Projects

Im Rahmen des übergeordneten Verbundprojekts ZESAN wurden Lösungen für große, energieautarke, selbstorganisierende, drahtlose Sensor-/Aktornetze entwickelt, die die für die jeweilige Anwendungsdomäne relevanten Anforderungen erfüllen können. Konkrete Projektziele waren: • Eine möglichst lange Lebensdauer der energieautarken Knoten (8-12 Jahre, je nach Anwendungsgebiet). • Eine möglichst zuverlässige Kommunikation mit niedrigen Bitfehlerraten und – zumindest für kritische Daten wie Alarme - sehr kurzen Latenzzeiten bei der Ende-zu-Ende-Übertragung. • Eine Identifikation von Synergien zwischen den einzelnen Anwendungen. • Eine Untersuchung zur Integration solcher Lösungen in bestehende Automatisierungs- und Überwachungssysteme und zu möglichen Migrations-Szenarien. Im Fokus standen innovative MIMO-Lösungen, eine effiziente Netzkodierung, Lösungen zur Selbstoptimierung und zum Selbstmanagement, sowie eine angemessene Sicherheitsarchitektur, die die Übertragung von Sensor-/Aktor-Daten schützt und die Funktionalität des Sensornetzwerks auch bei versuchten Angriffen gewährleistet. Die Lösungen wurden in einem Demonstrator implementiert. Das Teilvorhaben IMTEK: Die Anforderungen an zuverlässige, energieeffiziente, drahtlose und einfach zu installierende Sensor/-Aktornetze können mit heutigen Technologien nur in Teilaspekten erfüllt werden, da solche Systeme bislang von der Lebensdauer einer Batterie abhängig sind. Im hier beantragten Teilvorhaben EnHa-Weck sollen wichtige Beiträge für die Erfüllung der Verbundprojektziele geleistet werden. Das erste Hauptziel des Teilvor-habens ist die Bereitstellung einer zuverlässigen Energy-Harvesting-Technologie zur batterielosen Energieversorgung von energieautarken drahtlosen Sensor-/Aktorknoten. Je nach Applikationsort und Einsatzbedingungen der Sensor-/Aktorknoten könnten hierbei Solarwandler, Thermowandler oder Vibrationsgeneratoren zum Einsatz kommen. Es werden jedoch alle derzeit und in naher Zukunft verfügbaren Mikro-Energy-Harvest Technologien auf ihre Eignung zur zuverlässigen Energieversorgung autarker drahtloser Sensor-/Aktornetzwerke für die im Hauptantrag geschilderten Szenarios Gebäudeautomatisierung, Prozessautomatisierung und Anlagenüberwachung untersucht. Das Energiemanagement des autarken Sensor-/Aktorknotens muss dabei zum einen an den Energiewandler selbst, einem Energiezwischenspeicher aber auch an die energieverbrauchende Applikation des Sensor-/Aktorknotens angepasst werden. Der Energieverbrauch des Sensor-/Aktorknotens kann deutlich gesenkt werden, wenn der Sensorknoten zwischen den jeweiligen aktiven Phasen in einen sogenannten Sleep-Modus versetzt wird. In solch einem Sleep-Modus werden nahezu alle Funktionen wie z. B. die Empfangsbereitschaft, stillgelegt. Um dennoch ein Echtzeitverhalten des Sensor-/Aktornetzwerks zu gewährleisten, sind effiziente Aufweckstrategien nötig. Hierzu wurden im Rahmen des Teilvorhabens Methoden wie Zeitschlitzverfahren, Space-Diversity und ein zweiter energieeffizienter Zusatzempfänger für den Empfang des Aufwecksignals speziell optimiert. • Beim Zeitschlitzverfahren aktiviert sich der Sensor-/Aktorknoten selbst in regelmäßigen Abständen und kann dann aktiviert werden. Das Zeitschlitzverfahren setzt eine präzise zeitliche Synchronisation zwischen Sensorknoten und Master voraus. • Mit Hilfe von Space-Diversity können einzelne Sensor-/Aktorknoten individuell geweckt werden, ohne alle übrigen Sensor-/Aktorknoten anzusprechen. Space-Diversity setzt dabei eine gerichtete Funkabstrahlung und Empfang in der Basisstation und gegebenenfalls im Sensor-/Aktorknoten vorraus, wie zum Beispiel den Einsatz einer MIMO-Antenne. • Die Datenrate des Aufwecksignals ist um viele Größenordnungen kleiner als die übrige Datenrate des zu untersuchenden Sensor-/Aktornetzwerks. Daher kann das Aufwecksignal auch allein mit einem extrem schmalbandigen, niederfrequenten und damit extrem energieffizienten Empfänger detektiert werden. Eine Kombination dieser drei Verfahren kann die jeweilige Vorteile der einzelnen Verfahren verstärken und Nachteile kompensieren.