Ausgabe 27, September 2000

Drahtloses LAN

Aufbau eines sternförmigen Netzwerkes
Von Michael Aust


Da es bei Modul-Bus regelmäßig Anfragen für eine drahtlose Datenübertragung im Labor-Unterricht gab und der Autor selbst sich mit Infrarot-Datenübertragung beschäftigte, begann man die Suche nach einem geeignetem System mit folgenden Eigenschaften:

Aufgabe dieses Systems sollte ist es, Daten von ein oder mehreren Messgeräten via Infrarot zu einem zentralen PC zu senden. Aber auch eine drahtlose Steuerung mittels SIOS oder anderer Module sind denkbare Einsatzgebiete für ein solches System. Man benötigte somit ein universellen LAN (local area network), für den Aufbau eines drahtlosen Datenbusses.

Die erfolglose Recherche für ein solches System bildete die Grundlage für eine eigene Entwicklung. In diesem Artikel werden die Konzeption, der Aufbau und die Leistungsmerkmale beschreiben.

Dieses System besteht aus einem zentralen Empfangsmodul Namens Ir-Knot und einem oder mehreren Modulen mit dem Namen IrCell. Das Netzwerk besitzt eine sternförmige Topologie. Dabei bildet der Ir-Knot den räumlichen Sternpunkt und wird direkt an einen zentralen PC angeschlossen. Die IrCell wird über die RS-232-Schnitt-stelle mit dem zu überwachenden Messgerät verbunden

Das Besondere an diesem Übertragungssystem ist der Ablauf der Datenübertragung.

Möchte der Nutzer lediglich Information von einzelnen Messgeräten (oder anderen techn. Einrichtungen) regelmäßig über einen zentralen PC drahtlos erfassen, so lässt sich ein sogenannter “Collection-mode“ programmieren.

In dieser Betriebsart wird das Messgerät regelmäßig über die Schnittstelle von der IrCell abgefragt. Die so erhaltenen Daten werden (optional) komprimiert und in sehr kleine Datenpakete von der IrCell zum IrKnot gesendet. Die ankommenden Datenpakete gelangen zum PC, der diese entsprechend prüft und weiterverarbeitet.

Natürlich ist es möglich, eine Vielzahl von Messgeräten gleichzeitig zu überwachen. Geht man davon aus, dass 10 technische Einrichtungen auf diese Weise abgefragt werden und die angeschlossenen IrCellen einmal pro Sekunde, ein Datenpaket mit einer Sendezeitdauer von max. 1 ms an den IrKnot stochastisch versenden, so wird im Durchschnitt nur jedes 22. Datenpaket auf Grund von gleicher Sendezeit von mehr als einer IrCell nicht korrekt empfangen.

Die Verwendung des IrDA-Standards ermöglicht eine sehr hohe Datenübertragungsrate von bis zu 4 Mb/s. Das heißt, ein Datenpaket mit einer Sendedauer von 1 ms kann den Informationsgehalt von 4000 Bits enthalten.

Da die Daten durch den “Collection-mode“ nur von der IrCell zum IrKnot gesendet werden, ist hardwaremäßig nur der Aufbau einer unidirektionalen Kommunikationsstrecke erforderlich. Somit ist lediglich ein IrKnot mit einer Empfangseinheit notwendig, und die verwendeten IrCell benötigt nur eine Sendeeinheit.

Die Abbildung verdeutlicht den Aufbau der Kommunikationsstrecken zwischen dem IrKnot und den einzelnen IrCell.

Ist eine zeitlich geordnete und bidirektionale Kommunikation erforderlich, wird programmtechnisch der “Polling-mode“ implementiert. Bei dieser Betriebsart kann jede IrCell gezielt vom IrKnot angesprochen werden. Sie erhält die aktuellen Daten vom zentralen PC und sendet eine Antwort mit seinem aktuellen Datensatz zurück. Dafür kann der IrKnot, entsprechend den räumlichen Gegebenheiten, um eine zusätzliche Sendeeinheit und die IrCell um eine Empfangseinheit erweitert werden.

Diese zusätzliche Sendeeinheit besteht aus Infrarot-LEDs mit Verstärkerschaltungen, auf die der IrKnot aufgesteckt wird. Für einen eingeschränkten Sendewinkel von ca. 60° ist die zusätzliche Sendeeinheit nicht erforderlich. Hierfür reicht es aus, dass die Leiterplatte des IrKnot mit 4 zusätzlichen Infrarot-LEDs bestückt wird. Generell besitzt der IrKnot einen Empfangswinkel von 140° bei gleichbleibender Empfindlichkeit.

Optional kann der in jeder IrCell enthaltene Mikrocontroller für zusätzliche Steuerungsaufgaben parallel zur Datenkommunikation genutzt werden. Der Autor arbeitet zur Zeit an einem Ergänzungsmodul, mit dem es möglich ist, die IrCell zu einer kompakten Steuerung zu erweitern.

Unter Einsatz von spezieller Optik können derzeit Entfernungen von bis zu 20 Metern zwischen IrCell und IrKnot überbrückt werden.

Die Abbildungen zeigen den Aufbau von IrCell und IrKnot mit zusätzlicher Sendeeinheit.

Ist eine zeitlich geordnete und bidirektionale Kommunikation erforderlich, wird programmtechnisch der “Polling-mode“ implementiert. Bei dieser Betriebsart kann jede IrCell gezielt vom IrKnot angesprochen werden. Sie erhält die aktuellen Daten vom zentralen PC und sendet eine Antwort mit seinem aktuellen Datensatz zurück. Dafür kann der IrKnot, entsprechend den räumlichen Gegebenheiten, um eine zusätzliche Sendeeinheit und die IrCell um eine Empfangseinheit erweitert werden.

Diese zusätzliche Sendeeinheit besteht aus Infrarot-LEDs mit Verstärkerschaltungen, auf die der IrKnot aufgesteckt wird. Für einen eingeschränkten Sendewinkel von ca. 60° ist die zusätzliche Sendeeinheit nicht erforderlich. Hierfür reicht es aus, dass die Leiterplatte des IrKnot mit 4 zusätzlichen Infrarot-LEDs bestückt wird. Generell besitzt der IrKnot einen Empfangswinkel von 140° bei gleichbleibender Empfindlichkeit.

Optional kann der in jeder IrCell enthaltene Mikrocontroller für zusätzliche Steuerungsaufgaben parallel zur Datenkommunikation genutzt werden. Der Autor arbeitet zur Zeit an einem Ergänzungsmodul, mit dem es möglich ist, die IrCell zu einer kompakten Steuerung zu erweitern.

Unter Einsatz von spezieller Optik können derzeit Entfernungen von bis zu 20 Metern zwischen IrCell und IrKnot überbrückt werden.

Die Abbildungen zeigen den Aufbau von IrCell und IrKnot mit zusätzlicher Sendeeinheit.

Schematischer Aufbau des IrKnot mit zusätzlicher Sendeeinheit

Die komplette Elektronik einer IrCell und des IrKnot ist auf einer ca. 102x54 mm großen Leiterplatte aufgebaut und in einem infrarotdurchlässigen Gehäuse, mit den Abmaßen (l/b/h) 142x56x24 mm untergebracht. Beide Geräte können wahlweise mit einer 9V-Batterie oder mit einem externen 12V-Netzteil arbeiten. Abhängig vom PC kann die Betriebsspannung für den IrKnot, allerdings nur für den Colletion-mode, aus der Schnittstelle gewonnen werden.


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