Sensornetze

Drahtlos in die Zukunft

Selbstorganisation ist immer häufiger das hervorstechende Merkmal von weit ausgedehnten Messwerterfassungssystemen. Die Übertragung läuft per Funk zwischen vielen gleichberechtigten Netzknoten, wobei jeder nur mit seinen direkten Nachbarn kommuniziert. Eine der zentralen Forderungen ist hier Energieeinsparung, damit die Batterien so lange wie möglich durchhalten. Bisherige Standardlösungen erweisen sich in dieser Hinsicht als ungeeignet. Überlegen sind Knoten mit extrem niedriger Stromaufnahme in der Hardware und neuen, stark abgespeckten Übertragungsprotokollen.

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Bild 1. Netzstruktur der Zukunft: gleichberechtigte Sensorknoten, Kommunikation nur mit den Nachbarn.

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Bild 1. Netzstruktur der Zukunft: gleichberechtigte Sensorknoten, Kommunikation nur mit den Nachbarn.

Kabel verlegen ist ein teurer Spaß. Wenn an vielen weit verteilten Positionen Messdaten aufgenommen werden sollen, kann hierauf der weitaus größte Teil der Systemkosten entfallen. Deshalb finden Funknetze immer stärkere Verbreitung. In den einfachsten Versionen senden die Sensorknoten ausschließlich Daten aus, in komfortableren können sie in Gegenrichtung auch Steuerbefehle empfangen. Wirtschaftlicher als eine konventionelle Sternnetzstruktur, in der jeder einzelne Knoten unmittelbar mit der Zentrale kommuniziert, sind Maschennetze. Hier ist jeder Knoten nur mit seinen Nachbarn in Kontakt, und die Messdaten fließen im »Multihop«-Verfahren vom einen über den nächsten bis zur Zentrale (Bild 1). Damit bleiben auch in sehr ausgedehnten Netzen die zu überbrückenden Strecken immer relativ kurz, und es genügen niedrige Sendeleistungen. In Kauf nehmen muss man dafür eine gewisse Verzögerung (»Latenzzeit«) bei der Durchleitung. Die auf den Mikrocontrollern in den Knoten laufende Software ist so ausgelegt, dass jeder selbsttätig seine Nachbarn erkennt und sich das Netz so selbst organisiert. Bei Ausfall einzelner Knoten strukturieren sich die verbleibenden um, es kommt nicht zum Zusammenbruch. Auch eine Erweiterung ist einfach.

Jeder einzelne Knoten selbst hat nur eine begrenzte Rechenkapazität, eine beschränkte Funkreichweite und einen limitierten Energiespeicher. Durch Kooperation der Knoten untereinander ist das gesamte Netz jedoch leistungsfähiger als jeder einzelne Teilnehmer allein. Mehrere Knoten können gemeinsam Daten verarbeiten und speichern. Auch erweiterte Dienste wie die Lokalisierung von Objekten sind in Sensornetzen möglich.

Wo keine Steckdose zur Verfügung steht, nimmt man zur Versorgung Batterien – mit dem Nachteil, dass ständig der Ladestand überprüft bzw. aus der Erfahrung abgeschätzt werden muss. Das Wiederaufladen erfordert Zeit und unter Umständen Betriebsunterbrechungen. So sind als Alternative andere Quellen aufgekommen, die unbegrenzt lange Strom liefern, indem sie Energie, die in der Umgebung in anderer Form vorhanden ist, in elektrische Form umwandeln. Nutzbar sind Lichtstrahlung, Temperaturdifferenzen, mechanische Vibrationen oder elektromagnetische Felder. Das Angebot an geeigneten Wandlern nimmt schnell zu: Kleinst-Solarzellen, thermoelektrische Wandler, Vibrationswandler und vieles mehr. Das Thema »Energy Harvesting« hat in den letzten Jahren stark an Interesse gewonnen [5].

In jedem Fall ist Strom hier ein knappes Gut. Die Batterien will man so selten wie möglich nachladen oder wechseln, die anderen Wandler liefern alle nur sehr geringe Leistungen. Die Herausforderung an die Entwickler liegt deshalb vor allem darin, den Energieverbrauch zu minimieren. Die Maßnahmen dafür müssen ebenso auf der Hardware- wie auf der Software-Seite ansetzen.

Üblicherweise lässt man die Sensoren nicht kontinuierlich messen, sondern immer nur sehr kurzzeitig, unterbrochen durch mehr oder weniger lange Pausen (»Duty Cycling«). Denn die wenigsten Messgrößen müssen pausenlos registriert werden. Dabei zeigt sich ein Nachteil des Multihop-Prinzips: Wenn ein Datenpaket während einer Aufweckphase immer nur um einen Schritt weitertransportiert wird, dann kann die gesamte Latenzzeit überaus lang werden. Für z.B. Temperaturoder Feuchtemessungen in Gebäuden sind ein paar Minuten kein Problem, Stunden aber schon. Und bei Brandoder Einbruchsmeldungen ist jede Verzögerung gefährlich.

Die nächste Energiesparmaßnahme: Nicht in jedem Fall wird der aufgenommene Messwert auch ausgesendet. Der Mikrocontroller in jedem Knoten kann an den Rohdaten eine Merkmalsextraktion vornehmen und beispielsweise nur dann senden, wenn der Sensor die Überschreitung eines voreingestellten Grenzwertes oder eine bestimmte Mindestveränderung gegenüber dem letzten Wert registriert. Ansonsten gibt er nur ein ganz kurzes »ok«-Signal ab oder auch gar nichts. Diese Vorverarbeitung entlastet auch die Zentrale von zu großer Datenflut.

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

Weiterführende Links:

• Gebäudeautomatisierung und Industrieanwendungen treiben den Markt: Drahtlose Sensornetze – immer noch ein Markt mit viel Potential