Wireless Process Control using IEEE 802.15.4 Protocol

Abstract

Català:: Considerant els beneficis potencials de les xarxes sense fils de sensors (WSNs), s'estan convertint en una interessant tecnologia tant per processos com per al control industrial així com per xarxes intel·ligents. Aquestes aplicacions motiven altres companyies, comunitats industrials i a universitats a centrar la investigació en aquesta direcció. El IEEE 802.15.4 és un estàndard proposat per ser utilitzat en comunicacions de baix consum energètic on les WSNs formen part. Malgrat l'existència de moltes implementacions d'aquests estàndard per el nostre sistema operatiu, TinyOS, no estan completament validats o no existeix un anàlisi suficient del rendiment de l'estàndard en una implementació real. En aquest projecte, es compara dues implementacions a través de diferents experiments per comprovar la validesa de les implementacions. Però la implementació seleccionada no incorpora el mecanisme de Guaranteed Time Slots (GTSs), es per això, que en aquest projecte es proporcionen tots els mecanismes necessaris per transmetre durant el Contention-Free Period (CFP): assignació, expiració, reassignació i deassignació. D'aquesta manera proporcionem la implementació del IEEE 802.15.4 amb una completa avaluació del rendiment amb la qual el correcte funcionament queda validat. Degut a que no existien resultats pràctics sobre l'ús d'aquest protocol per aplicacions de control, presentem un pendol invertit per mostrar els beneficis del control sense fils de processos utilitzant el IEEE 802.15.4 en un llaç de control. Els resultats experimentals mostren les pèrdues de paquets i retards, factors determinants per garantir l'estabilitat del sistema. D'altra banda, també demostrem i analitzem els beneficis d'aquest protocol aplicat a una xarxa intel·ligent (Smart Grid).

Castellano: Considerando los potenciales beneficios de las redes inalámbricas de sensores (WSN), se están convirtiendo en una interesante tecnología para procesos, producción, y el control industrial así como para redes inteligentes. Estas aplicaciones motivan a otras compañías, comunidades industriales y a las universidades a centrar la investigación en esta dirección. El IEEE 802.15.4 es un estándar propuesto para ser utilizado en comunicaciones de bajo consumo donde las WSNs forman parte. A pesar de que existen muchas implementaciones de dicho estándar para el sistema operativo seleccionado, TinyOS, no están completamente validadas o completamente implementadas. Además, a pesar de la existencia de estudios que utilizan este protocolo, no hay un análisis suficiente del rendimiento de este estándar en una implementación real. En este proyecto, se comparan dos implementaciones a través de diferentes experimentos para comprobar la validez de dichas implementaciones. Debido al hecho de la implementación seleccionada no incluye el mecanismo Guaranteed Time Slots (GTSs), en este proyecto se proporcionan todos los mecanismo necesarios para transmitir durante el Contention-Free Period (CFP): asignación, expiación, re-asignación y de-asignación. De esta manera, proporcionamos la implementación del IEEE 802.15.4 con una completa evaluación del rendimiento con el cual su correcto comportamiento queda validado. Debido a que no existían resultados prácticos del uso de este protocolo para aplicaciones de control, presentamos un péndulo invertido para mostrar también los beneficios del control inalámbrico de procesos utilizando el IEEE 802.15.4 en un lazo de control. Los resultados experimentales muestran las perdidas de paquetes y retrasos, factores determinantes para garantizar la estabilidad del sistema. Además, demostramos y analizamos los beneficios de este protocolo aplicado a una red inteligente (Smart Grid).

English: Considering the potential benefits offered by Wireless Sensor Networks (WSNs), they have been becoming an interesting technology for process, manufacturing, and industrial control and Smart Grid applications. These applications motivate many companies, industrial communities and academy to focus and research in this direction. The IEEE 802.15.4 is the standard proposed to be use in low-power communication of which WSN is part. Even though there are many implementations of the standard for the selected operating system, TinyOS, they are not fully validated or fully implemented. Moreover, in spite of the existence of previous studies using the protocol, there is no sufficient analysis of the performance of this standard. In this thesis, a comparison between the two main implementations is done through the experiments to validate the feasibility of the implementations. Because of the fact that the selected implementation does not have the Guaranteed Time Slots (GTSs) mechanism developed, in this thesis are provided all the mechanisms necessary to transmit during the Contention-Free Period (CFP): allocation, expiration, reallocation and deallocation. Hence, a IEEE 802.15.4 implementation is provided with a comprehensive evaluation with which the behaviour is proven. The implementation is validated in terms of packet delivery rate and delay for different network configurations and different parameters. Owing to no practical results for the use of this protocol in control applications, a inverted pendulum process is introduced to show the benefits in wireless process control by using the IEEE 802.15.4 in a real-time control loop process. The extensive experimental results show that packets losses and delays are the essential factors to guarantee the stability of the system. Furthermore, we also demonstrate and analyse the benefits of using this protocol in a Home Smart Grid setup.