Sensornetze: Strom einsparen im Funksensorknoten

Stromaufnahme in drahtlosen Sensornetzen
Die Stromaufnahme in drahtlosen Sensornetzen ist ein stark betriebsabhängiger Parameter.

In drahtlosen Sensornetzen muss die Stromaufnahme so niedrig wie möglich gehalten werden. Bisher verwendete Verfahren zur Einsparung waren mit schwerwiegenden Nachteilen verbunden, insbesondere langer Reaktionszeit. Eine neue Lösung überwindet das Problem und bietet weitgehende Anpassungsmöglichkeiten an die Anforderungen des Einzelfalls.

Die einfachste Methode zur Senkung des Strombedarfs ist Intervallbetrieb: Gefunkt wird nicht ständig, sondern immer nur in sehr kurzen Telegrammen und langen Pausen dazwischen. Dabei sind verschiedene Fälle zu unterscheiden. Die einfachsten Sensorknoten arbeiten rein unidirektional, d.h., sie senden nur Daten an die Zentralstelle – in regelmäßigen, festen Abständen – und empfangen nichts. Andere senden auf Anfrage; die Zeitpunkte sind dann unregelmäßig. Hier ist die Übertragung bidirektional: Die Zentralstelle sendet ein Abfragesignal, und die Sensorknoten antworten.

Erfolgt die Energieversorgung mittels Energy Harvesting, ist ein zeitlich unbegrenzter Betrieb möglich. In Fällen, wo keine geeignete Form von Umgebungsenergie verfügbar ist, kann man nur konventionell mit einer Batterie arbeiten. Um die Kosten für Aufladen bzw. Auswechseln minimal zu halten, macht man sie so groß, wie es das (meist eng begrenzte) Bauvolumen eben noch zulässt, und gleichzeitig unternimmt man alles, um die Stromaufnahme zu senken. Die Funktionen mit hohem Energiebedarf (Messen, Daten senden) arbeiten deshalb nur für ganz kurze Zeit, so bleibt ihr Beitrag zum Gesamtbudget im Mittel dennoch niedrig.

Weit mehr schluckt dagegen der Empfangsteil, der – zumindest in konventionellen Lösungen – ständig in Betrieb ist und auf Mess- und Sende-Aufforderungen wartet. Wird er angesprochen, dann weckt er die schlafenden Funktionen auf, daher die Bezeichnung „Wake-up Receiver“. Eine verbreitete Sendefrequenz ist 868 MHz; Empfangsbausteine dafür sind seit langem kommerziell verfügbar. Sie haben eine typische Stromaufnahme von einigen mA. Wenn also Einsparen, dann hier. Der digitale Steuerteil des Sensorknotens, ein Mikrocontroller in CMOS mit niedriger Taktfrequenz, braucht im Vergleich dazu sehr viel weniger.

Konventionelle Stromspar-Lösungen

So wurde schon vor Jahren ein Trick gefunden: Man schaltet den Empfänger immer nur für sehr kurze Zeiten ein, dazwischen lange aus. Der Sender wiederholt seine Telegramme ständig, irgendwann treffen diese mal auf offene Ohren. Wenn die Stromaufnahme des Empfängerbausteins beispielsweise 11 mA und das Ein/Aus-Verhältnis 0,1 % ist, dann ist die mittlere Stromaufnahme um den Faktor 1000 gesenkt, also auf 11 µA. Entsprechend verlängert sich die Lebensdauer der Batterie. Für einen sicheren Empfang muss die Einschaltzeit mindestens doppelt so lang sein wie das Sendetelegramm, damit dieses vollständig empfangen wird (Bild 1).

Ein Nachteil ist aber die lange Reaktionszeit, die – je nach Systemauslegung – leicht etliche Minuten betragen kann. Ein Beispiel: Wenn ein Sendetelegramm eine Dauer von 30 ms hat, muss der Empfänger für mindestens 60 ms eingeschaltet sein. Bei einem Einschaltverhältnis von 0,1 % öffnet er dann nur alle 60 s. So lang kann im schlechtesten Fall die Reaktionszeit werden. In manchen Fällen ist das gefährlich, etwa bei Feuer- oder Einbruchmeldung, wo jede Sekunde kostbar ist. Und der Sender verbraucht unnötig viel Strom; er sendet dauernd und wird nicht empfangen. Ein gemeinsames Zeitraster für beide einzurichten, würde eine präzise Synchronisation erfordern, in der Praxis aufwendig. Und die Verzögerung würde bleiben.