TU Wien:Pervasive and Mobile Computing VO (Siegl)/Fragenausarbeitung SS09

Licht im Büroraum, Licht im Privatraum, Automatik oder Schalter oder beides, Anforderungen?

Zuerst muss geklärt werden, wie und wann der Raum oder die Räume genutzt werden. Mit Anwesenheitssensoren und Helligkeitssensoren kann eine automatische Steuerung eingerichtet werden, sodass manuelle Lichtschalter überflüssig werden können. Dadurch können unter Umständen Kosten gespart werden, da Leitungen in der Wand zu den Schaltern entfallen. Nachteil: Bleibt dann noch eine Möglichkeit, um das System manuell zu umgehen? Was ist, wenn ich ausnahmsweise einen Raum dunkel haben will, weil ich einen Beamer mitbringe und einen Film vorführen will?

Anforderungen

• Lichtintensität ist an verschiedenen Plätzen im Raum unterschiedlich (z.B. Nähe zu einem Fenster)
• Art des Raumes bestimmt Beleuchtung (Wohnzimmer wird anders beleuchtet als ein Büroraum)
• ein Generalschalter um das gesamte Licht in einem Bürokomplex abzudrehen kann sehr sinnvoll sein (für die Nachwärterin oder den Portier)
• Energieverbrauch ist im Normalfall kein Argument für ein automatisches Beleuchtungssystem (Energiebedarf für Beleuchtung eines Haushaltes beträgt nur 1%)
• Räume müssen modellierbar sein, z.B. ist ein Schlafzimmer ein Sonderfall, wo Leute anwesend sind, während es dunkel ist

Was versteht man unter einer Spannungsfreischaltung?

Als Spannunsfreischaltung bezeichnet man die Funktion der mechanischen Trennung der Netzspannung nach Abschalten eines Verbrauchers. Anstatt der Wechselspannung von 230 V wird eine Gleichspannung zwischen 3 V und 12 V an der Master-Steckdose eingesetzt. Diese wird benötigt, um ein wieder eingeschaltetes Gerät zu detektieren und die Netzspannung wieder einzuschalten. Damit wird erreicht, dass das elektrische Feld in der Umgebung der Leitung reduziert wird. Dies funktioniert nur mit Geräten, die sich komplett ausschalten lassen.

Welche Eigenschaften und Stati hat eine Türe?

Eine Türe kann verschiedene Zustände einnehmen: entweder sie ist offen oder geschlossen, zusätzlich kann sie noch versperrt bzw. unversperrt sein. Dadurch ergeben sich 4 Zustände: offen/unversperrt, geschlossen/unversperrt, geschlossen/versperrt und offen/versperrt (letzteres wohl eher selten). Bei einer Abbildung als Objekt in einem elektronischen System müssen diese berücksichtigt werden.

Daneben muss es für Fluchttüren noch einen Mechanismus geben, der im Brandfall die Tür auf jeden Fall öffnet (egal ob versperrt oder nicht). RFID-basierte Systeme sollen aber durch die Betätigung solcher Panikbügel nicht beschädigt werden. Außerdem macht es einen großen Unterschied, ob die Tür eine Außentür oder eine Tür innerhalb des Gebäudes darstellt (unter Umständen gelten außen verschärfte Sicherheitsmaßnahmen, z.B. Vereinzelung beim Zutritt).

Wenn die Tür in einem elektronischen System außerdem noch Aufzeichnungen über die Zutritte welcher Personen zu welchen Zeitpunkten führt, dann muss besonderes Augenmerk auf den Datenschutz gelegt werden (z.B. welche Mitarbeiterin wie oft eine Klotür benutzt dürfte äußerst bedenklich sein). Mit solchen Auswertungen können auch Unregelmäßigkeiten (z.B. Diebstahl) rückverfolgt werden (zu welchem Zeitpunkt wurde die Tür geöffnet?)

Frequenzbereiche der RFID Tags? Auswirkungen auf die Distanz?

• Niedrig (30-500 kHz): geringe Reichweite, geringe Datenübertragungsrate, unempfindlich gegenüber Temperatur und Luftfeuchtigkeit
• Mittel (10 – 15 MHz): beliebt: 13,56 MHz; schnelle Datenübertragungsrate, Signalverschlüsselung erlaubt, weil hohe Taktfrequenzen erreicht werden
• Hoch (2.4 - 2.5 GHz): hohe Reichweite, hohe Datenübertragungsrate, sehr teuer

Warum funktioniert RFID in den USA über eine höhere Reichweite?

• ==> mehr Leistung erlaubt

Unterschied passives/aktives RFID Tag? Vorteile, Nachteile?

• Stromversorgung und größere Distanzen, ausgelesene Information kann größer sein bei aktiven, höhere Komplexität, teurer
• Passive: werden von Sendern versorgt, leichter, billiger, geringere Reichweite
• Aktiv: Eigene Energiequelle, schwerer, teurer, höhere Reichweite (z.B. auf Fahrzeugen, die durch Mautsystem erfasst werden)

Welche Informationen enthält ein RFID? Eigenschaften?

• ID: soll global einzigartig sein (Namensräume)
• optionaler Speicher: meist klein, muss effizient genutzt werden, typisch 1KB oder 4KB – aktuell bis 96 KB möglich
• ID alleine: Datenbank notwendig, ansonsten eventuell ohne Datenbank, dadurch ist die Information direkt am Stück, keine Datenbankverbindung notwendig

Unterschied RFID-System und Bar-Code?

• Ausleseform: Sichtkontakt bei Bar-Code; veränderbarer Speicher am RFID-Tag
• Bar-Code immer „aktiv“, RFID reagiert auf Funkkontakt und sendet erst dann die Daten an das Lesegerät
• RFID nicht nur lesbar, sondern auch beschreibbar
• Barcode bezeichnet nur Art eines Produktes, RFID kann viel genauere Daten anzeigen (wann Werk verlassen, Zwischenstopps, …)
• Zusatzfrage: Wird RFID den Barcode ablösen und wenn ja wann?
  • Aus Kostengründen bleibt es oft vorteilhafter, auf Barcodes zurückzugreifen.
  • Aber Smart Tags (so dünn/klein wie Barcodes) werden oft verwendet werden.

Datenhaltung auf RFID-Tags? zentrale Datenbank?

• passive RFIDs haben nur ihre ID gespeichert. (Zusatzinfo in einer Datenbank muss extra festgelegt werden, ID ist maximal der Schlüssel)

Schätzen Sie die Nutzungsdauer von RFID-Systemen anhand von Beispielen ab

• Security, Logistik, Produktionsdaue, welche Kriterien?
• Lebensmittelproduktion: Rinderbetriebe
• Nutzungsübergreifende Verwendung von RFID-Tags noch nicht bekannt
• Verschlüsselung Lebensdauer: 10 Jahre maximale Lebenszeit
• Aktive halten, bis die Batterie leer ist

RFID-Tags in der Tierhaltung und Lebensmittelproduktion bzw. -lagerung?

• RFID-Transponder sind seit den 70er-Jahren auch bei Tieren im Einsatz. So werden Nutz- und Haustiere mit Halsbändern, Ohrmarken oder Implantaten gekennzeichnet. In der Rinderhaltung sind Transponder im Einsatz, die durch eine Identnummer für jedes Tier automatisch eine individuelle und leistungsangepasste Futtergabe und Überwachung ermöglichen. Die fälschungssichere Kennzeichnung dient aber auch der Herkunftssicherung und damit der Seuchen- und Qualitätskontrolle.

Welche Elemente der Authentifizierung kennen Sie?

• Ich habe, ich weiß, ich bin
• z.B.: RFID - Passwort - Biometrie (Iris, Fingerabdruck)

Unterschiede zwischen klassischem (rein mechanisch) und elektronischem Schließsystem?

• elektronisch: eindeutiger Schlüssel und Zylinder, Bewegungsdaten können erfasst werden, Erfassung von versuchten Aktivitäten, Zeitverhalten kann definiert werden, wann ein Schlüssel eine Tür öffnet
• mechanisch: anonymer Schlüssel

Arten der Ausführung des elektronischen Schließsystems?

• Online/Offline Zylinder: Informationen bei Offline Zylinder müssen manuell upgedated werden
• Energieversorgung
• Informationskanal (Funk/Kabel)

Welche Personengruppen sind Benutzer eines Büroraums?

• Büroangestellte, Reinigung, Haustechnik, Feuerwehr, Katastrophenschutz ...

Organisation zu einem elektronischen Schließsystem?

• Eine Organisationseinheit muss die Entscheidungen treffen, wo elektronisches Schließsystem eingesetzt wird, und wo nicht
• Eine weitere Stelle vergibt Rechte (wer darf wann wo hinein?)
• Rohschlüssel müssen verwaltet und beschrieben werden, beschriebene Schlüssel müssen ausgegeben werden.
• Erfasste Daten (z.B fehlgeschlagene Zutritte,...) müssen ausgewertet werden

Warmwasserzirkulationssystem

Um den Komfort im Haushalt zu erhöhen, wird für die Bereitstellung des Warmwassers ein Zirkulationssystem eingesetzt. Dabei wird Wasser automatisch vorgeheizt und in einem Kreislauf gehalten, sodass beim Aufdrehen eines Warmwasserhahns innerhalb kürzester Zeit Warmwasser heraussprudelt. Nachteil: Ist diese Pumpe inklusive Heizung dauerhaft in Betrieb, ergibt sich eine mehr oder weniger starke Energieverschwendung.

Mit einer intelligenten Haustechnik können aber die Zeitpunkte, wann Warmwasser gebraucht wird, so vorhergesagt werden, dass keine unnötigen Leerläufe der Zirkulationspumpe entstehen. Für ein zuverlässiges System sind dazu aber neuronale Netze notwendig, die nach den Verhaltensweisen der HaushaltbewohnerInnen lernen, wann das Wasser gebraucht wird. Es muss eine Zeiteinteilung basierend auf Tagen, Feiertagen, Wochenenden etc. getroffen werden, sodass einerseits möglichst keine Verschwendung entsteht, andererseits aber der Komfort nicht verlorengeht (wenn Warmwasser gebraucht wird, die Zirkulationspumpe aber erst hochgefahren werden muss, dann muss erst recht wieder gewartet werden und das System führt sich selbst ad absurdum). Für die Zeitbestimmung ist irgendeine Form von Uhrensynchronisation notwendig.

Wenn keine Person im Haushalt anwesend ist, dann muss auch die Zirkulationspumpe nicht laufen (Anwesenheit muss allerdings zuverläßig erfassbar sein). Möglichkeit: Nur wenn Leute im Haus sind und nicht schlafen Warmwasserzirkulation einschalten.

Zeitbasis und Zeitsynchronisation, wie und warum?

• Woher wird die Zeit genommen, wie genau muss sie sein? Information über Feiertage? Berechnung dieser (eventuell komplex auf Mikrokontrollern) oder Abfrage?
• Funkuhr DCF77 oder alternativ GPS
• Internet: NTP oder Stratum

Bedarf an elektrischer Energie eines Verbrauchers aus Sicht des Verbrauchers und des Energieversorgers?

• Verbrauch: Grundlast plus Schwankungen in einer Periode (Woche, Monat, Jahr etc.)
• Versorger: Spitzenlasten abschätzen und aufteilen, wo können Kosten entstehen? Variante: Heizung und Aufzug koordinieren sich, bzw. ganze Wohneinheiten

Unintelligente und intelligente Sensoren?

• Für die Ablieferung eines Schwellwert muss ein Sensor programmierbar sein
• Intelligente Sensoren brauchen auch eine Konfigurationsschnittstelle
• Intelligente Sensoren nehmen komplexe Signalverarbeitungsschritte (Selbstkalibrierung..) vor
• Beispiel Bilderkennungssensor: Herkömmliche unintelligente Bilderkennungssensoren (reine Kameraoptik und -Mechanik mit CCD- oder CMOS- Sensor) erfassen nur das Bild und senden diese Rohdaten analog oder digitalisiert an einen dafür mit geeigneter Schnittstelle ausgestatteten Computer zur weiteren Bildverarbeitung, wie etwa Kantenextraktion und andere Klassifikationen, ... . Erst im externen entfernten Rechner wird durch Mustererkennung und andere Bilderkennungsschritte entschieden, ob z.B. das inspizierte Muster die Anforderungen erfüllt oder aussortiert wird. Dagegen genügt bei einem intelligenten Bilderkennungssensor allein die zusätzlich zur reinen Kamerafunktion integrierte Rechentechnik (Hardware und Software), um das erfasste Objekt komplett anhand der geforderten Eigenschaften in Echtzeit sofort an Ort und Stelle zu bewerten und das Ergebnis so aufbereitet zur Verfügung zu stellen

Was ist unter einer Hysterese zu verstehen?

• Hysterese: es gibt einen oberen und unteren Schwellwert, damit ein Sensor nicht schnell ein- und ausschaltet
• Nachteil: Unschärfe beim Feststellen des aktuellen Bereiches
• Durch sie kommt es bei elektronischen digitalen Sensoren zu einem Rauschen (A/D-Wandler)

Detailinformationen eines vollständigen Messwerts?

• Was bedeutet FS (full scale)? Full scale ist der maximal repräsentierbare Wert eines Signals.
• Einheit + Anzahl Dezimalstellen, Messunsicherheit, Gültigkeit, Offset (absoluter Fehler, kann manuell nachjustiert werden), Skala, Messzeit, Messort

Übertragungsarten der Messwertinformation?

• Bringschuld (Trap) vs. Holschuld (Poll)
• Trap (asynchron): Sensor meldet sich bei Bedarf; Zentraler Rechner muss Nachrichten zeitgerecht annehmen ==> Überlastung möglich
• Poll: Information wird geholt wenn Ressourcen zum Verarbeiten vorhanden sind

CAN Bus?

• Controller Area Network Bus: Asynchrones, serielles Bussystem
• Funktioniert mit Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution (CSMA/CR). Bei CSMA/CR werden Kollisionen durch Bitarbitrierung vermieden. Dadurch wird erreicht, dass am Ende einer jeden Arbitrierungsphase lediglich der Teilnehmer, der über die höchste Nachrichtenpriorität verfügt, das Medium belegt. Kollisionen führen dabei nicht für alle Teilnehmer zu einer Verzögerung der weiteren Kommunikation.
• Es wird zwischen einem Highspeed- und einem Lowspeed-Bus unterschieden. Bei einem Highspeed-Bus beträgt die maximale Datenübertragungsrate 1 Mbit/s, bei Lowspeed 125 kbit/s.
• Die maximale Teilnehmeranzahl auf physikalischer Ebene hängt von den verwendeten Bustreiberbausteinen (Transceiver, physikalische Anschaltung an den Bus) ab. Mit gängigen Bausteinen sind 32, 64 oder bis zu 110 (mit Einschränkungen bis zu 128) Teilnehmer pro Leitung möglich
• Nachrichten haben Adresse nicht die Stationen

I²C Bus?

• I²C für Inter-Integrated Circuit ist ein serieller Datebus.
• I²C benötigt zwei Signalleitungen: Takt (engl. serial clock line, SCL) und Datenleitung (engl. serial data line, SDA). Der Beginn einer Übertragung wird mit dem Start Signal vom Master angezeigt, dann folgt die Adresse des Slave. Diese wird durch das ACK-Bit vom entsprechenden Slave bestätigt. Abhängig vom R/W-Bit werden nun Daten Byte-weise geschrieben (Daten an Slave) oder gelesen (Daten vom Slave). Das ACK beim Schreiben wird vom Slave gesendet und beim Lesen vom Master. Das letzte Byte eines Lesezugriffs wird vom Master mit einem NAK quittiert, um das Ende der Übertragung anzuzeigen. Eine Übertragung wird durch das Stop-Signal beendet; oder es wird ein Repeated Start am Beginn einer erneuten Übertragung gesendet, ohne die vorhergehende Übertragung mit einem Stop-Signal zu beenden.
• Standard-Mode: 100 kbit/s; Fast Mode 400kbit; Fast Mode Plus: 1 Mbit
• Eine Standard-I²C-Adresse ist das erste vom Master gesendete Byte, wobei die ersten sieben Bit die eigentliche Adresse darstellen und das achte Bit (R/W-Bit) die Lese- oder Schreibrichtung festlegt. I²C nutzt daher einen Adressraum von 7 Bit, was bis zu 112 Knoten auf einem Bus erlaubt (16 der 128 möglichen Adressen sind für Sonderzwecke reserviert).

Wann kann RS232 Kanal eingesetzt werden?

• Serielle Punkt zu Punkt Übertragung; z.B. Mainframes und Text-Terminals durch PtP-Verbindungen über die Telefonleitung.

Wann RS485?

• Bus –Verbindung; mehrere Teilnehmer gleichzeitig
• Mögliche Distanz höher als bei RS232
• bis zu 32 Teilnehmer
• bis zu 1200m Reichweite
• bis zu 10 Mbit/s

Auf welche Arten kann Temperatur gemessen werden?

• Thermostat
• Sensoren mit digitaler Aufbereitung und Busverbindung (z.B I²C Bus)
• Temperatursensor: Heißleiter, Kaltleiter (PT100, PT1000) – der elektrische Widerstand eines Metalls verändert sich mit der Temperatur; Nachteil: wenn die Leitung zum Sensor lang ist, können leicht Störungen auftreten (Messstrom muss größer sein)
• 4-Drahttechnik: Auflösung und Genauigkeit wird höher, weil Spannung am temperaturabhängigen Widerstand separat gemessen wird

Welche analoge Industrieschnittstelle gibt es?

• 0-20mA Schnittstelle
• Sensor steuert seinen eigenen Widerstand, sodass egal bei welcher Spannung bei maximalem Sensorwert 20mA Strom fließen.
• bei unterer Sensorwertgröße wird der Widerstand unendlich ==> 0mA
• Nachteil: Unterschied zu Leitungsbruch bei 0mA ist nicht feststellbar; Abhilfe: 4-20mA

Hierbei wird die untere Sensorwertgröße mit 4mA representiert.

• Vorteil: störunempfindlicher, weil Leitungswiderstand keinen Einfluss hat

Welche Stati hat ein Schaltvorgang? Wie sollte das Software-seitig implementiert werden?

In den meisten Fällen ist ein Schaltvorgang kein einfacher Ablauf, der durch ein Boolean Status Bit modelliert werden kann. Wir hatten das Beispiel mit der Oberlichte (der obere Teil eines Fenster im Hörsaal), das automatisch geöffnet bzw. geschlossen werden sollte. Der Schaltvorgang stellt sich beim Schließen dann so dar:

• Fenster ist offen, Motor läuft an
• Fenster bewegt sich, Motor läuft auch Hochtouren
• Fenster kommt dem geschlossenen Zustand nahe, Motor verlangsamt (damit das Fenster nicht mit voller Geschwindigkeit in die Fassung kracht)
• Fenster ist geschlossen, Motor schaltet sich ab

Damit haben wir hier schon mal 4 Zustände, die beim Schließen auftreten können. Wenn unvorhergesehene Ereignisse eintreten (z.B. ein Ast eines Baumes kommt in die Fensteröffnung und blockiert das Schließen), dann kann das System besser reagieren, weil es mehr Informationen über den aktuellen Zustand zur Verfügung hat. Würde der Schaltvorgang nur durch 2 Zustände modelliert werden (Fenster offen oder geschlossen), dann würde in diesem Beispiel mit dem Ast ein undefinierter Zwischenzustand entstehen, der gravierende Auswirkungen auf das System haben kann.

802.15.1 und 802.15.4 - Funkkommunikation, wann einsetzbar, welche Gruppe, was geht damit nicht?

• 802.15.1 = Bluetooth 1.2 (Funkvernetzung von Geräten über kurze Distanz); Frequency-Hopping bei Bluetooth; Reichweite: Bluetooth ist eine Nahfeldverbindung (1-10 Meter) ==> geringere Leistung (batteriebetriebene Geräte!)
• 802.15.4 = geringe Übertragungsraten (Fernbedienungen, Sensoren)

Antenneneigenschaften

• Richtcharakteristik: Rundstrahl (kugelförmig) oder gerichtet (hängt von der Bauweise ab)
• Polarisation : horizontal oder vertikal (Sender/Empfänger sollen gleich polarisiert sein, sonst sehr große Dämpfung)
• Abstimmung und Auslöschung (durch reflektierende Wände). WLAN verwendet mehrere Antennen, falls auf einer keine Verbindung, wird andere verwendet  keine Auslöschung möglich

ISM was ist das?

• Industrial, Scientific and Medical Band.
• Bezeichnet einen Frequenzbereich bei dem den keine staatliche Zulassung notwendig ist, um Geräte in diesem Band zu betreiben
• Sehr häufig genutzt: 433 MHz (Funk-Thermometer, Funk-Lautsprecher, Funk-Alarmanlagen etc.)
• 2,4 GHz (Mikrowellenherde, Bluetooth..)