Wireless routing in new generation lighting systems : implementation of a wireless routing protocol for low-cost systems in building automation

Abstract

Drahtlose Kommunikation ist ein wichtiges Themengebiet geworden.<br />Sowohl Forschung als auch Industrie zeigen großes Interesse daran und ganz besonders im Bereich Gebäudeautomation gibt es bereits einen regen Wettbewerb. Die Preise von drahtlosen Produkten sind aus diesem Grund ein wichtiger Faktor, um in diesem Marktsegment erfolgreich zu sein. Ein Ansatz, um die Preise von solchen Produkten zu reduzieren, ist der Einsatz von kostengünstigen Komponenten. In dieser Diplomarbeit werden die Probleme behandelt, die durch die Verwendung von günstigen Mikrocontrollern in drahtlosen Beleuchtungssystemen entstehen. Aufgrund des begrenzten Speichers solcher Komponenten ist es nicht möglich komplexe Kommunikationsprotokolle zu verwenden. Für drahtlose Beleuchtungssysteme ist das auch nicht notwendig, weil das Netzwerk sehr statisch und auch das Datenaufkommen gering ist. Ziel ist es anhand eines praktischen Beispiels zu zeigen, dass auch günstige Mikrocontroller für solche Anwendungen geeignet sind und es mit ihnen möglich ist eine robuste drahtlose Kommunikation zu entwickeln. Der Schwerpunkt bei dieser Untersuchung liegt dabei auf dem Routing in Netzwerken. Die Herausforderung ist die Entwicklung einer Netzwerkschicht, die eine effiziente Kommunikation für Mikrocontroller mit begrenztem Speicher bietet. Um das zu erreichen, werden existierende Protokolle analysiert und auf die Begrenzungen von kostengünstigen Mikrokontrollern abgestimmt. Zusätzlich sollen effiziente und einfache Methoden der Lastenverteilung und Ansätze gegen Schleifenbildungen in Netzwerken die gesamte Leistung verbessern. Die entwickelte Applikations- und Netzwerksschicht benötigt nur 11 Kilobyte Programmspeicher und rund 0,5 Kilobyte Arbeitsspeicher. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind nicht nur auf Beleuchtungssysteme begrenzt, sondern sind überall dort von nutzen, wo kostengünstige Mikrocontroller für drahtlose Kommunikation verwendet werden.<br />

Wireless communication has become an interesting and important topic nowadays. Both research and industry already started to focus on it and in building automation there is already a keen competition between companies. The prices of wireless products are therefore a relevant factor to be successful in this market segment. One approach to cut the prices of wireless products down is to use low-cost hardware components. This master thesis aims this matter by discussing the problems that can occur by using low-cost microcontrollers in wireless lighting systems. A big issue of such components is the limited memory capacity. So, they are not able to host a complex communication protocol. In case of wireless lighting systems this is not needed because the network is highly static and the data traffic is very low.<br />The goal is to show on a practical example that such microcontrollers are suitable to be used in wireless lighting systems and that even with limited memory a robust wireless communication is possible. The main focus in this document is routing in meshed networks. The big challenge is to develop a network layer that provides an efficient communication through the whole network and additionally copes with the limited capacity of the hardware. To archive this, existing state of the art communication protocols and routing techniques will be analyzed and adapted to the requirements of low-cost microcontrollers. In addition, efficient and simple techniques of load balancing and routing loop protection will be discussed to increase the performance in the network.<br />The implemented application layer and network layer only need 11 kbyte of program memory and about 0.5 kbyte of volatile working memory to provide a robust wireless communication in meshed networks. The result of this research is not only limited to lighting systems but can also be used in other fields of application, where low-cost microcontrollers are needed to provide wireless communication.