjnie.

 Standard swą coraz to większą popularność zawdzięcza dzięki temu, że jest praktycznie jednym z pierwszych, które tak wielki nacisk położyły na oszczędność zasobów energetycznych pojedynczych jednostek, co w sposób znaczący wydłuża czas życia całej sieci. Osiągnięto to m.in. przez wprowadzenie specjalnego trybu pracy sieci: Bacon-enabled Mode, w którym to koordynator synchronizuje i steruje za pośrednictwem superramki aktywnością poszczególnych węzłów. Koncentracja na aspekcie energetycznym okupiona została jednak ograniczoną przepływnością danych, która wynosić może, co najwyżej 250kb/s. Jest to stosunkowo niewiele w porównaniu chociażby z rozwiązaniami Bluetooth. Inną cechą charakterystyczną jest krótki (do 10m) zasięg transmisyjny pojedynczych jednostek. Zważywszy jednak na funkcje, jakie pełnić mają sieci tego typu są to parametry w pełni zadowalające. W porównaniu z innymi rozwiązaniami WPAN sieci oparte o IEEE 802.15.4 posiadają wiele atutów. Na ich korzyść z pewnością przemawia prostota tworzenia i konfiguracji sieci, w tym także mechanizmy samo-konfiguracji i samo-organizacji, możliwość pracy w różnorodnych topologiach (gwiazdy, drzewa), możliwość budowy sieci składającej się aż do 64000 węzłów.

 Prace nad standardem prowadzi grupa IEEE 802.15.4, pierwszym oficjalnym rezultatem był standard IEEE 802.15.4-2003, który definiuje dwie warstwy: fizyczną (Physical Layer) i MAC (Medium Access Control Layer). Obecnie grupa jest podzielona na dwie podgrupy: IEEE 802.15.4a i IEEE 802.15.4b. Pierwsza z nich prowadzi prace nad nowatorskimi rozwiązaniami dla warstwy fizycznej, szczególnie koncentrując się na oszczędności zasobów energetycznych i poprawie jakości transmisji w środowisku bezprzewodowym. Wyniki tej pracy, w formie oficjalnego standardu mają zostać wydane pod koniec czerwca 2007 roku. Z kolei wersja IEEE 802.15.4b zajmuje się poprawkami i optymalizacją mechanizmów zawartych w standardzie IEEE 802.15.4-2003. Obecnie dostępna jest zatwierdzona przez IEEE wersja 802.15.4-2006.

 Sieć ZigBee (stanowiąca rozszerzenie funkcjonalności oferowanej przez IEEE 802.15.4) może pracować w różnych topologiach. Podstawowe to:

• Gwiazda (star) – wszystkie węzły połączone są wówczas łączami logicznymi z węzłem wybranym, pełniącym rolę koordynatora, który pośredniczy we wszystkich transmisjach. Jest to konfiguracja efektywna dla niewielkiej liczby urządzeń zlokalizowanych w bezpośrednim sąsiedztwie.
• Drzewo (cluster tree) – logiczna struktura sieci ma wtedy charakter hierarchiczny. Struktura taka jest rzadko implementowana ze względu na niewielką efektywność.
• Krata (mesh) – w pełni funkcjonalna sieć o strukturze złożonej.

Rysunek 3 Przykłady podstawowych architektur sieci ZigBee z zaznaczeniem typów węzłów.

 Za wyjątkiem niewielkich systemów, architektura mesh sprawdza się zdecydowanie najlepiej i jest obecnie najczęściej wykorzystywana.

 Zachowanie prostoty rozwiązania i utrzymanie niskiego kosztu urządzeń zdolnych do pracy w sieci mesh, było głównym priorytetem twórców technologii. Nie było to zadanie proste, biorąc pod uwagę charakterystykę wybranej architektury sieciowej. Dużym ułatwieniem okazał się tu brak wymogu wysokiej przepływności i zachowania gwarancji QoS dla przenoszonego ruchu sieciowego.

 Standard ZigBee określa mechanizmy stosowane w urządzeniach sieciowych, aż do warstwy aplikacji włącznie. W warstwach aplikacyjnych zdefiniowano bibliotekę tzw. klastrów (ZigBee Cluster Library – ZCL) podzielonych na obszary zastosowań (Functional Domains), których dotyczą, takie jak np.: Control, Lightning, Sensors, Security, Industrial, HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning).

 Z wykorzystaniem funkcji (klastrów) zdefiniowanych w ZCL tworzy się następnie profile aplikacji (Application Profiles), zawierające informacje o urządzeniach i funkcjach, które muszą one obsługiwać, by realizować określone zadnie, np. kontrolować pracę klimatyzacji czy systemu alarmowego.

Rysunek 4 Definicja profili aplikacji z użyciem klastrów zdefiniowanych w bibliotece ZCL.

 Poza profilami prywatnymi, definiowanymi dowolnie przez producentów na potrzeby swoich urządzeń, określono też grupę tzw. profili publicznych, których obsługa jest wymagana od urządzenia określonego typu. Wraz ze ściśle zdefiniowanymi procedurami certyfikacji, zapewnia to bezproblemową współpracę urządzeń różnych producentów.

 Certyfikacja ZigBee może dotyczyć całego stosu ZigBee włącznie z prawidłową obsługą profili aplikacji (ZigBee Certified Product), lub wyłącznie samej platformy komunikacyjnej (ZigBee Compliant Platform).

 Certyfikacja obejmuje nie tylko zagadnienia prawidłowej współpracy urządzeń w tej samej sieci, lecz również sprawdza zdolność do koegzystencji danego urządzenia z innymi, pracującymi w niezależnych sieciach ZigBee.

 Technologia ZigBee zapewnia też odpowiedni poziom bezpieczeństwa, dzięki zastosowanie nowoczesnych mechanizmów ochrony danych (np. algorytm AES128) oraz systemu uwierzytelniania, kontroli dostępu i zarządzania kluczami.

 Główne zastosowania ZigBee dotyczą ściśle określonych obszarów – monitorowania i zarządzania urządzeniami. Najczęściej pojawiające się zastosowania można zaliczyć do jednej w czterech grup:

• Domowe (Home Automation) – dotyczące różnorodnych zadań nadzoru, sterowania i współpracy urządzeń domowych, poczynając od sterowania telewizorem, a kończąc na zintegrowanym systemie bezpieczeństwa.
• Budynkowe (Building Automation) – pozwalające na nadzór nad systemami dużego budynku, wykorzystywanego w zróżnicowanych celach (np. biurowca, hotelu). Umożliwia efektywniejsze zarządzanie zasobami, a tym samym znaczące oszczędności i wzrost bezpieczeństwa.
• Przemysłowe (Industrial Automation) – umożliwiające nadzór nad wszystkimi elementami procesu produkcyjnego oraz zaangażowanymi w niego urządzeniami. Pozwala to na wczesne wykrycie awarii, nieefektywnego działania elementów linii produkcyjnej itp. Ułatwia też nadzór w przypadku występowania środowisk produkcyjnych szkodliwych dla człowieka.
• Zarządzanie i oszczędzanie energii (Smart Energy) – dotyczące nadzoru nad zużyciem energii, dynamicznego sterowania siecią energetyczną oraz rozliczania użytkowników.

 Ponieważ sieci ZigBee mają funkcjonować w środowiskach wymagających dużej bezawaryjności i wysokiego poziomu bezpieczeństwa, pomimo automatycznych procedur wejścia do sieci, konfiguracji węzłów i utrzymania całego systemu, najczęściej stosuje się pół-automatyczną procedurę rozbudowy sieci o nowe urządzenia. Pozwala to na przeprowadzenie weryfikacji poprawności ich działania (zarówno na poziomie warstw sieciowych, jak i aplikacyjnych) oraz pozwala dodatkowo zabezpieczyć system przed nieautoryzowanym dostępem. Jednocześnie opracowano zbiór specjalnych narzędzi, służących instalatorom urządzeń do tworzenia sieci ZigBee i ich dalszej rozbudowy. Nie wymagają one od użytkownika dużej wiedzy technicznej i dogłębnego zrozumienia mechanizmów systemu, a jednocześnie pozwalają na niezawodną realizację najpotrzebniejszych zadań utrzymaniowych.

 Wykorzystanie ZB pozwala na łatwą i pełną integrację możliwie dużej grupy urządzeń, które działają w pewnym otoczeniu. Dodatkowo sieć tego rodzaju jest niezawodna, tania we wdrażaniu i eksploatacji oraz łatwa w rozbudowie. Cechy te zapewniają  ZigBee znaczącą przewagę nad podobnymi rozwiązaniami opartymi na komunikacji przewodowej. Ponadto fakt, że technologia ta rozwijana jest i promowana przez firmy bezpośrednio zainteresowane jej wdrożeniem w swoich produktach, dobrze rokuje jej dalszej popularyzacji.

3.2 Sieci 802.15.1 - Bluetooth

  Pomysł standardu Bluetooth narodził się w 1994 roku w laboratoriach firmy Ericsson, jako propozycja systemu transmisji radiowej małego zasięgu, pomiędzy telefonami komórkowymi i niewielkimi osobistymi urządzeniami elektronicznymi. Satysfakcjonujące wyniki prac firmy Ericsson spowodowały, że do projektu przyłączyły się kolejne firmy: IBM, Intel, Nokia i Toshiba, tworząc w lutym 1998 roku grupę Bluetooth Special Interest Group (SIG). Grupa ta zajęła się opracowywaniem, rozwojem i promowaniem standardu Bluetooth, mającego zunifikować sposób komunikacji osobistych urządzeń elektronicznych o małym zasięgu.

 Technologia Bluetooth, z założenia, zapewnia połączenia ad-hoc typu point-to-point oraz point-to-multipoint, pozwala na realizację wielu niezależnych połączeń na małym obszarze (co jest szczególnie utrudnione w przypadku transmisji radiowej), wspiera transmisję danych i głosu (transmisje asynchroniczne i synchroniczne), jak również zapewnia jednolity standard definiowania i dostępu do usług, takich jak dostęp do sieci lokalnej, dostęp do sieci globalnej, drukowanie danych, itp., oferowanych przez urządzenia różnych producentów na poziomie aplikacyjnym.

 Bluetooth wykorzystuje do transmisji nie licencjonowane pasmo ISM (Industrial, Scientific & Medical Band) 2.4 GHz. W zależności od kraju zakresy pasma ISM i poziomy emisji radiowej mogą się nieco różnić. Dla większości krajów Europy i w USA pasmo zawiera się w zakresie 2,400-2,4835 GHz.

 Interfejs radiowy systemu Bluetooth, dla szybkości transmisji 1 Mb/s, korzysta z modulacji GFSK (ang. Gaussian Frequency Shift Keying) z wykorzystaniem techniki FHSS. Zgodnie ze specyfikacją Bluetooth 2.0 transmisje mogą być realizowane z szybkościami 2 Mb/s (modulacja π/4-DQPSK) lub 3 Mb/s (modulacja 8DPSK).

 Głównym ograniczeniem standardu, mogącym sprawiać trudność w implementacjach przemysłowych jest niewielka prędkość transmisji i ograniczona do siedmiu liczba stacji klienckich obsługiwanych prze pojedynczy punkt dostępowy. Z dwóch dostępnych trybów pracy – Sieci PAN (w tym dostęp FTP, emulacja faksu, połączeń wdzwanianych DUNP – Dial-up Network profile) i połączeń typu master-slave z emulacją zdalnego portu szeregowego (profil SPP – serial port profile) korzystniejszym wydaje się być w to drugie rozwiązanie – zwłaszcza w przypadku potrzeby monitorowania zdalnych czujników lub obsługi urządzeń odczytujących dane z czytników kodów kreskowych, etykiet RFID lub kart zbliżeniowych typu NFC [9]. Bluetooth, projektowany pierwotnie jako rozwiązanie dla małych sieci osobistych, posiada również inne tryby pracy przeznaczone np. do transmisji głosu (profile telefonii bezprzewodowej TCS, zestawu słuchawkowego HSP i interkomu IntP), oraz tryb współpracy z zanikającym powoli standardem komunikacji w podczerwienie IrDA, który w środowisku przemysłowym wydaje się nie mieć obecnie zastosowania.

3.3 Sieci 802.11 - WiFi

  Dokonując oceny różnych rozwiązań pod katem ich przydatności w sieciach przemysłowych dostrzegamy, że zdecydowanymi liderami w takim rankingu są rozwiązania WLAN z serii IEEE 802.11 [10]. Wynika to z kilku przesłanek:

1. Produkty sieciowe serii IEEE 802.11 są sprawdzone, niezawodne, oferują szeroką gamę funkcjonalności, gwarantują kompatybilność wsteczną, pozwalając tym samym na łatwą rozbudowę sieci;
2. Sieci tej serii, popularnie opisywane jako WiFi (Wireless Fidelity), zostały zaprojektowane jako bezprzewodowe rozszerzenia dla sieci Ethernet. Pozwala to na łatwą współpracę obu  rozwiązań (WiFi – Ethernet);
3. Dostępnych jest wiele rozwiązań tych sieci, także wersjach dla środowisk przemysłowych, o umiarkowanych cenach;
4. WiFi zapewnia szerokość pasma wystarczającą do realizacji transmisji w sieci przemysłowej. Technologie IEEE 802.11 a/b/g/n oferują przekazy z szybkościami od 1Mb/s do nawet 300Mb/s (lub 600Mb/s, przy wykorzystaniu szerszego kanału radiowego);
5. Zasięgi tych sieci osiągają wartości rzędu 100m. Są zatem wystarczające dla większości aplikacji przemysłowych;
6. Medium transmisyjne jest współdzielone, oferując łatwość realizacji multipleksacji statystycznej. Protokoły MAC oferują dobrą efektywność wykorzystania medium, z niewielkim kosztem konfiguracji. Najpopularniejsze rozwiązanie zakładające obecność punktu dostępowego (tzw. rozwiązanie z infrastrukturą) pozwala na realizację wielu praktycznych koncepcji sieciowych (np. AP w każdym robocie pracującym na taśmie);
7. Standard WLAN zakłada wykorzystanie nielicencjonowanych pasm ISM (pasma, 2.4GHz oraz powyżej 5GHz). Nie są zatem wymagane dodatkowe zgody na instalację sieci. Spełnione muszą być wyłącznie ograniczenia na poziom emisji;
8. WiFi zapewnia możliwość dynamicznego dopasowania szybkości transferu i jego jakości do zasięgu transmisji. Zmiana poziomu sygnału do szumu – Signal-to-Noise-Ratio- SNR powoduje automatyczne zmiany w wyborze modulacji i szybkości transmisji. Rozwiązania serii 802.11 pozwalają na bardzo skuteczne przeciwdziałanie zakłóceniom selektywnym, poprzez rozpraszanie widma – DSSS w  technologii IEEE 802.11b, ograniczanie wpływu wielodrogowości w rozwiązaniach IEEE 802.11g/a – OFDM, oraz jeszcze skuteczniejsze przeciwdziałanie interferencjom międzysymbolowym przez wykorzystanie technik wieloantenowych MIMO - w IEEE 802.11n. Sprawia to, że rozwiązania WLAN – WiFi stają się naturalnymi kandydatami do zastosowania w środowiskach z zakłóceniami zewnętrznymi, odbiciami i zanikami.
9. Aktualne rozwiązania WiFi oferują niezawodne metody uwierzytelniania oraz wysoki poziom poufności;
10. WiFi ma częściowo optymalizowaną funkcjonalność oszczędzania energii. W większości rozwiązań przemysłowych należy jednakże założyć, że zasilanie nie jest krytycznym elementem systemu.

3.3.1 Nowe trendy w sieciach WiFi

 Sieci bezprzewodowe pracujące w technologii WiFi opartej na standardzie IEEE 802.11, są obecnie bardzo popularnym i rozwiązaniem szeroko wykorzystywanym przy tworzeniu bezprzewodowych sieci lokalnych (WLAN). Stosunkowo niski koszt sprzętu, praca w otwartym paśmie częstotliwości (Industrial, Scientific, Medical – ISM), względna łatwość instalacji i konfiguracji oraz brak liczących się rozwiązań konkurencyjnych czyni z rozwiązania 802.11 technologię szeroko implementowaną we wszelkiego typu urządzeniach elektronicznych. W chwili obecnej interfejs sieciowy w technologii WiFi jest standardowym wyposażeniem komputerów przenośnych (laptopów i palmtopów), a także popularnym wyposażeniem komputerów stacjonarnych, różnego typu urządzeń biurowych (rzutniki multimedialne, kamery dozoru, drukarki itp.), a nawet telefonów komórkowych.

 Początkowo wprowadzane wersje standardu 802.11 posiadały liczne niedociągnięcia oraz błędy projektowe, które na pewien czas zahamowały popularyzację tej technologii. Do najważniejszych należały:

 Krytyczne błędy w mechanizmach bezpieczeństwa, mających zapewnić bezpieczeństwo porównywalne do rozwiązań przewodowych, a w praktyce możliwe do ominięcia w ciągu kilku minut, przez użytkownika nie posiadającego specjalistycznej wiedzy technicznej.

 Brak wsparcia dla ruchu sieciowego wymagającego określonej jakości obsługi (Quality of Service – QoS), jak na przykład Voice over IP czy transmisje multimedialne. Obecny w standardzie mechanizm dostępu do medium mogący wspierać taką obsługę (Point Coordination Function - PCF) praktycznie nie był implementowany. Standard nie precyzował także sposobu wykorzystania możliwości PCF przez usługi sieciowe.

 Brak kontroli nad sposobem pracy klientów sieci bezprzewodowej ze strony punktu dostępowego tej sieci. Najbardziej odczuwalnymi są brak kontroli mocy nadajnika (znaczne zwiększenie zasięgu zakłócającego względem użytecznego i problemy koegzystencji z innymi systemami) oraz mechanizmów wyboru punktu dostępowego przez klienta (słaba obsługa klientów w rozbudowanych sieciach: grupowanie się klientów w wybranych punktach dostępowych oraz skrajnie nieefektywne przełączanie pomiędzy nimi).

 Autorzy standardu 802.11 uwzględnili doświadczenia zebrane podczas licznych wdrożeń technologii WiFi. Znalazło to odzwierciedlenie w kierunkach prac standaryzacyjnych. W chwili obecnej znacząca część niedociągnięć i braków pierwotnej specyfikacji została poprawiona, a co więcej – urządzenia wykorzystujące nową specyfikację są już ogólnie dostępne na rynku. Do kluczowych, obecnych w dostępnych już urządzeniach, rozszerzeń standardu należą:

• 802.11b, 802.11g, 802.11a – Rozwiązania te, dotyczące sposobu pracy warstwy fizycznej sieci, oferują przepływności odpowiednio 11 Mb/s (w paśmie 2.4 GHz) oraz 54 Mb/s (2.4 GHz), jak również 54 Mb/s (5 GHz).
• 802.11i – Jest to zestaw mechanizmów tworzących kompleksowy system zabezpieczeń dla sieci WiFi. Dotyczy on takich aspektów bezpieczeństwa jak: negocjacja mechanizmów bezpieczeństwa, uwierzytelnianie, kontrola dostępu, dystrybucja kluczy szyfrujących oraz ochrona kryptograficzna ruchu sieciowego.
• 802.11e – Rozszerzenie definiuje mechanizmy QoS oraz sposoby ich wykorzystania, włączając w to mechanizmy dostępu z priorytetyzacją ruchu oraz z rezerwacją pasma. Wersja „e” standardu podnosi także znacznie wydajność sieci, dzięki dopuszczeniu możliwości nieprzerwanej transmisji przez zadany okres czasu (burst transmissions) oraz bezpośredniej komunikacji między klientami bez retransmisji danych przez punkt dostępowy, lecz nadal pod jego kontrolą.

 Sieci bezprzewodowe wykorzystujące urządzenia wspierające powyższe rozszerzenia podstawowego standardu 802.11 oferują użytkownikowi poziom obsługi wystarczający do budowy z ich użyciem produkcyjnych instalacji sieciowych. Łatwość wdrożenia i stosunkowo niski koszt tego rodzaju instalacji sprawia, że mogą one stanowić alternatywę dla instalacji przewodowych sieci LAN. Oferowane przepływności są porównywalne z technologiami LAN średniej szybkości, poziom bezpieczeństwa ruchu sieciowego jest wysoki (potencjalnie większy niż w sieciach przewodowych, gdzie stosunkowo rzadko stosuję się uwierzytelnianie użytkowników i ochronę kryptograficzną, zakładając znaczącą trudność fizycznej dostępności medium). Z kolei wprowadzenie mechanizmów QoS pozwala na efektywną realizację usług multimedialnych, co również nie jest regułą w przewodowych sieciach LAN, w których powyższą jakość uzyskuje się głównie dzięki dużemu nadmiarowi dostępnej przepływności.

 Jak widać, po kilku latach rozwoju standard IEEE 802.11 i oparte na nim technologie bezprzewodowych sieci lokalnych WiFi są obecnie rozwiązaniami kompleksowymi, stabilnymi oraz sprawdzonymi w działaniu, zdolnymi do wspierania nowoczesnych usług sieciowych.

 Skorygowanie podstawowych niedociągnięć standardu pozwoliło na gwałtowną popularyzację wspierających go urządzeń i powstanie ogromnej, w dalszym ciągu rosnącej liczby sieci WLAN pracujących w technologii WiFi. Technologia ta nieomalże zastąpiła rozwiązania typu PAN (Personal Area Network) jako sposób łatwej i powszechnej wymiany informacji między urządzeniami przenośnymi.

 Tak szeroka popularyzacja technologii wymusiła potrzebę dalszego rozwoju standardu. Konieczność współistnienia wielu sieci WiFi na ograniczonym obszarze, a także współdzielenia pasma ISM z innymi urządzeniami skierowała uwagę projektantów na zagadnienia monitorowania warunków pracy sieci bezprzewodowej, większej kontroli nad działaniem podłączonej do niej urządzeń klienckich oraz wsparcia dla tworzenia zintegrowanych systemów sieciowych złożonych z wielu współpracujących ze sobą sieci WiFi. Tych właśnie zagadnień dotyczą w przeważającej części, obecnie prowadzone prace standaryzacyjne. Wraz z osiągnięciem przez technologię WiFi poziomu rozwoju właściwego stabilnym technologiom, pojawił się także silny trend to wykorzystania jej w przemyśle.

3.3.2 Rozszerzenie IEEE 802.11w

 W obecnie obowiązującej wersji standardu [11] ochroną kryptograficzną objęty jest wyłącznie ruch przenoszący dane użyteczne – ruch kontrolny sieci transmitowany jest bez żadnych zabezpieczeń, dotyczących czy to poufności czy, co ważniejsze, integralności (ochrona przed fałszerstwem czy modyfikacją).

 Jednak z wprowadzonymi już, a tym bardziej planowanymi, rozszerzeniami podstawowego standardu rośnie znacząco jego różnorodność oraz rola w sieci WiFi.  Wraz z wprowadzaniem kolejnych rozszerzeń standardu wzrosła drastycznie liczba mechanizmów generujących ruch kontrolny. W grupie tej są także mechanizmy stosunkowo wysokich warstw modelu ISO-OSI (np. mechanizmy wyznaczania tras w sieciach złożonych). Fakt ten, w połączeniu z dążeniem do tworzenia sieci złożonych i integracji z sieciami pracującymi w innych technologiach tworzy bardzo niebezpieczną sytuację, czyniąc niechroniony ruch kontrolny atrakcyjnym obiektem bardzo efektywnych i dalekosiężnych ataków.

 W tej sytuacji rozszerzenie ochrony kryptograficznej na wiadomości kontrolne sieci WiFi, jakkolwiek trudne z powodu powiązania z wielością zróżnicowanych mechanizmów, staje się koniecznością i jest obecnie przedmiotem prac grupy IEEE 802.11w [11]. Planowane jest wprowadzenie ochrony integralności i poufności, możliwość weryfikacji adresu nadawcy ramek oraz zabezpieczenie przed atakami opartymi na odtwarzaniu ruchu, co powinno zapewnić kompleksową ochronę ruchu kontrolnego w sieci standardu 802.11 przed znaczącą większością znanych metod ataków na mechanizmy warstwy łącza danych.

 W zastosowaniach przemysłowych niezwykle istotną kwestią jest integralność przekazu, dlatego wydaje się być istotnym zapewnienie bezpieczeństwa komunikacji poprzez szyfrowanie całych komunikatów – również kontrolujących przepływ danych w sieci.

3.3.3 Rozszerzenie IEEE 802.11k

 Rozszerzenie IEEE 802.11k [12] definiuje mechanizmy pomiaru parametrów radiowego kanału transmisyjnego. Potencjalnie każdy węzeł sieci standardu IEEE 802.11 będzie miał możliwość przeprowadzenia zdefiniowanych pomiarów lub zażądania pomiarów wykonanych przez inne węzły sieci. Pomiary oferowane przez opisywane rozszerzenie obejmują:

• listę ramek beacon odebranych w zadanych kanałach,
• raport odbiorczy węzła obejmujący liczbę pakietów, średni poziom mocy sygnału odbioru oraz BSSID wyznaczone dla każdego nadawcy
• histogram szumu kanału pochodzącego od urządzeń nie należących do sieci IEEE 802.11,
• liczniki z MIB węzła, takie jak: liczba pakietów wysłanych, liczba powtórzeń transmisji, liczba nieotrzymanych potwierdzeń, liczba nieudanych transmisji,
• położenie węzła w formie współrzędnych geograficznych lub w formie opisowej (np. z podaniem numeru piętra),
• raport zawierający listę punktów dostępowych AP, dostępnych dla klienta w danej lokalizacji,
• informację o stracie poziomu sygnału w określonym kanale radiowym,
• dane o obciążeniu kanału.

 Powyższe pomiary mogą mieć różnorakie zastosowania. Przykładowo, punkt dostępu może wykorzystać statystyki kanału do dynamicznego doboru częstotliwości pracy tak, aby zminimalizować zakłócenia zewnętrzne. Opisywane rozszerzenie może także usprawnić zarządzanie siecią bezprzewodową. Punkt dostępu ma bowiem możliwość poproszenia wszystkich stacji o aktualne statystyki MIB i zbiorczą prezentację otrzymanych wyników. W szczególności raporty dotyczące wykrytych urządzeń bezprzewodowych mogą być wykorzystane do usprawnienia procedur przełączania.

 Istotnym zastosowaniem IEEE 802.11k jest także usprawnienie przełączania poprzez zastosowanie raportów o słyszanych przez urządzenia ramkach beacon.

Rysunek 5 Przełączanie z zastosowaniem rozszerzenia IEEE 802.11k.

 Ideę przełączania z zastosowaniem opisywanego rozszerzenia ilustruje rysunek. Załóżmy, że stacja (MH) decyduje, że należy dokonać przełączenia. W tym celu wysyła do punktu dostępu (AP1) żądanie raportu dotyczącego punktów dostępu obecnych w danej lokalizacji (ramka nr 1). Punkt dostępu odsyła raport o punktach dostępowych AP pracujących w danej lokalizacji (ramka nr 2), zawierający uporządkowaną ich listę wraz z parametrami konfiguracyjnymi. Stacja przełącza się następnie na odpowiedni kanał RF i inicjuje procedurę uwierzytelniania z preferowanym punktem dostępu (w tym przypadku AP 2). Opisany algorytm eliminuje konieczność wykonywania czasochłonnego skanowania dostępnych kanałów transmisyjnych przed każdą procedurą przełączania.

3.3.4 Rozszerzenie IEEE 802.11v

 Rozszerzenie 802.11k pozwoli urządzeniom sieciowym na zbieranie dokładnych informacji o stanie sieci i środowisku, w którym pracuje, wykorzystując do tego celu zarówno elementy infrastruktury sieci (np. punkty dostępowe) jak i urządzenia klienckie. Pozwoli to również na optymalizację pracy urządzeń klienckich, jako że dysponować będą one przetworzonymi informacjami udostępnionymi przez punkty dostępowe. Ciągle jednak to urządzenie klienckie podejmuje decyzję i to od jego funkcjonalności i implementacji (a zatem i ceny) zależy sprawne funkcjonowanie sieci. W przypadku zróżnicowanego ich zestawu działanie sieci może okazać się trudne do przewidzenia i niestabilne.

 Brak kontroli nad zachowaniem urządzeń klienckich oraz ich koordynacją jest obecnie największą przeszkodą w zastosowaniu technologii WiFi w złożonych systemach sieciowych. Aby zaradzić tej sytuacji, autorzy specyfikacji 802.11v [13] skoncentrowali się na mechanizmach pozwalających na szeroko pojęte zarządzanie siecią bezprzewodową i wszystkimi wchodzącymi w jej skład urządzeniami.

 Specyfikacja obejmuje zarówno elementy pozwalające na bezpośrednie (a przy tym bezpieczne) zarządzanie klientami ze strony infrastruktury sieci, jak i w pełni automatyczne mechanizmy pozwalające na optymalizację pracy złożonej struktury sieci bezprzewodowej.

Przykładem tych pierwszych może być zdefiniowanie kilku gałęzi bazy SNMP MIB przeznaczonych specjalnie do obsługi klientów bezprzewodowych. Pozwoli to na bezpośredni odczyt jak i ustawianie wielu parametrów ich pracy: poczynając od szeroko pojętych ustawień konfiguracyjnych i statystyk interfejsu radiowego, poprzez mechanizmy wspierające (jak na przykład modele oszczędzania energii czy mechanizmy bezpieczeństwa), do szeregu parametrów warstw wyższych.

 Tego rodzaju mechanizmy zarządzania będą dostępne przed uzyskaniem łączności IP przez klienta, a potencjalnie nawet przed jego ostateczną asocjacją z daną siecią bezprzewodową, pozwalając na kontrolę nad klientem na każdym etapie jego funkcjonowania.

 Zawarte w specyfikacji w pełni automatyczne mechanizmy, korzystające z powyższej funkcjonalności, pozwalają na skoordynowany, pomiędzy punktami dostępowymi, rozdział klientów bezprzewodowych, globalną optymalizację pracy sieci pod względem przenoszenia ruchu z gwarancjami QoS czy QoE (Quality of Experience) oraz efektywniejsze zarządzanie bezpieczeństwem systemu.

Rysunek 6 Zarządzanie rozkładem klientów bezprzewodowych w systemie wspierającym 802.11v. Klient 4 został przekazany do punktu dostępowego o mniejszym obciążeniu.

 Tak rozbudowane mechanizmy zarządzania pozwolą również na znaczące ułatwienie konfiguracji sieci bezprzewodowej po stronie klienta, niwelując jedną z największych bolączek obecnych sieci WiFi – dużą liczbę niewłaściwie skonfigurowanych stacji klienckich, niezdolnych do uzyskania dostępu do zasobów sieci, a także wpływających negatywnie na całość systemu.

 Pomimo tak zdecydowanego zwiększenia możliwości zarządzania siecią, wprowadzenie wsparcia dla dodatku 802.11v spowoduje minimalizację wymaganego ruchu kontrolnego. Specyfikacja przewiduje wprowadzenie efektywnych metod jego ograniczania, co pozwoli na znaczące odciążenie wszystkich urządzeń sieciowych i zmniejszenie ich poboru energii.

 Przewiduje się, że proponowane tu rozwiązania przyczynią się do znaczącego ułatwienia i redukcji kosztów wdrażania i utrzymania złożonych systemów bezprzewodowych standardu 802.11, a także poprawienia ich niezawodności i stabilności.

4 Wybrane problemy projektowania sieci bezprzewodowych

 Projektowanie sieci bezprzewodowych WPAN i WLAN nie jest sprawą prostą [14]. Dotyczy ono bowiem instalacji we­wnątrz hal produkcyjnych czy też magazynów narażonych, w sposób naturalny, na silne zakłócenia zewnętrzne, jak również podatnych na skomplikowane uwarunkowania propagacyjne. Miejsca instalacji tworzą zazwyczaj obszar bardzo skomplikowany o małej odległości pomiędzy przeszkodami. Różnorodność i zmienność warunków wynikłych chociażby z ruchu osób i urządzeń a także wielokrotne odbicia sygnału radiowego od ścian, stropów i wyposażenia powoduje trudności w odwzorowaniu rozkładu natężeń pola za pomocą uniwersalnych modeli propagacji stosowanych np. dla obliczeń bilansu łącz radiowych w otwartej przestrzeni [14]. Rozstawienie punktów dostępo­wych bez odpowiedniej analizy ich lokalizacji może znacząco obniżyć efek­tywność i bezpieczeństwo projektowanej sieci przy jednocze­snym wzroście jej kosztów. Ze względu na duże zróżnicowanie środowisk przemysłowych czy nawet budynków, brak jest gotowych scena­riuszy implementacji.

 Projektowanie sieci bezprzewodo­wych dzieli się zwykle na trzy fazy obejmujące:

• przygotowanie danych do projektu - zbieranie informacji dotyczących wymagań klienta, warunków pracy, charakteru środowiska i wybór technologii,
• projektowanie - określenie liczby punktów dostępowych i najlepszych lokalizacji ich rozmieszczenia z uwzględnieniem obsługiwanego przez nie obszaru (z uwzględnieniem poziomów mocy, ukształtowania obszaru i charakterystyk promieniowania anten),
• pomiary - wdrożenie projektu i wprowadzenie ewentual­nych poprawek, wynikających z rozbieżności pomiędzy wy­nikami pomiarów na rzeczywistej sieci i symulacją.

 Środowisko przemysłowych systemów bezprzewodowych to wnętrza hal - budynków wypeł­nionych ścianami, o zróżnicowanych kształtach i parametrach, urządzeniami, ludźmi i innymi obiektami. W ta­kich warunkach mechanizm propagacji fal jest bardzo złożo­ny. Sygnał, rozchodząc się wewnątrz budynków, ulega następującym zjawiskom fizycznym:

• dyfrakcji - gdy napotyka na drodze nieprzepuszczal­ną przeszkodę, której wymiary są większe od długości fali; na krawędziach przeszkody następuje ugięcie fali, wywołu­jące jej tłumienie, rozproszenie oraz zmianę kierunku rozcho­dzenia się,
• rozproszeniu - gdy na drodze fali znajdują się przeszkody, których wymiary są porównywalne z długością fali; w tym przypadku fale radiowe są kierowane w różnych kie­runkach, co jest trudne do przewidzenia i zamodelowania,
• odbiciu - gdy fala radiowa na drodze napotyka przeszkodę, któ­rej wymiary są znacznie większe, niż długość fali padającej; w przypadkach, gdy w punkcie odbioru pojawia się wiele fal odbitych sygnał odbierany może być bardzo niestabilny,
• absorpcji - powodowanej pojawieniem się na drodze pro­pagacji roślin, ludzi mających dużą zdolność absorpcyjną; fale radiowe są pochłaniane również przez inne przeszkody (np. ściany),
• prowadzeniu przez naturalne prowadnice falowe - wzdłuż tuneli i korytarzy - zjawisko fali pro­wadzonej może być rozpatrywane jako szczególny mecha­nizm, służący do opisu propagacji w tunelach lub koryta­rzach - powstające w wyniku wielokrotnych odbić i interfe­rencji fal na granicy ośrodków o różnej przenikalności,
• tłumieniu i przenikaniu przez przeszkody - gdy fala radiowa napoty­ka przeszkodę, która jest do pewnego stopnia przezroczy­sta dla fal radiowych, co umożliwia odbiór sygnałów radio­wych wewnątrz budynków (fale przenikają przez ściany i sufity).

 Wyznaczenie tłumienia trasy w takich warunkach jest nie­zwykle trudne. Uwzględniając wspomniane mechanizmy pro­pagacji opracowano modele propagacyjne będące algorytmami do analizy rozchodzenia się fal radiowych z uwzględnieniem opisanych mechanizmów. Służą temu określone zależności matema­tyczne, wykresy i tabele współczynników (tłumienia i pochłaniania energii fal elektromagnetycznych przez różne materiały konstrukcyjne), najczęściej poda­wane w formie zaleceń ITU, IEEE i in. Modele propagacyjne można podzielić na empiryczne (statystyczne), determini­styczne i złożone, będące kombinacją obu wcześniejszych.

 Modele propagacyjne [15] umożliwiają określenie średniej wartości tłumienia w danym miejscu. Dla pełnego modelowa­nia środowiska propagacyjnego należy podać statystykę odbieranego sygnału, co umożliwia uwzględnienie wolno­zmiennych i szybkozmiennych zaników sygnału. Wolnozmien­ne zaniki są rozumiane jako fluktuacje średniej wartości sygnału na dystansie kilku długości fal radiowych.

 Zaniki szybkozmienne są rozumiane jako fluktuacje śred­niej wartości sygnału spowodowane zmianami w środowisku propagacyjnym, np. przemieszczaniem się ludzi w budynku. Fluktuacje te przy małej liczbie przemieszczających się osób najlepiej opisuje rozkład Rice'a.

 Punktem wyjściowym przy projektowaniu sieci bezprzewodowej dla zastosowań przemysłowych będzie w przeważającej mierze określenie użytecznego zasięgu każdego z punktów dostępowych, i zapewnienia redundantnego pokrycia z przynajmniej dwóch punktów w każdym miejscu w którym planujemy obecność terminali klienckich bądź czujników. Niezbędne będzie w tym celu przeanalizowanie zysków energetycznych zastosowanych anten, ich charakterystyk kierunkowych a także wpływu elementów zasłaniających drogę fal elektromagnetycznych w stopniu uniemożliwiającym nawiązanie niezawodnej łączności (zjawisko cienia radiowego). Istotne też może okazać się dokonanie wstępnych pomiarów poziomu zakłóceń i określenia minimalnego natężenia pola pozwalającego na nawiązanie i utrzymanie łączności [16].

 Stosowanie wyrafinowanych, i wysoce sformalizowanych modeli przy projektowaniu sieci bezprzewodowej w zamkniętej przestrzeni z dużą liczba przeszkód prowadzi do skomplikowanych zależności mało przydatnych w praktyce inżynierskiej. Pożądane są zatem rozwiązania prostsze, wykorzystujące wzory przybliżone, możliwe do szybkiego zastosowania. Aby sprawnie sporządzić bilans łącza, wyznacza się tłumienie w powiązaniu z długością trasy, wysokością zawieszenia anten i rodzajem ośrodka, w tym przypadku będzie to środowisko przemysłowe. Należy określić co będzie stanowiło wypełnienie przestrzeni – np. maszyny (metalowe i wytwarzające pole elektromagnetyczne, mogące zakłócać pracę sieci) czy też inne elementy przestrzeni, tłumiące sygnały.

 Podejście takie jest jednak mało dokładne, gdyż model przyjęty do szacowania tłumienia w tym przypadku może okazać się zbyt prosty. Zwróćmy uwagę na choćby jeden element - im niżej zawieszone będą anteny tym mniejsza dokładność. Istnieją metody dokładniejsze oparte o modele empiryczne, oparte na wnioskach z danych pomiarowych. Mają one jednak charakter probabilistyczny, pozwalający na obliczenie natężenia pola, tłumienia trasy z określonym prawdopodobieństwem. Są to między innymi model Bullingtona i modele Okumury.

 Aby móc w jakikolwiek sposób opisać należy przeprowadzić wstępne pomiary głównych elementów przestrzeni pod względem ich charakterystyki propagacyjnej. Wykorzystuje się w tym celu Access Point oraz urządzenia monitorujące poziom sygnału w określonym miejscu. Może to być laptop lub inne urządzenie z interfejsem sieciowym, najlepiej takie, jakie będzie wykorzystywane w sieci.

 W dużych pomieszczeniach można uznać, że dla odległości poniżej 5 metrów tłumienie trasy jest takie jak dla wolnej przestrzeni, czyli jest ono proporcjonalne do kwadratu odległości pomiędzy nadajnikiem, a odbiornikiem. Dla odległości większych tłumienie to rośnie z n-tą potęgą. Dla częstotliwości 2,45 GHz wartość tego współczynnika wynosi n=3,5. Po przekroczeniu tej odległości następuje, z powodu zmiany wykładnika potęgi, ostre zagięcie charakterystyki tłumienia.

Dla f = 2,45 GHz, lambda = 0,125 m, L(5) = 54dB, a dla odległości większych:

 Z kolei, jeśli fale rozchodzą się w zamkniętych pomieszczeniach, lub na swojej drodze mają inne przeszkody, określając tłumienie trasy należy również dodatkowo uwzględnić tłumienie pochodzące od tych elementów. Dla częstotliwości 2,4 GHz wartość tłumienie na takiej trasie można opisać zależnością przybliżoną:

<wzór> [dB]

gdzie:

n – numer stropu na trasie przenikania sygnału

m – liczba ścian działowych na trasie sygnału,

w – współczynnik materiałowy ściany.

 Współczynniki materiałowe „w” można odnaleźć w tabelach dostępnych w literaturze lub uzyskać od producentów. W szczególnych przypadkach może okazać się niezbędne ich określenie w drodze pomiarów. Należy liczyć się z dużą rozbieżnością tłumienia przez poszczególne elementy konstrukcyjne. Przykładowo ściana ceglana lub z pustaków wapiennych wnosi tłumienie rzędu 4-6dB, zaś strop lub ściana z betonu zbrojonego ok. 30dB [16]. Warto przy tym zaznaczyć, że pozornie niewielka różnica wyrażona w logarytmicznej skali decybelowej oznacza znaczny spadek poziomu sygnału – tłumienie 30dB oznacza tysiąckrotny spadek mocy odbieranego sygnału.

 W środowisku przemysłowym należy liczyć się z faktem, że zasięgi sieci znane z rozwiązań konsumenckich ulegną znacznemu zmniejszeniu, zarówno z powodu bardziej rygorystycznych wymagań co do poziomu odbieranej mocy – mającej zapewnić gwarancję niezawodnej komunikacji jak i zwiększonego poziomu zakłóceń i tłumienia środowiska. Bezpiecznie jest przyjąć, że podawany przez producentów zasięg nominalny jest skalkulowany dla niskiego poziomu zakłóceń i optymalnych warunków – których w większości przypadków nie uda się uzyskać. Rzeczywiste zasięgi pracy urządzeń w warunkach przemysłowych mogą być nawet stupięćdziesięciokrotnie mniejsze niż w otwartej przestrzeni [16]. Przy wyborze standardu sieci istotne jest określenie wymaganej przez docelowe urządzenia prędkości modulacji – wybór szybszej sieci pociąga za sobą konieczność zapewnienia wyższego poziomu mocy a zatem skrócenia dystansu pomiędzy urządzeniami (ze względów normatywnych i prawnych  nie ma możliwości zwiększenia poziomu sygnału poprzez zwiększanie mocy urządzeń pracujących w paśmie ISM ani stosowanie anten o ponadprzeciętnym kierunkowym zysku energetycznym mogącym spowodować przekroczenie dopuszczalnych natężeń pola skupionego w określonym kierunku).

 Do wspomagania inżynierskich prac projektowych opracowano szereg narzędzi pozwalających na częściową  automatyzację i /lub wizualizację wyników. Jednym z przykładowych rozwiązań tego typu może być „Program do pomiaru zasięgu sieci WLAN” opracowany na Politechnice Gdańskiej [16]. Program ten umożliwia dokonywanie analizy rozkładu natężenia pola w pomieszczeniach o definiowalnym kształcie z uwzględnieniem przeszkód o różnym stopniu pochłaniania sygnału (Rys. 7).

Rysunek 7 a. Okno powitalne programu; b. Możliwość określenia kształtu badanego pomieszczenia.

 Oprogramowanie pozwala na szybką i pomocną wizualizację wyników pomiarowych, wprowadzanych na bieżąco do systemu (z wykorzystaniem programu Matlab). Dla zadanej lokalizacji punktu dostępowego oraz kształtu pomieszczenia, a także parametrów przeszkód, obiektywnie występujących w danym środowisku, otrzymujemy szybko wyniki. Pozwalają one na ewentualne korekty w lokalizacji punktu dostępowego w celu zapewnienia stosownego pokrycia i pożądanych parametrów sieci WLAN („gorące i ciepłe” kolory na zaprezentowanym wykresie – Rys. 8).

Rysunek 8 Rozkład natężenia pola wokół przeszkody

 Ważnym aspektem projektowania sieci jest też zapewnienie transmisji na dużym obszarze, gdzie konieczne jest użycie wielu punktów dostępowych. Należy przy takim projektowaniu zastosować teorię sieci komórkowych, niestety w przypadku standardów IEEE 802.11 ograniczeniem jest liczba dostępnym kanałów. W standardzie 802.11b mamy tylko 3 wzajemnie rozłączne kanały. Staje się to istotne, kiedy do pokrycia całego obszaru zasięgiem sieci potrzeba więcej punktów dostępowych niż jest dostępnych kanałów. Wielokrotne użycie tego samego kanału może być przyczyną wzrostu zakłóceń. Należy także zapewnić, by stosunek SNR, sygnału do szumu, na wejściu odbiornika nigdy nie spadł poniżej wartości progowej – czułości odbiornika, poniżej której nie można zapewnić odpowiedniej szybkości (i/lub jakości) transmisji. Pierwszym krokiem przy projektowaniu takiej sieci jest podzielenie przestrzeni na regularne komórki. Najlepsze przybliżenie pokrycia przestrzeni zasięgiem sieci dają sześciokąty (wykorzystywane również w sieciach GSM). Ich środki leżą wówczas w wierzchołkach trójkąta równobocznego. Do takiego podziału należy uwzględnić maksymalny zasięg fali w danym środowisku. W ten sposób możemy ocenić promień koła opisanego na sześciokącie modelującym komórkę sieci. Wyjątkiem od tego podejścia jest sytuacja, kiedy w sieci ma być obsługiwany duży ruch i potrzebna jest większa ilość punktów dostępowych do jego obsługi. Kolejnym etapem jest przypisanie komórkom numerów kanałów. Należy przy tym zadbać, żeby komórki z tym samym kanałem nie stykały się. Ostatnim etapem jest regulacja mocy nadajników, dostosowująca ich prace do pożądanego zasięgu.

5 Przykłady rozwiązań WLAN dla zastosowań przemysłowych

  Najszerzej dostępnymi rozwiązaniami sieci bezprzewodowych dla środowisk przemysłowych są zestawy i komponenty należące do rodziny Wi-Fi, a więc implementacji standardów 802.11 a/b/g/n. Kilku wiodących na rynku producentów oferuje gotowe rozwiązania w wykonaniach zarówno do użytku w pomieszczeniach fabrycznych (odporne na zakłócenia przemysłowe, wibracje, spadki napięć, o konstrukcji mechanicznej umożliwiającej montaż zarówno na szynie TH-35, w szafach automatyki oraz w wolnej przestrzeni) jak i na otwartym terenie (wodoszczelne, pracujące w szerokim zakresie temperatur, odporne na promieniowanie UV oraz udary mechaniczne). Większość producentów oferuje zarówno punkty dostępowe jak i moduły klienckie (konwertery dla magistral Modbus, Profibus, łączy szeregowych RS-232/485, Ethernet i innych), inni zaś specjalizują się w wytwarzaniu przetworników napięcia, prądu bądź częstotliwości lub szeroko stosowanych w automatyce wejść dwustanowych i wyjść tranzystorowych typu otwarty kolektor lub przekaźnikowych. Elementy takie montuje się z łatwością, znaną z szeroko stosowanych sterowników mikroprocesorowych bezpośrednio na szynie montażowej.

Przykładem tego typu rozwiązań mogą być następujące wyroby :

• RLXIB-IH2N – Podwójny punkt dostępowy 802.11n do użytku wewnątrz pomieszczeń [17]. Standardowy moduł, przystosowany do zawieszenia na ścianie bądź stropie, zasilany za pośrednictwem kabla Ethernetowego – tworzący de facto dwie strefy w dwóch zakresach częstotliwości (2,4 i 5GHz) przy użyciu maksymalnie sześciu anten dookólnych lub kierunkowych (podłączanych przez złącza SMA-RP). Trwała metalowa obudowa wyposażona jest w widoczne z daleka kontrolki obrazujące poziom sygnału, stan łącza Ethernet/zasilania i bieżący stan. Moduł dopuszczony jest do montażu w miejscach takich jak zadaszone hale produkcyjne czy magazyny. Punkt ten zapewnia wysoki poziom bezpieczeństwa dzięki zaimplementowanym najnowszym standardom kryptograficznym. Dzięki integracji dwóch punktów dostępowych w jednej obudowie istotnie upraszcza on okablowanie i skraca czas instalacji.
• RLXIB-IH2N-W – Podwójny punkt dostępowy 802.11n do użytku na otwartej przestrzeni [18] – analogicznie wyposażony pod względem funkcjonalnym jak model RLXIB-IH2N dzięki wodoszczelnej obudowie, uszczelnionych złączach antenowych (N) i Ethernetowych i rozszerzonym zakresie temperatur pracy przystosowany jest do pracy w wilgotnych pomieszczeniach i na otwartej przestrzeni.
• RLXIB-ICN – Klient 802.11n wyposażony w 1 port Ethernet i 1 port szeregowy [19]. Urządzenie dostępowe (posiadające funkcje bramy/mostu bądź wirtualnego interfejsu Ethernet) przystosowane do montażu wewnątrz szaf sterowniczych na standardowym wsporniku TH-35. Wyposażony w odłączalne anteny, które za pomocą wsporników i przewodów przedłużających można umieścić w dogodnym miejscu (istotne przy szafach całkowicie metalowych).
• 6303-WA-MBP – Konwerter magistrali Modbus – 802.11b/g [20] – jeden z przedstawicieli rodziny konwerterów – w tym przypadku do montażu wewnątrz szafy sterowniczej na szynie TH-35 wyposażony w złącze magistrali Modbus oraz dodatkowe funkcje pomocne przy diagnozowaniu stanu magistrali. Produkowane są również bliźniacze konwertery do magistral Profibus, Profibus+ i innych.
• ILX34-AENWG – Moduł wejść-wyjść logicznych [21] – tworzący bezpośredni łącznik pomiędzy sygnałami logicznymi, sygnałami z przełączników i czujników a siecią bezprzewodową. Pozwalający równocześnie na sterownie elementów wykonawczych za pośrednictwem wyjść NO/NC przekaźnikowych bądź tranzystorowych. Dzięki niemu możliwe staje się bezprzewodowe załączenie styczników, siłowników, a także odczyt położenia elementów sterujących bądź czujników. Producent gwarantuje bardzo niskie opóźnienia – zbliżone do osiągalnych w przemysłowych sieciach przewodowych. Moduł przewidziany jest do montażu na szynie TH-35 i posiada odłączalną antenę zewnętrzną. Oprócz programowalnych wejść/wyjść w module tym znajduje się port Ethernet.
• RAD-80211-XD-WM – Punt dostępowy 802.11a/b/g w wykonaniu IP54 [22]. Produkt analogiczny do wcześniej opisanego RLXIB-IH2N-W, nie obsługujący jedynie standardu 802.11n (a więc pozbawiony funkcjonalności MIMO). Wydaje się być równie dobrą alternatywą o ile nie ma potrzeby korzystania z maksymalnej prędkości oferowanej przez ten standard. W wielu aplikacjach maksymalna prędkość transmisji na poziomie 54MB/s będzie wystarczająca zwłaszcza w porównaniu z zapotrzebowaniem interfejsów szeregowych (RS-232/422/485) bądź Modbus/Profibus.
• RAD-80211-XD/HP – Moduł dużej mocy 802.11a/b/g do montażu na szynę TH-35 z interfejsem szeregowym i portem Ethernet [23]. Interesujący moduł do zastosowania wewnątrz szaf przemysłowych, w środowiskach o dużym tłumieniu lub pochłanianiu fal elektromagnetycznych. Dzięki zwiększonej mocy sprawdzi się obecności wielu maszyn wielkogabarytowych bądź w halach podzielonych żelbetowym przegrodami.
• RAD-80211-XDB – Standardowy moduł 802.11a/b/g do montażu na szynę TH-35 z interfejsem szeregowym (2 porty) i portem Ethernet [24]. Niezwykle przydatny moduł, pozwalający przyłączyć rozmaite urządzenia wyposażone wyłącznie w port szeregowy (np. do celów konfiguracyjnych lub diagnostycznych) i jednocześnie w sieciowy port Ethernet. Umożliwia on dostęp do konsoli konfiguracyjnej maszyny z dowolnego miejsca, często bez przerywania jej pracy.

 Na rynku można znaleźć również gotowe rozwiązania bazujące na standardzie Bluetooth. Dostępne są punkty dostępowe, analogiczne jak w przypadku punktów dostępowych WiFi, stanowiące most pomiędzy siecią przewodową Ethernet a medium bezprzewodowym. Ograniczona do siedmiu ilość klientów pojedynczego punktu dostępowego narzuciła producentom integrowanie w jednej obudowie wielu interfejsów połączonych wspólnym kontrolerem zarządzającym transmisją. Wśród wielu dostępnych urządzeń na uwagę zasługuje:

Parani MSP-1000 [25] – Przemysłowy punkt dostępowy Bluetooth z portem Ethernet, wyposażony w jeden do czterech modułów radiowych (każdy z oddzielną anteną), obsługujący siedem, czternaście lub dwadzieścia osiem stacji ruchomych w trybie sieci PAN lub wirtualnych portów szeregowych. Specjalnie dla tego punktu producent dedykuje urządzeni klienckie, np. konwerter portu szeregowego typu Parani SD-1000 w całości zabudowany w standardowym wtyku DB-9 oraz moduły Bluetooth przeznaczone do wbudowania (w postaci niewielkiej karty ze złączem do wlutowania).

Rysunek 9 Punkt dostępowy Parani MSP-1000 i moduł kliencki Bluetooth Parani SD-1000 w wykonaniu przemysłowym [22].

 Powyżej opisane moduły to tylko wybrane przykłady z szerokiej gamy modułów dostępnych na rynku w coraz przystępniejszych cenach. Każdy z liczących się producentów posiada w ofercie moduły i osprzęt umożliwiający zbudowanie kompletnej Siecie bezprzewodowej bądź dobudowanie nowego segmentu do istniejącej instalacji.

6 Zakończenie

  Rozwiązania przewodowe i bezprzewodowe mogą obecnie wspierać się i uzupełniać wzajemnie oferując zupełnie nową jakość sterowania i nadzoru w procesach produkcyjnych. Zapewne w większości istniejących instalacji szkielet sieci pozostanie przewodowy a rozwiązania bezprzewodowe pozwolą sięgnąć siecią w dotychczas niedostępne miejsca. W przypadku projektowania nowych instalacji, w pewnych zastosowaniach można już oprzeć się na pełnym wykorzystaniu rozwiązań bezprzewodowych wykorzystując kable Ethernetowe jedynie jako zintegrowany środek transmisji danych i zasilania dla punktów dostępowych – dzięki możliwości dystrybucji zasilania w standardzie Power Over Ethernet. Zdaniem specjalistów z firmy Cisco Systems – lidera w dziedzinie rozwiązań sieciowych, wdrożenie sieci bezprzewodowej w warunkach przemysłowych może być nawet dziesięciokrotnie tańsze od alternatywnego rozwiązania przewodowego, zapewniając jednocześnie łatwość rekonfiguracji topologii i rozbudowę o kolejne węzły bez ponoszenia dodatkowych kosztów [26]. Naturalną, niejako dodatkową, korzyścią płynącą z takiego rozwiązania jest łatwość montażu dodatkowych – np. tymczasowych czujników pomiarowych, również w miejscach do których doprowadzenie kabli byłoby niemożliwe (np. pomiar temperatury elementu znajdującego się w czasie pracy pod wysokim napięciem), czy też tworzenie sieci sensorowych [27].

 Postępujący rozwój standardów sieci bezprzewodowych sprzyja ich popularyzacji w środowisku przemysłowym [28]. Obecnie coraz większy nacisk wywierany jest na zapewnienie bezpieczeństwa transmisji np. 802.11w – Protected Management Frames [11] i niezawodność np. 802.11k – Radio Resource measurements enhancements [12] i 802.11v – Wireless Network management [13]. Szeroko prowadzone są także badania nad rozwinięciem technologii sieci kratowych np. 802.11s – ESS Extended Services Mesh Networking [29], a także wspierania mobilności klienta przemieszczającego się pomiędzy punktami dostępowymi bez utraty ciągłości połączenia 802.11r – Fast Roaming [30] – istotne w przypadku obiektów znajdujących się w ruchu. Wszystkie te rozszerzenia w niedalekiej przyszłości powinny uzupełnić obecne słabości standardów bezprzewodowych i spowodować zwrócenie uwagi projektantów sieci dla przemysłu na korzyści płynące z zastosowania sieci bezprzewodowych [31].

 Warto mieć na względzie, że  obecnie, dzięki coraz większej liczbie udanych wdrożeń, wybierając jedno z kompleksowych rozwiązań proponowanych przez wiodących producentów, można oczekiwać szeroko rozumianego wsparcia. Może ono się objawiać w postaci udostępnienia autorskiego oprogramowania umożliwiającego wstępne zaprojektowanie sieci począwszy od doboru właściwych urządzeń do określonych potrzeb, poprzez ich optymalne rozmieszczenie, skończywszy na przygotowaniu zestawienia wymaganego sprzętu wraz z niezbędnymi akcesoriami bądź też profesjonalnej konsultacji i pomocy w realizacji prac pomiarowych, projektowych i wdrożeniowych.

7 Bibliografia

1. Bartholomew N., Storr A., Rembold U.: CIM: Computeranwendungen in der Produktion. Bonn,  Addison-Wesley GmbH, 1994.
2. IEEE, IEEE Std 802.3™-2005 Standard for Information technology - Telecommunicaions and information exchange between systems Local and metropolitan area networks - Specific Requirements, 2005.
3. http://www.ab.com/networks/wireless/, 2010.
4. Calcaganao R. et al.: Application of Wireless Technologies in Automotive Production Systemes, Torino, Italy, 2006.
5. Gierłowski K., Klajbor T., Woźniak J.: Analiza sieci bezprzewodowych serii IEEE 802.15.x = Bluetooth (BT), UWB i ZigBee - z transmisją wieloetapową. Część I, Przegląd Telekomunikacyjny - Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 10, 2008.
6. Gierłowski K., Klajbor T., Woźniak J.: Analiza sieci bezprzewodowych serii IEEE 802.15.x = Bluetooth (BT), UWB i ZigBee - z transmisją wieloetapową. Część II, Przegląd Telekomunikacyjny - Wiadomości Telekomunikacyjne, nr 11, 2008.
7. B&B Electronics: IEEE 802.11 for Industrial Applications, http://www.bb-elec.com/tech_articles/80211_for_industrial_applications.asp, 2009.
8. , http://www.microcontroller.com/ZigBee_Wireless_Networks_for_Industrial_Systems_-_White_Paper.htm, 2006.
9. Andersson M.: Using Bluetooth in an Industrial Environment, 2000.
10. Matheus K., Wolisz A., Willing A.: Wireless Technology in Industrial Networks, Proceedings of the IEEE, No 6 (June) pp. 1130-1151, 2005.
11. IEEE, Working Documents of IEEE TGw: Amendment To Standard For Information Technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems – Local And Metropolitan Area Networks – Specific requirements, 2007.
12. IEEE, IEEE 802.11k/D7.0: Draft Standard for Information Technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems – Local and Metropolitan Area Networks – Specific requirements, 2007.
13. IEEE, IEEE, Working Documents of IEEE 802.11 TGv: Amendment to Standard for Information Technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems – Local and Metropolitan Networks – Specific requirements, 2007.
14. Gajewski P., Wszelak S.: Technologie bezprzewodowe w sieciach teleinformatycznych, Warszawa: Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2008.
15. Horbatowski P., Krzysztofik W.: Projektowanie sieci bezprzewodowych WLAN i WPAN wewnątrz budynków - modele propagacyjne, Przegląd Telekomunikacyjny - Wiadomości Telekomunikacyjne, no. 7, 2007.
16. Nowicki T.: Metody analizy i zasady projektowania sieci WLAN dla środowiska przemysłowego, Gdańsk, 2009.
17. Prosoft Technology, RLXIB-IH2N 802.11n Dual Industrial Hotspot, Bakersfield, CA, USA, 2010.
18. Prosoft Technology, RLXIB-IH2N-W 802.11n Weatherproof Dual Industrial Hotspot, Bakersfield, CA, USA, 2010.
19. Prosoft Technology, RLXIB-ICN 802.11n Industrial Client, Bakersfield, CA, USA, 2010.
20. Prosoft Technology, 6303-WA-MBP Wireless Modbus Plus Gateway, Bakersfield, CA, USA, 2010.
21. Prosoft Technology, ILX34-AENWG Wireless POINT I/O Adapter, Bakersfield, CA, USA, 2009.
22. Phoenix Contact Ltd., RAD-80211 802.11a/b/g Ethernet Radios with IEEE 802.11i Security, Mississauga, Ontario, 2010.
23. Phoenix Contact Ltd., RAD-80211-XD/HP(-BUS) 802.11 b/g High-Power Ethernet Radio, Misissauga, Ontario, 2010.
24. Phoenix Contact Ltd., FL WLAN 24 AP 802-11 XDB and RAD-80211-XDB 802.11a/b/g Ethernet Radio, Blomberg, 2008.
25. Sena Technologies, Inc., Product Catalogue, San Jose, CA, USA, 2009.
26. Cisco Systems, Cisco Secure Wireless Plant Solution: Wi-Fi-Based Sensor Networking for Industrial Environments, San Jose, CA, USA, 2007.
27. Admiral Microwaves Ltd., CEL ZigBeeTM/802.15.4 Application Brief Data communication path in HVAC Systems utilising wireless ZigBee Modules, Eastcote, Middlesex, UK, 2010.
28. Woźniak J., Gierłowski K., Gierszewski T., Machań P., Mrugalski T., Klajbor T., Orlikowski R.: Postępy w standaryzacji i analiza kierunków rozwoju pakietowych sieci bezprzewodowych, Przegląd Telekomunikacyjny - Wiadomości Telekomunikacyjne, Nr 8-9, 2007.
29. IEEE, IEEE 802.11s/D1.03: Draft Standard for Information Technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems – Local and Metropolitan Area Networks – Specific requirements, 2007.
30. IEEE, IEEE 802.11r/D6.0: Draft Standard for Information Technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems – Local and Metropolitan Area Networks – Specific requirements, 2007.
31. Nowicki K., Gierłowski K.: Wireless Networks as an Infrastructure for Mission-Critical Business Applications, 2007.