Softwarearchitektur Sensornetzwerkknoten. Selbstorganisierende Netze

Transkript

1 F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R I nte g rierte S c haltun g en I I S Drahtlose Sensornetzwerke

2 Softwarearchitektur Sensornetzwerkknoten Vom Telemetriesystem bis zum selbstorganisierenden Netzwerk Mit dem wachsenden Bedarf an Sicherheit, Mobilität und Flexibilität finden drahtlose Sensor netzwerke in fast allen Bereichen des täglichen Lebens Verwendung. Sie eröffnen hier durch verteilte Datenerfassung, dezentraler Anwendungssoftware sowie vermaschter Kommunikation völlig neue Möglichkeiten. Seit vielen Jahren findet am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Forschung und Anwendungsentwicklung hierzu statt. Vom Funkknoten für einfache Punkt-zu-Punkt-Datenübertragung über kleine zentral kontrollierte Netze bis zum großflächigen, selbstorganisierenden Kommunikationsnetz reichen die Aktivitäten. Überall, wo dabei standardisierte Funklösungen nicht die gewünschten Eigenschaften haben ( z. B. Datenrate, Energieverbrauch, Reichweite, Latenz, Ver netzung, minimierte Bauform), werden durch uns kundenspezifische Funksysteme entwickelt. Die Kompetenzen des Fraunhofer IIS im Bereich drahtlose Sensornetze reichen von der Beratung im Vorfeld zur Auswahl der geeigneten Protokolle bis zur Entwicklung von kundenspezifischen Lösungen und Applikationen. Mit unserer langjährigen Erfahrung in den verschiedenen Frequenzbändern (402 MHz, 434 MHz, 868 / 915 MHz, 1,9 GHz, 2,4 GHz und 5,8 GHz) können wir Ihnen Funklösungen anbieten, die auf Ihre Wünsche zugeschnitten sind. Da das Fraunhofer IIS über fertige Teillösungen verfügt, können wir Ihnen eine schnelle Prototypenentwicklung anbieten. Drahtlose Sensornetze Ein Sensornetz ist ein System aus räumlich verteilten Sensorknoten, die selbstständig untereinander und abhängig von der Anwendung auch mit vorhandener Infrastruktur per Funk interagieren. Sie organisieren sich eigenständig in Multi-Hop-Netzwerken und können dabei sogar ihre eigene Position feststellen. Dies dient dem Erwerb, der Verarbeitung, Weiterleitung und der Bereitstellung von Informationen aus der physischen Welt. Sensornetze können sich zum Beispiel in der Art der Vernetzung, der Topologie und in der Richtung des Datenflusses unterscheiden. Die einzelnen Sensorknoten bestehen dabei typischerweise aus einem Funk- Frontend und einem Mikroprozessor-System, auf dem ein Protokoll-Stack und die Applikation ablaufen. Durch eine große Zahl von identischen Sensorknoten ergibt sich eine skalierbare Redundanz und inhärente Fehlertoleranz. Selbstorganisierende Netze Die heute verbreiteten Netzwerkformen für drahtlose Netzwerke basieren auf hierarchischen Strukturen und einer festen Infrastruktur. Im Gegensatz dazu werden bei selbstorganisierenden Netzwerken keine vorher festgelegten Zuordnungen der Kommunika tionspfade z. B. zwischen mobilem Terminal und Basisstation benötigt. Hier sind alle Netzwerkkomponenten gleichberechtigt und kommunizieren direkt miteinander. Die Koordinierung des Kanalzugriffs und Synchronisation der Stationen untereinander muss in diesem Fall in selbstorganisierender Form erfolgen. Daraus ergeben sich spezielle Anforderungen an die Protokollentwicklung.

3 Software Die Systemsoftware des Fraunhofer IIS zur Realisierung drahtloser Sensornetze setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Echtzeit-Betriebssystem KOM-OS Kommunikationsprotokolle auf Basis der s-net-technologie Basisfunktionen (u.a. Hardware-Treiber, Monitoring) Middleware Management Applikation Mit der s-net-technologie stellt das Fraunhofer IIS energiesparende Kommunikationsprotokolle für die Realisierung drahtloser Sensornetze zu Verfügung. Der Kommunikationsprotokollbaukasten des Fraunhofer IIS ist aus mehreren Modulen aufgebaut. Kernstück ist das patentierte Medienzugriffsprotokoll SlottedMAC, das zur Strom sparenden und sicheren Datenkommunikation dient. SlottedMAC vereint die Effizienzvorteile eines Zeitmultiplex-Systems (Time Division Multiple Access, TDMA) mit der Skalierbarkeit und Flexibilität von konkurrierenden Protokollen (Contention based protocols). Es erlaubt einen autarken Batteriebetrieb von drahtlosen Sensornetzen mit gleichzeitig geringer Latenzzeit. Die wichtigsten Eigenschaften des SlottedMAC sind: 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. Multi-Hop-Kommunikation zur Weiterleitung der Daten über Zwischenknoten. Skalierbare Reichweite der Multi-Hop-Datenkommunikation für einen schnellen Datentransport durch das Netzwerk. Unterstützung vieler Knoten Flexible Parametrisierung der Protokolleigenschaften für unterschiedliche Anwendungsbereiche. Variable Rahmenlänge von 1 Sekunde bis 4 Minuten für eine flexible Anpassung von Energieverbrauch bzw. Latenz and die Erfordernisse der Anwendung. Möglichkeit zur Lokalisierung mobiler Knoten. Aufgrund der Verteiltheit der Sensordaten und der Ressourcenbeschränktheit der Sensorknoten entfaltet sich die Gesamtfunktionalität eines Sensornetzes erst durch die Kooperation und das Zusammenspiel der einzelnen Sensorknoten. Mit Blick auf diese Anforderungen hat die Abteilung Kommunikationsnetze 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. Hardware Die am Fraunhofer IIS entwickelten Sensorknoten-Hardwareplattformen arbeiten im 868 MegaHertz bzw. im 2,4 Gigahertz Frequenzbereich bei minimalem Stromverbrauch und hohen Datenraten. Die Referenzdesigns haben unterschiedliche Anwendungsschwerpunkte. Von Smart Metering, Sensordatensammlung, Überwachung bis zur Lokalisierung. 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 Sensornetzwerke.

4 Anwendungen und Projekte Viele Anwendungen aus dem Industrie- und Heimbereich können durch drahtlose Sensorknoten erweitert und damit komfortabler und effizienter werden. Mit der s-net-technologie fokussiert das Fraunhofer IIS drei Anwendungsbereiche: Langlebige Systeme zur verteilten Datenerfassung Lokalisierung von Personen und Objekten Systeme zur eigenständigen Bearbeitung von Aufgaben kommuniziert. Als Integritätsverletzungen werden beispielsweise Transportschäden am Produkt oder unauthorisiertes 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. Wartung und Ersatzteillogistik In den letzten Jahren wurde auf Basis der s-net-technologie eine Vielzahl von Messtechnik-, Überwachungs- und Steuerungsanwendungen mit drahtlosen Sensornetzen realisiert. Einige Projektbeispiele: Drahtlose Verbrauchswerterfassung Die Firma VERAUT GmbH entwickelte auf Basis des patentierten Medienzugriffsprotokolls SlottedMAC ihre Produktreihe VERISM zur drahtlosen Übermittlung von Verbrauchsdaten. 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. Informationsgewinnung aus dem Internet der Dinge Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF geförderte Leitprojekt Aletheia dient der ganzheitlichen Sicht auf produktbezogenes Wissen für Hersteller, Händler und Kunden. Das Fraunhofer IIS beschäftigt sich in dem Projekt mit der Nutzung und Einbindung von drahtlosen Sensornetzen zur Informationsgewinnung aus der physischen Welt. In einem Anwendungsszenario werden mit Hilfe von Smart Objects auf Basis von drahtlosen Sensornetzen des Fraunhofer IIS Informationen über Integritätsverletzungen auf Produkt-, Paletten- und Containerebene identifiziert, lokalisiert und Das EU-geförderte Projekt SMMART (System for Mobile Maintenance and Trace in Aeronautics) trieb die Nutzung von Sensornetzwerken 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-Forschungprojekt MoDe (Maintenance on Demand) zum Einsatz von drahtlosen Sensornetzen im Bereich der bedarfsorientierten Wartung von Nutzfahrzeugen. Zustandsüberwachung und Lokalisierung von Betriebsmitteln in Kliniken Mit dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi geförderten Projekt OPAL-Health werden Prozesse im Klinikalltag optimiert und sicherer gestaltet. Die wichtigste Innovation des Vorhabens ist 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. Des Weiteren soll das 2009 gestartete Projekt OlogPat (gefördert durch die bayerische Staatsregierung aus EU EFRE Mitteln) ein auf Sensornetzwerken basiertes System zur Verbesserung der Patientenlogistik in Kliniken realisieren.

5 Unser ANGEBOT Wir bieten Ihnen alle Kompetenzen, die für eine kundenspezifische Systemlösung nötig sind. Vom Schaltungs- und Antennendesign über modulare Protokollstacks, die für jede Anwendung optimal zusammengestellt werden, bis hin zu Anwendungssoftware, Benutzeroberflächen oder Netzwerkübergängen können wir alle Kundenwünsche berücksichtigen. 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 Sensornetzwerks ist daher die Ermittlung der Anforderungen, die eine Anwendung stellt, sehr wichtig. Die Ingenieure am Fraunhofer IIS unterstützen Sie mit Ihrem Wissen und ihrer Erfahrung bei diesem Schritt. Miniaturisierte Hardware Bei vielen Funkanwendungen spielt der verfügbare Platz eine entscheidende Rolle. Für die Miniaturisierung der Funktechnologie sind am Fraunhofer IIS Kompetenzen im Hochfrequenz-Schaltungsdesign und in der Aufbau- und Verbindungstechnik vorhanden. Anwendungsspezifische Protokolle Um vielfältigen Anwendungen gerecht zu werden, muss die Kommunikationssoftware flexibel an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden können. Unsere Protokollstacks sind durch eine modulare Softwarearchitektur dafür ausgelegt. Low-Power-Design Da Funktransceiver meist autark eingesetzt werden, und die Energieversorgung somit ein wichtiger Punkt ist, wird bei der Entwicklung ein sehr starker Fokus auf Low-Power-Schaltungsdesign gelegt. Weiterhin laufen Arbeiten zur drahtlosen Energieübertragung über induktiv gekoppelte Systeme und zur Energiegewinnung aus der Umgebung. Antennenentwicklung 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. Lokalisierung Die Lokalisierung in drahtlosen Sensornetzen stellt einen Schwerpunkt unserer Arbeit dar, da sie neue Lösungen unter anderen. in der Logistik und Sicherheitstechnik ermöglicht. Lizenzierung Jede am Fraunhofer IIS entwickelte Hard- und Software für drahtlose Sensornetze kann für eine eigene Produktentwicklung lizenziert werden.

6 Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS Institutsleitung Prof. Dr.-Ing. Heinz Gerhäuser (geschäftsführend) Prof. Dr.-Ing. Günter Elst Am Wolfsmantel Erlangen Abteilung Kommunikationsnetze Nordostpark Nürnberg Dipl.-Ing. (FH) Dipl.-Wirt.Ing. (FH) Karin Loidl Telefon Fax