Sensornetze

Drahtlos in die Zukunft

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

Fortsetzung des Artikels von Teil 4

Immer mehr konkrete Einsatzfälle

Drahtlos in die Zukunft 8
Bild 8. Funksensorknoten für die Überwachung von Gebäuden auf Mikrorisse und Verschiebungen.
© BAM

Bauwerksüberwachung

Wie wichtig eine Schadensfrüherkennung an Bauwerken ist, wird erst klar, wenn wieder einmal ein Gebäude einstürzt – wie die Eissporthalle in Bad Reichenhall, schon vor Jahrzehnten die Kongresshalle in Berlin und weltweit noch zahllose andere. Mittels »Structural Health Monitoring« lassen sich entstehende Mikrorisse und Verformungen im Anfangsstadium erkennen und so viele Katastrophen verhindern. Zur Überwachung dienen Dehnungsmessstreifen (DMS) an entscheidenden Stellen. Ein derartiges System hat die Bundesanstalt für Materialprüfung in Berlin (BAM) in Kooperation mit der Fa. ScatterWeb entwickelt: ein funkbasiertes, selbstorganisierendes Messsystem aus vielen baugleichen Sensorknoten (Bild 8), an die die DMS und zusätzlich auch Sensoren für Temperatur und Feuchte zwecks Kompensation von Umgebungseinflüssen anschließbar sind. Die zeitsynchrone Kommunikation mit Subkanal-Wechsel im 868-MHz-Band arbeitet mit sehr kurzen aktiven Empfangsperioden; Redundanzmechanismen bieten Sicherheit gegen Übertragungsfehler. Es stehen zwei verschiedene Bauformen zur Verfügung: ein Innenraummodul zum Anschluss von zwei DMS-Halbbrücken und einem Temperatursensor, Schutzart IP 54, und ein Außeneinsatz-Modul für acht DMS-Halbbrücken und vier Temperatursensoren oder für zwei DMS-Rosetten mit je einem Temperatur- und Feuchtesensor, Schutzart IP 66. Das Projekt mit Laufzeit von März 2007 bis Februar 2009 wurde vom Bundeswirtschaftsministerium gefördert. Das BAM hat die Sensorik eingebracht, ScatterWeb die selbstorganisierenden Funknetze.

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Drahtlos in die Zukunft 9
Bild 9. Mit dem System VERISM lässt sich die Ablesung von vielen Verbrauchszählern wesentlich rationalisieren.
© Fraunhofer IIS

Zähler-Fernablesung

Eine nützliche Verbesserung bieten Funksensornetze beim Ablesen von Zählern für Strom, Gas und Wasser. Im Vergleich zur althergebrachten Weise mit dem umherfahrenden »Gasmann« erspart eine Funkabfrage erhebliche Kosten. Dabei jeden Zähler von einer Zentralstelle aus einzeln abzufragen, ist nur eine Zwischenlösung. Effizienter ist ein selbstorganisierendes Netz mit Multihop-Übertragung. Ein am Fraunhofer-IIS entwickeltes Konzept hat die Firma Veraut GmbH (Linz, Österreich: www.veraut.at) in die Praxis umgesetzt. Das System VERISM dient zur Datenerfassung und Zustandsüberwachung an Verbrauchszählern (Bild 9). An jedem ist ein Sen sorknoten montiert – mit so niedrigem Stromverbrauch, dass die Batterie bis zu zwölf Jahre durchhält. Die Knoten bauen unter Verwendung von »Slotted MAC« ein selbstorganisierendes Netz auf. Die Messdaten werden zunächst per Multihop zum Hauptknoten übertragen, dieser sendet dann alle gesammelt über Powerline oder GSM/GPRS zu einem zentralen Server. Das Netz arbeitet bidirektional, in Rückwärtsrichtung können Steuerbefehle zu jedem einzelnen Ablesegerät gesendet werden.

Logistik, Warensicherung

Wesentliche neue Impulse vermitteln drahtlose Sensornetze der innerbetrieblichen Materialflusssteuerung. Indem umherfahrende Behälter und Paletten mit Sensorknoten ausgestattet werden, lässt sich ihr Weg überwachen und auch ihr Inhalt kontrollieren. So wird eine Warensicherung während des gesamten Distributionsprozesses möglich, bei Bedarf auch ein Diebstahlschutz für hochwertige Güter. Dies ist das Thema des Fraunhofer-Verbundprojekts VitOL (Vernetzte intelligente Objekte in der Logistik), das über drei Jahre läuft (2006 bis 2009). Die zugrundeliegende Idee ist das »Internet der Dinge« (www.internet-derdinge. de). Partner sind die Institute für Materialfluss und Logistik (IML) in Dortmund, für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme (IMS) in Duisburg, für Grafische Datenverarbeitung (IGD) in Darmstadt und für Integrierte Schaltungen (IIS) in Erlangen.

In eine ähnliche Richtung zielt das Projekt SMMART (System for Mobile Maintenance Accessible in Real Time; www.smmart.eu), ein von der Europäischen Union gefördertes Forschungsprojekt mit 27 Partnern aus zehn verschiedenen EU-Ländern. Die Laufzeit war von Nov. 2005 bis Okt. 2008, das Budget 25 Mio. Euro. Aufgabe war die Entwicklung eines sensorgestützten Wartungsinformationssystems für mobile Flotten (Hubschrauber, LKWs etc.), das wartungsrelevante Daten via Satellit in Echtzeit stationär und mobil zur Verfügung stellt.

Auch der Aufenthaltsort von Personen in Gebäuden lässt sich mit einem drahtlosen Netz leicht feststellen. Im Gebäude werden feste Ankerknoten installiert, jede Person trägt einen Funkknoten mit sich. Dies ist z.B. hilfreich zum Auffinden von Ansprechpartnern auf Messen, für intelligente Evakuierungssysteme und für die Ortung von Einsatzkräften.

Medizin- und Krankenhausbereich

Ein weites Einsatzfeld für drahtlose Sensornetze sind Krankenhaus-Informationssysteme. Wichtige Aufgaben sind hier z.B. die lückenlose Temperaturüberwachung von Blutkonserven während Transport und Lagerung sowie die Zuordnung zu Patienten. Eine Ausstattung jedes Behälters mit einem Sensorknoten ermöglicht eine automatische Vernetzung mit der hausinternen IT-Infrastruktur.

Ein anderes zu lösendes Problem ist die Lokalisierung von Betriebsmitteln und Inventar. Bisher geht ein nicht zu vernachlässigender Teil der Arbeitszeiten durch die Suche nach dringend benötigten medizinischen Geräten verloren und kommt somit nicht mehr den Patienten zu Gute. Beides sind Themen des im Oktober 2007 gestarteten dreijährigen Projekts »OPALhealth« (www.opal-health.de), das mittels mobiler, selbstorganisierend drahtlos vernetzter Objekte (»Smart Objects«) zur Optimierung von Prozessen in Kliniken beitragen soll. Die einzelnen Knoten kommunizieren über Multihop-Verfahren und redundante Routing-Pfade. Darüber hinaus können sie durch die Verwendung eines energieeffizienten SIP-basierten Messaging-Protokolls miteinander interagieren und von mobilen Endgeräten aus direkt adressiert werden. Somit erlaubt das System die kontinuierliche Erfassung von Umfeldparametern (z.B. Temperatur), die Lokalisierung von Objekten sowie eine Erkennung von Diebstahl oder Manipulation. Dabei ist auch für Vertraulichkeit und Integrität der Informationen Sorge getragen. Die Projektpartner von OPALhealth sind: T-Systems (Leitung), delta T GmbH, Fraunhofer-IIS, die Fraunhofer-Arbeitsgruppe für Technologien in der Logistik-Dienstleistungswirtschaft (ATL), Vierling Communication GmbH und das Uni-Klinikum Erlangen.

Weit reichende Aussichten

Dies sind nur einige wenige Beispiele aus einer immer größer werdenden Zahl von praktischen Anwendungen selbstorganisierender Sensornetze. Trotz aller Gemeinsamkeiten ist jede in den Details wieder anders und mit eigenen Herausforderungen verbunden. Um sie zu meistern, führen starr vorgefasste Konzepte selten zur Lösung. Vielmehr sind immer wieder Flexibilität und Ideenreichtum gefragt.

 

 

Literatur

[1] VDI/VDE-Fachtagung »Sensoren und Messsysteme 2008«, Ludwigsburg 11./12. 3. 2008.

[2] Informationen des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen, Erlangen und Nürnberg: www.iis.fraunhofer.de

[3] Langmann, R.; Stuhrmann, N.: ZigBee-Funknetz für die Sensortechnik. Elektronik 2008, H. 11, S. 42ff.

[4] Lemme, H.: Datenvorverarbeitung im verteilten Rechner. Elektronik 2005, H. 6, S. 22.

[5] Lemme, H.: Kraftwerk in der Westentasche. Elektronik 2008, H. 22, S. 54ff.

 

Der Autor:

Dipl.-Phys. Helmuth Lemme ist freier Mitarbeiter der Elektronik und betreut u.a. die Fachbereiche Sensorik, Photovoltaik, HF-Technik, Chipkarten und Optoelektronik.


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