Glvenet Vernetzter Sensr-Schutzhandschuh für den Feuerwehreinsatz Schlussbericht Zuwendungsempfänger: Förderkennzeichen: Vrhabenbezeichnung: Universität Bremen, Mbile Research Center Bremen 13N9857 Vernetzter Sensr-Schutzhandschuh für den Feuerwehreinsatz Laufzeit des Vrhabens: 01.03.2009 bis 31.08.2011 Berichtszeitraum: 01.03.2009 bis 31.08.2011
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Inhaltsverzeichnis Kurzdarstellung... 1 Aufgabenstellung... 3 Vraussetzungen, unter denen das Vrhaben durchgeführt wurde... 7 Planung des Vrhabens... 8 Wissenschaftlicher und technischer Stand... 8 Bekannte Knstruktinen, Verfahren und Schutzrechte... 12 Verwendete Fachliteratur swie benutzte Infrmatins- und Dkumentatinsdienste... 12 Zusammenarbeit mit anderen Stellen... 13 Ausführliche Darstellung... 14 Verwendung der Zuwendung... 14 Ablauf des Vrhabens... 15 Erzielte Ergebnisse... 18 Nachweis der wichtigsten Psitinen... 22 Ntwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit... 23 Vraussichtlicher Nutzen... 23 Erflgte der geplante Veröffentlichungen... 24 Erflgskntrllbericht... 25 Beitrag des Ergebnisses zu den förderplitischen Zielen... 25 Wissenschaftlich-technisches Ergebnis des Vrhabens... 25 Frtschreibung des Verwertungsplans... 42 Erfindungen/Schutzrechtsanmeldungen und erteilte Schutzrechte... 42 Wirtschaftliche Erflgsaussichten... 43 Wissenschaftliche und/der technische Erflgsaussichten... 44 Wissenschaftliche und wirtschaftliche Anschlussfähigkeit... 44 Arbeiten, die zu keiner Lösung geführt haben... 44 Präsentatinsmöglichkeiten für mögliche Nutzer z.b. Anwenderknferenzen... 44 Einhaltung der Ausgaben- und Zeitplanung... 45 Anhänge... 1 i
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Kurzdarstellung Brandbekämpfung zählt zu den gefährlichsten Aufgaben der Feuerwehr. Mehr als 200.000mal im Jahr rücken deutsche Feuerwehren aus, um Feuer zu löschen [1]. Die Einsatzbedingungen an einem Brandrt sind ft schwierig und bedeuten eine starke Belastung der Einsatzkräfte. Trtz guter Ausbildung und Ausrüstung kmmt es immer wieder zu schweren Verletzungen und sgar zu Tdesfällen. Im Rahmen des Prjekts Glvenet - Vernetzter Sensr-Schutzhandschuh für den Feuerwehreinsatz wurden Technlgien zum Aufbau eines autnmen Kmmunikatinsnetzes mit Sensr- und Funkschnittstellenintegratin in der Schutzbekleidung entwickelt und qualifiziert. Im Fkus der vrgeschlagenen Applikatin steht eine wesentliche Verbesserung vn Gesundheit und Persnenschutz im Gefährdungsbereich vn Rettungsdiensten und Feuerwehren. Die vrgeschlagene Applikatin bezieht die Bereiche Mikrsysteme, Kmmunikatinsnetze und Sftwaresysteme mit ein. Das Prjekt sllte intelligente Schutzhandschuhe für den Feuerwehreinsatz entwickeln, die ein drahtlses Sensrnetz bilden. In die Handschuhe sind dazu Sensren integriert, die wichtige Daten über die aktuellen Umgebungsbedingungen und über den Status des ihn tragenden Feuerwehrmannes liefern. Diese Daten können unter den schwierigen Übertragungsbedingungen im Brandfall (Löschschaum, Abschirmung durch Wände, unbekannte Infrastrukturumgebungen, etc.) besnders gut und sicher in einem Adhc-Netz vn Knten zu Knten zur Einsatzleitung vr Ort gesendet werden. Neben den Kmmunikatinsmöglichkeiten in dem aufzubauenden Adhc-Netz sllten und mussten verschiedene Parameter sensrisch erfasst werden: Temperaturfeldsensr Im verrauchten Gebäude tastet sich der Feuerwehrmann mit einer Hand an der Wand entlang. Teile der Wand der auch zufällig berührte Gegenstände können sehr heiß sein. Der einsatzübliche Feuerwehrhandschuh bietet hier einen gewissen Schutz, lässt aber durch die thermische Islierfunktin des Spezialgewebes nicht zu, dass der Feuerwehrmann weiß der abschätzen kann, wie heiß die Wand der ein Gegenstand in der Nähe ist. Es wurde im Prjekt ein Handschuh entwickelt, der über einen textilintegrierten Temperaturfeldsensr im Gewebe der Handaußenfläche verfügt. Die Sensrdaten werden in einer Mikrelektrnik im Handschuh verarbeitet und bei Überschreiten einer einstellbaren Temperaturschwelle wird über einen ebenfalls textilintegrierten Aktuatr ein Vibratinssignal als haptische Rückmeldung auf die Hand gegeben. Der Feuerwehrmann bekmmt s unmittelbar rientierende Infrmatin über die Temperatur in seinem Umfeld. Gestenkmmunikatin und passive Ntruffunktin Für die Kmmunikatin mit der Einsatzzentrale unter den schwierigen Sicht- und Sprechfunkbedingungen im realen Einsatz ist die Möglichkeit einer einfach auslösbaren Übermittlung vn Signalen mit eindeutiger Bedeutung äußerst wünschenswert. Realisiert 1
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 wurde die Signalauslösung über eine im Handschuh integrierte Gestenerkennung. Vrab definierte Handbewegungen werden über in den Handschuh integrierte Beschleunigungssensren detektiert und in der ebenfalls integrierten Mikrelektrnik mit speziellen Algrithmen ausgewertet, s dass den Gesten zugerdnete Funksignale gesendet werden können. Ein slches System ist im MRC der Universität Bremen prttypisch in einer Ausführung als Armband vrentwickelt wrden. Zusätzlich liefert der Auswertealgrithmus ein Signal bei Überschreiten einer definierten Inaktivitätsphase der Hand. S kann eine einfache passive Ntruffunktin z.b. bei einem plötzlichen Unfall des Feuerwehrmannes realisiert werden. Alle genannten Sensrfunktinen greifen auf eine drahtlse Funkschnittstelle zu. Über diese Funkschnittstelle werden die Sensrdaten des Handschuhs via Sensrnetz, ggf. per multi-hp, an die Ein-satzzentrale übermittelt. Abbildung 1 Funktinsschema multi-hp Sensrnetzwerk Durch die Ausführung des Systems als Sensrnetz kann die Sicherheit der Einsatzkräfte wesentlich verbessert werden. Eine direkte Funkübertragung vn einer im Einsatz befindlichen Persn zur Einsatzzentrale ist häufig aufgrund der Umgebungsbedingungen erschwert, wenn nicht unmöglich. Im Adhc-Netz jedch können die Daten auf einem geeigneten Weg zur Brandleitung vr Ort übermittelt werden. Beim ben gezeigten Szenari (siehe Abbildung 1 Funktinsschema multi-hp Sensrnetzwerk) beispielsweise hat der Feuerwehrmann F4 aufgrund einer abschirmenden Wand keine direkte Funkverbindung zur Einsatzzentrale. Wegen dieser Abschirmung ist auch der nächst benachbarte und nicht abgeschirmte Kllege F3 nicht erreichbar. Die Daten werden als an den Sensrknten F2 weitergeleitet, vn w aus sie entweder F3 der F1 erreichen können. F1 befindet sich der 2
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Einsatzzentrale am nächsten, s dass der adhc präferierte Übertragungsweg vn F4 über F2 und F1 zum Einsatzwagen festgelegt wird. Wenn ein hinreichend reichweitenstarker Sender aufgrund der benötigten Akkukapazität nicht in den Handschuh selbst integriert werden kann (z.b. wegen des Bauvlumen), s kann die Funkübertragung vm Handschuh zusätzlich mittels Bluetth auf einen z.b. am Gürtel getragenen WLAN-Sender realisiert werden. Die nachflgende Abbildung 2 Schema Reichweitenverbesserung mittels WLAN Ankpplung) zeigt schematisch diesen erweiterten Systemaufbau. Abbildung 2 Schema Reichweitenverbesserung mittels WLAN Ankpplung Das mittelständische Unternehmen W+R Seiz GmbH besitzt einen wesentlichen Marktzugang bei Schutzhandschuhen im Bereich Feuerwehren (u.a. als Zulieferer vn Lin Apparel in Deutschland). Mit der Entwicklung eines intelligenten Feuerwehrhandschuhs startet W+R Seiz eine völlig neue interdisziplinäre Innvatinsffensive (Textil + Mikrsystemtechnik) zur Wettbewerbsverbesserung im internatinalen Markt. Als Systemintegratr bietet das Unternehmen dabei im Prjekt die Garantie der praxisgerechten Entwicklungsleistungen und ist zentraler Partner in der Wertschöpfungskette. Der im Prjekt entwickelte Handschuh kann außer bei der Feuerwehr als vrrangiges Prjektziel darüber hinaus auch in anderen Anwendungsdmänen eingesetzt werden. S können textilintegrierte Temperaturfeldsensren auch in der Prduktin in einigen Industriebereichen interessant sein. Nach innen gerichtete Mikrsensren sind z. B. auch im Bereich der häuslichen Pflege und Medizintechnik interessant. Aufgabenstellung Die Gestaltung vn Smart PSA betrifft nicht nur die technische Lösung an sich, sndern auch die Gestaltung der Einbindung in den rganisatinalen Zusammenhang der Arbeitsaufgabe. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass intelligente, vernetzte Systeme zunehmend und pr-aktiv Handlungsanteile im System Mensch-Maschine übernehmen. Die Akteure in diesem Wirkzusammenhang lassen sich, in Analgie zum TOP Mdell des Arbeitsschutzes, aufteilen in das technische, vernetzte System, die handelnde Persn swie 3
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 die Organisatin, die über die Vernetzung aktiv der passiv eingebunden ist. Dies ist schematisch in Abbildung 3 Handlungsteilnehmer in einem vernetzten und kntextsensitiven System mit Schutzaufgaben dargestellt. Abbildung 3 Handlungsteilnehmer in einem vernetzten und kntextsensitiven System mit Schutzaufgaben Jeder Akteur (TOP) trägt Handlungsanteile, kann als Gefährdungsmerkmale erkennen und weiterleiten. S erkennt die Technik als autnmes Sensrsystem lkale Gefährdungsptenziale. Die Organisatin und ihre verantwrtlichen Stellen können aus den kumulierten der anders verrechneten Netzwerkdaten eher glbale Gefährdungsptenziale erkennen. Jeder Akteur (TOP) ist darüber hinaus angewiesen, Infrmatinen und Messdaten zu erhalten. Die Randbedingungen einer sicheren Kmmunikatin in Netzwerken sind Vertraulichkeit, Integrität und Krrektheit der Daten. Die Beachtung und Bebachtbarkeit dieser Randbedingungen müssen in jedem Fall gewährleistet sein. Zudem muss erkennbar sein, b eine Fehlfunktin der ein zuverlässiger Messwert vrliegt. Ebens kmmt der Gestaltung der Feedback-Regeln an alle Akteure eine grße Bedeutung in diesem Zusammenhang zu, da die Handlungsteilnehmer (TOP) ihre Reaktin daraufhin abstimmen. Das Feedback an die handelnde Persn ist der eigentliche (zusätzliche) Schutz, der aus der Anwendung dieser vernetzten Systeme resultiert. Insbesndere die Kapazität der Infrmatinsaufnahme für die handelnde Persn ist hierbei als begrenzt anzusehen. Ziel der Schutzbemühungen aus den vernetzten Sensrsystemen ist eine Erhöhung der Sicherheit der handelnden Persn vr Ort durch das frühzeitige Erkennen und Vermeiden vn Gefahren. Aus der Rlle der Akteure in der Vernetzung ergeben sich unterschiedliche Aufgabenprfile. Der autnme Sensrknten im Handschuh ist zuständig für die direkte Vermeidung vn Gefahrensituatinen. Die Organisatin übernimmt eher die zeitliche Begrenzung vn Einsatzsituatinen durch Bebachten und Entscheiden. Es wird deutlich, dass die Gefährdungsptenziale die sich aus der Vernetzung der Teilnehmer (TOP) ergeben, pririsiert und weitergeleitet werden müssen. Dazu sind für die Gestaltungsaufgabe flgende Fragestellungen zu lösen: Welche Gefährdungsptenziale können die einzelnen Akteure (TOP) überhaupt physisch erkennen, messen und durch Bebachten ermitteln? 4
Wie werden diese Gefährdungsptenziale pririsiert? Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Wie kann das vernetzte System diese Pririsierung im laufenden Betrieb verhandeln und abbilden? Wie werden diese Gefährdungsinfrmatinen an die Persn übermittelt, s dass für diese Persn eine Pririsierung erkennbar ist. Es wird deutlich, dass die Feedback-Funktin ein ganz wesentlicher Schnittstellenaspekt ist, da hierüber das Verhalten beeinflusst, die Lernbarkeit erreicht und letztlich die Schutzfunktin gewährleistet sein muss. Die Gestaltung der Feedback-Funktin muss eine Lösung für die Pririsierung der Infrmatin beinhalten. Der Vrschlag in diesem Prjekt lautet dazu: Stufe 1: nur taktiles Signal (z.b. Umschalten der Netzwerkfunktin auf dezentrale Suchfunktin) Stufe 2: taktiles und ptisches Signal (z.b. Rückzugsbefehl) Stufe 3: taktiles, ptisches und akustisches Signal (z.b. flash-ver Detektin) Inwieweit die Schnittstellenlösungen sich im Arbeitsalltag bewähren, ist in praktischen Tests zu ermitteln. Wie diese Gestaltungsaufgabe swhl vm Entwurf des technischen Systems als auch der Implementierung der szi-technischen (TOP) Regeln her gelöst werden kann, steht im Fkus der Untersuchungen. Es ist für die Erreichung der technisch basierten Schutzfunktin sehr wichtig, die Rllen der einzelnen Teilnehmer im System zu klären und abzubilden, die Pririsierung der Gefährdungsptenziale vrzunehmen und eine klare und eindeutige Rückkpplung an die handelnde Persn zu erreichen. Für das Glvenet-Sensrnetzwerk gilt die nachflgend beschriebene, spezielle Situatin. Ein zentraler Aspekt ist, dass der Ort der einzelnen Sensrknten im Einsatz nicht bekannt ist. D.h. die Ermittlung z.b. rtsbezgener Temperaturverläufe (Isthermen) ist derzeit nicht möglich. Die einzige zuverlässige Ortsinfrmatin ist die Höhenangabe über den Luftdruckmesswert. Die Akteure im Glvenet-Sensrnetzwerk beeinflussen sich gegenseitig. Wie sie im Einzelnen zusammenspielen, stellt die nachflgende Tabelle dar: Akteur (Sensr-) Messdaten Infrmatin/ Entscheidung (direktes Feedback) Weiterleitung/ Kmmunikatin im Netz Autnmer Sensrknten (Technik) Temperatur lkales Umfeld über Thermkppler (abslut und Gradient) (Körper-) Temperatur im Zu warm abslut (Gefahr des Versagens der Schutzbekleidung) Zu starker Anstieg der Regelmäßige Übermittlung der Temperaturwerte an die Organisatin/ 5
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Handschuh über Thermistr (abslut) Temperatur (Gefahr hinter verschlssenen Türen) Einsatzleitung Lkaler Luftdruck über Barmeter Plötzlicher Temperaturanstieg und Luftdruckveränderung (Gefahr Flash-ver) Gestenerkennung Ttmann über Beschleunigungssensren Warnung bei Entfernung vm Trupp bzw. Kameraden Regelmäßige Übermittlung eines Lebenszeichens über Bewegung Entfernungsmessung zum nächsten Sensrknten (rel. Psitinsbestimmung) (weitere zu ermitteln) Feuerwehrmann (Persn) Bebachtung des Umfeldes und Gefahrenerkennung (Gesten-) Kmmunikatin vn Ereignissen aus dem Trupp (dezentrale Netzwerkfunktin): (Gesten-) Kmmunikatin vn Ereignissen an die Einsatzleitung (zentrale Netzwerkfunktin): Suchfunktin bei vermissten Feuerwehrleuten Einsturzgefährdung Hindernisse Technische Prbleme Finden vn Persnen (weitere zu klären) Was ist an andere Persnen zu kmmunizieren? Einsatzleitung (Organisatin) Zurdnung vn Sensrknten zu Persn (Identity) Alarmfunktin bei absluten Gefährdungswerten Krdinatin (Befehle) an die handelnden Feuerwehrleute, z.b. Zeitstempel für Einsatzbeginn pr Sensrknten (Einsatzdauer) Alarmfunktin bei kumulierten der glbalen Gefährdungswerten Rückzugsbefehl (Sammeln) Suchfunktin veranlassen 6
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Vraussetzungen, unter denen das Vrhaben durchgeführt wurde Prjektkrdinatr: Dipl.-Ing. Christf Breckenfelder Mbile Research Center (MRC) Am Fallturm 1 28359 Bremen Universität Bremen - Mbile Research Center (MRC): Das MRC wird im Prjekt mit den Arbeitsgruppen Wearable Cmputing (TZI). Kmmunikatinsnetze (TZI) und Mikrsystemtechnik (IMSAS) tätig sein. Die MST-Gruppe am IMSAS wird an der Auswahl und der Anpassungsentwicklung geeigneter Sensren arbeiten. Außerdem wird das IMSAS Möglichkeiten der Miniaturisierung der benötigten Elektrniken analysieren. Zu den Aufgaben der Arbeitsgruppen Wearable Cmputing und Kmmunikatinsnetze des TZI gehören die zielgerichtete Herausbildung eines geeigneten Human- Machine-Interfaces, d.h. die Analyse und Gestaltung der Benutzungsschnittstelle, swie die Knzipierung des durch die Sensr-Schutzhandschuhe gebildeten Ad-hc Netzes unter Einbezug des Einsatzwagens (Brandleitung) vr Ort. Würth Elektrnik GmbH & C. KG: Das technlgische Knzept, mit dem die an zukünftige Prdukte und Fertigungen gestellten Anfrderungen erfüllt werden sllen, beruht auf der ptimierten und angepassten Integratin flexibler Leiterplatten auf Basis neuer plymerer Grundwerkstffe. Für Textile Lösungen sllen hierzu neben bewerten Materialien, wie Plyimid, auch neue Plymere wie LCP einbezgen werden. LCP hat den Vrteil, dass zum einen neue technische Parameter bzgl. Temperaturbeständigkeit erreicht werden können und auch öklgische bzw. hautverträgliche Anfrderungen erfüllt werden können. Binder Elektrnik GmbH: Durch die vrhandenen Kmpetenzen in der Aufbau- und Verbindungstechnik, swie, bei der Durchführung vn Zuverlässigkeitsuntersuchungen ist die Firma Binder wesentlich an der Elektrnikentwicklung und Packaging-Fragen im Rahmen des Prjektes aktiv beteiligen. W+R GmbH: Das Unternehmen W+R ist Spezialist im Bereich Schutzhandschuhe. Im Prjekt wird W+R schwer-punktmäßig die aufwendige Fertigung der textilen Prttypen übernehmen. Es müssen Varianten verschiedener Taschenlösungen zur Unterbringung der Sensrik und Elektrnik, swie Varianten mit teil-textilintegrierten Energieversrgungsstrukturen und Datenübertragungsstrukturen angefertigt werden. Insbesndere ist dabei auf Ergnmie und Tragekmfrt zu achten. Starre Teile des Sensr- und Elektrniksystems müssen schlaggeschützt untergebracht werden und s, dass für den Träger des Handschuhs keine Verletzungsgefahr besteht. Daneben muss bereits bei den Prttypen darauf geachtet werden, dass sie marktgerecht entwickelt werden und zertifiziert werden können. Feuerwehrhandschuhe müssen einer Vielzahl definierter Anfrderungen genügen. W+R wird die laufenden Prjektarbeiten hinsichtlich dieser Anfrderungen analysieren und Vrgespräche mit den Zertifizierungsgremien führen. Das Unternehmen W+R Seiz entwickelt sich mit diesem Prjekt zu einem Anbieter vn Textilelektrnik-Systemen mit IT-Anbindung. Die Partner im Verbund können alle Aspekte der Entwicklung und Systemintegratin abdecken. 7
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Planung des Vrhabens Für die Realisierung des Vrhabens wurde nachflgend aufgeführter Arbeitsplan aufgestellt: AP 1: Anfrderungserhebung (W+R Seiz, MRC, Würth, Binder) AP2: Entwicklung der Integratinstechnlgie (Binder, Würth, MRC) AP3: Evaluierung/ Entwicklung der Sensrelektrnik (MRC, Binder) AP 4: Evaluierung/ Entwicklung des Aktuatrs (MRC, Würth, Binder) AP 5: Netzwerkknzept (MRC) AP 6: Entwicklung der Funkschnittstelle (MRC, Binder, Würth) AP 7: Zuverlässigkeitstests (Würth, Binder, W+R Seiz) AP 8: Funktinstest (MRC, Binder, W+R Seiz) AP 9: Verwertung und Nachhaltigkeit (W+R Seiz, MRC) Wissenschaftlicher und technischer Stand Feuerwehrhandschuhe wurden bislang als rein passive Bestandteile der Feuerwehrschutzausrüstung entwickelt. Spezialmaterialien der speziell ausgerüstete Textilien erfüllen im Wesentlichen die Funktin des Wärmeschutzes. Daneben ist ein gewisser Schutz vr Schlag und Schmutz gegeben. Die Integratin vn Elektrnik in Handschuhe zur Erhöhung der Sicherheit steht internatinal am Anfang. Dies zeigt z.b. auch das vm Prjektpartner W+R Seiz angemeldete Gebrauchsmuster, in dem sich die Idee einer Temperatursensrik zur Verbesserung der Orientierung des Feuerwehrmann bereits findet, das jedch aufgrund des bislang fehlenden Knw-hws des Prjektpartners nch nicht am Markt umgesetzt werden knnte. Das am MRC-Bremen durchgeführte eurpäische Prjekt wearitatwrk ermittelte und entwickelte Wearable-Cmputing Anwendungen auch für die Feuerwehr. Der Fkus lag hier jedch bei Head- Munted-Displays, als speziellen Datenbrillen, mit denen Infrmatin in das Gesichtsfeld des Trägers eingeblendet werden kann. Ziel des vrliegenden Prjektes ist es, über die Integratin vn sich selbst vernetzenden Mikrsystemen in eine Schutzbekleidungskmpnente (Handschuh) die Gesundheit vn Menschen, die in gefährlicher Umgebung arbeiten, wie z.b. Feuerwehrleute, zu schützen, hne sie vn ihren 8
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 eigentlichen Aufgaben durch zu viel zusätzliche Infrmatin abzulenken. Der Einsatz vn Mikrsystemtechnik ist hier ntwendig, um die Mdule mit dem ntwendigen Miniaturisierungsgrad integrieren zu können, da sie die nrmale Funktin des Handschuhs und auch den Nutzer selbst nicht beeinträchtigen dürfen. Da der Handschuh, neben der Nutzung als Stand-alne-Device, in ein bestehendes Netzwerk integriert werden kann, kmmen ebenfalls Entwicklungen aus dem Bereich drahtlser Sensrnetzwerke zum Einsatz. Grundsätzlich gibt es verschiedene Vrschläge für Ad-hc-Ruting Verfahren. Man unterscheidet dabei im Wesentlichen reaktive und praktive Verfahren: Bei den praktiven Verfahren werden Ruten unabhängig davn gesucht, b aktuell Daten zu übertragen sind. D.h. im Prinzip tauschen sie sich mit den Nachbarn über ihre Nachbarn aus und erhalten s Ruting-Tabellen in jedem Knten. Die bekanntesten Vertreter sind: Destinatin-Sequenced Distance Vectr (DSDV) Optimised Link State Ruting (OLSR), OLSR wird bei der IETF unter RFC 3626 diskutiert Bei den reaktiven Verfahren wird erst dann eine Rute gesucht, wenn Daten zur Übertragung anliegen. Dann wird das Ziel über sgenannte Rute Request gesucht, die in das Netz gesendet werden. Jeder Knten, der einen slchen Rute Request erhält, sendet diesen weiter, wenn er nicht selbst das Ziel ist. Das Netz wird quasi mit Rute Requests geflutet. Es gibt Mechanismen, die das Flding begrenzen. Z.B. darf der gleiche Rute Request nicht zweimal weitergesendet werden, es gibt eine maximale Anzahl vn Hps, die ein Rute Request gesendet wird. Die Destinatin wählt bei mehreren Rute Requests, die es erhält, den besten aus (ersten, geringste Hpzahl der andere Verfahren) und sendet einen Rute Reply zurück. Die bekanntesten reaktiven Verfahren sind: AODV (Ad hc On-demand Distance Vectr Ruting, RFC 3561), DSR (Dynamic Surce Ruting, RFC 4728) und das neueste ist DYMO (Dynamic MANET On-Demand Ruting), eine Kmbinatin aus AODV und DSR. Weiterhin gibt es hybride Verfahren, die insbesndere bei grßen Netzen beispielsweise zwischen Gruppen ein reaktives und innerhalb einer Gruppe ein praktives Ruting verflgen. Die reaktiven Verfahren haben, bis die Rute gefunden ist, eine kurze Verzögerung. D.h. das erste Paket wird erst verzögert gesendet, weil zunächst die Rute gesucht werden muss. Dafür gibt es gerade bei hher Mbilität der geringer Anzahl vn Paketen Vrteile, weil insgesamt weniger Kntrllinfrmatin gesendet wird. Die praktiven Verfahren haben keine Verzögerung für die ersten Pakete, sind aber dafür ft nachteilhaft bei Netzen mit hher Mbilität. OLSR als praktives, und AODV und DSR sind als RFC in der Standardisierung innerhalb der IETF weit vrangeschritten. Für alle gibt es viele Referenzimplementierungen. Für DYMO als Draft der IETF gibt es erste Referenzimplementierungen und Implementierungen in verschiedenen Simulatren (z.b. im 9
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 TZI die erste Implementierung im Simulatr -> OPNET). Bisher werden Ad-hc-Ruting Prtklle im Wesentlichen für WLAN (802.11) eingesetzt. Es gibt einige kmmerzielle Prdukte, die auf ad-hc- Prtkllen basieren z.b. Mtrla Mesh Netwrk. IABG in München hat das HIMONN-System als Prdukt für den Emergency- Markt entwickelt. Die Neuheit des hier beschriebenen Lösungsansatzes besteht in der Einbeziehung neuer Prtklle für den verflgten Anwendungszweck, die z.b. Ruten nicht auf Basis der Zahl der Hps, sndern nach Energiestatus der einzelnen Knten, nach Interferenzen etc. suchen. Weiterhin ist es möglich insbesndere im Bereich vn Sensrnetzen auch nch weitere Opprtunistische Ruting Verfahren zu etablieren, die auch mit unterbrchenen Verbindungen etc. umgehen können und Pakete dann weiterleiten, wenn es eine Verbindung zum nächsten Knten (Opprtunity) gibt. Aufgrund des vergleichsweise geringen Datenaufkmmens des gewählten anwendungsbezgenen Funktinsumfanges in der Kmmunikatin ist grundsätzlich eine bisher wenig beachtete Kmmunikatin über IEEE 802.15.4 (ähnlich ZigBee an) zu favrisieren. Die Vrteile sind eine fast ähnliche Reichweite wie WLAN bei gleichzeitig sehr Strm sparender und relativ einfacher Technik; daher in einfachen, kstengünstigen und kleinen Sensrknten integrierbar. Prdukte der Firma Crssbw Technlgy Inc. (www.xbw.cm) beispielsweise haben insgesamt eine Kapazität vn ca. 250 kbps, die sich aber auf die Sensrknten in Reichweite aufteilen. Erste Erfahrungen auf Seiten des Frschungspartners sind für die Kmpnenten TelsB (kmpatible vn MteIV) vrhanden. Weiterentwicklungen (siehe Abbildung 4 Wireless Mdule IRIS 2.4GHz ( Crssbw)) versprechen hier vr allem eine bessere Reichweite. Abbildung 4 Wireless Mdule IRIS 2.4GHz ( Crssbw) Es bestehen umfangreiche und intensive Frschungsarbeiten an Multi-hp Ad-hc Prtkllen. Es ist z.b. gelungen AODV auf Mte Kmpnenten zu aktivieren und auch für mbile Szenarien anpassen. Dem bisher verfügbaren TinyAODV fehlen Features zur Unterstützung vn Mbilität. Die Empfehlung der Experten zielt für den vrliegenden Anwendungsfall dieses Prjektes in der technischen Knzeptin auf Sensrknten und IEEE 802.15.4 für die Vernetzung. Ein besnderer Mehrwert entsteht dabei durch die Integratin des Wireless Sensr Netwrks (WSN) im Handschuh und die Verwendung vn Ad-hc-Netzen zur Datenübertragung. 10
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Bezüglich der Integratin vn Elektrnikkmpnenten in einen Handschuh ist eine Vielzahl vn Prdukten mittlerweile am Markt erhältlich. S integriert z.b. die Firma Reusch zwei Li-Inen Akkumulatren in den Handschuhschaft eines beheizbaren Skihandschuhs (siehe Abbildung 5 Li-In Zellen als Strmversrgung eines beheizbaren Ski-Handschuhs ( InteractiveWear AG)) Eine ähnliche Lösung wird für die Strmversrgung des Feuerwehrhandschuhs favrisiert. Abbildung 6 Sensrisches Gestenarmband inkl. Funkanbindung Abbildung 5 Li-In Zellen als Strmversrgung eines beheizbaren Ski-Handschuhs ( InteractiveWear AG) Weiterhin wurde im eurpäischen Prjekt WearIT@Wrk ein Gestenhandschuh entwickelt, der Bewegungsabläufe über Sensren erfasst und in einem Device inkl. Strmversrgung und Funkschnittstelle integriert ist (siehe Abbildung 6 Sensrisches Gestenarmband inkl. Funkanbindung) Dieses Gestenarmband ist heute ready-fr-integratin. Abbildung 7 Integrierte Elektrnikkmpnente Fa. O Neill ( InteractiveWear AG) Bezüglich der Applikatin einer Kmpnente zur Temperaturfeldmessung und entsprechender Aktrik wird das Knw-hw der Knsrtialpartner genutzt. Swhl Temperaturfeldsensr als auch Aktrik-Kmpnenten sind dabei handelsüblich verfügbar. 11
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Stand der Technik zur Elektrnikintegratin auf Textil ist ablesbar z.b. an der ipd Steuerung/ Jystick als Mdulaufbau/ Mdulintegratin auf dem Handschuhrücken der auch bei den Frschungsarbeiten zur Applizierung flexibler Substrate auf textilen Oberflächen (siehe Abb. 7 a,b) a) b) Abbildung 8 Elektrische Verbindung mittels Sticken a) durch flexibles Substrat b) über leitendes Textil Als Lösungsansatz für die Mikrsystemtechnikkmpnenten wird hierbei zuerst ein Aufbau als Stapelmdul favrisiert. Dieses Stack kann quasi als stand-alne Mdul gefertigt und anschließend in den Handschuh eingearbeitet werden. Der Aufwand zur Textilintegratin erscheint damit beherrschbar. Besnderer Frschungsbedarf besteht in der Beibehaltung der vllständigen Islatin des Schutzhandschuhs vr überhöhten Temperaturen. Das Gesamtsystem -bestehend aus den Sensrkmpnenten Gestenerkennung und Temperatur, die ihre Infrmatinen über Ad-hc Netze an eine Leitstelle übertragen- ist neu und bisher nicht realisiert. Gleichzeitig bietet die Stand-Alne-Lösung zum Generieren eines Alarmsignals bei definierter Übertemperatur eine weitere autarke Funktinalität. Aufgrund des hhen Innvatinsgrades besteht die Möglichkeit, im Rahmen des Prjektes Patente anzumelden. Wie der Umgang mit während des Prjektzeitraumes entstehender Patente und deren Rechte gehandelt werden, wird durch einen Kperatinsvertrag zwischen den Prjektpartnern geregelt. Bekannte Knstruktinen, Verfahren und Schutzrechte Angemeldetes Gebrauchsmuster, W+R Seiz (Prjektpartner) Verwendete Fachliteratur swie benutzte Infrmatins- und Dkumentatinsdienste [1] Statistik deutscher Feuerwehrverband (2003) [2] Rssi R. (2003): Fire fighting and its influence n the bdy. Ergnmics, August 2003, Vl. 46, N 10, S. 1017-1033 [3] Bretschneider N., Brattke S., Rein K. (2006), Head Munted Displays fr Fire Fighters, 3rd Internatinal Frum n Applied Wearable Cmputing IFAWC, March 15-16, 2006, Bremen, VDE Verlag 12
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 [4] C. Kallmayer, R. Pisarek, A. Neudeck, S. Cichs, S. Gimpel, R. Aschenbrenner, H. Reichl; New Assembly Technlgies fr Textile Transpnder Systems ; Prc. 53rd ECTC, New Orleans, Luisiana, 2003 [5] T. Linz; C. Kallmayer, R. Aschenbrenner, H. Reichl: Embridering Electrical Intercnnects with Cnductive Yarn fr the Integratin f Flexible Electrnic Mdules int Fabric; IEEE Internatinal Sympsium n Wearable Cmputing, Osaka, Japan, 19.-21.10.05, 2005 [6] H. Kenn, U. Gltzbach, O. Herzg, The Smart Glve Wrkshp, TZI-Bericht Nr. 33, Februar 2006 [7] Snderausgabe Frequenz (Zeitschrift für Telekmmunikatin), 3-4/2004, Band 58 [8] A. Timm-Giel, K. Kuladinithi, P. Hfmann and C. Görg, Wireless and Ad Hc Cmmunicatins Supprting the Firefighter.. 15th IST Mbile Summit, Mycns, Greece, June 4-8, 2006 [9] C. Behrens, M. Becker, J. Gehrke, D. Peters, R. Laur, Wireless Sensr Netwrks as an Enabler - fr Cperating Lgistic Prcesses.. Prceedings f The REALWSN06 ACM Wrkshp n Real- Wrld Wireless Sensr Netwrks. 85 86, 2006 Zusammenarbeit mit anderen Stellen 13
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Ausführliche Darstellung Geplante Prjektlaufzeit: 2,5 Jahre Geplanter Prjektbeginn: 01.02.2008 Partner Prjektvlumen (in tausend Eur) Universität Bremen, MRC 250 Würth Elektrnik GmbH 300 Binder Elektrnik GmbH 270 W+R GmbH 580 Gesamt: 1400 Verwendung der Zuwendung Die im Prjekt verflgten Ziele erfrdern neue Technlgien im Bereich der Mikrsystemtechnik. Die Sensren und Aktuatren, die in den Handschuh integriert werden sllen, müssen extremen Umgebungsbedingungen widerstehen. Am Temperatursensr können Temperaturen > 200 C auftreten, außerdem können Stöße (auch punktuell) und andere mechanische Belastungen entstehen. Zuverlässigkeit unter s hhen Temperaturen ist im Bereich der Mikrelektrnik ein ungelöstes Prblem. Neue Substrate, Ltelegierungen und Verkapselungsmaterialien müssen erprbt werden, ebens wie geeignete Textilmaterialien. Auch die Stabilität der Netzwerke, d.h. Die Sicherheit der Datenübertragung unter diesen Bedingungen muss untersucht und ptimiert werden. Dazu müssen verschiedene Netzwerktypen realisiert und verglichen werden. Wenn Grenzwerte überschritten werden (die nch zu definieren sind), die keine zuverlässige Funktin mehr zulassen, sll ein passiver Schutz der Elektrnik ausgelöst werden (vergleichbar Airbag), der die gefährdeten Kmpnenten isliert. Generell weist die Entwicklung neuer Technlgien ein erhebliches Risikptential auf. Durch die bei den Prjektpartnern aber bereits vrhandenen fundierten Erfahrungen auf den Gebieten der Sensrnetze, der Integratinstechniken für die Mikrsystemtechnik, der Textilverarbeitung und im Bereich Wearable Electrnics ist das Risik allerdings kalkulierbar und das Prjektziel ist mit hher Wahrscheinlichkeit erreichbar. Die in diesem Prjekt durchzuführenden Entwicklungen verschaffen den Verbundpartnern einen wissenschaftlich-technischen Vrsprung gegenüber der weltweiten Knkurrenz. Damit dieser 14
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Vrsprung gehalten und insbesndere weiter ausgebaut werden kann, und damit die wirtschaftliche Verwertung der Ergebnisse in Deutschland stattfindet und hier Arbeitsplätze schafft, ist zum jetzigen Zeitpunkt eine staatliche Förderung unabdingbar. Ablauf des Vrhabens Für die Realisierung des Vrhabens wurde ursprünglich nachflgend aufgeführter Arbeitsplan aufgestellt. Abbildung 9 Ursprünglicher Arbeitsplan Die darin beschriebenen Arbeitspakete wurden im Einzelnen wie nachstehend beschrieben definiert: AP 1: Anfrderungserhebung (W+R Seiz, MRC, Würth, Binder) Beschreiben des Einsatzszenaris für den Sensr-Handschuh beim Anwender als Basis für die Definitin der Nutzeranfrderungen Erfassen vn Anfrderungen des Endnutzers Definitin vn Przesselementen Erfassen vn Anfrderungen für die spätere Systemintegratin Definitin vn Schnittstellen Design der Integratinsarchitektur Spezifikatin der Netzwerkkmpnenten Spezifikatinen für die Sensr- und Aktr-Kmpnenten swie der Schnittstellen hinsichtlich: Sensren (Messbereich, Tleranz) Aktuatr (Vibratin, wie viele unterschiedliche Signale,...) 15
Drahtlse Schnittstellen (Frequenzen, Reichweite, Prtklle) Minimale und maximale Einsatztemperatur Reinigungsvrgänge Wartungszyklen Lebensdauer AP2: Entwicklung der Integratinstechnlgie (Binder, Würth, MRC) 16 Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Anhand vn Testdevices, die s nahe wie möglich an den späteren funktinalen Mdulen liegen, werden verschiedene Technlgien zur Sensrintegratin untersucht. Dabei wird swhl die Mntage des Sensrs auf ein Substrat als auch die Integratin dieses Substrates in das Textil betrachtet. AP2.1: Es werden auf verschiedenen flexiblen Substratmaterialien (PI und LCP) verschiedene hchtemperaturtaugliche Ltlegierungen eingesetzt und hinsichtlich Verarbeitbarkeit, Ausbeute und Kntaktqualität verglichen und bewertet. AP2.2: Für die Verbindung zum Textil werden verschiedene Klebstffe (Durmere) swie das Ansticken mit temperaturstabilen leitfähigen Fäden (z.b. Vllmetallfäden) untersucht. AP3: Evaluierung/ Entwicklung der Sensrelektrnik (MRC, Binder) Bei den Sensren wird sweit wie möglich auf marktverfügbare Elemente zurückgegriffen. Der Schwerpunkt im Prjekt liegt bei der Entwicklung der Integratinstechnlgien für das Gesamtsystem. Sensren für die Temperaturfeldmessung swie Beschleunigungssensren für die Gestenerkennung sind markterhältlich und in grßen Stückzahlen preiswert verfügbar. Die Sensrelektrnik ist auf Grundlage der Vrarbeiten der Partner zu entwickeln. AP 4: Evaluierung/ Entwicklung des Aktuatrs (MRC, Würth, Binder) Für die Entwicklung des Aktuatrs sll ebenfalls auf marktverfügbare Elemente zurückgegriffen werden. Die Auswahl eines geeigneten Aktuatrprinzips wird nach einer Praxisbefragung getrffen (Bestandteil vn AP1). Im Fall, dass ein Vibratinsaktuatr in Frage kmmt, sind beispielsweise aus dem Bereich Mbiltelefnie preiswerte und zuverlässige Kmpnenten auf dem Markt. Die Elektrnik zur Ansteuerung des Aktuatrs ist zu entwickeln. Als Lösungsansatz der Aufbau- und Verbindungstechnik (AP3 und AP4) für die Mikrsystemtechnikkmpnenten wird derzeit ein Aufbau als Stapelmdul favrisiert. Dieses Stack kann quasi als stand-alne Mdul gefertigt und anschließend in den Handschuh eingearbeitet werden. Der Aufwand zur Textilintegratin erscheint damit beherrschbar. AP 5: Netzwerkknzept (MRC) Entwicklung eines energieminimierten ad-hc Funknetzwerkes mit hher Datensicherheit basierend auf den Spezifikatinen in AP1. AP 6: Entwicklung der Funkschnittstelle (MRC, Binder, Würth) Für die Übertragung der Sensrdaten zur Einsatzzentrale vr Ort wird eine Funkschnittstelle auf Basis vn WLAN entwickelt. Hier kann auf Vrarbeiten des MRC zurückgegriffen werden. Alle
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Sensrmdule im Handschuh greifen auf die gleiche Funkschnittstelle zu. Alternativ geprüft werden sll die Realisierungsmöglichkeit einer Bluetth-Übertragung zum Funkmdul eines Bdy-Area- Netwrks und weitere Übertragung vn drt per WLAN. AP 7: Zuverlässigkeitstests (Würth, Binder, W+R Seiz) Mit den in AP2 entwickelten Technlgien werden Testmdule aufgebaut. Diese werden verschiedenen Zuverlässigkeitstests aus den Bereichen Mikrelektrnik und Textil unterzgen (thermische Wechselbelastung, Feuchteauslagerung, thermische Auslagerung, Reinigung, mechanische Belastung...). Außerdem werden Handschuhe für Feldversuche bereitgestellt und nach einer nch festzulegenden Anzahl vn Einsätzen analysiert. Die Ausfälle werden untersucht, um s Schwachstellen in der Aufbau- und Verbindungstechnik zu detektieren und diese zu ptimieren. AP 8: Funktinstest (MRC, Binder, W+R Seiz) Die Testmdule werden Funktinstests in der Labrumgebung swie ersten Feldversuchen in der Realumgebung unterzgen. Ein Testumfeld ist durch das Prjekt WearIT@wrk swie durch die Kperatin des Prjektpartners W+R Seiz mit der Reutlinger Feuerwehr gegeben. AP 9: Verwertung und Nachhaltigkeit (W+R Seiz, MRC) Definitin weiterer möglicher Anwendungsdmänen Aufstellen vn Markt- und Geschäftsmdellen Aufstellen der Vermarktungsstrategie Marktanalyse Wettbewerbsanalyse Definitin vn Kmmunikatinskanälen Entwickeln der Vertriebsstrategie Sicherung der Nachhaltigkeit durch Transfer und Verbreitung der Ergebnisse im wissenschaftlichen und kmmerziellen Umfeld. Der in Abb. aufgeführte Arbeitsplan wurde innerhalb des Prjektes verflgt, musste jedch insbesndere in der Meilensteinplanung an den realen Prjektverlauf angepasst werden. Gründe waren unzureichender praktische Ergebnisse in den Distanztests innerhalb des AP 8 in Bezug auf die RSSI Datenverarbeitung Ortung, die aus AP 5 stammen. Aus diesem Grund wurde im Prjekt entschieden, eine dritte Designlinie (Re-Redesign) u.a. mit verbesserter Antenne für den Handschuh aufzusetzen, die abschließend in Meilenstein 8b als funktinierendes Endprdukt einflss. Durch Prbleme bei der Handschuhintegratin der Elektrnik (Package-Daten, Kntaktierungsprbleme, textiler Aufbau) kam es derweil aber zu weiteren Verzögerungen bei der Inbetriebnahme des finalen Prttypens. Mit dem nachflgend beschriebenen Lösungsszenari bestand allerdings die begründete Annahme, dass die Zielerreichung im Prjekt Glvenet gelingen knnte. Zielerreichung vn Meilenstein 8b finales Endprdukt. Fa. Binder fertigte die verbleibenden 8 Mdule unter höchster Srgfalt und Beachtung 17
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 der aktuellen Fehlerdiskussin, damit sllte sichergestellt sein, dass die Mdule funktinieren. Zielerreichung Meilenstein 7b Zuverlässigkeit Feuerwehrnrm. Diese Aktivitäten erflgten unter Führung vn Fa. W+R. Zielerreichung Meilenstein 9 Evaluierung der wiss. und praktischen Prjektergebnisse. Erkenntnisse aus den Feldtests und Zuverlässigkeitsuntersuchungen wurden darin zusammengefasst. Erzielte Ergebnisse Schutzfunktinsknzept Besprchene Fragen: Aktivierung/ Deaktivierung Handschuhe Überwachungs- mdus Überwachungsmdus aktivieren/ deaktivieren Erkennung Fahrzeug zum nch hne Überwachungsfunktin Stand by Erkennung zum Trupp (Innenangriff) Überwachungsfunktin Trupp kann sich aus Persnen unterschiedlicher Fahrzeuge zusammen setzen aktiv Erkennung Gruppenführer (hne Innenangriff) nch hne Überwachungsfunktin Gruppenführer kann mehrere Fahrzeuge unter sich haben Stand by wie kann ich melden über welche Fahrzeuge ich Gruppenführer bin Erkennung Gruppenführer Trupp Innenangriff) (mit im Überwachungsfunktin Trupp und Gruppenführer aktiv wie kann ich melden über welche Fahrzeuge ich Gruppenführer bin Gewnnene Anfrderungen: Fahrzeug Aktivierungsknten am Fahrzeug für die Zugehörigkeit zum Fahrzeug Aktivierungsknten für die Funktin Gruppenführer Handschuh Aktivierungsmechanismus aktive Überwachung beginnen Aktivierungsmechanismus aktive Überwachung beenden 18
Aktivierungsmechanismus wer gehört in einen Trupp Wie erkenne ich b ich im Überwachungsmdus bin? Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Die flgende Tabelle zeigt den Schutzfunktinsplan, der sich nach Szenarien rdnet. Für die Verteilung der Infrmatin im Netzwerk sind 3 Priritäten vrgesehen: Niedrig: Signal nur am Mann Mittel: Signal im Trupp untereinander Hch: Signal Gruppenführer Die Feedback Verteilung ergibt sich aus der Prirität der Infrmatin und aus der Zusammengehörigkeit in der Hierarchiestruktur. Es sind 4 verschiedene Feedback-Signalmuster vrgesehen, die in der Intensität eine Eskalatin anzeigen können. Eine ffene Frage bleibt zunächst bestehe. Es ist die Frage, b das Feedback erst ausgelöst werden sllte, wenn das Signal im Netzwerk verteilt und angekmmen ist und das Feeback smit als Bestätigungssignal verstanden werden kann. Szenari Wer löst aus? Prirität (Netzwerk) Wie gemeldet erkannt? wird bzw. Feedback >FM Aktiv selbst Feedback >Truppführer Trupp in Nt FM AKTIV hch Geste Dauervibratin Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst und Feedback >Gruppenführer Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Ttmann FM AKTIV hch Sensr Dauervibratin Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Orientierung/ verlren Kllegen FM AKTIV hch Geste Dauervibratin Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Persn gefunden FM AKTIV hch Geste langer Abstand langer Abstand wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst langer Abstand wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Umgebungstemperatur (>150 C, >30K/s) FM AKTIV niedrig Sensr kurzer Abstand (niedrige Intensität) --- --- Umgebungstemperatur (>300 C, >60K/s) FM AKTIV hch Sensr kurzer Abstand (hhe Intensität) Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Handschuh Innentemperatur (>50 C) FM AKTIV niedrig Sensr kurzer Abstand (niedrige Intensität) --- --- Handschuh Innentemperatur (>70 C) FM AKTIV hch Sensr kurzer Abstand (hhe Intensität) Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Interner Truppabstand (>5m) FM AKTIV mittel Signalstärke langer Abstand (niedrige Intensität) langer Abstand wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Interner Truppabstand (>10m) FM AKTIV hch Signalstärke langer Abstand (hhe Intensität) Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Dauervibratin wenn bei zugehörigem FM Aktiv ausgelöst Rückzug/ Sammeln Gruppenführer hch Geste --- Dauervibratin (vr RückzugKntakt mit dem Gruppenführer über Funk aufnehmen) Dauervibratin Abbildung 10 Entwicklung der Szenaris Technische Prbleme (Realisierung teilweise nch ffen): 19
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Batteriestatus / Selbsttest Netzwerkprbleme FM AKTIV niedrig Sensr kurz-lang Abstand (niedrige Intensität) --- --- Batteriestatus / Selbsttest FM AKTIV hch Sensr kurz-lang Abstand Dauervibratin Dauervibratin Netzwerkprbleme (>60s) (hhe Intensität) (Kntakt mit dem Gruppenführer über Funk aufnehmen) Abbildung 11 Schutzfunktinsplan für ein Einsatzszenari der Feuerwehr Reutlingen Nachflgend wird dargestellt, wie die Paarung der Handschuhe im bzw. vr dem Einsatz abläuft (Abbildung 12 Detektin und Verarbeitung der Paarung ). Abbildung 12 Detektin und Verarbeitung der Paarung In der nachflgenden Abbildung wird die Package-Struktur der im Prjekt Glvenet entwickelten Sftware dargestellt. Abbildung 13 Package-Struktur der Glvenet-Sftware Mit dieser Sftware kann der im Prjekt entwickelte Handschuh wird flgt bedient werden: Inbetriebnahme 20
Falls zu diesem Zeitpunkt nch nicht geschehen: Einlegen der Batterien in das Batteriefach (Typ: AAA) Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Einschalten durch Betätigen des Schalters am Batteriefach Reaktin des Handschuhs: Hierarchieaufbau Vibratin (einmal lang), der Handschuh ist nun bereit zum Aufbau der Hierarchie Die Przedur zum Aufbau der Hierarchie startet mit der Durchführung der Geste Sammeln/ Rückzug durch den Gruppenführer. Reaktin des Handschuhs: Vibratin (lang), der Handschuh/ das System kennt nun den Gruppenführer Im zweiten Schritt melden sich die Truppführer beim Gruppenführer durch das Klatschen vn Handrücken an Handrücken der Faust an Faust an. Reaktin der Handschuhe: die jeweils beteiligten zwei Handschuhe vibrieren, die Handschuhe/ das System kennen nun den/ die Truppführer Im dritten Schritt melden sich die Truppmänner beim Truppführer durch das Klatschen vn Handrücken an Handrücken der Faust an Faust an. Reaktin der Handschuhe: die jeweils beteiligten zwei Handschuhe vibrieren, die Handschuhe/ das System kennen nunden/ die Truppmänner Der mit den GlveNet-Handschuhen ausgerüstete Trupp ist nun bereit. Gestensteuerung (allgemeines) Initialisierung einer Geste Um den Handschuh auf die Übertragung einer Geste vrzubereiten, muss er zunächst initialisiert werden. Dies geschieht mit einem Dppelschlag der behandschuhten Hand auf den Oberschenkel (der einen anderen Untergrund) Durchführung einer Geste Die Bewegung einer jeden Geste muss dreimal wiederhlt werden (z.b. drei kreisförmige Bewegungen über dem Kpf). Beendigung einer Geste Die Geste wird beendet, indem die Hand für etwa 2 Sekunden in der Endpsitin der jeweilig ausgeführten Geste stillgehalten wird. Bestätigung einer Geste durch den Handschuh Der Handschuh bestätigt die krrekte Durchführung einer Geste bzw. deren Erkennung mittels einer kurzen, nicht anhaltenden Vibratin. Der Handschuh ist nun bereit zur Aufnahme/ Übertragung der nächsten Geste. Gesten (Durchführung) Geste: Sammeln 21
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Kreisen der Hand im Uhrzeigersinn über dem Kpf. Geste: Kamerad/ Orientierung verlren Hand mit der Handfläche nach unten seitwärts hin- und her bewegen (als wenn man über dem Bden streichen würde). Optimalerweise sllte diese Geste swhl links begnnen als auch links beendet werden. Geste: Persn retten Hand mit dem Handrücken nach unten vr- und zurückbewegen Optimalerweise sllte diese Geste am Körper beendet werden. Geste: Ntfall Auf eine waagerechte Fläche schlagen. Inklusive der Initialisierungsgeste müssen mindestens fünf Schläge erflgen mehr Schläge sind möglich, beeinflussen aber die Gestenerkennung nicht Geste: Ttmann-Warnung bestätigen Heben der Hand/ des Armes bis die Vibratin aufhört Bei dieser Geste ist weder Initialisierung nch Wiederhlung nötig. Die Durchführung aller Gesten ist in Beispielfilmen dkumentiert. Für das haptische Feedback wurden die flgenden Vibratinssignale definiert und implementiert: Alle handschuhtragenden Persnen: kurz lang: technisches Prblem des Handschuhs Ttmann-Vrwarnung Dauersignal Ttmann-Alarm kurz kurz Temperatur-Alarm Gruppenführer: Dauersignal ein Truppführer/ Truppmann meldet: Ntfall ein Truppführer/ Truppmann meldet: Kamerad/ Orientierung verlren lang-lang ein Truppführer/ Truppmann meldet: Persn retten Trupp (Truppführer und Truppmänner) Dauersignal Anrdnung vm Gruppenführer: Rückzug Nachweis der wichtigsten Psitinen n.n. 22
Ntwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit Vraussichtlicher Nutzen Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Die Feuerwehren in Deutschland erfüllen eine Vielzahl vn Hilfs- und Rettungsaufgaben. Medizinische erste Hilfe und technische Dienste zählen zu den am häufigsten gefragten Einsatzfeldern. Etwa 200.000mal im Jahr rücken deutsche Feuerwehren aus, um ein Feuer zu löschen. Etwa 10% aller Einsätze sind der Brandbekämpfung zuzurechnen [1]. Diese Einsätze zählen zu den gefährlichsten für Leib und Leben der Einsatzkräfte. Am Brandrt herrschen in der Regel äußerst schwierige Einsatzbedingungen. Ein besnders schwieriges Prblem ist die Funkübertragung aus einem brennenden Gebäude zur Einsatzleitung. Aufgrund vn Gasentwicklung und hhen Temperaturen (Plasma) wird die Ausbreitung elektrmagnetischer Wellen stark behindert. Hinzu kmmt die Abschirmwirkung vn Gebäudeteilen. Sehr prblematisch in diesem Zusammenhang hat sich auch das Vrhandensein vn Löschschaum erwiesen. Der Schaum behindert wirkungsvll die Funkübertragung. Das Prblem kann durch Verkürzung der ntwendigen Übertragungsstrecken gelöst werden. Werden die Daten nicht direkt vn der Einsatzkraft zur Brandleitung, sndern in einem Adhc-Netz vn Knten zu Knten übertragen, können die zu überbrückenden Abstände wesentlich geringer sein. Nach dem vrgeschlagenen Prjektansatz bilden die Handschuhe aller im Einsatz befindlichen Feuerwehrleute ein Adhc-Netz. Datenpakete können damit im multi-hp Verfahren auf einem adhc bestimmten Weg zur Brandleitung gelangen. In die Handschuhe sll Mikrsensrik mit den Funktinalitäten Temperaturfeldsensr und Beschleunigungssensr integriert werden. Im bestehenden Marktumfeld für die Schutzausrüstung der Feuerwehrleute können durch die Elektrnikintegratin deutliche Prduktvrteile erzielt werden. Das System verbessert die Orientierung des Feuerwehrwehrmanns im verrauchten Gebäude, indem es wesentliche Umgebungsinfrmatinen liefert. Zum einen geschieht dies durch ein unmittelbares Feed-Back (haptischer Aktuatr im Handschuh) zum anderen durch die Datenweiterleitung über eine Funkschnittstelle an das BAN der die Einsatzzentrale, die aufgrund dieser Infrmatin den Einsatz besser als bisher steuern kann. In Gesprächen mit Feuerwehrleuten wurde es außerdem als wünschenswert angesehen, in Ergänzung zu den existierenden Sprechfunktechnlgien eine einfache Gestenkmmunikatin auch bei fehlender Sichtverbindung bereitzustellen. Dies ist mit einem Handschuh realisierbar, in welchen Bewegungssensren mit integriert werden. Die Wertsteigerung wird mit einem Ptenzial vn bis zu 50% des herkömmlichen Marktpreises angegeben. Miniaturisierte autarke Sensrnetzwerke werden zukünftig für viele Anwendungs bereiche eine Schlüsseltechnlgie sein. Die Technlgien hierfür sind erst ansatzweise entwickelt und untersucht und nch lange nicht für alle Einsatzgebiete geeignet. Insbesndere für raue Umgebungsbedingungen (hhe Temperaturen, Feuchte, mechanische Belastung) sind nch viele technlgische Prbleme zu lösen. Bei einer Sicherheitsanwendung müssen gerade unter diesen Gegebenheiten alle Funktinen sicher gegeben sein. Der Nutzer darf keinen zusätzlichen Aufwand durch Bedienung haben. 23
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Durch die vielseitigen Kmpetenzen der Partner ist allerdings das Erreichen des Prjektzieles sehr wahrscheinlich. Dann können neben der direkten Verwertung durch die Industriepartner die Ergebnisse auch für andere Anwendungen im Bereich Schutzbekleidung aber auch weitergehend für Bdy-Area-Netwrks in der Medizintechnik und snstiger Berufsbekleidung eingesetzt werden. Besnders die Funktinalität als Stand-Alne Lösung und als integraler Bestandteil eines Netzwerkes erweitern die Einsatzmöglichkeiten. Abbildung 14 Prduktschema "Intelligenter Feuerwehrhandschuh" Es sind keine knkurrierenden Lösungsansätze bekannt. Mit der geplanten Realisatin eines Ad-hc Sensrnetzes durch Integratin vn Mikrsensrik, Mikraktuatrik und Funkübertragung in einen Schutzhandschuh für den Feuerwehreinsatz wird Neuland betreten. Erflgte der geplante Veröffentlichungen N.n. Ausstellung der TZI exp 24
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Erflgskntrllbericht Beitrag des Ergebnisses zu den förderplitischen Zielen Das Prjektknsrtium bildet die vllständige Wertschöpfungskette ab. Der Frschungspartner MRC entwickelt mit den Industriepartnern Würth Elektrnik, Binder und W+R Seiz ein prttypisches Gesamtsystem, das beim Prjektpartner W+R Seiz nachflgend ins Prduktprtfli übernmmen werden kann. Die Partner Würth Elektrnik und Binder entwickeln jeweils Kmpnenten des Gesamtsystems. In der Verwertungsperspektive haben Binder und Würth Elektrnik Zulieferfunktin. Das Gesamtsystem sll über W+R Seiz in den Handel gebracht werden. Abbildung 15 Wertschöpfungskette "GlveNet" Die im Prjekt realisierten, sich selbst vernetzenden Sensr-Schutzhandschuhe sind als direkte Vrläufer vn Prdukten der Prduktreihen zu betrachten, die prjektnachflgend vm Partner W+R Seiz als System am Markt angebten werden. Als Zeitrahmen sind für die Markteinführung nach Abschluss des Prjektes 8-10 Mnate vrgesehen. Würth Elektrnik und Binder Elektrnik können die im Prjekt erarbeiteten und qualifizierten Materialien und Technlgien als Zulieferer anbieten für den wachsenden Markt der in Textilien integrierten Elektrnik. Das MRC transferiert im Prjekt das dazu ntwendige Knw-hw an Binder Elektrnik als zukünftigen Fertiger. Die im Prjekt erarbeiteten Technlgien sind auch außerhalb des speziellen Anwendungsgebietes für andere Sensr- und Aktuatrmdule in Textilien einsetzbar (z.b. in den Bereichen Prduktin, Medizin, Sprt, häusliche Pflege, usw.). Die Industriepartner erarbeiten im Prjekt Knw-hw um in diesen Gebieten einen Technlgievrsprung zu erhalten. Wissenschaftlich-technisches Ergebnis des Vrhabens Im Flgenden werden Arbeiten, die in den einzelnen Arbeitspaketen durchgeführt wurden und die daraus resultierenden Ergebnisse dargestellt. 25
AP1 (Anfrderungserhebung) Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 In AP1 (Anfrderungserhebung) wurde das Systemknzept erarbeitet, wbei die dafür zu verwendeten Technlgien festgelegt wurden. Dabei wurden seitens MRC und mit Abstimmung aller Prjektpartner drei Priritätsstufen festgelegt, die sich darin unterscheiden, dass eine niedrigere Prirität höhere Herstellungsksten bei erweiterter Funktinalität beinhaltet. Prirität 1 ist die Zielsetzung s angelegt, dass der endgültige Prttyp des Feuerwehrhandschuhs ca. 100 ksten darf (30 für die Elektrnik) und die Kernfunktinalitäten Gestik, Haptik, Funk und Temperaturmessung abgedeckt sind. Alle Inhalte sind im Besprechungsprtkll des Prjekttreffens am 09./10. 07. 2009 (Rt am See) festgehalten (siehe Anhang). Die Rlle der Feuerwehr wurde in diesem Zusammenhang nur grb angerissen. Sie beschränkte sich auf die wünschenswerte Funktinalität des Feuerwehrhandschuhs. Abbildung 16 Abbildung der Einsatzstruktur im Netzwerk In diesem Arbeitspaket wurden zudem die Kmmunikatin und das Feedback der Einsatzkräfte mit dem Glvenet-Handschuh /-System festgelegt: 1. Mit der variablen Glvenet-ID sind die Festlegung der Gruppenführer und die Erkennung zum zugerdneten Trupp möglich. Dies gilt bei Einsatzbeginn für jeden Handschuh und kann flexibel je nach Einsatzablauf erweitert der geändert werden. 2. Eintritt in die Netzkmmunikatin Überwachungsmdus erflgt über Zurdnungshandlungen am Einsatzrt. Der Handschuh wird eingeschaltet. Als ersten Schritt identifiziert sich der Gruppenführer an der frntseitigen Fahrzeugbx A (Erkennung Gruppenführer). Im Weiteren identifizieren sich die Truppführer an der Fahrzeugbx B. Die Zurdnung vn Truppführern zum Gruppenführer ist über diese Bxen festgelegt. Es flgt die Festlegung der Truppleute über paaren durch Geste am Truppführer-. Die Geste sll das Aneinanderhalten der Handschuhrücken sein. 3. Der Austritt aus dem Überwachungsmdus durch Ausschalten der Reset des Handschuhs. Dann kann eine erneute Anmeldung erflgen. 26
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 4. Pr Fahrzeug ist ein Gruppenführer vrgesehen. Der zentrale Tablet-PC sll mehrere Fahrzeuge abbilden und steuern. 5. Nach der jeweiligen Zurdnungshandlung (Anschlagen der Geste) sllte ein Feedback (Brummen) vrgesehen werden, dass die Aktivität des Handschuhs signalisiert. Zusätzlich erscheint der Teilnehmer auf dem Tablet-PC. Desweiteren wurden die Anfrderungen an den zu erkennenden Temperaturbereich und die Ntsignalerkennung des Glvenet-Handschuhs vn der Feuerwehr Reutlingen festgelegt. Abbildung 17 Anfrderungen Temperaturbereich (FW Reutlingen)" Abbildung 18 Anfrderungen Ntsignal (FW Reutlingen) 27
AP2 (Erfrschung der Integratinstechnlgie) Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 In AP2 (Erfrschung der Integratinstechnlgie) wurde festgelegt, dass nahezu die gesamte Elektrnik auf einem Mdul integriert werden muss. Dieses Mdul sll in den Feuerwehrhandschuh mdular integrierbar sein. Dabei wurde der Handschuhrücken als Einbaurt favrisiert. In diesem Bereich wurde vn der Firma W+R mit 40 x 40 x 8 mm³ die maximale Dimensin angegeben, die das Mdul haben darf, damit die Bewegung mit dem Handschuh nicht beeinträchtigt wird. Zur Temperaturmessung vn Kntaktwärme mit der Außenfläche des Feuerwehrhandschuhs wurde eine semiflexible Flie (Starrflex) der Firma Würth Elektrnik verwendet, die vn der Firma Binder Elektrnik knzipiert wurde. Diese Flie sllte im Feuerwehrhandschuh zwischen den Handschuhschichten integriert werden. Der erste Prttyp des Glvenet-Mduls beinhaltete alle möglichen Einbau- und Variatinsmöglichkeiten bei der Temperatur- und Beschleunigungssensrik. Um eine ptimale Platzausnutzung und eine stabile Funktin zu garantieren wurde dieser Prttyp einem Re-Design unterzgen. Um dieses Optimum zu finden sind bei diesem ersten Re-Design die Lösungsansätze, die sich im Zuge vn Funktinstests und weiteren Entwicklungsarbeiten als am besten geeigneten herausgestellten, integriert wrden. Des Weiteren wurde für dieses Re-Design aufgrund unzureichender Ergebnisse bei den Reichweitentests eine geringere Sendefrequenz und smit ein neues Funkmdul gewählt. Abbildung 19 Erstes Re-Design Prttyp/ Hauptplatine Im Einzelnen wurden in AP 2 flgende Entwicklungen integriert: Temperatursensrik Im ersten Prttypen wurden zwei verschiedene Lösungsansätze integriert. Zur Messung vn Kntaktwärme, die außerhalb des Handschuhs an z.b. einer Tür vrhanden ist, wurde zum einem ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC) als SMD Bauteil auf einem flexiblen Ausleger mntiert. Der gleiche Ausleger sah die Verwendung eines Thermkpplers in Frm eines Drahtes vr, der auf dem Flexausleger geklebt werden knnte. Auf der Platine war eine äquivalente 28
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Bestückungsmöglichkeit für beide Temperatursensrtypen vrgesehen. Es wurden verschiedene Thermkpplertypen und NTCs mntiert und die Ansprechzeit gemessen. Dabei stellte sich heraus, dass der Thermkppler eine deutlich höhere Reaktinszeit besitzt. Diese musste nach den Vrgaben der Feuerwehr Reutlingen zwischen ein und drei Sekunden bei einer Temperaturdifferenz vn 30 C liegen. Auf der Platine des ersten Re-Designs befindet sich wie schn beim ersten Prttyp ein Referenztemperatursensr, der die Handschuhinnentemperatur messen sll und als Referenzsignal für den Thermkppler dient. Dabei wurde im ersten Re-Design auch eine Bestückungsmöglichkeit auf der Rückseite der Platine vrgesehen. Bei diesem Sensr handelt es sich um einen IC, der einen zur Temperatur antiprprtinalen Spannungswert ausgibt. Beschleunigungssensrik Auf der Platine des ersten Prttypen waren vier Einbaumöglichkeiten für zwei benötigte Beschleunigungssensren vrgesehen, mit denen die Gestik, die mit dem Handschuh ausgeführt wird, identifiziert werden sllte. Im ersten Re-Design wurde die ptimale Anrdnung (ben, unten) gewählt und auf dann zwei Beschleunigungssensren eingeschränkt. Barmeter Der Barmeter wurde wie im ersten Prttypen integriert. Beim späteren Verguss der Platine wurde eine Aussparung vrgesehen. Verguss Weitere Vrgaben zum Verguss wurden herausgearbeitet unter Berücksichtigung der Elektrnikaufbauten, der Starrflex Platinenabschnitte, des Antennendesigns u.a. und an die Firma Binder übermittelt. Der Starrflex Entwurf war im Wesentlichen s gewählt, dass zwei Glvenet-Mdule gleichzeitig gefertigt werden knnten, indem die Flexausleger ineinander gelegt werden knnten. Auf diese Weise wurden die Materialksten minimiert. Um einen Frmverguss zu ermöglichen, mussten alle Flexausleger auf einer Seite herausgeführt werden. Als Vergussmaterial wurde aufgrund der höheren Flexibilität Silikn gewählt. Binder Elektrnik übernahm die Knstruktin der Vergussfrm. Die Anfertigung dieser wurde vn Binder Elektrnik in Auftrag gegeben. Energieversrgung Die Betriebsspannung des Mduls wurde nach intensiver Diskussin auf 3 Vlt festgelegt. Für die Implementierung in den Handschuh wurde bereits sehr früh eine textile Lösung (Mulde mit Klettverschluss in der Stulpe) angestrebt und vn Fa. W+R realisiert. Für das erste Re-Design wurde ein handelsübliches Batteriefach mit Ein/ Ausschalter ausgewählt und integriert. Derzeit sind zwei AAA Batterien als Strmversrgung vrgesehen. Der Überspannungsschutz wird durch eine in das Batteriefach integrierte Schmelzfeinsicherung gewährleistet. Eine Didenschaltung dient als Verplungsschutz. Zur Verhinderung vn schädlichen statischen Spannungsspitzen wird eine Z-Dide eingesetzt. Typischerweise ist eine Strmaufnahme des Mduls vn ca. 60mA anzusetzen. Auch unter wenig 29
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 ptimalen Bedingungen (häufige Gesten und Feedback, u.ä.) ist derzeit vn einer Betriebsdauer vn min. 12 h auszugehen. Aufgrund einiger technischer Mängel beim Re-Design, knnte dieses nicht als zielführend für den finalen Prttypen (MS 8b) eingeschätzt werde. Insbesndere vn Seiten der Industrie wurde der Wunsch geäußert ein weiteres Design im Prjekt zu realisieren, mit dem die weiteren Meilensteine Feuerwehrnrm (MS 7b) und Evaluierung (MS 9) erst realisierbar erscheinen. Nachflgend sind die wesentlichen Mtivatinsaussagen für das 2. Re-Design aufgelistet. Die Funktinsfähigkeit und Einbaufähigkeit des Thermkpplers sllen über einen ptimierten textilen Aufbau verbessert werden. Dazu sllen die Thermkntakte verklebt und neu psitiniert werden. Der Integratinsrt sll innerhalb der Gretex-Membrane übernmmen und damit der Einbauprzess vereinfacht werden,. Desweiteren sll die Passgenauigkeit im Handschuhrücken für Antenne und Vibratinsmtr verbessert werden. Die Antennenreichweite sll erhöht werden und gleichzeitig die Abweichungen der einzelnen Handschuhe in Bezug auf die RSSI Signalisierung minimiert werden. Ein verkleinertes Prgrammierkabel mit neuer Zwischenadapterplatine sll entwickelt werden. Dabei werden die Anschlüsse vn 30 auf 10 Ple reduziert. Ein visuelles Feedback der Handschuhfunktinen nach außen sll mittels Lichtleitkabel und LED-Knnektr integriert werden. Abbildung 20 Zweites Re-Design Prttyp/ Hauptplatine In AP2 wurde zusätzlich festgelegt, dass das Funkmdul ebens wie die übliche Elektrnik auf einem gemeinsamen Mdul integriert werden muss. Daher ist die Integratin im ersten Prttyp auch aufgrund der Ntwendigkeit vn Funktinsprüfungen und Reichweitenmessungen im Feuerwehrhandschuh abslut 30
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 ntwendig. Es wurden alle denkbaren Möglichkeiten der Antennenanbindung im Prttyp integriert. Für den ersten Prttypen wurde eine Batterielösung auf der Platine angestrebt (Herstelleranfrderungen). Alle Arbeiten vn AP2, AP3, AP4 und AP6 wurden zusammengefasst zu einem ersten Prttyp, dessen Schaltbild seitens MRC und dessen Layut seitens Binder Elektrnik entwickelt wurde. Der entwickelte Prttyp wurde am 23.12.09 an Würth Elektrnik zur Platinenherstellung übergeben. In AP2 und AP3 sind im Weiteren die geplanten Arbeiten zur späteren Gestenkmmunikatin umgesetzt wrden. Da im Prttyp eine hhe Hardwareintegratin der Funktinalitäten angestrebt wird, wurde die SCIPIO-Basis- Platine funktinal in den Hardwareaufbau mit integriert (AP2.2 Reengineering der SCIPIO Platine ). Um das Verhalten der Accelermeter-Sensren zu evaluieren und eine Referenz zu haben, wurden mehrere Sensrköpfe (Dachs (2* Accelermeter in Knfiguratin wie auf der endgültigen Platine vrgesehen), Glvekm (1* Accelermeter) und Whisker (1* Accelermeter und 1* 3-D Magnetmeter als Referenz)) entwrfen und hergestellt. Zusätzlich, um die Sensrplatinen in Dummy- Aufbauten hne Verkabelung zum Cmputer, sndern wirklich frei nutzen zu können, wurden zwei einfache Steuerplatinen entwrfen und hergestellt: eine als reine Funkbrücke, die andere mit einem stärkeren Micrcntrller, um Gesten-Erkennung, Sensr- Vrverarbeitung und die Interrupt-Gesteuerte Aufwach-Funktin für die Gestenerkennung testen zu können. Sftwareseitig wurden drei Gesten vn den Feuerwehrleuten geliefert und evaluiert. Dabei handelte es sich um die Sichtzeichen aus der FW-Dienstvrschrift: Achtung, Sammeln, Wasser Marsch. Da ein verfügbares Smartphne, der Ne Freerunner, die gleichen Beschleunigungssensren nutzte, wie sie auch im Prjekt verwendet wurden, knnten damit exemplarisch Beschleunigungssensrdaten bei der Durchführung der Gesten gesammelt werden. Diese Beschleunigungssensrdaten wurden mit einem Gesten- Tlkit (gt2k) verarbeitet und damit Machine-Learning betrieben. Zur Begrenzung des Rechenaufwandes und aus Energiespargründen wurde zu diesem Zeitpunkt für alle Gesten ein Initialisierungssignal festgelegt. Eine Parametrisierung desselben ist möglich. Die ersten Ergebnisse waren vielversprechend. Drei weitere Gesten wurden vm MRC vrgeschlagen und Beispielvides vn diesen erstellt: Hilferuf, Kllege verlren, Auffinden einer Persn. 31
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Die Diskussin der Gestenfindung und der Einsatzszenarien wurde weitergeführt, war aber letztlich nur vr dem Hintergrund der Leistungsfähigkeit und Rechenkapazität der zu erstellenden Hardwarelösung entscheidbar. Abbildung 21 Handschuh Entwurf, Revisin 1.0, IMSAS Abbildung 22 Redesign, Platin, IMSAS Abbildung 23 Redesign Platine in 3D, IMSAS 32
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Abbildung 24 Entwurf Redesign 0,4, IMSAS Abbildung 25 Entwurf Schaltung, Redesign, IMSAS Abbildung 26 Redesign, Skizze, IMSAS 33
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Abbildung 27 Revisin 1.0, Aktrik, IMSAS Abbildung 28 Revisin 1.0, IMSAS AP3 (Evaluierung / Entwicklung der Sensrelektrnik) AP3 (Evaluierung / Entwicklung der Sensrelektrnik) beschäftigte sich mit der Integratin zu verwendeter Sensren. Für die Gestik wurde der LIS302DL vn ST Micrelectrnic als geeignetes Bauelement verwendet. Dabei handelt es sich um einen Drei-Achsen-Beschleunigungssensr mit digitalem Ausgang und geringer Baugröße. Zwei dieser Sensren, die parallel in einem definierten Abstand zu einander stehen, dienen der Interpretatin der Gestik. 34
Schlussbericht Glvenet TZI Technical Reprt 67 Abbildung 29 Erster Prttyp/ Hauptplatine Abbildung 30 Erster Prttyp/ Hauptplatine Im Rahmen der Anfrderungserhebung wurde entschieden, dass die Temperatur swhl zum einen im Handschuhinneren und zum anderen an der Handschuhberfläche gemessen werden sll, da beide Messwerte relevant sind. Als Referenztemperatursensr wurde aufgrund der geringen Dimensin und der integrierten Schaltungstechnik ein temperaturabhängiger Widerstand im elektrnischen Bauelement (LM94022 vn Natinal Semicnductr) verwendet. Zur Messung mit der Handschuhberfläche wurde im Rahmen vn AP2 entschieden, dass swhl ein temperaturabhängiger Widerstand (NTC) als auch ein Thermkppler zur Integratin in Frage kmmt. Der NTC eignet sich in Verknüpfung mit dem Starrflex- Element besser, da er als SMD Bauteil verfügbar ist. Die Integratin eines Thermkpplers ist schwieriger. Dafür liefert dieser eine höhere Reaktinszeit (nach 35