F r a u n h o F e r - I n S t I t u t F ü r I n t e g r I e r t e S c h a lt u n g e n I I S s-net drahtlose SenSornetze

Transkript

1 Fraunhofer-institut für integrierte Schaltungen iis s-net Drahtlose Sensornetze

2 s-net Vom Smart meter bis zum smart objekt Mit dem wachsenden Bedarf nach Information, Sicherheit und Flexibilität finden drahtlose Sensornetze in vielen Bereichen des täglichen Lebens Verwendung. Ein Sensornetz besteht aus räumlich verteilten Sensorknoten, die selbstständig untereinander und abhängig von der Anwendung auch mit der vorhandenen Infrastruktur per Funk interagieren. Dies dient dem Erwerb, der Verarbeitung, der Weiterleitung und der Bereitstellung von digitalisierten Informationen aus der physikalischen Umwelt. Verschiedene Sensornetzinstallationen unterscheiden sich dabei in der Art der Vernetzung, der Topologie und in der Richtung des Datenflusses. Durch eine große Zahl von identischen Sensorknoten ergibt sich eine skalierbare Redundanz und inhärente Fehlertoleranz. Somit eröffnen drahtlose Sensornetze durch verteilte Datenerfassung, dezentrale Anwendungssoftware sowie vermaschte Kommunikation völlig neue Möglichkeiten. Viele Anwendungen aus dem Industrie- und Heimbereich konnten bereits durch drahtlose Sensorknoten erweitert und damit komfortabler und effizienter werden. Beispiele finden sich im Energiesektor (Smart Metering), in der Logistik (Asset Tracking) und bei der Prozessoptimierung (Smart Objects). Im Gegensatz zu herkömmlichen Technologien wie z. B. RFID können drahtlose Sensornetze aktiv und bidirektional kommunizieren und benötigen keine Aktivierung durch ein Lesegerät. Seit vielen Jahren findet am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS die hierfür notwendige Forschung und Anwendungsentwicklung statt. Die von der s-net -Technologie ermöglichten Anwendungen reichen vom Funkknoten für die einfache Punktzu-Punkt-Datenübertragung über kleine zentral kontrollierte Netze bis hin zum großflächigen, selbstorganisierenden Kommunikationsnetz. Mit der s-net -Technologie bietet das Fraunhofer IIS seit 2007 optimierte Kommunikationsprotokolle für die Realisierung extrem energiesparender drahtloser Sensornetze. Mit der s-net - Technologie fokussiert das Fraunhofer IIS drei Anwendungsbereiche: Langlebige Systeme zur großflächigen, verteilten Datenerfassung oder Datensammlung Lokalisierung von Personen und Objekten Smart Objects zur eigenständigen Bearbeitung von Aufgaben Mit seinen flexibel anpassbaren Protokolleigenschaften und einem extrem geringen Stromverbrauch sorgt die s-net -Technologie für eine lange Lebensdauer und bietet herausragende Vorraussetzungen für kundenindividuelle Lösungen. Die dynamische Selbstorganisation für geringen Konfigurationsaufwand, geringe Wartung und hohe Robustheit trägt zusätzlich zur erfolgreichen Implementierung s-net -basierter Sensornetz Lösungen bei.

3 Fraunhofer IIS EXTREM ENERGIESPARENDE DRAHTLOSE SENSORNETZE EINE TECHNOLOGISCHE HERAUSFORDERUNG Jede Anwendung besitzt unterschiedliche Anforderungen. Bei Kommunikationsstandards werden diese aufgrund des Zieles der breiten Einsetzbarkeit nur bedingt berücksichtigt. Daher können oftmals nur optimierte Kommunikationsprotokolle eine passende Lösung bieten. Mit der s-net -Technologie bieten wir unseren Kunden die Möglichkeit einer solchen optimierten Lösung. Ein Sensorknoten viele Aufgaben Die Knoten in einem Sensornetz interagieren über drahtlose Kommunikation miteinander. Dabei übernehmen sie verschiedene Rollen: Gateway-Knoten übernehmen die Verbindung des Sensornetzes mit einem Backend System, z. B. einem IP-Netzwerk. Zwischenknoten übernehmen die Weiterleitung der Daten Ein Sensornetz viele Anforderungen Jede Anwendung stellt ihre spezifischen Anforderungen zum Ziel oder geben als ortsfeste Basis (sogenannte Ankerknoten) Informationen z. B. zur Lokalisierung. bezüglich Dienstgüte der Kommunikation und Stromverbrauch bzw. Systemlebensdauer. Und genau hierzu trägt das Endknoten übernehmen die sensorische Erfassung, die Datenverarbeitung oder die Anwendungslogik. Kommuni kationsprotokoll entscheidend bei. Daher müssen beim Design eines Kommunikationsprotokolls u. a. folgende grundlegenden Aspekte geklärt werden: Die Kommunikation findet auf drei logischen Ebenen statt. Auf der Anwendungsebene kommunizieren die Anwendungskomponenten Energie: Wie lange soll das System mit einer Batterie betrieben werden? Latenz: In welcher Zeit sollen Daten verarbeitet oder übertragen werden? Skalierbarkeit: Wieviele Teilnehmer sollen miteinander auf dem Knoten mit den korrespondierenden Komponenten im Backend System. In der Middleware genannten Zwischenschicht bieten grundlegende Dienste oder komplexere Abläufe zwischen Knoten ihre Funktionalitäten den Anwendungskomponenten an. Dazu kommunizieren sie ggf. auch direkt miteinander. Schließlich wird die Übertragung kommunizieren und wie ist die Drahtlose räumliche Verteilung? Sensornetze von Nachrichten über das Sensornetz durch das Kommunikationsprotokoll Gibt es mobile Knoten oder Teilnetze? Einführung geregelt. Datendurchsatz: Wieviele Daten sollen in welchen Zeitintervallen übertragen werden? Topologie: Welcher Knoten kommuniziert Ein drahtloses mit wem? Sensornetz ist Ist die Verteilung der Knoten ein statisch System oder aus dynamisch räumlich veränderlich? verteilten Sensorknoten, die Backbone Netz selbstständig untereinander Sensorknoten und - abhängig von der Backend System Der Stromverbrauch wird bei einem drahtlosen Netzwerk Anker Anwendung - auch mit Gateway überwiegend durch die Sende- und vorhandener Empfangsvorgänge Infrastruktur verursacht. Weiterer, unnötiger Stromverbrauch per Funk entsteht interagieren. z. B. durch Sensornetz Kollisionen zeitgleich gesendeter Dies Nachrichten dient dem oder durch Erwerb, der Empfang nicht relevanter Nachrichten. Verarbeitung, Für eine optimierte Weiterleitung Energieeffizienz müssen daher Sende- und der und Bereitstellung Empfangsvorgänge von Informationen aus der koordiniert werden, um möglichst kurze Aktivitätszyklen zu physikalischen Welt. erreichen. Quelle: Technical Document of ISO/IEC JTC 1 Study Group on Sensor Networks (SGSN) Referenzmodell eines drahtlosen Sensornetzes

4 s-net -PROTOKOLLBAUKASTEN Mit s-net stellt das Fraunhofer IIS eine leistungsfähige Technologie zur Realisierung anwendungsspezifischer Sensornetzlösungen zur Verfügung. Die s-net -Protokolltechnologie ist modular aufgebaut und ermöglicht eine Strom sparende und sichere Multi-Hop-Datenkommunikation. Kernstück ist das proprietäre Medienzugriffsprotokoll SlottedMAC, das die Effizienzvorteile eines Zeitmultiplex-Systems mit der Skalierbarkeit und Flexibilität von konkurrierenden Medienzugriffsprotokollen vereint. Somit wird ein autarker, batteriebasierter Betrieb von drahtlosen Sensornetzen mit gleichzeitig geringer Latenzzeit (Verzögerungszeit) gewährleistet. Wesentliche Eigenschaften Extrem geringer Stromverbrauch durch zeitliche Synchronisation des Netzwerks und Zeitmultiplex-Kommunikation. Damit wird eine lange Lebensdauer für batteriebetriebene Systeme erreicht. Dynamischer Aufbau und Selbstorganisation der Netzwerktopologie für geringen Konfigurationsaufwand, geringe Wartung und hohe Robustheit. Die Knoten synchronisieren und organisieren sich dabei entlang einer Baumstruktur. Multi-Hop-Kommunikation zur Weiterleitung der Daten über Zwischenknoten. Die skalierbare Reichweite der Multi-Hop-Datenkommunikation sorgt für einen schnellen Datentransport durch das Netzwerk. Flexible Parametrisierung der Protokolleigenschaften für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Dadurch kann das Protokoll für verschiedene Knotendichten, Vernetzungstiefen und Datendurchsätze angepasst werden. Skalierbare Rahmenlänge von 1 s bis 4 min für eine flexible Anpassung von Energieverbrauch bzw. Latenzen an die Erfordernisse der Anwendung. Die s-net -Protokolltechnologie erlaubt die vermaschte Vernetzung von Sensorknoten und schafft die Grundlage für eine Lokalisierung von Knoten innerhalb des Netzes. Die Qualität der Vernetzung wird ständig überwacht und bei Bedarf wird die Vernetzungstopologie dynamisch angepasst. Aufgrund der Verteiltheit der anfallenden Sensordaten und der Ressourcenbeschränktheit der Sensorknoten entfaltet sich die Gesamtfunktionalität eines Sensornetzes erst durch die Kooperation und das Zusammenspiel der einzelnen Sensorknoten. Flexible Plattform für kundenspezifische Anwendungen Mit Blick auf die verschiedenen Anforderungen der unterschiedlichsten Anwendungen wurde mit s-net eine Systemumgebung und eine diensteorientierte Architektur für Sensornetze entwickelt, die auf besonders ressourcenarmen Funkknoten lauffähig ist. Dabei werden Teilfunktionalitäten eines Knotens in Form von funktionalen Komponenten oder Diensten realisiert, die von anderen Komponenten auffindbar und nutzbar sind. Diese Softwarearchitektur stellt eine flexible Plattform für die Realisierung von kundenspezifischen Applikationen dar. Vermaschte und zuverlässige Datenkommunikation Die Datenkommunikation in einem s-net -basierten Sensornetz erfolgt bidirektional zwischen den Knoten. Dabei werden bevorzugt die gleichen Kommunikationspfade benutzt, wie sie durch die Synchronisation entstehen, also eine Baumstruktur. Darüber hinaus ist es möglich, Daten zwischen allen Knoten in Funkreichweite eines Knotens auszutauschen. Dabei können Daten gezielt an einen Knoten, aber auch an eine ganze Gruppe von Knoten in der Nachbarschaft versendet werden. Für eine zuverlässige Datenübertragung von wichtigen Datenpaketen steht ein Sicherungsmechanismus zur Verfügung. Dieser Mechanismus signalisiert einem sendenden Knoten einen erfolgreichen Empfang. Bei Ausbleiben der Signalisierung wird dieses Paket erneut versendet. Dieser Vorgang wiederholt sich bis zu einer konfigurierbaren Schwelle.

5 s-net -Service Manager für die schnelle Kommunikation zwischen Anwendungen Der s-net -Service Manager ist die zentrale Komponente der Middleware, welche die höheren Dienste und Applikationen mit dem darunterliegenden Protokollstack verbindet. Alle Anwendungen und Dienste können über ihre spezifische Dienstnummer identifiziert und erreicht werden. Der s-net -Service Manager verarbeitet sämtliche Nachrichten, die drahtlos oder drahtgebunden durch den Protokollstack empfangen wurden und leitet sie an die dafür registrierten Anwendungen weiter. Durch einen dynamischen Registrierungsmechanismus kann eine 1:n Kommunikation zwischen mehreren Anwendungen realisiert werden. Eine Nachricht, die an einem Sensorknoten generiert wurde, kann so zu diversen Diensten auf einem oder mehreren anderen Sensorknoten übertragen werden. t Technologie für drahtlose Sensornetze tokoll Schichten Struktur Unternehmensnetze Das s-net -Network-Gateway (WSN-Gateway) verbindet drahtlose Sensornetze mit TCP / IP-Netzen und dient damit der einfachen Integration in bestehende Netzinfrastrukturen. Das WSN-Gateway stellt u. a. folgende Dienste zur Verfügung: protocol s-net -Network-Gateway stack: für die Einbindung in ttedmac: mit Hilfe von itsynchronisation und Zeitmultiplex mmunikation wird die tzwerkverbindung kontrolliert C: automatisches DCAA (Dynamic Centralized Antwort- Address Assignment): und Das DCAA ist ein Protokoll zur Vergabe von kurzen Sensor- hlermanagement (automatic repeat quest ARQ) netzadressen auf Basis einer langen, weltweit eindeutigen Identifizierungsnummer. Dieser Dienst ermöglicht eine eindeutige Zuordnung der Nachrichten zu den jeweiligen Sensorknoten bei einer effizienten Kommunikation durch kurze Adressen. Service Subscription: Die Service Subscription erlaubt in Anlehnung an das Publish / Subscribe-Entwurfsmuster das Abonnieren von Nachrichten. Netzwerkteilnehmer, die sich für Nachrichten eines bestimmten Dienstes interessieren, können sich hierfür am WSN-Gateway registrieren und erhalten somit vom Sensornetz eintreffende Nachrichten. inwk: organisiert die tenverfolgung in einer vermaschten umstruktur Inhärente Lokalisierung für eine ortsbezogene Aufgabenbearbeitung Die vermaschte Vernetzung schafft die Grundlage für die raumgenaue Lokalisierung von Sensorknoten innerhalb des s-net -Netzes. Basierend auf einem weiterentwickelten WCL-Algorithmus (Weighted Centroid Localization) berechnet der Sensorknoten selbstständig seine eigene Position aus den Positionen aller empfangenen Knoten. Diese Berechnung erfolgt sehr ressourcenschonend. Auf Anfrage oder in kontinuierlichen Zeitabständen kann die Position an eine zentrale Instanz gemeldet werden. Die Berechnung der Position direkt auf dem Knoten ermöglicht es Anwendungen auch ohne Netzwerkkommunikation z. B. einen Alarm bei Diebstahl auslösen. s-net Protokollstack Management Entity Network Layer TriNWK Logical Link Control LLC Medium Access Control SlottedMAC Beacon Data Frame Control Physical Layer PHY Meshed Data fer IIS s-net -Protokollstack

6 KOM-OS Application Layer Management Application 1 optional more Applications / Services Middleware Dynamic Address Assignment ID Management s-net Service Manager Localization Sensor Node Management Processing Communication Basic Functions EEPROM File System Memory Management s-net Protocol Stack Monitoring Timer Metering Protocol CloseUpRange Protocol Host Controller Interface Hardware Support s-net -Software-Architektur Fraunhofer IIS s-net -SYSTEMUMGEBUNG Die auf den Sensorknoten laufende s-net -Systemumgebung besteht aus dem s-net -Betriebssystem KOM-OS, Beobachtungsmechanismen (Monitoring), Hardware-Treibern, dem s-net -Kommunikationsprotokoll, der Applikation und einer Middleware. Für die Anbindung an die Außenwelt verfügen die Sensorknoten über ein Host-Controller-Interface (HCI). s-net -Betriebssystem KOM-OS ein flexibler Baukasten für Anwender und Entwickler KOM-OS ist ein multitask-fähiges Betriebssystem, ausgelegt für eine effiziente Nutzung des Arbeitsspeichers in eingebetteten Systemen und drahtlosen Sensornetzen. Dank seiner modularen Konfiguration lassen sich verschiedene Anwendungen und Dienste, die auf den integrierten Systemen laufen, einfach in das System einbeziehen. KOM-OS präsentiert sich dem Anwender und Entwicklern damit als flexibler Baukasten. KOM-OS ist ein schlankes Echtzeit-Betriebssystem, welches nach den Prinzipien der Objektorientierung und konzeptbasierten Programmierung für Embedded-Systeme entworfen wurde. Es arbeitet mit präemptiven Multithreading-Verfahren, welches es erlauben laufende Threads zu unterbrechen. Dieses Verfahren ermöglicht es, eigene Anwendungen auf den Sensorknoten zu entwickeln, ohne den zeitlichen Ablauf des Kommunikationsprotokolls zu stören. Zusätzlich bietet KOM-OS auch die Möglichkeit kooperative Verarbeitungen zu realisieren. Die klassischen Mechanismen eines Betriebssystems wie Nachrichten (Messaging), Speicherverwaltung, Systemzeit, Timer und Objektverwaltung sind verfügbar. Anwendungen einfach integrieren Projektspezifische Applikationen können über drei verschiedene Schnittstellen in die s-net -Systemumgebung integriert werden: Die Anwendung kann von einer Vorlage des Systems (Template) abgeleitet werden, die dann innerhalb des Systems hinterlegt wird. Das KOM-OS-Betriebssystem liefert alle notwendigen Funktionen, um eine Anwendungskomponente zu definieren und zu integrieren. Für die Datenkommunikation mit anderen Sensorknoten, Diensten oder dem Backend-System kann eine Anwendung die dienstorientierte Nachrichtenaustauschfunktionen des s-net -Service Managers nutzen. Für lokale Hardware-Treiber und vergleichbare Anwendungen werden spezielle Schnittstellen zur Programmierung der grundlegenden Funktions- oder Steuerkomponenten genutzt.

7 s-net -HARDWARE-REFERENZDESIGN Die einzelnen Knoten in einem Sensornetz bestehen typischerweise aus einem Funk-Frontend und einem Mikroprozessor- System, auf dem ein Protokollstack und die Applikation laufen. In einem Sensornetz übernehmen die beteiligten Knoten verschiedene Rollen. Stationäre Knoten dienen meist der Datenweiterleitung (Router) oder bilden die ortsfeste Basis für die Lokalisierung (Anker-Knoten). Die mobilen Sensorknoten, je nach Anwendungsanforderung mit verschiedenen Sensoren oder Aktoren ausgestattet, übernehmen die dem Sensornetz zugeteilte Aufgabe (z. B. Sammlung von Temperaturwerten). Den Übergang von einem Sensornetz zu einem weiterverarbeitenden Netzwerk z. B. ein IP-Netzwerk übernimmt ein Gateway-Knoten. Die am Fraunhofer IIS entwickelten Sensorknoten- Hardwareplattformen arbeiten u. a. im 868 Megahertz bzw. im 2,4 Gigahertz Frequenzbereich bei minimalem Stromverbrauch und hohen Datenraten. Die Referenzdesigns haben unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte, die von Smart Metering, über Sensordatensammlung und Zustandsüberwachung bis zur Lokalisierung reichen. Sie stellen die Basis für kundenspezifische System- und Produktentwicklungen dar. Systemeigenschaften, Sensorik, Schnittstellen oder Bauform lassen sich individuell anpassen. Sie ermöglichen sowohl einfache Telemetrie-Anwendungen als auch komplexe drahtlose Sensornetze. Energieeffizientes Design Bei allen Sensornetzplattformen des Fraunhofer IIS wurde beim Design auf eine möglichst geringe Stromaufnahme geachtet, um extrem langlebige batteriebetriebene Systeme realisieren zu können. Für batterieautarke Systeme greifen wir auf Schlüsseltechniken aus den Bereichen Powermanagement und Energy Harvesting zurück. Plattformabstraktion für eine schnelle Anpassung an Kundenanforderungen Damit das Fraunhofer IIS möglichst schnell auf individuelle Kundenanforderungen bezüglich der Hardwareeigenschaften reagieren kann, wurde eine Plattformabstraktion realisiert. Daher kann eine plattformspezifische Firmware in Abhängigkeit von den verwendeten Baugruppen und Komponenten kurzfristig generiert werden. Überführung in die Serienfertigung Wir besitzen langjährige Erfahrung in den Bereichen Systemintegration, Überführung in die Serienfertigung sowie Konformitätsprüfung und Zulassung von drahtlosen Sensornetzen. Wir unterstützen unsere Kunden vom Konzept bis zum Produkt: Durchgängiger Design-Flow, Spezifikation, Produktund Schaltungskonzept, Schaltplan- und Leiterplattendesign, Fertigungsvorbereitung, Precompliance-Tests, Konformitätsbewertung und Marktzugang (z. B. rechtliche Bedingungen).

8 Anwendungen und Projekte Zahlreiche Anwendungen können durch drahtlose Sensorknoten erweitert und damit komfortabler und effizienter werden. Mit der s-net -Technologie fokussiert das Fraunhofer IIS drei Bereiche: Langlebige Systeme zur verteilten Datenerfassung (z. B. Smart Metering im Gebäudebereich) Lokalisierung von Personen und Objekten (z. B. Asset Management in Kliniken) Systeme zur eigenständigen Bearbeitung von Aufgaben (z. B. Smart Objects zur Überwachung von Lieferketten) In den letzten Jahren wurde auf Basis der s-net -Technologie eine Vielzahl von Messtechnik-, Überwachungs- und Steuerungsanwendungen mit drahtlosen Sensornetzen realisiert. Projektbeispiele Smart Metering drahtlose Verbrauchswerterfassung Verbrauchsabhängige Tarife, automatisiertes Auslesen und genauere Prognosen sind mit dem Einsatz von drahtlosen Sensornetzen im Smart Metering möglich. Während bislang zum Auslesen von Haushaltszählern jeder einzelne Zähler direkt geprüft werden musste, ist es mit der s-net -Technologie möglich, die Zähler gesammelt und per Funk auszulesen. Die dabei eingesetzten Funkknoten tauschen bidirektional Daten drahtlos mit einem Masterknoten aus, der sie dann gesammelt an die gewählte Abfragestelle weiterschickt. Das minimiert Fehler und Aufwände deutlich, die beim manuellen Ablesen entstehen. Das Fraunhofer IIS bietet alle wichtigen Komponenten für den Bereich Smart Metering an: Vom lizenzierbaren Hardwaredesign für die Funkmodule im Zähler über individuell anpassbare Protokollsoftware für die Vernetzung der einzelnen Funkknoten bis zu modularen Service- und Anwendungsbausteinen. Über flexible Schnittstellen passt sich die s-net -Technologie an Zähler und Zählerprotokolle an. Auf Basis des patentierten Medienzugriffsprotokolls SlottedMAC des Fraunhofer IIS konnte beispielsweise die Firma VERAUT GmbH ihre Produktreihe VERICOM zur drahtlosen Übermittlung von Verbrauchsdaten realisieren. Die innovative Technologie lässt dabei eine bidirektionale Multi-Hop-Kommunikation zu. So können zum Beispiel Anweisungen oder Befehle an die Zähler über mehrere Funkknoten weitergegeben werden. Der extrem geringe Stromverbrauch erlaubt dabei eine Lebensdauer für batteriebetriebene Systeme von bis zu zwölf Jahren. Smart Objects Informationsgewinnung für das Internet der Dinge Die s-net -Technologie des Fraunhofer IIS für extrem energiesparende, drahtlose Sensornetze dient in verschiedenen Anwendungen als Basis für sogenannte Smart Objects. Dazu werden Objekte mit mobilen Sensorknoten ausgestattet und so zu»smart Objects«also intelligenten Objekten. Je nach Szenario übernehmen diese Smart Objects vielfältige Aufgaben. Um diese Anwendungsaufgaben modular als Software-Komponenten auf Knoten zu verteilen, wurde die serviceorientierte s-net -Kommunikationsplattform verwendet. Verschiedene Anwendungs- und Middleware-Dienste können somit nebeneinander und voneinander unabhängig die s-net -Technologie als Multifunktionsplattform nutzen. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Leitprojekt Aletheia dient dabei z. B. der Schaffung einer ganzheitlichen Sicht auf produktbezogenes Wissen für Hersteller, Händler und Kunden. Das Fraunhofer IIS beschäftigt sich in diesem Projekt mit der Nutzung und Einbindung von drahtlosen Sensornetzen zur Informationsgewinnung aus der physischen Umwelt. In einem Anwendungsszenario werden mit Hilfe von Smart Objects Informationen über Integritätsverletzungen auf Produkt-, Paletten- und Containerebene identifiziert, lokalisiert und kommuniziert. Als Integritätsverletzungen werden beispielsweise Transport-

9 schäden am Produkt oder unautorisiertes Öffnen von Containern betrachtet. In einem weiteren Anwendungsszenario werden drahtlose Sensornetze zur Überwachung von Maschinen oder Anlagen angewendet um so Einsätze von Wartungspersonal zu unterstützen. In beiden Anwendungsfällen werden die drahtlosen Sensornetze über eine diensteorientierte Architektur an semantische Informationssysteme angebunden. Das EU-geförderte Projekt SMMART (System for Mobile Maintenance and Trace in Aeronautics) trieb die Nutzung von Sensornetzen zur Optimierung von Wartung und Ersatzteillogistik bei Nutzfahrzeugen voran. Es konnte exemplarisch gezeigt werden, dass drahtlose Sensornetze helfen können, kritische Komponenten am Fahrzeug zu überwachen und Sensordaten zeitnah über ein Gateway an eine Zentrale zu versenden startete das weiterführende EU-Forschungsprojekt MoDe (Maintenance on Demand) zum Einsatz von drahtlosen Sensornetzen im Bereich der bedarfsorientierten Wartung von Nutzfahrzeugen. Ziel ist die sensorbasierte Optimierung von Wartungsphasen, Reparaturfällen und Ausfallzeiten von LKWs. MoDe wurde 2012 mit Erfog abgeschlossen. Lokalisierung von Personen und Objekten Asset Tracking und Prozessmanagement in Kliniken und Krankenhäusern Mit dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) geförderten Projekt OPAL Health werden Prozesse im Klinikalltag optimiert und sicherer gestaltet. Wichtigste Innovation des Vorhabens war die Entwicklung einer Multifunktionsplattform von mobilen, intelligenten, drahtlos vernetzten Objekten und deren Integration in Krankenhausinformationssysteme. Sie dienen zur Lokalisierung und Temperaturüberwachung von Blutkonserven, zur Zuordnung der Blutkonserve zu den Patienten und zur Lokalisierung von medizinischen Geräten. Die in OPAL Health realisierten Dienste sind: Asset-Tracking: Die Smart Objects übertragen periodisch oder auf Anfrage die aktuelle Position. Weiterhin kann durch einen Befehl jeder Knoten angesprochen werden, um für die Suche nach einem bestimmten Gerät ein akustisches Signal auszugeben. Condition-Monitoring: Dieser Dienst übermittelt die Temperatur von Blutprodukten in einem konfigurierbaren Intervall. Jeder Temperaturwert wird zusätzlich persistent auf dem Knoten gespeichert, um ihn ggf. nachträglich zu senden. Des Weiteren wurde im Projekt Olog-PAT (gefördert durch die bayerische Staatsregierung aus EU EFRE Mitteln) ein auf Sensornetzen basiertes System zur Verbesserung der Patientenlogistik in Kliniken realisiert. Die Positionsbestimmung der Patienten erfolgt dabei mit Hilfe der s-net -Technologie. Damit können präzise Prozessinformationen für die beteiligten Abteilungen generiert werden. Dies bedeutet einen reduzierten Koordianationsaufwand zwischen den Krankenhausabteilungen, eine verbesserte Dokumentation und eine erhöhte Transparenz über Belastungszustände von Ressourcen. Darüber hinaus werden lange Suchprozesse vermieden. Insgesamt wurde für das Krankenhausumfeld eine generische Plattform geschaffen, die typische Anforderungen aus dem Gesundheitswesen erfüllt: Identifikation von Objekten und Personen Überwachung und Dokumentation von Zustands- bzw. Umgebungsparametern Lokalisierung von Personen und Objekten Erkennung, Dokumentation und damit Überwachung von wichtigen Ereignissen Sicherheit Im Fraunhofer Übermorgen-Projekt SENEKA arbeiten Rettungskräfte, Sensoren und Roboter erstmals im Team, um die Zeit für die Aufklärung und Detektion von Opfern und Gefahrenquellen zu verkürzen. Hierfür werden störungsadaptive und fehlertolerante Funk-Komponenten auf Basis von s-net und kommerziell verfügbaren WLAN-Komponenten realisiert.

10 Unser Angebot DIE OPTIMALE LÖSUNG FÜR JEDE ANWENDUNG Drahtlose Sensornetze eröffnen durch verteilte Datenerfassung, dezentrale Anwendungssoftware, Selbstorganisation der Kommunikation und Multi-Hop-Datenübertragung völlig neue Möglichkeiten. Da Sensorknoten üblicherweise nur eine begrenzte Energiemenge zur Verfügung haben (z. B. über eine Batterie oder Energy Harvesting), stellt die Realisierung der drahtlosen Kommunikation eine besondere Herausforderung dar. Wenn zusätzlich große Netze, mobile Teilnehmer und aktive Dienste gefordert sind, scheitern Standardlösungen wie z.b. Bluetooth oder ZigBee. Zum Einsatz muss dann ein optimiertes Kommunikationsprotokoll kommen, für das je nach Anwendung die Anforderungen hinsichtlich zur Verfügung stehender Energie, erlaubter Latenz, benötigter Datenrate, Anzahl der Knoten und gewünschter Topologie geklärt und abgewogen werden müssen. Diese Abwägung ist notwendig, da nicht alle Anforderungen gleichermaßen erfüllt werden können. Das Fraunhofer IIS nutzt sein spezielles Know-how zur Entwicklung einer kundenindividuellen Lösung. In jedem neuen Projekt durchlaufen wir mit unseren Kunden in einer Anforderungs- und Konzeptphase nachfolgende Schritte. Damit stellen wir sicher, dass Sie die Lösung bekommen die Sie benötigen! Nach der Festlegung der Anforderungen und deren Priorität skizzieren wir die Lösungsidee mit Ihnen und arbeiten ein Lösungskonzept aus: Festlegung von Protokollparametern Analyse Datenaufkommen, Datensicherung, Aggregation / Filterung Energiekonzept /-abschätzungen Konzept zur Integration Abstimmung mit anderen Funksystemen Bedienkonzept ID- und Adressierungskonzept Software-Architektur Konzepte für Update / Wartung / Monitoring der Module im Betrieb Definition der Hardware-Plattformen Schnittstellen / Treiber Funkmessungen in der Zielumgebung Abschätzung des Realisierungsaufwands mit Zeitplan Aufteilung der Zuständigkeiten Die Kompetenzen des Fraunhofer IIS im Bereich drahtlose Sensornetze reichen von der Beratung im Vorfeld und der Auswahl der geeigneten Protokolle bis zur Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen und Anwendungen.

11 Beratung Unterschiedliche Anwendungen mit spezifischen Eigenschaften erfordern eine Abwägung der Prioritäten wie Energieverbrauch versus Latenz der Datenübertragung oder die Auswahl des Frequenzbandes unter Sicherheits-, Störungs- und Datenratengesichtspunkten. Beim Design eines selbstorganisierenden Sensornetzes ist daher die Ermittlung der Anforderungen, die eine Anwendung stellt, sehr wichtig. Die Ingenieure am Fraunhofer IIS unterstützen Sie hierbei mit ihrem Wissen und ihrer Erfahrung. Lizenzierung des s-net -Protokollbaukasten Um vielfältigen Anwendungen gerecht zu werden, muss die Kommunikationssoftware flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden können. Unsere s-net - Protokolltechnologie ist durch seine modulare Softwarearchitektur hierfür prädestiniert. Neben Standard-Lösungen erlaubt dies vor allem die Zusammenstellung kundenspezifischer Software-Pakete. Für eine individuelle Protokollzusammenstellung bzw. -erweiterung durchlaufen wir mit Ihnen mehrere Schritte: Klärung der genauen Anforderungen an die Systemfunktionalität mit dem Kunden Erstellung des Systemkonzepts mit Freigabe durch den Auftraggeber Implementierung der Systemfunktionalität ausführliche Systemtests Dokumentation der Methode Support bei der Inbetriebnahme Release-Management Übergabe-Workshops und Schulungen Lizenzierung Hardware-Referenzdesign Jede am Fraunhofer IIS entwickelte drahtlose Sensornetz- Hardware kann für eine eigene Produktentwicklung lizenziert werden. Das Fraunhofer IIS verfügt über fertige Teillösungen für Funkmodule in den verschiedenen Frequenzbändern (402 MHz, 434 MHz, 868 / 915 MHz, 1,9 GHz, 2,4 GHz und 5,8 GHz). Die Module lassen sich entweder unverändert produzieren, oder die Design-Unterlagen sind Ausgangspunkt für Ihre individuelle Lösung. Als unabhängiges Entwicklungshaus für Antennen bieten wir Ihnen zusätzlich ein maßgeschneidertes Antennendesign für Ihre Funklösung an: Entwicklung, Simulation, Aufbau und Test verschiedener Antennentypen sind bei uns möglich. Entwicklung Mit unserem s-net -Protokollbaukasten und Hardware- Referenzdesign für die Realisierung großflächiger und langlebiger, drahtloser Sensornetze stellen wir Ihnen die Basis für Lösungen bereit, die auf Ihre Wünsche zugeschnitten sind. Da das Fraunhofer IIS über fertige Teiltechnologien verfügt, können wir Ihnen eine schnelle Prototypenentwicklung bieten. Ergänzendes Technologieangebot Wenn Batterien nicht ausreichen oder nicht gewünscht sind kann die extrem energiesparende s-net -Technologie die benötigte Energiemengen auch über Energy-Harvesting-Lösungen aus der Umwelt beziehen, wie z. B. durch Temperaturunterschiede oder Vibrationen. Das Fraunhofer IIS bietet hierfür sowohl Einzelkomponenten als auch fertige oder anpassbare Gesamtsysteme zur System- oder Geräteintegration an. Für spezielle Anwendungsfelder stehen Sensorknoten mit unserer patentierten Wake-Up-Receiver-Technologie zur Verfügung.

12 Weitere Informationen finden Sie unter Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Institutsleitung Prof. Dr.-Ing. Albert Heuberger Am Wolfsmantel Erlangen Abteilung Kommunikationsnetze Nordostpark Nürnberg Dipl.-Ing. (FH) Dipl.-Wirt.Ing. (FH) Karin Loidl Telefon Fax /2013 Ritter