Intelligente und zuverlässige Sensornetze

Netzwerkkabel verbinden Maschinen sicher und – unflexibel. Bei einer Verlagerung von Maschinen müssen Kabel aufwändig neu verlegt werden. Funknetze hingegen bleiben auch bei einer häufigen Verlagerung von Maschinen in Betrieb, was sie für Unternehmen zunehmend attraktiv macht.

Da Anwendungen im industriellen Umfeld und die Machine-to-Machine Kommunikation durch geringe Datenraten und kleine Pakete chrakaterisiert sind, werden oft Sensornetze eingesetzt. Sensorknoten sind günstig und benötigen wenig Speicher und Energie.

Drahtlose Technologien in der industriellen Automatisierung

© Fraunhofer ESK

Mit den Tools des Sensornetz-Baukasten von Fraunhofer ESK können die Wissenschaftler schnell applikationsspezifische Lösungen entwickeln, die eine zuverlässige, drahtlose Integration von Sensoren in Produktionsprozesse oder Gebäudeautomatisierungssysteme ermöglichen.

In Referenzprojekten haben die Wissenschaftler des Fraunhofer ESK Sensornetze entwickelt, die energieeffizient, robust und zuverlässig sind. Dabei sammelten die ESK-Forscher Erfahrungen, die sich in einen 4-Phasen Entwicklungsprozess einordnen lassen: Planung, Technologieauswahl, Design sowie Implementierung und Test.

Referenzprojekte

Das umfassende Know-how für die Protokoll- und Softwareentwicklung drahtloser Sensornetze ist bereits in verschiedene Projekte eingeflossen. Einige herausragende Beispiele sind:

Der Plattform-unabhängige Low Energy Radio Stack (LERS) des Fraunhofer ESK umfasst Methoden zur Netzwerk-Selbstorganisation, zu energieeffizienten MAC-Verfahren und zur Hardware-Abstraktionsschicht. Der Protokollstack ist auf Applikationen mit sehr geringem und sporadischem Kommunikationsaufkommen zugeschnitten.

Low Power-Funk und Selbstorganisation stehen auch im Mittelpunkt des zentralgesteuerten Funkschließsystems. Hierfür hat das Fraunhofer ESK ein energiesparendes Kommunikationsprotokoll entwickelt, das eine Batterielebensdauer von bis zu drei Jahren ermöglicht.

Bei der Entwicklung des Hexabus Hausautomatisierungs-Systems haben die Wissenschaftler ein 6LoWPAN Sensornetz implementiert. Mit diesem Netzwerk können die schaltbaren Steckdosen mit IPv6-fähigen Geräten, wie Smartphones, Laptops und Tablets, ferngesteuert werden. Außerdem lässt sich der Energieverbrauch der angeschlossenen Geräte remote abfragen.

Im Forschungsprojekt EnLok entwickeln die ESK-Forscher ein Sensornetz zur Lokalisierung von Personen in einer dynamisch veränderlichen Umgebung. Dazu setzen sie auf energieautarke und selbstkonfigurierende Netzwerke. Die große Herausforderung dabei sind die geringen zur Verfügung stehenden Energiemengen, weswegen die ESK-Forscher ein auf dem Standard IEEE 802.15.4 basierends Low Power-Funksystem entwickelt haben.

Entwicklungsdienstleistungen mit Expertenwissen

Die Wissenschaftler und Ingenieure des Fraunhofer ESK unterstützen Unternehmen bei der Entwicklung drahtloser Systemlösungen und Senornetze. Das Angebot erstreckt sich über alle Phasen des Entwicklungsprozesses von der Planung bis zu Implementierung und Test.

1. Planung

In der ersten Phase werden die angestrebten Anwendungen definiert und deren Anforderungen bestimmt. Dabei wird eine Prognose für das zu erwartende Verkehrsaufkommen und die daraus resultierende Bandbreite erstellt. Weiterhin wird ein umfassender Katalog weiterer Anforderungen und Randbedingungen für das zu entwickelnde Netzwerk erfasst (z.B. Abdeckung, Batterielaufzeiten und Übertragungslatenzen).

2. Technologieauswahl

In dieser Phase wird die zu den Anforderungen passende drahtlose Technologie ausgewählt. Die ESK-Forscher verfügen über Erfahrungen mit verschiedenen Funkstandards und Technologien, wie 6LoWPAN, IEEE 802.15.4, Zig-Bee, WirelessHART, Bluetooth und WLAN. Verfügbare Funktechnologien werden anhand des Anforderungskataloges bewertet und, falls sich diese nicht eignen, eine Eigenentwicklung vorgeschlagen.

3. Design

Beim Netzwerkdesign werden alle Komponenten des Netzwerks (Protokolle, Hardware, Software) spezifiziert. Weiterhin wird die Funktion der Netzwerkknoten definiert und es werden die passenden Transceiver und Mikrocontroller ausgewählt. Lässt sich keine Standardtechnologie einsetzen, wird bei Bedarf auch ein spezifischer Protokollstack entwickelt.

4. Implementierung und Test

In dieser Phase entwickeln die ESK-Forscher alle notwendigen Systemkomponenten. Dabei werden Kommunikationsprotokolle an die Szenario-Anforderungen und verschiedenen Hardwareplattformen angepasst. In einem abschließenden Schritt erfolgt eine Integration und Inbetriebnahme der gesamten Netzwerklösung bis hin zum Systemtest.