Autonome Sensorsysteme in der Transport- und Lebensmittellogistik

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1 Autonome Sensorsysteme in der Transport- und Lebensmittellogistik Vom Fachbereich für Physik und Elektrotechnik der Universität Bremen zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur (Dr. Ing.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Ing. Reiner Jedermann wohnhaft in Bremen Referent: Korreferent: Prof. Dr.-Ing. W. Lang Prof. Dr.-Ing. W. Benecke Eingereicht am: 2. Juli 2009 Tag des Promotionskolloquiums: 24. November 2009

2 Kurzfassung: Durch eine genauere Überwachung von Lebensmitteln während des Transportes lassen sich Verluste reduzieren und die Warenqualität steigern. Bestehende Fernüberwachungs- oder Telemetriesysteme können dies jedoch nur eingeschränkt leisten. In der Regel wird die Temperatur nur an einer oder zwei Stellen gemessen. Die Auswertung der Daten musste bisher von Hand erfolgen. In dieser Arbeit wird ein System vorgestellt, das eine räumliche Verteilung der Temperatur und anderer Einflussparameter misst und die Daten bereits im Transportmittel auswertet. Das System passt die Überwachung automatisch an verschiedene Waren an. Dieser intelligente Container kombiniert Technologien aus den Bereichen RFID, drahtlose Sensornetze und Telemetrie, die bisher nur als Einzellösungen eingesetzt wurden. Energiesparende Prozessoren mit hoher Rechenleistung machen es möglich, Algorithmen zur Bewertung der Daten in das Fahrzeug oder einen an der Ware angebrachten Sensor zu verlagern. Ziel der Arbeit ist es, die Transportüberwachung zu einem autonomen Sensorsystem zu erweitern, welches die Messdaten lokal verarbeitet und selbständig entscheidet, ob eine kritische Situation vorliegt. Dabei wird ein möglicher Qualitätsverlust von Lebensmitteln anhand eines auf dem dynamischen Temperaturverlauf basierenden Haltbarkeitsmodells abgeschätzt. Die Qualitätsüberwachung je Wareneinheit wird durch einen individuellen sensorischen Frachtbrief in Form eines Softwareagenten ausgeführt. Die Möglichkeiten hierzu werden anhand eines Demonstrationssystems zur Überwachung von Lebensmitteltransporten vorgestellt. Abstract: A concise supervision of food products during transport is an essential precondition for the improvement of their quality and reduction of losses. However, existing remote or telemetric systems implement only parts of the entire supervision task. Standard systems measure temperature only at one or two points, and the evaluation of sensor data has to be done manually. This thesis presents a system which measures a spatial profile of temperature and other parameters. The idea of remote transport supervision is extended to a selfcontained sensor system that locally processes measurement data and detects critical situations autonomously. The algorithms for sensor data evaluation are implemented inside the means of transport; they can either share a common embedded processor unit or run separately on wireless sensors nodes, which are attached to the loaded freight objects. The system automatically adapts the supervision process to different kinds of goods. This intelligent container combines technologies from different fields, such as RFID, wireless sensor networks, and telemetric system, which have so far been applied separately. A shelf life model, based on the dynamic temperature profile, estimates the amount of quality loss during transport. The quality supervision is implemented as a set of software agents. Each freight object is supervised by an individual sensory way bill. A demonstration system for the supervision of food transports shows the feasibility of this new approach.

3 Inhaltsverzeichnis 1. Anstehendes Problem und Lösungsansatz Stand der Technik Softwareagenten, Autonome Sensorsysteme und Selbststeuerung Vorgesehener neuer Lösungsbeitrag Passive und aktive Technologien zur Transportüberwachung Aktive Tags und drahtlose Sensornetze Semi-passive Tags Definition im Rahmen dieser Arbeit Drahtlose Sensornetze Protokolle Technische Herausforderungen Passive Kommunikation Wirkprinzip im Nah- und Fernfeld Frequenzbereiche Physikalische Überlegungen zur Reichweite Wahl des Frequenzbereiches Leistungsfähigkeit von UHF-RFID im Lebensmittelbereich Verfügbare RFID-Tags Verminderung der Identifikations-/Schreibraten durch wasserhaltige Waren Zeitbedarf zur Datenübertragung Versuche mit bewegter Ware Messung des Einflusses der Luftfeuchtigkeit RFID zur Temperaturaufzeichnung Messabweichung Thermische Reaktionszeit Grenzen und mögliche Anwendungen von UHF-RFID Vergleich aktiver und passiver Kommunikation Mögliche Lösungen Telemetrie Sensorik und Außenkommunikation Anwendungsbeispiele Erforderliche Messsysteme für neue Planungskonzepte in der Lebensmittellogistik Neue Konzepte zur Lager- und Transportplanung Steuerung des Lagerbestandes Zuordnung von Chargen zu Transportaufträgen Mögliche Einsparungen durch dynamic FEFO Sensorsysteme zur Qualitätsüberwachung Time-Temperatur-Indikatoren und Datenlogger Überwachung weiterer Umweltparameter Erforderliche Messauflösung eines Ethylen Sensors Einflüsse und Störungen der Temperaturverteilung Globale und lokale Einflüsse Aufgaben des Sensornetzes Experimentelle Bestimmung von Temperaturprofilen Zeitkorrektur der Messwerte Temperaturabweichungen in Seecontainern Räumliche Interpolation der Messwerte Nomenklatur und Fehlermaß

4 Lineare Interpolationsmodelle Inverse Distanzwichtung Kriging-Verfahren Kriging mit räumlichem Trend Lineare Kurven-Approximation Vergleich der Interpolations-Verfahren Bewertung der linearen Approximation Mögliche Verbesserungen durch nicht-lineare und Zustandsmodelle Anzahl der notwendigen Stützstellen Plausibilitätsprüfung der Messwerte anhand des Kriging- Verfahrens Verlauf der Warenkerntemperatur Überschlagsrechnung für einen Container Temperaturanstieg innerhalb einer Palette und einzelner Früchte Zusammenfassung Zusammenstellen einer Modellbasis zur Qualitätsvorhersage Was ist Qualität Skalen zur Bewertung der Qualität Ansätze zur Modellierung Beschreibung des Reaktionsverlaufs durch Differentialgleichungen Beispiel für Pilze Probleme des Reaktionsmodells Anwendung zur Generierung von Testwerten Keeping Quality und Shelf-Life Shelf-Life Modell für dynamische Temperatur Abhängigkeit vom Erntezustand Abweichende Temperaturabhängigkeit Zeitpunkt einer Temperaturabweichung Der Table Shift Approach als weiteres Modell Vergleich mit dem Shelf-Life Modell Monotonie der Referenzkurven Unterschiedliche Reaktionsraten Messtoleranzen der Referenzkurven Weitere Modelle Anwendung auf gemessene Daten Zusammenfassung Shelf-Life Modell Table-Shift-Approach Grenzen und Anwendung der Modelle Realisierungsebenen des Entscheidungssystems Netzwerk intelligenter Objekte Selbststeuerung durch autonome Prozesse Erweiterte Kriterien zur Bewertung der Systemperformance Entscheidungen anhand einer lokalen Sichtweise Mögliche Implementierungsebenen Grad der Entscheidungsfreiheit Kommunikation als einschränkender Faktor Vergleich des Energiebedarfs Informationsquellen und Senken Länge des Kommunikationspfades Beispiel 1: Intelligentes Paket zur adaptiven Routenplanung Beispiel 2: Überwachung sensitiver Waren Zusammenfassung

5 6. Der intelligente Container Warenüberwachung durch warenspezifische Softwareagenten Der sensorische Frachtbrief RFID zur Steuerung des Informationsflusses Auswahl des Softwareframeworks Das JADE Framework für Softwareagenten Erweiterung der Agentenmobilität Management der warenspezifischen Agenten Softwarekomponenten des Transportmittels Weitere Komponenten der Lagersoftware Elemente der Nachricht PackageData Befehle zur Agentenübertragung Format der Nachricht Ablauf der Agentenübertragung im Demonstrationsszenario Erweitertes Demonstrationsszenario Hardware des Demonstrationssystems Prozessormodul RFID Reader Sensornetzwerk Externe Kommunikation Stromversorgung Realisierung auf einem Embedded System Java auf embedded Systems Agentenframework für embedded Systems Ressourcenbedarf und Systemperformance Speicher der Prozessorplattform Datenvolumen bei der Kommunikation Rechenzeit Alternative Frameworks Weitere lokale Entscheidungsprozesse Berechnung von Haltbarkeitsmodellen auf der Ebene der Sensorknoten Ziele und Schwierigkeiten bei der Umsetzung Darstellung von Fließkommazahlen als Integer Skalierung der Parameter des Shelf-Life Modells Berechnung eines Modellschrittes Umsetzung der Expotentialfunktion Energiebedarf zur Berechnung des Modells Anwendung Überwachung der Kühlkette durch intelligente RFID Verlagerung der Routenplanung in das Transportmittel Beispielszenario und heuristischer Ansatz Umsetzung und Simulation Zusammenfassung Systemebenen und Grad der Autonomie Vorhersage der Resthaltbarkeit durch autonome Prozesse Verteilte Prozesse zur Routenplanung Einschränkende Faktoren bei der Umsetzung lokaler Prozesse Energie als einschränkender Faktor Einschränkungen passiver Funktechnologien Selbststeuerung in der Transportüberwachung Sensorknoten als selbststeuernde Objekte Verbesserung der Transportüberwachung durch autonome Sensorsysteme

6 9. Referenzen und Verzeichnisse Bilder Tabellen Referenzen