Technikforum

Sensorknoten

Reichweiten­optimierte, drahtlose Sensornetze

Viele dünn besiedelte Regionen besitzen nur eine schwache Mobilfunkinfrastruktur. In diesem Kontext ist eine Digitalisierung von Messstellen eine große Herausforderung. Funkschnittstellen zur Vernetzung von Sensoren mit Cloudanwendungen oder zentralisierten Monitoring-Stationen ist in vielen Fällen reichweitenlimitiert, was eine Abdeckung in stark verteilten Szenarien erschwert.
Problematisch sind zum einen die zu überbrückenden Entfernungen, zum anderen ein effizienter Einsatz limitierter Batteriekapazität bei abgelegenen Standorten ohne zentrale Energieversorgung. In vielen Fällen kann über dezentrale Energiegewinnung, beispielsweise mithilfe von Fotovoltaikzellen, ein autarker Betrieb langfristig sichergestellt werden. Aber gerade im industriellen Einsatz gibt es viele Anwendungen, bei denen solare Energie oder andere Quellen nicht in ausreichendem Maße verfügbar sind oder Größen- und Gewichtslimitierungen Konzepte zur Energiegewinnung verbieten. Deshalb besteht ein großer Bedarf an rein batteriebetriebenen drahtlosen Sensorknoten, die dennoch eine lange Laufzeit garantieren. Gleichzeitig sind die einzelnen Messstellen oft weit verteilt, was für das Senden und Empfangen einen hohen Energiebedarf darstellt.

Stromsparende MEMS-Verstärkertechnik

Für die Lösung dieser Herausforderungen lieferte bereits ein grundlagenforschungsorientiertes Projekt erste Ergebnisse. Diese sollen nun durch die drei Partner TU Hamburg, das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS und dem Industriepartner Actemium BEA in dem Gemeinschaftsprojekt ‚MEMS- basierte parametrische Verstärker für Reichweitenoptimierung drahtloser Sensornetze‘ weiterentwickelt werden. Kern des von der Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Fraunhofer-Gesellschaft geförderten Vorhabens ist ein energieeffizienter Sensorknoten. Da die Funkschnittstelle den höchsten Energiebedarf aller Komponenten hat, ist dies der Schwerpunkt des Projekts. Dazu wird am Fraunhofer IPMS ein Mikrosystem entwickelt und in Silizium gefertigt, das als effizienzoptimiertes Verstärkungselement in den Empfänger der TU Hamburg integriert wird. Damit wären die beiden größten Herausforderungen – Energieverbrauch und Reichweite – gelöst. Basierend auf einem optimierten Systemansatz wird gezielt die Funkschnittstelle durch das Institut für Hochfrequenztechnik der TU Hamburg um eine stromsparende Verstärkertechnik ergänzt, um die Reichweite des im DFG- Vorgängerprojekt (FOR 1508) entworfenen Aufweckempfängers (wake-up receiver, WuRX) energieeffizient zu erhöhen. Die grundlegende Idee besteht darin, Energie für den Verstärker aus einer hochfrequenten elektromechanischen Anregung zu generieren. Dies soll ein mechanischer MEMS-Oszillator ermöglichen, der am Fraunhofer IPMS entwickelt wird. Die neuen technologischen Ansätze sollen die technische Verwendbarkeit erweitern und damit den Weg in Richtung Kommerzialisierung des Systems bereiten.

Mögliche Sektoren der wirtschaftlichen Verwertung sind die digitale Landwirtschaft und Bodenschätzegewinnung, aber auch das Umwelt-Monitoring. Diese Plattform kann in nahezu alle Anwendungen integriert werden, wo große Datenmengen entstehen und übertragen werden sollen, und bei Bedarf sogar die Ablaufsteuerung nachgelagerter Sensorik übernehmen.

Quelle und Bild: www.ipms.fraunhofer.de

Kooperationspartner: www.tuhh.dewww.actemium.de