Εισαγωγή κινητικότητας στο πρότυπο WirelessHART Introduction of Mobility in the WirelessHART Standard

Περιέχει βιβλιογραφικές παραπομπές.Τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές, για παρακολούθηση και έλεγχο στις βιομηχανίες διεργασιών, όπως είναι εργοστάσια, διυλιστήρια, πλατφόρμες εξόρυξης πετρελαίου, χημικές βιομηχανίες, βιομηχανικές αποθήκες, πετροχημικά. Το πρότυπο WirelessHART, επιτρέπει την ενδο-βιομηχανική επικοινωνία και αποτελεί εξέλιξη του παλαιότερου ενσύρματου προτύπου HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol). Το WirelessHART, παρέχει τη δυνατότητα ασύρματης τεχνολογίας, η οποία είναι πιο ευέλικτη, με χαμηλό κόστος, χωρίς να έχει τους περιορισμούς των καλωδίων. Ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων (WSN Wireless Sensor Network), γενικά, αποτελείται από ένα πλήθος ασύρματων συσκευών αισθητήρων, χαμηλού κόστους, διασκορπισμένων σε μια περιοχή, που ονομάζεται «πεδίο». Στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις, οι αισθητήρες συνήθως είναι ενσωματωμένοι σε έξυπνα όργανα μέτρησης που χρησιμοποιούνται για παρακολούθηση φυσικών μεγεθών, όπως είναι η θερμοκρασία, η πίεση, η σύνθεση αερίων, η ροή ρευστών, το ιξώδες ή άλλες μεταβλητές περιβάλλοντος, ενώ οι τιμές των μετρήσεων, αποθηκεύονται τοπικά στη μνήμη των έξυπνων οργάνων. Τα όργανα αυτά, λέγονται «συσκευές πεδίου» και σχηματίζουν ένα ασύρματο δίκτυο αισθητήρων σε τοπολογία πλέγματος (mesh). Τα δεδομένα μετρήσεων, συγκεντρώνονται από τους αισθητήρες και προωθούνται, μέσω του ασύρματου δικτύου WirelessHART, σε μία κεντρική συσκευή ελέγχου, που ονομάζεται Πύλη (gateway) και έχει το ρόλο της κύριας συσκευής (master), ενώ οι συσκευές πεδίου είναι οι εξαρτώμενες συσκευές (slaves). Μέσω της Πύλης, τα δεδομένα μπορούν να αποσταλούν και σε άλλα δίκτυα της βιομηχανικής εγκατάστασης, για περισσότερη επεξεργασία και αξιοποίηση τους. Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζεται μία γενική θεώρηση των τεχνολογιών HART και WirelessHART, καθώς επίσης παρουσιάζονται και άλλα θέματα, σχετικά με τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων. Επειδή στο πρότυπο WirelessHART οι κόμβοι είναι στατικοί, εξετάζεται η πιθανότητα ενσωμάτωσης κινητών κόμβων. Η εισαγωγή κινητικότητας παρουσιάζει προκλήσεις, όπως είναι η εξάντληση της ενέργειας των κόμβων και η καθυστέρηση μετάδοσης δεδομένων από τους κόμβους αισθητήρες στην Πύλη. Θεωρήσαμε ένα πιθανό σενάριο εφαρμογής δύο δικτύων WirelessHART σε ένα διυλιστήριο, για να εξεταστεί η δυνατότητα να ενσωματωθούν οι κινητοί κόμβοι αισθητήρες στους εργάτες που κινούνται στο χώρο 2 δεξαμενών του διυλιστηρίου, όπου υπάρχουν επικίνδυνα αέρια και τοξικές ουσίες, ώστε αν κινδυνέψει ένας εργάτης, να ενεργοποιηθούν κατάλληλοι συναγερμοί ασφαλείας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι υπάρχουν ακόμη περιθώρια βελτιώσεων, μέχρι να φτάσουμε στον τελικό στόχο.Wireless Sensor Networks (WSN) are deployed in industrial applications, for monitoring and control in Process Industries, such as factories, refineries, oil drilling platforms, chemical plants, industrial warehouses, petrochemicals. WirelessHART standard, allows intra-industrial communications, and is an evolution of the older wired HART (Highway Addressable Remote Transducer Protocol). WirelessHART is enabling wireless technology, which is more flexible, low cost, without constraints of cables. A Wireless Sensor Network (WSN), in general, consists of a number of low cost wireless sensor devices, dispersed in an area, which is called “field”. In industrial plants, sensors are usually embedded in the smart instruments, deployed for monitoring physical quantities, such as temperature, pressure, gas composition, fluids’ flow, viscosity or other environmental variables, and the measurement values are stored locally, in the memory of the smart instruments. These smart instruments are called “field devices”, and form a wireless sensor network, in mesh topology. Measurement data, are collected from sensors, and forwarded via the WirelessHART network, to a central controller device, called a “Gateway”, which is the master device, while field devices are the slave devices. Through the Gateway, data can be sent to other industrial plant networks, for further processing and recovery. In this thesis, an overview of HART and WirelessHART standards is presented, as well as other issues related to wireless sensor networks. Since nodes are static in WirelessHART standard, we consider the possibility of incorporating mobile nodes. Introduction of mobility has challenges, such as depletion of nodal energy, and data transmission delay while sending sensor data to the Gateway. We considered a possible application scenario, of deploying two WirelessHART networks into a refinery, to examine the possibility to integrate mobile sensor nodes to workers who move between 2 tanks in a tank area of a refinery, where hazardous gases and toxic substances exist, so, if a worker is in danger, the proper security alarms should be activated. The results show that there is still room for improvement, until we reach the ultimate goal