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Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren


Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren

Gerätesteuerung
Eine weitere kritische Funktion des lokalen Mikrocontrollers ist das Zeit- und Leistungs-Management (siehe Bild 2), unter anderem mit den Aufgaben „Power-On“- und Stromversorgungs-Management, Steuerung der Sleep-Betriebsarten, der Uhr, des lokalen Displays oder der Statusanzeige und der ID-Verwaltung. Erst ein solches Stromversorgungs-Management verleiht einem System wirkliche Low-Power-Eigenschaften. Während der Strombedarf des Systems im aktiven Zustand dem Innenwiderstand der Stromquelle Grenzen setzt, begrenzt die mittlere Stromaufnahme die Autonomie des Sensor-Knotens. Ein Strom sparender Sensor-Knoten muss mit einer Vielzahl von Low-Power-Betriebsarten aufwarten und effizient zwischen diesen verschiedenen Modi wechseln können.

Eine Uhr wird zum Synchronisieren der Kommunikation verwendet und dient außerdem dazu, die erfassten Datenproben mit einer Zeitinformation zu versehen. Ein lokales Display erweist sich als äußerst hilfreich bei Installation und Wartung eines Knotens. Auch wenn das Anzeigeelement noch so rudimentär ist (häufig reicht eine LED), kommt die ausschließliche Beschränkung auf die drahtlose Kommunikation meist nicht in Frage. Schließlich sind bestimmte lokale Identifikationsdaten (z.B. ID, ein Mess-Stack usw.) nützlich, um die Historie des Systems aufzuzeichnen. Auch bei Wartung und Qualitätssicherung leisten diese Informationen gute Dienste. Diese Gerätesteuerungs-Aufgaben werden ebenfalls vom lokalen Mikrocontroller erledigt.

Das Protokoll
Die Kosten eines drahtlosen Sensor-Netzwerks hängen in erster Linie mit dem Preis der Sensor-Knoten sowie deren Installations- und Wartungsaufwand zusammen. Hieraus ergeben sich Restriktionen für das Protokoll, das betriebssicher sein muss (wie z.B. WiFi), sich mit einem relativ kostengünstigen Mikrocontroller managen lassen muss und kompatibel zu Strom sparenden Mikrocontrollern und Transceivern sein muss. Ebenso hat es Änderungen der Netzwerk-Struktur zu unterstützen (z.B. das Hinzufügen oder Entfernen von Sensoren oder veränderte Übertragungsbedingungen beispielsweise beim Öffnen oder Schließen von Türen). Aus der Sicht des Protokolls bedeutet dies, dass ein intelligentes Routing der Meldungen ebenso notwendig ist wie Übertragungsquittungen und eine Message-Fragmentierung.

Ein Beispiel für ein solches Protokoll ist „INtact“ von IP01 (www.ip01.com, siehe Bild 4). Das komplette Protokoll für Sensor-Knoten und Relais-Funktionen ist in einem Strom sparenden Mikrocontroller mit 8 K Befehlen und 512 byte RAM implementiert. Eine ausschließlich als Sensor-Knoten (bzw. nur als Relais) implementierte Version kommt sogar mit deutlich weniger Ressourcen aus.

Merkmale des INtact-Protokolls für drahtlose Sensor-Systeme:

  • flexibles Sensor-Kommunikationsprotokoll,
  • selbstkonfigurierendes und selbstheilendes Maschen-Netzwerk,
  • skalierbares Multi-Hop-Netzwerk,
  • Flooding und Source Routing,
  • geeignet für stationäre und mobile Anwendungen,
  • Strom sparende Implementierung zur Senkung der Wartungskosten,
  • strukturierte Frame-Organisation,
  • erweiterbare Funktionalität mit zusätzlichen Frame-Typen,
  • API für Windows und Linux verfügbar.

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Bild 4. Typische Protokoll-Frame-Struktur für drahtlose Sensor-Systeme.

  1. Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren
  2. Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren
  3. Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren
  4. Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren
  5. Der drahtlose Sensor-Knoten
  6. Was ist machbar?