Drahtlose Sensorsysteme, die inzwischen als kostengünstige und flexible Module zur Verfügung stehen, stellen einen wichtigen Baustein zur Realisierung des Internet der Dinge (Internet of Things, IoT) dar. Eine grundlegende Funktionalität, die für viele Anwendungen benötigt wird, ist eine präzise, stromsparende und kostengünstige Lokalisierung innerhalb von Gebäuden. Im Rahmen der durchgeführten Forschungsarbeiten wurde eine Reihe von neuen Verfahren auf der Basis einfacher, drahtloser Technologien entwickelt, durch die deutliche Verbesserungen bei einer Indoor-Lokalisierung gegenüber dem Stand der Technik möglich sind.
Die durchgeführten Arbeiten lassen sich anhand der entwickelten Methoden in zwei Teile gliedern. Im ersten Teil wurden Ansätze betrachtet, die der Kategorie aktive Indoor-Lokalisierung zugeordnet werden können. Hierbei ist das zu lokalisierende Zielobjekt mit einem aktiven Funksensor ausgestattet. Im zweiten Teil der Arbeiten wurden Methoden und Ansätze zur passiven, gerätefreien Lokalisierung untersucht und entwickelt. Hierbei ist das Zielobjekt nicht mit aktiven Systemen ausgestattet.
In der vorliegenden Arbeit werden neue Verfahren sowohl zur Verbesserung der aktiven als auch der passiven Lokalisierung vorgestellt. Zunächst wurden Verfahren untersucht, die auf der Basis von gemessenen Feldstärkeinformationen und mit Hilfe eines angepassten Pfadverlustmodells eine aktive Lokalisierung durchführen.
In einem weiteren Schritt wurden die Systeme um eine Inertialmesseinheit (IMU) erweitert. Deren Genauigkeit und Energieeffizienz wurden detailliert analysiert und mit neuen Verfahren optimiert.
Darüber hinaus wurde ein gerätefreies, passives Lokalisierungssystem entwickelt, das ebenfalls die gemessenen Feldstärkeinformationen zur Lokalisierung nutzt.
Aktualisiert: 2021-06-17
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Die Nutzung von Umgebungsenergie ermöglicht bei einer zunehmenden Anzahl von Anwendungen drahtloser Sensorknoten eine autarke Energieversorgung. Wartungseingriffe sowie unvorhergesehene Energieengpässe begrenzen den autarken Einsatz derartiger Sensorknoten oder erfordern eine deutliche Überdimensionierung der Energy Harvester und Energiespeicher. Anwendungen, wie der Einsatz in unzugänglichen Bereichen, Sensornetzwerken mit einer großen Anzahl von Knoten oder sehr kleinen Knoten / Smart Dust, können unwirtschaftlich werden, wenn kein wartungsfreier Betrieb gewährleistet werden kann. Erreicht ein drahtloser Sensorknoten einen energetisch niedrigen Zustand, ist es für einen erneuten Start erforderlich, dass zusätzlich zu einer ausreichenden Spannung genügend Energie für den Startvorgang zur Verfügung steht. Bei zu zeitiger Aktivierung wird der Startvorgang aufgrund der einbrechenden Spannung nicht abgeschlossen und verhindert die Aufnahme des Betriebs. Ein Voltage Supervisor wird benötigt, um den Startvorgang so lange zu verzögern, bis ausreichend Energie für diesen zur Verfügung steht. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Voltage Supervisor für das Energiemanagement umgebungsenergieversorgter Sensorknoten vorgeschlagen. Die Herausforderungen liegen in der Realisierung einer definierten Abschalt- und Startcharakteristik, auch bei langsamen oder variablen Spannungsanstiegen, in der Implementierung einer Kaltstartfähigkeit und im zuverlässigen Schaltverhalten unter widrigen Umgebungsbedingungen oder niedrigem Energieeintrag. Für eine hohe Effizienz wird bei jeder Spannung ein geringer Eigenleistungsverbrauch gefordert. Im Ergebnis wird ein Konzept vorgestellt, welches einen zuverlässigen wartungsfreien Betrieb ermöglicht. Funktionen, wie die Abschaltung des Mikrocontrollers nach Erledigung der Aufgabe, ermöglichen darüber hinaus, weniger Energie als im Schlafmodus zu verbrauchen. Mit dieser Methode kann ein intermittierender Betrieb in Abhängigkeit der verfügbaren Energie realisiert werden. Simulation, experimentelle Untersuchung und die Einbettung in einen umgebungsversorgten drahtlosen Sensorknoten validieren die Funktionsfähigkeit unter allen gestellten Anforderungen. Der mittlere Eigenleistungsverbrauch der vorgeschlagenen Schaltung liegt bei 5,58 µW. Bei niedrigen Spannungen von 0 V - 1,4 V werden lediglich 568 nW benötigt.
Aktualisiert: 2021-09-13
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Die wechselhafte Energiebereitstellung für drahtlose Sensorknoten durch Solarzellen stellt das Energiemanagement dieser Systeme vor große Herausforderungen. Bedingt durch saisonale und kurzfristige Effekte treten kontinuierlich Schwankungen in der Eingangsleistung auf, gleichzeitig soll jedoch eine zuverlässige und konstante Systemfunktion realisiert werden. Um dies miteinander zu vereinbaren, wird ein Modell zur Beschreibung der erwarteten Eingangsleistung aufgestellt, mit welchem der planmäßige Energieverlauf bestimmt werden kann. Dieser kann wiederum mit der realen Eingangsleistung verglichen werden, um den tatsächlichen energetischen Zustand des Sensorknotens zu bestimmen. Daraus lassen sich beispielsweise Entscheidungskriterien für die Steuerung der Energieverteilung oder Betriebszustände ableiten.
Im Rahmen der Arbeit werden die physikalischen Hintergründe zur Modellierung der eingehenden Sonnenenergie beschrieben, der Stand der Technik zur Modellierung aufgezeigt und ein Modell als Basis für die weiteren Untersuchungen ausgewählt. Dieses wird auf die stark limitierte Hardware von drahtlosen Sensorknoten angepasst. Die Herausforderungen liegen dabei hauptsächlich in der geringen verfügbaren Rechenleistung, wenig Datenspeicher im System und dem Ziel, möglichst wenig Energie für die Berechnung zu verbrauchen.
Im Ergebnis zeigt sich, dass ein angepasstes Modell auf drahtlosen Sensorsystemen umgesetzt werden kann und trotz der starken Limitierungen lauffähig ist. Es wird eine deutliche Verbesserung in der Verteilung der Energie über den Tag ermöglicht, wodurch sich trotz wechselhafter Quelle eine konstante Systemfunktion ergibt. Nebenher wird die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit erhöht und Überdimensionierungen in Energiespeicher und Solarzelle können verringert werden. Das modellbasierte Energiemanagement stellt somit einen wichtigen Baustein für eine gesicherte Energieversorgung drahtloser Sensorsysteme dar.
Aktualisiert: 2021-09-10
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Energieeffizienz und erneuerbare Energien versprechen in den nächsten Jahren nachhaltige Wachstumsfelder zu werden. Beim Micro Energy Harvesting werden vergleichsweise geringe Energiemengen aus der umgebenden Energie „geerntet", um energieeffiziente und autarke Lösungen im Bereich der Mikroelektronik zu ermöglichen. In Verbindung mit energiesparenden Mikrocontrollern und HF-Schaltkreisen und unter Vermeidung von Einschränkungen durch
leitungsgebundene Stromversorgung oder Batterien bei Drahtlostechnologien ergeben sich zahlreiche innovative Anwendungsmöglichkeiten, etwa in der Messtechnik, der Gebäudeautomatisierung oder auch der Medizintechnik. Besonders effektiv können mit Energy-Harvesting-Methoden Sensorschaltungen versorgt werden. Allerdings erfordert die Entwicklung autark arbeitender Sensorsysteme bei der Konzeption ein Umdenken: Statt einzelne Komponenten isoliert zu betrachten, wird die Aufstellung einer konkreten Energiebilanz notwendig. Alle beteiligten Einheiten einschließlich der Software müssen hinsichtlich Energiebedarf und Konfigurationsmöglichkeiten analysiert werden und mit dem Harvester plus Energiespeicher für den jeweiligen Einsatzzweck abgestimmt werden.
Dieses Buch bietet:
• die notwendigen Grundlagen betreffs Energiegewinnung, z. B. Thermogeneratoren, Piezo-Wandler oder Energie aus HF-Strahlung, und
• Energiespeicherung, etwa mit Akkumulatoren, Kondensatoren, Spannungswandlern und Konverterschaltungen,
• Informationen zu Sensor/Aktor-Systemen (Typen, Signalaufbereitung und -umsetzung),
• geeigneten Mikrocontrollern und Stromsparmechanismen, sowie
• zur drahtlosen Datenübertragung (Transpondersysteme und Funkstandards).
Außerdem werden Anwendungsbeispiele zur Anlagenüberwachung, Gebäudeautomatisierung oder in der Medizintechnik ausführlich vorgestellt. Damit wird Ihnen anschaulich und praxisorientiert vermittelt, mit welchen Methoden und Komponenten sich selbstversorgende Mikrosysteme für die drahtlose Übertragung von (Sensor-)Daten realisieren lassen. Sie erhalten
praxisorientierte Informationen für die Planung, den Aufbau und die Entwicklung stromsparender, drahtloser Systeme.
Aktualisiert: 2022-12-09
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