Technikforum Industrial IoT

Modulare Sensor-Aktor-Plattform: alle Funksensoren vereint

Smart Fabrication, Smart Logistics oder auch Smart Farming: dezentrale Systeme, die aus verschiedensten Funksensoren bestehen können, benötigen für fast jede Anwendung eine individuelle Konfiguration von der Sensorik bis zur Datenauswertung. Was wäre, wenn eine Plattform alles könnte? Temperatur, Druck, Feuchte, Abstand, Licht, und vieles mehr in einem messen? Damit wäre eine All-in-One-Lösung gefunden, die den Aufbau für verschiedene Anwendungen in der Industrie nicht immer wieder neu, sondern allgemeingültig und somit kostenreduziert ermöglicht.

Vor etwa fünf Jahren begann am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM die Entwicklung eines umfassenden Ökosystems aus Hard- und Software für eine Sensor-Aktor-Plattform, die modulare Sensoraufbauten mit einer niederschwelligen und schnellen Datenerfassung zur Zustandsüberwachung im industriellen Umfeld ermöglichen soll.

Schritt eins: modulare Hardware

In der ersten Phase von 2017 bis 2018 war laut den Entwicklern das primäre Ziel, eine modulare Hardwareplattform zu entwickeln, die den Großteil der identifizierten Anwendungsbereiche abdeckt. Auf der Hannover Messe wurde damals eine industrielle Anwendung an einem Roboterarm präsentiert, bei der das verdrahtete Sensormodul die Anwendung des Condition Monitoring von Temperatur und Beschleunigung in Produktionsprozessen skizzierte. Eine Erweiterung der Plattform um Ansätze zur Positionsbestimmung mit Bluetooth Low Energy sollte folgen. So entstand das zweite Modell dieser Plattform. Für einen drahtlosen Einsatz wurde zudem eine Energieversorgung über einen Akku ergänzt, der über USB aufladbar ist. Darüber hinaus wurden weitere Sensoren zur Messung von Größen wie Lichtintensität und Luftdruck integriert und eine präzise Datenermittlung zu genauen Zeitangaben ermöglicht (Real-Time Clock).

Sensorik für Predicitive Maintainance ergänzt

Am Fraunhofer IZM wurden Anwendungen für die Fusion von Beschleunigungsdaten mit Radardaten sowie Stresssensoren evaluiert. Auf der Productronica 2019 demonstrierten die Forschenden mit dem Sensormodul einen Windkanal, der zeigte, wie die Datenmessung an einer Maschine oder einem Stahlträger Verformungen als Signal messbar machen kann. Dies könnte genutzt werden, um das Wartungsintervall der jeweiligen Maschinen zu optimieren oder Teile rechtzeitig auszutauschen, bevor es zu Produktionsausfällen kommt. Für die Datenübertragung entstand zusätzlich zum Akku und der USB-Variante die Erweiterung um die Funktechnologie LoRa; ein energieeffizienterer Funkstandard für große Distanzen, aber kleine Datenmengen, der die Sensordaten übertragen kann.
Abschließend wurde eine Desktopapplikation für Windows, MacOS und Linux programmiert, um die Daten auf einer GUI zu visualisieren, aufzuzeichnen und zu speichern. Man konnte nun die Hardware also auch steuern und auslesen.

Die finale Sensor-Aktor-Plattform

In der letzten und aktuellen Version der Plattform mit dem Namen Swarmy wurde aus den Technologiedemonstratoren eine Sensor-Aktor-Plattform, die Motoren ansteuern und damit ein bewegliches System realisieren kann. Außerdem wurden diverse Sensoren auf der Plattform ergänzt, wie ein Time-of-Flight-Sensor, ein Sensor für Lichtintensität, ein Gassensor, um die Luftqualität zu messen, ein Mikrofon zur Lautstärkemessung sowie ein Drucksensor. Zudem ist die Plattform nun auch mit dem Qi-Standard zum induktiven Laden der Akkus ausgestattet. Das modulare Konzept mit allen gängigen Schnittstellen soll eine Nachrüstung externer Sensoren, wie chemische Sensoren zur Messung der Zusammensetzung von Flüssigkeiten, ermöglichen. Das System ist nach Angaben der Entwickler sehr kompatibel mit bereits bestehenden Systemen, durch die es erweitert werden kann. Softwareseitig wurde eine nutzerfreundliche Anwendung mittels einer Android-App für Tablets und Handys hinzugefügt.

Datenspeicherung und -auswertung

Die Auswertungssoftware wird via Bluetooth mit der Hardware verbunden und dient somit als Benutzerschnittstelle für Unternehmen, die beispielsweise Daten mit künstlicher Intelligenz auswerten wollen und die Sensorplattform direkt mit ihrer Anwendung verbinden. Daten lassen sich lokal auf dem Gerät oder auch in der Cloud speichern.
Zum Schluss wurde noch eine Software-Schnittstelle für Tests integriert. Wenn demnach ein Swarmy-Modul aufgebaut und an den PC angeschlossen ist, kann laut den Entwicklern ein automatisierter Test mit der Plattform durchgeführt werden, um zu prüfen, ob die mit der Plattform verbundene Hardware funktionsfähig ist.

Zahlreiche Anwendungsgebiete denkbar

Anwendungen sehen die Forscher in Bereichen, in denen dezentrale, verteilte Systeme vorhanden sind. Beispielsweise Logistik, Energieversorgung, Anlagenüberwachung, Automotive. Produktion und vieles mehr.
In der aktuellen Finanzierungsphase soll die Plattform durch die Integration von Schwarmrobotik noch intelligenter gemacht werden.

Quelle: www.izm.fraunhofer.de

Bild: Volker Mai / Fraunhofer IZM



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