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Der effiziente Betrieb drahtloser Sensornetze ist kein Hexenwerk und nicht schwer umzusetzen – sofern die zentralen Anforderungen an diese Netze und die diversen Protokoll-Varianten bekannt sind.

Der effiziente Betrieb drahtloser Sensornetze ist kein Hexenwerk und nicht schwer umzusetzen – sofern die zentralen Anforderungen an diese Netze und die diversen Protokoll-Varianten bekannt sind.

Die drahtlose Kommunikation hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt: zum einen im Bereich der herkömmlichen Mobilkommunikation – via GSM, GRPS oder UMTS sowie der Datenkommunikation – WMAN, IEEE802.16 und WLAN, IEEE802.11 –, zum anderen in Bezug auf die vollzogene Kosten- und Verlustleistungsreduzierung bei kleinen Funksystemen, die landläufig als Wireless Sensor Networks (WSN), Short Range Wireless Networks (SRWN) oder Wireless Personal Area Network (WPAN) bezeichnet werden. Technologisch wurde gleichzeitig die monolithische Integration von Hochfrequenzschaltkreisen im 868-MHz- und im 2,4-GHz-Bereich möglich. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, den einfachen Sachverhalt wirken zu lassen: Kommunikationssysteme werden in umso mehr Endsysteme eingebaut, je günstiger die Kommunikation wird.

Grundsätzlich bringt die drahtlose Anbindung von Sensoren an ein Kommunikationsnetz gegenüber einer drahtgebundenen Verbindung dann Vorteile, wenn mindestens eine der nachfolgenden Bedingungen erfüllt ist:

  • Die Sensoren befinden sich auf mobilen oder sich drehenden Teilen. In diesem Fall kann die drahtlose Kommunikation mechanisch und elektrisch anfällige Teile – zum Beispiel Schleifringe – überflüssig machen.
  • Die Sensoren befinden sich auf Teilen, die oft umgebaut oder ausgewechselt werden müssen. Durch drahtlose Kommunikation lässt sich der Installations- und Wartungsaufwand deutlich reduzieren.
  • Die Sensoren befinden sich in einer verteilten Infrastruktur. Hier kann die drahtlose Kommunikation vor allem den Installations- und Verkabelungsaufwand verringern helfen.

Diese Bedingungen können prinzipiell in allen Disziplinen der Automatisierungstechnik von der Industrie- über die Prozess-Automation bis zur Gebäude- und Heim-Automatisierung erfüllt sein.

Die Krux mit der Energie

Eine wesentliche Voraussetzung für den vorteilhaften Einsatz der drahtlosen Kommunikation besteht in vielen Fällen auch darin, dass nicht nur die Datenleitung, sondern auch die Leitung zur Energieversorgung entfallen kann. Somit heißt das Ziel nicht nur „less wire“, sondern „no wires“. Folglich müssen die Funkknoten energie-autark sein, was entweder durch eine langlebige Batterie oder durch den Einsatz dezentraler Energiewandler erreicht werden kann. In beiden Fällen muss der Energieverbrauch der Sensor- und der Funkknoten möglichst gering sein, um möglichst lange wartungsfreie Intervalle zu erhalten. Je nach Anwendung liegen die Anforderungen für die wartungsfreie Standzeit im Bereich einiger Wochen bis hin zu einigen Jahren. Die Maximal-Anforderungen kommen momentan aus dem Bereich der automatischen Zählerfernauslesung (Automatic Meter Reading, AMR): Sie liegen hier bei den Kalibrationszyklen der Messaufnehmer und damit im Bereich von 10 bis 15 Jahren.

Da davon auszugehen ist, dass die Stromaufnahme eines Funkknotens im Sende- und vor allem im Empfangsmodus im Bereich von etwa 10 mA liegt, reicht die Kapazität einer kostengünstigen Trockenbatterie von bis zu 2000 mAh also für 200 Stunden – nicht einmal acht Tage lang. Dies liegt so weit von den gewünschten Zielgrößen entfernt, dass extremes zusätzliches Energiesparen unerlässlich ist. Eine Möglichkeit, den gewünschten Energiesparfaktor zu erreichen, liegt in Power-Down-, Schlafoder Tiefschlaf(Hibernate)-Modi. Aber: In der Regel lassen sich zwar die Sensor-, nicht aber die Funkknoten durch Funksignale aus einem solchen Schlafmodus aufwecken. Folglich bietet sich die Kombination von Funkkommunikation und Sensoranwendungen nur in solchen Applikationen an, bei denen

  • die Messungen in zyklischen Abständen durchgeführt werden sollen. Hierfür können die Sensoren mit Hilfe von Low-Power-Timern aufgeweckt werden.
  • die Messungen nur im Fall besonderer externer Ereignisse anstehen. Bei den Kommunikationsknoten kann dann ein besonderer Interrupt ausgelöst werden. Voraussetzung hierbei ist allerdings, dass die eigentliche Sensor-Anwendung entsprechend wenig Energie verbraucht. Gerade diese Voraussetzung erfüllen Aktorknoten in der Regel nicht.
  • die Kommunikationsknoten, die die Datenrahmen empfangen sollen, entweder in einem ausreichenden Maße synchronisiert oder permanent im aktiven Empfangsmodus sein müssen. Hierfür sind spezielle Synchronisationsmechanismen oder aber ein andauerndes Lauschen erforderlich, was wiederum eine getrennte Energieversorgung voraussetzt.

Dust Networks

Die Wurzeln von Dust Networks liegen in dem so genannten „Smart Dust“-Projekt der University of Berkeley, das seit 1997 bearbeitet wurde (http://robotics.eecs.berkeley.edu/~pister/SmartDust). Die Ergebnisse mündeten im „Time Synchronized Mesh Protocol“ (TSMP), das Netzwerk- und Sicherungsschicht beschreibt und unter anderem auch auf dem IEEE802.15.4-PHY aufbaut. TSMP ermöglicht eine zwischen jeweils zwei Knoten zeitsynchronisierte Kommunikation. Jedes Knotenpaar unterstützt dabei eine spezifische Frequenz-Sprungfolge. Routing und Security werden ebenfalls unterstützt. Die Anwendungsschicht ist zunächst offen gehalten. TSMP wurde als Grundlage für die Wireless-Spezifikation von der HART Foundation ausgewählt, die die HART-Anwendungsprotokolle aufsetzt. Darüber hinaus ist TSMP in wesentlichen Zügen Grundlage der gegenwärtigen Entwürfe für die SP100a-Spezifikation der ISA.