In modernen Designs reicht eine Batteriezelle für langjährigen Betrieb

Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren

13. Mai 2006, 16:19 Uhr | Michel Chevroulet

Fortsetzung des Artikels von Teil 3

Strom sparen: Herausforderung für Funk-Sensoren

Chemische Sensoren müssen nicht selten beheizt werden, um funktionsfähig zu sein. Der Erwärmungsprozess ist zudem zeitlich so zu steuern, dass verschiedene Chemikalien unterschieden werden können. Im Prinzip muss man sich einen chemischen Sensor wie ein auf einen Chip konzentriertes Labor vorstellen, das lokale Verarbeitungsfunktionen benötigt. Bei der Dimensionierung der Batterie für den Sensor-Knoten ist nicht zuletzt die Tatsache zu berücksichtigen, dass die Spitzen-Stromaufnahme mehrere 100 mA betragen kann.

Sleep-Betriebsarten sind von entscheidender Bedeutung für die Minimierung der Stromaufnahme von Sensor-Netzwerken. Die meisten Sensoren arbeiten entweder im Dauerbetrieb (zum Erfassen von Ereignissen) oder werden in bestimmten Intervallen abgefragt (beispielsweise bei der Temperaturerfassung). In jedem Fall ist jedoch der Umfang an signifikanten Daten gering. Bild 3 zeigt typische Beispiele für Funk-Sensoren im Haus-Bereich; sie alle bieten je nach Einsatz unterschiedliche Stromspar-Potentiale.

Da ein großer Teil der vom Knoten verbrauchten Energie auf die drahtlose Übertragung entfällt, lässt sich durch Optimierung der Betriebsarten viel Energie sparen. Eine grundlegende Voraussetzung für das Management der Sleep-Betriebsarten eines Sensor-Knotens ist die Verfügbarkeit einer Strom sparenden Echtzeituhr. Unter Zuhilfenahme der bei Armbanduhren bewährten Schaltungstechniken lässt sich die Zeitinformation bereits mit einer Stromaufnahme unter 1 µA bereitstellen. Die nächste Forderung ist die nach der Möglichkeit zum zügigen Ein- und Ausschalten des Funk-Teils (hat dieses selbst zu erledigen). Der dritte entscheidende Punkt ist die Fähigkeit zur Datenaufbereitung innerhalb des Chips, damit nur die wirklich relevanten Daten übertragen werden müssen.

Mit dem Einsatz von Deep-Submicron-CMOS-Technologien (unter 0,25 µm) kommt der Leckstrom als weiterer wichtiger Faktor für die Sleep-Betriebsarten hinzu. In der Tat können ungenutzte Funktionsblöcke erhebliche Energie verbrauchen, selbst wenn weder ein Taktsignal noch ein Bias-Strom anliegt. Es genügt, wenn die Schwellenspannung der CMOS-Schaltungen nicht ausreicht, um die Transistoren vollständig zu sperren. (Hierfür sind einige Zehntel mW zu veranschlagen.) Man wendet deshalb besondere Designtechniken zur Unterbindung von Leckströmen bei jenen Schaltungen an, die voraussichtlich inaktiv sein werden.

Datenverarbeitung
Jeder Knoten sollte einen gewissen Umfang an Datenverarbeitung vornehmen können, um die benötigte Funk-Bandbreite zu begrenzen. Typische Verarbeitungsfunktionen sind die Datenkorrektur und die Linearisierung, die „Feature“-Extraktion (Einzel-Sensor, Mehrfach-Sensor, Daten-Fusion) und die Daten-Kompression bzw. die Expansion. Durch Aufbereitung der erfassten Informationen direkt vor Ort kann jeder Knoten den Umfang der zu übertragenden Daten deutlich verringern und möglicherweise lokal über bestimmte Aktionen entscheiden (z.B. Alarme oder Aktivierung von Rückfallebenen bei abnormalen Zuständen). Dies gehört zu den Aufgaben des Mikrocontrollers der später vorgestellten drahtlosen Sensor-Systeme.

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Bild 3. Beispiele für Funk-Sensoren im Haus. Je nach Anwendungszweck bieten sie unterschiedliche Stromspar-Möglichkeiten.

Bei drahtlosen Sensor-Systemen kommen möglicherweise zusätzliche Faktoren hinzu, denn es können mehrere Sensoren in einem Netzwerk (über Relais-Stationen, Bild 1) angeschlossen werden. Hier bewährt es sich deshalb, die Gesamtkosten zur Überwachung eines bestimmten Bereichs zu betrachten und die Summe der Kosten durch die zu überwachende Fläche zu dividieren. In erster Näherung setzen sich die Kosten aus Anzahl und Preis der verwendeten Sensoren, Preis und Umfang der Elektronik, den Kosten für zusätzliche Funkverbindungen (Relais-Stationen, Konzentratoren), den Installationskosten und den Aufwendungen für die Energiequelle zusammen. Die Energiequelle ist hierbei ein wiederkehrender Kostenfaktor, der auch in die Kalkulation der Wartungskosten eingeht. Eine sehr lange haltbare Energiequelle muss in der Regel seltener geladen, ausgetauscht oder in anderer Weise behandelt werden.

Auswirkungen auf Kosten und Effizienz des Systems haben ferner die mittlere und die maximale Stromaufnahme, das Power-Management, die Sleep-Betriebsarten und das zeitliche Verhältnis zwischen Ein- und Aus-Intervallen. Auch diese Faktoren sind somit ins Kalkül zu ziehen.

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Bild 1. Typische Architektur eines drahtlosen Sensor-Systems: Die Funk-Sensoren sind stets batteriebetrieben, die Relais-Einheiten können entweder batterie- oder netzbetrieben sein.

  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?