Session: 7 Intelligente Vernetzung von Multisensormodulen für die Gebäudeautomation

Session: 7 Intelligente Vernetzung von Multisensormodulen für die Gebäudeautomation itsowl-tt-ivmg (STEINEL) 06. Juli 2016 Bielefeld www.its-owl.de

Agenda Abschlusspräsentation itsowl-tt-ivmg Einführung Zielsetzung Ergebnisse Resümee und Ausblick it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 2

Einführung Vorstellung des Transfernehmers STEINEL GmbH Gegründet 1959 Branche: Elektrotechnik Eigene Entwicklung und Fertigung Heute: 1400 Mitarbeiter davon 100 in F&E Schwerpunkte: Lichtsteuerung Sensortechnik Heißluftgeräte Heißklebepistolen it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 3

Einführung Vorstellung des Transfernehmers Sensorgesteuertes Licht it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 4

Einführung Vorstellung des Transfernehmers Thermo-Werkzeuge HG 2620 E PurGlue 50 it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 5

Einführung Universität Bielefeld Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie & Institut für Kognition und Robotik Interaktive Intelligente Systeme Mensch-Maschine Interaktion Maschinelles Lernen Mitarbeiter: > 280 Wissenschaftler AG Kognitronik und Sensorik Hardware und Software für eingebettete Systeme Ressourceneffiziente Mikroelektronik Anwendungsorientierte Systemintegration it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 6

Einführung Motivation / Ausgangssituation für das Transferprojekt Anforderungen in der Gebäudeautomation Vision: Sensoren als Sinnesorgane des Raumes Intelligente Steuerung bis hin zu autonomen Systemen Interaktion zwischen hunderten verschiedener Sensoren/Aktoren Ausgangssituation: Vielzahl an Sensoren und Lichtlösungen Teilweise vernetzt mittels KNX und Funk Geräte müssen im Raum platziert werden Sensordaten werden häufig an suboptimalen Positionen im Raum erfasst it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 7

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Zielsetzung Intelligente Vernetzung von Multisensormodulen für die Gebäudeautomation itsowl-tt-ivmg Ziel des Unternehmens: Entwicklung eines Multisensors Ein zentrales Gerät pro Raum 1181mm 5613mm 1181mm Viele verteilte kleine Sensorknoten als Satelliten Verkabelung nicht praktikabel Entwicklung minimaler, drahtloser Sensorknoten Batteriebetrieben, also sehr energieeffizient 3178mm 759mm 3678mm Ziel des Projektes: Evaluierung drahtloser Sensorknoten für den Einsatz als Satellit Komponenten Systemarchitektur 1000mm 1500mm 759mm 1000mm 1000mm 3613mm Prototypische Abschätzung der Eignung der Transceiver für den realen Einsatz it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 9

Vorgehensweise AP1: Definition der Anforderungen AP2: Recherche relevanter Kommunikationsstandards M1: Anforderungsanalyse abgeschlossen AP3: Konzept für die prototypische Realisierung M2: Konzept zur Evaluierung liegt vor AP4: Prototypische Realisierung AP5: Aufbereiten der Analyseergebnisse M3: Evaluierungsergebnisse liegen vor it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 10

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Ergebnisse Szenario Sensor für eine Konstantlichtregelung Verteilter Sensorknoten Drahtlose Kommunikation Batteriebetrieben Modellierung Energiebedarf Analyse der Nutzungsszenarien Evaluierung verschiedener Systemkomponenten Abschätzung der Laufzeit Schaltzeitpunkte Konstantlichtregelung it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 12

Ergebnisse Modellierung Energiebedarf Systemkomponenten Mikrokontroller Sensoren Temperatur Helligkeit Funktransceiver Infrarot Proprietär 868 MHz Bluetooth Low Energy Spannungsregler Energiespeicher Batterie Akku Blockschaltbild Sensorknoten Modellierung anhand von Systemzuständen und Transitionen it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 13

Ergebnisse Modellierung Energiebedarf Modellierung anhand zyklischer Tasks Task 1: Prüfen der Sensor Werte Task 2: Prüfen der Sensor Werte und Senden des aktuellen Werts Ausführungsfrequenz der Tasks und Verhältnis zwischen Task 1 & 2 kann variiert werden Mikrocontroller Temperatursensor I²C Lichtsensor I²C Transceiver UART Task 1 it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 14

Ergebnisse Modellierung Energiebedarf Modellierung anhand zyklischer Tasks Task 1: Prüfen der Sensor Werte Task 2: Prüfen der Sensor Werte und Senden des aktuellen Werts Ausführungsfrequenz der Tasks und Verhältnis zwischen Task 1 & 2 kann variiert werden Mikrocontroller Temperatursensor I²C Lichtsensor I²C Transceiver UART Task 2 it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 15

Ergebnisse Modellierung Energiebedarf Energieaufnahme der Tasks mit verschiedenen Transceivern Leistungsaufnahme des Systems im inaktiven Zustand Anteile aller Komponenten Nordic nrf51822 Bluegiga BLE112 TI CC1101 it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 16

Ergebnisse C123A Modellierung Energiebedarf Laufzeit des Systems Verschiedene Transceiver Einfluss verschiedener Spannungsregler und Batterietypen Ausführungsfrequenz der Tasks 1400 mah Bluegiga BLE112 it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 17

Ergebnisse C123A Modellierung Energiebedarf Laufzeit des Systems Verschiedene Transceiver Einfluss verschiedener Spannungsregler und Batterietypen Ausführungsfrequenz der Tasks 1400 mah Nordic nrf51822 Bluegiga BLE112 it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 18

Ergebnisse C123A Modellierung Energiebedarf Laufzeit des Systems Verschiedene Transceiver Einfluss verschiedener Spannungsregler und Batterietypen Ausführungsfrequenz der Tasks 1400 mah TI CC1101 Nordic nrf51822 Bluegiga BLE112 it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 19

Ergebnisse Prototypische Realisierung Ziele: Prototypischer Hardware Aufbau Messung realer Daten Funkverbindung in realem Anwendungsumfeld BRIX 2 Basismodul Evaluations Plattform BRIX 2 Mikrocontroller: Atmega32U4 Transceiver: Texas Instruments CC1101 Modular erweiterbar BLE113 Bluetooth Low Energy Modul BRIX 2 Sensor- Extensions BLE113 Modul Weiterführende Informationen BRIX 2 : https://www.techfak.uni-bielefeld.de/ags/ami/brix2/ TI CC1101 (intern) it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 20

Ergebnisse Prototypische Realisierung Sterntopologie Transceiver: Texas Instruments CC1101 Proprietäres 868 MHz Protokoll TDMA basierte Kommunikation mit einem zentralen Knoten Messreihen: Reichweitenanalyse Paketverlustrate Durchsatz Sterntopologie 14 ms 14 ms 14 ms 14 ms A B C N 14 ms x N A B C Zeit TDMA Schema für Sensorknoten A,B,,N it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 21

Ergebnisse Prototypische Realisierung Test 1: Äquidistanter Aufbau 100 6 Center Node Sensor Node 8 7 1 10m 2 Empfangene Pakete [%] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 5 3 0 4 TDMA Slots: 14 / 15 / 16 ms it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 22

Ergebnisse Prototypische Realisierung Test 2: Funkstrecke 20m 10m 10m 1 2 3 4 5 6 60m Empfangene Pakete [%] 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 TDMA Slots: 14 / 15 / 16 ms it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 23

Ergebnisse Prototypische Realisierung Test 3: Verteilte Sensorknoten 15 m 6 m 4 5 6 25 m 23 m 1 2 3 Verteilung der Sensorknoten in einer Büroumgebung Empfangene Pakete [%] Maximaler Durchsatz bei 100 % empfangenen Paketen: 14 ms TDMA Slot 20 Byte Payload 11,42 kbit/s für das gesamte Netz 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 TDMA Slots: 14 30 ms it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 24

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Resümee und Ausblick Resümee Evaluierung drahtloser Sensorknoten mittels energetischer Modellierung Prototypische Implementierung für energieeffizientesten Transceiver BME280 BH1715 I²C ATSAML21 UART DC-DC Converter BLE112 Transceiver Publikation: M. Hesse, M. Adams, T. Hörmann, U. Rückert, Towards a Comprehensive Power Consumption Model for Wireless Sensor Nodes," 2016 IEEE 13th International Conference on Wearable and Implantable Body Sensor Networks Realisierbares Konzept für verteilte Multisensoren Identifikation geeigneter Technologien Ausblick Fortführung der Kooperation Zur Zeit laufende studentische Arbeit Weiteres Transferprojekt: Energieversorgung von Sensorknoten durch Energy- Harvesting https://www.maximintegrated.com it s OWL Clustermanagement GmbH 30.06.2016 26

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