Energie-autarke Funksensornetze

Um größtmöglichen Nutzen aus kabellosen Systemen ziehen zu können, muss die Energieversorgung ebenfalls ohne zusätzliche Kabel erfolgen. Doch welche Alternativen gibt es zur Lösung mittels Batterie?

Um größtmöglichen Nutzen aus kabellosen Systemen ziehen zu können, muss die Energieversorgung ebenfalls ohne zusätzliche Kabel erfolgen. Doch welche Alternativen gibt es zur Lösung mittels Batterie?

Das Wörtchen „kabellos“ im Zusammenhang mit dem Einsatz kabelloser Sensornetze in industriellen Anlagen bedeutet, dass weder Kommunikationsleitung noch externe Stromversorgung zur Verfügung stehen. Werden darüber hinaus auch keine Batterien verwendet, ist die Rede von einem energie-autarken Funksensornetz. Das heißt, die Energie für Sensorik und Datenkommunikation muss lokal gewandelt werden. Hierfür muss eine Kopplung an einen schon vorhandenen Energiefluss vorliegen – beispielsweise einen aus einer Temperaturdifferenz resultierenden Wärmefluss, einen Luft- oder allgemeinen Fluidstrom, Strahlung wie Licht oder Radiowellen oder auch eine mechanische Bewegung. Alternativ lassen sich von außen in das System dringende Energieformen wie ein magnetisches Wechselfeld, elektromagnetische Wellen oder eine Licht-Einstrahlung verwenden.

Um den Betrieb eines Funksensornetzes samt Energiewandlung garantieren zu können, ist eine gewisse Vorkenntnis über das Systemverhalten unverzichtbar, unabhängig davon, ob die Energie systemimmanent entsteht oder von extern eingestrahlt wird.

Zur Verdeutlichung der Anforderungen an ein energie-autarkes Funksensorsystem dient nachfolgendes Beispiel aus der Praxis:

In einer pneumatischen Anlage sollen nachträglich verschiedene Daten wie Drücke, Saugraten, Zylinder-Laufzeiten, Endschalterpositionen und Motordrehraten erfasst werden, um eine höhere Betriebszuverlässigkeit zu gewährleisten und sowohl Durchsatz als auch Standzeit der Anlage zu erhöhen. Dabei soll die Sensorik möglichst flexibel und ohne das System zu verändern angebracht werden – quasi ein Präzedenzfall für ein Funksensornetz mit kabellosen Komponenten. Die einzelnen Sensorknoten können in der Anlage mit diversen lokalen Energiequellen betrieben werden – beispielsweise kann die Energiewandlung auf Basis der Zu- oder Abluft einzelner Komponenten erfolgen.

Der Ordinatenschnittpunkt gibt die Größe des Speichers an. Ist dieser Wert groß, kann kurzfristig eine hohe Energie bereitgestellt werden. Dies bedeutet, dass kurzfristig viele Daten gesendet werden können. Die Steigung der Kurve ist die Energierate, mit der der Energiewandler Energie zur Verfügung stellt; sie begrenzt die durchschnittliche Datenrate.

Zur Verdeutlichung mag ein Beispiel dienen, in dem alle Knoten in gleichen zyklischen Abständen ein Datenpaket der gleichen Länge senden. Dabei ist der worst-case das Senden direkt hintereinander. Bild 4 stellt beispielhaft die aufgenommene Energie der Sensorknoten im Netzwerk dar.

Aus diesen Kurven lassen sich für die unterschiedlichen Sensorknoten die Begrenzungskurven berechnen. Mit dieser Kenntnis werden die Größen der Zwischenspeicher sowie die minimale Energierate der Energiewandler der Sensorknoten bestimmt. Damit können die Designparameter der Wandler festgelegt werden. Mit dieser Auslegung der Energieversorgung ist eine kontinuierliche Funktionsfähigkeit zu realisieren.