Energieversorgung von Wireless-Sensornetzwerken

Die auf geringe Reichweite ausgelegten SRDs (Short Range Devices) tendieren – allen Unkenrufen aus der Szene zum Trotz – immer mehr dahin, auch Netzwerk-Funktionen in Stern- oder Maschentopologien zu realisieren.

Die auf geringe Reichweite ausgelegten SRDs (Short Range Devices) tendieren – allen Unkenrufen aus der Szene zum Trotz – immer mehr dahin, auch Netzwerk-Funktionen in Stern- oder Maschentopologien zu realisieren.

Derartige Netzwerk-Funktionen dienen einerseits dazu, mehr als einen Knoten an einen Host anzubinden. Andererseits wird die Reichweite der Datenverbindungen und deren Zuverlässigkeit im Sinne von Robustheit durch Selbstheilungsstrategien des Netzwerks stark erhöht. Komplexe Sensorapplikationen sowie wachsende Ressourcen der Mikrocontroller bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz, tragen bei zu diesem Trend – weg vom reinen Kabelersatz, hin zu Netzwerken [1].

Für den Aufbau und Betrieb vermaschter Sensor-Netzwerke sind jedoch spezielle Software-Schichten in jedem Netzwerk-Knoten nötig, die so genannten Kommunikationsstacks. Ein solcher Stack besteht aus mehreren Schichten, basierend auf dem bekannten ISO/OSI-Schichtmodell [2]. Zu den Kommunikationsstacks für drahtlose Sensornetzwerke, die vermaschte Netzwerktopologie unterstützen, zählen ZigBee, ZWave, ISA SP 100, Wireless HART und ANT.

Drahtlose Sensor-Netzwerke benötigen meist energieautarke Knoten, die über Batterien versorgt werden. Dies wiederum bedingt einen äußerst sparsamen Umgang des Sensor- und somit auch des Datenübertragungssystems mit der verfügbaren Energie.

Beim Design bzw. beim Vergleich energiesparender Sensor-Netzwerke wird im Allgemeinen zunächst die Stromaufnahme der elektronischen Komponenten wie Sensoren, Mikrocontroller und Transceiver herangezogen. Dies ist jedoch nur die halbe Wahrheit, denn die Stromaufnahme vergleichbarer Transceiver (Chipcon, Atmel, AxSem, RadioPulse, AMIS) im aktiven Sendebzw. Empfangsbetrieb bewegt sich herstellerübergreifend in einem ähnlichen Bereich. Analog verhält es sich mit der Stromaufnahme aktueller Mikrocontroller für Sensor-Anwendungen (TI MSP, Atmel AVR, Microchip PIC, div. 8051-Derivate), welche bis auf wenige Ausnahmen im Normalbetrieb im mA-Bereich liegt.

Um dabei den Energieverbrauch beim Empfang möglichst niedrig zu halten, werden die Empfangsteile der Knoten nur kurzzeitig aktiviert. Die Synchronisation des Netzwerks erfolgt durch die Software des Kommunikationsstacks. Bei einem Sensor-Netzwerk auf Basis der GreenPeak-Technik erfolgt die Synchronisation durch periodisch ausgesandte Beacon-Pakete der einzelnen Knoten (Bild 2). Dieses Verfahren wird auch z.B. von Zigbee-Stacks unterstützt, neu ist dabei jedoch die Aufteilung des auf den Beacon folgenden Kommunikationszeitraumes (Superframe) in viele kurze „Communication Slots“. Die Nutzdatenübertragung zwischen zwei Knoten erfolgt beim Low-Power-Routing-Stack (LPR) in diesen sehr kurzen Zeiträumen.

Zusätzlich werden Wakeup-Tokens eingeführt, die innerhalb eines Kommunikations-Slots Datenübertragungen zwischen dedizierten Knoten ankündigen (Bild 3). Nicht betroffene Knoten können sofort nach Erhalt und Prüfung des Tokens wieder in einen Energiesparmodus wechseln, was eine weitere Reduzierung des Energieverbrauches ermöglicht.

Die genannten Sensornetz-Stromsparmöglichkeiten stellen den Status Quo der Technik dar. Trotzdem erwachen Applikations-Mikrocontroller in nahezu allen drahtlosen Systemen regelmäßig aus ihrem Schlafzustand, nur um z.B. einen Software-Timer zu inkrementieren und anschließend wieder in den Stromsparmodus zu wechseln. Um solche Szenarien zu optimieren, bedarf es eines effektiven, vom Mikrocontroller abgekoppelten Timer- und Kommunikationsmanagements. Ein wesentlicher Faktor ist dabei die konsequente Verlagerung von Teilen der Kommunikationsstacks, die sich bislang im Mikrocontroller befinden, in die Transceiver-Hardware. Bei Green-Peak ist es deshalb Ziel, den Mikrocontroller ereignisbasiert zu betreiben. Man lässt ihn lediglich bei Ereignissen, die ihn betreffen, aus dem Stromsparmodus aufwachen und nur dann ein Taktsignal vom Transceiver zusenden. Dies erfordert ein Umdenken bei der Software-Entwicklung, ermöglicht jedoch künftig die Nutzung erheblicher, zusätzlicher Einsparpotentiale (über 60 %) bei einem drahtlosen Sensorknoten.

Lars Binternagel,
CompoTEK GmbH/ha