Sensornetze

Drahtlos in die Zukunft

24. September 2010, 12:27 Uhr | Helmuth Lemme

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Standardlösungen zu ineffektiv

Die Trägerfrequenzen liegen normalerweise in den frei verwendbaren ISM-Bändern bei 433 MHz, 868 MHz oder 2,4 GHz. Die Wahl hängt von den speziellen Anforderungen des Einsatzfalls ab. Häufig hat sich 868 MHz als am günstigsten gezeigt. Dieses Band ist bei weitem noch nicht so stark belegt wie 433 MHz, wo es langsam eng wird; hier ist mit weniger Störungen zu rechnen. Im Vergleich zu 2,4 GHz – ebenfalls sehr voll mit WLAN, Bluetooth und Abstrahlung von Mikrowellenherden – ist in Umgebungen mit Dämpfung (in Gebäuden durch Wände hindurch) die Reichweite größer, so dass niedrigere Sendeleistungen ausreichen.

Als Übertragungsverfahren hat man anfangs häufig Bluetooth verwendet, allerdings nicht mit großem Erfolg. Es erweist sich als Stromfresser, die Batterien sind damit zu schnell leer. Auch lassen sich nur sieben Teilnehmer gleichzeitig ansprechen, für diesen Zweck zu wenig. Vor allem aber dauert der Verbindungsaufbau viel zu lange. Bei Multihop-Übertragung durch ein größeres Netz kann die Latenzzeit uferlos lang werden. Ein gewisser Fortschritt war die Einführung von ZigBee – von Anfang an auf Energieeinsparung ausgelegt. Letztlich ist aber auch das noch nicht das Optimum. Wenn die Batterien jahrelang durchhalten sollen, ist es immer noch zu ineffizient; es überträgt nach wie vor einen erheblichen Überhang an Bits, häufig weit mehr als die Nutzdatenmenge.

Die Praxis hat gezeigt, dass bei Paketgrößen unter 250 bit alle Standardverfahren völlig ineffektiv arbeiten. Von allen Funktionen des Sensorknotens ist das Aussenden der Daten die leistungshungrigste – ein bis zwei Größenordnungen über dem Energiebedarf des Mikrocontrollers oder einfacher Sensoren. Die Sendeleistung zu reduzieren, um den Energiebedarf zu drosseln, ginge auf Kosten der Reichweite. Für die Lebensdauer der Batterie zählt nicht die entnommene Leistung, sondern die Energie – Leistung mal Zeit. Ein längeres Datenpaket verbraucht mehr als ein kürzeres, deshalb muss man die Sendedauer pro Datenpaket verkürzen. Weil sich die Datenrate nicht beliebig steigern lässt (bei ZigBee max. 250 kbit/s), bleibt nur der Weg, beim Übertragungsprotokoll Ballast abzuwerfen. Zusätzlich zu den Nutzdaten soll nur noch das absolute Minimum an Steuerbits übertragen werden.

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Drahtlos in die Zukunft 2
Bild 2. Drahtloser Sensorknoten als Experimentierplattform: »S3TAG«.
© Fraunhofer IIS

Intensive Forschungsarbeit in dieser Richtung läuft z.B. am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen und Nürnberg. Hier verfügt man über eine ganze Reihe von fertigen Teillösungen, auf deren Basis eine schnelle Prototypentwicklung stattfinden kann. Als erste Experimentierplattform diente der hier bereits vor einigen Jahren konzipierte Sensorknoten »S1TAG«, ausgelegt als OEM-Modul für den Einbau in mobile Endgeräte. Hinsichtlich Systemeigenschaften, Modulationsart, Schnittstellen und Bauform ist er weitgehend variabel und individuell an Spezialanforderungen anpassbar. Er ist auf extrem niedrigen Energiebedarf ausgelegt. Die Sendeleistung ist je nach Bedarf zwischen 10 mW und 1 μW einstellbar. Die Empfängerempfindlichkeit liegt bei –90 dBm (bei –110 dB bei verringerter Bandbreite). Als Weiterentwicklung mit diversen Verbesserungen liegt inzwischen der Typ S3TAG vor (Bild 2), ausgestattet mit einem 16-bit-Mikrocontroller, bis zu 1 Mbit nichtflüchtigem Speicher sowie Sensoren für Temperatur, Beschleunigung und Licht. Er wird mit 2,4 bis 3,3 V versorgt, die Ruhestromaufnahme liegt bei 22 μA und kann bis auf 2 μA reduziert werden.

Drahtlos in die Zukunft 3
Bild 3. 868-MHz-Transmitter mit nur 0,5 mm2 Chipfläche, mit leistungssparendem SAW-Resonator.
© Fraunhofer IIS

Das bei Bluetooth und ZigBee verwendete aufwendige Frequenzsprungverfahren ist in Sensornetzen nicht unbedingt nötig. So kann der dafür verwendete PLL-Frequenzsynthesizer entfallen, der viel Strom verbraucht. Es genügt ein Festfrequenz-Oszillator mit Oberflächenwellen-Resonator (SAW), der mit weit weniger auskommt. Bild 3 zeigt einen so aufgebauten 868-MHz-Transmitter mit nur 0,5 mm2 Chipfläche. Bei Aussendung von 32 bit Nutzdaten alle zehn Sekunden hält damit eine Knopfzelle mit 210 mAh zehn Jahre durch. Bei Bluetooth wäre sie nach einigen Stunden leer.


  1. Drahtlos in die Zukunft
  2. Standardlösungen zu ineffektiv
  3. Protokoll stark abgespeckt
  4. Aufwecken im richtigen Moment
  5. Immer mehr konkrete Einsatzfälle