Entwicklung und Erprobung eines Geo-Sensornetzes zur Überwachung von Rutschhängen

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1 Geodätisches Kolloquium der Technischen Universität Braunschweig Wintersemester 2007/ 2008 Entwicklung und Erprobung eines Geo-Sensornetzes zur Überwachung von Rutschhängen Otto Heunecke Institut für Geodäsie Universität der Bundeswehr München Braunschweig, 7. Februar Am Anfang steht die Inspiration! Definition Bionik 1 : Wissenschaft, die sich mit der technischen Umsetzung und Anwendung von Konstruktions-, Verfahrens- und Entwicklungsprinzipien biologischer Systeme, also mit der Entschlüsselung von Ergebnissen der biologischen Evolution und ihre innovative Umsetzung in die Technik befasst. Leitgedanke ist das Lernen von der Natur. Beispiele: Winglets Lotus-Effekt Kofferfisch 1 Seit ca ein Kunstwort aus Biologie und Technik. 2 1

2 Bionik: Neue Begriffe, Sachverhalte und... Swarming: Ein Schwarm ist eine Gruppe von Individuen, die mittels direkter Kommunikation selbstorganisiert und ohne zentrale Lenkung miteinander agieren und damit ihre Effizienz steigern. Die Besonderheit des Schwarms liegt in seiner Fähigkeit, sich schnell zu formieren und ohne vorherige Planung flexibel und koordiniert zu handeln. Swarm Intelligence: Schwarm-Intelligenz findet man in der Natur insbesondere bei Insekten wie Ameisen oder Bienen. In ihren Kolonien scheint jedes einzelne Tier seine Aufgabe zu erfüllen, ohne dass es einer Überwachung bedarf. Dennoch wirken diese Kollektive hoch organisiert. Die Koordination der Aktivitäten basiert in starkem Maße auf ständiger Interaktion zwischen den Individuen. 3 ihre technischen Umsetzung: Sensornetze Um ein vollständiges Gesamtbild zu bekommen, muss die Information von vielen Stellen (= Sensorknoten) permanent oder ereignisgesteuert zusammengeführt werden. Definition Sensornetz(werk) [ Wireless Sensor Network, WSN]: A sensor network is an infrastructure comprised of sensing (measuring), computing, and communication elements that gives an administrator the ability to instrument, observe, and react to events and phenomena in a specified environment. (SOHRABY et. al., 2007) There are four basic components: a) an assembly of distributed or localized sensors; b) an interconnnecting network (usually, but nor always, wireless-based); c) a central point of information clustering; and d) a set of computing resources at the central point (or beyond) to handle data correlation, event trending, status querying, and data mining. J. Wiley & Sons, New Jersey,

3 Aufbau eines Sensorknotens Sensor Node Sensing unit #1 Processing unit (Contol unit) Communication unit (wireless/wireline) Sensing unit #2 (temporäry) Storage unit Location finding system Sensing unit #p Optionally: Data preprocessing Optionally: Acuator/ Mobilizer Power unit(s) GÜNTHER et al. (2008): DEVELOPMENTS TOWARDS A LOW-COST GNSS BASED SENSOR NETWORK FOR THE MONITORING OF LANDSLIDES, Lisbon (in preparation) 5 Ausprägungen und Merkmale von Sensorknoten - An einem Sensorknoten können mehrere Sensoren (p) angeschlossen sein; - die Auswertung der Messinformation verlangt eine Lokalisierung mit Bezug auf benachbarte Knoten bzw. eine Georeferenzierung, insb. bei bewegten Knoten; - die Zuordnung der Messinformation verlangt die zeitliche Zuordnung, wobei sich je nach Dynamik der Prozesse die Anforderungen an die Synchronisation ableiten; - Sensorknoten können die Fähigkeit besitzen, Steuerimpulse vorzunehmen ( Aktoren ); - Sensorknoten können allein die Aufgabe haben, Daten zu sammeln und weiterzuleiten ( Relais-Stationen ); - Sensorknoten müssen eine eindeutige Adressierbarkeit haben; - Sensorknoten arbeiten zeit- und/oder ereignisgesteuert; - die Energieressourcen sind im autarken Betrieb von wesentlicher Bedeutung; - Sensorknoten können die Fähigkeit haben, durch Vorverarbeitung die zu versendenden Datenmengen zu reduzieren; - zur Optimierung können Aggregationsknoten ( Repeater-Rechner ) eingeschaltet werden, wo Sensordaten nicht nur gesammelt sondern auch vorverarbeitet werden. 6 3

4 Kommunikation in einem WSN: star-based vs. mesh-based Sensorknoten #2 Sensorknoten #2 Sensorfeld Sensorfeld Sensorknoten # p Sensorknoten # p p p 1.3 Sensorknoten #q Relais- Station #2 wireless wireline Static Routing Relais- Station #1 Relais- Station #2 wireless Relais- Station #1 Sensorknoten #q = Relaisstation #3 Dynamic Routing Multi-Hop Zentralstation Zentralstation 7 Kommunikation in einem WSN: star-based vs. mesh-based Sensorknoten #2 Sensorknoten #2 Sensorfeld Sensorfeld Sensorknoten # p Sensorknoten # p p p 1.3 Sensorknoten #q Ausfall! Relais- Station #1 Ausfall! Relais- Station #1 Sensorknoten #q = Relaisstation #3 Relais- Station #2 Static Routing Relais- Station #2 Dynamic Routing Multi-Hop Zentralstation Zentralstation 8 4

5 Beispiel WSN für Gebäudemanagement: Smart Home Das Intelligente Haus : Sensor-Aktor- Systeme für den privaten Lebensbereich Aufgaben u.a.: - Prüfung der Anwesenheit von Personen; - zeit- und/oder ereignisgesteuerte Aktivierung/Deaktivierung elektr. Geräte; - Optimierung von Heizung und Lüftung. Aktuelle Fragestellungen: - Nachrüstbarkeit bestehender Gebäude; - Bedienungskomfort (u.a. Sprachsteuerung); - externer Zugriff von Dienstleistungsfirmen. 9 und weitere Anwendungen Wetterdienste Klima & Umwelt Militär Vernetzte Operationsführung (NetOpFü) Beobachtungsnetz des DWD: - 9 atmosph. Sondierungsstationen bemannte Wetterstationen - 52 automatische Wetterstationen nebenamtliche Klimastationen Niederschlagsstationen Erfassung von Klimadaten in den Huntington Botanical Gardens, USA Den Streitkräften steht ein Wandel bevor, der so revolutionär ist wie der Übergang vom Schwert zum Gewehr. Y., 05/2007, S

6 Definition Geo-Sensornetz(werk) [GeoSN]: A geosensor network may be loosley definded as a sensor network that monitors phenomena in a geographic space. (NITTEL et al. (2003): REPORT FROM THE FIRST WORKSHOP ON GEO SENSOR NETWORKS, Portland/Maine) GeoSN sind Sensornetze, bei denen der Raumbezug der erfassten Informationen von zentraler Bedeutung ist. Das Aufgabenspektrum ist im Wesentlichen: - Datenerfassung für Steuerungen: Führungs- und Leitsysteme; - Datenerfassung für Überwachung: Frühwarnsysteme, Katastrophenmanagement. GeoSN können auch die Vorhaltung des Raumbezugs und seiner Veränderungen als primären Zweck haben. Die Sensorknoten sind geprägt durch die Nutzung geodätischer Instrumente und Verfahren. Vergleiche die Wortschöpfungen: - Geo-Information; - Geo-Informationssysteme; - Geo-Informatik; - Geo-Daten; - Geo-Dateninfrastruktur; - Hinweis: Der Begriff eines Netzes steht zunächst für die kommunikative Vernetzung der Sensorknoten, nicht für die räumlichen Bezüge der Sensorknoten untereinander. In einem GeoSN ist es beides. 11 Gibt es so etwas nicht schon? EUREF IGS - Aktive Referenzsysteme [national, kontinental, global] - (regionale) Frühwarnsysteme - Leit-/Führungssysteme - sind Geo-Sensornetze Tsunami Early Warning System (TEWS) Kontrollbrücke On-Board-Unit (OBU) 12 6

7 Ein GeoSN für ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen Ingenieurgeodätische Überwachungsmessungen gemäß E DIN : Vermessungen zur Feststellung von Bewegungen und Verformungen eines Messobjekts. Eingang: Messobjekt (z.b. Bauwerk): natürliche Belastungen Geometrie des Objekts künstliche Belastungen Materialparameter Materialverhalten Kausalkette eines dynamischen Systems Temperatur Reaktion: Starrkörperbewegungen Verformungen Eingangsgrößen (exemplarisch) Deformation GPS Intentionen der Entwicklung eines Stauhöhe GeoSN für Überwachungsmessungen ( lokales Frühwarnsystem ): - Commercial off the shelf bzgl. Hard- und Software; - kostengünstig, aber leistungsfähig; geodätische Überwachungsmessungen (exemplarisch) Thermometer, Pegel Lotanlage - multifunktionell (universell einsetzbar, lösen von proprietären Formaten); - multisensorisch (zunächst primär bzgl. der Reaktionsseite einer Kausalkette); - duales System (Trennung Datenakquisition und Auswertung). Extensometer Objektpunkte Tachymetrie 13 Gibt es solche GeoSN nicht schon? Weitere Geo-Sensorsysteme am Markt: - GeoMonitor/Davis, Solexperts AG, CH - MCC/GLA, Glötzl Baumeßtechnik, D - MOSTUM, TU München, D - IVM-CODMS (Grazia), TU Graz, A - DANA2000, Furuno Electric, J - SMMS, FH Bochum,D - GNOPOM, GEO++,D - DC3/GOCA, FH Karlsruhe/ Dr. Bertges, D

8 Was heißt denn hier typisch? WSN s are typically composed of a large number of low-cost, low-power, multifunctional wireless devices deployed over a geographical area in an ad hoc fashion and without careful planning. Harnessing the potential benefits of WSN s requires a high-level of self-organization and coordination among the sensors to perform the tasks required to support the underlying application. At the heart of this colloborative effort... is the need for wireless sensor nodes to self-organize into a multihop wireless network. (SHORABY et al., 2007) hinzu kommt ev. auch noch (Web-Recherche): - Miniaturisierte Bauweise ( Smart Dust ); - geringe Stückkosten, da Massenware (q > 1000); - robust gegen äußere Einflüsse (z. B. beim Abwurf aus Flugzeug); - eigenständiger Abbau (Zersetzung) statt kontrolliertem Rückbau; - Aber: - Es gibt kein universelles Sensornetz, die Anwendung bestimmt die Spezifikationen! - Obige Angaben sind nicht immer gleichermaßen relevant! - Die Angaben sind zum Teil nur relativ zu verstehen! - Es finden sich praktisch keine Aussagen zu Datenmengen und zur Datenqualität! 15 GeoSN: Grundsätzliche Überlegungen bzgl. Hard- und Software Sensorfeld ggf. Alarmierung, u.a. via SMS, Sensorknoten 1 Sensorknoten 3 Sensorik Sensorknoten 2 Sensorknoten q Kommunikation Zentralstation Datenzusammenführung / -aufbereitung Duales System Auswertung / Visualisierung / Archivierung Fernwartung Datenabfrage Datenabfrage Host-Rechner Admin-Modus Host-Rechner Viewer-Modus on-site Verlagerung optional Konkretisierung bei der Entwicklung an UniBw: - Welches Anwendungsspektrum? - Welche geeignete Sensorik für welche primären Messgrößen? - Welche geeignete Kommunikationskomponenten bei welchen Datenmengen? a) im Felde b) Zentralstation Host Rechner Admin Modus / Viewer Modus - Welche geeignete Auswertesoftware? 16 8

9 GeoSN: Spezifizierung der Anforderungen Anwendungsspektrum: Überwachung typischer Messobjekte wie Staumauer oder Rutschhang; d.h. Bewegungen in der Größenordnung mm-cm/tag ( langsame Veränderungen ). Somit hohe Genauigkeitsanforderungen an die Punktbestimmungen bei Messzyklen in der Größenordnung einiger Minuten bis ev. Stunden (Synchronisation unkritisch). Primäre Messgrößen: Verschiebungen in x, y und/oder h, Neigungen. Geeignete Sensorik für primäre Messgrößen: Motorisierte Tachymeter und Digitalnivelliere, DGNSS-Empfänger, elektro. Libellen. Ziel: Modularer Aufbau, kein Festlegen auf Hersteller und proprietäre Formate. Allgemeine Gesichtspunkte: - Geplante Adaption der Sensoren/Sensorknoten am Objekt (geplantes Ausbringen); - geplante Kommunikationswege (Netztopologie ist bekannt, kein Ausfall zu erwarten); - Nutzung aller geeigneten Kommunikationswege (wireless / wireline); - relativ wenige, dafür aber (relativ) hochwertige Sensorknoten (keine Massenware); - Miniaturisierung der Sensoren/Sensorknoten ist ein sekundäres Problem; - Rückbau des Systems bei Beendung der Überwachung (kein ungeplanter Verlust); - gesichertes Powermanagement der Sensorknoten (kein reiner Batteriebetrieb). 17 Geodätische Instrumente als Sensorknoten Beispiel motorisierte, zielsuchende Tachymeter Leica TCA 2003 Objektpunkte... p 2 1 Drahtlose Kommunikation Sensorknoten Prozessor (Controller + EEPROM) Sensor(en) (Informationsaufnahme) Kommunikationseinheit (Datenübertragung) RS232 i.d.r. kabelgebunden (Lemo-Buchse) tp,, Fähigkeit zur Lokalisierung bzw. Georeferenzierung Optional: Fähigkeit zur Datenzwischenspeicherung Energieversorgung PCMCIA Referenzpunkte 18 9

10 Sensorknoten Typ Tachymeter Hardware-Voraussetzungen: - Motorisierung der Achsen; - automatische Zielfindung (z. B. mit Leica ATR-Funktion); - verfügbarer Befehlsdatensatz (z.b. Leica GeoCOM); - instrumenteninterne Auswertung (alternativ Übermittlung originärer Messelemente). Tastatur, Display, Feintriebe, Tragegriff überflüssig! Kommunikation, Steuerung: - Standard: Kabelgebunden über serielle Schnittstelle (RS232); - Half Duplex ( Polling ): Frage & Antwort mit Steuerrechner; Zyklus: Stand by Betrieb Wake up via RS232 Instrument Online (GeoCOM-Modus); Durchführung der Messoperationen, Vorverarbeitung im Instrument, Zwischenspeicherung Weitergabe via RS232 Stand by Betrieb. - Adressenzuweisung der Ziele über Näherungskoordinaten und Reihenfolge. PINK (2007): ENTWICKLUNG UND EPROBUNG EINES MULTIFUNTIONELLEN GEO-SENSORNETZ- WERKES FÜR INGENIEURGEODÄTISCHE ÜBERWACHUNGSWACHUNGEN. Diss. UniBw M 19 Nutzung GNSS: RTK vs. Near Realtime Processing (NRTP) Real Time Kinematic Erzeugung Korrektursignale Korrektursignale, z.b. RTCM, i.d.r. via Datenfunk Rover - Code- und Phasenregistrierung - Empfang Korrektursignale - phasenbasierte Positionsbest. Referenzstation Konzipiert für Absteckung und Geringe Eingriffsmöglichkeiten, Aufnahme Online Monitoring Korrektursignale, z.b. RTCM, i.d.r. via Datenfunk Referenzstation Zentralstation Geringe Eingriffsmöglichkeiten, Konzipiert für Überwachung z.b. NMEA i.d.r. via Datenfunk (berechnete Baseline) Rover Near Real Time Processing, 1 Kanal Zentralstation (binäre) Rohdaten, z.b. via WLAN Vorkonfigurierte Empfänger mit Interface Code- und Phasentracking (z.b. mit 1 Hz über 15 min) - Konvertierung Rohdaten - NRTP, batchgesteuert Umfangreiche Gestaltungsmöglichkeiten, Konzipiert für Überwachung Near Real Time Processing, 2 Kanal (binäre) Rohdaten, z.b. via WLAN Konfiguration der Empfänger, z.b. neuer Elev.-winkel Zentralstation Eingriffsmöglichkeiten im laufenden Betrieb (u.a. Ereignissteuerung) 20 10

11 GNSS: high end vs. low cost High End: Oft gleichgesetzt mit L1/L2-Instrumenten, die über eine Bedien- und Speichermöglichkeit verfügen und neben dem Code auch die Trägerphase messen können. Geodätischer Empfänger Low Cost: Oft gleichgesetzt mit einfachen Handhelds, die nur eine Codelösung (ev. differentielle Codelösung; u.a. EGNOS) bieten. GNSS Board: Herzstück des Empfängers (Platine, PCI Steckkarte), PIN-Anschluss von Antenne, Strom, Datenein-/ausgang. Enclosures: Gekapseltes Komplettsysteme ohne eigenes Bedienfeld, i.d.r. externe Energieversorgung (z.b. GPS-Maus ) - verfügbar mit integrierter oder externer Antenne; - verfügbar als GPS L1/L2 und als L1; GPS+Glonass; - nur Code oder auch Code- und Trägerphasentracking; - mit/ohne Trägerphasenauswertung. Enclosures mit der Möglichkeit zum Trägerphasentracking sind für Überwachungsausgaben sehr gut geeignet und preislich attraktiv. Low Cost heißt nicht Low Accuracy! 21 Low Cost GNSS: Novatel Smart Antennas Smart Antennas: Gekapselte Komplettsysteme aus Board und Antenne GNSS Anz. Kanäle Genauigkeit Phasenmessung Messfrequenz Stromversorgung Schnittstellen Robustheit Novatel Smart Antenna GPS 12 L1 all-in-view 1 cm rms max. 10 Hz V; 1,4 W RS-232 / RS-422 MIL-STD-810E Novatel Smart-V1G Antenna GPS + Glonass 14 L1 all-in-view 0,15 cm rms max. 20 Hz 9-24 V; 1,2 W RS-232 / RS-422 / USB MIL-STD-810F Gewicht 575 g 115 mm Durchmesser 90 mm Höhe Verfügbar seit Okt Konfiguration über serielle Schnittstelle: Novatel StarView - Aufzeichnungsrate; - Elevationswinkel;

12 Near Realtime Batchprocessing mittels GravNav Konzeption (Dissertation S. PINK, 2007): - Aufzeichnung Trägerphasen an Empfängern (z.b. mit 1 Hz); - Akquirierung über bestimmtes Zeitintervall (z.b. 15 min.); - Versenden der Datenpaketen (via WLAN, Polling) an Zentralstation; - Mehrdeutigkeitslösung mit GravNav, Waypoint/Novatel (alle 15 min. eine Position); - Steuerung des gesamten Batchprozesses über LabView, Nat. Instruments; - Generierung von ASCII-Exportdateien (im GKA-Format, GOCA). Leistungsumfang GravNav: - Einlesen Rohdaten verschiedener Empfängertypen (WP Convert: Novatel Binär GPB-Format); - automatisierbar (Batchprozess-Einbindung); - modular strukturiert (statisch/kinematisch/ ); - Generierung von ASCII Outputdateien (mit kompletter Kovarianzinformation der Baselines). 23 Wege der Kommunikation: Übertragungsmedien X QUELLE SENDER KANAL EMPFÄNGER Y SENKE simplex duplex t 2 t 1 half duplex Drahtgebundene/leitungsgebundene Kommunikation (wireline): Auswahl Vorteile: Auswahl Nachteile: - Hohe Übertragungsrate - Hoher Installationsaufwand - Geringe Dämpfung/Störung - Kabelverlegung tw. unmöglich - Abgeschlossenes Medium - Gefahr der Beschädigung des Mediums - Spezifizierter Übertragungsweg - Ortsgebundene Nutzung Drahtlose Kommunikation (wireless): Übertragungsrate maßgeblich von der Frequenz abhängig. - Sehr flexibel - Frequenzen ev. genehmigungspflichtig - Geringer Installationsaufwand - Dämpfung von Atmosphäre abhängig - Flächendeckende Nutzung - Nicht abgeschlossenes Medium - Nicht spezifizierter Übertragungsweg Optionen: GSM (GPRS) bzw. UTMS / Datenfunk / WLAN / Bluetooth / ZigBee (Infrarot hier ohne praktische Bedeutung) 24 12

13 Wege der Kommunikation: seriell vs. netzwerkbasiert Zentralstation Zentralstation COM Port 1 Applikation COM Port 2 COM q 255 Port n (Win XP) Applikation Netzwerkanschluss IP-Adresse 1 + Port q Netzwerkstrang COM Port Sensorknoten 1 COM Port Sensorknoten 2 COM Port Sensorknoten q Netzwerkanschluss IP-Adresse 2+Port Netzwerkanschluss IP-Adresse 3+Port Netzwerkanschluss IP-Adresse q+port Sensorknoten 1 Sensorknoten 2 Sensorknotenq-1 Seriell: - Adressierung hardwaretechnisch - Kontrolle des Versands über Paritätscheck - Vorgabe Übertragungsgeschwindigkeit etc. Netzwerkbasiert: - Adressierung softwaretechnisch - Standardprotokoll TCP/IP (Full-Duplex) - Neue Protokolle bei WSN in Entwicklung 25 Drahtlose Kommunikation: Reichweiten und Übertragungsraten Funk GSM / GPRS WLAN Bluetooth ZigBee Standard Frequenz [GHz] Datenrate [Mbps] siehe BNetzA seriell 0,3-0,5 0,0096 siehe 3GPP 0,45-1,80 0,05-0,12 IEEE b 2,4 11 netzwerkbasiert IEEE g 2,4 54 IEEE netzwerkbasiert 2,4 0,7 IEEE netzwerkbasiert 2,1 0,25 Leistung <0,5W bis max. 35 km < 0,1W < 0,1W < 0,1W < 0,1W Anmerkungen Genehmigung, Funkadresse Laufende Gebühren Reichweite von Antenne und Umgebung abhängig bis max. 100 m bis ca. 10 m WAN GSM (GPRS) Funk UTMS WLAN Bluetooth LAN PAN ZigBee PAN: Personal Area Network, bis max. 100 m LAN: Local Area Network, bis ca. 3 km Reichweitenerhöhung durch geeignete Antennen WAN: Wide (regional, national) Area Network WLAN und Funk im direkten Vergleich: - Anschaffungskosten: WLAN deutlich günstiger als Funk; - Stromverbrauch: WLAN etwas günstiger als Funk; - Adressierbarkeit: WLAN einfacher als Funk; - Übertragungsraten: WLAN wesentlich besser als Funk

14 Link Budget: Datenfunk vs. WLAN Beispiel Datenfunkgerät F70, Dr. Bertges, Neuenkirchen Basiselement ist ein Board von Wood & Douglas Ltd, GB Adressierbarkeit der Funkgeräte Frequenzbereich MHz, Sendeleistung 0,5W Stromverbrauch 0,3 Ah (stand by), 0,7 Ah (senden) Datenübertragung 9600 bps Betriebsbereich -10 bis +55 C Verwendung z. B. beim Online Monitoring (DC3) Link Budget beim GNSS Near Realtime Processing: Notwendige binäre Nachrichten je Sekunde nach Angaben Novatel: Position (77 Byte), Ephemeriden (79 Byte), Phasenmessungen (149 Byte). Ein L1 Empfänger (12 Kanäle) generiert bei 1 Hz Aufzeichnungsrate ca. 305 Byte/sec. Bei Akquisition von 15 min entsteht ein Datenpaket von 274,5 KByte. Bei Übertragung mit 9600 bps macht dies 3 min 49 sec Sendezeit. Folge: Mehr als 3 Sensorknoten können sequentiell nicht bedient werden. Datenfunk ungeeignet, WLAN b benötigt 0,2 sec für die gleiche Datenmenge. 27 WLAN: Wireless Local Area Network Einbindung eines Rechners (Client): WLAN-Karte, Access Point Einbindung eines Sensor mit serieller Schnittstelle: COM-Server (Umsetzung RS232 TCP/IP) und WLAN-Bridge (Umsetzung LAN WLAN) Auch Kombinationen Server/Bridge als WLAN-COM-Server bis zu 8 x RS232 verfügbar. Ad-Hoc Netzwerk (peer to peer) Beispiele Wiesemann&Theiss, Typ x RS232, 9 polig 1 x RJ45, 1 x BNC Lantronix WiBox, 2 x RS232 Infrastrukturelles Netzwerk Basisstation - Keine Genehmigung erforderlich: - Verschlüsselung gegeben (SSID, WEP); - Reichweiten von Antennen abhängig, freie Sichten erforderlich; - Reichweitenerhöhung durch Relais-Stationen. LAN 28 14

15 Powermanagement Feldstationen Konzept: - Batteriespeisung mit Nachladung via - Solarpanel, - Brennstoffzelle, - alternativ Windrad (bisher nicht untersucht); - Kontrollierte Nachladung über Laderegler mit Abfragemöglichkeit Ladezustand via RS232; - Autonomiefaktor > 20 Tage; - Auslegung für Ganzjahresbetrieb. Pufferbatterie - 12V, 130 Ah - 0,08% Selbstentladung/Tag - Gel Batterie, 700 Ladezyklen Laderegler - Vermeidung von Tiefentladungen Windrad: - Wirkungsgrad geringer als Solar - Kosten ungünstiger als Solar Solarpanel Beispiel SUNSET AS W (Spitzenleistung) - Geeignet für Batterieladung Brennstoffzelle Beispiel EFOY Leistung 12 V, 25 W - Verbrauch 1,1 l Methanol/ KWh - 1 x Vollnachladung 130 Ah Bat. = 2 l Methanol 29 Leistungsbilanz für GNSS-Sensorknoten, Projekt Hornbergl Versorgungsspannung: 12 Volt Laderegler Herstellerangabe [W] 0,12 Gemessener Verbrauch [W] 0,3 Smart Antenna 1,4 1,3 WiBox (COM-Server) Gesamtsystem 2,0 3,52 1,2 2,9 Aus Diplomarbeit Kotthoff, UniBw 2008 U C W A : : : : Versorgungsspannung [V] Elektrizitätsmenge Batterie [Ah] Energiebedarf [Wh] Autonomiefaktor [h] U C 12 A= = 130 = 537 h = 22, 4 Tage W 29, Keine Probleme mit der Energieversorgung im bisherigen Einsatz am Hornbergl

16 GeoSN: Verfügbare und geeignete Auswertesoftware? Auswertesoftware mit offener Schnittstelle zur: - Online 3D-Überwachung mit GPS und seit 2006 auch Tachymetrie; - Modellierung eines konv. Def.-netzes; - Visualisierung, Filterung, Trendschätzung der Zeitreihen; - automatischen Alarmierung; - u.v.a.m. 31 Testaufbau an der UniBw, Frühjahr 2007 Benutze Richtantenne: CISCO Air-Ant Abstrahlwinkel 12 (Azimut, Elevation), Gain 21dBi - Durchmesser 61cm; Frequenzbereich 2,4 2,83 GHz - Temperaturbereich C - Reichweite (nach Prospekt) 32 km 230 V Internet (Hochschulnetz) Infrastrukturelles WLAN b 264,44 m Smart Antenna seriell Referenzpunkt 794,50 m Smart Antenna Zentralstation (GravNav, Goca) Sensorknoten 11 Sensorknoten 12 Smart Antenna Host-PC Büro 32 16

17 Erste Erfahrungen an der UniBw, Messreihen Prozessierte Daten aus GravNav, 15min. Positionslösungen b = 794,50 m b = 264,44 m 33 Erste Erfahrungen an der UniBw, Messreihen Gleitendes Mittel GOCA, 10 Werte = 2,5 h Lösungen 34 17

18 Erste Erfahrungen an der UniBw, Zoom , Pkt. 11 GravNav- Lösungen GravNav- Lösungen + Gleitendes Mittel Gleitendes Mittel 35 Erste Erfahrungen an der UniBw, Zoom , Pkt. 12 GravNav- Lösungen GravNav- Lösungen + Gleitendes Mittel Gleitendes Mittel 36 18

19 Erste Erfahrungen an der UniBw, Zoom , Pkt. 12 GravNav- Lösungen GravNav- Lösungen + Gleitendes Mittel Gleitendes Mittel 37 Feldstudie Hornbergl, Tirol/Österreich Netzmessungen durch TUM, Prof. Wunderlich 38 19

20 Feldstudie Hornbergl, Tirol/Österreich Vermarkung der beiden Objektpunkte 39 Feldstudie Hornbergl Instrumentierung Referenzpunkt und Objektpunkte, Ende Mai

21 Feldstudie Hornbergl: Messkonfiguration Sensorknoten 2 Smart Antenna Zentralstation (GravNav, Goca) Smart Antenna seriell Referenzpunkt 230 V 2241,71 m 2172,51 m Smart Antenna WLAN Antenne Sensorknoten 1 WLAN g (Lantronix WiBox) Internet Host-PC München 41 Winterimpressionen vom Hornbergl 42 21

22 Feldstudie Hornbergl: Kosten Hardware Sensoren: 3 Novatel Smart Antenna inkl. Kabel, Stecker 2850,- Stromversorgung: 2 Solarpanel, Batterie, Laderegler, 2 Zargeskiste, Kabel, 1900,- 1000,- Kommunikation: 3 Antennen, 2 Com-Server, 1 Bridge, 3400,- Zentralstation: 1 Standard PC (Pentium III) + optional Host PC 1500,- + Vermarkung, Die Softwarekomponenten GravNav und GOCA stehen seitens der UniBw München am Hornbergl nur für den Feldversuch zur Verfügung. Kosten je Sensorknoten: Ca. 1/3 Sensorik, 1/3 autarke Stromversorgung, 1/3 Kommunikation 43 Geplantes Geo-Sensornetz Sudelfeld BMBF-Forschungsprojekt alpewas, Projektbeginn April 2007 TDR: Prof. Thuro, TUM TPS: Prof. Wunderlich, TUM GNSS: Prof. Heunecke, UniBw M Steuerung Vortrag INTERGEO

23 Geplante GNSS Messkonfiguration Sudelfeld 45 Projektziele alpewas, GNSS Komponente Entwicklung und Erprobung einer GNSS-Überwachungskomponente mit folgenden Charakteristika (tw. identisch Hornbergl, jedoch auch Erweiterungen): - Low Cost GNSS-Sensorik (4 x Smart-V1G Antenna); - WLAN-Kommunikation im Felde (infrastrukturelles Netz mit erhöhtem Datendurchsatz, IEEE g); - autarke Stromversorgung der GNSS-Knoten inkl. weiterer Sensoren, u.a. TDR; - Flexibilität der Basislinien-Auswertung durch Optionen im Postprocessing (GravNav!); - Möglichkeit der Fernabfrage und -wartung ( 2 Kanal-Betrieb, Zeittaktung); - Trennung zwischen Datenerfassung und eigentlicher Auswertung (duales System), dadurch Möglichkeit zu Benutzung bestehender Programmsysteme, u.a. GOCA; - Einbindung anderer Sensoren: TDR- und TPS-Messungen, Klimastation, Porenwasserdruck (Teilprojekte TUM) a) in die WLAN-Kommunikation; danach separate Auswertung der Teilprojekte, b) integrierte Auswertung mit Möglichkeit der Prognosebildung. Projektarbeiten laufen, GNSS-Betriebsbereitschaft im Frühjahr 2008! 46 23

24 Schwarm-Intelligenz? Kollektive Selbstorganisation? Der Weg ist weit, Entwicklung und Erprobung eines Geo-Sensornetzes zur Überwachung von Rutschhängen Geo-Sensornetze: - Gegenüber WSN keine eigene neue Theorie nur ein neuer Begriff; Wesentliche Fortschritte sind oft durch die Verbesserung oder die Neuschaffung von Begriffen erzielt worden. siehe Kopfzeile! -dieherausforderung für die Geodäsie in den nächsten Jahren! Einzubringende Stärken: W. Heisenberg, Feldbeschreibungen über Approximationsverfahren, da redundante Datengewinnung (Konsistenzprüfungen); Datenverwaltung und analyse mittel GIS; Kenntnisse in Beurteilung der Datenqualität. Zu überwindende Defizite: Kenntnisse in Kommunikationstechniken und -protokollen. Überwachung von Rutschhängen: - Hangrutschungen nur ein Beispiel für die Anwendung von GeoSN; - Integration unterschiedlicher Sensorik erforderlich, siehe alpewas; - mess- und auswertetechnische Studien an UniBw M under construction.... aber die ersten Schritte sind getan! 47 24